Practische aspecten van een chemische synthese. September 2013

Transcriptie

1 Practische aspecten van een chemische synthese September

2 WAT IS HET DEL VAN EEN SYNTHESE? Het in handen krijgen van een gewenste verbinding. Wanneer deze onbekend is. Wanneer deze bekend is, maar niet te koop. Wanneer deze bekend is, te koop is, maar te duur is. Wanneer deze bekend is, te koop is, niet te duur is, maar de bestaande syntheseroutes voldoen niet. 2

3 STADIA VAN EEN SYNTHESE 0. Voorbereiding 1. De eigenlijke synthese: vorming van het product 2. De isolatie: het product wordt geïsoleerd uit het reactiemengsel, en gezuiverd 3. De analyse: controle identiteit en zuiverheid 3

4 STADIUM 1: SYNTHESE a x R1 + y R2 P + B R1 en R2: uitgangsstoffen; a: hulpstof(fen) P: product; B: bijproduct(en) STADIUM 0: VRBEREIDING Welke stoffen en reagentia? Welke schaal? Welke verhouding van reactanten? Welke opstelling? Wat zijn de eigenschappen van de uitgangsstoffen? Wat zijn de eigenschappen van de producten? Veiligheidsaspecten? Welke temperatuur? Hoe lang gaat de reactie duren?... 4

5 Uitgangsstoffen a x R1 + y R2 P + B Welke uitgangstoffen en reactanten? Welke hoeveelheden? Welke schaal? Iets in overmaat? (zie practicumhandleiding pagina 8) Welke zuiverheid van de uitgangsstoffen? 5

6 Zuiverheid van uitgangsstoffen Voorbeeld: methanol prijs in L -1 HPLC grade > 99.9 % synthesekwaliteit (98%) watervrij > 99.8 % UV-Vis grade CH 3 D 961 CD 3 D 3555 CD 3 H CH 3 D, <1% Zuiverder is niet per se beter, doorgaans wel duurder. 6

7 Bulk water Water is vrijwel overal en kent vele toepassingen bij een synthese. Het wordt bv gebruikt als oplosmiddel tijdens een reactie of bij de opwerking van een reactiemengsel. Voor synthetische doeleinden kan doorgaans kraanwater worden gebruikt. Gedemineraliseerd of gedestilleerd water wordt gebruikt tijdens de synthese van bepaalde anorganische complexen. 7

8 Kleine hoeveelheden water Bv kristalwater (een gedefiniëerde hoeveelheid). xaalzuur komt voor als HC-CH (M w 90,03 g mol -1 ) maar ook als HC-CH.2H 2 (M w g mol -1 ). Veel chemicaliën bevatten sporen water (een ongedefineerde hoeveelheid). Soms stoort een paar procent water niet, maar water kan veel reactiever zijn dan de reactanten. Azijnzuur met 1 massa-% water M w azijnzuur: 60,05; M w water: 18,0 100 g van dit zuur bevat: 99,0 g azijnzuur 1,65 mol 1,0 g water 55,6 mmol dit is 3 mol% water. 8

9 pstelling Refluxopstelling? Dean-Stark Straks labexcursie 9

10 Het reactiemengsel Homogeen met alleen reactanten? f oplosmiddel nodig? Van belang als een bestaand voorschrift wordt aangepast aan andere reactanten, bv een bepaald zuur met een andere alcohol. Soms lost een vaste uitgangsstof op in een vloeibare andere uitgangsstof. Als beide reactanten vaste stoffen zijn, is vaak een oplosmiddel nodig. Het is echter ook mogelijk dat vaste stoffen mengen als ze smelten bij hoge reactietemperaturen. 10

11 Zuur Smeltpunt ( o C) Mierenzuur 8 Azijnzuur 16 Propaanzuur -21 Hexaanzuur -3 ctaanzuur 16 Decaanzuur 31 Dodecaanzuur 43 Alcohol Smeltpunt ( o C) Ethanol -117,3 1-Butanol Hexanol ctanol -15,5 1-Decanol 6 1-Undecanol 16 1-Dodecanol 24 1-Tetradecanol 39 1,4-butaandiol 19 11

