Файл: Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 03.12.2023
Просмотров: 213
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
ОРГАНИЧЕСКИЙ
СИНТЕЗ
Практикум
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА
ОРГАНИЧЕСКИЙ
СИНТЕЗ
Практикум
Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета для студентов вуза,
обучающихся по направлениям подготовки, 18.04.01 Химическая технология, 04.04.01 Химия
2
УДК 547(075.8)
ББК я О-64
В практикуме дано описание методов получения, очистки и первичной идентификации органических соединений, приведен список контрольных вопросов по теории и эксперименту в органическом синтезе, собран материал по общему и специальному лабораторному практикуму для дисциплин Органическая химия, Химия гетероциклических соединений, Химия биологически активных веществ, Тонкий органический синтез, Основы химии элементоргани- ческих соединений».
Рекомендуется студентам вуза при изучении различных разделов органической химии и смежных дисциплин.
Органический синтез : практикум / Е. Н. Уломский, ЭВ. Носова, И. А. Уте- пова и др ; под общ. ред. И. А. Утеповой ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет. Екатеринбург : Изд-во Урал. унта, 2020. — 114 сил Библиогр.: с. 111—
112. — 100 экз. — ISBN 978-5-7996-3117-8. — Текст : непосредственный О Автор ы:
Е. Н. Уломский, ЭВ. Носова, И. А. Утепова,
С. Л. Деев, ОН. Чупахин, В. Л. Русинов
П од общей редакцией И. А. Утеповой
Р е цензе н т ы:
кафедра Теоретическая и прикладная химия»
Южно-Уральского государственного университета
(заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор О. К. Шарутина);
А. В. Щепочкин, кандидат химических наук, младший научный сотрудник
Института органического синтеза УрО РАН Уральский федеральный университет, 2020
УДК 547(075.8)
ББК я
3
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................................................................................................... Введение .............................................................................................................. 6 1. СИНТЕЗ ........................................................................................................... 7 1.1. Реакционный сосуд .................................................................................... 7 1.2. Перемешивание ................................................................................. ......... 8 1.3. Теплообмен (нагревание, охлаждение и конденсация) ................................. 10 1.4. Измерение и регулирование температуры .................................................... 16 1.5. Прибор для органического синтеза ............................................................. 17 1.6. Реакции в безводной среде и инертной атмосфере ....................................... 18 2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ .................................. 22 2.1. Выделение твердых веществ из реакционной массы .................................... 22 2.2. Выделение жидких веществ из реакционной массы .................................... 27 2.3. Очистка твердых органических соединений. Перекристаллизация .............. 32 2.4. Хроматография ........................................................................................ 33 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ...................................... 47 3.1. Определение температуры плавления ........................................................ 47 3.2. Определение температуры кипения ............................................................ 48 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ ......................... 49 5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ .............................................................................. 52 6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ....................... 54 6.1. Реакции нуклеофильного замещения ......................................................... 54 6.2. Реакции, протекающие с участием альдегидов и кетонов ............................. 58 6.3. Синтезы с помощью магнийорганических соединений ................................ 62 6.4. Реакции электрофильного ароматического замещения ................................. 64 6.5. Реакции восстановления нитросоединений до аминов ................................ 66 6.6. Синтез и реакции ароматических солей диазония ....................................... 67 7. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ХИМИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ........................................... 72 7.1. Синтез пиррола по Кнорру (3,5-бис(этоксикарбонил)-2,4диметилпиррол) ... 72 7.2. Синтез пиррола ........................................................................................ 74 7.3. Синтез 5,6-дифторизатина ......................................................................... 75 7.4. Синтез 6,7-дифтор-2-метилхинолин-4-карбоновой кислоты ......................... 76 7.5. Синтез 2,3-диметилиндола ........................................................................ 77 7.6. Синтез индола ................................................................................. ......... 79
7.7. Синтез 3,5-диметилпиразола ....................................................................... 80 7.8. Синтез диэтилового эфира 2,6-диметил-4-фенилпиридин-
2,6-дикарбоновой кислоты ....................................................................... 81 7.9. Синтез хиноксалина ................................................................................. 83 7.10. Синтез пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты ............................................... 84 7.11. Синтез 2-бромпиридина .......................................................................... 85 7.12. Синтез мезо-тетрафенилпорфирина .......................................................... 86 7.13. Синтез хинолина ..................................................................................... 88 8. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ........................................ 90 8.1. Синтез стрептоцида .................................................................................. 90 8.2. Синтез изониазида .................................................................................... 92 8.3. Синтез фтивазида [(4-гидрокси-3-метоксибензилиден)- изоникотиновой кислоты гидразида] ......................................................... 93 8.4. Синтез барбитала .............................................................................. ....... 94 8.5. Синтез фурацилина .................................................................................. 95 8.6. Синтез дибазола ............................................................................... ........ 96 8.7. Синтез меркаптопурина .............................................................................. 97 9. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ТОНКИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ .............................................................. 99 9.1. Синтез йодбензола ..................................................................................... 99 9.2. Синтез изонитрозоацетоуксусного эфира/изопропил нитрита ...................... 100 9.3. Синтез этил-2-циано-3,3-диметилтиоакрилата ........................................... 102 9.4. 1-Морфолино-2-цианоэтилен ..................................................................... 103 10. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ОСНОВЫ ХИМИИ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ .................. 104 10.1. 2-Фенилбутанол-2 (метилэтилфенилкарбинол) ........................................... 104 10.2. Синтез трифенилметанола (трифенилкарбинола) ..................................... 105 10.3. Ацетилферроцен ...................................................................................... 107 10.4. (R,S)-2,2'-Дигидрокси-1,1'-бинафтил (BINOL) ........................................... Библиографический список ................................................................................ 111
ПРЕДИСЛОВИЕ
Практикум предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры химико-технологического, физико-технологического институтов, института новых материалов и технологий, института радиоэлектроники и информационных технологий — РтФ для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплинам Органическая химия, Химия гетероциклических соединений, Химия биологически активных веществ, Тонкий органический синтез, Основы химии элементорганических соединений».
Целью является формирование у студентов навыков научно-исследова- тельской деятельности входе экспериментального раскрытия теоретических положений органического синтеза.
Для того чтобы студенты могли успешно овладеть основными способами организации самостоятельной работы, в первых разделах приводятся теоретическое описание методов проведения органического синтеза, выделения и очистки органических соединений, идентификации продуктов реакции, а также данные по мерам предосторожности при работе в лаборатории.
Кроме того, в разделе Препаративная часть представлен план оформления отчета.
По каждой теме лабораторных занятий сформулированы теоретические вопросы, которые студенты могут использовать при подготовке к работе.
Вопросы аналогичны тем, что предлагаются студентам на занятии для оценки степени их готовности к работе. Более того, в каждой работе сформулированы вопросы по методике синтеза, которые способствуют более осмысленному выполнению экспериментов в лаборатории
6
ВВЕДЕНИЕ
Работа под названием Органический синтез предполагает последовательность действий, приводящих к образованию необходимого продукта из реагентов, посредством операций, характерных для органического синтеза. Получение органических соединений включает следующие основные стадии) собственно синтез — порядок и скорость сочетания реагентов, создание условий для их взаимодействия, температурный режим протекания реакции и проч. В результате процесса образуется так называемая реакционная масса;
б) выделение продукта — отделение целевого вещества от побочных продуктов, оставшихся реагентов, растворителя, удаление основных примесей и получение продукта в виде сырья для очистки. Полученный в результате выделения продукт называют сырым (ноне мокрым!);
в) очистку продукта — получение целевого продукта в чистом виде.
Операции очистки определяются агрегатным состоянием получаемого вещества, а также его химическими и физическими свойствами;
г) идентификацию (анализ) полученного вещества — установление структуры вещества аналитическими методами и определение его характеристических констант (температуры кипения, плавления плотность показатель преломления и проч. Для ранее синтезированного соединения обычно бывает достаточно сравнения некоторых физико-химических свойств полученного продукта со справочными данными
7
1. СИНТЕЗ
Основными операциями синтеза являются нагревание, охлаждение, перемешивание, встряхивание, растворение и проч. Обычно считается целесообразным проводить синтез в некотором сосуде хотя бы потому, что в нем удобно регулировать условия протекания синтеза. Кроме того, из этого сосуда можно легко обработать реакционную массу на стадии выделения сырого продукта. Поэтому необходимо ознакомиться с основными видами реакционных сосудов, применяемых в органическом синтезе. Реакционный сосуд
Для проведения реакции используют обычно сосуд, в который можно поместить исходные соединения и осуществить синтез. Для этого необходимо соблюдение следующих условий:
а) объем сосуда должен быть больше общего объема загружаемых ингредиентов. Обычно коэффициент заполнения () реакционного сосуда составляет, а при проведении реакции с перемешиванием значение составляет б) материал, из которого сделан реакционный сосуд, должен соответствовать требованиям, предъявляемым к температурным режимам реакции,
и не должен реагировать с исходными веществами и реакционной массой;
в) сосуд должен легко соединяться с дополнительными приборами, необходимыми для проведения синтеза.
Наиболее простыми и удобными в пользовании реакционными сосудами являются химические стаканы, которые могут быть изготовлены из фарфора (риса) или термостойкого стекла (рис. 1, б. Стеклянные стаканы менее прочны, чем фарфоровые, однако стекло лучше проводит тепло, а кроме того, позволяет наблюдать протекание реакции.
Рис. 1. Реакционные сосуды:
а — из фарфора б — термостойкого стекла в — колба Эрленмейера
а
б
в
Исключительная простота конструкции, отличающая стаканы, устанавливает жесткий предел их функциям, оставляя лишь простые синтезы. Так,
стаканы нельзя использовать при нагревании низкокипящих и легковоспламеняющихся растворителей. В этом случае часто применяют плоскодонную колбу Эрленмейера (рис. 1, в, к тубусу которой можно присоединить дополнительные приборы, колбу можно закрыть пробкой.
При всех удобствах колбы Эрленмейера ее нельзя использовать при работе с вакуумом во избежание взрыва. Кроме того, при перемешивании и кипячении суспензий осадок скапливается у стенок колбы, что мешает нормальному протеканию реакции.
Универсальной формой реакционного сосуда, позволяющей совершать наибольшее количество операций, оказывается сферическая или близкая к ней посуда, чаще всего применяемая в синтезе, — круглодонные (рис. 2, а),
а также грушевидные (рис. 2, б) и остродонные (рис. 2, в) колбы.
Рис. 2. Виды колба — круглодонная б — грушевидная в — остродонная; г — трехгорлая
а
б
в
г
Колбы чаще всего изготавливают из термостойкого стекла, однако известны случаи использования стальных, медных и даже полиэтиленовых колб. Материал для колбы выбирают в соответствии с условиями реакции.
Сложные синтезы, входе которых необходимо осуществление нескольких операций (прибавление реагентов, перемешивание, пропускание газов,
температурный контроль и проч, требуют специальных колб с несколькими горлами (рис. 2, г, число которых обычно не превышает четырех. Если по каким-либо причинам возникает необходимость в большем числе горл,
используют специальные многогорлые насадки. Перемешивание
Перемешивание в органическом синтезе очень часто используется для обеспечения фазовой и термической однородности реакционной массы.
Перенос реагентов через поверхность раздела фаз в гетерогенных системах
(твердое вещество — жидкость, жидкость — жидкость или жидкость — газ)
замедлен, следовательно, уменьшена скорость протекания реакции
стаканы нельзя использовать при нагревании низкокипящих и легковоспламеняющихся растворителей. В этом случае часто применяют плоскодонную колбу Эрленмейера (рис. 1, в, к тубусу которой можно присоединить дополнительные приборы, колбу можно закрыть пробкой.
При всех удобствах колбы Эрленмейера ее нельзя использовать при работе с вакуумом во избежание взрыва. Кроме того, при перемешивании и кипячении суспензий осадок скапливается у стенок колбы, что мешает нормальному протеканию реакции.
Универсальной формой реакционного сосуда, позволяющей совершать наибольшее количество операций, оказывается сферическая или близкая к ней посуда, чаще всего применяемая в синтезе, — круглодонные (рис. 2, а),
а также грушевидные (рис. 2, б) и остродонные (рис. 2, в) колбы.
Рис. 2. Виды колба — круглодонная б — грушевидная в — остродонная; г — трехгорлая
а
б
в
г
Колбы чаще всего изготавливают из термостойкого стекла, однако известны случаи использования стальных, медных и даже полиэтиленовых колб. Материал для колбы выбирают в соответствии с условиями реакции.
Сложные синтезы, входе которых необходимо осуществление нескольких операций (прибавление реагентов, перемешивание, пропускание газов,
температурный контроль и проч, требуют специальных колб с несколькими горлами (рис. 2, г, число которых обычно не превышает четырех. Если по каким-либо причинам возникает необходимость в большем числе горл,
используют специальные многогорлые насадки. Перемешивание
Перемешивание в органическом синтезе очень часто используется для обеспечения фазовой и термической однородности реакционной массы.
Перенос реагентов через поверхность раздела фаз в гетерогенных системах
(твердое вещество — жидкость, жидкость — жидкость или жидкость — газ)
замедлен, следовательно, уменьшена скорость протекания реакции
В этом случае перемешиванием достигают увеличения поверхности межфазного контакта, таким образом ускоряя реакцию. Часто бывает необходимо добавление реагентов к реакционной массе входе процесса, возникающие при этом локальные увеличения концентрации прибавляемого вещества могут привести к изменению результата взаимодействия. Перемешивание позволяет быстро и равномерно распределять реагент в реакционной массе.
В органическом синтезе обычно используют локальное нагревание (или охлаждение, способное привести к нежелательным местным температурным скачкам. Перемешиванием при этом достигают термической однородности по всему объему смеси.
Простейший случай перемешивания наблюдается при кипячении реакционной массы. В тех случаях когда вязкость среды не слишком велика, интенсивное кипячение позволяет добиться вполне удовлетворительного перемешивания. Необходимо помнить о необходимости внесения перед кипячением центров парообразования — так называемых кипелок (кусочки пористого кирпича, фарфора или запаянных с одной стороны стеклянных капилляров).
При проведении реакций жидкости с газами хорошее перемешивание обеспечивается сильным током проходящего газа. Этим способом иногда пользуются, пропуская через реакционную массу ток воздуха или инертного газа. Метод очень прост в аппаратурном оформлении и особенно часто используется в тех случаях, когда в реакционную массу добавляют газообразный реагент (аммиак, углекислый газ и прочили избавляются от ненужного газообразного продукта продуванием воздуха. Универсальным средством перемешивания в лабораторной практике являются стеклянные мешалки,
однако возможно применение и полиэтиленовых, тефлоновых, металлических мешалок. Формы мешалок бывают самыми разнообразными в зависимости от требуемой эффективности перемешивания и конструкционных особенностей реакционного сосуда.
Простейшие мешалки представляют собой изогнутые стеклянные палочки (риса, но эффективность их невелика. Наиболее эффективны пропеллерные мешалки (рис. 3, б, они же часто используются при работе с широкогорлыми сосудами.
Для узкогорлых сосудов используют лопастные (рис. 3, вили проволочные мешалки, однако их эффективность мала. Очень мощными и удобными в работе являются мешалки, изготовленные из тефлоновой трубки.
Магнитные мешалки (рис. 3, г) часто используют в лабораторных синтезах, особенно при необходимости перемешивания в закрытом сосуде. Якорь из металла, заключенный в стеклянную, полиэтиленовую или тефлоновую оболочку, приводится в движение вращением сильного постоянного магнита.
Мешалки такого рода очень удобны, однако их мощность невелика ив вязких реакционных массах они часто останавливаются
В органическом синтезе обычно используют локальное нагревание (или охлаждение, способное привести к нежелательным местным температурным скачкам. Перемешиванием при этом достигают термической однородности по всему объему смеси.
Простейший случай перемешивания наблюдается при кипячении реакционной массы. В тех случаях когда вязкость среды не слишком велика, интенсивное кипячение позволяет добиться вполне удовлетворительного перемешивания. Необходимо помнить о необходимости внесения перед кипячением центров парообразования — так называемых кипелок (кусочки пористого кирпича, фарфора или запаянных с одной стороны стеклянных капилляров).
При проведении реакций жидкости с газами хорошее перемешивание обеспечивается сильным током проходящего газа. Этим способом иногда пользуются, пропуская через реакционную массу ток воздуха или инертного газа. Метод очень прост в аппаратурном оформлении и особенно часто используется в тех случаях, когда в реакционную массу добавляют газообразный реагент (аммиак, углекислый газ и прочили избавляются от ненужного газообразного продукта продуванием воздуха. Универсальным средством перемешивания в лабораторной практике являются стеклянные мешалки,
однако возможно применение и полиэтиленовых, тефлоновых, металлических мешалок. Формы мешалок бывают самыми разнообразными в зависимости от требуемой эффективности перемешивания и конструкционных особенностей реакционного сосуда.
Простейшие мешалки представляют собой изогнутые стеклянные палочки (риса, но эффективность их невелика. Наиболее эффективны пропеллерные мешалки (рис. 3, б, они же часто используются при работе с широкогорлыми сосудами.
Для узкогорлых сосудов используют лопастные (рис. 3, вили проволочные мешалки, однако их эффективность мала. Очень мощными и удобными в работе являются мешалки, изготовленные из тефлоновой трубки.
Магнитные мешалки (рис. 3, г) часто используют в лабораторных синтезах, особенно при необходимости перемешивания в закрытом сосуде. Якорь из металла, заключенный в стеклянную, полиэтиленовую или тефлоновую оболочку, приводится в движение вращением сильного постоянного магнита.
Мешалки такого рода очень удобны, однако их мощность невелика ив вязких реакционных массах они часто останавливаются
Перемешивание в самом простом случае осуществляется вручную при помощи палочки, однако для продолжительных реакций используют электрические двигатели с мешалками. Частоту вращения при этом обычно регулируют при помощи лабораторных автотрансформаторов.
При всех преимуществах электродвигателей они обычно не заземлены,
поэтому возможно искрение (например, при работе с легковоспламеняющимися жидкостями, в качестве двигателя используют турбинки, приводимые в движение напором воды или газа. Теплообмен
(нагревание, охлаждение и конденсация)
Нагревание и охлаждение относятся к операциям, наиболее часто используемым в органическом синтезе. Температура влияет на скорость химической реакции и даже на ее результаты. Подводом и отводом тепла также достигают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, возгонка, конденсация и проч.).
Теплопередача осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.
Принято считать, что теплопроводность представляет собой обмен тепловой энергией между неподвижными частицами, например, в стеклянной стенке колбы или в неподвижном слое газа.
Конвекция представляет собой передачу тепла посредством движения и перемешивания потоков жидкостей или газов, а также обмен энергией между потоками и неподвижной поверхностью.
Излучением называют передачу тепла лучами с длиной волны в диапазоне мкм.
Рис. 3. Виды мешалок:
а — простейшая б — пропеллерная в — лопастная г — магнитная
а
б
в
г
двигатель мешалка мешалка якорь
При всех преимуществах электродвигателей они обычно не заземлены,
поэтому возможно искрение (например, при работе с легковоспламеняющимися жидкостями, в качестве двигателя используют турбинки, приводимые в движение напором воды или газа. Теплообмен
(нагревание, охлаждение и конденсация)
Нагревание и охлаждение относятся к операциям, наиболее часто используемым в органическом синтезе. Температура влияет на скорость химической реакции и даже на ее результаты. Подводом и отводом тепла также достигают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, возгонка, конденсация и проч.).
Теплопередача осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения.
Принято считать, что теплопроводность представляет собой обмен тепловой энергией между неподвижными частицами, например, в стеклянной стенке колбы или в неподвижном слое газа.
Конвекция представляет собой передачу тепла посредством движения и перемешивания потоков жидкостей или газов, а также обмен энергией между потоками и неподвижной поверхностью.
Излучением называют передачу тепла лучами с длиной волны в диапазоне мкм.
Рис. 3. Виды мешалок:
а — простейшая б — пропеллерная в — лопастная г — магнитная
а
б
в
г
двигатель мешалка мешалка якорь
Количество тепла (Q), передаваемого по механизму теплопроводности,
зависит отряда факторов = · F · (где — коэффициент теплопроводности материала F — площадь поверхности теплообмена t — разность температур — толщина слоя (или стенки, через который проводится тепло.
Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, те. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше Из представленного соотношения также очевидно, что количество передаваемого тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности, зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха, для воды — 1,4 · 10
–3
, для стекла — 2,0 · 10
–3
, для меди —
0,92 кал/с · см · град.
Теплообмен между неподвижной твердой поверхностью и потоками жидкости или газа может осуществляться как естественным движением потоков (естественная конвекция, таки путем механического перемешивания (принудительная конвекция).
Для конвективной теплопередачи справедливо следующее соотношение = · F · Коэффициент теплопередачи () зависит от многих факторов плотности подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости.
Так, при естественной конвекции вводе, а при принудительной кал/с · см град.
Обычно теплопередача в процессе теплообмена осуществляется обоими способами. Так, даже при очень интенсивном движении жидкости или газа к твердой стенке прилипает тонкий неподвижный слой среды (называемый ламинарным, в котором теплопередача осуществляется исключительно за счет теплопроводности. Поскольку теплопроводность газов и большинства жидкостей очень мала, ламинарный слой создает наибольшее сопротивление теплопередаче между фазами, обменивающимися теплом.
Таким образом, на передачу тепла при нагревании, охлаждении, а также конденсации паров оказывает влияние множество факторов, и успешное осуществление этих операций зависит от правильности выбора режима теплообмена, природы теплоносителя, скорости его потоков, конструкции прибора и проч.
Экономия энергии и материалов, представляющаяся важной в промышленных процессах, не играет большой роли в лабораторных синтезах, где определяющим фактором является эффективность (быстрота и точность) достижения необходимой температуры
12
зависит отряда факторов = · F · (где — коэффициент теплопроводности материала F — площадь поверхности теплообмена t — разность температур — толщина слоя (или стенки, через который проводится тепло.
Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, те. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше Из представленного соотношения также очевидно, что количество передаваемого тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности, зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха, для воды — 1,4 · 10
–3
, для стекла — 2,0 · 10
–3
, для меди —
0,92 кал/с · см · град.
Теплообмен между неподвижной твердой поверхностью и потоками жидкости или газа может осуществляться как естественным движением потоков (естественная конвекция, таки путем механического перемешивания (принудительная конвекция).
Для конвективной теплопередачи справедливо следующее соотношение = · F · Коэффициент теплопередачи () зависит от многих факторов плотности подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости.
Так, при естественной конвекции вводе, а при принудительной кал/с · см град.
Обычно теплопередача в процессе теплообмена осуществляется обоими способами. Так, даже при очень интенсивном движении жидкости или газа к твердой стенке прилипает тонкий неподвижный слой среды (называемый ламинарным, в котором теплопередача осуществляется исключительно за счет теплопроводности. Поскольку теплопроводность газов и большинства жидкостей очень мала, ламинарный слой создает наибольшее сопротивление теплопередаче между фазами, обменивающимися теплом.
Таким образом, на передачу тепла при нагревании, охлаждении, а также конденсации паров оказывает влияние множество факторов, и успешное осуществление этих операций зависит от правильности выбора режима теплообмена, природы теплоносителя, скорости его потоков, конструкции прибора и проч.
Экономия энергии и материалов, представляющаяся важной в промышленных процессах, не играет большой роли в лабораторных синтезах, где определяющим фактором является эффективность (быстрота и точность) достижения необходимой температуры
12
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1.3.1. Нагревание
Прямой нагрев на пламени спиртовки или газовой горелки возможен только при использовании сосудов, изготовленных из термостойких материалов (металл, термостойкое или кварцевое стекло. Нагрев осуществляется при непрерывном движении горелкой для равномерного обогрева всей поверхности сосуда.
Использование электрических плиток (особенно с закрытым элементом)
является более безопасным вариантом прямого нагрева. Однако ион неприменим для нагревания легковоспламеняющихся жидкостей. Удобство прямого способа нагревания состоит в возможности быстрого удаления источника тепла.
Во избежание местных перегревов, а также для более точной регулировки температурного режима используют различные бани. Наиболее простым их видом является баня воздушная (рис. 4, а).
Но воздух — плохой и ненадежный проводник тепла (возможны местные перегревы реакционной массы в колбе, поэтому регулировать температуру воздушной бани и реакционной массы трудно. Частым вариантом воздушной бани является баня паровая, позволяющая нагревать реакционную массу при температуре 100 С. При применении песчаных бань — металлических чашек, заполненных мелким песком, — оказывается возможным нагрев практически во всем диапазоне температур, чаще всего применяемых в органическом синтезе. Однако и здесь терморегуляция является непростой проблемой также возможны местные перегревы, приводящие зачастую к последствиям неожиданными нежелательным.
Рис. 4. Бани:
а — воздушная б — водяная
а
б
баня теплоноситель термометр сопротивления терморегулятор
Избежать локальных перегревов можно при использовании жидкостных бань. Наиболее распространенный вариант — водяная баня, позволяющая осуществлять мягкий нагрев в диапазоне температур 20—100 С. Регулирование температуры осуществляют обычно посредством контактных термометров, соединенных с терморегулятором (рис. 4, б. Необходимо отметить,
что при пользовании водяной и паровой банями трудно обеспечить безводные условия для реакционной массы. Поэтому эти бани опасны при работе со щелочными металлами.
Бани, в которых в качестве теплоносителя используются масло, парафин или глицерин (называющиеся соответственно масляными, парафиновыми или глицериновыми, позволяют нагревать реакционную массу до температуры С. Однако при высоких температурах они сильно дымят и становятся пожароопасными, а попадание воды приводит к разбрызгиванию содержимого, что чревато ожогами.
Прекрасным средством, позволяющим осуществить нагрев выше С, являются эвтектические сплавы. Чаще всего применяются сплав
Вуда (Т
пл
81 Си сплав Розе
(Т
пл
98 С Bi — 50, Pb — 25, Sn — 25 %). Такие бани отлично проводят тепло, подчиняются терморегуляции и непожароопасны. Правда, при охлаждении в них нельзя оставлять колбы и термометры, поскольку сплав, кристаллизуясь, разрушает стеклянную посуду. Охлаждение
Способ охлаждения реакционного сосуда, как и способ нагрева, зависит от требуемой температуры.
Охлаждения до комнатной температуры достигают обычно, погружая колбу или стакан в баню с проточной холодной водой. Толстостенные и не- термостойкие сосуды во избежание их разрушения охлаждают постепенно:
сначала теплой водой, затем более холодной (t хладагента и стенки сосуда не должна превышать 60—80 С. При необходимости отвода большего количества тепла пользуются ледяными банями – сосудами, наполненными мелко накрошенным льдом с водой. С помощью ледяных бань можно достичь охлаждения до +5 С. Если допустимо разбавление реакционной массы водой,
то быстрого охлаждения можно достичь, внося лед непосредственно в реакционную массу.
Для охлаждения смесей ниже 0 С чаще всего применяют смеси льда с различными солями. Так, смесь льда с NaCl позволяет достичь –21 Св бане с NaNO
3
–18 С с CaCl
2
· НС. Однако температура бани сильно зависит от соотношения лед — соль, а также от степени измельчения льда.
Достижение более низких температур возможно при использовании растворов сухого льда (твердого CO
2
) в ацетоне (–80 С, этаноле (–75 °С),
эфире (–99 Сит. д. Для таких охлаждающих бань применяют специальные сосуды, обеспечивающие теплоизоляцию бани, с двойным дном и теплоизоляцией (риса) или вакуумированные сосуды Дьюара (рис. 5, б
Растворы жидкого азота также позволяют получить хорошие охлаждающие бани. Сам жидкий азот (Т
кип
= –196 С) применяется лишь в особых условиях.
При работе с сухим льдом, жидким азотом и банями на их основе необходимо соблюдать осторожность, чтобы не получить обморожение. Конденсация
При нагревании реакционных смесей происходит испарение летучих веществ, которые необходимо либо возвращать в зону протекания реакции,
либо, наоборот, удалять из нее. Для осуществления используют холодильники, предназначенные для конденсации испарившихся жидкостей.
Простейшим холодильником является прямой воздушный, представляющий собой обычную трубку из термостойкого стекла. Он может служить для возврата конденсата в реакционную массу, называясь при этом обратным холодильником (риса, либо для отвода паров, приобретая название
нисходящего (рис. 6, б).
Рис. 5. Охлаждающие бани:
а — с двойным дном и теплоизоляцией б — вакуумированный сосуд Дьюара
а
б
охлаждающая смесь баня с теплоизоляцией охлаждающая смесь сосуд Дьюара
Рис. 6. Воздушный холодильника — обратный б — нисходящий
а
б
пары пары конденсат конденсат
кип
= –196 С) применяется лишь в особых условиях.
При работе с сухим льдом, жидким азотом и банями на их основе необходимо соблюдать осторожность, чтобы не получить обморожение. Конденсация
При нагревании реакционных смесей происходит испарение летучих веществ, которые необходимо либо возвращать в зону протекания реакции,
либо, наоборот, удалять из нее. Для осуществления используют холодильники, предназначенные для конденсации испарившихся жидкостей.
Простейшим холодильником является прямой воздушный, представляющий собой обычную трубку из термостойкого стекла. Он может служить для возврата конденсата в реакционную массу, называясь при этом обратным холодильником (риса, либо для отвода паров, приобретая название
нисходящего (рис. 6, б).
Рис. 5. Охлаждающие бани:
а — с двойным дном и теплоизоляцией б — вакуумированный сосуд Дьюара
а
б
охлаждающая смесь баня с теплоизоляцией охлаждающая смесь сосуд Дьюара
Рис. 6. Воздушный холодильника — обратный б — нисходящий
а
б
пары пары конденсат конденсат
Потоки паров и конденсата в такой прямой трубке ламинарны (параллельны поверхности, теплообмен осуществляется только по механизму теплопроводности и, следовательно, малоэффективен. Поэтому прямой холодильник используют в качестве обратного реже, чем шариковый (риса, который,
в свою очередь, невозможно применять в качестве нисходящего. В шаровидных расширениях потоки паров и конденсата становятся турбулентными
(хаотичными), вследствие чего механизм теплопередачи сменяется на более действенный — конвективный. Поскольку воздух — сухой охлаждающий агент, воздушные холодильники используют только при работе с высоко- кипящими жидкостями (Т
кип
> 150 °С).
Рис. 7. Виды холодильников:
а — шариковый б — холодильник Либиха; в — шариковый водяной;
г — змеевиковый; д — холодильник Димрота
а
б
в
г
д
Вариантом прямого холодильника является холодильник с рубашкой
(рис. 7, б, называемый холодильником Либиха. В качестве хладагента для веществ с температурой кипения ниже 120 С используется проточная вода, а в интервале температур 120—180 С — непроточная. Этот холодильник часто используется как нисходящий, нов качестве обратного он не особо эффективен (по тем же причинам, что и прямой воздушный) и с этой целью применяется только для жидкостей, кипящих выше 100 С. Наилучшим нисходящим холодильником считается змеевиковый (рис. 7, г, установленный вертикально. Его не следует использовать как нисходящий, поскольку конденсат может быть выплюнут из змеевика, что нежелательно или даже опасно. Обратным холодильником, лучшим, чем холодильник Либиха, является шариковый водяной холодильник (рис. 7, в. Еще один вариант обратного холодильника — холодильник Димрота (рис. 7, д. Здесь предложена оригинальная конструкция внутреннего охлаждения охлаждающий змеевик расположен внутри холодильника
в свою очередь, невозможно применять в качестве нисходящего. В шаровидных расширениях потоки паров и конденсата становятся турбулентными
(хаотичными), вследствие чего механизм теплопередачи сменяется на более действенный — конвективный. Поскольку воздух — сухой охлаждающий агент, воздушные холодильники используют только при работе с высоко- кипящими жидкостями (Т
кип
> 150 °С).
Рис. 7. Виды холодильников:
а — шариковый б — холодильник Либиха; в — шариковый водяной;
г — змеевиковый; д — холодильник Димрота
а
б
в
г
д
Вариантом прямого холодильника является холодильник с рубашкой
(рис. 7, б, называемый холодильником Либиха. В качестве хладагента для веществ с температурой кипения ниже 120 С используется проточная вода, а в интервале температур 120—180 С — непроточная. Этот холодильник часто используется как нисходящий, нов качестве обратного он не особо эффективен (по тем же причинам, что и прямой воздушный) и с этой целью применяется только для жидкостей, кипящих выше 100 С. Наилучшим нисходящим холодильником считается змеевиковый (рис. 7, г, установленный вертикально. Его не следует использовать как нисходящий, поскольку конденсат может быть выплюнут из змеевика, что нежелательно или даже опасно. Обратным холодильником, лучшим, чем холодильник Либиха, является шариковый водяной холодильник (рис. 7, в. Еще один вариант обратного холодильника — холодильник Димрота (рис. 7, д. Здесь предложена оригинальная конструкция внутреннего охлаждения охлаждающий змеевик расположен внутри холодильника
Достижение наиболее полной конденсации паров представляет непростую проблему, и для ее решения созданы разнообразные конструкции холодильников, формы которых бывают весьма необычны и прихотливы. Существует правило, согласно которому чем холодильник эффективнее, тем он сложнее в изготовлении и, следовательно, дороже. Поэтому для большинства целей используют наиболее простые прямоточные и шариковые холодильники.
При использовании холодильников с водяным охлаждением следует помнить о том, что на наружной поверхности рубашки конденсируется атмосферная влага, которая может попасть внутрь колбы. Поэтому на холодильник ниже рубашки часто надевают манжету из фильтровальной бумаги. Измерение и регулирование температуры
Как уже было отмечено, при проведении синтеза бывает необходимо регулирование термического режима процесса. Для наблюдения за температурой реакционной массы обычно применяют термометры. В лабораторных условиях чаще всего используются ртутные термометры, предназначенные для измерения температуры не ниже –39 С (температура кристаллизации ртути) и не выше 350 С (Т
кип
= 357 СВ диапазоне температур от до +70 С применяют термометры, заполненные этанолом. Поскольку спирт имеет тот же показатель преломления, что истекло, жидкость подкрашивают в красный или синий цвет. Глицериновые термометры позволяют определять температуру до –100 С. Для измерения температур выше 350 С обычно используют термометры сопротивления или биметаллические, однако столь сильное нагревание является большой редкостью в органическом синтезе, поэтому мы не станем подробно рассматривать принципы определения высоких температур.
В современных лабораториях для нагревания круглодонных колб используются электрические колбонагреватели, обеспечивающие эффективный и безопасный способ нагревания. С помощью встроенного в колбонагреватель регулятора мощности нагрева возможно точное поддержание заданной температуры внутри нагреваемой колбы. Для повышения эффективности нагревания необходимо использовать колбонагреватель подходящего размера в соответствии сего маркировкой.
Довольно часто нужно выдерживать реакционную массу при постоянной температуре длительное время. Необходимый режим можно поддерживать, ограничивая подвод тепла к нагревательной бане, включив нагреватель через реостат или трансформатор. Однако регулирование температуры значительно облегчается при использовании специальных контактных термометров. Нагреватель и контактный термометр подключают к терморегулятору (см. рис. 4, б. По достижении требуемой температуры в бане реле выключает нагрев, после охлаждения нагреватель включается вновь.
Регулирование низких температур обычно представляется сложной проблемой, и лишь при проведении экзотермических реакций его возможно осуществить скоростью прибавления реагентов. В этом случае роль нагревателя играет сама химическая реакция. Прибор для органического синтеза
Конструкция прибора, в котором осуществляют синтез органических соединений, зависит от характера и последовательности операций, приводящих к получению продукта реакции.
Поскольку для осуществления каждой операции служит определенный вид оборудования, к реакционному сосуду присоединяют различные детали холодильники, термометры, мешалки и проч. Для присоединения деталей прибора друг к другу используют либо пробки, обычно корковые или резиновые,
либо шлифы.
Корковые пробки изготавливают из коры деревьев или прессуют из пробковой крошки. Пробка обладает упругостью, плотностью, значительной термостойкостью. Сточки зрения химической устойчивости корковые пробки неплохи, однако разрушаются при действии галогенов, щелочей, серной и азотной кислот. К тому же пористая пробка хорошо пропускает газообразные соединения.
Для повышения химической стойкости и герметичности пробку покрывают парафином или химически инертным лаком. Резина менее устойчива к действию химических реагентов, чем корковые пробки. Каучук разрушается кислотами, быстро разбухает при действии галогенуглеводородов и углеводородов, однако очень устойчив к действию щелочей. Каучук газонепро- ницаем, и приборы, собранные на резиновых пробках, более подходят для работы с легколетучими веществами.
В современных лабораториях сравнительно редко пользуются резиновыми и корковыми пробками. Вместо них используют так называемые шлифы.
Две притертые друг к другу отшлифованные поверхности представляют собой соединение на шлифах (рис. 8). Шлифы имеют чаще всего форму усеченного конуса и называются коническими.
Размеры шлифов обычно стандартные, поэтому различные элементы оборудования хорошо подходят друг к другу. Такого рода соединения вполне герметичны, термически и химически устойчивы, чем и объясняется их широкое использование. К недостаткам соединений на шлифах смело отнесем их дороговизну, а также чрезвычайную хрупкость. Соединение на шлифах является более жестким
При использовании холодильников с водяным охлаждением следует помнить о том, что на наружной поверхности рубашки конденсируется атмосферная влага, которая может попасть внутрь колбы. Поэтому на холодильник ниже рубашки часто надевают манжету из фильтровальной бумаги. Измерение и регулирование температуры
Как уже было отмечено, при проведении синтеза бывает необходимо регулирование термического режима процесса. Для наблюдения за температурой реакционной массы обычно применяют термометры. В лабораторных условиях чаще всего используются ртутные термометры, предназначенные для измерения температуры не ниже –39 С (температура кристаллизации ртути) и не выше 350 С (Т
кип
= 357 СВ диапазоне температур от до +70 С применяют термометры, заполненные этанолом. Поскольку спирт имеет тот же показатель преломления, что истекло, жидкость подкрашивают в красный или синий цвет. Глицериновые термометры позволяют определять температуру до –100 С. Для измерения температур выше 350 С обычно используют термометры сопротивления или биметаллические, однако столь сильное нагревание является большой редкостью в органическом синтезе, поэтому мы не станем подробно рассматривать принципы определения высоких температур.
В современных лабораториях для нагревания круглодонных колб используются электрические колбонагреватели, обеспечивающие эффективный и безопасный способ нагревания. С помощью встроенного в колбонагреватель регулятора мощности нагрева возможно точное поддержание заданной температуры внутри нагреваемой колбы. Для повышения эффективности нагревания необходимо использовать колбонагреватель подходящего размера в соответствии сего маркировкой.
Довольно часто нужно выдерживать реакционную массу при постоянной температуре длительное время. Необходимый режим можно поддерживать, ограничивая подвод тепла к нагревательной бане, включив нагреватель через реостат или трансформатор. Однако регулирование температуры значительно облегчается при использовании специальных контактных термометров. Нагреватель и контактный термометр подключают к терморегулятору (см. рис. 4, б. По достижении требуемой температуры в бане реле выключает нагрев, после охлаждения нагреватель включается вновь.
Регулирование низких температур обычно представляется сложной проблемой, и лишь при проведении экзотермических реакций его возможно осуществить скоростью прибавления реагентов. В этом случае роль нагревателя играет сама химическая реакция. Прибор для органического синтеза
Конструкция прибора, в котором осуществляют синтез органических соединений, зависит от характера и последовательности операций, приводящих к получению продукта реакции.
Поскольку для осуществления каждой операции служит определенный вид оборудования, к реакционному сосуду присоединяют различные детали холодильники, термометры, мешалки и проч. Для присоединения деталей прибора друг к другу используют либо пробки, обычно корковые или резиновые,
либо шлифы.
Корковые пробки изготавливают из коры деревьев или прессуют из пробковой крошки. Пробка обладает упругостью, плотностью, значительной термостойкостью. Сточки зрения химической устойчивости корковые пробки неплохи, однако разрушаются при действии галогенов, щелочей, серной и азотной кислот. К тому же пористая пробка хорошо пропускает газообразные соединения.
Для повышения химической стойкости и герметичности пробку покрывают парафином или химически инертным лаком. Резина менее устойчива к действию химических реагентов, чем корковые пробки. Каучук разрушается кислотами, быстро разбухает при действии галогенуглеводородов и углеводородов, однако очень устойчив к действию щелочей. Каучук газонепро- ницаем, и приборы, собранные на резиновых пробках, более подходят для работы с легколетучими веществами.
В современных лабораториях сравнительно редко пользуются резиновыми и корковыми пробками. Вместо них используют так называемые шлифы.
Две притертые друг к другу отшлифованные поверхности представляют собой соединение на шлифах (рис. 8). Шлифы имеют чаще всего форму усеченного конуса и называются коническими.
Размеры шлифов обычно стандартные, поэтому различные элементы оборудования хорошо подходят друг к другу. Такого рода соединения вполне герметичны, термически и химически устойчивы, чем и объясняется их широкое использование. К недостаткам соединений на шлифах смело отнесем их дороговизну, а также чрезвычайную хрупкость. Соединение на шлифах является более жестким
Сборку прибора для синтеза осуществляют, как правило, на штативе с помощью зажимов, называемых
лапками. Лапки к штативу присоединяются посредством муфт. Муфты нужно закреплять открытой частью вверх. Захваты лапок должны быть снабжены каучуковыми прокладками во избежание поломки стеклянной посуды.
При сборке прибора необходимо следить за тем,
чтобы не возникали напряжения и деформации, способные привести к поломкам. Поэтому приборы обычно не крепят жестко, а затягивают лапки так, чтобы колба поворачивалась в зажиме, не выпадая из него.
На рис. 8 изображен стандартный прибор, используемый в органическом синтезе. Реакции в безводной среде и инертной атмосфере
Многие органические реагенты, промежуточные соединения и растворители легко взаимодействуют с водой и (или) кислородом воздуха или углекислым газом. Это часто требует проведения ряда препаративных синтезов в абсолютно безводных условиях без доступа воздуха. Ниже рассмотрены основные методы проведения реакций, протекающих только в том случае,
если реагенты, растворитель и аппаратура будут сухими (например, реакции
Гриньяра, синтезы на основе малонового эфира и т. да сама реакция будет осуществлена без доступа воздуха и влаги. Сушка жидкостей
Обычно высушивание жидкостей производится перед перегонкой, поскольку во многих случаях отделить воду обычной перегонкой не удается,
а наличие воды в органических жидкостях к тому же может существенно снизить эффективность этого метода очистки. Высушивание органических жидкостей обычно осуществляют прибавлением твердых неорганических осушителей, которые связывают воду в результате химического взаимодействия или путем образования кристаллогидратов. Осушитель должен удовлетворять следующим основным требованиям) не должен химически взаимодействовать с высушиваемым органическим соединением) не должен каталитически способствовать самоокислению, полимеризации и конденсации высушиваемых органических соединений) не должен заметно растворяться в органической жидкости) должен высушивать быстро и эффективно.
Рис. 8. Прибор для органического синтеза
лапками. Лапки к штативу присоединяются посредством муфт. Муфты нужно закреплять открытой частью вверх. Захваты лапок должны быть снабжены каучуковыми прокладками во избежание поломки стеклянной посуды.
При сборке прибора необходимо следить за тем,
чтобы не возникали напряжения и деформации, способные привести к поломкам. Поэтому приборы обычно не крепят жестко, а затягивают лапки так, чтобы колба поворачивалась в зажиме, не выпадая из него.
