Laborationer. Laborationer. Under laborationskursen kommer 2-4 laborationer att genomföras:

Transkript

1 Laborationer Under laborationskursen kommer 2-4 laborationer att genomföras: A Aromatisk kemi K Karbonylkolets kemi P Polymerer R Reaktionslära L Läkemedelskemi 1.1 Före laborationen: Inför varje laboration skall en del förberedelser göras. Instruktionerna till den laboration som skall utföras skall läsas igenom noggrant. Denna genomläsning skall även inkludera de tekniker som används i laborationen (se Laboratorieteknik i detta kompendium) samt de delar av Organisk kemi (Ellervik & Sterner, 2007) som anges inför varje laboration. Mekanismen för reaktionen som skall utföras skall studeras och skrivas ner. Vidare skall säkerhets- och riskaspekter för alla kemikalier som skall användas under laborationen slås upp (exempelvis på: och skrivas ner. Endast R- och S-fraser räcker inte utan även deras betydelse skall vara nedskriven. Dessa förberedelser ska redovisas i laboratoriejournalen. De mängder som skall användas av respektive kemikalie skall beräknas. Exempel på hur ett korrekt ifyllt förberedelseblad ser ut finns i Laboratorieteknik-delen av detta kompendium. 1.2 Under laborationen: Under varje laboration skall laboratoriejournal föras enligt exemplet i Laboratorieteknik. Laboratoriejournalen skall godkännas av laborationshandledaren efter utförd laboration. 1.3 Efter laborationen: Efter varje laboration skall allt material som använts diskas och plockas undan. I vissa laborationer ingår rapportskrivning. Instruktioner finns i Laboratorieteknik. Lab1

2 Laboration L: Syntes av Paracetamol L1. Förberedelser 1. Förbered säkerhet och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionerna samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 8 speciellt 8.6, kapitel 16 och 17 speciellt 17.4 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1-3, 5, 7-8 samt L2. Bakgrund Laborationen avser demonstrera följande punkter: Nukleofil substitution med karboxylsyraderivat Återloppskokning av reaktionslösning Omkristallisation Renhetsanalys genom tunnskiktskromatografi (TLC) L3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Ättiksyraanhydrid 2.25 ml ρ = p-aminofenol Vatten 6 ml p acetylaminofenol (paracetamol) Lab2

3 L4. Arbetsbeskrivning Blanda vatten och p-aminofenol i en 50 ml rundkolv med magnetloppa. Tillsätt ättiksyranahydrid, anslut kylare samt säkra vattenslangar och testa uppställningen med lågt vattenflöde. Visa uppställning för labbhandledaren innan värmning påbörjas. Höj saxbordet så att rundkolven med reaktionslösning kommer i kontakt med värmemanteln. Sätt igång värmningen. Kontrollera att produkt bildas med hjälp av TLC och visa ett bra TLC för labbhandledaren (heptan/etoac 1:9). Då reaktionen är klar sluta återloppskoka och låt reaktionen svalna till rumstemperatur. Sugfiltrera av kristallerna som bildats, med en glasfiltertratt. Överför kristallerna till en rundkolv och omkristallisera med en minimal mängd metanol/vatten (1:1) blandning. Använd en värmepistol och kylare. Sugfiltrera av kristallerna som bildats, med en glasfiltertratt. Väg produkten och lös därefter upp en liten mängd (en spatelspets) i aceton. Bered ett standardprov för TLC av en huvudvärkstablett. Jämför produkten och standardprovet med hjälp av TLC. Visa för labbhandledaren. L5. Slutsatser Beräkna utbytet. Beräkna Rf-värdet (heptan/etoac 1:9). Sammanställning av experimentell data Teoretiskt maximal mängd (mg): Utbyte (%): R f värde (huvudvärkstablett): R f värde: Lab3

4 Laboration A: Syntes av N,N-dietyl-2,4,dinitroanilin A1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionerna samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 15 speciellt 15.3 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1-5, 7-8 samt A2. Bakgrund Laborationen avser demonstrera följande punkter: Nukleofil aromatisk substitution S N Ar Återloppskokning av reaktionslösning Upparbetning med extraktion av reaktionslösning Kontroll av reaktionsförlopp med tunnskiktskromatografi (TLC) Renhetsanalys genom tunnskiktskromatografi och bestämning av smältpunkt. A3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data 1-Brom-2,4- dinitrobensen Dietylamin 9 ml ρ = NaHCO N,N-dietyl-2,4- dinitroanilin Lab4

