Orgaanisen kemian laboratoriotöiden yleisohje

Transkriptio

1 Orgaanisen kemian laboratoriotöiden yleisohje 2006 Ari Koskinen, Petri Pihko, Tiina Putkonen, Päivi Koskinen, Emmi Valkonen, Taina Salo 2007 Aapo Tammisto, Aki Abe

2 Sisällysluettelo Johdanto... 3 Laboratoriopäiväkirja... 3 Aineiden siirtäminen, mittaaminen ja punnitseminen... 7 Astioiden pesu... 8 Erikoistapaukset... 9 Uuden reaktion suunnittelu Reaktion seuranta TLC:n ajaminen Värjäysreagenssit Synteesin päävaiheet Eristyksen ja puhdistuksen yksikköoperaatiot Uutto Kuivaus Haihdutus Puhdistuksen yksikköoperaatiot Tislaus Fraktiotislaus Alipainetislaus Kiteytys Tuotteiden karakterisointi Turvallisuus orgaanisen kemian laboratoriossa: Laboratoriojätteiden käsittely... 52

3 3 Johdanto Orgaanisen kemian laboratoriotyökurssien tarkoituksena on opettaa turvallisia ja siistejä työtapoja sekä oikeita työmenetelmiä. Lisäksi tavoitteena on, että laboratoriossa opitaan kemiaa. Uusia asioita ihminen oppii kaikkein parhaiten käsillään tekemänsä työn avulla ja haluamme osaltamme auttaa tätä oppimisprosessia. Tämän kirjasen tarkoitus on perehdyttää orgaanisen kemian työmenetelmiin ja laboratoriokäytäntöihin. Laboratoriopäiväkirja Laboratoriopäiväkirja ei ole vain työntekijän omaa käyttöä varten, vaan sitä käytetään dokumenttina toisille tutkijoille, jotta he tietäisivät, mitä kyseinen työntekijä on tehnyt. Tarvittaessa muiden tulee voida toistaa kokeet ilmoitettujen ohjeiden perusteella. Laboratoriopäiväkirja on myös laillinen dokumentti tehdystä työstä, joka vaaditaan esim. patenttia puolustettaessa. Muistiinpanot on siis syytä tehdä selkeällä käsialalla. Työohjeen kopioiminen suoraan kirjallisuudesta omiin muistiinpanoihin ei ole hyvä käytäntö se antaa vaikutelman, ettet ole ymmärtänyt, mitä olet tekemässä. Alusta alkaen on syytä opetella siisti, johdonmukainen ja ytimekäs esitystapa, jotta muistiinpanot pysyisivät työn tasalla ja muiden on helppo tarkistaa, miten työ on tehty. Virallinen laboratoriopäiväkirja on kovakantinen A4-kokoinen sidottu kirjanen. Orgaanisen kemian oppilaslaboratoriotöitä varten riittää vihko, josta ei saa revittyä lehtiä irti. Kaikki merkinnät tehdään suoraan kirjaan, ei koskaan irtopaperille tms. myöhempää tiedonsiirtoa varten, koska tärkeät irtolappuset katoavat helposti. Yleensä lyijykynä on sopivin kynä muistiinpanojen tekemiseen, sillä laboratorion hapan ilma tuhoaa vähitellen kuulakärkikynällä kirjoitetun tekstin. Jos päiväkirja on tarkoitettu pysyväksi ja lailliseksi dokumentiksi, on muistiinpanot tehtävä pysyvää jälkeä jättävällä kynällä eli kuulakärki- tai mustekynä. Tällöin päiväkirjaa ei säilytetä laboratoriossa. Muistiinpanot kirjoitetaan vain oikeanpuoleisille numeroiduille sivuille. Vasemmanpuoleiset sivut on varattu suttupaperiksi laskutoimituksia varten. Virheellisiä merkintöjä ei saa pyyhkiä tai sotkea vaan niiden yli vedetään siisti viiva ja korjaukset kirjoitetaan virheen yläpuolelle tai perään.

4 4 Kokeiden raportointi Kokeet raportoidaan alla kuvatulla tavalla. Ennen kokeen aloittamista päiväkirjassa pitää olla merkinnät reagenssitaulukkoon asti. Kokeelle annetaan nimi, esim. Asetofenonin hydratsonin valmistus. Vältä kuitenkin pitkiä IUPAC-nimiä otsikoissa. Kirjoita reaktioyhtälö näkyviin, esim. O CH 3 H 2 NNH 2 KOH HN NH 2 CH 3 Anna kirjallisuusviite, jonka mukaan olet tehnyt työn (jos mahdollista). Sen alapuolelle kirjoitetaan taulukko reagensseista. Taulukkoon laitetaan vain reaktioon osallistuvat yhdisteet. Uutto- ja pesuliuokset, kuivausaineet jne. kirjataan päiväkirjaan asianmukaiseen kohtaan. reagenssi mol.wt. mmol mol-% g(ml) Huom. asetofenoni ,0 g dietyleeniglykoli 60 ml liuotin hydratsiinihydraatti 50, ,0 ml d=1.011; 90% KOH 56, g Kaikki tämä pitää olla tehtynä ennen synteesin aloittamista. Jos reagenssien todelliset määrät poikkeavat lasketuista, yliviiva jälkimmäiset ja kirjoita todelliset määrät niiden yläpuolelle. Voit myös numeroida reagenssit ja käyttää näitä numeroita. Tämän jälkeen kirjoitetaan kokeen todellinen kuvaus. Kokeiden kuvaus kirjoitetaan aina passiivin imperfektiä ja pluskvamperfektiä käyttäen. Esim. Asetofenoni liuotettiin dietyleeniglykoliin 100 ml:n pyörökolvissa, joka varustettiin refluksointilaitteistolla ja lämpömittarilla. Hydratsiinihydraatti ja KOH-rakeet lisättiin ja seos lämmitettiin varovasti kiehuvaksi... Kokeen kuvauksen viereen piirretään kaaviokuva reaktion kulusta ja sen jälkeisistä toimenpiteistä (erotuskaavio, katso esimerkkisivua, s. 6).

5 5 Merkitse päiväys ja kellonaika ylös aina, kun aloitat reaktion, ajat TLC:n, huomaat muutoksia reaktiossa, lisäät reagensseja ja kun sammutat reaktion. Kirjoita ylös sammutusliuos ja uuttoliuos sekä näiden määrät (katso esimerkkisivua, s 6). Kopioi kaikki TLC-levyt päiväkirjaasi 1:1 mittakaavassa niin täsmällisesti kuin mahdollista. Merkitse ylös eluointi- ja visualisointiolosuhteet. Kun saat tuotteen, kirjoita kuvaus siitä: Tuotteeksi saatiin kellertävää nestettä, jonka kiehumispiste on C. Ilmoita puhdistusolosuhteet: esim. kiteytysliuottimet, kiehumispiste ja paine. Merkitse lopuksi muistiin omat tuloksesi: todellinen saanto grammoina, mooleina ja prosentteina sekä kirjallisuuden saanto, jos sellainen on olemassa.

6 6 Esimerkki laboratoriopäiväkirjan sivun ulkonäöstä: 9 March Reduction of Aldehyde BB A21a H H OHC H OBn OBn NaBH4/CeCl3 MeOH, 0 C HO H OBn OBn Ref. Luche, J.-L.; Rodriguez-Hahn, L.; Crabbe, P.J. J. Chem. Soc., Chem. Commun. 1978, 601. MeOH I II III CH 2 Cl 2 aq HCl Substance mw mmol mol-% mg/ml notes I BB A21a p. A21 III NaBH II CeCl 3 (0.4M/MeOH) Aldrich II MeOH ml solvent The aldehyde and CeCl 3 solution in MeOH (25 ml) was cooled to 0 C, then treated with NaBH 4 (in 2 ml MeOH) TLC (20 % EtOAc in hexane): vanillin staining 10 min 30 min aq org BB A23a (red/brown) aq NaHCO 3 dried Na 2 SO 4 BB A23b (blue) product L L+R R L L+R R After 30 min the tlc shows no SM but two products. MeOH was evaporated, CH 2 Cl 2 (30 ml) was added and the mixture was washed with 10 % HCl (10 ml) followed by sat NaHCO 3 (3 x 10 ml), dried (Na 2 SO 4 ) and evaporated to give 210 mg crude (104 %). After separation: BB A23a 27 mg (12 %) BB A23b 140 mg (69%) by NMR by NMR MeO H H OMe OBn OBn Comment: Next time use aqueous solvent - may avoid ketal formation HO H H OBn OBn

