Laboratorieteknik Innehåll: 1. Allmänna anvisningar... 2 1.1. Utrustning på laboratoriet... 3 1.2 Riskanalys... 4 1.3 Laboratoriejournal... 6 1.4 Laborationsredogörelse... 9 2. Avdrivning av lösningsmedel - evaporering... 11 3. Diskning... 12 4. Extraktion/Tvätt... 13 5. Filtrering... 14 6. Flashkromatografi... 15 7. Reglering av reaktionstemperatur... 16 8. Omkristallisation... 17 9. Smältpunktsbestämning... 19 10. Torkning av lösningsmedel... 20 11. Tunnskiktskromatografi... 21 12. Uppvärmning... 23 13. Vägning och mätning... 25 LabTek 1
1. Allmänna anvisningar I preparativt laboratoriearbete spelar själva reaktionen tidsmässigt en ganska underordnad roll. Det som tar den mesta tiden är upparbetningar av olika slag. Nedan följer några allmänna råd angående laboratoriearbetet. Se även säkerhetsavsnittet i detta kompendium. Alla försök ska göras i dragskåp. Alla kolvar med lösningar och ämnen ska förvaras i dragskåpet. Dimensionera alltid din utrustning rätt. En tumregel är att kolvarna ska vara halvfyllda. I en för liten kolv finns inget utrymme om något skulle hända, och i en för stor kolv fastnar alltför mycket på väggarna. En stor del av eventuella förluster sker vid filtreringar. Var noga med att ta med allt material. Sätt alltid i glaspropp i alla kolvar. Det är stor risk att kemikalierna i kolvarna avdunstar och ger upphov till otrevliga ångor. Märk alla kolvar. En omärkt kolv förväxlas lätt. Om du misstänker att utbytet blivit avsevärt lägre än förväntat så måste du givetvis minska exempelvis lösningsmedelsmängd vid en omkristallisation. Det är viktig att känna till i vilket tillstånd de olika ämnena ska vara. Torr P 2 O 5 är till exempel ett vitt pulver och inte en flytande massa. En flytande massa tyder på att ämnet har absorberat en massa vatten. För att minska exponering mot kemikalier är det viktigt att jobba rent. Allt spill skall torkas upp omedelbart. Detta inkluderar spill på och vid vågarna och i det egna dragskåpet. LabTek 2
1.1. Utrustning på laboratoriet All den utrustning ni kommer att använda under kursen har namn. Som en hjälp för att hålla ordning på detta följer en sida med bilder på olika typer av utrustning. LabTek 3
1.2 Riskanalys Innan varje laboration måste en riskanalys göras. För varje kemikalie ska R- och S- fraser tas fram och skrivas ut i klartext. I fall något går snett under laborationen är det viktigt att snabbt få fram rätt information. Tänk igenom laborationen och gör gärna ett flödesschema det är lätt att glömma någon kemikalie. Riskanalysen skrivs in i Laboratoriejournalen. Ett exempel på en riskanalys ges nedan: LabTek 4
LabTek 5
1.3 Laboratoriejournal Allt arbete på ett kemiskt laboratorium måste dokumenteras omsorgsfullt. För detta ändamål bör man föra en labjournal. I denna skall finnas datum, vilket (vilka) experiment man gör och hur de förlöper. För kvantitativa experiment skall primärdata som exempelvis vägningar, volymbestämningar, avläsning av inställningsparametrar på mätinstrument omedelbart föras in i journalen. För kvalitativa experiment för man in vilka lösningar man blandar och vilka observationer man gör, som till exempel bildning av fällning eller gas, färgfenomen och liknande. För att inte belasta minnet alltför mycket skall journalen föras kontinuerligt under dagen och ej som en sammanfattning vid arbetsdagens slut. Alla former av lösbladssystem bör undvikas. Labjournalen förs lämpligen i en anteckningsbok med tåliga pärmar. Även om man tycker att ett experiment är mer eller mindre misslyckat skall dess dokumentation inte rivas ur dagjournalen eftersom även misslyckade experiment kan visa sig ha ett visst värde i ett senare skede av en experimentell undersökning. Vid alla former av rapportskrivning skall man tänka på läsaren. Vem skall läsa labjournalen? Det är i första hand den som skrivit den, vilket ger stor frihet för hur den utformas. Vad använder man den till? Ute i yrkeslivet används labjournalen som underlag för rapporter av olika slag såsom tekniska rapporter, patentansökningar eller vetenskapliga uppsatser. Sådana rapporter sammanställs vanligen inom en tidsperiod av 1 2 år. Labjournalen måste alltså vara så detaljerad att man med hjälp av den noggrant kan beskriva experiment som ligger flera år tillbaka i tiden. Ett exempel på hur en labjournal kan föras ges på de kommande sidorna. LabTek 6
LabTek 7
LabTek 8