5 A4. Arbetsbeskrivning Blanda 1-brom-2,4-dinitrobensen och natriumvätekarbonat i en 50 ml rundkolv med magnetloppa. Tillsätt 9 ml dietylamin, anslut kylare, koppla och säkra slangar till kylvattnet och testa uppställningen med lågt vattenflöde. Visa uppställning för labbhandledaren innan värmning påbörjas. Höj saxbordet så att värmekällan får kontakt med rundkolven. Starta värmningen. Reaktionslösningen skall koka tills reaktionen är klar, omkring 60 minuter. Kontrollera att produkt bildas med hjälp av TLC och visa ett bra TLC för labbhandledaren. (Heptan/EtOAc 4:1). Då reaktionen är klar sluta återloppskoka och låt reaktionen svalna. Späd reaktionen med 10 ml vatten och för över till en separertratt. Späd med ytterligare 10 ml vatten och extrahera vattenfasen tre gånger med etylacetat. Slå samman organfaserna och torka dem med Na 2 SO 4. Sugfiltrera igenom ett glasfilter och rullindunsta i en rundkolv. Omkristallisera produkten med en liten mängd etanol och för över den till ett vägt centrifugrör. När kristallerna har fallit ut, centrifugera ner bildade kristaller. Pipettera av supernantanten med en Pasteurpipett, placera centrifugrör i exsickator och låt torka. A5. Slutsatser Beräkna utbytet och gör en smältpunktsanalys av kristallerna. Beräkna R f -värdet (Heptan/EtOAc 4:1). Sammanställning av experimentella data Teoretiskt maximalt utbyte (mg): Utbyte (%): Smältpunkt ( C): R f värde: Lab5

6 Laboration K: Syntes av 1,5-difenyl-1,4-pentadien-3-on (Dibensalaceton) K1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionerna samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel ej samt Laboratorieteknik: Kapitel 1-5, 7-8 samt K2. Bakgrund Laborationen avser demonstrera följande punkter: Aldolkondensation Upparbetning med extraktion av reaktionslösning Kontroll av reaktionsförlopp med tunnskiktskromatografi (TLC) Renhetsanalys genom tunnskiktskromatografi och bestämning av smältpunkt. K3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Bensaldehyd ρ = 1.05 Aceton 5 ρ = NaOH 10 ml Överskott 10 % 1,5-Difenyl-1,4- pentadien-3-on Lab6

7 K4. Arbetsbeskrivning Etanol (7 ml) och NaOH-lösningen (10 ml, 10 % w/v) placeras i en 50 ml rundkolv med magnetloppa. Förbered en TLC-vanna med eluent samt en TLC-platta för ett initial TLC. Lös bensaldehyd och aceton i etanol (3.5 ml) och tillsätt denna blandning droppvis till reaktionskärlet. Tag prov för TLC-analys och applicera minimal mängd på plattan och efter eluering visa TLC-plattan för labbhandledaren. Då reaktionen är klar (följ på TLC) tillsättes EtOAc (20 ml) och blandningen omröres i 5 min. Häll över allt utom loppan till en separertratt, skölj ur kolven två gånger med 5 ml EtOAc och häll i separertratten. Separera faserna och extrahera vattenfasen med EtOAc tre gånger. Kombinera organfaserna och tvätta dessa med mättad NaCl-lösning (Brine) tills tvättvattnet är neutralt. Därefter tvättas organfaserna med mättad natriumvätesulfitlösning fyra gånger Tvätta sedan organfaserna med natriumvätekarbonatlösning två gånger. Torka den organiska fasen med Na 2 SO 4. Sugfiltrera igenom ett glasfilter och rullindunsta i en rundkolv. Omkristallisera produkten med en liten mängd etanol och för över den till ett vägt centrifugrör. När kristallerna har fallit ut, centrifugera ner bildade kristaller. Pipettera av supernatanten med en Pasteurpipett, placera centrifugrör i exsickator och låt torka. K5. Slutsatser Varför tvättar vi med de olika vattenlösningarna, brine, natriumvätesulfit samt natriumvätekarbonat? Tunnskiktskromatografi körs med startmaterial, råprodukt och ren produkt, beräkna R f (Heptan/EtOAc 3:2) Bestäm smältpunkten för den rena produkten. Beräkna utbyte för reaktionen. Sammanställning av experimentella data Teoretiskt maximalt utbyte (mg): Utbyte (%): Smältpunkt ( C): R f värde: Lab7