7 7 Aineiden siirtäminen, mittaaminen ja punnitseminen Jotta reaktiot onnistuisivat hyvin ja laboratorio säilyisi siistinä ja mahdollisimman hajuttomana: Mieti etukäteen, miten siirrät lähtöaineesi reaktioastiaan. Siivoa heti jälkesi punnituspaikoilta. Käytä oikeanlaisia mitta- ja punnitusastioita. Älä saastuta reagensseja likaisilla välineillä! Sulje aina astiat heti punnituksen jälkeen! Siirrä kemikaalit omaan vetokaappiisi ainoastaan suljetuissa astioissa. Nesteet Liuottimet, useimmat reagenssit Käytä mittalasia (tai ruiskua ja neulaa) Ilma- ja kosteusherkät reagenssit Käytä ruiskua ja neulaa (ja suojakaasua) Jäykät siirappimaiset öljyt Siirretään mieluiten liuoksina Pienet näytemäärät (esim. näytetippa IR:lle) Käytä pasteurpipettiä Ruiskujen käyttö opetetaan laboratoriossa. Pasteurpipettejä käytettäessä on muistettava, että höyrynpaineen tulee antaa tasaantua pipetissä ennen siirtoa. Vedä liuosta pipettiin ja purista ulos muutaman kerran, ennen kuin ryhdyt siirtämään liuosta tai liuotinta pipetillä. Kiinteät aineet, jotka lisätään reaktioastiaan Kiteiset aineet Punnitse spaattelilla pieneen näytepurkkiin tai punnituspaperille (EI dekantterilaseihin!) Vahamaiset tai alhaalla sulavat aineet Siirretään mieluiten liuoksina tai sulatettuina Kiinteiden aineiden punnitsemisesta Kuivina talvipäivinä kiinteiden aineiden punnitseminen voi olla hankalaa. Astiat varautuvat staattisella sähköllä ja aineet saattavat käyttäytyä vastahakoisesti. Staattisen sähkön vaikutuksia voi välttää, jos koskettaa spaattelilla punnitusastiaa ennen aineen siirtämistä. Muoviastioita kannattaa välttää.

8 8 Astioiden pesu Laboratoriotyöskentelyn onnistumisen takaa puhtaus. Kaikki lasiastiat ja muut laitteet on huolellisesti puhdistettava heti käytön jälkeen. Seuraavassa on esitetty hyvien laboratoriokäytäntöjen mukaisia ohjeita. Laboratorion siisteys tuo mukanaan turvallisuutta ja puhtailla astioilla reaktiotkin onnistuvat paremmin. Muista, että vahingot kiertävät: likaiset astiat ja välineet voivat pilata monen muunkin työn ja aiheuttaa jopa vaaratilanteita! Pidä huolta, että muutkin tekevät oman osansa siisteyden eteen. Useimmiten orgaanisen kemian laboratoriossa lasiastioihin kertyy orgaanista likaa ja epäpuhtauksia. Vesi ei välttämättä ole niille paras liuotin. Esipesu Huuhtele huolellisesti kaikki käyttämäsi lasiastiat pienellä määrällä teknistä etanolia jäteastiaan. Tarvittaessa voit käyttää muitakin liuottimia, kuten asetonia tai etyyliasetaattia (käytä näitä vetokaapissa!) Nämä ovat parempia erilaisten rasvojen ja öljyjen irrottamiseen. Rasvat ja öljyt puhdistuvat vain pyyhkimällä astian pintaa etyyliasetaattiin kostutetulla paperipyyhkeellä tai vanupuikolla. Pesu Jos esipesty astia ei ole puhdas, pese se uudestaan liuottimella. Tee viimeinen huuhtelu aina etanolilla, johon liukenee myös pieniä määriä epäorgaanisia suoloja. Jos astia täytyy saada nopeasti kuivaksi, asetonihuuhtelu aivan viimeiseksi auttaa. Vesipesu Jos reaktio on ollut heterogeeninen tai astioissa on ollut suoloja, myös vesipesu saattaa olla tarpeen. Käytä vettä, laboratoriopesuainetta ja tarvittaessa sopivia pesuharjoja. Vältä astioiden naarmuttamista! Pesuharjojen kanssa tulee olla varovainen, ettei puhkaise kolvin pohjaan reikää. Huuhdo pesuaine lopuksi hyvin pois vedellä ja pese vielä kerran etanolilla. Joissakin tapauksissa lievästi happamat (0.1 M HCl) tai emäksiset (0.1 M NaOH) pesuliuokset voivat olla tarpeen. Myös nämä on muistettava huuhdella pois huolella. Happo- ja emäskylvyt Tislausjäännökset ovat usein ongelmallisia tapauksia (polymeerejä ja pahimmassa tapauksessa kärähtäneitä jäännöksiä). Usein liotus sopivalla orgaanisella liuottimella riittää irrottamaan jäännöksen. Hyviä liuottimia ovat etyyliasetaatti ja dimetyyliformamidi. Jos nämä eivät toimi, kannattaa käyttää happo- tai emäskylpyjä (valmistusohjeet saa assistenteilta).

9 9 Erikoistapaukset Ruiskut ja neulat Ruiskut ja neulat on huuhdeltava aina heti käytön jälkeen sopivalla liuottimella (reaktioliuotin) ja inertillä liuottimella (THF, etyyliasetaatti) sekä lopuksi etanolilla tai asetonilla. Seuraavassa taulukossa on annettu ohjeita erityyppisten ruiskujen pesuun. Jos ruiskuissa on ollut organometallireagensseja, on oltava varovainen: reagenssijäämät voivat reagoida kiivaasti veden kanssa ja vesi saattaa saostaa niukkaliukoisia suoloja, jotka tukkivat ruiskun ja neulat. Liuotinhuuhtelun jälkeen kannattaa käyttää laimeaa happoa (0.1 M HCl) veden asemesta. Muista neutraloida happo ruiskusta ennen lopullista pesua! Tukkeutuneita neuloja voi avata ultraäänipesurilla tai teräslangan avulla. Jos ruiskussa on ollut vain liuotinta tai muuta pelkästään orgaanista reagenssia, vettä ei kannata käyttää pesuun ollenkaan. TAVALLISET LASIRUISKUT KAASUTIIVIIT LASIRUISKUT MUOVIRUISKUT 1. Huuhdo liuottimella Huuhdo liuottimella Huuhdo liuottimella (2.) Vesipesu tai 0.1 M HCl Vesipesu tai 0.1 M HCl Vesipesu tai 0.1 M HCl 3. EtOH (tai asetoni) EtOH (tai asetoni) EtOH (tai asetoni) 4. Kuivaus uunissa yön yli, Kuiva eetteri, puhalletaan Kuivataan ilmassa säilytetään eksikkaattorissa kuivaksi argonilla, säilytetään eksikkaattorissa ÄLÄ KUIVAA UUNISSA ÄLÄ KUIVAAUUNISSA Juuttuneet hiokset Lasihiokset voivat juuttua erityisesti vakuumitislauksissa ja reaktioissa, joissa on emäksisiä vesiliuoksia. Jos hiokset ovat juuttuneet kiinni, kevyt taputtelu joka puolelta saattaa riittää. Varo vääntämästä niin kovasti, että astia särkyy! Seuraavana keinona kannattaa kokeilla hioksen kuumentamista kuumailmapuhaltimella (VARO kuumaa lasia!). Tämän tarkoituksena on laajentaa naarashiosta enemmän kuin koirashiosta, jolloin hiosten pitäisi irrota toisistaan. Jos hiokset pysyvät itsepintaisesti juuttuneina, voi joko kokeilla yön yli liotusta jossain pesukylvyssä tai sitten viedä astiat lasinpuhaltajalle hän yleensä onnistuu toivottomiltakin tuntuneissa tapauksissa.

