Grundarbeten i kemi II
Innehållsförteckning Till kursen godkända studeranden... 5 Betalningar... 5 Utförandet av arbeten... 5 Arbetsutrustning... 6 Utrustning som studerande bör ta med själv... 6 Arbetssäkerhet... 6 Åtgärder i början av kursen... 6 Ordning på arbetsplatsen... 6 Skyddsutrustning... 7 Brandsäkerhet... 7 Apparatur...7 Reaktioner... 7 Första hjälp... 8 Utförandet av reaktioner... 13 Uppvärmning av reaktionsblandning... 13 Mekanisk omrörning... 14 Isolering... 15 Filtrering... 15 Extrahering... 15 Rening... 16 Omkristallisation... 16 Destillering... 17 Sublimering... 21 Kromatografiska metoder... 22 Rapportering av synteserna... 22 Utbyte... 23 Bedömning av produktens renhet... 23 IR-tolkning... 24 2
Acetylsalicylsyra (aspirin)... 25 Utförande... 25 Isolering och rening... 25 Produktens karaktärisering... 25 1,2-Dibrom-1,2-difenyletan... 26 Reaktionsmekanism... 26 Utförande... 26 Isolering och rening... 26 Produktens karaktärisering... 26 Etylpropanat... 27 Reaktionsmekanism... 27 Utförande... 27 Isolering och rening... 27 Produktens karaktärisering... 28 Bensoin... 29 Reaktionsmekanism... 29 Utförande... 29 Isolering och rening... 29 Produktens karaktärisering... 29 Reduktion av bensoin med natriumborhydrid... 30 1,2-Difenyletan-1,2-diol... 30 Reaktionsmekanism... 30 Utförande... 30 Produktens karaktärisering... 30 p-metylacetofenon... 31 Reaktionsmekanism... 31 Utförande... 31 Isolering och rening... 31 Produktens karaktärisering... 32 3
p-bensokinon... 33 Utförande... 33 Isolering och rening... 33 Produktens karaktärisering... 33 Maskering av ketoner som etylenacetaler (1,3-dioxolaner)... 34 Etylacetoacetatens etylenacetal eller etyl-(2-metyl-1,3-dioxolan-2-yl)acetat... 34 Reaktionsmekanism... 34 Utförande... 34 Isolering och rening... 35 Produktens karaktärisering... 35 Infrarödspektroskopi... 36 4
Till kursen godkända studeranden Allmänt Studerande som godkänts till kursen informeras i WebOodi. Arbetstiden är 8.30 16.45 och arbetsplatserna delas ut på första dagen kl. 8.30. Ifall studerande inte är närvarande då, ges arbetsplatsen åt följande i kön. På kursens första dag ordnas en obligatorisk föreläsning om arbetsmetoder för alla deltagare på Finska. Under kursens gång skall man inte göra andra laborationskurser. Utförandet av arbeten Det är skäl att bekanta sig med kursmaterialet före kursen börjar. Obligatoriska frånvaron på grund av t.ex. tenter bör diskuteras med assistenten. Syntesprodukten och sakligt ifylld syntesblankett returneras för granskning till assistenten senast en dag efter att arbetet utförts I grundarbetena II görs 8st. synteser. Arbetets teori och praktiska utförande tenteras i grupp åt handledande assistenten på morgonen innan laborationerna påbörjas. Det är alltså viktigt att vara på plats då arbetstiden börjar. Kursdeltagarna är indelade i grupper. Alla grupper gör olika synteser medan inom gruppen gör studerandena samma arbete självständigt. Synteserna värderas med vitsord (1-5) vilket baserar sig på produktens utbyte och renhet. När synteserna godkänts samt betalningarna betalda sätts prestationen in i studieregistret. Arbetsutrustning Varje studerandes arbetsplats innehåller vanliga glasvaror vilka studerandena är själv ansvariga för. På första dagen före arbetena påbörjas kvitterar alla studerande av preparatorn ett eget skåp för arbetena. Skåpet med rena glasvaror bör lämnas tillbaka senast på sista arbetsdagen. Av skåp som inlämnas senare faktureras en extra 40 avgift. Specialglasvaror och glasvaror som hämtas istället för söndrade eller försvunna fås från lagret BK149. Preparatorn bokför dessa skilt. Söndrade glasvaror tas med till lagret då man upphämtar en ny. Lagret är öppet 9.00 11.00 och 13.00 15.00. Saker som värmemantel, mikrodestillationsdel och Vigreaux-kolonn fås mot kvittering från assistentrummet. Sakerna tvättas och returneras omedelbart efter användningen till assistentrummet.. Efter att arbeten slutförts granskar preparatorn studerandenas skåp Utrustning som studerande bör ta med själv Arbetsrock Anteckningsmaterial 5
Arbetssäkerhet Arbete i laborationsmiljö är säkert då man kan skyddsutrustningens och apparaturernas rätta användningssätt, följer regler och instruktioner samt hanterar kemikalier försiktigt och varsamt. Om du inte vet, fråga assistenten. Om arbetsreglerna medvetet bryts leder det till arbetsförbud. Åtgärder i början av kursen Bekanta dig med följande saker i laboratoriet: Utvägarna Brandsläckarna, kvalitet, effekt och användningsinstruktioner Brandfilt och nöddusch, ögonduscharna Brandvarnare Första hjälp vid kemikalieolycka (se postern på väggen), medicinskåpen Närmaste telefonen, nödnumren Avfallskärlen för lösningsmedel Före syntesen påbörjas kolla de föreningars fysikaliska, kemiska och fysiologiska egenskaper som används i arbetet (säkerhetsblanketter!). Ta i beaktande med varandra inkompatibla föreningar. Ordning på arbetsplatsen Renlighet ökar säkerheten i laboratoriet. Egna arbetsplatsen skall alltid städas efter att man slutat arbeta. Man får inte lämna kemikalier på sådana ställen där de kan vara till risk för andra. Alla förvaringskärl bör vara försedda med etikett. Stora mängder lättantändliga lösningsmedel får inte förvaras i dragskåpet. Gångvägarna i laboratoriet skall hållas fria från hinder (stolarna till sidan, skåpdörrarna stängda...). Om du vill tända en Bunsen-brännare försäkra dig om att det inte finns lättantändliga lösningsmedel närvarande. I laboratoriet får man inte äta, dricka eller röka. Arbetsrocken hör endast till laboratoriet. I laboratoriet får arbetas endast under de bestämda arbetstiderna. Skyddsglasögon används alltid i laboratoriet! Skyddsutrustning Laboratoriets viktigaste skyddsutrustning är dragskåpet. Ta reda på användningsinstruktionerna Personliga skyddsutrustningar. Använd alltid skyddsglasögon, -handskar och arbetsrock Brandsäkerhet Lättantändliga lösningsmedel: eter, aceton, petroleter osv. Brandfara, explosionsfara, släckutrustning, släckning av brand Elsäkerhet Hantering av elapparater 6