На рис. 8 изображен стандартный прибор, используемый в органическом синтезе. Реакции в безводной среде и инертной атмосфере
Многие органические реагенты, промежуточные соединения и растворители легко взаимодействуют с водой и (или) кислородом воздуха или углекислым газом. Это часто требует проведения ряда препаративных синтезов в абсолютно безводных условиях без доступа воздуха. Ниже рассмотрены основные методы проведения реакций, протекающих только в том случае,
если реагенты, растворитель и аппаратура будут сухими (например, реакции
Гриньяра, синтезы на основе малонового эфира и т. да сама реакция будет осуществлена без доступа воздуха и влаги. Сушка жидкостей
Обычно высушивание жидкостей производится перед перегонкой, поскольку во многих случаях отделить воду обычной перегонкой не удается,
а наличие воды в органических жидкостях к тому же может существенно снизить эффективность этого метода очистки. Высушивание органических жидкостей обычно осуществляют прибавлением твердых неорганических осушителей, которые связывают воду в результате химического взаимодействия или путем образования кристаллогидратов. Осушитель должен удовлетворять следующим основным требованиям) не должен химически взаимодействовать с высушиваемым органическим соединением) не должен каталитически способствовать самоокислению, полимеризации и конденсации высушиваемых органических соединений) не должен заметно растворяться в органической жидкости) должен высушивать быстро и эффективно.
Рис. 8. Прибор для органического синтеза
В табл. 1 приведены наиболее часто употребляемые осушители.
Осушители, образующие кристаллогидраты, обычно применяют в виде плавленых или прокаленных гранул диаметром 5—10 мм. Так как на поверхности твердого высушивающего вещества задерживается некоторое количество высушиваемой жидкости, следует брать небольшое количество осушителя (до 3 % от массы высушиваемой жидкости, чтобы снизить потери от адсорбции вещества осушителем.
Алифатические, алициклические и ароматические углеводороды, простые эфиры
Галогенопроизводные алифатического и ароматического рядов
Спирты
Альдегиды и кетоны
Амины и аммиак
Органические кислоты и сложные эфиры
Т а блица Наиболее распространенные осушители
Класс соединений
Осушители
Хлорид кальция, сульфаты натрия и магния, металлический натрий, оксид фосфора, ацетат натрия
Хлорид кальция, сульфаты натрия и магния, оксид фосфора(V)
Карбонат калия, сульфаты натрия и магния, оксид кальция и сульфат меди, ацетат натрия
Сульфаты натрия и магния
Гидроксиды калия и натрия, оксиды кальция и бария, карбонат калия
Сульфаты натрия и магния
Высушиваемую жидкость наливают в плоскодонную колбу, добавляют осушающее вещество, закрывают пробкой и периодически встряхивают в течение получаса. Если при этом выделяется слой водного раствора осушителя, органическую жидкость декантируют вчистую сухую колбу и добавляют свежий осушитель. Иногда эту операцию повторяют до тех пор, пока осушитель не перестанет расплываться в течение 30—40 мин. Жидкость с последней порцией осушителя рекомендуется оставлять на ночь. Быстрота высушивания в значительно большей степени зависит от числа смен осушителя, чем от количества осушителя, взятого на один раз.
Перед перегонкой высушенную жидкость фильтруют через складчатый фильтр или воронку с пористой перегородкой (фильтр Шотта) всухую перегонную колбу. Это особенно необходимо в тех случаях, когда применялись осушители, действие которых основано на способности к образованию кристаллогидратов (безводные сульфаты натрия и магния, хлорид кальция).
При повышенных температурах давление пара над солью увеличивается, и
Осушители, образующие кристаллогидраты, обычно применяют в виде плавленых или прокаленных гранул диаметром 5—10 мм. Так как на поверхности твердого высушивающего вещества задерживается некоторое количество высушиваемой жидкости, следует брать небольшое количество осушителя (до 3 % от массы высушиваемой жидкости, чтобы снизить потери от адсорбции вещества осушителем.
Алифатические, алициклические и ароматические углеводороды, простые эфиры
Галогенопроизводные алифатического и ароматического рядов
Спирты
Альдегиды и кетоны
Амины и аммиак
Органические кислоты и сложные эфиры
Т а блица Наиболее распространенные осушители
Класс соединений
Осушители
Хлорид кальция, сульфаты натрия и магния, металлический натрий, оксид фосфора, ацетат натрия
Хлорид кальция, сульфаты натрия и магния, оксид фосфора(V)
Карбонат калия, сульфаты натрия и магния, оксид кальция и сульфат меди, ацетат натрия
Сульфаты натрия и магния
Гидроксиды калия и натрия, оксиды кальция и бария, карбонат калия
Сульфаты натрия и магния
Высушиваемую жидкость наливают в плоскодонную колбу, добавляют осушающее вещество, закрывают пробкой и периодически встряхивают в течение получаса. Если при этом выделяется слой водного раствора осушителя, органическую жидкость декантируют вчистую сухую колбу и добавляют свежий осушитель. Иногда эту операцию повторяют до тех пор, пока осушитель не перестанет расплываться в течение 30—40 мин. Жидкость с последней порцией осушителя рекомендуется оставлять на ночь. Быстрота высушивания в значительно большей степени зависит от числа смен осушителя, чем от количества осушителя, взятого на один раз.
Перед перегонкой высушенную жидкость фильтруют через складчатый фильтр или воронку с пористой перегородкой (фильтр Шотта) всухую перегонную колбу. Это особенно необходимо в тех случаях, когда применялись осушители, действие которых основано на способности к образованию кристаллогидратов (безводные сульфаты натрия и магния, хлорид кальция).
При повышенных температурах давление пара над солью увеличивается, и
если соль не была отфильтрована, большая часть воды может снова оказаться в полученном при перегонке дистилляте. В тех случаях когда растворитель образует азеотропные смеси с водой (например, бензол, толуол, четыреххлористый углерод, тщательное предварительное досушивание растворов производить не следует, так как остаточная вода отгонится с первыми порциями растворителя в виде азеотропной смеси.
При абсолютировании (обезвоживании) растворителей для ускорения высушивания жидкость кипятят с осушителем в круглодонной колбе, снабженной обратным холодильником, после чего его быстро заменяют на прямой холодильники перегоняют растворитель над осушителем. Для более эффективного абсолютирования растворителей применяют осушители, химически взаимодействующие с водой, такие как металлический натрий, гидрид кальция или алюмогидрид лития. При абсолютировании апротонных растворителей металлическим натрием его небольшие куски для увеличения поверхности реакции осторожно раскатывают между двумя листами фильтровальной бумаги и кипятят растворитель в инертной среде (ток аргона или азота, периодически добавляя небольшое количество бензофенона
(на кончике шпателя) до появления интенсивной синей окраски. Синяя окраска, обусловленная образованием из бензофенона анион-радикала (кетила),
свидетельствует об отсутствии следов влаги, поэтому после ее появления растворитель перегоняют и хранят в хорошо закрытой посуде. Диэтиловый эфир, ТГФ, диоксан, абсолютированные этим методом, используют для проведения синтезов с применением элементоорганических соединений. Сушка твердых веществ
Сушку твердых органических веществ обычно проводят выдерживанием их на воздухе в течение нескольких суток. В случаях когда нужно быстро высушить небольшое количество твердого вещества (например, для определения температуры плавления, его можно посушить, отжав несколько раз между листами фильтровальной бумаги или на плитке из пористого негла- зурованного фарфора. Если вещество способно образовывать кристаллогидраты или его нельзя длительно хранить на воздухе (например, для некоторых летучих и легковозгоняющихся веществ, то для сушки и хранения применяют эксикаторы — толстостенные стеклянные сосуды с плотной крышкой.
В качестве осушителя, который обычно помещают в специальную чашку на дне эксикатора, используют минеральное соединение, способное связывать воду (наиболее часто применяют СаС1 2
, H
2
SO
4
, NaOH, KOH, P
2
O
5
или специальные сорта силикагеля).
Еще быстрее и эффективнее сушку можно проводить в вакуумном эксикаторе (рис. 9), в котором вещество сушится в вакууме при комнатной температуре над осушителем, например, РО
При абсолютировании (обезвоживании) растворителей для ускорения высушивания жидкость кипятят с осушителем в круглодонной колбе, снабженной обратным холодильником, после чего его быстро заменяют на прямой холодильники перегоняют растворитель над осушителем. Для более эффективного абсолютирования растворителей применяют осушители, химически взаимодействующие с водой, такие как металлический натрий, гидрид кальция или алюмогидрид лития. При абсолютировании апротонных растворителей металлическим натрием его небольшие куски для увеличения поверхности реакции осторожно раскатывают между двумя листами фильтровальной бумаги и кипятят растворитель в инертной среде (ток аргона или азота, периодически добавляя небольшое количество бензофенона
(на кончике шпателя) до появления интенсивной синей окраски. Синяя окраска, обусловленная образованием из бензофенона анион-радикала (кетила),
свидетельствует об отсутствии следов влаги, поэтому после ее появления растворитель перегоняют и хранят в хорошо закрытой посуде. Диэтиловый эфир, ТГФ, диоксан, абсолютированные этим методом, используют для проведения синтезов с применением элементоорганических соединений. Сушка твердых веществ
Сушку твердых органических веществ обычно проводят выдерживанием их на воздухе в течение нескольких суток. В случаях когда нужно быстро высушить небольшое количество твердого вещества (например, для определения температуры плавления, его можно посушить, отжав несколько раз между листами фильтровальной бумаги или на плитке из пористого негла- зурованного фарфора. Если вещество способно образовывать кристаллогидраты или его нельзя длительно хранить на воздухе (например, для некоторых летучих и легковозгоняющихся веществ, то для сушки и хранения применяют эксикаторы — толстостенные стеклянные сосуды с плотной крышкой.
В качестве осушителя, который обычно помещают в специальную чашку на дне эксикатора, используют минеральное соединение, способное связывать воду (наиболее часто применяют СаС1 2
, H
2
SO
4
, NaOH, KOH, P
2
O
5
или специальные сорта силикагеля).
Еще быстрее и эффективнее сушку можно проводить в вакуумном эксикаторе (рис. 9), в котором вещество сушится в вакууме при комнатной температуре над осушителем, например, РО
Перед сушкой вещество следует по возможности измельчить и насыпать тонким слоем в чашку или бумажную коробочку. При использовании вакуумного эксикатора вещество необходимо прикрыть часовым стеклом или фильтровальной бумагой, закрепленной резинкой, после чего его вносят в эксикатор,
давление в котором с помощью водоструйного или мембранного насоса понижают до 5—20 мм рт. ст.
В целях безопасности эксикатор при вакуумировании помещают в специальную защитную металлическую оплетку или оборачивают полотенцем.
Во избежание распыления осушаемого вещества и осушителя стравливание вакуума в эксикаторе следует проводить максимально осторожно, для чего впускное отверстие крана закрывают куском фильтровальной бумаги, затем открывают кран. Не следует сушить органические вещества (если это специально не оговорено в методике) в обычном лабораторном сушильном шкафу.
Для сушки при повышенных температурах используют специальный сушильный пистолета сушку больших количеств веществ проводят в вакуумном сушильном шкафу.
Рис. 9. Вакуумный эксикатор
22
давление в котором с помощью водоструйного или мембранного насоса понижают до 5—20 мм рт. ст.
В целях безопасности эксикатор при вакуумировании помещают в специальную защитную металлическую оплетку или оборачивают полотенцем.
Во избежание распыления осушаемого вещества и осушителя стравливание вакуума в эксикаторе следует проводить максимально осторожно, для чего впускное отверстие крана закрывают куском фильтровальной бумаги, затем открывают кран. Не следует сушить органические вещества (если это специально не оговорено в методике) в обычном лабораторном сушильном шкафу.
Для сушки при повышенных температурах используют специальный сушильный пистолета сушку больших количеств веществ проводят в вакуумном сушильном шкафу.
Рис. 9. Вакуумный эксикатор
22
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА
ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
По окончании синтеза продукты реакции необходимо отделить от растворителя, непрореагировавших реагентов и побочных веществ. Способы очистки химических соединений весьма разнообразны, и правильное их применение сильно влияет на степень чистоты получаемого продукта.
Выбор метода зависит от многих факторов агрегатного состояния вещества, его растворимости в различных растворителях, химических свойств и проч. Газообразные продукты в органическом синтезе встречаются сравнительно редко, поэтому мы рассмотрим способы, применяемые только для жидких и твердых веществ. Выделение твердых веществ
из реакционной массы
При выделении твердых веществ из реакционной смеси имеет место один из двух случаев. Продукт нерастворим или малорастворим в жидкой фазе. Продукт растворим в жидкости.
Первый случай представляется наиболее простым, поскольку вещество отделяют простым фильтрованием. Однако в осадке могут присутствовать такие примеси, от которых приходится избавляться экстракцией в системе
«твердое вещество — жидкость переосаждением и проч.
В том случае когда реакционная масса представляет собой раствор,
твердое вещество извлекают одним из следующих методов упариванием, экстракцией, переосаждением. Главной целью всех используемых методов является выделение целевого продукта в твердом виде. Поэтому реакционную смесь обрабатывают таким образом, чтобы целевой продукт выпал в осадок с наименьшими потерями, после чего его отделяют фильтрованием. Фильтрование
Если кристаллический продукт реакции нерастворим в реакционной массе или, наоборот, ценный раствор необходимо отделить от нерастворимых примесей, используют метод фильтрования. В самом простом случае фильтрование проводят через воронку, в которую вложен складчатый бумажный фильтр (риса. Протекание жидкости здесь осуществляется только
под действием собственного веса фильтруемой смеси, поэтому скорость фильтрования мала, к тому же осадок практически невозможно полностью отделить от остатков растворителя. Обычное фильтрование применяют лишь в том случае, когда ценность имеет раствора масса осадка сравнительно невелика. Отделение кристаллических продуктов реакции обычно осуществляется способом отсасывания через бумажный фильтр с помощью вакуумной системы. Для проведения этой операции используют прибор, состоящий из воронки Бюхнера и колбы Бунзена (рис. 10, б).
Рис. 10. Приборы для фильтрования:
а — без вакуума б — под вакуумом
а
б
осадок фильтрат вакуум Фильтрование в этом случае осуществляют следующим образом. Хорошо подходящий по размеру бумажный фильтр укладывают на дырчатую поверхность воронки Бюхнера, смачивают растворителем и отсасывают его,
подключая колбу Бунзена к вакуумной системе. Фильтр при этом плотно прилегает к воронке. После этого на фильтр выливают фильтруемую смесь,
собирая фильтрат в колбу.
Для удаления избытка растворителя осадок отжимают плоской стеклянной пробкой и при необходимости кристаллы промывают растворителем,
в котором вещество малорастворимо. Размеры воронки Бюхнера выбирают в зависимости от количества осадка. Твердая фаза должна полностью и равномерно покрывать поверхность фильтра не слишком толстым слоем. Отношение толщины слоя осадка к высоте воронки обычно не превышает Увеличение толщины слоя осадка замедляет процесс и затрудняет промывку использование чрезмерно широких воронок приводит к «размазыванию»
осадка по фильтру, и собирать его без потерь бывает трудно.
Для ускорения процесса используют широкопористую фильтровальную бумагу. Ширина пор, однако, должна быть меньше величины частиц осадка,
в противном случае фильтрат получается мутный из-за проникших частица сама операция протекает медленно, поскольку мелкий осадок забивает поры
Рис. 10. Приборы для фильтрования:
а — без вакуума б — под вакуумом
а
б
осадок фильтрат вакуум Фильтрование в этом случае осуществляют следующим образом. Хорошо подходящий по размеру бумажный фильтр укладывают на дырчатую поверхность воронки Бюхнера, смачивают растворителем и отсасывают его,
подключая колбу Бунзена к вакуумной системе. Фильтр при этом плотно прилегает к воронке. После этого на фильтр выливают фильтруемую смесь,
собирая фильтрат в колбу.
Для удаления избытка растворителя осадок отжимают плоской стеклянной пробкой и при необходимости кристаллы промывают растворителем,
в котором вещество малорастворимо. Размеры воронки Бюхнера выбирают в зависимости от количества осадка. Твердая фаза должна полностью и равномерно покрывать поверхность фильтра не слишком толстым слоем. Отношение толщины слоя осадка к высоте воронки обычно не превышает Увеличение толщины слоя осадка замедляет процесс и затрудняет промывку использование чрезмерно широких воронок приводит к «размазыванию»
осадка по фильтру, и собирать его без потерь бывает трудно.
Для ускорения процесса используют широкопористую фильтровальную бумагу. Ширина пор, однако, должна быть меньше величины частиц осадка,
в противном случае фильтрат получается мутный из-за проникших частица сама операция протекает медленно, поскольку мелкий осадок забивает поры
Колба Бунзена выбирается таким образом, чтобы ее объем был больше объема фильтруемой жидкости. Следует помнить, что толстостенные колбы для фильтрования не термостойки и их нагревание или охлаждение может привести к разрушению сосуда. Экстракция
Экстракцией называется метод извлечения целевого продукта из твердого вещества или жидкости другой жидкостью за счет различного распределения соединений между несмешивающимися фазами.
Распределение вещества между двумя фазами характеризуется соотношением равновесных концентраций (С) вещества в каждой из фаз и носит название коэффициента распределения (KK):
K = А C
В
.
Из уравнения видно, что экстракция осуществима, когда растворимость соединения в экстрагирующем растворителе (экстрагенте, А) выше, чем в экстрагируемой исходной фазе (В. Экстрагент подбирают таким образом,
чтобы основное вещество растворялось лучше, чем примеси (обратный случай называют промывкой).
При выборе экстрагента руководствуются основными принципами:
а) экстрагент не должен смешиваться с экстрагируемым раствором;
б) коэффициент K не должен быть максимальным;
в) экстрагент не должен вступать в химическое взаимодействие с экстрагируемой смесью;
г) при прочих равных условиях выбирают более низкокипящий раство- ритель.
Экстракция из твердой фазы Простейший случай экстракции состоит в перемешивании твердой фазы с растворителем и последующем фильтровании с отсасыванием. Естественно, что степень извлечения вещества зависит от величины поверхности межфазного контакта, поэтому для повышения эффективности процесса тщательно измельченную смесь обрабатывают избытком растворителя при перемешивании. Обычно процесс проводят в стакане, однако экстракцию легколетучими жидкостями при нагревании осуществляют в колбе с обратным холодильником (см. рис. 8). Однократной экстракции бывает достаточно при K = 100. При меньших значениях коэффициента распределения необходимо повторение операции со свежими порциями растворителя.
Экстракция из жидкостей Дискретная экстракция соединений из растворов, как правило водных, обычно осуществляется в делительной воронке
(рис. 11) и называется встряхиванием. Экстрагируемый раствор смешивают в аппарате с экстрагентом, объем которого равен 0,2—0,3 объема раствора.
Коэффициент заполнения воронки не должен превышать 0,4. Делительную
Экстракцией называется метод извлечения целевого продукта из твердого вещества или жидкости другой жидкостью за счет различного распределения соединений между несмешивающимися фазами.
Распределение вещества между двумя фазами характеризуется соотношением равновесных концентраций (С) вещества в каждой из фаз и носит название коэффициента распределения (KK):
K = А C
В
.
Из уравнения видно, что экстракция осуществима, когда растворимость соединения в экстрагирующем растворителе (экстрагенте, А) выше, чем в экстрагируемой исходной фазе (В. Экстрагент подбирают таким образом,
чтобы основное вещество растворялось лучше, чем примеси (обратный случай называют промывкой).
При выборе экстрагента руководствуются основными принципами:
а) экстрагент не должен смешиваться с экстрагируемым раствором;
б) коэффициент K не должен быть максимальным;
в) экстрагент не должен вступать в химическое взаимодействие с экстрагируемой смесью;
г) при прочих равных условиях выбирают более низкокипящий раство- ритель.
Экстракция из твердой фазы Простейший случай экстракции состоит в перемешивании твердой фазы с растворителем и последующем фильтровании с отсасыванием. Естественно, что степень извлечения вещества зависит от величины поверхности межфазного контакта, поэтому для повышения эффективности процесса тщательно измельченную смесь обрабатывают избытком растворителя при перемешивании. Обычно процесс проводят в стакане, однако экстракцию легколетучими жидкостями при нагревании осуществляют в колбе с обратным холодильником (см. рис. 8). Однократной экстракции бывает достаточно при K = 100. При меньших значениях коэффициента распределения необходимо повторение операции со свежими порциями растворителя.
Экстракция из жидкостей Дискретная экстракция соединений из растворов, как правило водных, обычно осуществляется в делительной воронке
(рис. 11) и называется встряхиванием. Экстрагируемый раствор смешивают в аппарате с экстрагентом, объем которого равен 0,2—0,3 объема раствора.
Коэффициент заполнения воронки не должен превышать 0,4. Делительную
воронку закрывают пробкой, правой (для левшей левой) рукой берутся за горло, поддерживая ладонью пробку, а левой — за кран так, чтобы его можно было свободно поворачивать.
Воронку переворачивают сливной трубкой вверх и осторожно открывают кран. Затем кран закрывают,
несколько раз встряхивают воронку и снова открывают кран для выравнивания давления. Укрепляют воронку на штативе и, дождавшись разделения фаз, снимают пробку. Нижнюю фазу сливают (в колбу) через крана верхнюю — через горлышко воронки. Операцию обычно повторяют несколько раз, чтобы как можно более полно извлечь продукт. При проведении экстракции в системе жидкость — жидкость необходимо всегда хорошо помнить, какой из слоев представляет собой экстрагента какой — экстрагируемую фазу. Высаливание
Если целевой продукт растворим вводе, иногда не бывает возможности понизить его растворимость путем добавления другого, более растворимого соединения. Обычно для этого используют неорганические соли (сульфаты, хлориды и фосфаты калия, натрия, аммония. Сущность метода состоит в том, что более растворимая вводе соль при насыщении будет вытеснять из растворителя менее растворимое вещество, отбирая у него сольватную оболочку. Для высаливания соль прибавляют к раствору вещества в порошкообразном виде и перемешивают до образования насыщенного раствора (прекращение растворения соли. Осаждение путем изменения pH (переосаждение)
Органические кислоты и основания, малорастворимые вводе, часто образуют хорошо растворимые вводе соли. Растворы этих солей можно очистить фильтрованием, обесцветить адсорбентом и проч. При подкислении растворов солей кислот (растворы оснований подщелачивают) соединения выделяются из раствора и их можно выделить фильтрованием или экстракцией. Упаривание
Если твердый продукт реакции растворим в достаточно летучем растворителе (Т
кип до 150 Си метод экстрагирования неэффективен, часто применяют способ упаривания растворителя для концентрации раствора. Наиболее простой вариант метода, используемый в случае водных растворов, упаривание при кипячении, которое проводят в чашке или, реже, в стакане.