10 10 Kuivaus Anna lasiastioiden ensin kuivua ilmassa. Jos on tarpeen, kuivaus lämpökaapissa ( C) muutaman tunnin ajan tai yön yli riittää. Älä säilytä lasiastioita uunissa! Uuden reaktion suunnittelu Synteetikon tärkeimpiin tehtäviin kuuluu uusien reaktioiden suunnittelu. Joissain tapauksissa kirjallisuudesta löytyy reaktio-olosuhteet reaktiolle, joka läheisesti muistuttaa kehitteillä olevaa reaktiota. Hyvin usein joudutaan reaktio kuitenkin suunnittelemaan aivan alusta. Tällöin käytetään teoriaa, käytännössä opittuja taitoja ja kokemusta hyväksi. Tästä syystä taitavaksi synteetikoksi kehittyminen vie aikaa ja vaatii paljon kokeellista työtä. Seuraavassa on lueteltu hyvän suunnittelun pääkohdat: Suhtaudu kriittisesti kirjallisuuden reaktio-ohjeisiin. Reaktion tulee olla mahdollisimman yksinkertainen toteuttaa. Reaktion tulee olla varmasti toistettavissa. Reaktion saannon tulee olla mahdollisimman korkea. Reaktiossa tulee syntyä mahdollisimman vähän jätettä. Huomioitava ennen uuden reaktion ajoa: Lämpötila Eksoterminen reaktio Käytä jäähdytyshaudetta Lämmitettävä reaktio Käytä vesi- tai öljyhaudetta Tislaus / Kiteytys Käytä vesi- tai öljyhaudetta Sekoitus Homogeeninen reaktio Käytä magneettisekoitusta Heterogeeninen reaktio Käytä mekaanista sekoitusta tai Morton-kolvia. HUOM! Pienessä mittakaavassa tehdyissä reaktioissa (< 10 mmol) magneettisekoitus on yleensä riittävä. Liuottimen valinta Liuottimen valintaan vaikuttavat lähtöaineet, tuotteet ja reaktion siirtymätilat. Valitse liuotin, joka parhaiten stabiloi siirtymätilaa ja / tai tuotetta. Käytä pääsääntöisesti vedettömiä liuottimia. (Jos reaktion voi tehdä vedessä tai vesipitoisessa liuotinseoksessa, vettä kannattaa kokeilla yhtenä vaihtoehtona.) Hydrolyyseissä ei tarvita vedettömiä liuottimia. Suojakaasujen käyttö

11 11 Pyri käyttämään suojakaasuja, kuten argon (Ar) tai typpi (N 2 ). Monet reaktiot ovat hyvin herkkiä sekä ilman hapelle että kosteudelle. Hapetusreaktiot ja hydrolyysit eivät yleensä tarvitse suojakaasua. Mittakaava Kun teet uuden reaktion ensimmäisen kerran, käytä 1 mmol mittakaavaa. Kun toistat reaktiota, kasvata sen mittakaavaa aina enintään 2-3 kertaiseksi,. Konsentraatio Kun teet uuden reaktion ensimmäisen kerran, käytä 10 mm konsentraatiota eli 1 mmol lähtöainetta 10 ml:ssa liuotinta. Reaktion seuranta Kirjallisuudessa ilmoitetut reaktioajat ovat ainoastaan ohjeellisia. Jokaisen reaktion etenemistä on seurattava sopivalla tavalla. Useimmissa tapauksissa reaktio on tapahtunut täydellisesti, kun reagenssit ovat kuluneet loppuun (muista tasapainoreaktiot). Menetelmä, joka valitaan, riippuu reaktiosta ja lähtöaineiden sekä tuotteiden (myös sivutuotteiden) kemiallisesta luonteesta. Ohutkerroskromatografia, TLC (Thin Layer Chromatography) Yksinkertaisin ja useimmiten käytetty menetelmä on ohutkerroskromatografia, TLC, jota pitäisi aina kokeilla ensin. TLC:llä voidaan seurata reaktioiden etenemistä kvalitatiivisesti. Sana kromatografia tulee kreikasta ja tarkoittaa väreillä piirtämistä. Kromatografia perustuu siihen, että eri aineet tarttuvat (adsorboituvat) eri tavoin huokoisiin aineisiin. Kun seos liikkuu (eluoituu) huokoisen aineen (stationäärifaasi) läpi siten, että liuotin (eluentti) ajaa sitä eteenpäin, tapahtuu erottumista. Jotkut aineet adsorboituvat paremmin stationäärifaasiin ja toiset taas huonommin. Ohuella levyllä nämä aineet muodostavat täpliä, jotka vaeltavat sitä pidemmälle, mitä huonommin ne tarttuvat levyn pinnalla olevaan adsorboivaan stationäärifaasiin. Tyypillisesti stationäärifaasina käytetään esim. silikageeliä tai alumiinioksidia, jotka adsorboivat polaarisia aineita hyvin. Mitä polaarisempi aine, sitä lyhyemmän matkan se liikkuu silikalla päällystetyn ohutlevyn pinnalla.

12 12 Sopiva eluentti, stationäärisen faasin väliaine ja detektointitapa valitaan jo ennen reaktion aloittamista. Jokainen TLC piirretään oikeassa mittakaavassa laboratoriopäiväkirjaan. Myös kellonaika, jolloin TLC on ajettu, eluentti ja visualisointitapa merkitään ylös. Ensimmäinen TLC ajetaan heti, kun reagenssit on lisätty reaktioastiaan. Tämä on reaktion alkupiste. Toinen TLC otetaan noin minuuttia reaktion alusta, ja tämän jälkeen sopivin väliajoin. Viimeiset kaksi TLC:tä ajetaan juuri ennen reaktion sammuttamista ja ylöstyöskentelyä (reaktion loppupiste) ja heti ylöstyöskentelyn jälkeen. Muista tarkistaa myös vesifaasi! Huom! Reaktion sammutuksen jälkeen ajettavalle levylle tulee neljäs täplä, joka otetaan uuton vesifaasista. TLC-levyt TLC-levyillä on olemassa pääasiassa kahdenlaisia päällysteitä: piidioksidi (silika) ja alumiinioksidi (alumina). Silikalevyt ovat yleisimmin käytettyjä. Ne ovat lähes neutraaleja ja sopivat monenlaisten aineiden ajamiseen. Aluminalevyt ovat emäksisiä, ja niitä käytetään emäksisten, huonosti silikalla liikkuvien aineiden analysoinnissa. Yleisesti käytetyt TLClevyt ovat alumiinilevyjä, jotka on päällystetty 0,25 mm:n kerroksella silikaa (ja tavallisesti fluoresoivalla UV-indikaattorilla, joka sisältää Zn-reagensseja). Eluentin valinta Sopivan liuottimen valinta vaatii aina tietynlaista vaistoa ja vaatii harjoittelua. Yhdisteiden eluoitumisjärjestys riippuu niiden polaarisuudesta suhteessa eluentin polaarisuuteen. Pyritään valitsemaan sellainen eluentti, jolla toivotun tuotteen Rfarvoksi saadaan (ks. R f-arvo, alla). Näytteiden aplikointi Kun reaktiota seurataan, yhdelle levylle aplikoidaan aina vähintään kolme näytettä: L) lähtöaine, L+R) lähtöaineen ja reaktioseoksen co-spot ja R) reaktioseos. Valmista lähtöaineesta referenssi liuottamalla sitä (1-10%) johonkin alhaalla kiehuvaan liuottimeen (esim. CH 2Cl 2 tai Et 2O). Näytteiden aplikoinnissa käytetään ohutta lasikapillaaria (valmistetaan itse). Täplien visualisointi Näytteet saadaan näkyviin TLC-levyillä kolmella yleisesti käytetyllä menetelmällä. Mitä tahansa näistä tavoista voidaan käyttää, mutta niitä pitäisi kokeilla alla olevassa järjestyksessä. 1. Levyä voidaan katsoa ultraviolettilampun alla, jolloin UV-aktiiviset täplät näkyvät. 2. Levy voidaan värjätä jodilla.