1.4 Laborationsredogörelse När laborationen är utförd föreligger resultaten dokumenterade i laboratoriejournalen. Att skriva redogörelsen för laborationen innebär att presentera det materialet på ett klart och överskådligt sätt. Därför måste man innan man börjar skriva ha en genomtänkt disposition. Rubriker ska vara korta, koncisa och så informativa som möjligt och bör inte innehålla förkortningar. Underrubriker ska visa avsnittets innehåll. Rapporten kan se ut på följande vis: 1. Försättsblad Som huvudrubrik bör laborationens titel i handledningen användas. Titelsidan ska också innehålla författarens/nas namn, kursnamn, handledaren/nas namn samt år och datum för utförande. 2. Inledning I inledningen skall problemställningen definieras, dvs. frågan Vad är avsikten med laborationen? skall besvaras. 3. Teori Detta avsnitt ska vara kortfattat. Beskriv så enkelt som möjligt den teoretiska bakgrunden för laborationen med en sammanbindande text och referera till litteraturen. Avsnittet bör innehålla en förklaring av den/de reaktioner som utförts inklusive mekanismer, samt något om de metoder som använts. Här ska det inte finnas några egna reflektioner eller diskussion kring egna resultat. 4. Experimentell metodik Här beskrivs vad som gjorts under laborationen så tydligt så att läsaren på egen hand kan upprepa experimentet förutsatt att han/hon är kemist. Det här avsnittet ska dock inte vara en renskrivning av laboratoriejournalen utan mer en beskrivning av huvuddragen i det experimentella utförandet. Då det är en beskrivning av vad som utfördes på laboratoriet vid ett tidigare tillfälle ska alltid imperfekt användas. Nedan finns ett exempel på experimentell metodik för föregående sidors laboratoriejournal: Brombensen (0,335 ml, 3,2 mmol) i dietyleter (2 ml) sattes till en torr kolv med magnesium (77 mg, 3,15 mmol). Reaktionsblandningen återloppskokades i 25 min. Därefter tillsattes metylbensoat (0,113 ml, 0,9 mmol) i dietyleter (0,5 ml) droppvis till Grignardreagenset och blandningen återloppskokades i ytterligare 1 h och 40 min. Därefter tillsattes is (1,5 g) följt av HCl (1,5 ml, 6 M). Vattenfasen separerades från den organiska fasen och extraherades med etylacetat (3*5 ml). De samlade organiska faserna tvättades med mättad NaHCO3 (aq.) tills lösningen blev basisk. Den organiska fasen torkades sedan med Na2SO4, filtrerades och lösningsmedlet avdrevs sedan under vakuum. Därefter omkristalliserades återstoden från heptan (2 ml) och produkten erhölls som vita kristaller (0,152 g, 64%, Rf 0,225 i heptan/etylacetat 45:1, smältpunkt: 160-161 C). 5. Resultat I det här avsnittet sammanfattas resultaten i en löpande text. Resultaten ges oftast i form av bearbetade data som helst överförts till tabeller eller figurer för att lättare illustrera ett mönster eller en trend. Tabeller och figurer ska numreras och hänvisas till i den löpande texten. Alla tabeller och figurer ska ha en kort och koncis LabTek 9
förklarande text. En figurtext placeras under figuren medan en tabelltext placeras ovanför tabellen. Osäkerheten i resultaten skall om möjligt anges med felgränser. Tänk även på antalet signifikanta siffror. 6. Diskussion Här tolkas resultaten och alla trådar knyts ihop. Om möjligt jämförs erhållna resultat med förväntade resultat. Möjliga slutsatser i relation till studiens syfte och frågeställning dras. Generalisera inte utan håll dig till kända fakta och dina egna resultat. Felkällor ska också beaktas. Eventuellt kan avsnitten om resultat och diskussion slås ihop. 7. Referenser Här anges de källor där fakta hämtats ifrån. Dessa ska numreras i den ordning de förekommer i texten. Varje referens bör innehålla författarens/nas namn, bokens titel, tryckår, upplaga med sidhänvisning. På senare kurser kan det även hända att du refererar till artiklar. Det finns lika många system för hur referenser presenteras som det finns tidskrifter, vilket kan vara väldigt förvirrande. Det är viktigt att vara konsekvent i sitt sätt att referera till artiklarna. Nedan följer exempel på hur en referens till en vetenskaplig artikel 1 respektive till en bok 2 kan se ut. 1.!Karlsson S., Nilsson U.J., J. Chromatogr. A, 1998, 639, 89-96 författare tidskrift år, volym, sidor boktitel 2.!Atkins P. and Jones L., Chemical Principles - The quest for insight 4th Ed., W.H. Freeman and Company, 2008, 512-513 upplaga förlag år, sidor Appendix Ett appendix (en bilaga) innehåller sådant som tar så stor plats att det inte får plats inne i rapportens löpande text eller något som är av perifert intresse. Alla appendix numreras och hänvisas till i texten i den ordning de nämns i texten. LabTek 10
