55525 Orgaanisen kemian perustyöt I 1. Synteesit

Transkriptio

1 Orgaanisen kemian perustyöt I 1. Synteesit Orgaanisen kemian laboratorio Kemian laitos Helsingin yliopisto 2010

2 2

3 3 Sisältö Kursseille hyväksytyt opiskelijat... 6 Maksut... 6 Töiden suoritus... 6 Työvälineet... 7 Välineet, jotka opiskelijan on tuotava itse:... 7 Työturvallisuus... 8 Toimenpiteet jokaisen kurssin alussa... 8 Järjestys työpaikalla... 8 Suojavälineet... 9 Paloturvallisuus... 9 Laitteistot... 9 Reaktiot... 9 Ensiapu Reaktion suoritus Reaktioseosten kuumentaminen Mekaaninen moottorisekoitus Eristys Suodatus Uutto Puhdistus Uudelleenkiteytys Tislaus Sublimointi Kromatografisista menetelmistä Synteesien raportointi Saannot Tuotteen puhtauden arviointi IR-tulkinta Analyysien raportointi... 30

4 4 Asetyylisalisyylihappo (Aspiriini) Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi ,6-Dibromikolesteroli Reaktiomekanismi Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi Etyylipropanaatti Reaktiomekanismi Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi Bentsoiini Mekanismi Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi Bentsoiinin pelkistys natriumboorihydridillä ,2-difenyylietaani-1,2-dioli Mekanismi: Työn suoritus Tuotteen karakterisointi p-metyyliasetofenoni Mekanismi: Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi p-bentsokinoni... 43

5 5 Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi Ketonien suojaus etyleeniasetaaleina (1,3-dioksolaanit): etyyliasetoasetaatin etyleeniasetaali tahi etyyli-(2-metyyli-1,3-dioksolan-2-yyli)asetaatti Mekanismi Työn suoritus Eristys ja puhdistus Tuotteen karakterisointi... 46

6 6 Yleistä Kursseille hyväksytyt opiskelijat Kursseille hyväksyttyjen nimet ovat nähtävillä ennen kunkin kurssin alkua Nettilabrassa sekä orgaanisen kemian työsalien (B147 ja B150) ilmoitustaululla n:o 5 B-siiven 1. kerroksessa. Samalle ilmoitustaululle tulevat myös listat kurssin suorittaneista. Työmonisteen voi ostaa opintotoimistosta tai tulostaa näiltä sivuilta. Työaika on klo ja kurssin ensimmäisenä päivänä klo 8.30 jaetaan työpaikat. Ellei opiskelija ole tällöin paikalla, hänen työpaikkansa annetaan jonossa seuraavalle. Kurssien aikana ei pidä tehdä muita laboratoriokursseja. Maksut Opiskelijoilta peritään maksu rikotuista ja puuttuvista tavaroista. Töiden loputtua preparaattori tarkistaa opiskelijan kaapin ja tekee laskun puuttuvista tai rikkoutuneista lasitavarasta. Lasku maksetaan välittömästi töiden päätyttyä Exactumissa sijaitsevaan yliopiston kassan toimipisteeseen. Työt kirjataan opintorekisteriin vasta, kun kuitti suoritetusta maksusta on esitetty opintotoimistossa, mikäli kaikki työt on tehty ja päätekuulustelu suoritettu. Töiden suoritus Kurssimateriaaliin on syytä perehtyä hyvin jo ennen kurssin alkamista. Pakollisista poissaoloista tenttien tms. takia on sovittava assistentin kanssa. Synteesituote ja asianmukaisesti täytetty synteesikaavake palautetaan assistentille tarkastettavaksi viimeistään työtä seuraavana päivänä. Synteesiraportin palauttaminen myöhässä pienentää arvosanaa 1 numerolla jokaiselta alkavalta 3 päivältä. Työn uusiminen pudottaa arvosanaa yhdellä pisteellä siten, että uusimisen jälkeen maksimiarvosana on 4 ja toisen uusinnan jälkeen 3. Kaikki työt ja selostukset tulee saada HYVÄKSYTYIKSI ennen kurssin loppua. Perustöissä I tehdään kahdeksan synteesiä, orgaanisten yhdisteiden osoitusreaktioita sekä kahden aineen kvalitatiivinen analyysi. Analyysissä opiskelijan tulee erottaa aineet toisistaan aktiivisella uutolla ja tunnistaa ne fysikaalisten vakioiden ja spektroskooppisten menetelmien avulla. Analyysistä laaditaan erillinen selostus. Osoitusreaktioita kannattaa tehdä synteesien ohella ja analyysin saa aloittaa, kun synteesit ja osoitusreaktiot on hyväksytysti suoritettu.