13 13 3. Levy voidaan käsitellä jollain värjäysreagenssilla. Aineiden käyttäytymistä TLC levyllä tietyllä liuotinsysteemillä merkitään R f-arvolla: R f = Täplän keskipisteen etäisyys lähtöviivasta Liuottimen etäisyys lähtöviivasta Muistettavia asioita: Kylmässä tilassa suoritettavan reaktion (< -20 o C) todellista tilaa ei voida määrittää TLC:llä, koska näyte lämpenee kapillaarissa. Ionien reaktioita ei voi suoraan seurata TLC:llä. Näytteelle on suoritettava mini - sammutus ja uutto. Huom! Näytteen applikointi levylle suoraan tällaisesta reaktiosta vastaa hapanta reaktion sammutusta. Hyvin happoherkät yhdisteet saattavat tuhoutua silikalevyllä. Helposti haihtuvat yhdisteet saattavat haihtua. Korkealla kiehuvat liuottimet voivat vaikuttaa eluointiin. Varmista, että liuotin on kokonaan haihtunut tai suorita mini - ylöstyöskentely. TLC ei ole aina paras tai ainoa menetelmä. Yhdessä TLC:n kanssa tai yksistään voit käyttää seuraavia menetelmiä. Infrapuna- ja ultraviolettispektrometria (IR ja UV) IR ja UV ovat erinomaisia menetelmiä funktionaalisten ryhmien muutosreaktioiden seuraamisessa, esim. alkoholin reaktio karbonyyliksi. Molemmat ovat nopeita ja helppoja ajaa. Menetelmät ovat kvalitatiivisia ja sivureaktiot ja/tai reagenssit saattavat häiritä ajoa. IR:n ja UV:n käytöstä on kerrottu tarkemmin monisteen lopussa tuotteiden karakterisoinnin yhteydessä. TLC:n ajaminen TLC-levyt ajetaan ja värjätään aina vetokaapissa! 1. Ajoastia TLC:n ajoastiana voidaan käyttää erityisesti tarkoitukseen suunniteltua säiliötä, sopivaa kannellista lasipurkkia. Oppilaslaboratoriossa käytetään ajoastiana

14 14 lasipurkkeja (esim. pilttipurkit). Sillipurkit tai voimakkaasti maustettuja aineita sisältäneet purkit eivät kelpaa. Kaada astian pohjalle liuotinta n. 3 mm kerros. Vuoraa osa astiasta suodatinpaperilla, jotta astian sisäpuoli tasapainottuu nopeammin liuottimen höyrynpaineeseen. Sulje kansi ja anna seisoa, kun valmistelet TLC-levyn. Kuva 1. Erilaisia ajoastioita 2. Levyt Orgaanisen kemian laboratoriossa TLC levyt on leikattu 5 cm 20 cm kokoisiksi levyiksi. Jokainen levy leikataan sopivan levyiseksi palaksi; kolmelle tai neljälle näytteelle sopiva leveys on 3 cm (korkeus aina 5 cm). Käsittele levyjä varoen, jotta et tuhoa silikakerrosta levyn pinnalla tai likaa sitä. Varo erityisesti murtamasta tai taittamasta levyä. Mittaa n. 7 mm pohjasta, ja piirrä lyijykynällä poikkiviiva tälle korkeudelle. Älä paina kynällä liikaa, jotta levyn pinta ei hajoaisi. Merkitse pisteillä viivan kohdalle näytteiden paikat Merkitse viivan alle näytteiden nimet: L = lähtöaine, L + R = seostäplä, R = reaktio. Jätä tarpeeksi tilaa näytteiden väliin äläkä laita näytettä liian lähelle reunaa; noin 4 näytettä mahtuu 3 cm leveälle levylle. Käytä lyijykynää.

15 15 Kuva 2. TLC levyn valmistelu 3. Näytteiden aplikointi Aplikoi näyte levylle. Jos näyte ei ole liuottimessa, liuota noin 1 mg näytettä muutamaan pisaraan haihtuva liuotinta, kuten heksaani, etyyliasetaatti tai dikloorimetaani. Yleisesti 1 % pitoisuus (1g/100 ml) on hyvä näytteen pitoisuus TLC-analyysiä varten. Liuos aplikoidaan TLC-levylle kapillaarilla. Oppilaslaboratoriossa ja orgaanisen kemian laboratoriossa yleensäkin käytetään pipetistä itse valmistettuja kapillaareja. Kasta kapillaari näyteliuokseen. Varmista, että kapillaarissa on liuosta. Kosketa kapillaarilla TLC levyä niin, että levylle syntyy pieni täplä (enintään 3-4 mm halkaisijaltaan). Kosketa levyä niin monta kertaa, että kapillaari on tyhjä. Kuva 3. Näytteen aplikointi 4. Kehitä levy Käytä pinsettejä! Aseta TLC-levy pystyssä kehitysastiaan (aplikoidut täplät alas!) ja sulje kansi. Varmista, että liuotinpinta jää viivan alapuolelle. Jätä astia rauhassa vetokaappiin.

16 16 Kuva 4. TLC levyn kehitys. Anna liuotinrintaman nousta, kunnes se on enää puolen sentin päässä levyn yläreunasta. Poista levy kehitysastiasta ja merkitse lyijykynällä viiva liuotinrintaman kohdalle. Kuva 5. TLC levy poistetaan ajoastiasta Anna liuottimen haihtua levyltä. 5. Visualisoi täplät Merkitse värilliset täplät lyijykynällä ympäröimällä ne. 6. Katso levyä UV lampun alla. Ympäröi UV-aktiiviset täplät. Älä katso suoraan UV-lamppuun.

17 17 Kuva 6. Visualisointi UV-lampun alla 7. Värjää levy sopivalla värjäysreagenssilla. niisto dippaus lämmitys lopputulos Kuva 7. TLC levyn värjäys

18 18 Värjäysreagenssit Muista merkitä kaikki täplät TLC levylle, kun käytät ei-pysyvää visualisointimenetelmää. Värjääminen jodilla I2 Jodi värjää useimmat yhdisteet, joilla on jokin funktionaalinen ryhmä, joten se on erityisen hyvä tyydyttymättömien yhdisteiden värjäämiseen. Tämä menetelmä ei jätä pysyvää väriä; jodi haihtuu muutamassa minuutissa. Haihtumista voidaan nopeuttaa varovaisella kuumennuksella. Jodia käytetään usein sen jälkeen, kun TLC:tä on katsottu UV:n alla ja ennen kuin se värjätään pysyvillä värjäysreagensseilla. Jodi saattaa häiritä joitakin värjäysreagensseja, joten sitä ei kannata käyttää jokaiselle levylle. Valmistus: Pane muutama jodikide ja 2 teelusikallista hiekkaa lasiastiaan, jossa on tiivis kansi. Käyttö: Laita TLC levy hiekka-jodi astiaan ja pyöritä astiaa ympäri muutaman kerran. Täplät värjäytyvät eri sävyisiksi ruskeiksi. Kun olet merkinnyt värjäytyneet täplät, jätä levy vetokaappiin haihtumaan tai lämmitä levyllä kunnes jodin ruskea väri katoaa. Huom! Jodihöyryt ovat myrkyllisiä. Muista pitää astia huolellisesti suljettuna ja työskentele aina vetokaaapissa. Värjääminen liuoksilla Värjäysliuoksia käytetään UV:n (ja jodin) jälkeen, koska ne ovat pysyviä: värjäytyminen on kemiallisesti irreversiibeliä ja visualisointi muilla keinoilla on mahdotonta liuosten jälkeen. Värit eivät kuitenkaan ole pysyviä, vaan häviävät ajan kanssa. Levyistä on piirrettävä kopio 1:1 laboratoriopäiväkirjaan heti värjäyksen jälkeen. Huom! Jos levyllä ei näy jotakin, se ei tarkoita, ettei sitä ole levyllä! On tärkeä valita oikea värjäysreagenssi reaktiota varten. Väri on seurausta TLC-levyllä olevien komponenttien ja värjäysreagenssin välisestä kemiallisesta reaktiosta, joten värjäys tapahtuu vain, jos reaktio tapahtuu. Jos reaktiossa on kemiallisesti hyvin erilaisia yhdisteitä, täytyy ajaa kaksi tai useampia TLC-levyjä yhtäaikaa ja värjätä ne eri reagensseilla. Värjäysreagenssit säilyvät rajallisen ajan (kuukaudesta muutamaan kuukauteen). Niitä säilytetään aina tummissa lasiastioissa, joissa on tiiviit kannet. Kun reagenssi vaihdetaan, astia on pestävä huolellisesti ja valmistuspäivä merkittävä astiaan.