Процесс ведут до начала кристаллизации продукта при кипячении. В том случае когда необходимо упаривание легколетучих или легковоспламеняющихся растворителей, например эфира, используют прибор для перегонки.
Рис. Делительные воронки
Воронку переворачивают сливной трубкой вверх и осторожно открывают кран. Затем кран закрывают,
несколько раз встряхивают воронку и снова открывают кран для выравнивания давления. Укрепляют воронку на штативе и, дождавшись разделения фаз, снимают пробку. Нижнюю фазу сливают (в колбу) через крана верхнюю — через горлышко воронки. Операцию обычно повторяют несколько раз, чтобы как можно более полно извлечь продукт. При проведении экстракции в системе жидкость — жидкость необходимо всегда хорошо помнить, какой из слоев представляет собой экстрагента какой — экстрагируемую фазу. Высаливание
Если целевой продукт растворим вводе, иногда не бывает возможности понизить его растворимость путем добавления другого, более растворимого соединения. Обычно для этого используют неорганические соли (сульфаты, хлориды и фосфаты калия, натрия, аммония. Сущность метода состоит в том, что более растворимая вводе соль при насыщении будет вытеснять из растворителя менее растворимое вещество, отбирая у него сольватную оболочку. Для высаливания соль прибавляют к раствору вещества в порошкообразном виде и перемешивают до образования насыщенного раствора (прекращение растворения соли. Осаждение путем изменения pH (переосаждение)
Органические кислоты и основания, малорастворимые вводе, часто образуют хорошо растворимые вводе соли. Растворы этих солей можно очистить фильтрованием, обесцветить адсорбентом и проч. При подкислении растворов солей кислот (растворы оснований подщелачивают) соединения выделяются из раствора и их можно выделить фильтрованием или экстракцией. Упаривание
Если твердый продукт реакции растворим в достаточно летучем растворителе (Т
кип до 150 Си метод экстрагирования неэффективен, часто применяют способ упаривания растворителя для концентрации раствора. Наиболее простой вариант метода, используемый в случае водных растворов, упаривание при кипячении, которое проводят в чашке или, реже, в стакане.
Процесс ведут до начала кристаллизации продукта при кипячении. В том случае когда необходимо упаривание легколетучих или легковоспламеняющихся растворителей, например эфира, используют прибор для перегонки.
Рис. Делительные воронки
Описание процесса дано в 2.2.1 Перегонка. Обычно растворитель удаляют не полностью, а до образования кашицеобразной массы, после чего суспензию охлаждают и продукт отделяют фильтрованием. Если же смесь упаривают досуха, то полученный остаток, как правило, дополнительно обрабатывают растворителем, экстрагирующим примеси и не растворяющим основное вещество. Отгонка растворителей
Подавляющую часть органических реакций проводят в растворителях.
Кроме того, растворители широко применяют на этапах обработки реакционных смесей и очистки органических веществ. Поэтому при выделении целевых веществ возникает необходимость концентрирования их растворов,
для чего применяют различные методы отгонки растворителей.
При любых операциях, проводимых с растворами веществ в низкокипящих растворителях (диэтиловый эфир, сероуглерод, петролейный эфир, следует помнить, что работа сними требует чрезвычайной осторожности, так как эти растворители имеют очень низкую температуру вспышки и воспламеняются от соприкосновения не только с открытым пламенем, но даже с поверхностью, нагретой до 150—160 °С.
Удобнее всего в качестве растворителей пользоваться галогенопроизводными хлористым метиленом, хлороформом, четыреххлористым углеродом и др. Эти растворители негорючи и имеют низкие температуры кипения.
Однако по сравнению с петролейным эфиром и диэтиловым эфиром они более токсичны для человека и опасны для окружающей среды.
Наиболее быстрым, эффективными удобным методом удаления растворителей из растворов является упаривание с помощью вакуумного роторного испарителя (рис. 12). В лабораториях органической химии широко используют роторные испарители различных конструкций и производителей, например) или отечественные ИР-1М2.
Колба 1 с раствором соединяется посредством специального стеклянного приспособления 2, снабженного краном 4, приемником 5 (для отгоняемого растворителя) и эффективным обратным холодильником 6 (последний через верхний кран 3 присоединяется к вакуумному насосу. Снижение давления в роторном испарителе приводит к понижению температуры кипения растворителя, что увеличивает скорость и эффективность его отгонки.
Колба 1 помещается в баню 7 с нагретой водой и приводится во вращение мотором с редуктором 8, имеющим герметичное уплотнение. Скорость вращения колбы и температура бани регулируются блоком управления При вращении вакуумированной колбы на ее внутренней поверхности постоянно образуется тонкая пленка жидкости, а внешняя поверхность обогревается баней, что приводит к интенсивному испарению растворителя и снижает вспенивание остающейся жидкости. Таким образом, конструкция роторного испарителя существенно увеличивает скорость отгонки растворителя,
предохраняет раствор от перегрева и разложения растворенного вещества. Выделение жидких веществ
из реакционной массы
Выбор способа выделения жидкостей в значительной степени зависит от фазового состояния реакционной смеси. Если реакционная масса представляет собой суспензию, то жидкость сначала отделяют от осадка, который отбрасывают. Из жидких смесей продукт выделяют различными способами в зависимости от их взаимной растворимости. Различают три случая взаимной растворимости жидкостей. Жидкости смешивают друг с другом в любом соотношении. Жидкости ограниченно растворяют друг в друге. Жидкости взаимно нерастворимы.
В первом случае продукт можно выделить только перегонкой. В двух других случаях искомое вещество отделяют либо простым разделением с помощью делительной воронки, либо экстракцией, либо перегонкой с паром. При этом широко пользуются такими дополнительными методами, как высаливание и переохлаждение.
Рис. 12. Схема роторного испарителя — колбас раствором 2 — стеклянный корпус прибора 3 — вакуумный отвод — кран связи с атмосферой 5 — приемник для отгоняемого растворителя — обратный холодильник 7 — термостатируемая баня 8 — мотор с редуктором — блок управления
28
2.2.1. Перегонка
Перегонку используют для жидких смесей, в которых продукт реакции хорошо растворим и его невозможно выделить экстракцией. Метод основан на различии состава и его пара. Давление пара (р) над раствором двух жидкостей определяется их молярной концентрацией.
Эта зависимость выражается законом Рауля:
р = р + где р и р – парциальные давления компонентов n
1
и n
2
– их мольные доли.
Фактором, определяющим возможность разделения смеси, является относительная летучесть жидкостей (р
1
/р
2
). Пары смеси жидких веществ обогащены более легкокипящей компонентой, летучесть показывает степень обогащения газовой фазы более легколетучим компонентом.
При обычной (простой) перегонке жидкость переводят в парообразное состояние и затем конденсируют в другой части прибора. Перегонку применяют для разделения жидкостей, значительно отличающихся по летучести.
Таким образом, удается хорошо разделить жидкости, разница в температурах кипения которых составляет более 100 СВ тех случаях когда эта разница меньше, применяют повторную перегонку или ректификацию.
Стандартный прибор для простой перегонки состоит из перегонной колбы, холодильника с отводом (алонжем) и приемника (рис. 13, а).
В качестве перегонной колбы обычно используют колбу Вюрца, снабженную боковой трубкой для отвода паров. В горловину колбы вставляют пробку с термометром для определения температуры паров.
Для перегонки можно также пользоваться обычной колбой с насадкой
Вюрца (рис. 13, б. Если нет необходимости в определении температуры паров, пользуются обычным изогнутым отводом (рис. 13, в).
К отводу колбы или насадки присоединяют нисходящий (см. 1.3.3) холодильник для отходящих паров. Чаще всего для этого пользуются прямыми холодильниками (см. риса, поскольку конденсат в них не задерживается. Следует помнить о том, что холодильником Либиха можно пользоваться лишь для жидкостей, кипящих не выше 150 С. Перегонка высококипя- щих жидкостей приводит к возникновению внутренних напряжений вместе спая трубки и рубашки и разрушения стекла. В этом случае применяют прямой воздушный холодильник. Шариковый и другие холодильники со сложной формой охлаждающей поверхности не применяют в качестве нисходящего, поскольку в них задерживается и смешивается большое количество конденсата.
К холодильнику для соединения его с приемником присоединяют алонж изогнутую трубку, предназначенную для удобства обращения с прибором:
возможности своевременного удаления фракций, точности попадания капель
31
ную колбу большого объема, хотя для этой цели используют также металлические колбы и парообразователи специальных конструкций. Колба должна быть снабжена отводной трубкой и предохранительной, доходящей почти до дна колбы. Предохранительная трубка предназначена для уравновешивания давления в колбе. Паропроводящая трубка должна быть снабжена отводом с зажимом для регулирования подачи пара в реакционную смесь и для выравнивания давления в приборе.
Во избежание переброса перегоняемой массы в приемник перегонную колбу устанавливают наклонно. Паропроводящая трубка должна доходить почти до дна колбы для максимально равномерного распределения пара в перегоняемой жидкости. Перегонную колбу, кроме обычного крепления в лапке, подпирают снизу кольцом перегонка с паром протекает бурно, и плохое крепление колбы может привести к ее разрушению.
При перегонке с водяным паром применяют эффективные холодильники, поскольку при конденсации большого количества пара приходится отводить большое количество тепла.
Перегонку обычно продолжают до тех пор, пока не прекратится отделение нерастворимого вводе продукта в виде маслянистых пятен. Если малорастворимый продукт все-таки образует разбавленный раствор, окончание перегонки приходится определять по отсутствию соединения в дистилляте какими-либо качественными реакциями.
Для прекращения перегонки сначала отсоединяют парообразователь,
и только потом его отключают, чтобы избежать попадания реакционной массы в парогенератор.
Все изложенные выше методы выделения соединений не являются окончательной стадией получения вещества.
Актом, завершающим длительный процесс синтеза, является очистка вещества.
Рис. 15. Прибор для перегонки с водяным паром пар регулятор подачи пара
32
Подавляющую часть органических реакций проводят в растворителях.
Кроме того, растворители широко применяют на этапах обработки реакционных смесей и очистки органических веществ. Поэтому при выделении целевых веществ возникает необходимость концентрирования их растворов,
для чего применяют различные методы отгонки растворителей.
При любых операциях, проводимых с растворами веществ в низкокипящих растворителях (диэтиловый эфир, сероуглерод, петролейный эфир, следует помнить, что работа сними требует чрезвычайной осторожности, так как эти растворители имеют очень низкую температуру вспышки и воспламеняются от соприкосновения не только с открытым пламенем, но даже с поверхностью, нагретой до 150—160 °С.
Удобнее всего в качестве растворителей пользоваться галогенопроизводными хлористым метиленом, хлороформом, четыреххлористым углеродом и др. Эти растворители негорючи и имеют низкие температуры кипения.
Однако по сравнению с петролейным эфиром и диэтиловым эфиром они более токсичны для человека и опасны для окружающей среды.
Наиболее быстрым, эффективными удобным методом удаления растворителей из растворов является упаривание с помощью вакуумного роторного испарителя (рис. 12). В лабораториях органической химии широко используют роторные испарители различных конструкций и производителей, например) или отечественные ИР-1М2.
Колба 1 с раствором соединяется посредством специального стеклянного приспособления 2, снабженного краном 4, приемником 5 (для отгоняемого растворителя) и эффективным обратным холодильником 6 (последний через верхний кран 3 присоединяется к вакуумному насосу. Снижение давления в роторном испарителе приводит к понижению температуры кипения растворителя, что увеличивает скорость и эффективность его отгонки.
Колба 1 помещается в баню 7 с нагретой водой и приводится во вращение мотором с редуктором 8, имеющим герметичное уплотнение. Скорость вращения колбы и температура бани регулируются блоком управления При вращении вакуумированной колбы на ее внутренней поверхности постоянно образуется тонкая пленка жидкости, а внешняя поверхность обогревается баней, что приводит к интенсивному испарению растворителя и снижает вспенивание остающейся жидкости. Таким образом, конструкция роторного испарителя существенно увеличивает скорость отгонки растворителя,
предохраняет раствор от перегрева и разложения растворенного вещества. Выделение жидких веществ
из реакционной массы
Выбор способа выделения жидкостей в значительной степени зависит от фазового состояния реакционной смеси. Если реакционная масса представляет собой суспензию, то жидкость сначала отделяют от осадка, который отбрасывают. Из жидких смесей продукт выделяют различными способами в зависимости от их взаимной растворимости. Различают три случая взаимной растворимости жидкостей. Жидкости смешивают друг с другом в любом соотношении. Жидкости ограниченно растворяют друг в друге. Жидкости взаимно нерастворимы.
В первом случае продукт можно выделить только перегонкой. В двух других случаях искомое вещество отделяют либо простым разделением с помощью делительной воронки, либо экстракцией, либо перегонкой с паром. При этом широко пользуются такими дополнительными методами, как высаливание и переохлаждение.
Рис. 12. Схема роторного испарителя — колбас раствором 2 — стеклянный корпус прибора 3 — вакуумный отвод — кран связи с атмосферой 5 — приемник для отгоняемого растворителя — обратный холодильник 7 — термостатируемая баня 8 — мотор с редуктором — блок управления
28
2.2.1. Перегонка
Перегонку используют для жидких смесей, в которых продукт реакции хорошо растворим и его невозможно выделить экстракцией. Метод основан на различии состава и его пара. Давление пара (р) над раствором двух жидкостей определяется их молярной концентрацией.
Эта зависимость выражается законом Рауля:
р = р + где р и р – парциальные давления компонентов n
1
и n
2
– их мольные доли.
Фактором, определяющим возможность разделения смеси, является относительная летучесть жидкостей (р
1
/р
2
). Пары смеси жидких веществ обогащены более легкокипящей компонентой, летучесть показывает степень обогащения газовой фазы более легколетучим компонентом.
При обычной (простой) перегонке жидкость переводят в парообразное состояние и затем конденсируют в другой части прибора. Перегонку применяют для разделения жидкостей, значительно отличающихся по летучести.
Таким образом, удается хорошо разделить жидкости, разница в температурах кипения которых составляет более 100 СВ тех случаях когда эта разница меньше, применяют повторную перегонку или ректификацию.
Стандартный прибор для простой перегонки состоит из перегонной колбы, холодильника с отводом (алонжем) и приемника (рис. 13, а).
В качестве перегонной колбы обычно используют колбу Вюрца, снабженную боковой трубкой для отвода паров. В горловину колбы вставляют пробку с термометром для определения температуры паров.
Для перегонки можно также пользоваться обычной колбой с насадкой
Вюрца (рис. 13, б. Если нет необходимости в определении температуры паров, пользуются обычным изогнутым отводом (рис. 13, в).
К отводу колбы или насадки присоединяют нисходящий (см. 1.3.3) холодильник для отходящих паров. Чаще всего для этого пользуются прямыми холодильниками (см. риса, поскольку конденсат в них не задерживается. Следует помнить о том, что холодильником Либиха можно пользоваться лишь для жидкостей, кипящих не выше 150 С. Перегонка высококипя- щих жидкостей приводит к возникновению внутренних напряжений вместе спая трубки и рубашки и разрушения стекла. В этом случае применяют прямой воздушный холодильник. Шариковый и другие холодильники со сложной формой охлаждающей поверхности не применяют в качестве нисходящего, поскольку в них задерживается и смешивается большое количество конденсата.
К холодильнику для соединения его с приемником присоединяют алонж изогнутую трубку, предназначенную для удобства обращения с прибором:
возможности своевременного удаления фракций, точности попадания капель
конденсата в приемники проч. В качестве приемника чаще всего используют колбу Эрленмейера, которую при перегонке летучих жидкостей иногда охлаждают водой или даже водой со льдом. При перегонке легковоспламеняющихся жидкостей приемник нужно герметично присоединить к холодильнику или алонжу (во избежание утечки паров) и обеспечить отвод паров. Для этого в качестве приемника используют колбу Вюрца, к отводной трубке которой присоединен резиновый шланг, по нему пары отводятся в безопасное место (рис. 14). Такой прибор используют, например, для отгонки диэтилового эфира.
Процесс перегонки выглядит следующим образом. В колбу Вюрца наливают жидкость ( = 0,66), добавляют несколько кипелок для обеспечения равномерного кипения и во избежание опасных перегревов. Колбу устанавливают не слишком высоко над нагревателем. В тоже время колбу нив коем случае нельзя устанавливать непосредственно на плиту, поскольку она может взорваться. Ее нагревание допустимо только при полностью собранном приборе, чтобы скорость падения капель конденсата (называемого в канализацию кипелки вода в рубашку холодильника
Рис. 13. Приборы для перегонки:
а — стандартный прибор б — насадка Вюрца;
в — прибор с изогнутым отводом
а
б
в
Процесс перегонки выглядит следующим образом. В колбу Вюрца наливают жидкость ( = 0,66), добавляют несколько кипелок для обеспечения равномерного кипения и во избежание опасных перегревов. Колбу устанавливают не слишком высоко над нагревателем. В тоже время колбу нив коем случае нельзя устанавливать непосредственно на плиту, поскольку она может взорваться. Ее нагревание допустимо только при полностью собранном приборе, чтобы скорость падения капель конденсата (называемого в канализацию кипелки вода в рубашку холодильника
Рис. 13. Приборы для перегонки:
а — стандартный прибор б — насадка Вюрца;
в — прибор с изогнутым отводом
а
б
в
дистиллятом) не превышала двух капель в секунду. При перегонке легковоспламеняющихся жидкостей нагревание перегонной колбы осуществляют кипятком без непосредственного участия электронагревателя во избежание взрыва паров эфира. Для отвода тяжелых паров эфира к приемной колбе присоединена трубка, спускающаяся до пола. Определение температуры отходящих паров определяют с помощью термометра, ртутный шарик которого установлен на 4—6 мм ниже отвода колбы Вюрца.
Чистое вещество перегоняется в пределах 1—2 С (допустимо 5—8 °С),
смесь веществ перегоняется в широком интервале температур.
По правилам техники безопасности недопустимо полностью перегонять жидкости. Перегонку прекращают, когда количество остатка в колбе (называемого кубом) составляет не менее 5 % объема колбы. Перегонка с водяным паром
Перегонку с водяным паром применяют в тех случаях, когда жидкости нерастворимы или частично смешиваются друг с другом. В этом случае закон Рауля неприменим и действует другое соотношение:
р = р + р
2
Таким образом, общая упругость паров р смеси больше, чем упругость паров каждого компонента, взятого в чистом виде, и величина р
крит
, при которой начинается кипение, наступает при более низкой температуре. Следовательно, смесь будет перегоняться при температуре ниже 100 С. Поэтому метод позволяет отделять жидкости, разлагающиеся при простой перегонке.
Прибор для перегонки с водяным паром, изображенный на рис. 15, состоит из генератора пара, паропроводящей трубки, перегонной колбы, холодильника, алонжа и приемника. Прибор имеет много общего с прибором для простой перегонки (см. риса, и потому мы не станем подробно комментировать конструкцию, а лишь остановимся на ее особенностях. Парогенератор (парообразователь) чаще всего представляет собой плоскодон-
Рис. 14. Прибор для отгонки легколетучих жидкостей
отвод
Чистое вещество перегоняется в пределах 1—2 С (допустимо 5—8 °С),
смесь веществ перегоняется в широком интервале температур.
По правилам техники безопасности недопустимо полностью перегонять жидкости. Перегонку прекращают, когда количество остатка в колбе (называемого кубом) составляет не менее 5 % объема колбы. Перегонка с водяным паром
Перегонку с водяным паром применяют в тех случаях, когда жидкости нерастворимы или частично смешиваются друг с другом. В этом случае закон Рауля неприменим и действует другое соотношение:
р = р + р
2
Таким образом, общая упругость паров р смеси больше, чем упругость паров каждого компонента, взятого в чистом виде, и величина р
крит
, при которой начинается кипение, наступает при более низкой температуре. Следовательно, смесь будет перегоняться при температуре ниже 100 С. Поэтому метод позволяет отделять жидкости, разлагающиеся при простой перегонке.
Прибор для перегонки с водяным паром, изображенный на рис. 15, состоит из генератора пара, паропроводящей трубки, перегонной колбы, холодильника, алонжа и приемника. Прибор имеет много общего с прибором для простой перегонки (см. риса, и потому мы не станем подробно комментировать конструкцию, а лишь остановимся на ее особенностях. Парогенератор (парообразователь) чаще всего представляет собой плоскодон-
Рис. 14. Прибор для отгонки легколетучих жидкостей
отвод
31
ную колбу большого объема, хотя для этой цели используют также металлические колбы и парообразователи специальных конструкций. Колба должна быть снабжена отводной трубкой и предохранительной, доходящей почти до дна колбы. Предохранительная трубка предназначена для уравновешивания давления в колбе. Паропроводящая трубка должна быть снабжена отводом с зажимом для регулирования подачи пара в реакционную смесь и для выравнивания давления в приборе.
Во избежание переброса перегоняемой массы в приемник перегонную колбу устанавливают наклонно. Паропроводящая трубка должна доходить почти до дна колбы для максимально равномерного распределения пара в перегоняемой жидкости. Перегонную колбу, кроме обычного крепления в лапке, подпирают снизу кольцом перегонка с паром протекает бурно, и плохое крепление колбы может привести к ее разрушению.