7 7 Työn teoria ja käytännön suoritus tentitään ryhmissä ohjaavalle assistentille aamuisin ennen laboratoriotyöskentelyn aloittamista, joten on tärkeää olla paikalla heti työajan alkaessa. Kurssilaiset on jaettu ryhmiin siten, että kukin ryhmä työskentelee eri synteesin parissa, mutta ryhmän sisällä tehdään samaa synteesiä itsenäisesti. Synteeseistä annetaan arvosanat (1-5), jotka perustuvat tuotteen määrään ja puhtauteen. Kun synteesit, osoitusreaktiot, analyysi ja kurssiin kuuluva päätekuulustelu on suoritettu hyväksytysti ja maksut on suoritettu (kuitit on esitettävä opintotoimistoon), suoritus merkitään opintorekisteriin. Lopullinen arvosana määräytyy kaikkien osasuoritusten perusteella. Päätekuulustelu sisältää työmonisteessa olevat asiat, synteesireaktioiden reaktiomekanismit ja Simonen: Orgaanisen kemian synteettiset työmenetelmät kirjasta työmonisteessa tarkemmin mainitut alueet. Työvälineet Jokaisen opiskelijan työpaikka sisältää peruslasitavarat, joiden kunnosta opiskelija on vastuussa. Ensimmäisenä päivänä ennen töiden aloittamista jokainen kurssilainen kuittaa preparaattorilta itselleen oman kaapin töiden ajaksi. Kaappi on luovutettava viimeistään viimeisenä työpäivänä, lasitavarat puhtaina. Sen jälkeen luovuttamatta jääneestä kaapista peritään erillinen 42 :n maksu. Erikoislasitavara sekä lasitavarat rikkoutuneiden tai kadonneiden tilalle haetaan jakeluvarastosta BK149, ja siitä preparaattori pitää kirjaa erikseen. Rikottu lasitavara on palautettava varastoon haettaessa uutta rikkoutuneen tilalle. Varasto on avoinna Joitakin tarvikkeita, kuten sähköhauteen, mikrotislausosan, Vigreaux-kolonnin, saat tarvittaessa kuittausta vastaan assistenttihuoneesta, jonne ne myös palautetaan puhtaina välittömästi käytön jälkeen. Välineet, jotka opiskelijan on tuotava itse: työtakki, kumikäsineet (voi myös ostaa kemikaalivarastosta, laskutetaan kurssin loputtua) muistiinpanovälineet etikettilappuja tulitikut tai sytytin

8 8 terävä linkkuveitsi on tarpeen imuletkujen ja kumiletkujen leikkaamiseen sekä natriumin paloitteluun Työturvallisuus Laboratoriossa työskentely on turvallista, kun osataan suojavälineiden ja laitteiden oikea käyttö, noudatetaan sääntöjä ja ohjeita ja käsitellään kemikaaleja varovasti ja huolellisesti. Jos et tiedä jotain asiaa, kysy assistenteilta. Tahallinen turvallisuusohjeiden noudattamatta jättäminen johtaa työkieltoon. Toimenpiteet jokaisen kurssin alussa Tutustu laboratoriossa seuraavaan: ulosmenoreitit sammuttimet, niiden laatu, teho ja käyttöohjeet sammutushuopa ja hätäsuihku, silmänpesulaitteet palohälytin ensiapu kemikaalionnettomuuksissa (seinällä oleva posteri), ensiapukaapit lähin puhelin, hälytysnumerot jäteliuottimien keräysastia(t) työssä käytettävien aineiden fysikaaliset, kemialliset ja fysiologiset ominaisuudet on selvitettävä ennen synteesin aloittamista ( käyttöturvallisuustiedotteet!). Ota huomioon yhteensopimattomat aineet. Järjestys työpaikalla Siisti työskentely lisää turvallisuutta. Oma työpaikka on aina siivottava työskentelyn päättyessä eikä kemikaaleja saa jättää mihinkään, missä ne voivat olla vaaraksi muille. Kaikki säilytysastiat on varustettava etiketillä. Syttyviä liuottimia ei saa varastoida työkaappiin suuria määriä. Laboratorion kulkureitit on pidettävä vapaina esteistä (tuolit sivuun, kaapinovet kiinni yms.). Jos haluat sytyttää bunsenlampun, varmista ensin, ettei lähistöllä ole helposti syttyvää liuotinta. Laboratoriossa ei saa syödä, juoda eikä tupakoida. Työtakki kuuluu vain laboratorioon. Laboratoriossa saa työskennellä vain kurssille merkittynä aikoina. -8-