19 19 Käyttö: Anna liuottimen (eluentin tai I2) haihtua levyltä. Pitele levyä yläkulmasta pinseteillä, kasta levy kokonaan väriin ja nosta se nopeasti pois. Pyyhi levyn reuna paperiin ylimääräisen värin poistamiseksi ennenkuin kuumennat sitä levyllä. Älä ylikuumenna! Eri täplät reagoivat eri nopeuksilla värjäysreagenssien kanssa riippuen niiden kemiallisesta luonteesta. Seuraa kuumennusta huolellisesti. Jotta levyt eivät sotkisi paikkoja, kannattaa levyjen tausta pyyhkäistä kostealla paperilla värjäyksen jälkeen puhtaaksi. Yleisiä TLC-värjäysreagensseja Kaikki vaativat kuumennusta. Fosfomolybdeenihappo (Phosphomolybdic acid, PMA) Hyvä yleinen reagenssi hapettuville aineille, erityisesti ei-haihtuville alkoholeille. Sinivihreät täplät. Valmistus: 5.0 g fosfomolybdeenihappoa liuotetaan EtOH:n (100 ml). Säilytys: Valolta suojattuna. Pidä kansi tiukasti suljettunsa. Säilyy < 1 kuukausi. Hapan fosfomolybdeenihappo (Hapan PMA) Hyvä yleisreagenssi. Valmistus: 2.3 g fosfomolybdeenihappoa liuotetaan tislattuun veteen (90 ml). Lisätään varovasti väkevää rikkihappoa (4.5 ml) sekä 85% fosforihappoa (1.5 ml). Säilytys: Tiiviisti suljettu, valolta suojattu lasiastia. Anisaldehydi Hyvä yleisreagenssi, joka antaa erilaisia värejä. Täplät katoavat nopeammin kuin PMA:lla värjätyt. Valmistus: 2.8 ml anisaldehydiä liotetaan etanoliin (100 ml) ja lisätään varovasti väkevää rikkihappoa (2 ml) ja jääetikkaa CH3COOH (1.2 ml). Säilytys: Valolta suojattuna. Varastoliuos säilyy ainoastaan kylmässä. H 2 SO 4 Hyvä yleisreagenssi. Valmistus: 5 ml konsentroitua rikkihappoa etanoliin (100 ml) Säilytys: Tiiviisti suljettu tumma lasiastia.

20 20 Vanilliini Hyvä yleisreagenssi, joka antaa erilaisia värejä. Valmistus: 2.4 g vanilliinia liuotetaan etanoliin (100 ml) ja lisätään varovasti väkevää rikkihappoa (2 ml) sekä väkevää etikkahappoa (1.2 ml). Säilytys: Tummassa lasiastiassa. Cerium fosfomolybdeenihappo (Cerium PMA) Valmistus: 2.0 g fosfomolybdeenihappoa sekä 1.0 g cerium(iv)sulfaattia liuotetaan tislattuun veteen (90 ml). Lisätään varovasti väkevää rikkihappoa (10 ml). Säilytys: Tummassa lasiastiassa. Tyydyttymättömät yhdisteet: Permanganaatti Useimmat alkeenit ja alkyynit värjäytyvät nopeasti (keltainen täplä). Aldehydit ja alkoholit värjäytyvät myös keltaisiksi, mutta ketonit ja monet esterit saadaan näkyviin vasta kuumennuksen jälkeen tai muutaman minuutin kuluttua. Valmistus: KMnO 4 (0.9 g) + K 2CO 3 (6 g) + 1M NaOH (1.5 ml) laimennetaan veteen (90 ml). Reaktio: HO OH KMnO H 2 O MnO KOH Erikoisvärjäysreagenssit: Nämä värit eivät vaadi aina lämmittämistä. Varovainen lämmitys antaa kuitenkin usein paremman tuloksen. Aldehydit ja ketonit: 2,4-dinitrofenyylihydratsiini (DNP) VAROITUS: 2,4-dinitrofenyylihydratsiini on myrkyllistä. Käsittele reagenssia erityisen huolellisesti. Jätä reagenssilla värjätyt levyt vetokaappiin omaan astiaansa ja piirrä levy työpäiväkirjaasi värjäyspisteen luona. Oranssit täplät. Hyvin nopea reaktio aldehydien kanssa, jotkut estyneemmät ketonit voivat reagoida hitaammin. Valmistus: 0.6 g DNP:ta liuotetaan etanolin (60 ml) ja veden seokseen (24 ml), ja lisätään väkevää rikkihappoa (18 ml)

21 21 Reaktio: R C R' O 2 N O + HN NO 2 H 2 N H + R R' HN N O 2 N NO 2 2,4-dinitrofenyylihydratsiini + H 2 O Amiinit: Ninhydriinireagenssi Primääriset amiinit värjäytyvät kellanoransseiksi (tai keltaiseksi) ja sekundääriset amiinit värjäytyvät punaisiksi melkein heti. Valmistus: 1.0 g ninhydriiniä liuotetaan etanoliin (100 ml) ja lisätään 0,2 ml jääetikkahappoa. Reaktio: O R O O OH OH H + O OH R-NH 2 O NH 2 OH O NH + R keltainen O ninhydriini O RR -NH O O R N R OH 2 O O R N R punainen

22 22 Synteesin päävaiheet Oheinen kaavio kuvaa synteesin kulkua ja ainetasetta pääpiirteittäin. Orgaanisen synteesin ainetase Puhdas aine Karakterisointi: TLC R f, sp., kp., [a] D, n D 20, UV, IR, NMR ( 1 H, 13 C) Alkuaineanalyysi Tarkka massa (HRMS) Reagenssit Reaktio! Reaktion seuranta: TLC, GC, HPLC, NMR Reaktioseos Reaktion sammutusliuos Sivutuotteet Puhdistus: tislaus, kiteytys tai kromatografia Eristys uuttamalla liukoisuuden ja/tai pk a :n perusteella (erotuskaavio) -emäliuokset -tislausjäännökset -liuotinjäte Raakatuote (epäpuhdas tuote) suolat Saanto lasketaan aina puhtaan tuotteen ainemäärästä. Uudet aineet karakterisoidaan täydellisesti. Raakatuotteen perusteella laskettu raakasaanto kuvaa eristyksen tehokkuutta. Kaikkia reaktioita ei tarvitse sammuttaa eikä uuttaa! Jos tuote voidaan kiteyttää tai tislata suoraan reaktioseoksesta, sammutusta ja uuttoa ei tarvita. Synteesin suorittaminen Synteesin teko voidaan jakaa kahdeksaan vaiheeseen: 1. Alustavat työt: Tutustu lähtöaineisiin ja reaktion suorittamiseen ja alusta laboratoriopäiväkirja (reaktiokaavio, ainetaulukko). 2. Kokoa laitteisto. 3. Liuota lähtöaineet reaktioliuottimeen reaktiokolvissa. (Normaali lisäys; joskus käytetään myös käänteistä lisäysjärjestystä, jolloin lähtöaine lisätään reaktioasiassa oleviin reagensseihin). 4. Lisää huoneenlämmössä lisättävät reagenssit. 5. Säädä reaktiolämpötila ja sekoitusnopeus. 6. Lisää reagenssit ohjeen mukaisesti. 7. Seuraa reaktion edistymistä (esim. TLC).

23 23 8. Kun reaktio on saavuttanut toivotun edistymisasteen (lähtöaine kulunut kokonaan, tuotejakauma toivottu, sivutuotetta alkaa syntyä tms kriteeri), on aika tehdä päätös reaktion pysäyttämisestä. (ks. alla erillinen kohta reaktion pysäyttämisestä) Reaktion jälkeen kolvissa on reaktioseos, joka sisältää päätuotteen, erilaisia sivutuotteita, reagoimattomia lähtöaineita, liuottimia ja muita mahdollisia epäpuhtauksia (mm. suoloja) eli kaiken mitä olet reaktiokolviin laittanut ja mitä reaktiot ovat tuottaneet. Reaktioissa käytettävä sekoitus Sekoituksella on useimmissa orgaanisissa synteeseissä varsin tärkeä tehtävä: sen avulla voidaan lyhentää reaktioaikaa, parantaa lopputuotteen määrää, edistää reaktion käynnistymistä ja estää ylikuumenemista. Magneettisekoitusta voidaan käyttää, kun reaktio tehdään pienessä mitakaavassa ja reaktioseos on homogeeninen. Reaktioseosten kuumentaminen ja jäähdyttäminen Jos reaktiossa tarvitaan sekoituksen lisäksi kuumennusta (palautuskeittoa eli refluksointia) on laitteisto varustettava palautusjäähdyttimellä. Reaktiosta riippuen voidaan kuumennukseen käyttää joko vesi- tai öljyhaudetta. Lämmityksen tulee olla tasaista, sillä pyöreäpohjaisen kolvin pistemäinen kuumennus saattaa rikkoa koko astian. Monet orgaanisen kemian reaktiot voivat olla liian hitaita tai liian kiivaita huoneenlämpötilassa. Tämän vuoksi reaktioseoksen lämpötilaa on voitava kontrolloida. Lämpötilan kohottaminen lisää reaktionopeutta ja alentaminen vastaavasti hidastaa. Kuumennettaessa reaktioseosta tai tislattaessa on huolehdittava siitä, että ylikuumenemista ei pääse tapahtumaan!