12 Katalysator Fisher-verestering wordt door H + gekatalyseerd. Toevoegen van 1 ml geconcentreerd H 2 S 4 volstaat. Doe dit niet bij mierenzuur! H HCH 2 S 4 H 2 + C Een overmaat H 2 S 4 kan ook met alcoholen reageren: H alcohol + alkeen + water 12

13 Andere punten ter overweging Maakt de volgorde van samenvoegen uit? Hoe zit het met zuurchlorides en anhydrides? Temperatuur: verwarmen, of koelen? Wat als een uitgangstof of product vluchtig is (volumeverandering)? Moet zuurstof- en/of watervrij gewerkt worden? Reactietijd? 13

14 STADIUM 2: ISLATIE (PWERKING EN ZUIVERING) a x R1 + y R2 P + B Hoe isoleer je P uit het reactiemengsel? B R1 P katalysator plosmiddel R2 14

15 ACHTERGRND pwerking: isolatie van ruw product uit het reactiemengsel Zuivering: van het ruwe product naar het zuivere product. De opwerking en zuivering zijn erg afhankelijk van de aanwezige componenten na afloop van de reactie. De opwerking en zuivering berusten vaak op een verschil in fysische eigenschappen tussen product en bijproduct(en): o plosbaarheid o Kookpunt/dampspanning o Affiniteit voor andere verbindingen of materialen 15

16 Verschil in oplosbaarheid Extractie/wassen: zouten lossen vaak op in water, organische verbindingen vaak niet. De waterlaag en organische laag kunnen gescheiden worden met een scheitrechter. Het product lost niet op in een bepaald oplosmiddel, de verontreinigingen wel, of andersom. Het product kan geïsoleerd of gezuiverd worden dmv filtratie. 16

17 Verschil in kookpunt/dampspanning Het oplosmiddel is vluchtig, het product niet. Het oplosmiddel kan verwijderd worden met behulp van de rotatiefilmverdamper. Het product en bijproducten zijn alle vluchtig, maar hebben verschillende kookpunten. Het product kan gezuiverd worden dmv (vacuüm)destillatie. 17

18 Een flowschema kan verhelderend werken: Voorbeeld: de synthese van aspirine H + H + H + H H salicylzuur azijnzuuranhydride azijnzuur aspirine (acetylsalicylzuur) 18

19 azijnzuuranhydride salicylzuur, H 2 S 4 synthese 15 min, 60 o C. opwerking acetylsalicylzuur azijnzuur, salicylzuur, H 2 S 4, azijnzuuranhydride afkoelen water toevoegen: acetylsalicylzuur kristalliseert filtreren vaste stof (residu): acetylsalicylzuur (ruw en nat) een weining salicylzuur, azijnzuur, water, H 2 S 4 herkristallisatie (zuivering) acetylsalicylzuur (zuiver) filtraat: wateroplosbaar azijnzuur water, H 2 S 4 salicylzuur 19

20 STADIUM 3: ANALYSE Uiterlijk - klopt de fase (vast, vloeibaar, gas)? - kleur - kristalvorm - (geur en smaak) Fysisch chemische constanten - smeltpunt - kookpunt (bij welke druk?) - brekingsindex (n D ) - dichtheid - optische rotatie 20

21 Spectroscopische eigenschappen - Infraroodspectrum - Nuclear Magnetic Resonance spectrum ( 1 H en 13 C) - massaspectrum - UV-Vis (ultaviolet-visible) spectrum - (andere spectra) 21

22 Chromatografische eigenschappen - dunne laag chromatografie (TLC) - gaschromatografie (GLC) Chemische eigenschappen - gehalte van een zuur d.m.v. titratie - (kleur)reactie H + H + H + H H kleurreactie met Fe 3+ geen kleurreactie met Fe 3+ 22

23 Labexcursie In het lab ga je straks opstellingen bouwen en bekijken. refluxopstelling Dean-Stark waterafscheider destillatie vacuumdestillatie scheitrechter Büchnertrechter 23