9 9 Suojalaseja on käytettävä aina laboratoriossa. Suojavälineet laboratorion tärkein turvavaruste on vetokaappi. Selvitä käyttöohjeet. henkilökohtaiset suojaimet. Käytä aina suojalaseja, -käsineitä ja työtakkia! Paloturvallisuus helposti syttyvät liuottimet: eetteri, asetoni, petrolieetteri jne palovaara, räjähdysvaara, sammutusvälineet, tulipalon sammutus sähköturvallisuus sähkölaitteiden käsittely Laitteistot kuumennettavaa laitteistoa ei saa kokonaan tukkia kiehumakivien ja kuumennushauteiden käyttö. Öljyhaudetta saa kuumentaa enintään 200 asteeseen. kuumennus tapahtuu lämmittäjä/sekoittajalla tai sähkölevyllä, ei liekillä liuottimet haihdutetaan tislaamalla tai rotavaporilla, ei avonaisesta astiasta laitteiston saa jättää vetokaappiin (ei työpöydälle) yön yli vain assistentin lupalapulla, johon myös opiskelija kirjoittaa nimensä Kiivaat ja myrkyllisiä kaasuja kehittävät reaktiot Jätteiden käsittelyt ja astioiden puhdistus viemäriin kelpaava jäte: vaarattomat vesiliukoiset aineet ja laimeat vesiliuokset joiden ph on välillä veteen liukenemattomat liuottimet ja myrkylliset yhdisteet kerätään jäteastioihin. veden kanssa kiivaasti reagoivat tai myrkyllistä kaasua synnyttävät aineet tuhotaan kemiallisella reaktiolla. astioiden pesussa asetonia on käytettävä säästeliäästi (hinta) eikä samanaikaisesti pidä käyttää kuumaa vettä. -9-

10 10 Vaaralliset aineet Syövyttävät aineet: vahvat emäkset ja hapot, hapettavat, pelkistävät ja räjähtävät aineet sekä karsinogeenit. Br 2, Na, AlCl 3, KCN, NaOH, KOH, LiAlH 4, H 2, NaBH 4, KBrO 3, SOCl 2, Hg Aniliini, metanoli, fenoli, kloroformi, metyylijodidi, isoforoni (Cancer suspect agent) Natriumhypokloriitti, H 2 O 2, bentsoyyliperoksidi, pikriinihappo, silikapöly. Bromi tuhotaan Na 2 CO 3 -vesiliuoksella ja etanolilla. Syanidit voidaan tehdä vaarattomiksi hapettamalla. Emäksisissä olosuhteissa syanidi-ioni hapettuu esim. natriumhypokloriitilla ensin syanaatiksi (OCN - ) ja edelleen typpikaasuksi ja hiilidioksidiksi Ensiapu Tutustu laboratorion ensiapuun. Ensiapu kemikaalionnettomuuksissa (juliste laboratoriossa) Kertaa edellä mainitut työturvallisuusasiat monisteesta: P. Tilus ja T. Asikainen, Turvallinen työskentely laboratoriossa, Helsingin yliopisto 1996 tai T. Simonen, Orgaanisen kemian synteettiset työmenetelmät, 2. p., Opetushallitus 1996 sekä 3. p