Apparaturer Apparaturer som upphettas får inte täckas Kokstenarnas och uppvärmningsbadens användning. Oljebadet får endast upphettas till 200. Uppvärmningen görs med värme-/omrörningsplatta eller elplatta inte med öppen låga Lösningsmedlen indunstas genom destillering eller med en rotavapor inte m. h. a. ett öppet kärl Apparaturen kan lämnas i dragskåpet (inte på arbetsbordet) bara med assistentens skriftliga lov där också studerande skriver namnet Reaktioner som är häftiga och bildar giftiga gaser Avfallshantering och tvättning av kärl Avfall som kan sättas i avloppet: ofarliga vattenlösliga föreningar och utspädda vattenlösningar vars ph är 6-11. Lösningsmedel och giftiga föreningar som är olösliga i vatten samlas i ett avfallskärl Föreningar som reagerar häftigt eller bildar giftiga gaser med vatten förstörs med kemiaska reaktioner Vid tvätt av kärl används aceton sparsamt (pris) och aldrig i närvaro av hett vatten Farliga ämnen Frätande ämnen: starka baser och syror, oxiderande, reducerande och exploderande ämnen samt karcinogener Br2, Na, AlCl3, KCN, NaOH, KOH, LiAlH4, H2, NaBH4, KBrO3, SOCl2, Hg Anilin, metanol, fenol, kloroform, metyljodid, isoforon (cancerframkallande-ämne) Natriumhypoklorit, H2O2, bensoylperoxid, pikrinsyra, kiseldamm. Brom förstörs med Na2CO3-vattenlösning och etanol Cyaniderna kan göras ofarliga genom oxidation. I basiska förhållanden oxideras cyanidjonen t.ex. med natriumhypoklorit först till cyanat (OCN - ) och vidare till kvävgas samt koldioxid. Första hjälp Bekanta dig med laboratoriets första hjälp. Första hjälpen vid kemikalieolycksfall (poster i laboratoriet). Gå igenom säkerhetssakerna som presenterats ovan i kompendiet: eller P. Tilus och T. Airaksinen, Turvallinen työskentely laboratoriossa, Helsingin yliopisto 1996 T. Simonen, Orgaanisen kemian synteettiset työmenetelmät, 2. p., Opetushallitus 1996 och 3. p. 1998. 7
SLIPAT GLAS TERMOMETER erlenmeyer (makro) erlenmeyer (mikro) kolv (makro) kolv (mikro) kolv (päron) trehalsrundkolv jodapparatur dropptrat kylare (boll) destillationsdel sammanbindningsrör kylare (Liebig) Claisendel 8
olivrör glasprop (makro) glasprop (mikro torkrör (mikro) mellandel makro-mikro Utan slip erlenmeyer dekanterglas mätcylinder sugflaska ock skiljetratt imupullo imupullon korkki Büchnertratt mortel och pistill industningsskål tätning glastrat 9
provrör och provrörsställning pincett spatel klämmare torkröri magnet plastfat vakuumexsickator sprutflaska magnetomrörare stålkastrull 10
lyftbord/hiss 11
Utförandet av reaktion Arbetsmetoder Uppvärmning av reaktionsblandning Uppvärmning av reaktionsblandningar där kolven förses med en kylare används t.ex. då man återloppskokar eller omkristalliserar. Detta görs med apparaturen nedan där en bollkylare används. Kylaren hindrar vätskan för att avdunsta genom att komprimera ångan till vätska som rinner ner tillbaka i kolven. Till blandningen som skall uppvärmas bör tillsättas kokstenar för att undvika stötkokning, ifall man inte använder magnet- eller mekanisk omrörning. När kokpunkten är under 80 för vätskan som skall uppvärmas används ett vattenbad som värmekälla. Vätskor som kokar vid högre temperaturer uppvärms med ett paraffin- eller silikonoljebad försedd med en termometer. Paraffinoljebadet får upphettas till högst 200 och silikonoljebadet till 250. Om du inte vet vilken olja som används upphetta oljan då till högst 200. Undvik att få vatten i oljebadet annars börjar det stänka under upphettningen. Ifall reaktionsblandningen är fuktkänslig måste bollkylarens övre slip förses med ett torkrör fyllt med CaCl2. Apparaturen som används vid upphettningen får aldrig vara fullständigt sluten. Uppvärmning av ett slutet system kan orsaka explosionsfara. 12
Mekanisk omrörning Mekanisk omrörning används då man vill effektivt blanda styva reaktionsblandningar t.ex. vid Friedel-Crafts-reaktion. Omröraren och glasvarorna som behövs för apparaturen kan hittas i undervisningslaboratoriets mellanrum. Fäst stadigt omröraren i ett stativ för att undvika att den faller under reaktionen. Pröva den tomma apparaturen före tillsatsen av utgångsämnena. Mekanisk omrörning är inte lämplig för synteser i liten skala. Då kan man använda magnetomrörning istället. OBS! Om en tryckutjämnande dropptratt (har ett sidorör) används sluts denna med en glaspropp inte med ett CaCl2-torkrör. Annars rymmer lösningsmedlet och HCl-gasen som frigörs i reaktionen via torkröret. 13
Isolering Filtrering När man filtrerar bort det olösliga ämnet (t.ex. torkmedel) och filtratet tas till vara används en ren glastratt med vadd eller veckat filterpapper. När det fasta ämnet tas tillvara används sugfiltrering (se apparaten nedan). Båda sugflaskorna fästs stadigt med klämmare i ett stativ. I sugtratten (Büchnertratten) sätts ett runt filterpapper som täcker alla hål i tratten. Filterpappret får inte stiga på trattens kanter vilket kan leda till att det fasta ämnet går igenom tratten. Pappret väts med samma lösningsmedel som använts i reaktionen. Vattenstrålepumpens kran öppnas helt och säkerhetsflaskans kran stängs, varefter filterpappret trycks mot tratten och apparaturen är färdig för filtrering. När man slutar sugfiltreringen släpps först systemet i normaltryck genom att öppna säkerhetsflaskans kran. Extraktion Då man flyttar reaktionsprodukten