8 Laboration P. Syntes av olika polymerer Lab P1: Framställning av Nylon 6-10 P1.1 Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionerna samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 11.2, 18.2 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt P1.2. Bakgrund Laborationen avser visa en gränsskiktspolykondensation. Nylon är ett termoplastiskt silkigt material som först användes i en tandborste med nylonborst Efter det följde ett mer känt användningsområde i nylonstrumpan Polymeren är uppbyggd av repeterande enheter som är sammanlänkade med amidbindningar och kallas därför ofta för samlingsnamnet polyamidplaster. Initialt var nylon tänkt att ersätta siden efter andra världskriget då tillgången på siden var skral i till exempel fallskärmar, skyddsvästar och bildäck. I dag används nylon i olika tyger, mattor, strängar till musikinstrument samt rep. Namngivningen av nylonen sker med bas av antalet kol som separerar de två syragrupperna samt de två amingrupperna i monomererna såsom 5-10, 6-6, P1.3. Reaktionsmekanism Lab8

9 Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Hexametylendiamin 0.9 g Mp = NaOH Vatten Sebacoylklorid Heptan 0.3 g 15 ml 0.6 ml 15 ml P1.4. Arbetsbeskrivning P Hexametylendiaminlösning Värm flaskan med hexametylendiamin i ett 50 C varmt vattenbad. Värm en pasteurpipett försiktigt med en värmepistol till cirka 50 C Använd den förvärmda pasteurpipetten och ta de 0.9 g som behövs och tillsätt i en 50 ml plastvial. Lös upp i destillerat vatten Tillsätt natriumhydroxid till lösningen och rör tills allt löst sig. P Sebacoylkloridlösning Lös sebacoylkloriden i heptan i en 50 ml plastvial. P Polymerisering Då natriumhydroxiden löst sig hälls hexametylendiaminlösningen ned i en plastpetriskål Därefter hälls, mycket försiktigt, sebacoylkloridlösningen ovanpå hexametylendiaminlösningen. Försök undvika att skikten rör ihop sig. Ta försiktigt tag i polymerfilmen som bildas i ytskiktet mellan de båda lösningarna med en pincett och dra försiktigt från bägarens mitt och rakt uppåt. Snurra sedan upp polymertråden på en Pasteurpipett. Tvätta nylontråden med vatten eller etanol. Lab9

10 Lab P2: Framställning av Urea Formaldehydpolymer P2.1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionen samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 11.2, 18.2 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt P2.2. Bakgrund Laborationen avser visa en kondensationsreaktion. Första patentet på kondensationen mellan urea och formaldehyd kom 1920 och sedan följde ett flertal olika varianter på polymeren i jakten på organiskt glas. Det lyckades inte förrän mycket senare i form av akrylatplaster. Används idag i lacker, MDF och gjutna modeller där dess flexibilitet, styrka, värmetålighet, låga vattenadsorption samt höga ythårdhet är önskvärda. Förr användes polymeren även vid produktionen av elektrisk utrustning, telefonlurar, radioapparater samt i serviser innan den blev ersatt med melamin av kostnadsskäl. P2.3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Formaldehyd 5 ml (aq) 37% Urea 2.5 g H 2 SO ml 18 M (konc) Lab10

11 P2.4. Arbetsbeskrivning Lös urea i formaldehyd i en 50 ml plastvial. Lägg locket på glänt över vialen och tillsätt ca 5 droppar svavelsyra genom att flytta locket lite åt sidan och sticka ner pipetten i bägaren. Det kan stänka, iakttag försiktighet! En exoterm reaktion startar och inom några sekunder har polymeren bildats. Lab11

12 Lab P3: Framställning av Fenol Formaldehydpolymer P3.1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionen samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 11.2, 18.2 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt P3.2. Bakgrund Laborationen avser visa en kondensationsreaktion. Den första kommersiella syntetiska polymeren var baserad på fenol formaldehyd och har namnet Bakelite Tm. Framtagen i början av 1900-talet i Belgien och användes främst för dess egenskap att inte leda ström samt värmeresistens i allt från radioapparater, smycken, leksaker samt köksutensilier. P3.3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Formaldehyd 2.35 ml (aq) 37% Isättika 5.6 ml 17 M Fenol 2 g HCl 5.31 ml 12 M Lab12