11 -11-11

12 -12-12

13 -13-13

14 -14-14

15 15 TYÖMENETELMÄT Reaktion suoritus Reaktioseosten kuumentaminen Reaktioseosten kuumentaminen, pystyjäähdyttäjän alla keittäminen l. refluksointi, uudelleenkiteytys jne. tehdään sivun 4 mukaisessa laitteistossa, jossa Liebig-jäähdyttäjä voidaan korvata tehokkaammalla pallo- tai kierrejäähdyttäjällä. Jäähdyttäjä estää kuumenevan nesteen haihtumisen, koska höyryt tiivistyvät jäähdyttäjässä ja valuvat nesteenä takaisin kolviin. Kuumennettavaan seokseen on aina lisättävä kuohumisen estämiseksi 1-2 kiehumakiveä, ellei käytetä magneetti- tai moottorisekoitusta. Kun kuumennettavan nesteen kiehumispiste on alle 80 C käytetään lämpölähteenä sähkölevyllä kuumennettavaa vesihaudetta. Korkeammalla kiehuvan nesteen kuumentamiseen tarvitaan parafiini- tai silikoniöljyhaude, joka on aina varustettava lämpömittarilla. Parafiiniöljyhaudetta saa kuumentaa korkeintaan 200 C:een ja silikoniöljyhaudetta 250 C:een. Jos et tiedä kumpaa öljyä hauteessa on, saat lämmittää öljyn enintään 200 C:een. Erityisesti on varottava veden joutumista öljyn joukkoon, koska se aiheuttaa roiskumista öljyä kuumennettaessa. Mikäli reaktioseos on suojattava kosteudelta, asetetaan jäähdyttäjän ylähiokseen rakeisella CaCl 2 :lla täytetty kuivausputki. Kuumennettava laitteisto ei saa koskaan olla täysin suljettu, sillä suljetun systeemin kuumentaminen aiheuttaa räjähdysvaaran. -15-

16 16 Mekaaninen moottorisekoitus Ns. mekaanista sähkömoottorisekoitusta käytetään jäykähkön reaktioseoksen, esim. Friedel-Crafts-reaktion tehokkaaseen sekoitukseen. Laitteistoon tarvittava sekoittaja sekä lasitavara löytyvät opetuslaboratorion välihuoneesta. Kiinnitä sekoittaja tukevasti statiiviin, ettei se putoa kesken reaktion. Koekäytä tyhjää laitteistoa varovasti ennen lähtöaineiden lisäämistä. Moottorisekoitus ei sovellu kovin pienen skaalan synteeseille, missä tapauksessa voidaan käyttää magneettisekoittajaa. HUOM! Jos käytössä sivuputkellinen tiputussuppilo, suppilo suljetaan lasitulpalla eikä käytetä CaCl 2 -putkea. Muuten liuotin ja reaktiossa vapautuva HCl-kaasu karkaavat kuivausputken kautta ulos. -16-

17 17 Eristys Suodatus Kun liuoksesta suodatetaan pois liukenematon aines (esim. kuivausaine) ja liuos otetaan talteen, käytetään puhdasta, kuivaa lasisuppiloa, johon on pantu hiukan vanua tai laskostettu suodatinpaperi. Kun kiinteä yhdiste otetaan talteen, käytetään imusuodatusta (katso laitteisto alla). Molemmat imupullot kiinnitetään tukevasti kouralla statiiviin. Imusuppiloon (Büchner-suppilo) asetetaan pyöreä, juuri suppilon pohjan reiät peittävä suodatinpaperi. Suodatinpaperi ei saa nousta suppilon reunoille, koska silloin kiinteä aine pääsee helposti suodattimesta läpi. Paperi kostutetaan sillä liuottimella, joka muodostaa suodatettavan seoksen nestefaasin. Vesisuihkupumpun hana avataan täysin auki ja varmuuspullon hana suljetaan, jolloin suodatinpaperi painuu tiiviisti suppilon pohjaa vasten ja laite on valmis suodatukseen. Lopetettaessa imusuodatus päästetään ensin systeemi normaalipaineeseen avaamalla varmuuspullon hana. Uutto Siirrettäessä reaktiotuote vesiliuoksesta orgaaniseen liuottimeen, esim. eetteriin, ravistellaan vesiliuosta orgaanisen liuottimen kanssa erotussuppilossa. Toisella kädellä tuetaan erotussuppilon tulppaa ja toisella hanaa. Voit harjoitella ensin tyhjällä erotussuppilolla. -17-