При перегонке с водяным паром применяют эффективные холодильники, поскольку при конденсации большого количества пара приходится отводить большое количество тепла.
Перегонку обычно продолжают до тех пор, пока не прекратится отделение нерастворимого вводе продукта в виде маслянистых пятен. Если малорастворимый продукт все-таки образует разбавленный раствор, окончание перегонки приходится определять по отсутствию соединения в дистилляте какими-либо качественными реакциями.
Для прекращения перегонки сначала отсоединяют парообразователь,
и только потом его отключают, чтобы избежать попадания реакционной массы в парогенератор.
Все изложенные выше методы выделения соединений не являются окончательной стадией получения вещества.
Актом, завершающим длительный процесс синтеза, является очистка вещества.
Рис. 15. Прибор для перегонки с водяным паром пар регулятор подачи пара
32
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2.3. Очистка твердых органических соединений.
Перекристаллизация
Наиболее часто применяемым методом очистки твердых веществ является перекристаллизация. Метод основан на различной растворимости соединений в растворителе при различных температурах. При кристаллизации вещество, как правило, необходимо растворить, подготовить раствор для кристаллизации (обесцветить, отделить нерастворимые примеси, отфильтровать полученные кристаллы и промыть их чистым растворителем.
Растворитель для кристаллизации выбирают, руководствуясь следующими основными принципами. Вещество должно очень ограниченно растворяться в нем при нормальных условиях (или при охлаждении) и хорошо растворяться при нагревании. Обычно растворимость веществ резко возрастает вблизи точки кипения, поэтому при перекристаллизации жидкость
всегда необходимо доводить до кипения. Растворимость примесей при этом должна быть либо очень хорошей, либо, наоборот, очень малой. В первом случае растворившиеся загрязнения не кристаллизуются из раствора, а во втором не растворяются и их можно удалить фильтрованием. Необходимо также помнить о том, что растворитель не должен химически взаимодействовать с продуктом.
Перекристаллизацию проводят в приборе, состоящем из колбы и обратного холодильника (см. рис. 8). К веществу, помещенному в колбу, приливают такое количество растворителя, чтобы образовалась так называемая кашицеобразная консистенция, вносят кипелки, присоединяют обратный холодильники доводят массу до кипения.
Если после минутного кипячения осадок не растворился, через форштосс холодильника добавляют небольшое количество растворителя и снова доводят смесь до кипения. Операцию повторяют до тех пор, пока вещество полностью не растворится в минимальном количестве растворителя. Если примеси остаются в осадке, нет необходимости добавлять слишком много растворителя. Не надо пытаться растворять механические примеси.
При необходимости раствор обесцвечивают, добавляя адсорбенты, обычно активированный уголь, для чего надо прекратить кипячение полученного раствора, добавив немного (2—5 % от массы продукта) угля и снова довести смесь до кипения.
Полученный кипящий раствор быстро фильтруют горячим через хорошо нагретую воронку Бюхнера. Если растворителем для перекристаллизации служит вода, воронку нагревают в бане с горячей водой. Необходимо помнить о том, что колба Бунзена, в которую собирают фильтрат, нетермостойка и приливание горячего раствора в сосуд, стоящий на холодном лабораторном столе, может привести к взрыву, влекущему за собой тяжелые последствия. Во избежание этого колбу термоизолируют, обматывая полотенцем.
Колбу с фильтратом оставляют охлаждаться, и после охлаждения отфильтровывают полученные кристаллы.
Перекристаллизация не единственный способ очистки твердых соединений. Для получения индивидуальных кристаллических соединений используют также сублимацию, кристаллизацию из расплава и хроматографию. Хроматография
Для качественного и количественного анализа смесей вещества также их препаративного разделения широко используют хроматографию. Хроматография является физическим методом разделения, при котором вещества,
подлежащие разделению, распределены между двумя фазами. Одна из этих фаз неподвижная, а другая — подвижная — фильтруется сквозь слой неподвижной фазы.
В качестве неподвижных фаз обычно выбирают твердые тела или жидкости, а в качестве подвижных фаз — газы или жидкости. В зависимости от применяемых фаз экспериментально реализуются четыре различных вида хроматографии, приведенные в табл. 2. По характеру сил, действующих между растворенными веществами и твердой или жидкой фазами,
с которыми они соприкасаются, различают следующие виды хроматографии:
адсорбционную, ионообменную, распределительную.
Газ
(хроматография газов)
Жидкость
Т а блица Основные хроматографические методы
НЕПОДВИЖНАЯ ФАЗА
Твердое вещество
(адсорбция)
Жидкость
(распределение)
ПОДВИЖНАЯ ФАЗА
Газораспределительная хроматография
Жидкостная распределительная хроматография
(хроматография на бумаге)
Газоадсорбционная хроматография
Жидкостная адсорбционная хроматография
(адсорбционная хроматография)
Эти процессы почти никогда не протекают изолированно. Наиболее часто в лабораторных исследованиях качественный анализ осуществляется с применением тонкослойной хроматографии, которая является разновидностью адсорбционной хроматографии
Хроматографические методы, в которых в качестве неподвижной фазы используется твердое тело, называют адсорбционной хроматографией, поскольку процессы на поверхностях твердых тел описываются уравнениями адсорбции Ленгмюра и Фрейндлиха. Если неподвижная фаза — жидкость,
то говорят о распределительной хроматографии, процессы в которой подчиняются законам Генри или Нернста.
В случае газообразной подвижной фазы, в зависимости от природы неподвижной фазы, говорят о газоадсорбционной или газораспределительной хроматографии если подвижная фаза — жидкость, то говорят о жидкостной адсорбционной или жидкостной распределительной хроматографии.
К жидкостной адсорбционной хроматографии относятся адсорбционная хроматография, тонкослойная хроматография и аналогичные методы. Российский ботаник МС. Цвет в 1905—1906 гг. успешно использовал хроматографию в колонках, заполненных твердым адсорбентом, для разделения растительных красителей.
К жидкостной распределительной хроматографии относится, например,
хроматография на бумаге.
В бумажной хроматографии носителем служит фильтровальная бумага,
неподвижной фазой — вода, содержащаяся в фильтровальной бумаге, подвижной фазой — растворитель.
Объединенные под общим названием хроматография газов газоадсорб- ционная и газораспределительная виды хроматографии осуществляются также, как и хроматография по Цвету, в разделительных колонках, заполненных твердым адсорбентом или твердым носителем, пропитанным жидкостью
(рис. Рис. 16. Распределение адсорбционных полос при проведении адсорбционной хроматографии по методу Цвета:
а – компоненты смеси веществ 1—3 на колонке до проявления хроматограммы;
б – компоненты смеси 1—3 на колонке после проявления хроматограммы смесь неподвижная фаза неподвижное вещество подвижное вещество
а
б
то говорят о распределительной хроматографии, процессы в которой подчиняются законам Генри или Нернста.
В случае газообразной подвижной фазы, в зависимости от природы неподвижной фазы, говорят о газоадсорбционной или газораспределительной хроматографии если подвижная фаза — жидкость, то говорят о жидкостной адсорбционной или жидкостной распределительной хроматографии.
К жидкостной адсорбционной хроматографии относятся адсорбционная хроматография, тонкослойная хроматография и аналогичные методы. Российский ботаник МС. Цвет в 1905—1906 гг. успешно использовал хроматографию в колонках, заполненных твердым адсорбентом, для разделения растительных красителей.
К жидкостной распределительной хроматографии относится, например,
хроматография на бумаге.
В бумажной хроматографии носителем служит фильтровальная бумага,
неподвижной фазой — вода, содержащаяся в фильтровальной бумаге, подвижной фазой — растворитель.
Объединенные под общим названием хроматография газов газоадсорб- ционная и газораспределительная виды хроматографии осуществляются также, как и хроматография по Цвету, в разделительных колонках, заполненных твердым адсорбентом или твердым носителем, пропитанным жидкостью
(рис. Рис. 16. Распределение адсорбционных полос при проведении адсорбционной хроматографии по методу Цвета:
а – компоненты смеси веществ 1—3 на колонке до проявления хроматограммы;
б – компоненты смеси 1—3 на колонке после проявления хроматограммы смесь неподвижная фаза неподвижное вещество подвижное вещество
а
б
Метод газовой хроматографии пригоден для разделения газов, а также жидких или твердых веществ, которые могут быть превращены в пар без разложения. Разделяемые вещества в виде пара перемещаются подвижной фазой (газом) через слой неподвижной фазы.
В зависимости от сродства к неподвижной фазе вещества в той или иной степени удерживаются ею и появляются на выходе из колонки в разное время.
Хроматографию можно сравнить с фракционной перегонкой в колонке с большим числом теоретических тарелок. Для каждого вещества устанавливается свое равновесие между концентрацией в подвижной и неподвижной фазе, характеризующееся коэффициентом распределения. При протекании подвижной фазы через тончайшие слои неподвижной фазы процесс установления равновесия многократно повторяется — так, что даже при незначительной разнице в положениях равновесия отдельных компонентов он приводит к заметному их разделению. Тонкослойная хроматография
Для решения различных аналитических задач, возникающих при проведении химических процессов, наибольшее распространение получили методы тонкослойной, газовой и жидкостной хроматографии, в которых подвижной фазой является жидкий элюент или газ-носитель с введенной в него пробой разделяемых компонентов, а неподвижной — твердая или жидкая фаза.
Тонкослойная хроматография (ТСХ) применяется для решения следующих основных задач качественного контроля за протеканием химических реакций качественного определения чистоты веществ определения идентичности веществ сравнением хроматографических характеристик анализируемых соединений с известными веществами.
При проведении адсорбционной тонкослойной хроматографии на пластинках в качестве неподвижной фазы используют твердые адсорбенты (оксид алюминия, силикагель и др. Подвижной фазой является растворитель.
При выборе адсорбентов учитывают их адсорбционную активность, которая убывает в следующем ряду активированный уголь силикагель кислотный оксид алюминия основной оксид алюминия порошок целлюлозы.
Адсорбция вещества зависит от характера функциональных групп в молекуле, количества кратных связей, числа ароматических ядер и гетероциклов, дипольного момента, способности молекулы поляризоваться и т. д.
На основании многих работ установлен ряд функциональных групп, увеличивающих адсорбционную способность вещества на оксиде алюминия < Н < ОСН < NO
2
< N(CH
3
)
2
< СОСН < NHCOCH
3
< NH
2
< ОН < CONH
2
<
< СО
2
Н.
Этот функциональный ряд справедлив только для веществ, имеющих одинаковую углеводородную основу
В зависимости от сродства к неподвижной фазе вещества в той или иной степени удерживаются ею и появляются на выходе из колонки в разное время.
Хроматографию можно сравнить с фракционной перегонкой в колонке с большим числом теоретических тарелок. Для каждого вещества устанавливается свое равновесие между концентрацией в подвижной и неподвижной фазе, характеризующееся коэффициентом распределения. При протекании подвижной фазы через тончайшие слои неподвижной фазы процесс установления равновесия многократно повторяется — так, что даже при незначительной разнице в положениях равновесия отдельных компонентов он приводит к заметному их разделению. Тонкослойная хроматография
Для решения различных аналитических задач, возникающих при проведении химических процессов, наибольшее распространение получили методы тонкослойной, газовой и жидкостной хроматографии, в которых подвижной фазой является жидкий элюент или газ-носитель с введенной в него пробой разделяемых компонентов, а неподвижной — твердая или жидкая фаза.
Тонкослойная хроматография (ТСХ) применяется для решения следующих основных задач качественного контроля за протеканием химических реакций качественного определения чистоты веществ определения идентичности веществ сравнением хроматографических характеристик анализируемых соединений с известными веществами.
При проведении адсорбционной тонкослойной хроматографии на пластинках в качестве неподвижной фазы используют твердые адсорбенты (оксид алюминия, силикагель и др. Подвижной фазой является растворитель.
При выборе адсорбентов учитывают их адсорбционную активность, которая убывает в следующем ряду активированный уголь силикагель кислотный оксид алюминия основной оксид алюминия порошок целлюлозы.
Адсорбция вещества зависит от характера функциональных групп в молекуле, количества кратных связей, числа ароматических ядер и гетероциклов, дипольного момента, способности молекулы поляризоваться и т. д.
На основании многих работ установлен ряд функциональных групп, увеличивающих адсорбционную способность вещества на оксиде алюминия < Н < ОСН < NO
2
< N(CH
3
)
2
< СОСН < NHCOCH
3
< NH
2
< ОН < CONH
2
<
< СО
2
Н.
Этот функциональный ряд справедлив только для веществ, имеющих одинаковую углеводородную основу
Выбор растворителей для хроматографии определяется по их влиянию на степень адсорбции. В случаях когда степени адсорбции вещества и растворителя близки, происходит вытеснение адсорбированного вещества молекулами растворителя и степень адсорбции вещества понижается. Поэтому растворитель, который удерживается адсорбентом прочнее, чем адсорбированное на нем вещество, может быть использован в качестве элюента.
Все применяемые для хроматографии растворители располагают в соответствии с увеличивающейся адсорбцией на полярных адсорбентах в элюо- тропный ряд петролейный эфир < четыреххлористый углерод < бензол <
< хлороформ < диэтиловый эфир < этилацетат < пропиловый спирт < этиловый спирт < метиловый спирт < аммиак < вода.
При выборе растворителя для ТСХ исходят из следующих положений) все вещества разделяемой смеси должны растворяться в выбранном растворителе) необходимо, чтобы растворитель имел адсорбционные свойства, близкие к адсорбционным свойствам разделяемых веществ, так, чтобы на выбранном адсорбенте вещества адсорбировались не слишком сильно и не слишком слабо.
Если растворитель имеет степень адсорбции меньшую, чему компонентов разделяемой смеси, вся смесь адсорбируется в нижней части пластины и ее не удается разделить. Во втором, наоборот, растворитель вытесняет компоненты смеси с поверхности адсорбента, они не задерживаются на пластинке и, не разделяясь, движутся с фронтом растворителя. При оптимально подобранном растворителе вещества десорбируются с поверхности адсорбента со средней скоростью и при проявлении хроматограммы располагаются в ее средней части (проявлением хроматограммы называется разделение веществ на адсорбенте в процессе перемещения движущимся растворителем) при разделении веществ сочень близкими адсорбционными свойствами часто употребляют смеси двух растворителей, занимающих соседние положения в элюотропном ряду. Прибавлять более полярный растворитель к менее полярному рекомендуется сначала в небольшом количестве (1—2 постепенно увеличивая при необходимости его количество до 50 Обычно в хроматографии используют далеко не все растворители, перечисленные в элюотропном ряду, а значительно меньшее число, образующее сокращенный элюотропный ряд, например петролейный эфир < хлороформ <
< этилацетат < метанол < аммиак.
При проявлении хроматограммы растворитель движется сквозь неподвижный адсорбент, что ведет к разделению анализируемых веществ. После этого разделяемые вещества обнаруживаются при помощи соответствующих способов в виде отдельных пятен (рис. Отношение расстояния (a), пройденного веществом от линии старта до середины пятна, к расстоянию (c) — перемещению фронта растворителя обозначается как величина R
f
(ratio of front), характеризующая положение вещества на данной хроматограмме (рис. 17). Величина R
f
(A) = характерна для данного соединения на данном сорбенте ив данной системе, однако она зависит отряда условий адсорбционной способности самого вещества, качества и активности адсорбента, толщины его слоя, качества растворителей, количества нанесенного вещества. Для идентификации веществ при определении R
f
применяют вещества-свидетели известного строения.
На пластинке вместе с разделяемой смесью веществ хроматографиру- ют известные вещества-свидетели, при этом одинаковые вещества имеют одно и тоже значение R
f
. Следует, однако, иметь ввиду, что иногда соединения различного состава и строения имеют одинаковые R
f
. Таким образом,
идентичность значений R
f
водной системе не является достаточным условием для решения вопроса об идентичности веществ.
Наибольшее распространение для проведения тонкослойной хроматографии получили готовые пластинки Silufol UV-254(366), Sorbifol, Merk Основой пластинок служит алюминиевая фольга, сорбентом — силикагель с люминесцентным индикатором, связывающим веществом — крахмал.
Важно, чтобы анализируемое вещество, или смесь веществ, было сконцентрировано в небольшом по размеру (не более 2—3 мм) пятне на старте,
так как вещества плохо разделяются, если они нанесены на адсорбент в виде пятен большого размера.
Хроматография называется восходящей, если растворитель поступает на пластинку снизу вверх под действием капиллярных сил. Проявление смеси веществ проводят в подходящем по размеру стеклянном стакане
(рис. 18). Приготовленную пластинку опускают нижним краем в растворитель на 5—7 мм и закрывают стакан стеклянной крышкой, чтобы предохранить растворитель от испарения. После того как растворитель поднимется почти до верхнего края пластинки, ее вынимают и отмечают положение фронта растворителя.
Рис. 17. Распределение смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента, 2 — индивидуальные вещества 3 — смесь веществ
(A) = (с Б) = (b/с)
A
Б
A
Б
c
a
b
Все применяемые для хроматографии растворители располагают в соответствии с увеличивающейся адсорбцией на полярных адсорбентах в элюо- тропный ряд петролейный эфир < четыреххлористый углерод < бензол <
< хлороформ < диэтиловый эфир < этилацетат < пропиловый спирт < этиловый спирт < метиловый спирт < аммиак < вода.
При выборе растворителя для ТСХ исходят из следующих положений) все вещества разделяемой смеси должны растворяться в выбранном растворителе) необходимо, чтобы растворитель имел адсорбционные свойства, близкие к адсорбционным свойствам разделяемых веществ, так, чтобы на выбранном адсорбенте вещества адсорбировались не слишком сильно и не слишком слабо.
Если растворитель имеет степень адсорбции меньшую, чему компонентов разделяемой смеси, вся смесь адсорбируется в нижней части пластины и ее не удается разделить. Во втором, наоборот, растворитель вытесняет компоненты смеси с поверхности адсорбента, они не задерживаются на пластинке и, не разделяясь, движутся с фронтом растворителя. При оптимально подобранном растворителе вещества десорбируются с поверхности адсорбента со средней скоростью и при проявлении хроматограммы располагаются в ее средней части (проявлением хроматограммы называется разделение веществ на адсорбенте в процессе перемещения движущимся растворителем) при разделении веществ сочень близкими адсорбционными свойствами часто употребляют смеси двух растворителей, занимающих соседние положения в элюотропном ряду. Прибавлять более полярный растворитель к менее полярному рекомендуется сначала в небольшом количестве (1—2 постепенно увеличивая при необходимости его количество до 50 Обычно в хроматографии используют далеко не все растворители, перечисленные в элюотропном ряду, а значительно меньшее число, образующее сокращенный элюотропный ряд, например петролейный эфир < хлороформ <
< этилацетат < метанол < аммиак.
При проявлении хроматограммы растворитель движется сквозь неподвижный адсорбент, что ведет к разделению анализируемых веществ. После этого разделяемые вещества обнаруживаются при помощи соответствующих способов в виде отдельных пятен (рис. Отношение расстояния (a), пройденного веществом от линии старта до середины пятна, к расстоянию (c) — перемещению фронта растворителя обозначается как величина R
f
(ratio of front), характеризующая положение вещества на данной хроматограмме (рис. 17). Величина R
f
(A) = характерна для данного соединения на данном сорбенте ив данной системе, однако она зависит отряда условий адсорбционной способности самого вещества, качества и активности адсорбента, толщины его слоя, качества растворителей, количества нанесенного вещества. Для идентификации веществ при определении R
f
применяют вещества-свидетели известного строения.
На пластинке вместе с разделяемой смесью веществ хроматографиру- ют известные вещества-свидетели, при этом одинаковые вещества имеют одно и тоже значение R
f
. Следует, однако, иметь ввиду, что иногда соединения различного состава и строения имеют одинаковые R
f
. Таким образом,
идентичность значений R
f
водной системе не является достаточным условием для решения вопроса об идентичности веществ.
Наибольшее распространение для проведения тонкослойной хроматографии получили готовые пластинки Silufol UV-254(366), Sorbifol, Merk Основой пластинок служит алюминиевая фольга, сорбентом — силикагель с люминесцентным индикатором, связывающим веществом — крахмал.
Важно, чтобы анализируемое вещество, или смесь веществ, было сконцентрировано в небольшом по размеру (не более 2—3 мм) пятне на старте,
так как вещества плохо разделяются, если они нанесены на адсорбент в виде пятен большого размера.
Хроматография называется восходящей, если растворитель поступает на пластинку снизу вверх под действием капиллярных сил. Проявление смеси веществ проводят в подходящем по размеру стеклянном стакане
(рис. 18). Приготовленную пластинку опускают нижним краем в растворитель на 5—7 мм и закрывают стакан стеклянной крышкой, чтобы предохранить растворитель от испарения. После того как растворитель поднимется почти до верхнего края пластинки, ее вынимают и отмечают положение фронта растворителя.
Рис. 17. Распределение смеси веществ на пластинке с тонким слоем сорбента, 2 — индивидуальные вещества 3 — смесь веществ
(A) = (с Б) = (b/с)
A
Б
A
Б
c
a
b
Для выбора подходящего растворителя проявление начинают с использования наименее полярного растворителя — петролейного эфира. Если в нем вещества остаются на старте, переходят к четыреххлористому углероду, если в четыреххлористом углероде вещества уходят к линии фронта, следует попробовать смесь четыреххлористого углерода с петролейным эфиром. В случае недостаточной полярности четыреххлористого углерода следует перейти к более полярным растворителям элюотропного ряда — хлороформу или этилацетату либо их смесям с петролейным эфиром. Таким путем добиваются получения хроматограммы, на которой пятна всех разделенных веществ расположены в средней части пластины, те. со значениями R
f
в интервале (см. рис. уровень элюента
Рис. 18. Стакан для проведения тонкослойной хроматографии стартовая линия
На рис. 19 показаны хроматограммы разделения смеси анилина и нитробензола в присутствии веществ-свидетелей. Лучшее разделение наблюдается при проявлении хроматограммы бензолом (рис. 19, в. При проявлении эфиром вещества уходят к фронту без разделения, а при проявлении петролейным эфиром остаются на старте (риса, б).