24 24 vesi palautusjäähdytin vesi kolvi haude magneett magneettisekoitin Kuva. Refluksointi laitteisto ÄLÄ KOSKAAN LÄMMITÄ SULJETTUA LAITTEISTOA! Kuumennushauteet Jos liuotin on alhaalla kiehuva neste (esim. eetteri), voidaan käyttää vesihaudetta (+keittolevyä). Yleensä paras haude on öljyhaude (parafiiniöljy) noin 220 C:een saakka. Öljyhauteen lämpötilaa on jatkuvasti tarkkailtava. Öljyhauteeseen ei saa päästää vettä. Jos reaktioseoksessa on metallista natriumia, ei vesihaudetta saa missään tapauksessa käyttää. Kylmähauteet Kylmä- tai jäähdytyshauteita tarvitaan mm. seuraavissa tilanteissa: alentamaan reaktionopeutta, estämään reaktion väli- tai lopputuotteen hajoamista ja parantamaan kiteytyksen saantoa. Esimerkkejä kylmähauteista: virtaava kylmä vesi jäähaude (jäitä + vettä) C NaCl/jää (1:3) C

25 25 Reaktion pysäytys Useimmat reaktiot ovat tasapainoreaktioita. Kun reaktiossa on saavutettu toivottu tasapainotila, se on pysäytettävä. Reaktio voidaan pysäyttää: kontrolloimalla reaktioaikaa kontrolloimalla reaktiolämpötilaa (erityisesti endotermiset reaktiot) sammuttamalla Sammutuksen tarkoituksena on sammuttaa vielä jäljelle jääneet reaktiiviset reagenssit neutraloida reaktioseos Yleensä sammutukseen käytetään vesiliuoksia, jotka säätävät (puskuroivat) ph:n lähelle neutraalia (usein lievästi happamaksi tai lievästi emäksiseksi). Tyypillisiä sammutusliuoksia ovat esim. lievästi emäksinen, kylläinen NaHCO3 tai lievästi hapan, kylläinen NH 4Cl. Valitse sammutusliuos siten, että tuote on täysin stabiili lopullisessa ph:ssa. Sekä vesikerroksen että orgaanisen kerroksen ph on hyvä tarkistaa kostealla phpaperilla. Mitä sammutusliuosta käytän? Neutraalit tai vain lievästi happamat/emäksiset reaktiot: Lievästi emäksiset reaktiot: kylläinen NH 4Cl tai vesi (jäähdytä samalla) Lievästi happamat reaktiot: laimea NaHCO 3 (jäähdytä samalla) Happamat tai emäksiset reaktiot: Neutraloi laimealla emäksellä tai hapolla (esim. NaHCO 3, sitruunahappo, fosforihappo) Vahvasti happamat reaktiot sammutetaan usein ensin vedellä, jolloin ylimääräinen happo voidaan uuttaa pois. Tämän jälkeen orgaanisen kerroksen neutraalius varmistetaan lisäämällä natriumvetykarbonaattia. Kaikkia reaktioita ei välttämättä tarvitse sammuttaa. Mieti, kestääkö tuote vettä tai vesiliuosta? Voiko tuotteen tislata tai kiteyttää suoraan reaktioseoksesta? Sammuta kaikki kylmässä tehtävät reaktiot kylmässä! Jäähdytä kuumennetut reaktiot huoneenlämpöön tai jopa sen alle ennen sammutusta. Sammutusliuos tulee aina lisätä hyvin varovaisesti! Jos sammutettaessa kehittyy kaasuja (esim. hiilidioksidia natriumvetykarbonaatista), saattaa olla turvallisempaa kaataa reaktioseos sammutusliuokseen.

26 26 Eristyksen ja puhdistuksen yksikköoperaatiot Sammutuksen jälkeen orgaaniset tuotteet yleensä eristetään uuttamalla eli vesikerros (jonne suolat ym. liukenevat hyvin) erotetaan orgaanisesta kerroksesta (johon tuote on pääsääntöisesti liuennut). Usein orgaanista kerrosta lisäksi pestään erilaisilla liuoksilla, joiden tehtävänä on säätää ph:ta halutuksi ja/tai uuttaa pois happamia tai emäksisiä reagensseja ja sivutuotteita. Uutto Uutto on tavallisin toimenpide reaktion suorittamisen jälkeen. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että orgaaniset yhdisteet liukenevat paremmin orgaanisiin liuottimiin ja vastaavasti epäorgaaniset yhdisteet veteen. Synteesissä on usein epäorgaanisia aineita: happoja, emäksiä, suoloja, katalyyttejä tai reagensseja, jotka on erotettava reaktioseoksesta, useimmiten uuttamalla, ennen jatkopuhdistusta. Suoritus: 1. Valitse uuttoon kaksi lähes toisiinsa liukenematonta nestettä (esim. eetteri/vesi). Reaktioseoksen eri komponentit jakautuvat liukoisuuksiensa perusteella jompaan kumpaan liuotinkerrokseen. Syntyy liukoisuuksien tasapainotila. 2. Valitse erotussuppilo nestemäärien mukaan. Erotussuppilon tulee olla tilavuudeltaan n. kaksi kertaa uutettavan liuoksen ja uuttoliuoksen yhteenlaskettu tilavuus. 3. Siirrä reaktioseos erotussuppiloon. Huuhtele reaktiokolvi pienellä määrällä käyttämääsi orgaanista liuotinta. 4. Tarkista orgaanisen ja vesifaasien suhteelliset määrät. Tarvittaessa voit lisätä orgaanista liuotinta tai sammutus- tai pesuliuosta. 5. Sulje tulppa. 6. Käännä suppilo ylösalaisin ja avaa hana varovasti. Erotussuppilosta saattaa tällöin vapautua kaasuja. 7. Sulje hana. 8. Ravista kerran ja toista kohdat Ravistele voimakkaasti useita kertoja, ja toista kohdat Aseta erotussuppilo statiivirenkaaseen, poista tulppa ja odota kunnes faasien rajapinta on kirkas.

27 27 Erotussuppilo jätetään seisomaan muutamaksi minuutiksi, jotta eri liuoskerrokset erottuisivat selvästi toisistaan. Joskus syntyy emulsio eli eri liuottimet eivät eroa selvästi toisistaan. Emulsio syntyy helposti varsinkin silloin, kun vesifaasi on emäksinen. Sen hajoamista voidaan nopeuttaa seuraavilla toimenpiteillä: kyllästetään vesifaasi NaCl:lla lisätään reaktioseoksessa olevaa liuotinta heilutetaan samalla pyörittäen (ei ravistelua) jätetään erotussuppilo seisomaan esim. yön yli Kun liuosten rajapinta on selvästi havaittavissa, alempi kerros lasketaan johonkin astiaan! Koskaan ei pidä laskea luulemaansa vesikerrosta suoraan viemäriin. Jos on epävarma, kumpi on vesikerros, kannattaa asia varmistaa yksinkertaisella kokeella: tiputetaan muutama pisara jompaakumpaa liuotinta erotussuppiloon ja katsotaan kumpaan faasiin pisarat asettuvat. 11. Ota molemmat kerrokset talteen. Valitse faaseista käsiteltävä faasi: tavallisesti peset orgaanista faasia vesiliuoksilla tai uutat vesifaasista tuotettasi orgaaniseen faasiin. Jos orgaaninen liuottimesi on raskaampaa kuin vesi, se on myös alempi faasi, jolloin joudut siirtämään sen Erlenmeyer-kolvin kautta takaisin erotussuppiloon. 12. Palaa kohtaan 3. Uuta mieluummin usealla erällä orgaanista liuotinta kuin käyttämällä koko liuotinmäärä kerrallaan, jotta lopputuote saataisiin mahdollisimman hyvin talteen. Nyrkkisääntö: Uuton kokonaisliuotinmäärä on kaksi kertaa alkuperäisen uutettavan liuoksen määrä. Jokaisella uuttokerralla käytettävän liuottimen määrä puolitetaan. Mittaustarkkuudeksi riittää hyvin Erlenmeyereiden asteikko. Mikäli et ole varma onko tuote uuttunut orgaaniseen kerrokseen, aja TLC molemmista kerroksista. Pieni levy (3x4 cm) riittää. Ravistelussa saattaa kehittyä ylipainetta. Ylipainetta syntyy erityisesti tilanteissa, joissa vapautuu kaasuja, esim. CO 2, kun hapanta reaktioseosta pestään natriumkarbonaattiliuoksella. Ylipaineen estämiseksi ravistellaan ensin varovasti; erityisesti CO 2:n kehitys vaatii, että paine saa laueta välillä. Vasta sen jälkeen, kun ylipainetta ei synny, ravistellaan voimakkaasti.