2. Avdrivning av lösningsmedel - evaporering Efter många reaktioner erhålles en utspädd lösning av den önskade produkten i något lösningsmedel, exempelvis eter. Ofta innehåller lösningen dessutom rätt stora mängder löst vatten som kan komma från en tidigare extraktion eller tvättning. För att inte vattnet ska störa senare reaktioner eller uppreningar måste det först torkas bort (se 10. Torkning av lösningsmedel). Att låta lösningsmedlet bara stå och avdunsta är inte bara tidsödande utan oftast direkt olämpligt. Förutom den omedelbara brandrisken sänks dessutom temperaturen i lösningen så pass mycket att vatten, som vi ju så noggrant har torkat bort, börjar kondensera ned. Indunstningen sker istället med en rullindunstare (evaporator). Denna kokar, genom en kombination av lågt tryck och värme, bort lösningsmedlet på kort tid. Ett problem kan dock vara risken för stötkokning. Gör så här: Väg den tomma rundkolven och anteckna vikten. Häll din lösning i kolven, högst halva kolven får vara fylld, och fäst kolven på rullindunstaren med hjälp av en klämma. Skruva på kylvattnet. Öppna för vakuum och sänk försiktigt trycket. Här finns en risk för stötkokning om trycket sänks för fort. När trycket är sänkt till 400 mmhg (se manometern) kan omrörningen startas och kolven sänkas ner i vattenbadet. När allt lösningsmedel är borta upprepar man ovanstående i omvänd ordning för att ta loss kolven. Väg återigen kolven. Genom att subtrahera kolvens egen vikt vet du nu hur mycket produkt du fick. En film som beskriver evaporering av lösningsmedel finns på: feed://itunesu.lu.se/nfak/kema01_sd.xml LabTek 11
3. Diskning För att uppnå en så god arbetsmiljö som möjligt är det viktigt att minimera mängden kemikalier och lösningsmedel i varje laborativt moment. Detta gäller även det sista momentet, då använd utrustning skall rengöras. Därför bör ni tänka på följande när ni diskar: Glasutrustningen innehåller kemikalierester varför rengöringen bör ske i dragskåp. Inga lösningsmedel får hällas ut i avloppet. Om speciellt farliga kemikalier har använts (till exempel tungmetaller) ska dessa samlas upp i särskilt kärl. Skölj först glaset med lite aceton för att bli av med det mesta av det organiska materialet. Häll detta i lämplig slask. Tvätta därefter med diskmedel och varmt vatten och skölj bort allt diskmedel ordentligt. För att kolven ska torka snabbt så kan den eftersköljas med lite aceton som sedan snabbt lufttorkar LabTek 12
4. Extraktion/Tvätt (se även 10. Torkning av lösningsmedel) I många fall kan en produkt renas upp genom extraktion, följt av tvättning. Vid dessa moment sker en separation mellan två olika faser, oftast en vattenfas och en organisk fas. Med extraktion menas att en produkt vid omskakning överförs från en fas till en annan, där den har bättre löslighet. Med tvättning menas att en organisk fas som innehåller en produkt skakas mot en vattenfas för att bli av med vattenlösliga föroreningar. Olika organiska föreningar trivs oftast bäst i en organisk fas - lika löser lika. Proteolytiskt aktiva föreningar, det vill säga föreningar som har en grupp som kan protoneras eller deprotoneras, kan separeras från varandra vid olika ph. Detta kommer sig av att en laddad förening helst befinner sig i vattenfasen, medan en oladdad helst befinner sig i den organiska fasen. Som exempel kan nämnas separation av bensoesyra (pk a 5) och fenol (pk a 10). Om en eterlösning av dessa båda ämnen skakas mot en vattenfas kommer inget ämne att vandra över till vattenfasen. Om lösningen i stället skakas mot en mättad natriumvätekarbonatlösning kommer bensoesyran, men inte fenolen, att deprotoneras, bli laddad och vandra över till vattenfasen. Om vattenfasen sedan surgörs faller bensoesyran ut och de båda ämnena är separerade. I laborationsanvisningarna står det alltid vad man ska extrahera eller tvätta med. Det kan till exempel stå tvätta med vatten eller extrahera till en eterfas. Gör så här: Häll den organiska fasen i en separertratt (glöm inte att kontrollera att kranen är stängd - ett nog så vanligt misstag). Häll sedan i vattenfasen (något mindre vatten än organisk fas). Separertratten bör inte fyllas till mer än 2/3. Sätt i proppen och vänd på separertratten. Håll den upp och ner, öppna kranen och släpp ut övertrycket. Det kan bildas ett rätt rejält tryck, framför allt då man skakar mot