Для обнаружения на хроматограмме бесцветных веществ пользуются физическими (как правило, основанными на оптических свойствах веществ)
и химическими методами. Вещества, поглощающие в УФ-области спектра,
при облучении пластинки УФ-светом (например, лампой УФО-245) обнаруживаются в виде характерных пятен.
Многие органические вещества успешно проявляют парами йода,
под действием которых образуются темные или светлые пятна в местах нахождения этих веществ. Этот метод особенно рекомендуется для определения ненасыщенных соединений. Обнаружение веществ парами йода производят следующим образом. Проявленную пластинку высушивают на воздухе или в сушильном шкафу и помещают в эксикатор с кристаллами йода.
Через 10—15 мин пластинку вынимают и оставляют на воздухе до испарения избытка йода. При этом на светлом фоне образуются окрашенные пятна веществ. Широко распространено обнаружение пятен веществ опрыскиванием пластинки из пульверизатора какими-либо реагентами, дающими цветные реакции с разделяемыми веществами. Например, 2,4-динитрофенил- гидразин используют для определения альдегидов и кетонов, нингидрин для проявления аминов, 4-диметиламинобензальдегид используется для производных индола, смесь дихромата натрия с серной кислой или раствор перманганата калия являются универсальными реагентами.
Для количественного анализа в лаборатории применяют газовую, жидкостную и тонкослойную хроматографии. Тонкослойная хроматография в настоящее время сравнительно редко используется для количественного анализа. Более эффективны в решении подобных задач автоматические газожидкостные (ГЖХ) и высокоэффективные жидкостные хроматографы
(ВЭЖХ), позволяющие быстро и точно проанализировать состав смесей веществ всех классов. Препаративная колоночная хроматография
Препаративная колоночная хроматография применяется для разделения смесей веществ в количестве от нескольких миллиграммов до нескольких десятков граммов. Все перечисленные в предыдущих разделах виды хроматографии, а также разделение в хроматографических колонках могут быть использованы для решения препаративных задач. Наибольшее распространение для препаративного разделения смесей органических веществ
Рис. 19. Хроматограммы подбора элюента для разделения на оксиде алюминия смеси нитробензола и анилина. Для проявления использовали:
эфир (а петролейный эфир (б бензол ванилин нитробензол 3 — смесь нитробензола и анилина 2
3 1
2 3
1 2
3
а
б
в
f
в интервале (см. рис. уровень элюента
Рис. 18. Стакан для проведения тонкослойной хроматографии стартовая линия
На рис. 19 показаны хроматограммы разделения смеси анилина и нитробензола в присутствии веществ-свидетелей. Лучшее разделение наблюдается при проявлении хроматограммы бензолом (рис. 19, в. При проявлении эфиром вещества уходят к фронту без разделения, а при проявлении петролейным эфиром остаются на старте (риса, б).
Для обнаружения на хроматограмме бесцветных веществ пользуются физическими (как правило, основанными на оптических свойствах веществ)
и химическими методами. Вещества, поглощающие в УФ-области спектра,
при облучении пластинки УФ-светом (например, лампой УФО-245) обнаруживаются в виде характерных пятен.
Многие органические вещества успешно проявляют парами йода,
под действием которых образуются темные или светлые пятна в местах нахождения этих веществ. Этот метод особенно рекомендуется для определения ненасыщенных соединений. Обнаружение веществ парами йода производят следующим образом. Проявленную пластинку высушивают на воздухе или в сушильном шкафу и помещают в эксикатор с кристаллами йода.
Через 10—15 мин пластинку вынимают и оставляют на воздухе до испарения избытка йода. При этом на светлом фоне образуются окрашенные пятна веществ. Широко распространено обнаружение пятен веществ опрыскиванием пластинки из пульверизатора какими-либо реагентами, дающими цветные реакции с разделяемыми веществами. Например, 2,4-динитрофенил- гидразин используют для определения альдегидов и кетонов, нингидрин для проявления аминов, 4-диметиламинобензальдегид используется для производных индола, смесь дихромата натрия с серной кислой или раствор перманганата калия являются универсальными реагентами.
Для количественного анализа в лаборатории применяют газовую, жидкостную и тонкослойную хроматографии. Тонкослойная хроматография в настоящее время сравнительно редко используется для количественного анализа. Более эффективны в решении подобных задач автоматические газожидкостные (ГЖХ) и высокоэффективные жидкостные хроматографы
(ВЭЖХ), позволяющие быстро и точно проанализировать состав смесей веществ всех классов. Препаративная колоночная хроматография
Препаративная колоночная хроматография применяется для разделения смесей веществ в количестве от нескольких миллиграммов до нескольких десятков граммов. Все перечисленные в предыдущих разделах виды хроматографии, а также разделение в хроматографических колонках могут быть использованы для решения препаративных задач. Наибольшее распространение для препаративного разделения смесей органических веществ
Рис. 19. Хроматограммы подбора элюента для разделения на оксиде алюминия смеси нитробензола и анилина. Для проявления использовали:
эфир (а петролейный эфир (б бензол ванилин нитробензол 3 — смесь нитробензола и анилина 2
3 1
2 3
1 2
3
а
б
в
получила колоночная жидкостно-адсорбционная хроматография. Этот метод, по сути, является на сегодня единственным действительно универсальным хроматографическим методом, имеющимся в арсенале химиков-син- тетиков, для эффективного разделения многокомпонентных смесей. Обычно разделение смеси проводится в стеклянной колонке, заполненной пористым адсорбентом, через который под действием силы тяжести или избыточного давления (флэш-хроматография) протекает подвижная фаза (элюент).
Разделяемая смесь вносится в верхнюю часть колонки, где сорбируется твердой неподвижной фазой (рис. 20). Через колонку пропускается элюент, и из-за различия в сорбции веществ смесь постепенно разделяется на отдельные компоненты (полосы. Сильно адсорбирующиеся полярные вещества (например,
карбоновые кислоты, амины, спирты) продвигаются по колонке медленнее, чем менее полярные (например, углеводороды или галогенопроизводные. После выхода из колонки раствор с компонентами смеси (элюат) порциями
(фракциями) собирается в отдельные приемники. Фракции анализируются с помощью ТСХ.
Имеющие близкий состав объединяются, и после удаления растворителя из них выделяют индивидуальные компоненты смеси.
При проведении колоночной хроматографии следует точно измерить количество смеси перед внесением в колонку и определить массу всех выделенных из фракций компонентов. Это позволит не только точно узнать отдельные соединения в разделяемой смеси, но и проконтролировать выход всех компонентов из хроматографической колонки с учетом потери веществ с высокой адсорбционной способностью, оставшихся в колонке.
Скорость движения компонентов по колонке и эффективность разделения зависят от полярности элюента, пропускаемого через слой адсорбента. Часто для оптимизации разделения смеси и выделения всех компонентов при хро- матографировании используют переменный (градиентный) состав элюента с возрастающей полярностью.
Разработано несколько эффективных вариантов колоночной хроматографии, различающихся по способу элюирования и методам внесения разделяемой смеси. Простейшим вариантом хроматографического разделения явля-
Рис. 20. Колоночная хроматография с гравитационным элюированием компоненты смеси фракции
41
ется гравитационное элюирование, показанное на рис. 20. В этом варианте хроматографии элюент, пропускаемый через колонку, течет под действием силы тяжести. Если колонка имеет высокий слой сорбента или сорбент имеет маленький размер частиц, скорость движения элюента, как правило, невысока. Разделение смеси веществ в этом случае может занять от нескольких часов до нескольких дней. В последние годы широкое распространение для препаративного разделения смесей органических веществ получили различные варианты флэш-хроматографии, в которых для увеличения скорости элюирования применяют избыточное давление или вакуумирование приемника. Эти варианты имеют сопоставимую с обычным гравитационным элюированием разделяющую способность, но превосходят по эффективности из-за существенно меньших затрат времени.
В большинстве лабораторных методик указываются тип сорбента, его количество и элюирующий растворитель, однако в исследовательской работе синтетику приходится самостоятельно подбирать условия хроматографического разделения смеси. Перед началом хроматографического разделения всегда следует проводить предварительный анализ смеси методом ТСХ
в различных условиях, включая варьирование сорбента и состава элюента.
Это позволяет определить число компонентов в разделяемой смеси, их хроматографическую подвижность, подобрать сорбент и элюирующий растворитель для оптимального разделения. Как правило, информацией, полученной на основе ТСХ, руководствуются при выборе условий для препаративного разделения. Важнейшей целью предварительного ТСХ-анализа является подбор подходящего элюента, поскольку это решающий фактор, обусловливающий эффективность хроматографического разделения. Элюент подбирают,
выбирая подходящий чистый растворитель из элюотропного ряда или варьируя соотношение двух различных по полярности растворителей так, чтобы целевое соединение или самый подвижный компонент в смеси имел значение коэффициента удерживания R
f
в диапазоне 0,15—0,25. Наиболее часто для элюирования соединений со слабой адсорбционной способностью используют смеси петролейного эфира с хлористым метиленом, хлороформом,
диэтиловым эфиром или этилацетатом, для более полярных веществ применяют смесь «хлороформ—метанол», а для веществ с высокой адсорбционной способностью, например алкиламинов, применяют системы «ацетон—
аммиак» или «хлороформ—метанол—аммиак».
Первоначально готовят хроматографическую колонку. В качестве колонок используют стеклянные трубки подходящего диаметра и длины, желательно снабженные в нижней части краном и стандартным шлифом вверх- ней части. Для удержания адсорбента колонки имеют в нижней части пористый фильтра при его отсутствии для этих целей используют уплотненный слой ваты. Диаметр и длину колонки выбирают в соответствии с решаемой задачей. Так, если компоненты смеси имеют близкие значения R
f
, то для ее
Разделяемая смесь вносится в верхнюю часть колонки, где сорбируется твердой неподвижной фазой (рис. 20). Через колонку пропускается элюент, и из-за различия в сорбции веществ смесь постепенно разделяется на отдельные компоненты (полосы. Сильно адсорбирующиеся полярные вещества (например,
карбоновые кислоты, амины, спирты) продвигаются по колонке медленнее, чем менее полярные (например, углеводороды или галогенопроизводные. После выхода из колонки раствор с компонентами смеси (элюат) порциями
(фракциями) собирается в отдельные приемники. Фракции анализируются с помощью ТСХ.
Имеющие близкий состав объединяются, и после удаления растворителя из них выделяют индивидуальные компоненты смеси.
При проведении колоночной хроматографии следует точно измерить количество смеси перед внесением в колонку и определить массу всех выделенных из фракций компонентов. Это позволит не только точно узнать отдельные соединения в разделяемой смеси, но и проконтролировать выход всех компонентов из хроматографической колонки с учетом потери веществ с высокой адсорбционной способностью, оставшихся в колонке.
Скорость движения компонентов по колонке и эффективность разделения зависят от полярности элюента, пропускаемого через слой адсорбента. Часто для оптимизации разделения смеси и выделения всех компонентов при хро- матографировании используют переменный (градиентный) состав элюента с возрастающей полярностью.
Разработано несколько эффективных вариантов колоночной хроматографии, различающихся по способу элюирования и методам внесения разделяемой смеси. Простейшим вариантом хроматографического разделения явля-
Рис. 20. Колоночная хроматография с гравитационным элюированием компоненты смеси фракции
41
ется гравитационное элюирование, показанное на рис. 20. В этом варианте хроматографии элюент, пропускаемый через колонку, течет под действием силы тяжести. Если колонка имеет высокий слой сорбента или сорбент имеет маленький размер частиц, скорость движения элюента, как правило, невысока. Разделение смеси веществ в этом случае может занять от нескольких часов до нескольких дней. В последние годы широкое распространение для препаративного разделения смесей органических веществ получили различные варианты флэш-хроматографии, в которых для увеличения скорости элюирования применяют избыточное давление или вакуумирование приемника. Эти варианты имеют сопоставимую с обычным гравитационным элюированием разделяющую способность, но превосходят по эффективности из-за существенно меньших затрат времени.
В большинстве лабораторных методик указываются тип сорбента, его количество и элюирующий растворитель, однако в исследовательской работе синтетику приходится самостоятельно подбирать условия хроматографического разделения смеси. Перед началом хроматографического разделения всегда следует проводить предварительный анализ смеси методом ТСХ
в различных условиях, включая варьирование сорбента и состава элюента.
Это позволяет определить число компонентов в разделяемой смеси, их хроматографическую подвижность, подобрать сорбент и элюирующий растворитель для оптимального разделения. Как правило, информацией, полученной на основе ТСХ, руководствуются при выборе условий для препаративного разделения. Важнейшей целью предварительного ТСХ-анализа является подбор подходящего элюента, поскольку это решающий фактор, обусловливающий эффективность хроматографического разделения. Элюент подбирают,
выбирая подходящий чистый растворитель из элюотропного ряда или варьируя соотношение двух различных по полярности растворителей так, чтобы целевое соединение или самый подвижный компонент в смеси имел значение коэффициента удерживания R
f
в диапазоне 0,15—0,25. Наиболее часто для элюирования соединений со слабой адсорбционной способностью используют смеси петролейного эфира с хлористым метиленом, хлороформом,
диэтиловым эфиром или этилацетатом, для более полярных веществ применяют смесь «хлороформ—метанол», а для веществ с высокой адсорбционной способностью, например алкиламинов, применяют системы «ацетон—
аммиак» или «хлороформ—метанол—аммиак».
Первоначально готовят хроматографическую колонку. В качестве колонок используют стеклянные трубки подходящего диаметра и длины, желательно снабженные в нижней части краном и стандартным шлифом вверх- ней части. Для удержания адсорбента колонки имеют в нижней части пористый фильтра при его отсутствии для этих целей используют уплотненный слой ваты. Диаметр и длину колонки выбирают в соответствии с решаемой задачей. Так, если компоненты смеси имеют близкие значения R
f
, то для ее
разделения следует использовать более длинные и узкие колонки, а если целевое вещество требуется отделить от хроматографически неподвижных примесей, например смол, лучше применять более широкую и короткую колонку.
Ориентировочно для разделения 50—100 мг смеси обычно берут колонку диаметром около 1 см, для 0,5—1,0 г смеси выбирают колонку около см, а для 2—3 г — колонку диаметром 4—5 см.
В качестве неподвижной фазы используют сорбенты с размером частиц мкм, чаще всего силикагель (например, марки Кизельгель
Мерк 60). Реже применяют различные оксиды алюминия или целлюлозу.
Увеличение размера частиц сорбента позволяет ускорить движение элюента, при этом, однако, может существенно снижаться эффективность хроматографического разделения. Количество и размер частиц используемого сорбента, как правило, определяются его доступностью, сложностью решаемой задачи и массой разделяемой смеси. В среднем на 1 часть разделяемой смеси берется 20—50 массовых частей сорбента. Для разделения смеси веществ с близкой хроматографической подвижностью используют большее количество сорбента, поэтому в некоторых случаях сорбент берут в стократном избытке. Необходимое количество сорбента суспендируют в достаточном объеме подобранного поданным ТСХ элюента, и суспензию осторожно вливают в вертикально закрепленную колонку. Адсорбент должен осесть ровным слоем, желательно безвоздушных пузырьков, для чего по колонке осторожно постукивают деревянным брусочком. После того как адсорбент осел, следует дождаться, когда большая часть элюента стечет в приемник чтобы не допустить осушки слоя адсорбента, закрывают кран колонки, когда столбик элюента над слоем сорбента достигнет 1—2 см.
При работе с хроматографическими сорбентами следует соблюдать меры предосторожности, поскольку вдыхание пыли сорбентов вызывает развитие легочных болезней, например, силикоза. Все операции по пересыпанию сорбентов и наполнению ими колонок следует проводить в вытяжном шкафу, используя для защиты от пыли сорбентов респиратор или маску. Кроме того, колоночную хроматографию лучше проводить в вытяжном шкафу, поскольку растворители, используемые для элюирования, токсичны и огнеопасны. При отсутствии у хроматографической колонки крана поток элюента можно остановить, закрыв верхний шлиф колонки подходящей пробкой.
Часто для предохранения верхнего слоя сорбента от взмучивания его покрывают диском из фильтровальной бумаги или засыпают небольшим слоем кварцевого песка.
После подготовки хроматографической колонки в нее, на верхний слой адсорбента, вносят разделяемую смесь. Для этого готовят концентрированный) раствор разделяемой смеси в элюирующем растворителе и осторожно, пипеткой, не допуская взмучивания адсорбента, вносят раствор
Ориентировочно для разделения 50—100 мг смеси обычно берут колонку диаметром около 1 см, для 0,5—1,0 г смеси выбирают колонку около см, а для 2—3 г — колонку диаметром 4—5 см.
В качестве неподвижной фазы используют сорбенты с размером частиц мкм, чаще всего силикагель (например, марки Кизельгель
Мерк 60). Реже применяют различные оксиды алюминия или целлюлозу.
Увеличение размера частиц сорбента позволяет ускорить движение элюента, при этом, однако, может существенно снижаться эффективность хроматографического разделения. Количество и размер частиц используемого сорбента, как правило, определяются его доступностью, сложностью решаемой задачи и массой разделяемой смеси. В среднем на 1 часть разделяемой смеси берется 20—50 массовых частей сорбента. Для разделения смеси веществ с близкой хроматографической подвижностью используют большее количество сорбента, поэтому в некоторых случаях сорбент берут в стократном избытке. Необходимое количество сорбента суспендируют в достаточном объеме подобранного поданным ТСХ элюента, и суспензию осторожно вливают в вертикально закрепленную колонку. Адсорбент должен осесть ровным слоем, желательно безвоздушных пузырьков, для чего по колонке осторожно постукивают деревянным брусочком. После того как адсорбент осел, следует дождаться, когда большая часть элюента стечет в приемник чтобы не допустить осушки слоя адсорбента, закрывают кран колонки, когда столбик элюента над слоем сорбента достигнет 1—2 см.
При работе с хроматографическими сорбентами следует соблюдать меры предосторожности, поскольку вдыхание пыли сорбентов вызывает развитие легочных болезней, например, силикоза. Все операции по пересыпанию сорбентов и наполнению ими колонок следует проводить в вытяжном шкафу, используя для защиты от пыли сорбентов респиратор или маску. Кроме того, колоночную хроматографию лучше проводить в вытяжном шкафу, поскольку растворители, используемые для элюирования, токсичны и огнеопасны. При отсутствии у хроматографической колонки крана поток элюента можно остановить, закрыв верхний шлиф колонки подходящей пробкой.
Часто для предохранения верхнего слоя сорбента от взмучивания его покрывают диском из фильтровальной бумаги или засыпают небольшим слоем кварцевого песка.
После подготовки хроматографической колонки в нее, на верхний слой адсорбента, вносят разделяемую смесь. Для этого готовят концентрированный) раствор разделяемой смеси в элюирующем растворителе и осторожно, пипеткой, не допуская взмучивания адсорбента, вносят раствор
в колонку. Важно помнить, что введение разделяемой смеси приводит куши- рению полос и снижению эффективности разделения. Затем колбу и стенки колонки необходимо тщательно ополоснуть минимальным количеством элюента, не допуская повреждения верхнего слоя адсорбента, его пересыхания и проскакивания воздушных пузырей.
В случаях когда разделяемая смесь плохо растворима в элюенте, для внесения на колонку ее лучше предварительно адсорбировать. Для этого смесь при нагревании растворяют в круглодонной колбе в минимальном количестве полярного легколетучего растворителя (например, хлороформа, тетрагидрофурана или метанола. К полученному раствору прибавляют пятикратное
(от массы разделяемой смеси) количество адсорбента и осторожно упаривают при слабом вакууме на роторном испарителе, следя затем, чтобы сухой сорбент не уносило в роторный испаритель. Полученный порошок осторожно всыпают в слой элюента (толщиной в несколько сантиметров, находящийся над сорбентом, или суспендируют в минимальном количестве элюента и полученную суспензию осторожно вносят в колонку.
После внесения разделяемой смеси колонку осторожно заполняют элюи- рующим растворителем, не допуская взмучивания верхнего слоя, при необходимости присоединив к верхней части колонки напорную емкость или подходящую по размеру капельную воронку со шлифом. Элюирование смеси следует проводить непрерывно, не допуская высыхания слоя адсорбента и появления в нем воздушных пузырей.
Для окрашенных веществ разделение смеси на отдельные компоненты сопровождается появлением окрашенных зон, что позволяет визуально контролировать движение веществ и проводить их сбор в отдельные фракции (рис. Если компоненты разделяемой смеси не окрашены и их движение по колонке не сопровождается появлением характерных зон, тогда сбор фракций проводят, меняя приемники через равные промежутки времени или объемы элюента.
По мере хроматографирования силу элюи- рующего растворителя часто приходится увеличивать, используя переменный (градиентный)
состав элюента. Особенно часто это делают при разделении смеси, компоненты которой существенно различаются по хроматографической подвижности. Это достигается увели-
Рис. 21. Прибор для проведения хроматографии под давлением сжатого газа сжатый газ избыток газа
44
чением доли полярного растворителя в смесевом элюенте или введением в элюент более полярного растворителя из элюотропного ряда. Важно помнить, что изменять состав элюента следует медленно, постепенно прибавляя небольшое количество полярного растворителя, поскольку резкое изменение полярности вызывает растрескивание слоя адсорбента и может ухудшать разрешающую способность колонки.
По завершении разделения полученные фракции анализируют методом ТСХ. Фракции, содержащие индивидуальные компоненты исходной смеси, объединяют, переливают в тарированные (предварительно взвешенные)
круглодонные колбы и удаляют растворитель с помощью роторного испарителя. Взвешивание колб после удаления растворителя позволяет определить количество выделенных компонентов смеси.