18 18 Tarkista myös hanan liikkuvuus ja rasvaa tarvittaessa. Aluksi ravistellaan varovasti muutaman sekunnin ajan ja päästetään suppiloon syntynyt liuotinhöyryjen aiheuttama ylipaine pois hanan kautta. Jatketaan tällä tavoin, kunnes ylipainetta ei enää muodostu ja sen jälkeen ravistellaan voimakkaasti 1-2 minuuttia. Suppilo jätetään seisomaan rengaskouraan, jotta kerrokset erottuvat. Jos orgaanisen liuottimen tiheys (katso esimerkiksi CRC Handbook of Chemistry and Physics) on pienempi kuin veden tiheys, liuotin muodostaa ylemmän kerroksen ja vesi alemman. Eri liuottimia käytettäessä saattaa tulla epävarmuutta siitä, kumpi nestekerroksista on vesiliuos. Tämä saadaan selville esimerkiksi lisäämällä pisara jompaakumpaa nestettä ja katsomalla kumpaan faasiin se menee. Kerroksia erotettaessa otetaan tulppa pois ja alakerros lasketaan alla olevaan astiaan suppilon hanaa avaamalla. Ylempi nestekerros jää suppiloon ja se kaadetaan suppilon suun kautta sille varattuun astiaan. Käytettäessä helposti haihtuvia ja herkästi syttyviä liuottimia, kuten eetteriä, ei lähistöllä saa olla avotulta. -18-

19 19 Puhdistus Uudelleenkiteytys Uudelleenkiteytys on tärkein kiinteiden orgaanisten aineiden puhdistusmenetelmä. Menetelmä perustuu puhdistettavan yhdisteen ja toisaalta epäpuhtauksien erilaiseen liukoisuuteen kiteytysliuottimessa. Synteesien tuotteina saadut tai orgaanisesta materiaalista, kuten esim. kasvien lehdistä, eristetyt kiteiset materiaalit ovat aina epäpuhtaita; kiteiden väliin on jäänyt loukkuun ympäristöstä peräisin olevia epäpuhtauksia. Käytännössä tällainen epäpuhdas aine puhdistetaan liuottamalla kiteet mahdollisimman pieneen määrään sellaista kuumaa liuotinta, josta ne liuottimen jäähtyessä kiteytyvät uudelleen. Vähäisen määränsä vuoksi kiteiden sisältämät epäpuhtaudet jäävät tällöin niiden kannalta laimeaan liuokseen (emäliuokseen). Jos kuuma liuos sisältää liukenemattomia epäpuhtauksia, on se suodatettava ennen liuottimen jäähdyttämistä. Mahdolliset värilliset epäpuhtaudet voidaan joskus poistaa kuumasta kiteytysliuoksesta aktiivihiilen avulla. On tärkeää, ettei liuosta jäähdytetä liian nopeasti, sillä nopean kiteytymisen aikana epäpuhtaudet jäävät muodostuvan kidehilan sisään. Nopeasti jäähdytettäessä saadaan niin ikään pieniä kiteitä, kun taas hidas jäähdytys tuottaa yleensä suuria kiteitä. Mikäli uudelleenkiteytysliuottimesta ei ole tietoa, se täytyy valita kokeilemalla. Liuottimen valinnassa täytyy ottaa huomioon mm. seuraavat seikat: liuotin ei saa reagoida kiteytettävän yhdisteen kanssa, aineen täytyy liueta hyvin kuumaan liuottimeen ja kiteytyä siitä hyvin liuosta jäähdytettäessä (eli liueta huonosti kylmään liuottimeen), liuottimen kiehumispisteen tulee olla matalampi kuin kiteytettävän aineen sulamispisteen. Valitettavasti ei ole olemassa mitään nyrkkisääntöä uudelleenkiteytysliuottimen valinnalle niin kuin edellisestä kuvauksesta voi jo päätellä. Poolittomien hiilivetyjen uudelleenkiteytystä voi yrittää heksaanista tai petrolieetteristä. Eetterien ja halogenidien kohdalla voi dikloorimetaani puolestaan osoittautua hyväksi vaihtoehdoksi. Jos kiteytettävässä aineessa on OH-ryhmiä (alkoholit, fenolit ja karboksyylihapot) kannattaa yrittää kiteytystä etanolista. Hyviä vaihtoehtoja löytää esimerkiksi CRC Handbook of Chemistry -kirjasta, jossa yhdisteille on annettu liukoisuudet tavallisimpiin liuottimiin. Usein kiteytettäessä päädytään käyttämään liuotinseosta. Tällöin kiteet liuotetaan mahdollisimman pieneen määrään kiehuvaa, paremmin liuottavaa liuotinta ja seokseen lisätään pienissä erissä huonommin liuottavaa liuotinta. Huonommin liuottavan komponentin -19-