en natriumvätekarbonatlösning. Stäng kranen och skaka separertratten, först försiktigt, sedan kraftigt. Släpp ut trycket genom kranen då och då. Vänd tillbaka separertratten och låt faserna separera. Om faserna har svårt att separera så rotera försiktigt separertratten eller rör med en glasstav i fasgränsen. Fås fortfarande inte någon separation kan lite salt sättas till vilket höjer jonstyrkan i vattenfasen och ger separation. Ta ur proppen (detta glömmer många vilket resulterar i att det bildas ett undertryck i kolven) och töm ut underfasen. Tips: Etylacetat och eter är lättare än vatten, medan diklormetan är tyngre. Många extraktioner med små volymer är effektivare än få med stora. Tänk på skillnaden mellan att extrahera och att tvätta. En film som beskriver extraktion och tvättning finns på: feed://itunesu.lu.se/nfak/kema01_sd.xml LabTek 13
5. Filtrering Filtrering krävs efter ett antal moment i det kemiska laboratoriearbetet. Det kan vara kristaller som ska filtreras från en moderlut eller torkmedel från en torkad lösning. Vid sugfiltering använder man vakuum för att suga vätskan genom filtret. Då det fasta materialet (till exempel kristaller vid en omkristallisation) ska tas tillvara använder man en Hirsch- eller Büchnertratt med filterpapper. Om det istället är vätskan som är intressant användes ett glasfilter. Glasfiltret är gjort av sintrat glas och finns med olika tätheter. En fördel är att det är kemiskt inert. För att täta mellan tratten och sugflaskan används en gummimanschett. Det är även möjligt att filtrera direkt ner i en rundkolv med slip om en filteradapter används. För att filtrera bort vissa reagens från en reaktionslösning kan Celite användas. Celite är en lerart som torkats och finmalts. Celiten placeras i en glasfiltertratt och slammas upp med något lösningsmedel (till exempel heptan eller etylacetat). Därefter sugs lösningsmedlet ner med vakuum och proceduren upprepas ett par gånger för att tvätta Celiten. När sedan reaktionsblandningen ska filtreras sugs lösningsmedlet ned precis till toppen av Celitebädden, därefter hälls reaktionsblandningen försiktigt på och sugfiltreras ned. Skölj sedan Celiten noga med något passande lösningsmedel. LabTek 14
6. Flashkromatografi (se även 11. Tunnskiktskromatografi) Efter en reaktion fås ofta en blandning av flera olika föreningar som kan vara svåra att separera från varandra. Om dessa inte går att skilja åt med hjälp av tvättning och extraktioner kan flashkromatografi vara lösningen i många fall. Flashkromatografi har samma princip som tunnskiktskromatografi och kiselgelen är densamma som används till tunnskiktsplattor varför det är en direkt koppling mellan tunnskiktskromatografi och flashkromatografi. Polära föreningar fördröjs mer än opolära på en kiselgel-kolonn. Vid en flash-kromatografering används en uppställning enligt figuren. Luft ut Luft in Kolonn Kran Slang Ventil Lösningsmedelsbehållare Kiselgel Gör så här: Den förening som ska renas fram bör ha ett R f -värde på 0.1-0.2. System med heptan och etylacetat i olika blandningar är ofta mycket bra. Fyll en kolonn med torr kiselgel, SiO 2. Häll över kiselgelen i en E-kolv och slamma upp den med den valda lösningsmedelsblandningen till en blaskig jämn konsistens. Använd 1:20 för en enkel flash med stort Rf och upp till 1:100 för en svår med litet R f, dvs 100 mg produkt i en svår flash ger 10 gram kiselgel till flashen. Häll över blandningen till kolonnen och öppna kranen. Vibrera kolonnen med fingrarna för att få ut eventuella luftbubblor. Packa försiktigt med tryckluft men stanna innan gelen blottlägges på ytan. Gelen får inte torka då detta ger sprickbildning och dålig separation. Tillsätt en lösning av provet i minimal mängd av samma eller ett mindre polärt lösningsmedel. Var försiktig så att inte den plana gelytan förstörs. Låt lösningen rinna ner i gelen tills gelytan blottas igen. Använd en pipett för att skölja ned det sista längs kanterna med lösningsmedel. Fyll upp cirka 3 mm och låt sjunka ned till gelytan igen, upprepa 2 gånger. Stäng kranen och fyll försiktigt på med lösningsmedel upp till kanten utan att slamma upp silica gelen och sätt dit lösningsmedelskulan. Fyll försiktigt denna med lösningsmedel. Anslut tryckregulatorn. Se till att ventilerna är ordentligt öppna. Öppna kranen och reglera trycket så att lösningsmedlet rinner (inte droppar) ut genom kolonnen. Samla upp fraktioner i provrör, ta fraktionerna ungefär lika stora i ml som silica mängden i gram, det vill säga 10 g silica ger 10 ml stora fraktioner. Ta TLC på alla fraktioner. Markera UV aktiva substanser och framkalla TLC-plattan och för över de fraktioner som innehåller produkt till en tarerad kolv. Driv av lösningsmedlet och väg produkten. TLC på startmaterial TLC på fraktioner i kromatograferingen LabTek 15