13 P3.4. Arbetsbeskrivning Blanda formaldehyd, isättika och fenol i en 50 ml plastvial. Rör om med en glasstav tills all fenol löst sig. Tillsätt snabbt saltsyra och rör samtidigt om med en Pasteurpipett. Reaktionen är exoterm och inom några minuter har polymeren bildats. OBS! Avlägsna Pasteurpipetten innan polymeren stelnat helt, då den sedan kan vara svår att få loss. Polymeren innehåller troligen oreagerad formaldehyd och fenol och skall tvättas med NaOH lösning och sedan vatten innan den slängs. Lab13

14 Lab P4: Framställning av Anilin Hydroklorid Formaldehydpolymer P4.1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionen samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 11.2, 18.2 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt P4.2. Bakgrund Laborationen avser visa en kondensationsreaktion. Vid produktionen av polyuretaner är steg ett att polymerisera anilin och formaldehyd för att få polymeriskt metylen difenyl diisocyanat förkortat MDI. De här polymererna krackas sedan för att ge tre isomerer varvid den ena av dessa tillsammans med en polyol, en alkohol med flera hydroxylgrupper, ger polyuretan. Användningen av polyuretaner är vidsträckt då det är möjligt att framställas med olika hårdhet och flexibilitet. Därför återfinns de i isoleringsskum, instrumentpaneler i bilar och i elektroniska instrument. P4.3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Anilin 1.5 ml HCl 2 ml 6 M Formaldehyd 3 ml (aq) 37% Lab14

15 P4.4. Arbetsbeskrivning Blanda anilin och saltsyra i en 50 ml plastvial. Låt lösningen svalna till rumstemperatur. Häll formaldehyd i en 50 ml plastvial och tillsätt snabbt anilin saltsyralösningen samtidigt som du rör med en Pasteurpipett. Reaktionen är exoterm och volymen kan öka. Inom några sekunder har polymeren bildats. Polymeren är fuktig med vatten och oreagerat startmaterial som skall sköljas av innan den slängs. Lab15

16 Lab P5: Framställning av Polystyrenpolymer P5.1. Förberedelser 1. Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. 2. Red ut mekanismen för reaktionen samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. 3. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 11.2, 18.2 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt P5.2. Bakgrund Laborationen avser visa syrakatalyserad polymerisation. Den kanske mest använda plasten är polystyren. Kan värmas så att den kan formas för att sedan stelna igen vid avsvalning. Användningsområdena är många och plasten återfinns i allt från engångsbestick, plastmodeller till CD-fodral. Frigolit fås genom att extrudera polystyrenskum och har ett flertal stora användningsområden. P5.3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Ekv. Fys data Styren BF 3 OEt 2 10 ml 1 droppe Lab16

17 P5.4 Arbetsbeskrivning Mät upp 10 ml styren i en 50 ml plastvial som sätts fast i en klämma i dragskåpet. Vialen med styren placeras fastklämd i ett isbad med vatten/is blandning. Tillsätt med pipett försiktigt BF 3 OEt 2 droppvis i vialen. Rör försiktigt om med en Pasteur pipett. Reaktionen är exoterm (håll ej i handen) och polymeren börjar bildas efter några minuter. Låt vialen sitta i köldbadet tills polymeren är sval rakt igenom. Polymeren är fuktig av oreagerad styren och skall sköljas innan den slängs. Lab17

18 Laboration R: Hydrolys av tert-butylbromid, tert-butylklorid och sec-butylbromid. R.1. Förberedelser Förbered säkerhets och riskanalys av laborationskemikalierna i laboratoriejournalen. Red ut mekanismen för reaktionerna samt beräkna de mängder som skall användas under laborationen. Förutsäg vilka reaktioner som bör gå snabbast och förklara varför. Läsanvisningar, Ellervik & Sterner: Kapitel 9 förutom 9.4 samt Laboratorieteknik: Kapitel 1, 3 samt 13. R.2. Bakgrund Laborationen avser demonstrera följande punkter: Jämförelse av kinetik hos hydrolys via S N 1 hos tert-butylbromid och tertbutylklorid med syra-basindikator. Belysa skillnaderna mellan tert-butylbromid och sek-butylbromid. R3. Reaktionsmekanism Substans Mw Mängd mmol Volym Fys data tert-butylbromid 0.5 tert-butylklorid 0.5 sek-butylbromid 0.5 späd med aceton till 10 ml späd med aceton till 10 ml späd med aceton till 10 ml ρ = ρ = ρ = NaOH 25 ml 0.01 M Lab18