från vattenlösning till ett organiskt lösningsmedel, t.ex. eter, skakas vattenlösningen med det organiska lösningsmedlet i en skiljetratt. Med ena handen stöder man skiljetrattens kork och med andra kranen. Du kan öva dig med en tom skiljetratt. Kolla också kranens rörlighet och använd kranfett vid behov. Inledningsvis skakas lösningen försiktigt några sekunder varefter övertrycket som bildats i skiljetratten släpps ut genom att öppna kranen. Extraktionen fortsätts lika ända tills inget övertryck längre bildas varefter lösningen skakas kraftigt i 1-2 min. Tratten får stå i ringklämmare så att faserna separerar. Om organiska lösningsmedlets täthet (kolla CRC handbook of chemistry and physics) är lägre än vattnets, bildar lösningsmedlet det övre skiktet och vattnet det lägre. När man använder olika lösningsmedel kan det hända att man blir osäker på vilken är vattenlösningen. Detta kan kollas genom att tillsätta en droppe av någondera 14
vätskan och se i vilken fas denna landar. När man separerar faserna tas proppen bort och den nedre fasen släpps ut i ett kärl genom att öppna kranen. Övre fasen blir kvar i skiljetratten och hälls via munstycket i ett annat kärl. När du använder lättflyktiga och lättantändliga lösningsmedel, t.ex. eter, får ingen öppen eld vara närvarande. Rening Omkristallisation Den viktigaste reningsmetoden för fasta organiska föreningar är omkristallisation. Metoden baserar sig på löslighetsskillnaderna mellan produkten och orenligheterna i omkristallisationslösningen. Kristallina föreningar som fåtts antingen som syntesprodukt eller från organiska material innehåller alltid instängda orenligheter från omgivningen. I praktiken renas den orena föreningen genom att lösa upp den i en så liten mängd het lösning av vilken produkten utfälls då lösningen nedkyls. Liten mängd lösningsmedel leder till att kristallernas orenligheter blir i moderlösningen. Om den heta lösningen innehåller olösliga orenligheter bör den filtreras före lösningen nedkyls. Färgade orenligheter kan i vissa fall tas bort m. h. a. aktivt kol. Det är viktigt att kyla ner lösningen tillräckligt långsamt för att undvika orenligheterna att bli instängda i kristallgittret. Dessutom fås små kristaller medan långsam nedkylning ger stora kristaller. Ifall man inte vet omkristallisationslösningen som skall användas bör man pröva sig fram till den rätta. Vid valet av lösningmedlet måste man beakta bl. a. följande: lösningsmedlet får inte reagera med produkten, produkten skall lösa sig bra i het lösning men dåligt i kall lösning. Lösningsmedlets kokpunkt bör vara lägre än smältpunkten för den fasta produkten. Tyvärr finns det ingen tumregel hur man skall välja omkristallisationslösningen vilket ovan kan ses. Opolära kolväten kan omkristalliseras från hexan eller petroleter. För etrar och halogenider kan diklormetan vara ett bra alternativ. Om din produkt har OH-grupper (alkoholer, fenoler eller karboxylsyror) lönar det sig att använda etanol. Bra alternativ kan hittas i CRC handbook of chemistry and physics där föreningarnas lösligheter i de vanligaste lösningsmedel har tabellerats. 15
Ofta då man omkristalliserar använder man en blandning av lösningsmedel. Kristallerna löses då först i det bättre lösningsmedlet (så liten mängd som möjligt, het) och sedan tillsätter små portioner av det sämre lösningsmedlet. Tillsatsen av det sämre lösningsmedlet leder till en instabil grumling. Tillsatsen fortsätts tills grumlingen just och just försvinner. Båda lösningsmedlen skall naturligtvis blandas fullständigt. Om faserna separerar sker ingen kristallisering. Du kan använda dig av följande lösningsmedelskombinationer. Problem vid kristallisation. Kristallisationsprocessen fungerar nästan aldrig problemfritt. Även om rätt lösningsmedel har valts kan de hända att kristallisationen inte startar fastän man använder isbad. Detta kan bero på att lösningen blivit övermättad. Då är det lättast att använda sig av sk. ympningskristaller om de finns tillgängliga. Andra alternativet är att skrapa kolvens innervägg med en glasstav. Mikropartiklarna som lossar då kan fungera som kristallisationscentran och produkten börjar kristallisera. Om ingetdera fungerar kyls lösningen med ett etanol-koldioxidbad (-76 ) och kolvens väggar skrapas med glassatv. Sista chansen är att försöka koncentrera lösningen med t.ex. rotavapor och hoppas på det bästa. Nackdelen i denna metod är att då lösningsmedelblandningar används indunstas först det bättre lösande lösningsmedlet vilket leder till fasseparation. Då måste man börja om från början. Vid kristallisationsprocessen kan någon gång separeras en andra vätskefas som kallas för olja. Oljan kristalliserar först efter att ha stått en lång tid. Dessa kristaller innehåller moderlösning och kräver därför ytterligare rening. Oljebildningen kan undvikas genom att späda ut lösningen, vilket däremot minskar märkbart på utbytet. En annan metod för att undvika oljebildning är återuppvärmning av lösningen varefter lösning kyls under omrörning vilket leder till att den bildade oljan omvandlas till en dispersion. Till slut bildas relativt rena kristaller. Omrörningen kan avslutas ifall ingen olja kan ses. Användningen av ympningskristaller kan hjälpa i denna metod. 16