20 20 lisäys aiheuttaa ensilisäyksillä pysymättömän samentuman. Liuosta lisätään kunnes samentuma "juuri ja juuri" häipyy. Luonnollisesti liuottimien pitää sekoittua täydellisesti toisiinsa kylmänä. Jos faasit erottuvat, kiteytymistä ei tapahdu. Voit yrittää kiteytyksessä esimerkiksi seuraavia liuotinkombinaatioita: Uudellenkiteytysliuottimen valinta Yhdistetyyppi Liuotin Keraliuotin karboksyylihappo etanoli vesi dikarboksyylihappo eetteri, tolueeni fenoli etanoli, propanoli vesi, tolueeni amiini etanoli vesi pooliton yhdiste heksaani, dikloorimetaani polaarinen yhdiste propanoli vesi Kiteytysongelmia. Valitettavasti kiteytyminen ei läheskään aina suju ongelmitta. Vaikka liuotin on valittu oikein, kiteytyminen ei välttämättä lähde käyntiin edes jäähauteella jäähdytettäessä. Tällöin voi olla syynä liuoksen ylikyllästyminen. Tällöin helpoin tapa edetä on käyttää nk. ymppäyskiteitä, jos vain niitä on saatavilla. Toinen mahdollisuus on hangata astian seiniä lasisauvalla. Irtoavat mikrohiukkaset toimivat kiteytymiskeskuksina ja aine alkaa kiteytyä. Jos tämäkään ei auta, jäähdytetään liuosta lisää esim. etanoli-hiilihappohauteessa (-76 C) ja hangataan lasisauvalla kolvin sisäpintaa liuoksen lämmetessä. Ellei vieläkään tapahdu kiteytymistä, voit yrittää konsentroida liuosta esim. rotavaporilla - ja toivoa parasta. Tässä menetelmässä on kuitenkin se huono puoli, että tällöin yleensä paremmin liuottava komponentti haihtuu ja lopuksi päädytään seoksia käytettäessä faasien eroamiseen. Silloin on aloitettava kokonaan alusta. Joskus kiteytyksessä erottuu toinen nestefaasi, jota yleensä kutsutaan öljyksi. Öljy voi kiteytyä itsestään tavallisesti pitkän seisomisen jälkeen. Tällaiset kiteet sisältävät emäliuosta ja siten vaativat lisäpuhdistusta. Öljyyntyminen voidaan välttää laimentamalla liuosta, -20-