7. Reglering av reaktionstemperatur När man vill genomföra en reaktion vid en högre temperatur än rumstemperatur måste man tillföra värme och kokning kan verka som en enkel operation men kan vara nog så besvärlig. När man istället vill genomföra en reaktion vid en lägre temperatur än rumstemperatur måste man använda sig av ett kylbad. 7.1. Kokning För att kokningen ska vara jämn och stötkokning undvikas används en magnetloppa vilket ger en yta där ångblåsorna kan bildas på ett lugnt sätt. Förr användes kokstenar av små kvarts- eller porslinsbitar. En magnetloppa är en liten teflonklädd magnet som används till omrörning och samtidigt fungerar de som kokstenar och ger en jämn kokning. Tänk på att magnetloppor aldrig får läggas i en upphettad lösning. Lösningen kan nämligen vara överhettad och när magnetloppan läggs i startar en våldsam kokning och den varma lösningen sprutar ut ur kylaren. Om du glömt lägga i magnetloppa så måste lösningen först kylas ner något innan du lägger i den. 7.2. Reflux eller återloppskokning För att inte lösningsmedlet ska koka bort måste en kylare användas. I denna kondenserar lösningmedlet och droppar sedan tillbaka ner i lösningen igen. Detta förfarande kallas för reflux eller återloppskokning. Det är viktigt att dimensionera kylaren så att den verkligen kan föra bort all värme som tillförs. Om det krävs mycket kylning kan, i stället för den vanliga Liebigkylaren, en spiralkylare, som har större kapacitet, användas. Kylaren sätts i slipen på reaktionskolven utan att spännas fast med en klämma. Spänns kylaren fast blir det inte tätt i slipen vid kolven och lösningsmedlet kokar bort. Kylvattenslangarna sätts fast med najtråd eller slangklämmor så att de sitter fast vid det övertryck som vattnet ger och inte kan lossna. Välj inflödet närmast kolven och utflödet i motsatt sida. Starta ett långsamt flöde så att vattnet rinner fint och inte fullt tryck från kranen. När sedan reaktionen startas måste man tillse att övertrycket kan komma ut ur systemet antingen genom att ha öppet i toppen på kylaren eller genom en septa med kvävgastillflöde. Vid återloppskokning måste kylvattenflödet kontrolleras med jämna mellanrum. Kranpackningarna har nämligen en tendens att svälla och täppa till vattenströmmen. Detta kan göra att lösningmedlet kokar bort och reaktionen får göras om. 7.3. Kylning av reaktion När man vill genomföra en reaktion vid lägre temperatur än rumstemperatur måste ett kylbad användas. Det är oftast en skål där man blandar till önskat köldmedium i som sedan rymmer reaktionskolven. Kärlet kan även vara ett termokärl för att hålla temperaturen längre än ett oisolerat kärl. Isvatten är 0 C Is i aceton är -10 C Torris i aceton är -78 C LabTek 16
8. Omkristallisation Omkristallisation är ett av de vanligaste sätten att rena upp fasta material. I ett kristallgitter finns, på grund av den täta strukturen och kravet på ordning, väldigt lite plats för föroreningar vilket innebär att en hög renhet ofta uppnås. Det finns två valmöjligheter för att praktiskt utföra en omkristallisation. Den första är att överföra sina orena kristaller till ett vägt centrifugrör följt av en liten mängd lösningsmedel (0.5-1.0 ml). Röret upphettas sedan försiktigt med hjälp av en värmepistol. Om lösningen börjar koka så låt det svalna under ett tag och fortsätt sedan värmningen tills alla kristaller har gått i lösning, vid behov tillsätts mer lösningsmedel. Låt sedan temperaturen falla tills kristallerna åter faller ut och när lösningen är sval (rumstempererad) centrifugeras kristallerna ner i botten och supernatanten pipetteras av med en pasteurpipett. Om en olja erhålls i botten av centrifugröret så gör om kristallisationen. Kristallerna kan sedan sköljas med en liten mängd kallt lösningsmedel och efter upprepad centrifugering pipetteras även den mängden lösningsmedel av. Röret torkas sedan i exsickator. Det andra alternativet är att överföra sina kristaller till en rundkolv följt av en liten mängd lösningsmedel. Kolven spänns sedan fast i en klämma och en kylare passas till kolven. Kolven hettas sedan med antingen