Destillering Ett av de mest centrala sätten att rena flyktiga föreningar i organisk kemi är destillering. I destillering förångas det organiska materialet genom uppvärmning till kokpunkten. Den bildade ångan kyls till vätska varefter destillatet fås. Destillering kan göras på ett antal olika sätt. Metoden som används beror på föreningen som skall destilleras både på dess egenskaper och på de orenligheter som den innehåller. De vanligaste destillationsmetoderna är: rak destillering, fraktionsdestillering, destillering i undertryck (vakuumdestillering), vattenångdestillering och Kugelrohr-destillering. Sublimering där ett fast ämne förångas är en slags destillering. Föreningarna som skall separeras införs i en kolv och uppvärms tills den lättflyktigare föreningen kokar. Vid det här skedet avläser man termometern och får kokpunkten för föreningen. Ångan vandrar till kylaren var den kondenserar till vätska och rinner i produktkolven. När destilleringen slutar eller kolven kokar torr, avslutas destillationen eller produktkolven byts för den andra produkten. Utgångskolven får aldrig destilleras helt torr. Vanlig destillationsapparatur kan ses på sidan 11. Utgångskolven väljs så att vätskan fyller minst halva kolven men högst 2/3. I utgångskolven sätts 1-3 kokstenar ifall magnetomrörning inte används. När vätskans kokpunkt är 120 används flödande vatten i kylaren. Om kokpunkten är 120-150 används stående vatten och när kokpunkten är över 150 används luftkylning (vattnet släpps ut). Kolven uppvärms försiktigt tills vätskan börjar koka. När vätskan börjar destillera och droppa i produktkolven justeras uppvärmningen så att dropphastigheten är 1 droppe/ 2 sekunder. Destillationen avslutas alltid före kolven är helt torr. Många vätskor speciellt alkener och etrar kan innehålla peroxider som koncentreras i destillationsåterstoden och kan explod era vid överhettning. Droppdestillering Då man vill destillera stora mängder lösningsmedel från en liten kolv används droppdestillering. Detta sker normalt då man vill skilja lösningsmedlet från den egentliga produkten. Under destilleringen tillsätts lösnings-medel i utgångskolven från dropptratten. Utgångskolvens storlek väljs så att den lämpar sig bra för blandningen som blir kvar efter att lösningsmedlet destillerats bort. På detta sätt undviks antingen destillering av en liten mängd produkt från en otympligt stor kolv eller byte av utgångskolv till en mindre för vidare destillering. Istället för att använda droppdestillering kan lösningsmedlet tas bort med en rotavapor. 17
Fraktionsdestillering Två ämnen som blandas med varandra kan endast separeras med destillering då deras kokpunkter skiljer sig tillräckligt från varandra (20-80 ). Ifall skillnaden är liten kan inga rena, vid konstant temperatur kokande destillat erhållas. Istället stiger temperaturen kontinuerligt under destillationen. Föreningarna separerar bättre då man inför en Vigreaux-kolonn mellan utgångskolven och destillationsdelen. Kolonnens uppgift är att bilda en så stor yta som möjligt vilket underlättare de högre kokande komponenterna att kondenseras och separeras från de lägre kokande vilka fortsätter till kylaren. Fraktionerna som kokar vid olika temperaturer samlas i egna kolvar. Vakuumdestillering Vakuumdestillering används för att rena föreningar med hög kokpunkt, för fasta ämnen eller föreningar som sönderdelas i normalt tryck vid temperaturen som motsvarar dess kokpunkt. I vakuumdestillering fås vakuum m. h. a. en vattenstråle- eller oljepump vilket sänker föreningens kokpunkt. Apparaturen är annars likadan som i destillering i normalt tryck förutom att från sammanbindningsröret leds en slang via manometern till Wulffs-flaskan och vidare till pumpen. Från manometern kan avläsas undertrycket i kvicksilvermillimetrar (mmhg) när bästa undertrycket uppnåtts. Wullfs-flaskans uppgift är att hindra vatten att komma in i produktkolven. Apparaturen kan suga i sig vatten från pumpen ifall trycket inte har utjämnats före man stänger den. Speciellt viktigt är att fästa både Wullfs-flaskan och manometern i ett stativ för att undvika kvicksilvermanometern för att gå sönder. I vakuumdestillering måste man använda vakuumkokstenar istället för normala. Ifall destillationen avbryts måste nya kokstenar införas före man fortsätter. Magnetomrörning kan användas istället för kokstenar. 18
Innan man börjar destillera bör man pröva vakuumapparaturen med tomma kolvar. När apparaturen byggts upp kollas att systemets slipanslutningar är täta och att inga spänningar mellan delarna förekommer. Först öppnas Wulffs-flaskan, manometern stängs och vattenstrålepumpens kran öppnas helt. Sedan stängs Wulffs-flaskan och systemet börjar suga vakuum. Undertrycket kontrolleras genom att öppna manometerns kran. Undertrycket avläses genom att beräkna skillnaden mellan kvicksilverpelarna (skala millimetrar). Till slut stängs manometerns kran och Wulffs-flaskan öppnas varefter luft fås i systemet. Efter prövningen kan man införa i kolven lösningen som skall destilleras och kokstenar ifall man inte använder magnetomrörning. Vakuum sugs i systemet (beskrivet ovan) varefter uppvärmningen påbörjas efter att ett stabilt undertryck uppnåtts. När föreningen börjar destilleras avläses undertrycket från manometern och noteras för rapportering. Efter att produkten destillerats färdigt släpps systemet i normaltryck (beskrivet ovan), uppvärmningen avslutas och vattenstrålepumpens kran stängs. I laboratorierna för organisk kemi används två olika typer av pumpar: Vattenstrålepumpar finns i varje dragskåp och dessutom finns några separata oljepumpar. Med vattenstrålepumpen kan ett undertryck 10-20 mmhg erhållas medan med oljepumpen ett undertryck 0,1-0,001 mmhg (normalt lufttryck 760 mmhg). En separat med el fungerande undertrycksmätare behövs då oljepump används. Kvicksilvermanometer får inte användas. Dessutom måste pumpen skyddas med en fälla av flytande kväve. För att kunna jämföra den uppmätta kokpunkten med referensvärden måste man konvertera värden så att de vore uppmätta vid samma tryck. Detta går lätt genom att använda grafer t.ex. nomogrammet i bilden. I detta nomogram avläses i mitten kokpunkten vid normalt tryck och till höger systemets undertryck. En linje dras mellan dessa punkter och genom att se skärningspunkten i den vänstra 19