28 28 Uuton vaiheita: Paineen tasaus (hana auki) Hana kiinni ja ravistelu Kerrokset erottumassa Kerrokset erottuneet

29 29 erotussuppilo vesifaasi (tai orgaaninen faa orgaaninen faasi (tai vesifaasi) erla Faasin talteenotto Aktiivinen uutto Edellä kuvattu uuttaminen kahdella eri liuottimella perustuu aineiden liukoisuuksien eroon eri liuottimien välillä. Yleensä haluttu päätuote liukenee paremmin orgaaniseen liuottimeen. Aktiivinen uutto perustuu siihen, että komponentit reagoivat liuottimen kanssa; useimmiten syntyy suola. Yleensä suolat ovat vesiliukoisia, mikä tarkoittaa sitä, että orgaaninen aine (happo tai emäs) muodostaessaan suolan siirtyy aktiivisessa uutossa vesifaasiin. Kun eri kerrokset on erotettu toisistaan, voidaan orgaaniset komponentit erottaa vesifaasista tekemällä se joko happamaksi (2 M HCl) tai emäksiseksi (2 M NaOH) riippuen synteesistä. Esimerkki: 1-fenyylietyyliamiinin erottaminen asetofenonista Reaktioseoksesta, jossa on 1-fenyylietyyliamiinia NH 3 Cl O (hydrokloridisuolana) ja asetofenonia voidaan + asetofenoni uuttaa pois tolueenilla, jolloin 1- liukenee veteen NaOH liukenee tolueeniin (uutetaan pois) fenyylietyyliamiinin HCl-suola jää vesiliuokseen. Kun vesiliuos tehdään emäksiseksi, 1-fenyylietyyliamiini. HCl deprotonoituu (pk a n. 10) ja vapaa amiini voidaan tislata NH 2 tai uuttaa pois vesiliuoksesta asetofenonin häiritsemättä.

30 30 Kuivaus Orgaaniset uutteet täytyy kuivata ennen haihdutusta. Kuivauksella on kaksi päätehtävää: poistaa orgaanisessa faasissa mahdollisesti pisaroina olevat suolaliuokset, jotta raakatuotteeseen ei jäisi mitään vesifaasista peräisin olevia aineita imeä itseensä suurin osa orgaaniseen faasiin liuenneesta vedestä. Vesi voi aiheuttaa räiskymistä haihdutettaessa ja pahimmassa tapauksessa raakatuotteeseen jää vettä pisaroina. Veden haihduttaminen on aina hankalampaa ja hitaampaa kuin tyypillisten orgaanisten liuottimien haihduttaminen. Yleensä kuivausaineina käytetään natriumsulfaattia (Na2SO4) tai magnesiumsulfaattia (MgSO 4). Nämä muodostavat nopeasti veden kanssa huoneenlämmössä stabiileja hydraatteja (esim. Na2SO4. 10H2O), mutta eivät liukene käytännössä lainkaan orgaanisiin liuottimiin (poikkeuksena alkoholit). Hydraatit hajoavat kuumennettaessa, joten natriumsulfaattia tai magnesiumsulfaattia ei voi käyttää tislauksen yhteydessä. Magnesiumsulfaatti on heikko Lewis-happo. Yleiskäyttöön kannattaa sen vuoksi käyttää natriumsulfaattia. Suoritus 1. Lisää kuivattavaan liuokseen (uutteeseen) n. 1-2 teelusikallista (n. 3-6 grammaa) natriumsulfaattia / 100 ml kuivattavaa liuosta. 2. Pyöräytä astiaa varovaisesti. Jos natriumsulfaatti paakkuuntuu astian pohjalle tai pohjalla näkyy vielä pisaroita, lisää vielä 1-2 teelusikallista natriumsulfaattia. Kuivausainetta on tarpeeksi, kun seoksessa ei enää näy pisaroita. 3. Odota 5-10 minuuttia. Tällä välin voit valmistella kuivausaineen suodatuksen. 4. Paina kartiomaiseen lasisuppiloon pieni sormenpään kokoinen pumpulituppo tiiviisti, mutta ei liian tiiviisti, kiinni esim. spaattelilla.

31 31 5. Valitse haihdutuskolviksi sellainen kolvi, jonka tilavuus on vähintään kaksinkertainen kuivatun liuoksen tilavuuteen nähden. Tue kolvi kouralla ja aseta suppilo kolviin. HUOM: Suppilon ja kolvin kaulan väliin tulee jäädä ilmarako! 6. Suodata kuivausaine pois pumpulin läpi. Kun kaadat liuosta suppiloon, varo nesteen mukana tulevia kuivausainepaakkuja, jotka saattavat räiskyttää liuosta. 7. Huuhtele astiat ja kuivausaine 3-4 kertaa pienellä määrällä uuttoliuotinta. Voit tarkistaa TLC:llä, jäikö kuivausaineen sekaan vielä tuotetta. Haihdutus Kuivauksen jälkeen orgaanisesta kerroksesta voidaan poistaa liuotin joko tavallisella tislauksella, alipainetislauksella tai rotavaporilla (pyöröhaihdutin). Tislaus ja alipainetislaus ovat hyviä menetelmiä, mikäli tuote kestää kuumennusta. Rotavapori on näitä hellävaraisempi menetelmä. Kun liuotin on poistettu, saadaan raakatuote, jota usein joudutaan vielä puhdistamaan eri menetelmillä (esim. tislaus, kiteytys). Raakatuotteen määrä on syytä punnita aina! Näin pystyt seuraamaan reaktion ainetasetta! Rotavapori vastaa nopeutettua alipainetislausta. Magneettisekoituksen asemesta kolvia pyöritetään moottorilla, jolloin lämmönsiirto nopeutuu ja haihtuminen tehostuu. Alipainelähteenä käytetään pumppua.

32 32 Rotavaporin käyttö 1. Tarkasta, että rotavaporissa on roiskesuoja ja että se on puhdas. Tarkasta myös, että keruukolvi on tyhjä. Keruukolvit tyhjennetään liuotinjäteastioihin. 2. Laita rotavaporin vakuumipumppu päälle. Varmista, että pumpun ja rotavaporin välinen venttiili on kiinni. 3. Avaa jäähdytysvesikierto. 4. Kiinnitä haihdutuskolvi rotavaporiin. Käytä muoviklipsiä varmistamaan, ettei kolvi putoa.

33 33 5. Sulje rotavaporin ylähana ja käynnistä pyöritys. Sopiva pyöritysnopeus on n. 60 rpm. 6. Avaa varovasti pumpun ja rotavaporin välinen venttiili. Seuraa paineen alenemista pumpun painemittarista. Jos liuos kuohuu, ole valmiina avaamaan heti rotavaporin ylähana ja sulkemaan pumpun ja rotavaporin välinen venttiili. 7. Laske kolvi vesihauteeseen. Haihdutusta voi nopeuttaa lämmittämällä vesihaudetta (hauteen max. lämpötila n. +35 C). 8. Lopeta haihdutus, kun tislettä ei enää kerry lisää. Päästä ilma hitaasti laitteistoon: Sulje pumpun ja rotavaporin välinen venttiili. Lopeta pyöritys ja avaa rotavaporin ylähana pitäen samalla kiinni kolvista. Sulje jäähdytysvesikierto. 9. Tyhjennä keruukolvit. Pyöröhaihduttajan pumppuosa

34 34 Puhdistuksen yksikköoperaatiot Tislaus lämpömittari tislausvälikappale jäähdytin tislauskolvi vesi vesi tislausmutka haude keräysastia magneettisekoitin Kuva. Tislauslaitteisto Tislaus on käyttökelpoisin menetelmä nesteiden puhdistamiseksi ja sitä käytetään rutiinina liuottimien ja reagenssien puhdistamisessa. Tislauksen käyttö: liuottimen pois haihduttaminen synteesin jälkeen nesteiden erottaminen, kun niiden kiehumispisteet eroavat tarpeeksi toisistaan. Normaalipainetislauksessa kiehumispisteiden eron on oltava 50 o C, jakotislauksessa o C. Lämpöherkät aineet tislataan alipaineessa. nestemäisen aineen puhdistaminen.