Если выделенное вещество необходимо для проведения дальнейшей идентификации, установления структуры соединения и определения характеристических констант, остаток, полученный после удаления элюирующего растворителя, целесообразно дополнительно очистить, используя, например,
для твердых веществ метод перекристаллизации.
В начале х гг. прошлого века появились модификации методики колоночной хроматографии, направленные на сокращение временных затрат,
необходимых для проведения препаративного хроматографического разделения смеси органических веществ. Ряд методик, называемых флэш-хрома- тографией, позволяет существенно быстрее проводить разделение смесей, поэтому в настоящее время они весьма популярны в лабораториях органической химии. Существует несколько вариантов флэш-хроматографии, и основной подход, использованный в их разработке, — увеличение скорости движения элюента через колонку.
В одном из вариантов флэш-хроматографии скорость элюирующего растворителя увеличивается за счет поддержания в верхней части колонки избыточного давления воздуха или азота. Этого легко добиться модификацией обычной колоночной хроматографии. При этом желательно использовать колонку несколько большей длины, нижняя половина которой заполняется адсорбентом, а верхняя является резервуаром для элюирующего растворителя. К верхнему шлифу колонки присоединяется переходник (обязательно закрепленный хомутами, рис. 21) для подключения к линии подачи воздуха или азота, снабженный клапаном для регулирования давления.
Газовая линия должна поддерживать избыточное давление около 0,5 атм,
для создания которого можно использовать баллон со сжатым газом (снабженный редуктором, воздушный насос или компрессор. Колонку заполняют необходимым количеством сухого адсорбента, осторожно заливают вверх- нюю часть колонки подобранный элюент и, присоединив переходник, подают избыточное давление, под действием которого из слоя адсорбента вытесняется воздух. С помощью регулировочного клапана на переходнике устанавливают скорость потока элюента так, чтобы уровень растворителя в колонке падал со скоростью 3—5 см/мин. По мере необходимости, отсоединив переходник, в колонку осторожно добавляют дополнительную порцию элюента и возобновляют подачу сжатого воздуха. Операцию проводят до полного вытеснения пузырьков воздуха из колонки, внимательно следя затем, чтобы колонка не пересыхала и через нее не прокачивался воздух.
После подготовки в колонку вносят разделяемую смесь аналогично тому, как это делается для колоночной хроматографии, и осторожно заполняют элюи- рующим растворителем. Присоединив переходник, элюент продавливают через колонку (регулируя клапаном его поток, собирая фракции определенного объема, периодически меняя приемники и прибавляя свежие порции растворителя в верхнюю часть колонки. Также как ив случае градиентной колоночной хроматографии, при необходимости следует увеличить силу элюента, добавляя в элюирующий раствор порции полярного растворителя.
Другая, не менее эффективная методика, флэш-хроматография на сухой колонке, не требует специального оборудования, необходимого для вышеописанной методики хроматографирования под давлением сжатого газа. Разделение лучше проводить на адсорбентах с меньшим размером зерен, чем обычно используют в колоночной хроматографии. Для этой методики подходит силикагель для ТСХ с размером частиц около 15 мкм. Адсорбент берут в кратном количестве от массы разделяемой смеси, помещают в воронку с пористым фильтром (Шотта) с высокими стенками. Воронку присоединяют к колбе Бунзена (рис. 22) или к подходящей круглодонной колбе с насадкой Вюрца и, включив вакуум, осторожно с помощью пробки утрамбовывают слой адсорбента.
Для проверки качества полученного слоя адсорбента проводят предварительное элюирование колонки, присоединенной к вакууму. Для этого осторожно, не нарушая поверхности сорбента, заливают порцию растворителя, который должен двигаться по колонке ровным фронтом.
Если растворитель движется неравномерно,
с образованием каналов, колонку просушивают,
присоединив вакуум (до прекращения стекания капель растворителя, и адсорбент утрамбовывают вновь.
После подготовки в колонку вводят разделяемую смесь (в виде концентрированного раствора или нанесенную на сорбент) и приступают к элюированию. Элюент, подобранный по результатам
Рис. 22. Прибор для проведения флэш-хроматографии на сухой колонке неподвижное вещество неподвижная фаза подвижное вещество вакуум предварительной ТСХ, равными порциями (примерно соответствующими объему сорбента, заливают в колонку, подключенную к вакууму. После внесения каждой порции элюента колонку просушивают практически досуха и,
после того как капли элюента перестанут стекать в приемную колбу, вакуум отключают, колонку осторожно отсоединяют, а фракцию элюата сливают в чистый приемник. Колонку вновь присоединяют к приемной колбе и заливают следующей порцией элюента. Все операции повторяют, каждый раз досуха сливая элюат с колонки и переливая его в новый приемник.
Для ускорения движения полярных компонентов смеси по мере элюирования колонки силу растворителя увеличивают добавлением в исходный элюент 5—10 % более полярного компонента смеси растворителей. Следует помнить, что методика флэш-хроматографии на сухой колонке непригодна для разделения легкоокисляющихся веществ.
Как и при проведении колоночной хроматографии, по завершении флэш- хроматографии все полученные фракции элюата анализируют методом ТСХ,
и по результатам анализа из них выделяют чистые компоненты смеси
47
В случаях когда разделяемая смесь плохо растворима в элюенте, для внесения на колонку ее лучше предварительно адсорбировать. Для этого смесь при нагревании растворяют в круглодонной колбе в минимальном количестве полярного легколетучего растворителя (например, хлороформа, тетрагидрофурана или метанола. К полученному раствору прибавляют пятикратное
(от массы разделяемой смеси) количество адсорбента и осторожно упаривают при слабом вакууме на роторном испарителе, следя затем, чтобы сухой сорбент не уносило в роторный испаритель. Полученный порошок осторожно всыпают в слой элюента (толщиной в несколько сантиметров, находящийся над сорбентом, или суспендируют в минимальном количестве элюента и полученную суспензию осторожно вносят в колонку.
После внесения разделяемой смеси колонку осторожно заполняют элюи- рующим растворителем, не допуская взмучивания верхнего слоя, при необходимости присоединив к верхней части колонки напорную емкость или подходящую по размеру капельную воронку со шлифом. Элюирование смеси следует проводить непрерывно, не допуская высыхания слоя адсорбента и появления в нем воздушных пузырей.
Для окрашенных веществ разделение смеси на отдельные компоненты сопровождается появлением окрашенных зон, что позволяет визуально контролировать движение веществ и проводить их сбор в отдельные фракции (рис. Если компоненты разделяемой смеси не окрашены и их движение по колонке не сопровождается появлением характерных зон, тогда сбор фракций проводят, меняя приемники через равные промежутки времени или объемы элюента.
По мере хроматографирования силу элюи- рующего растворителя часто приходится увеличивать, используя переменный (градиентный)
состав элюента. Особенно часто это делают при разделении смеси, компоненты которой существенно различаются по хроматографической подвижности. Это достигается увели-
Рис. 21. Прибор для проведения хроматографии под давлением сжатого газа сжатый газ избыток газа
44
чением доли полярного растворителя в смесевом элюенте или введением в элюент более полярного растворителя из элюотропного ряда. Важно помнить, что изменять состав элюента следует медленно, постепенно прибавляя небольшое количество полярного растворителя, поскольку резкое изменение полярности вызывает растрескивание слоя адсорбента и может ухудшать разрешающую способность колонки.
По завершении разделения полученные фракции анализируют методом ТСХ. Фракции, содержащие индивидуальные компоненты исходной смеси, объединяют, переливают в тарированные (предварительно взвешенные)
круглодонные колбы и удаляют растворитель с помощью роторного испарителя. Взвешивание колб после удаления растворителя позволяет определить количество выделенных компонентов смеси.
Если выделенное вещество необходимо для проведения дальнейшей идентификации, установления структуры соединения и определения характеристических констант, остаток, полученный после удаления элюирующего растворителя, целесообразно дополнительно очистить, используя, например,
для твердых веществ метод перекристаллизации.
В начале х гг. прошлого века появились модификации методики колоночной хроматографии, направленные на сокращение временных затрат,
необходимых для проведения препаративного хроматографического разделения смеси органических веществ. Ряд методик, называемых флэш-хрома- тографией, позволяет существенно быстрее проводить разделение смесей, поэтому в настоящее время они весьма популярны в лабораториях органической химии. Существует несколько вариантов флэш-хроматографии, и основной подход, использованный в их разработке, — увеличение скорости движения элюента через колонку.
В одном из вариантов флэш-хроматографии скорость элюирующего растворителя увеличивается за счет поддержания в верхней части колонки избыточного давления воздуха или азота. Этого легко добиться модификацией обычной колоночной хроматографии. При этом желательно использовать колонку несколько большей длины, нижняя половина которой заполняется адсорбентом, а верхняя является резервуаром для элюирующего растворителя. К верхнему шлифу колонки присоединяется переходник (обязательно закрепленный хомутами, рис. 21) для подключения к линии подачи воздуха или азота, снабженный клапаном для регулирования давления.
Газовая линия должна поддерживать избыточное давление около 0,5 атм,
для создания которого можно использовать баллон со сжатым газом (снабженный редуктором, воздушный насос или компрессор. Колонку заполняют необходимым количеством сухого адсорбента, осторожно заливают вверх- нюю часть колонки подобранный элюент и, присоединив переходник, подают избыточное давление, под действием которого из слоя адсорбента вытесняется воздух. С помощью регулировочного клапана на переходнике устанавливают скорость потока элюента так, чтобы уровень растворителя в колонке падал со скоростью 3—5 см/мин. По мере необходимости, отсоединив переходник, в колонку осторожно добавляют дополнительную порцию элюента и возобновляют подачу сжатого воздуха. Операцию проводят до полного вытеснения пузырьков воздуха из колонки, внимательно следя затем, чтобы колонка не пересыхала и через нее не прокачивался воздух.
После подготовки в колонку вносят разделяемую смесь аналогично тому, как это делается для колоночной хроматографии, и осторожно заполняют элюи- рующим растворителем. Присоединив переходник, элюент продавливают через колонку (регулируя клапаном его поток, собирая фракции определенного объема, периодически меняя приемники и прибавляя свежие порции растворителя в верхнюю часть колонки. Также как ив случае градиентной колоночной хроматографии, при необходимости следует увеличить силу элюента, добавляя в элюирующий раствор порции полярного растворителя.
Другая, не менее эффективная методика, флэш-хроматография на сухой колонке, не требует специального оборудования, необходимого для вышеописанной методики хроматографирования под давлением сжатого газа. Разделение лучше проводить на адсорбентах с меньшим размером зерен, чем обычно используют в колоночной хроматографии. Для этой методики подходит силикагель для ТСХ с размером частиц около 15 мкм. Адсорбент берут в кратном количестве от массы разделяемой смеси, помещают в воронку с пористым фильтром (Шотта) с высокими стенками. Воронку присоединяют к колбе Бунзена (рис. 22) или к подходящей круглодонной колбе с насадкой Вюрца и, включив вакуум, осторожно с помощью пробки утрамбовывают слой адсорбента.
Для проверки качества полученного слоя адсорбента проводят предварительное элюирование колонки, присоединенной к вакууму. Для этого осторожно, не нарушая поверхности сорбента, заливают порцию растворителя, который должен двигаться по колонке ровным фронтом.
Если растворитель движется неравномерно,
с образованием каналов, колонку просушивают,
присоединив вакуум (до прекращения стекания капель растворителя, и адсорбент утрамбовывают вновь.
После подготовки в колонку вводят разделяемую смесь (в виде концентрированного раствора или нанесенную на сорбент) и приступают к элюированию. Элюент, подобранный по результатам
Рис. 22. Прибор для проведения флэш-хроматографии на сухой колонке неподвижное вещество неподвижная фаза подвижное вещество вакуум предварительной ТСХ, равными порциями (примерно соответствующими объему сорбента, заливают в колонку, подключенную к вакууму. После внесения каждой порции элюента колонку просушивают практически досуха и,
после того как капли элюента перестанут стекать в приемную колбу, вакуум отключают, колонку осторожно отсоединяют, а фракцию элюата сливают в чистый приемник. Колонку вновь присоединяют к приемной колбе и заливают следующей порцией элюента. Все операции повторяют, каждый раз досуха сливая элюат с колонки и переливая его в новый приемник.
Для ускорения движения полярных компонентов смеси по мере элюирования колонки силу растворителя увеличивают добавлением в исходный элюент 5—10 % более полярного компонента смеси растворителей. Следует помнить, что методика флэш-хроматографии на сухой колонке непригодна для разделения легкоокисляющихся веществ.
Как и при проведении колоночной хроматографии, по завершении флэш- хроматографии все полученные фракции элюата анализируют методом ТСХ,
и по результатам анализа из них выделяют чистые компоненты смеси
47
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ
ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Синтезированный и очищенный продукт необходимо идентифицировать, те. установить его структуру. Для этого чаще всего используют физические характеристики температуру плавления и кипения, плотность, показатель преломления, а также способность к поглощению электромагнитного излучения ИК, УФ- и ЯМР-спектры. Обычно вещество считают чистым,
если его физические характеристики не изменяются после повторной операции очистки.
Для ранее синтезированных соединений чаще всего достаточно сравнить полученные физические характеристики с описанными в химической литературе. Наиболее важными физическими характеристиками вещества считают температуры плавления и кипения. К тому же они наиболее простыв определении. Определение температуры плавления
Температурой плавления называют диапазон температур, в котором происходит превращение твердой фазы в жидкость. Известно, что смеси веществ плавятся при температурах более низких, чем чистые вещества, поэтому величина отклонения полученной температуры от справочной является важной характеристикой степени чистоты полученного продукта.
Для определения температуры плавления применяют прибор Тиле. Термометр помещают в теплопередающую среду, в качестве которой используют диалкилфталат, силиконовое или парафиновое масло, иногда серную кислоту. Вещество помещают в капиллярную трубку (капилляр) диаметром 1 мм.
Подготовку образца проводят следующим образом. Капилляр длиной см запаивают с одной стороны над пламенем спиртовки до образования стеклянной капли. Затем небольшое количество вещества, при необходимости измельченного в порошок, помещают на чистую твердую поверхность. Постукивая незапаянным концом капилляра по слою вещества, вводят его внутрь. Затем капилляр переворачивают открытым концом вверх и несколько раз сбрасывают капилляр на твердую поверхность внутри стеклянной трубки. При этом вещество, набранное внутрь капилляра, утрам- буется на его дне. Высота столбика вещества в капилляре должна быть мм. После этого образец подготовлен для определения температуры плавления
Подготовленный капилляр с веществом вводят в боковой отвод прибора
Тиле таким образом, чтобы проба вещества находилась на уровне шарика термометра. Прибор нагревают на пламени спиртовки так, чтобы скорость увеличения температуры не превышала 4—6 град/мин.
3.2. Определение температуры кипения
Температура кипения очищенного жидкого соединения определяют в процессе перегонки. Узкий интервал температуры кипения перегоняемого вещества (не более 5 С) является хорошим показателем степени его чистоты
49
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ
Работа в лаборатории органической химии связана с определенными опасностями, вытекающими из постоянной необходимости использовать легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и ядовитые вещества. Нужно постоянно помнить, что большинство несчастных случаев вызвано отсутствием внимания или небрежностью самих работающих. Поэтому опасность при работе в лаборатории можно свести к минимуму, если правильно и своевременно применять необходимые меры предосторожности.
Перед началом эксперимента необходимо во всех деталях изучить инструкцию к представленной работе и продумать ход выполнения эксперимента.
Во время работы нужно быть особенно внимательными осторожным.
На рабочем месте всегда нужно соблюдать чистоту и порядок.
Необходимо постоянно следить затем, чтобы не создавать опасность для своих соседей по лаборатории.
В лаборатории запрещено принимать пищу, пить, курить.
Все используемые приборы необходимо собирать и устанавливать.
Нельзя применять поврежденную химическую посуду.
Химические вещества не должны соприкасаться с кожей работающего.
Некоторые ядовитые вещества могут проникать внутрь даже через неповрежденную, здоровую кожу.
При работе с ядовитыми, раздражающими или неприятно пахнущими веществами необходимо работать в вытяжном шкафу, не наклоняясь внутрь шкафа.
При переноске склянок с ядовитыми, едкими или горючими реактивами всегда нужно поддерживать их снизу, а не держать за горлышко.
В химии для кристаллизации или экстракции часто применяют огнеопасные растворители (эфир, спирт, ацетон и др, что требует соблюдения особых мер безопасности. При работе с легковоспламеняющимися веществами вблизи не должно быть открытого пламени. В случае использования растворителей, кипящих ниже 100 С, нагревание проводят на водяной бане.
Нагревание горючих жидкостей (например, перегонку) ведут только под постоянным наблюдением.
Нельзя сливать в канализацию растворители, не смешивающиеся с водой, например, диэтиловый эфир. Такие растворители необходимо сдать лаборанту в препараторскую для регенерации.
В лабораториях кроме тепловых ожогов наблюдаются и химические ожоги кислотами, щелочами и другими едкими веществами, вредно действующими на кожу
Тиле таким образом, чтобы проба вещества находилась на уровне шарика термометра. Прибор нагревают на пламени спиртовки так, чтобы скорость увеличения температуры не превышала 4—6 град/мин.
3.2. Определение температуры кипения
Температура кипения очищенного жидкого соединения определяют в процессе перегонки. Узкий интервал температуры кипения перегоняемого вещества (не более 5 С) является хорошим показателем степени его чистоты
49
4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ
Работа в лаборатории органической химии связана с определенными опасностями, вытекающими из постоянной необходимости использовать легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и ядовитые вещества. Нужно постоянно помнить, что большинство несчастных случаев вызвано отсутствием внимания или небрежностью самих работающих. Поэтому опасность при работе в лаборатории можно свести к минимуму, если правильно и своевременно применять необходимые меры предосторожности.
Перед началом эксперимента необходимо во всех деталях изучить инструкцию к представленной работе и продумать ход выполнения эксперимента.
Во время работы нужно быть особенно внимательными осторожным.
На рабочем месте всегда нужно соблюдать чистоту и порядок.
Необходимо постоянно следить затем, чтобы не создавать опасность для своих соседей по лаборатории.
В лаборатории запрещено принимать пищу, пить, курить.
Все используемые приборы необходимо собирать и устанавливать.
Нельзя применять поврежденную химическую посуду.
Химические вещества не должны соприкасаться с кожей работающего.
Некоторые ядовитые вещества могут проникать внутрь даже через неповрежденную, здоровую кожу.
При работе с ядовитыми, раздражающими или неприятно пахнущими веществами необходимо работать в вытяжном шкафу, не наклоняясь внутрь шкафа.
При переноске склянок с ядовитыми, едкими или горючими реактивами всегда нужно поддерживать их снизу, а не держать за горлышко.
В химии для кристаллизации или экстракции часто применяют огнеопасные растворители (эфир, спирт, ацетон и др, что требует соблюдения особых мер безопасности. При работе с легковоспламеняющимися веществами вблизи не должно быть открытого пламени. В случае использования растворителей, кипящих ниже 100 С, нагревание проводят на водяной бане.
Нагревание горючих жидкостей (например, перегонку) ведут только под постоянным наблюдением.
Нельзя сливать в канализацию растворители, не смешивающиеся с водой, например, диэтиловый эфир. Такие растворители необходимо сдать лаборанту в препараторскую для регенерации.
В лабораториях кроме тепловых ожогов наблюдаются и химические ожоги кислотами, щелочами и другими едкими веществами, вредно действующими на кожу
Химические ожоги кислотами. Среди наиболее опасных кислот можно выделить концентрированную азотную кислоту. Даже непродолжительное соприкосновение с ней вызывает пожелтение кожи, а более длительное воздействие приводит к образованию сначала трещина затем очень болезненных, труднозаживающих ран.
К менее опасной относится концентрированная серная кислота. Если быстро протереть тряпкой, а потом смыть большим количеством воды,
то наступит лишь легкое покраснение (раздражение) кожи. Более длительное действие серной кислоты вызывает сначала появление белых пятен,
затем пузырей, а через некоторое время появление труднозаживающих язв,
после которых остаются следы. Даже большое количество попавшей на кожу серной кислоты после тщательного промывания водой не вызывает серьезных последствий.
Соляная кислота не представляет большой опасности для кожных покровов, однако опасна для слизистой оболочки и глаз.
Ожоги щелочами Концентрированные, горючие растворы щелочей вызывают сильные ожоги. Сначала кожные покровы становятся гладкими и скользкими, а после длительного действия щелочей образуются очень глубокие и плохо заживающие раны. Таким же образом на кожу действуют и твердые щелочи, они представляют опасность даже при кратковременном соприкосновении сними (в течение нескольких минут).
При ожогах кислотами и щелочами обожженные места необходимо хорошо промыть водой. После этого кислоту необходимо нейтрализовать раствором бикарбоната натрия, а щелочь — 1 м раствором уксусной или борной кислоты.
Даже если разбавленные растворы кислот и щелочей безвредны для кожи,
они крайне опасны для глаз. Если кислота или щелочь попадает в глаза, их нужно немедленно промыть большим количеством воды (лучше по индикатору, затем, в случае попадания кислоты, 1 м раствором бикарбоната натрия, а в случае попадания щелочи — 1 м раствором борной кислоты,
затем снова тщательно промыть водой. Пострадавшего необходимо направить к врачу.
Опасные веществ. Ниже перечислены и кратко охарактеризованы опасные вещества, с которыми студент может иметь дело при выполнении лабораторных работ.
Азотная кислота разъедает кожу. Первая помощь промыть большим количеством воды. Со многими органическими веществами азотная кислота реагирует взрывоподобно.
Амины ароматические весьма токсичны, адсорбируются кожей.
Аммиак обладает сильным раздражающим действием. Первая помощь:
промыть пораженное место водой, вдыхать кислород. Концентрация 2 мг/м
3
смертельна.
К менее опасной относится концентрированная серная кислота. Если быстро протереть тряпкой, а потом смыть большим количеством воды,
то наступит лишь легкое покраснение (раздражение) кожи. Более длительное действие серной кислоты вызывает сначала появление белых пятен,
затем пузырей, а через некоторое время появление труднозаживающих язв,
после которых остаются следы. Даже большое количество попавшей на кожу серной кислоты после тщательного промывания водой не вызывает серьезных последствий.