skalan fås kokpunkten vid detta undertryck. Exempel: om föreningen kokar i normalt tryck vid 200 och systemets undertryck är 20 mmhg är kokpunkten då ca. 80 vid detta tryck. Repetera säkerhetsaspekterna då man arbetar i undertryck! Sublimering I vissa fall när man upphettar ett fast ämne förångas det rakt till gasform som efter nedkylning kristalliserar på nytt. I kemin kallar man detta för sublimering. Vanliga föreningar som sublimeras är kamfer och selenoxid. Sublimering är exceptionellt bra reningsmetod för föreningar som sublimeras i normal- eller undertryck. Sublimering i normaltryck Föreningen som skall renas införs i en porslinsskål vilken placeras på en trefot försedd med ett keramiskt nät. Eventuella lösningsmedel kan indunstas genom att värma skålen med en Bunsenbrännare. När ämnet är torrt placeras ovanpå skålen en ren och torr glastratt med glasull i ändan. Tratten med glasull vägs före sublimeringen. Skålen värms försiktigt med Bunsen-brännaren varefter föreningen börjar förångas och kondenseras på insidan av tratten. När all produkt har sublimerats avslutas upphettningen och apparaturen kyls. Till slut vägs tratten med den renade produkten och beräknar sublimeringsproduktens mängd. Sublimering i undertryck När man sublimerar i undertryck är det bra att använda sig av en specifik vakuumsublimeringsapparatur. Sätt kylvattnet i kylare och rinna, kolla att sugflaskans kran är öppen, öppna vattenstrålepumpen helt och stäng till sist sugflaskans kran. Avläs undertrycket och stäng manometerns kran. Uppvärm värmebadet till en önskad temperatur så att produkten sublimeras med lämplig hastighet. Produkten som sublimeras fastnar på kylfingrets 20
yta och återstoden blir kvar på bottnen av röret. När sublimeringen slutar eller produkten bildar ett för tjockt skikt på kylfingret, vilket kan falla tillbaka till bottnen, avslutas uppvärmningen och systemet släpps till normalt tryck genom att öppna sugflaskans kran. Ta loss kylfingret försiktigt så att produkten inte faller. Skrapa m. h. a. en spatel produkten i en ren burk med kork. Produkten är ren ifall råprodukten inte har innehållit orenligheter som sublimerar i samma förhållanden som produkten. Ingen torkning behövs p.g.a. att lösningmedelsresterna indunstar då man suger vakuum. Kromatografiska metoder Kromatografi är en metod som används för att separera, rena och bestämma. Komponenternas separation baserar sig på deras rörelse jämfört med den stationära fasen (fast eller vätska) och med den mobila fasen (vätska eller gas). Olika kromatografiska metoder är pelarkromatografi, papperskromatografi, tunnskiktskromatografi (TLC), gaskromatografi (GC) och vätskekromatografi (LC). Kamrarna som används för kromatografin är flatbottnade kärl med lock helst isolerade med filterpapper. I kammaren hälls ett ca. 0,5 cm tunt skikt av eluent. Kammaren får stå en stund så att lösningsmedlets ånga mättar kärlet. I tunnskiktskromatografi används som stationärfas aluminiumplattor med ett tunt lager kiselgel. Av plattorna kan klippas med sax en skiva av önskad storlek (8 x 2,5 cm är passlig för 2-3 punkter). Hantera skivan varsamt för att undvika skråmor och ytbeläggning att lossa. På skivan markeras en startlinje ungefär 1 cm från skivans nedre kant. En ca. 1%-lösning av den analyserbara produkten görs genom att använda ett lättflyktigt lösningsmedel. Lösningen droppas på startlinjen m. h. a. ett tunt kapillärrör och låter punkten torka. Skivan flyttas med pincett i kammaren stående. Punkterna bör befinna sig ovanför eluentnivån vid starttillfället. I den mättade kammaren stiger lösningen längs stationärfasen uppåt. De olika komponenterna i reaktionsblandningen samt utgångsämnena rör sig med olika hastigheter i närvaro av eluenten. Lösningsmedelsfronten får stiga till ca. 1 cm från skivans övre kant varefter nivån märks och skivan torkas i dragskåpet. Punkterna kan observeras antigen med UV-ljus eller genom att färga plattan med ett lämpligt reagens. För att identifiera föreningarna används deras Rf-värden som hjälpmedel. Rf = distansen som provet rört sig/ distansen som eluenten rört sig. Rapportering av synteserna Av varje utförd syntes ifylls en syntesblankett, följande saker fylls i Syntesproduktens namn på svenska 21
Instruktionernas och reaktionsmekanismens referenser Reaktionslikheten, reaktionsmekanismen på baksidan Info om utgångsämnen som använts: namn på svenska, molmassan (molekylvikten) som heltal (g/mol), massan (vikten) (g), molmängden (mol). Om utgångsämnena har uppmätts i volymer, beräknas också dess massa. I alla talvärden används två gällande siffror Info om produkten: molmassan (molekylvikten) som heltal (g/mol), teoretiska utbytet, instruktionernas utbyte samt egna utbytet (g) och molmängd (mol) samt utbytesprocenterna, fysikaliska konstanterna med referensvärden: smältpunkten och kokpunkten med en siffras noggrannhet samt trycket, brytningsindexet med apparaturens noggrannhet och färg Bedömning av renheten: skillnaden i smältpunkt, på basen av gaskromatogrammet eller brytningsindexet samt eventuella orenligheter Bestämning av renhetsklassen med den givna formeln eller med skilda direktiv Vitsordet av arbetet med den givna formeln Datumet då arbetet gjordes Utförarens namn När du beräknar ämnesmängder observera skalan i arbetsinstruktionernas nedre kant. För att minimera kostnaderna har ämnesmängderna sänkts till så små som möjligt. När ämnesmängderna konverteras från