19 R4. Arbetsbeskrivning R4.1. tert-butylklorid vid 25 C Bered 200 ml rumstempererad (20:80) aceton/vattenlösning. (Varför måste lösningen vara rumstempererad?) Tag 25 ml aceton/vattenlösning i en 50 ml E-kolv med magnetloppa samt placera E-kolven på ett vitt papper på omrörarplattan. Tillsätt 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) och ett par droppar Bromtymolblått (BTB) varvid lösningen blir blå. Bered tert-butylkloridlösningen (0.05 M i aceton) och tillsätt omedelbart 1 ml av denna till den blå aceton/vattenlösningen. Starta samtidigt ett tidtagarur. När färgen på lösningen byter från blå till gul tillsätts omedelbart ytterligare 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) samt tiden noteras. Upprepa detta förfarande tills lösningen ej längre byter färg från blå till gul. R4.2. tert-butylbromid vid 25 C Tag 25 ml aceton/vattenlösning i en 50 ml E-kolv med magnetloppa samt placera E-kolven på ett vitt papper på omrörarplattan. Tillsätt 2.0 ml NaOH (0.01 M aq.) och ett par droppar Bromtymolblått (BTB) varvid lösningen blir blå. Bered tert-butylbromidlösningen (0.05 M i aceton) och tillsätt omedelbart 1 ml av denna till den blå aceton/vattenlösningen. Starta samtidigt ett tidtagarur. När färgen på lösningen byter från blå till gul tillsätts omedelbart ytterligare 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) samt tiden noteras. Upprepa detta förfarande tills lösningen ej längre byter färg från blå till gul. R.4.3. tert-butylklorid vid 0 C Bered ett is/vattenbad i en rostfri skål och placera den på omrörarplattan. Alla lösningar måste vara 0 C innan försöken startas! Tag 25 ml aceton/vattenlösning i en 50 ml E-kolv med magnetloppa samt placera E-kolven i isbadet på omrörarplattan. Tillsätt 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) och ett par droppar Bromtymolblått (BTB) varvid lösningen blir blå. Bered ny tert-butylkloridlösning (0.05 M i aceton) och tillsätt omedelbart 1 ml av denne till den blå aceton/vattenlösningen. Starta samtidigt ett tidtagarur. När färgen på lösningen byter från blå till gul tillsätts omedelbart ytterligare 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) samt tiden noteras. Upprepa detta förfarande tills lösningen ej längre byter färg från blå till gul. Lab19

20 R4.4. tert-butylbromid vid 0 C Bered ett is/vattenbad i en rostfri skål och placera den på omrörarplattan. Alla lösningar måste vara 0 C innan försöken startas! Tag 25 ml aceton/vattenlösning i en 50 ml E-kolv med magnetloppa samt placera E-kolven i isbadet på omrörarplattan. Tillsätt 2.0 ml NaOH (0.01 M aq.) och ett par droppar Bromtymolblått (BTB) varvid lösningen blir blå. Bered ny tert-butylbromidlösning (0.05 M i aceton) och tillsätt omedelbart 1 ml av denna till den blå aceton/vattenlösningen. Starta samtidigt ett tidtagarur. När färgen på lösningen byter från blå till gul tillsätts omedelbart ytterligare 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) samt tiden noteras. Upprepa detta förfarande tills lösningen ej längre byter färg från blå till gul. R.4.5. sek-butylbromid vid 25 C Tag 25 ml aceton/vattenlösning i en 50 ml E-kolv med magnetloppa samt placera E-kolven på ett vitt papper på omrörarplattan. Tillsätt 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) och ett par droppar Bromtymolblått (BTB) varvid lösningen blir blå. Bered sec-butylbromidlösningen (0.05 M i aceton) och tillsätt omedelbart 1 ml av denna till den blå aceton/vattenlösningen. Starta samtidigt ett tidtagarur. När färgen på lösningen byter från blå till gul tillsätts omedelbart ytterligare 0.5 ml NaOH (0.01 M aq.) samt tiden noteras. Upprepa detta förfarande tills lösningen ej längre byter färg från blå till gul. R.5. Slutsatser Vad förväntar du dig skall ske? Vad orsakar de skillnader du upptäcker? Varför måste halogenidlösningarna beredas precis innan experimentet påbörjas? Härled ett uttryck som beskriver koncentrationen av tert-butylkloriden som en funktion av tiden i sekunder som svarar mot räta linjens ekvation. Plotta i ett diagram och bestäm grafiskt om ekvationen följer första eller andra ordningens kinetik. Lab20