värmepistol eller annan värmekälla tills alla kristaller löst sig, vid behov tillsätts mer lösningsmedel. Sedan tas värmekällan bort och när lösningen är sval (rumstempererad) så filtreras kristallerna av från lösningsmedlet, även här sköljs kristallerna i filtret av med en liten mängd kallt lösningsmedel. Den första metoden är mer lämplig för omkristallisation i mindre skala där tid finns för att låta centrifugröret torka under längre tid, gärna i exsickator. Den andra metoden är mer lämplig för omkristallisation i större skala samt där man har en blandning av lösningsmedel där det är viktigt att förhållandet bibehålls under omkristallisationen. Om kristallerna inte vill falla ut finns ett antal trick som kan användas för att påskynda utfällningen: Ympning Tillsätt en ren kristall av produkten så att kristallerna har något att växa på Skrapa på glaset Skapar små oregelbundenheter på glasytan vilket också ger kristallerna något att växa på Tillsätt en glasflisa Samma funktion som ovan Tillsätt ett annat lösningsmedel droppvis Försämrar lösligheten för kristallerna, glöm inte blanda ordentligt mellan varje droppe Kyla om inget annat fungerar, låt lösningen vila i kyl eller frys under en längre tid Det är oftast fördelaktigt att använda ett polärt lösningsmedel då de flesta föroreningar (som man ju inte vill fälla ut) oftast är lättlösliga i polär miljö. Ett annat sätt är att lösa föreningen i något polärt lösningsmedel som den är lättlöslig i, och sedan genom att sätta till något opolärt ämne sänka polariteten och därmed också lösligheten, och på detta vis få föreningen att kristallisera. LabTek 17
När kristallerna har filtrerats av har man kvar en lösning som fortfarande innehåller mycket material, den så kallade moderluten. Denna ska evaporeras för att sedan kristalliseras igen. Dessa kristaller är oftast av sämre kvalitet och ska inte blandas med första fraktionen. Några av de vanligaste lösningsmedlen ordnade efter ökad polaritet: heptan minst polärt toluen diklormetan CH 2 Cl 2 eter O O etylacetat O etanol OH metanol OH vatten H 2 O mest polärt LabTek 18
9. Smältpunktsbestämning Smältpunkten är ett bra mått på en organisk substans renhet. En ren substans smälter i ett mycket skarpt temperaturintervall medan en oren substans blir klibbig och börjar smälta långt under den temperatur där rena kristaller smälter. Om man gör flera omkristallisationer på samma substans kan man följa att den blir renare och renare och smältpunkten stiger. Smältpunktsintervallet för en ren substans brukar vara 1-2. För att noggrant kunna bestämma smältpunkten tas lite av provet i en smältpunktskapillär som sedan värms tills provet smälter. Temperaturen kan då avläsas. Gör så här: Lägg kristallerna på en fast yta (urglas, filterpapper, botten på ett liten bägare) tag ett smältpunktskapillär och stöt med den öppna ändan mot kristallerna i provet. När lite material har packats i röret (0.5-1.0 cm högt) släpps röret, med den stängda änden nedåt, genom ett vidare rör av metall eller glas. När kapillärröret börjar studsa stöts provet ner i botten av kapillären. Upprepa detta tills allt prov ligger i kapillärens botten. Sätt kapillären i provutrustningen så att provet tydligt syns genom linsen. Höj temperaturen långsamt. En temperaturhöjning om 4 /minut rekommenderas vid smältpunkten. Anteckna när provet börjar smälta och när hela provet är smält. Detta kallas för smältpunktsintervall. En smältpunkt anges alltid som ett intervall, till exempel mp = 143-145 C. LabTek 19
10. Torkning av lösningsmedel Torkning av lösningsmedel är en viktig operation. Det kan vara en lösning som innehåller vatten efter en extraktion eller ett lösningsmedel som måste torkas extra innan en fuktkänslig reaktion. 10.1. Torkning av lösningsmedel till reaktion För att få riktigt torra lösningsmedel kan man göra på flera olika sätt. Under laborationerna kommer assistenten oftast att ha förberett detta. Destillation från torkmedel: Genom att destillera från något ämne som binder vatten fås mycket torra lösningsmedel. Som exempel kan nämnas att diklormetan kan destilleras från kalciumhydrid och aceton från kalciumsulfat (gips). Natriumtorkning: Om natrium strimlas ner i en lösning kommer metallen att reagera med vattnet och bilda natriumhydroxid. En förutsättning är givetvis att inte lösningsmedlet kan reagera. Det är lämpligt att förtorka lösningsmedlet så att det inte är så mycket fukt kvar. Natriumtorkning används till exempel till eter och toluen. Na får inte användas för att torka halogenerade lösningsmedel. En flaska med natriumtorkat lösningsmedel ska hanteras med största försiktighet. Se säkerhetsavsnittet. Molekylsikt: Molekylsikt är en zeolit med hålrum av bestämd storlek. I hålrummen kan vatten och andra små molekyler bindas. En vanlig storlek på hålrummen är 3-4 ångström. Molekylsikt måste aktiveras innan den kan användas. Detta sker i värme. Man kan undersöka om molekylsikten är aktiv genom att ta några bitar i handen och droppa på lite vatten. Blir den varm är den aktiv. 