instruktionernas mängder, väljs reaktionskärlen därefter. Reaktionstiderna förändras inte i samma skala! För att ta reda på reaktionsmekanismen använd mapparna som finns i assistentrummet eller t.ex. någon av följande böcker Glayden, Greeves, Warren and Wothers, Organic Chemistry Streitwieser, A., Heathcock, C. H. & Kosower, E. M., Introduction to Organic Chemistry J. March: Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure McMurry: Organic Chemistry E. S. Gould: Mechanism and Structure in Organic Chemistry H. G. O. Becker: Elektronentheorie organisch-chemischer Reaktionen P. Sykes: A Guidebook to Mechanism in Organic Chemistry R. Bruckner: Advanced organic Chemistry Fessenden & Fessenden: Organic Chemistry Med syntesblanketten returneras också kvittot från smältpunktsapparaten, IR-spektra tolkat antingen i spektra eller på ett skilt papper samt syntesprodukten i en burk, där utförarens och produktens namn samt datum och mängden förekommer. Utbyte Den isolerade produktens eller produkternas mängd kallas för utbyte. Syntesen utbyte presenteras i allmänhet som procentuell andel av det teoretiska utbytet. Teoretiska utbytet (högsta mängden som kan fås, 100 %) beräknas från den balanserade reaktionslikheten enligt utgångsämnet som använts stökiometriskt minst av. Exempel: det teoretiska utbytet för bromering av kolesterol fås från kolesterolens mängd. I syntesen används 0,0026 mol kolesterol och 0,0031 mol brom alltså brom har använts i överskott. Från reaktionslikheten kan ses att i teorin behövs det endast 0,0026 mol brom alltså lika mycket som kolesterol. 22
Bedömning av produktens renhet I organiska laborationer används följande klassificering vid bedömning av syntesproduktens renhet: Renhetsklass 1 (n=1): purissimum och purissimum p.a., halt över 99 % Renhetsklass 2: purum och purum p.a., halt över 97 % Renhetsklass 3: practicum, halt ca. 95 % Renhetsklass 4: tekniska kemikalier, halten varierar Föreningar i renhetsklass 1 lämpar sig för analyser, i klass 2 för de flesta analyser och klass 3 för syntesanvändning. Studerande måste själv ta reda på till vilken klass syntesprodukten hör. Föreningar i klass 4 måste renas på nytt. Produkter i renhetsklassen n=1 måste fylla följande krav: Smältpunkten får avvika högst 1 jämfört med referensvärdet eller kokpunkten vara rätt Kvaliteten av produkten är jämn och färgen rätt Brytningsindexet för vätskor får högts avvika 0,001 från referensvärdet. ( i grundarbeten I godkänns produkten som renhetsklass n=1 om brytningsindexet avviker högst 0,003) Med hjälp av smältpunkten kan man bestämma kristallina produkters renhetsprocent och -klass. Vätskors brytningsindex berättar endast om renhetsklassen är 1 eller lägre. Vätskors renhetsklass kan bestämmas med gaskromatografi ifall inga oeluerande föreningar är närvarande. När utbytet och renhetsklassen känns till beräknas vitsordet för syntesen genom att använda formlerna i blanketten. OBS! I organisk 1-arbeten används annan formel än i 2- och laudaturarbeten. IR-tolkning IR-spektran tolkas antingen i spektra eller på ett skilt IR-tolkningspapper. I spektra märks ut absorptionsbandets nummer och i blanketten märks samma nummer, bindning eller funktionalitet, observerat vågtal, referensvågtalet samt bandets intensitet. Eventuella korrigeringar görs på en ny rad, inte på den tidigare. 23
Synteser Acetylsalicylsyra (aspirin) Reagens 5,0 ml ättiksyraanhydrid 2,8 g salicylsyra 3-4 droppar konc. svavelsyra Arbetssäkerhet Ättiksyraanhydrid är lättflyktigt och irriterande Utrustning och apparatur 100 ml kolv magnetomrörning vatten- och isbad Büchner-tratt, gummitätning, sugflaska sugfiltreringsapparatur, omkristallisationsapparatur Utförande Salicylsyra 2,8 g vägs i en torr 100 ml:s rundkolv. I kolven införs 5,0 ml ättiksyraanhydrid och 3-4 droppar konc. svavelsyra. Den vita fällningen som bildas magnetomrörs. Kolven placeras i ett 45-50 varmt vattenbad för 15 min varefter kolven kyls till rumstemperatur och 50 ml vatten tillsätts. Fällningen finfördelas med en spatel. isolering och rening Kolven får stå i ytterligare 5 min varefter kolven kyls i ett isbad. Kristallerna filtreras genom sugfiltrering. Produkten omkristalliseras från het etanol-vatten-lösning (30 % EtOH, 70 % vatten). Temperaturen får inte överskrida 80 (kolla OBS). Renade kristallerna filtreras och lufttorkas. Smältpunkten för ren aspirin är 135 och instruktionens utbyte 80 %. 24
OBS. Om temperaturen överskrider 80 bildar aspirinen en olja som löser organiska orenligheter från vatten. Oljan är svårlöslig i vatten. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan Reaktionsmekanism: elektrofil addition till dubbelbindning Reagens 1 g trans-stillben 10 ml diklormetan 10 ml 10 % (w/v) bromdiklormetanlösning cyklohexen 5 ml diklormetan Arbetssäkerhet Brom är extremt toxiskt och frätande. Brom hanteras i dragskåpet med skyddshandskar på händerna. (T. Simonen: Arbetsmetodkompendiet s. 53) Utrustning och apparatur 50 ml kolv med makroslip litet måttglas Büchner-tratt, sugflaska + gummitätning urglas sugfiltreringsapparatur Torkning av ett fast ämne Utförande I en 50 ml:s kolv löses 1 g trans-stillben med 10 ml diklormetan. Lösningen omrörs magnetiskt varefter 10 ml 10 % -tig brom-diklormetanlösning tillsätts. Ifall bromfärgen försvinner tillsätts ytterligare brom-diklormetanlösning i 1 ml:s portioner tills färgen blir kvar. Dibromföreningen separerar som vita kristaller från lösningen. Tillsätt nu droppvis cyklohexen för att avskaffa överskottet brom. Sluta tillsatsen av cyklohexen genast när bromfärgen försvunnit. Till slut nedkyls reaktionsblandningen i ett isbad. Isolering och rening Den fasta produkten sugfiltreras. Fällningen tvättas med 5 ml kall diklormetan och torkas genom att suga luft i filtrerapparaturen. Flytta produkten på vägt urglas och väg den fullständigt torra 25