Соляная кислота не представляет большой опасности для кожных покровов, однако опасна для слизистой оболочки и глаз.
Ожоги щелочами Концентрированные, горючие растворы щелочей вызывают сильные ожоги. Сначала кожные покровы становятся гладкими и скользкими, а после длительного действия щелочей образуются очень глубокие и плохо заживающие раны. Таким же образом на кожу действуют и твердые щелочи, они представляют опасность даже при кратковременном соприкосновении сними (в течение нескольких минут).
При ожогах кислотами и щелочами обожженные места необходимо хорошо промыть водой. После этого кислоту необходимо нейтрализовать раствором бикарбоната натрия, а щелочь — 1 м раствором уксусной или борной кислоты.
Даже если разбавленные растворы кислот и щелочей безвредны для кожи,
они крайне опасны для глаз. Если кислота или щелочь попадает в глаза, их нужно немедленно промыть большим количеством воды (лучше по индикатору, затем, в случае попадания кислоты, 1 м раствором бикарбоната натрия, а в случае попадания щелочи — 1 м раствором борной кислоты,
затем снова тщательно промыть водой. Пострадавшего необходимо направить к врачу.
Опасные веществ. Ниже перечислены и кратко охарактеризованы опасные вещества, с которыми студент может иметь дело при выполнении лабораторных работ.
Азотная кислота разъедает кожу. Первая помощь промыть большим количеством воды. Со многими органическими веществами азотная кислота реагирует взрывоподобно.
Амины ароматические весьма токсичны, адсорбируются кожей.
Аммиак обладает сильным раздражающим действием. Первая помощь:
промыть пораженное место водой, вдыхать кислород. Концентрация 2 мг/м
3
смертельна.
Бром разъедает кожу и органы дыхания. Первая помощь кожу промыть большим количеством спирта, вдыхать кислород.
Галогеноводороды сильно раздражают слизистые оболочки. Смертельная концентрация хлористого водорода 0,5 %. Первая помощь при попадании внутрь необходимо пить молоко, воду, принять окись магния.
Галогенопроизводные алифатические и ароматические обладают наркотическим действием, вызывают раздражение кожи, токсичны для печении почек. Первая помощь пораженную кожу промыть водой с мылом, необходимы свежий воздух, кислород.
Муравьиная кислота оказывает сильное разъедающее действие.
Нитриты неорганические — яды, действующие на кровь, нарушают кровообращение. Первая помощь вызвать рвоту, вдыхать кислород, принимать активированный уголь, много витамина С.
Нитросоединения ароматические — сильные яды, действующие на кровь.
Могут поглощаться при вдыхании паров и через кожу. Первая помощь:
кислород, много молока.
Перманганат калия со многими органическими веществами образует взрывчатые смеси.
Фенол разъедает кожу и адсорбируется ею. Первая помощь промыть кожу разбавленными щелочами, большим количеством воды, пить молоко.
Хлорсульфоновая кислота является монохлорангидридом серной кислоты и поэтому бурно взаимодействует с водой, на воздухе дымит. Все работы, связанные с использованием хлорсульфоновой кислоты, следует проводить в вытяжном шкафу и использовать только сухую посуду. При попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги. С кожи снимают сухой тряпкой промокательными движениями, затем промывают сильной струей воды,
раствором бикарбоната и смазывают мазью от ожога, пострадавшего направляют к врачу. Прилитую хлорсульфоновую кислоту удаляют сухим песком и сухими тряпками.
Эфир диэтиловый обладает наркотическим действием. Первая помощь:
свежий воздух. Взрывоопасные концентрации в воздухе — от 2 до 50 Причиной пожара в лаборатории органической химии может быть непосредственное нагревание на открытой плитке легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в открытых сосудах. Нужно помнить, что легковоспламеняющиеся жидкости можно нагревать только с помощью бань.
Пары их должны полностью конденсироваться, работу с горючими веществами нужно проводить вдали от огня.
Если пожар возник, тов первую очередь нужно ликвидировать источник пожара — выключить плитку. Небольшой пожар можно погасить мокрой тряпкой, засыпать песком. Для тушения более крупных пожаров нужно применять огнетушители с углекислым газом, песок, противопожарные одеяла
52
5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ
В препаративной части приведены методики синтеза ряда веществ,
относящихся к различным классам органических соединений.
Перед каждой лабораторной работой студент обязан сдать коллоквиум,
который включает:
а) теоретические основы проводимой реакции в соответствии с программой курса (см. разделы курса и вопросы по теории, приведенные в каждой задаче перед методикой синтеза);
б) теоретические основы применяемых при выполнении данной задачи методов работы;
в) характеристику основных физических свойств исходных веществ, применяемых в синтезе, и конечного продукта;
г) описание методики синтеза и схемы используемых установок и приборов д) вопросы, касающиеся техники безопасности.
По окончании работы студент должен представить отчет, составленный по схеме. Цель работы. Уравнение химической реакции, механизм. Исходные вещества:
Название
Молекулярный вес
Плотность
Т
пл
, °C
Растворимость
Количество моль мл г
Т
кип
, °C
4. Свойства конечного продукта (данные из Справочника химикат. 2):
Название
Молекулярный вес
Плотность
Т
пл
, °C
Растворимость
Т
кип
, Внешний вид. Описание синтеза с описанием собственных наблюдений и схемы установок. Результаты синтеза, сведенные в таблицу:
Название
Т
пл
, Выход вот теоретического теоретический, г практический, г
Т
кип
, Внешний вид
Галогеноводороды сильно раздражают слизистые оболочки. Смертельная концентрация хлористого водорода 0,5 %. Первая помощь при попадании внутрь необходимо пить молоко, воду, принять окись магния.
Галогенопроизводные алифатические и ароматические обладают наркотическим действием, вызывают раздражение кожи, токсичны для печении почек. Первая помощь пораженную кожу промыть водой с мылом, необходимы свежий воздух, кислород.
Муравьиная кислота оказывает сильное разъедающее действие.
Нитриты неорганические — яды, действующие на кровь, нарушают кровообращение. Первая помощь вызвать рвоту, вдыхать кислород, принимать активированный уголь, много витамина С.
Нитросоединения ароматические — сильные яды, действующие на кровь.
Могут поглощаться при вдыхании паров и через кожу. Первая помощь:
кислород, много молока.
Перманганат калия со многими органическими веществами образует взрывчатые смеси.
Фенол разъедает кожу и адсорбируется ею. Первая помощь промыть кожу разбавленными щелочами, большим количеством воды, пить молоко.
Хлорсульфоновая кислота является монохлорангидридом серной кислоты и поэтому бурно взаимодействует с водой, на воздухе дымит. Все работы, связанные с использованием хлорсульфоновой кислоты, следует проводить в вытяжном шкафу и использовать только сухую посуду. При попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги. С кожи снимают сухой тряпкой промокательными движениями, затем промывают сильной струей воды,
раствором бикарбоната и смазывают мазью от ожога, пострадавшего направляют к врачу. Прилитую хлорсульфоновую кислоту удаляют сухим песком и сухими тряпками.
Эфир диэтиловый обладает наркотическим действием. Первая помощь:
свежий воздух. Взрывоопасные концентрации в воздухе — от 2 до 50 Причиной пожара в лаборатории органической химии может быть непосредственное нагревание на открытой плитке легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в открытых сосудах. Нужно помнить, что легковоспламеняющиеся жидкости можно нагревать только с помощью бань.
Пары их должны полностью конденсироваться, работу с горючими веществами нужно проводить вдали от огня.
Если пожар возник, тов первую очередь нужно ликвидировать источник пожара — выключить плитку. Небольшой пожар можно погасить мокрой тряпкой, засыпать песком. Для тушения более крупных пожаров нужно применять огнетушители с углекислым газом, песок, противопожарные одеяла
52
5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ
В препаративной части приведены методики синтеза ряда веществ,
относящихся к различным классам органических соединений.
Перед каждой лабораторной работой студент обязан сдать коллоквиум,
который включает:
а) теоретические основы проводимой реакции в соответствии с программой курса (см. разделы курса и вопросы по теории, приведенные в каждой задаче перед методикой синтеза);
б) теоретические основы применяемых при выполнении данной задачи методов работы;
в) характеристику основных физических свойств исходных веществ, применяемых в синтезе, и конечного продукта;
г) описание методики синтеза и схемы используемых установок и приборов д) вопросы, касающиеся техники безопасности.
По окончании работы студент должен представить отчет, составленный по схеме. Цель работы. Уравнение химической реакции, механизм. Исходные вещества:
Название
Молекулярный вес
Плотность
Т
пл
, °C
Растворимость
Количество моль мл г
Т
кип
, °C
4. Свойства конечного продукта (данные из Справочника химикат. 2):
Название
Молекулярный вес
Плотность
Т
пл
, °C
Растворимость
Т
кип
, Внешний вид. Описание синтеза с описанием собственных наблюдений и схемы установок. Результаты синтеза, сведенные в таблицу:
Название
Т
пл
, Выход вот теоретического теоретический, г практический, г
Т
кип
, Внешний вид
В отчете должен быть приведен расчет теоретического выхода по уравнению реакции.
Лабораторный журнал практикума по органической химии служит основным документом, позволяющим оценить работу студента. Кроме того, журнал основа для обучения студента профессионально грамотному представлению результатов научной работы. Основное требование к журналу состоит в том, чтобы посторонний читатель мог не только понять цели и задачи работы студента, но и оценить ее качество, а также воспроизвести любой описанный в журнале эксперимент. Конкретную форму ведения записей в журнале выбирает сам студент, руководствуясь советами преподавателя.
Рекомендуется пользоваться в качестве журнала тетрадями стандартного формата с обозначением фамилии владельца
54
6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. Реакции нуклеофильного замещения. Бромистый бутил
Разделы курса. Методы синтеза и химические превращения галогенопроизводных. Нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов (реакции и S
N
2). Процессы элиминирования Е и Е2.
Вопросы по теории. Каков механизм замещения гидроксильной группы в н-бутаноле на атом галогена Для чего необходимо проводить реакцию в кислотных условиях?
Классические механизмы нуклеофильного замещения S
N
1 ив галоген- алканах. Примеры реакций S
N
1 ив спиртах. Особенности механизмов данных процессов. Факторы, влияющие на скорость реакции S
N
1 и S
N
2.
4. Лимитирующая стадия (определение и примеры. Порядок реакции. Моно- и бимолекулярные реакции нуклеофильного замещения. Сравнение стабильности карбокатионов (первичный, вторичный или третичный. Гибридизация углеродного атома в карбокатионе.
8. Реакции отщепления (элиминирования. Механизм образования алкенов. Сравнение механизмов процессов S
N
и Е. Синтез простых эфиров из спиртов, объяснение механизма. Объясните механизм реакций и назовите соединения, которые получатся из 2-метил-бутанола-2 в результате реакций S
N
и Е (правило Зайцева).
11. Напишите реакции превращения н-бутанола в хлорбутан с помощью реагентов) HCl; 2) PCl
3
; 3) PCl
5
; 4) Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей, сушка жидкостей.
Методика синтеза
Исходные соединения
Бутиловый спирт мл
Бромистый калий г
Серная кислота (конц) 25 мл
56 5. Зависимость скорости реакции этерификации от строения спирта
(первичный, вторичный, третичный. Дайте названия соединениям H
3
COSO
2
OC
2
H
5
; CH
3
OSO
3
H; H
3
COCH
3
;
H
3
C-C(О)-OC
3
H
7
Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей и ЛВЖ, сушка жидкостей, выбор агента для осушения сложных эфиров.
Методика синтеза
Исходные соединения
Муравьиная кислота мл
Этанол 96 %
39 мл
Серная кислота (конц) 5 мл
Вещества помещают в круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, и кипятят один час на водяной бане. Далее с помощью насадки к колбе присоединяют нисходящий холодильники отгоняют образовавшийся эфир до максимального подъема температуры. Перегонку прекращают после падения температуры на 3—4 С. Полученный дистиллят промывают небольшим количеством 10 го раствора соды (15 мл),
затем водой (15 мл. Отделенный эфирный слой помещают всухую колбу и высушивают хлоридом кальция. Эфир перегоняют, собирая фракцию, кипящую при температуре 52—54 °С.
Вопросы по методике синтеза. Для чего сложный эфир промывают раствором соды Почему нельзя промывать его щелочью. В каком слое при промывании находится этилформиат?
3. Чем объясняется кипение этилформиата при более низкой в сравнении с исходными соединениями температуре. Определение теоретического выхода этилформиата.
5. Техника безопасности при работе с органическими карбоновыми кислотами, серной кислотой и легковоспламеняющимися жидкостями. Тушение горящего этилового спирта, муравьиной кислоты и этил- формиата. Ацетанилид
Разделы курса Амины и амиды. Сравнение свойств и реакций. Ангидриды и хлорангидриды карбоновых кислот.
Вопросы по теории. Оцените основность анилина и ацетанилида. Сравните нуклеофиль- ность анилина и фенола. Механизм ацилирования первичных ароматических аминов уксусным ангидридом. Другие ацилирующие агенты и применение ацильной защиты для аминогрупп в ароматических соединениях
57 3. Роль кислотного катализа в реакциях ацилирования низкоосновных аминов и фенолов. Выделите среди представленных аминов первичные, вторичные и третичные Н (C
2
H
5
)
3
N; (C
2
H
5
)
3
CNH
2
; (CH
3
)
3
N
+
C
4
H
9
X
–
5. Дайте названия соединениям 6. Представьте схему получения бензамида из этилбензола. Напишите для ацетанилида схемы основного и кислотного гидролиза. Амидом какой кислоты является мочевина?
Методы работы очистка твердых органических соединений с помощью перекристаллизации, определение температуры плавления.
Лабораторный журнал практикума по органической химии служит основным документом, позволяющим оценить работу студента. Кроме того, журнал основа для обучения студента профессионально грамотному представлению результатов научной работы. Основное требование к журналу состоит в том, чтобы посторонний читатель мог не только понять цели и задачи работы студента, но и оценить ее качество, а также воспроизвести любой описанный в журнале эксперимент. Конкретную форму ведения записей в журнале выбирает сам студент, руководствуясь советами преподавателя.
Рекомендуется пользоваться в качестве журнала тетрадями стандартного формата с обозначением фамилии владельца
54
6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ
«ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. Реакции нуклеофильного замещения. Бромистый бутил
Разделы курса. Методы синтеза и химические превращения галогенопроизводных. Нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов (реакции и S
N
2). Процессы элиминирования Е и Е2.
Вопросы по теории. Каков механизм замещения гидроксильной группы в н-бутаноле на атом галогена Для чего необходимо проводить реакцию в кислотных условиях?
Классические механизмы нуклеофильного замещения S
N
1 ив галоген- алканах. Примеры реакций S
N
1 ив спиртах. Особенности механизмов данных процессов. Факторы, влияющие на скорость реакции S
N
1 и S
N
2.
4. Лимитирующая стадия (определение и примеры. Порядок реакции. Моно- и бимолекулярные реакции нуклеофильного замещения. Сравнение стабильности карбокатионов (первичный, вторичный или третичный. Гибридизация углеродного атома в карбокатионе.
8. Реакции отщепления (элиминирования. Механизм образования алкенов. Сравнение механизмов процессов S
N
и Е. Синтез простых эфиров из спиртов, объяснение механизма. Объясните механизм реакций и назовите соединения, которые получатся из 2-метил-бутанола-2 в результате реакций S
N
и Е (правило Зайцева).
11. Напишите реакции превращения н-бутанола в хлорбутан с помощью реагентов) HCl; 2) PCl
3
; 3) PCl
5
; 4) Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей, сушка жидкостей.
Методика синтеза
Исходные соединения
Бутиловый спирт мл
Бромистый калий г
Серная кислота (конц) 25 мл
В круглодонную колбу емкостью 250 мл вливают 35 мл воды, добавляют тонко растертый калий бромистый и н-бутанол. Присоединяют обратный холодильник, в его форштосс вставляют воронку и через нее небольшими порциями (4—6 мл) добавляют серную кислоту (маска, каждый раз перемешивая смесь покачиванием колбы. В колбу бросают несколько кипелок и один час кипятят на воздушной бане.
Реакционная масса разделяется на два слоя (какие. Затем колбу соединяют изогнутой трубкой снисходящим холодильником и отгоняют сырой бромистый бутил. Продукт отделяют отводы в делительной воронке,
промывают водой, сушат сульфатом натрия (почему) и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при 98—103 Вопросы по методике синтеза. Для чего в реакционную смесь необходимо добавлять воду. Какова роль серной кислоты Почему ее следует добавлять небольшими порциями и при перемешивании. Что находится в верхнем и нижнем слоях реакционной массы?
За счет чего органический слой окрашен в бурый цвет. Как определить окончание отгонки сырого бромистого бутила. В каком слое находится 1-бромбутан в дистилляте и при промывании водой. Можно ли сушить 1-бромбутан гидроксидом калия. Схема прибора для перегонки бутилбромида.
8. Почему перед перегонкой следует удалять добавленный для сушки. Техника безопасности при работе сконцентрированной серной кислотой и огнеопасными органическими жидкостями. Этилформиат
Разделы курса. Сложные эфиры. Химические свойства и строение. Методы синтеза и применение.
Вопросы по теории. Реакции этерификации, механизм и роль серной кислоты. Исследование реакции этерификации, в том числе с помощью меченых атомов. Обратимость процесса получения сложных эфиров. Гидролиз сложного эфира в основной и кислой средах. Почему выход целевого продукта в условиях равновесия не превышает Способы повышения выхода эфиров. Как может протекать реакция этерификации, если минеральная кислота одинаково протонирует и спирт, и кислоту, приводя к образованию двух катионов – оксониевого и карбониевого?
Реакционная масса разделяется на два слоя (какие. Затем колбу соединяют изогнутой трубкой снисходящим холодильником и отгоняют сырой бромистый бутил. Продукт отделяют отводы в делительной воронке,
промывают водой, сушат сульфатом натрия (почему) и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при 98—103 Вопросы по методике синтеза. Для чего в реакционную смесь необходимо добавлять воду. Какова роль серной кислоты Почему ее следует добавлять небольшими порциями и при перемешивании. Что находится в верхнем и нижнем слоях реакционной массы?
За счет чего органический слой окрашен в бурый цвет. Как определить окончание отгонки сырого бромистого бутила. В каком слое находится 1-бромбутан в дистилляте и при промывании водой. Можно ли сушить 1-бромбутан гидроксидом калия. Схема прибора для перегонки бутилбромида.
8. Почему перед перегонкой следует удалять добавленный для сушки. Техника безопасности при работе сконцентрированной серной кислотой и огнеопасными органическими жидкостями. Этилформиат
Разделы курса. Сложные эфиры. Химические свойства и строение. Методы синтеза и применение.
Вопросы по теории. Реакции этерификации, механизм и роль серной кислоты. Исследование реакции этерификации, в том числе с помощью меченых атомов. Обратимость процесса получения сложных эфиров. Гидролиз сложного эфира в основной и кислой средах. Почему выход целевого продукта в условиях равновесия не превышает Способы повышения выхода эфиров. Как может протекать реакция этерификации, если минеральная кислота одинаково протонирует и спирт, и кислоту, приводя к образованию двух катионов – оксониевого и карбониевого?
56 5. Зависимость скорости реакции этерификации от строения спирта
(первичный, вторичный, третичный. Дайте названия соединениям H
3
COSO
2
OC
2
H
5
; CH
3
OSO
3
H; H
3
COCH
3
;
H
3
C-C(О)-OC
3
H
7
Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей и ЛВЖ, сушка жидкостей, выбор агента для осушения сложных эфиров.
Методика синтеза
Исходные соединения
Муравьиная кислота мл
Этанол 96 %
39 мл
Серная кислота (конц) 5 мл
Вещества помещают в круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, и кипятят один час на водяной бане. Далее с помощью насадки к колбе присоединяют нисходящий холодильники отгоняют образовавшийся эфир до максимального подъема температуры. Перегонку прекращают после падения температуры на 3—4 С. Полученный дистиллят промывают небольшим количеством 10 го раствора соды (15 мл),
затем водой (15 мл. Отделенный эфирный слой помещают всухую колбу и высушивают хлоридом кальция. Эфир перегоняют, собирая фракцию, кипящую при температуре 52—54 °С.
Вопросы по методике синтеза. Для чего сложный эфир промывают раствором соды Почему нельзя промывать его щелочью. В каком слое при промывании находится этилформиат?
3. Чем объясняется кипение этилформиата при более низкой в сравнении с исходными соединениями температуре. Определение теоретического выхода этилформиата.
5. Техника безопасности при работе с органическими карбоновыми кислотами, серной кислотой и легковоспламеняющимися жидкостями. Тушение горящего этилового спирта, муравьиной кислоты и этил- формиата. Ацетанилид
Разделы курса Амины и амиды. Сравнение свойств и реакций. Ангидриды и хлорангидриды карбоновых кислот.
Вопросы по теории. Оцените основность анилина и ацетанилида. Сравните нуклеофиль- ность анилина и фенола. Механизм ацилирования первичных ароматических аминов уксусным ангидридом. Другие ацилирующие агенты и применение ацильной защиты для аминогрупп в ароматических соединениях
57 3. Роль кислотного катализа в реакциях ацилирования низкоосновных аминов и фенолов. Выделите среди представленных аминов первичные, вторичные и третичные Н (C
2
H
5
)
3
N; (C
2
H
5
)
3
CNH
2
; (CH
3
)
3
N
+
C
4
H
9
X
–
5. Дайте названия соединениям 6. Представьте схему получения бензамида из этилбензола. Напишите для ацетанилида схемы основного и кислотного гидролиза. Амидом какой кислоты является мочевина?
Методы работы очистка твердых органических соединений с помощью перекристаллизации, определение температуры плавления.