35 35 Joitakin turvallisuusohjeita ennen kuin aloitat: Älä koskaan lämmitä suljettua systeemiä. Pidä syttyvät orgaaniset liuottimet kaukana liekistä, kipinälähteistä ja hyvin kuumista pinnoista (kauempana kuin 1,5 m eli eri vetokaapissa). Älä koskaan päästä tislauskolvia täysin kuivaksi. Tarkista, että yhdiste, jonka tislaat on termisesti stabiili. Tislauksen vaiheet 1. Täytä sopivan kokoinen tislauskolvi korkeintaan 2/3-tilavuuden verran. 2. Lisää tislauskolviin magneettisauva (tai keitinkiviä normaalipainetislauksessa). 3. Valitse sopiva lämmityshaude, joko vesi- tai öljyhaude. Hauteen lämpötilan tulee olla n. 20 C korkeampi kuin tislattavan aineen kiehumispiste. 4. Valitse tislattavan aineen kiehumispisteen perusteella sopiva jäähdytys: - kp. alle 120 C: virtaava vesi - kp. yli 120 C: seisova vesi jäähdyttimessä - kp. yli 150 C: ilmajäähdytys, jos on pelättävissä, että tislattava aine kiinteytyy. 5. Aloita lämmitys. Hauteen lämpötilan voi nostaa kohtalaisen nopeasti tislauslämpötilaan (ks. kohta3). 6. Tarkkaile tislautumisnopeutta. Nopeus on hyvä, kun tislettä syntyy n. 1 tippa/sekunti. 7. Jos kiehumispiste on korkea (>150 C), tislausmutka voidaan peittää foliolla. 8. Tislauksessa saadaan eri lämpötiloissa kiehuvia nestemääriä eli jakeita, jotka voidaan jakaa seuraavasti: 1. esi- tai alkutisle = liuotin ja alempana kiehuvat epäpuhtaudet 2. varsinainen tisle 3. jälkitisle = ylempänä kiehuvat epäpuhtaudet 4. tislausjäännös Tislauskolvia ei saa koskaan päästää täysin kuivaksi! 9. Jos seoksen eri komponenttien kiehumispisteet eroavat toisistaan alle 50 C käytetään fraktiointikolonneja (ks. jako- eli fraktiotislaus, alla).

36 36 Fraktiotislaus Yhdisteiden, joiden kiehumispisteet eroavat C, erottamisessa täytyy käyttää laitteistoa, jossa tiivistyminen ja höyrystyminen tapahtuu useita kertoja eli tislauskolonnia. Tislauskolonnissa tapahtuvien tiivistymis- ja höyrystymiskertojen määrää kuvataan käsitteellä teoreettinen pohja. Hyvässä teollisessa tislauskolonnissa teoreettisia pohjia voi olla useita kymmeniä; laboratoriokolonneissa useimmiten kuitenkin vain muutamia. Laboratoriossa käytetään yleisesti Vigreux-kolonnia, jollaisia on käytössä myös oppilaslaboratoriossa. Kolonnina voidaan käyttää myös lasikappaleilla täytettyä lasiputkea, jolloin voidaan saavuttaa parempi erotus. Tällöin kuitenkin pieniä määriä tislattaessa kolonniin jää melko paljon tislattavaa ainetta. Alipainetislaus Monet aineet hajoavat kuumennettaessa kiehumispisteeseen, joten niiden tislaaminen ilmanpaineessa ei onnistu. Joissakin tapauksissa hajoaminen voidaan välttää tislaamalla alipaineessa. Kiehumispiste riippuu paineesta, ja se voidaan arvioida paine-lämpötila nomogrammista ( Alipaineen aikaansaamiseksi käytetään öljy- (n. 0,1 mmhg) tai vesisuihkupumppua (n. 15 mmhg). Oppilaslaboratoriossa on käytössä öljypumppuja, joihin on suora liitäntä jokaisesta vetokaapista. Alipainetislauslaitteisto on lähes samanlainen kuin normaalitislauslaitteisto. Laitteistossa on huomiotava useamman fraktion kerääminen ilman, että alipaine häviää laitteistosta. Yksinkertaisinta on käyttää tisleenjakajaa (ns. Saarijärven Liisa, cow adapter). Alipainetislauksen suorittaminen 1. Kaada tislattava aine kolviin (korkeintaan 2/3 kolvin tilavuudesta) ja lisää magneettisauva (keitinkivet eivät riitä alipaineessa). 2. Kokoa laitteisto. Varmista, että keräysastia ja tisleenjakaja pysyvät paikoillaan käyttäen klipsejä ja yhdistä laitteisto sekä pumppuun että manometriin kolmitiehanalla. 3. Tarkista, että manometrin hana on kiinni ennen kuin imet laitteistoon vakuumin. 4. Varmista, että tislauskolvissa on magneettisekoitus päällä. 5. Alipaineen aikaansaamiseksi laitteistoon

37 37 a) Öljypumpulla (käytössä oppilaslabrassa) Kolmitiehanan pumppuun menevä alipaineletku liitetään suoraan vetokaapissa olevaan pumppuliitäntään Käynnistetään pumppu Avataan pumppuliitäntä (kääntämällä kahvasta) ja säädetään alipainetta venttiilin avulla Odota hetki paineen alenemista ja avaa sitten manometrin hana seurataksesi paineen stabiloitumista b) vesisuihkupumpulla (ei käytössä oppilaslabrassa): Avaa Wulffin pullon hana ja sulje manometrin hana Kierrä vesisuihkupumpun hana täysin auki Sulje Wulffin pullon hana kun paine on alentunut (mikä kuullaan vesisuihkupumpun äänestä), avaa manometrin hana ja seuraa paineen alenemista ja stabiloitumista 6. Lämmitä kolvia hitaasti, jotta haihtuvat epäpuhtaudet tislautuvat ensin ja tämän jälkeen tuote. Tarkkaile lämpötilaa ja painetta. Kerää esitisle sekä pääfraktio, joka tislautuu vakiolämpötilassa. 7. Lopeta tislaus poistamalla lämmitys, kun nestemäärä tislauskolvissa on pieni. 8. Päästä ilma hitaasti laitteistoon seuraavasti: manometrin hana suljetaan Pumpun venttiili suljetaan ja ilma päästetään laitteistoon irroittamalla pumppuliitännässä kiinni oleva alipaineletku (kun käytössä öljypumppu) TAI Wulffin pullon hana avataan ja vesisuihkupumppu suljetaan (kun käytössä vesisuihkupumppu) manometrin hana avataan hitaasti, jotta se ei vaurioidu ja elohopeaa ei joudu laboratorion tiloihin

38 38 tislauslaitteisto vesi vesi kolmitiehana liitetän vesisuihkupumppuun Wulffin pullo muista sekoitus! paksuseinäinen alipaineletku manometri Kuva. Alipainetislauslaitteisto Kiteytys Kiinteän, kiteisen tuotteen puhdistukseen riittää joskus pelkkä kiteiden pesu kylmällä liuottimella. Useimmiten tarvitaan uudelleenkiteytys, jotta päästäisiin eroon liukenemattomista tai värillisistä epäpuhtauksista. Menetelmä perustuu puhdistettavan aineen ja epäpuhtauksien liukoisuuseroon sekä epäpuhtauksien suhteellisen pieneen määrään. Uudelleenkiteytyksessä synteesin raakatuote pyritään liuottamaan palautusjäähdyttimellä varustetussa kiteytyskolvissa mahdollisimman pieneen määrään kuumaa liuotinta, jotta saadaan tulokseksi kylläinen liuos. Liuokseen lisätään siemenkide (jos sellaisia on käytettävissä) ja annetaan seoksen jäähtyä hitaasti, jolloin tuote kiteytyy ja epäpuhtaudet jäävät emäliuokseen. Kiteytysliuottimen kiehumispisteen on oltava vähintään 10 o C alempi kuin kiteytettävän aineen sulamispisteen, jotta kiteytettävä aine ei sula ennen liukenemistaan. Jos tuotteessa on liukenemattomia epäpuhtauksia, ne suodatetaan pois kuumasta liuoksesta. Tämä on usein hankalaa (liuos ei pysykään kuumana suodatettaessa, jolloin myös tuote alkaa