produkten. På den torra produkten mäts smältpunkt. Meso-1,2-dibrom-1,2-difenyletan smälter mellan 241-243. Instruktionens utbyte är 75 %. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Produktens renhet kontrolleras med TLC (1:2 diklormetan:petroleter) Etylpropanat Reaktionsmekanism: syrakatalyserad esterifiering. Syran katalyserar reaktionen genom att protonera propansyran. Den bildade katjonen är då resonansstabiliserad. Etanol fungerar som nukleofil och attackerar katjonen. Efter detta sker protonöverföring och en vattenmolekyl klyvs. Reaktionen är nukleofil acylsubstitution. Reagens 10 ml Aa-etanol 14 ml propansyra Konc. svavelsyra 40 ml eter 2 M NaHCO3-lösning MgSO4 Arbetssäkerhet Koncentrerad svavelsyra är extremt frätande. Eter är lättantändlig och indunstande vätska Etanol är lättantändlig vätska Utrustning och apparatur 50 ml kolv återloppskylare oljebad måttglas 250 ml skiljetratt 250 ml Erlenmeyer glastratt destillationsapparatur droppdestillationsapparatur Utförande I en 50 ml:s kolv blandas 10 ml (7,8 g) etanol och 14 ml (13,9 g) propansyra. 2-3 droppar koncentrerad svavelsyra (katalysator) tillsätts försiktigt och omrörs väl. I kolven införs en magnet varefter reaktionskolven uppvärms 1h i ett oljebad. Reaktionsbladningen nedkyls till rumstemperatur. Isolering och rening 26
Den nedkylda reaktionsblandningen hälls i en skiljetratt med 40 ml vatten. Eter, 40 ml, tillsätts varefter lösningen skakas (skyddsglasögon) försiktigt och skikten får separera. Vattenfasen släpps ut ur skiljetratten i något kärl. Eterfasen som blivit i skiljetratten tvättas med 20 ml vatten (skakas med vattnet). Efter att skikten separerats släpps tvättvattnet ut. Eterfasen tvättas sedan med 2 M NaHCO3-lösning för att få bort oreagerad syra. Speciell försiktighet krävs i detta skede då det bildas tryck p.g.a. koldioxiden som frigörs när man neutraliserar syra. Syran förflyttas till vattenfasen som ett salt. Till slut tvättas eterfasen med 20 ml vatten. När tvättvattnet släpps ut så noggrant som möjligt flyttas eterfasen till en Erlenmeyer och torkas med vattenfri magnesiumsulfat. Efter att lösningen torka i 30 min filtreras den genom en glastratt med lite rent vadd. I en kolv införs en del av eterlösningen och en magnet varefter etern droppdestilleras bort genom att använda vatten- eller oljebad. Produkten renas genom destillering. Etylpropanatens kokpunkt är 99 (använd oljebad). Instruktionens utbyte är 60 %. Produktens karaktärisering Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten. 27
Bensoin När aromatiska aldehyder behandlas med alkaliska cyanider i vattenlösning, bildas kondensationsprodukter -hydroxiketoner, bensoiner. Detta kallas för bensoinkondensation. Det mest kända exemplet är kondensation av bensaldehyd till bensoin. Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s. 867. Reagens 2,5 ml bensaldehyd 5 ml teknisk alkohol 0,25 g kaliumcyanid Arbetssäkerhet Kaliumcyanid är toxiskt och frätande kristallint ämne. Avskaffning av cyanidavfall: P. Tilus, T. Asikainen, Turvallinen työskentely laboratoriossa, Helsingin yliopisto 1996, s. 40 Bensaldehyd är irriterande Utrustning och apparatur 50 ml kolv återloppskylare vattenbad Erlenmeyer Büchner-tratt, gummitätning sugflaska Utförande I en 50 ml:s rundkolv införs 5 ml teknisk etanol, 2,5 ml ren bensaldehyd och 0,25 g kaliumcyanid (renhet 96-98 %) upplöst i 4 ml vatten. OBS! Arbetet måste definitivt göras i dragskåp. Bygg en refluxapparatur med vattenbad i vilken reaktionsblandningen uppvärms i 30 min. Kolven kyls sedan i ett isbad. Råprodukten filtreras, tvättas med vatten och torkas. Filtraten samlas i ett skilt kärl för avfallshantering av cyanider. 28
Isolering och rening Råprodukten omkristalliseras från etanol. Bensoin kristalliseras som vita kristaller med smältpunkten 137. Instruktionens utbyte är 2,1 g. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Reduktion av bensoin med natriumborhydrid 1,2-difenyletan-1,2-diol Vid reduktion av ketoner kan reaktionens stereokemi påverkas med hydroxigrupperna nära karbonylgruppen. Detta arbete beskriver stereoselektiv reduktion av bensoin med borhydridreagens. Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I mapp (Assistentrummet) Reagens 2,00 g bensoin 0,40 g NaBH4 Aa-etanol HCl (6 M) Arbetssäkerhet Bensoin irriterar huden. NaBH4 är frätande och lättantändligt Etanol är lättantändligt HCl är frätande Utrustning och apparatur magnetomrörning sugfiltreringsapparatur omkristallisationsapparatur Utförande I en 100 ml:s Erlenmeyer löses bensoinen med 20 ml Aa-etanol (1). Blandningen omrörs magnetiskt och små portioner NaBH4 tillsätts under fem minuter tid (2). Omrörningen fortsätts 20 min i rumstemperatur. Reaktionskolven kyls sedan i ett isbad varefter 40 ml vatten och 1 ml 6 M saltsyra (3) tillsätts. Omrörningen fortsätts ytterligare i 20 minuters tid. 1) Uppvärms vid behov, lösligheten behöver inte vara fullständig 2) Obs! Reaktionen är exotermisk 3) Blandningen kan skumma 29