10.2. Torkning av reaktionsblandning Denna torkning sker oftast med hjälp av något fast salt som binder upp vattnet som kristallvatten. De vanligaste torkmedlen är natriumsulfat (Na 2 SO 4 ) och magnesiumsulfat (MgSO 4 ). Gör så här: Häll ner en sked natriumsulfat i lösningen. Omkring 5-10 % av lösningens volym brukar vara lagom. Saltet ska virvla kring i lösningen. Bildas klumpar har du hällt i för lite natriumsulfat. Rör om under 5-15 minuter. Lösningen ska bli helt klar. Filtrera bort saltet, som nu har tagit upp allt vatten. Skölj med lite nytt lösningsmedel så att all produkt följer med. LabTek 20
11. Tunnskiktskromatografi (se även 6. Flashkromatografi) För att ta reda på om en reaktion är klar används ofta tunnskiktskromatografi (TLC). Vid TLC applicerar man provet på en kiselgelplatta som elueras, vilket betyder att man låter ett lösningsmedel stiga upp genom plattan. De olika föreningarna binder olika hårt till kiselgelen och vandrar därför olika långt. Elueringen är klar när lösningsmedlet nått en cirka 1 cm från plattans övre kant. Då torkas plattan och sedan framkallas föreningarna på något vis och man kan se hur mycket startmaterial som är kvar eller om det har bildats produkt. För att beskriva hur långt föreningarna vandrat anges Rf-värdet. Detta definieras som kvoten mellan sträckan som substansen har vandrat och den totala sträckan lösningsmedlet har vandrat. lock TLC-platta Kiselgelen bort från filterpapperet! b filterpapper a TLC-vanna lösningsmedel R f =a/b Gör så här: Val av rörlig fas: Vid val av lösningsmedel använder man oftast blandningar av ett opolärt och ett polärt lösningsmedel. Exempel på opolära lösningsmedel är toluen, heptan och diklormetan. Typiska polära lösningsmedel är etylacetat, etanol och eter. Ett bra system att starta med är heptan/etylacetat 1:1. Om föreningarna vandrar för snabbt tillsätts mer av det opolära lösningsmedlet, om de vandrar för långsamt tillsätts mer av det polära. Applicering av provet: Gör en utspädd lösning av provet (cirka 1 %) i något lättflyktigt lösningsmedel som din förening är löslig i, till exempel diklormetan. Applicera provet på en tunnskiktsplatta (provet ska vara över vätskenivån i tunnskiktsvannan). Fläcken bör vara cirka 2 mm stor. Det är lämpligt att sätta en referensfläck av startmaterialet intill så att man vet om det skett någon reaktion. Använd endast organiska föreningar som referens (ej oorganiska reagens eller organiska lösningsmedel). LabTek 21
Eluering: Tunnskiktsplattan sätts ner i en tunnskiktsvanna, fyllt till cirka 5 mm av den valda rörliga fasen. Var nog med att vätskenivån är under den punkt där provet applicerades på plattan. Ett filtrerpapper i kärlet hjälper till att snabbt mätta luften med lösningsmedel. Lösningsmedlet kommer nu att sugas upp i plattan med hjälp av kapillärkrafter. Avbryt elueringen när lösningsmedelsfronten är ungefär 1 cm från övre kanten. Plattan tas upp och lösningsmedlet får avdunsta, eventuellt med hjälp av en hårtork. För snabbt system Bra system För långsamt system Plattan skadad För mycket prov Bra tunnskikt Visualisering: Om komponenterna i provblandningen inte själva är färgade finns en rad olika metoder för att göra fläckarna synliga. UV-ljus: Kiselgelplattan har i förväg preparerats med en fluorescerande substans som i UV-ljus lyser grönt utom där det finns ämnen som absorberar (till exempel aromatringar). Dessa syns som lila fläckar. Sprayreagens: Ett annat sätt att framkalla fläckarna är att spraya på ett reagens som reagerar med föreningarna och sedan värma plattan. Det finns både specifika och ospecifika sprayreagens. Ett exempel på ett allsidigt reagens är svavelsyra som förbränner substanserna till kol. Jod: Genom att skaka plattan i en burk med jod kan man få vissa föreningar att framträda. En film som beskriver tunnskiktskromatografi finns på: feed://itunesu.lu.se/nfak/kema01_sd.xml LabTek 22