Isolering och rening Reaktionsblandningen sugfiltreras och tvättas ordentligt med 100 ml vatten. Råprodukten omkristalliseras från etanol-vatten (1:1)-blandning. Instruktionens utbyte är 90 %. Produkten karaktärisering Kontrollera produktens renhet med TLC (etylacetat:hexan, 1:1). Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. p-metylacetofenon Mekanism: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p., Macmillan, New York 1992, s. 696. Reagens 15 g AlCl3 25 ml toluen 4,8 ml ättiksyraanhydrid Arbetssäkerhet Aluminiumklorid bilar p.g.a. luftens fukt HCl och reagera intensivt med vatten. AlCl3- damm är skadligt vid inandning. Toluen är lättantändligt Ättiksyraanhydrid är en lakrymator och frätande Utrustning och apparatur 100 ml:s trehalskolv med dropptratt, CaCl2-rör, mekanisk omrörare, återloppskylare, PVC-slang + tratt 250 ml:s dekanterglas Oljebad skiljetratt mekanisk omrörningsapparatur vakuumdestillationsapparatur Utförande (A. I. Vogel, A Textbook of Practical Organic Chemistry, 3. p., Longman, London 1970, s. 730) I en 100 ml:s trehalskolv fästs en dropptratt försedd med ett kalciumkloridrör (om dropptratten är en tryckutjämnande sätts endast en glaspropp), mekanisk omrörare och en återloppskylare försedd med gasfälla. I kolven införs 15 g malen aluminiumklorid och 25 ml toluen. Omrörningen startas varefter 5,1 g (4,8 ml) acetanhydrid tilldroppas via dropptratten. Tilldroppningen görs på 15 min vilket leder till att temperaturen för reaktionsblandningen stiger till 90 och rikligt med HCl-gas 30
frigörs. Blandningen uppvärms i 30 min eller tills ingen HCl-gas frigörs mer. Blandningen nedkyls till rumstemperatur varefter den hälls på 30 g is som blandats med 30 ml konc. saltsyra. Detta omrörs tills alla aluminiumsalter löst sig. Isolering och rening Toluenfasen separeras, tvättas med vatten och 10 % -tig NaOH-lösning tills tvättlösningens ph är på basiska sidan. De kombinerade vattenfaserna tvättas en gång med toluen varefter toluenfasen kombineras med den ursprungliga toluenfasen (en s.k. återextraktion görs). Till slut tvättas toluenfaserna en gång med vatten. Lösningen torkas med magnesiumsulfat och återstoden destilleras med Claisen-del i normalt tryck: temperaturen får stiga till 125 varefter lösningen får svalna. Destillationen fortsätts i undertryck. Alternativt kan toluenen indunstas med rotavapor. Mellan 93-94 / 7 mmhg (kokpunkten i normalt tryck 225 ) samlas den kokande p- metylacetofenonen. Instruktionens utbyte är 5,8 g. Produktens karaktärisering Brytningsindex och IR-spektra mäts för produkten. 31
p-bensokinon OH O KBrO 3 Utspädd H 2 SO 4 OH O Mekanism: Organisk kemi grundarbeten I mapp (Assistentrummet) Reagens 2,5 g hydrokinon 1,4 g kaliumbromat 1,2 ml svavelsyra (2 M) Arbetssäkerhet Hydrokinon är skadligt KBrO3 är oxiderande och exploderande Utrustning och apparatur 100 ml:s kolv och propp sugfiltreringsapparatur sublimeringsapparatur OBS! Produkten är toxisk och irriterar huden, ögonen samt andningsorganen Utförande I en 100 ml:s kolv införs i följande ordning kaliumbromat, 2 M svavelsyra, vatten (25 ml) och hydrokinon. Blandningen omrörs kraftig 30 min i rumstemperatur. Reaktionen är färdig när den i början svarta blandningen förändras till gulfärgad (gulgrön). Isolering och rening Sugfiltrera fällningen och tvätta den med iskallt vatten. Låt produkten torka under sug i Büchnertratten. Råprodukten renas genom vakuumsublimering (temperaturen som rekommenderas för värmebadet är 70 ). p-bensokinonens utbyte är 1,3 g och smältpunkten 115. 32
OBS! Produkten löser sig i vatten, alltså tvätta inte produkten för mycket annars försvinner produkt vid filtreringen. Speciellt oren produkt sönderfaller lätt, använd inte för lång tid vid isoleringen och reningen. Produktens karaktärisering Smältpunkt och IR-spektra mäts för produkten. Infrarödspektroskopi I grundarbetena I bekantar man sig med infrarödspektroskopi och i grundarbetena II körs dessutom NMR-spektra. I Laudatur-arbetena finns möjligheten för masspektra. I infrarödspektroskopi mäts infrarödstrålningens absorptionsspektra för det analyserbara ämnet. Spektret presenteras vanligtvis som en funktion av vågtalets transmittans (= cm:s inversionstal). Mittområdets (2,5 50 m; 4000-200 cm -1 ) infraröda strålning är energetiskt tillräckligt starkt för att orsaka excitation i molekylernas vibrationsnivåer. IR:s absorptionsbältens våglängder är specifika för olika bindningstyper. Man kan säga att bindningens vibration (kan vara stretchvibration (v) eller böjningsvibration ( )) syns oftast som ett absorptionsbälte (pik) i IR-spektra. En viss bindnings eller bindningsgrupps absorptionsbälte befinner sig alltid på samma ställe i spektra oberoende av vilken molekyl är i fråga. IR-spektroskopi används främst för att bestämma och identifiera organiska föreningar eller organometallföreningar. Tolkning av spektra De flesta funktionella grupper absorberar i området 4000-1500 cm -1. Detta område tolkas alltid först och jämför de noterade absorptionerna med tabellerade referensvärden. Polära grupper absorberar ofta vid lägre frekvenser och är breda p.g.a. vätebindning (t.ex. hydroxi- och aminogrupp). Mellan 1400-900 cm -1 finns absorptionerna (fingerprintområde) som är normalt svåra att tolka för att området innehåller många olika böjnings- och stretchningsvibrationer. Vid tolkning av detta område lönar det sig att vara försiktig. Under 900 cm -1 finns IR-absorptionerna vilka är nyttiga för att bestämma aromatiska ringens substitutionsmönster. För nybörjaren lönar det sig att söka de tydliga funktionaliteterna som hydroxigrupper (alkohol och fenol) aminogrupper (amin eller amid), karbonyler (aldehyd, keton, ester, amid), karboxylgrupper (bred OH och karbonyl), och om det eventuellt finns aromaticitet. I tabellen finns en kort lista på de mest typiska IR-absorptionerna för organiska föreningar. Litteratur: E. Pretsch, P. Bühlmann, C. Affolter, Structure Determination of Organic Compounds, 3. p., Springer 2000. T. Hase, Tables for Organic Spectrometry, Otatieto, Esbo. D. H. Williams och I. Fleming, Spectroscopic methods in organic chemistry, 5. p., McGraw- Hill Book Company Limited, Maidenhead 1989. 33
34