12. Uppvärmning Bland de vanligaste operationerna inom den organiska kemin är uppvärmning. Det kan till exempel vara en reaktionsblandning eller en destillation. Uppvärmning kan göras med många olika metoder. 12.1. Öppen låga Detta var förr den vanligaste och oftast enda metoden för att värma. Av säkerhetsskäl får endast assistenten använda öppna lågor på labbet. Detta på grund av den överhängande risken att lågan kan tända eventuella lösningsmedelsångor i luften. 12.2. Hårtork För att snabbt värma till exempel vid omkristallisation och upplösning av olika ämnen används en vanlig hårtork. 12.3. Värmepistol För att snabbt kunna värma till lite högre temperaturer används en så kallad värmepistol. I första läget är temperaturen 300 C och i det andra 600 C. Tänk på antändningsrisken. Värmepistolen är även bra för att värma tunnskiktsplattor med. Tänk på att värmepistolens munstycke förblir varmt ett tag efter att pistolen stängs av. 12.4. Värmeplatta Elektriska värmeplattor är bra för att koka upp vatten kastruller. Glas får inte sättas direkt på en värmeplatta eftersom det kan skapas spänningar som gör att glaset spricker. Brandfarliga ämnen får ej värmas på värmeplattor eftersom det finns en risk för antändning. Eterångor kan till exempel antändas mot en värmeplatta utan att någon gnista behövs. 12.5. Vattenbad För lägre temperaturer är ett vattenbad idealiskt. 12.6. Oljebad Detta är en vanlig uppvärmningsmetod i ett organisk laboratorium. Då temperaturen på oljebadet ska ställas in väljs först en temperatur 20-30 högre än vad som önskas med grovinställningsratten på själva oljebadet. Sedan ställs önskad temperatur in på styrenheten (observera att detta kan slå ± 5%). Ett oljebad får aldrig värmas till mer än 160 C. Över denna temperatur kan det fatta eld. Ett oljebad får aldrig lämnas obevakat om temperaturen överskrider 140 C. En annan fara med oljebad är om det kommer ner vatten i det. Vattnet sjunker nämligen till botten och börjar koka där. Även en liten mängd vatten kan göra att olja börjar stänka omkring med stor risk för brännskador. LabTek 23
12.7. Värmemantlar Värmemantlar innehåller elektriska trådar inbäddade i ett brandsäkert textilt material. Problemen med värmemantlar är att de dels är svåra att reglera och dels innebär en antändningsrisk, ifall lösningsmedel rinner ner i dem. 12.8. Aluminiumblock Aluminiumblock är sannolikt det mest praktiska sättet att värma reaktionsblandningar. Det finns block som passar till de flesta kolvstorlekar och temperaturen kan lätt regleras. LabTek 24
13. Vägning och mätning För att kunna hantera kemikalier i milligram- och mikroliterskala krävs bra vågar och pipetter. I labbet finns det en våg som väger ner till 1 mg samt snabbpipetter (automatpipetter). 13.1 Vågen Vågen är en apparat som skall behandlas med omsorg och försiktighet. Egenhändiga justeringar får ej göras. Det är ursäktligt att spilla men inte att underlåta att avlägsna eventuellt spill! Om man spiller substans på vågskålen måste denna omedelbart borstas ren med en pensel. Tillse att vågen i övrigt och även vågborden hålls rena. Då yttersta noggrannhet inte eftersträvas, kan glaset hanteras med fingrarna, minsta möjliga beröringsyta; uppvärmningen har oftast större inverkan än eventuella fingeravtryck. Luften i en 100 ml kolv väger 130 mg, en grads temperaturändring ger således 0.5 mg ändring i vikten! Papper, filterpapper, etiketter och kork har ej konstant vikt. 13.2 Snabbpipetter Gör så här: Ställ in den volym du vill mäta upp genom att vrida pistongen. Det finns två olika pipetter, 20-200 µl och 200-1000 µl. Ställ inte in en volym utanför det intervall som pipetten är gjord för. Tryck fast en pipettspets och se till att den fastnar ordentligt. Spetsarna är engångs och finns i två storlekar. Använd rätt spetstyp. Tryck in pistongen till det första stoppet. För ner pipettspetsen några millimeter under vätskeytan och släpp sedan långsamt upp pistongen igen. Om pistongen släpps snabbt kommer vätska att spruta upp i pipetten, vilket kan förstöra denna (pipetten är mycket dyr). För att släppa ut vätskan igen trycks pistongen in långsamt till det första stoppet och efter ett par sekunder till det andra stoppet. Släng pipettspetsen. Håll/lägg alltid pipetten med spetsen neråt. Detta förhindrar att det rinner in lösningsmedel i den. Spill inte lösningsmedel på pipetter då detta kan ha en negativ inverkan på plasten. LabTek 25