21 21 mutta tällöin saanto vähenee merkittävästi. Eräs menetelmä välttää öljynmuodostusta, on lämmittää liuos uudelleen kunnes faasit ovat sekoittuneen ja sitten jättää seos jäähtymään samalla sekoittaen liuosta tehokkaasti jotta muodostuva öljy muuttuu dispersioksi. Lopulta muodostuu melko puhtaita kiteitä. Jos öljyä ei enää esiinny sekoitus voidaan lopettaa. Ymppäyskiteiden käyttö on tässä usein avuksi. Tislaus Tislaus on keskeisimpiä höyrystyvien aineiden puhdistusmenetelmiä orgaanisen kemian laboratoriossa. Tislauksessa orgaaninen materiaali höyrystetään lämmittämällä kiehuvaksi ja muodostunut höyry nesteytetään jäähdyttämällä, jolloin saadaan tisle. Tislaus voidaan tehdä useammalla tavalla. Käytettävä menetelmä määräytyy tislattavan aineen ominaisuuksien sekä sen sisältämien epäpuhtauksien mukaan. Tavallisimpia tislausmenetelmiä ovat: suora tislaus, fraktiotislaus (jakotislaus), tislaus alennetussa paineessa (vakuumitislaus), vesihöyrytislaus ja nk. Kugelrohr-tislaus. Myös sublimointi, aineen höyrystäminen suoraan kiinteästä olomuodosta höyryksi, on eräänlaista tislausta. Erotettavat aineet laitetaan tislauskolviin ja liuosta lämmitetään, kunnes helpommin haihtuva aine alkaa kiehua. Tässä vaiheessa mitataan aineen kiehumispiste lämpömittarista. Höyry kulkeutuu jäähdyttäjään, jossa se tiivistyy takaisin nesteeksi ja valuu vastaanottokolviin (etuastia). Kun tislautuminen loppuu tai tislauskolvi uhkaa kiehua kuivaksi, tislaus lopetetaan tai vaihdetaan uusi vastaanottokolvi myöhemmin tislautuvaa ainetta varten. Tislauskolvia ei koskaan saa päästää kuivaksi. Laitteisto tavallista tislausta varten on kuvattu sivulla. 5. Tislauskolvin koko valitaan siten, että tislattava neste täyttää ainakin puolet kolvista, kuitenkin korkeintaan 2/3. Tislauskolviin laitetaan 1-3 kiehumakiveä, ellei käytetä magneettisekoitusta. Kun nesteen kiehumispiste on alle 120 ºC käytetään jäähdyttäjässä virtaavaa vettä. Kun kiehumispiste on ºC, käytetään seisovaa vettä ja kun kiehumispiste on yli 150 ºC poistetaan vesi jäähdyttimestä (ilmajäähdytys). Kolvia kuumennetaan aluksi lievästi, kunnes neste alkaa kiehua. Kun neste alkaa tislautua etuastiaan, säädetään kuumennus sellaiseksi, että tisle valuu etuastiaan nopeudella tippa kahdessa sekunnissa. Tislaus lopetetaan aina ennen kuin tislauskolvi on täysin kuiva. Useat nesteet, varsinkin alkeenit ja eetterit, voivat sisältää peroksideja, jotka konsentroituvat tislausjäännökseen ja saattavat liikaa kuumennettaessa räjähtää. Tiputustislaus -21-

22 22 Tiputustislausta käytetään, kun halutaan tislata suuri määrä liuotinta pienestä kolvista. Tavallisesti tällainen tilanne syntyy, kun halutaan tislata erilleen liuotin halutusta tuotteesta. Tislauksen aikana liuosta lisätään tislauskolviin tiputussuppilosta. Tislauskolvin koko valitaan siten, että se on sopiva tislattavalle seokselle, joka jää jäljelle liuottimen poistuttua. Näin vältetään pienen ainemäärän tislaaminen suhteettoman suuresta kolvista tai tislausjäännöksen siirtäminen pienempään kolviin jatkotislausta varten. Tiputustislauksen sijaan liuottimen poisto voidaan tehdä pyöröhaihduttimella. Fraktiotislaus Kahden keskenään sekoittuvan nesteen erottaminen toisistaan onnistuu tavallisella tislauksella vain, jos nesteiden kiehumispisteiden ero on kyllin suuri(20-50 ºC). Jos kiehumispisteiden ero on pieni, ei saada vakiolämpötilassa kiehuvia puhtaita tisleitä, vaan tislattaessa lämpötila nousee jatkuvasti. Yhdisteet saadaan erottumaan paremmin, kun tislauskolvin ja tislausosan väliin asetetaan Vigreux-kolonni. Kolonnin tehtävänä on muodostaa suuri pinta, jotta korkealla kiehuvat komponentit ehtivät tiivistyä ja erota tehokkaasti alempana kiehuvista, jotka jatkavat matkaansa jäähdyttäjään. Eri lämpötiloissa kiehuvat fraktiot l. jakeet kootaan kukin omaan kolviinsa. Alipainetislaus Alipainetislausta käytetään korkealla kiehuvien nesteiden tai kiinteiden aineiden puhdistukseen tai jos yhdiste hajoaa herkästi normaalipaineen kiehumislämpötilassaan. Alipainetislauksessa laitteistoon saadaan tyhjiö (vakuumi) vesisuihku- tai öljypumpun avulla, -22-

23 23 jolloin tislattavan aineen kiehumispiste laskee. Laitteisto on muuten sama kuin normaalissakin tislauksessa paitsi, että sitomisputkesta johdetaan letku manometrin kautta varopulloon (Wulffin pullo), josta edelleen pumppuun. Manometrilla luetaan systeemin paine elohopeamillimetreinä (mmhg), kun paras mahdollinen alipaine on saavutettu. Varopullon tehtävänä on estää mahdollinen veden joutuminen etuastiaan. Laitteisto voi imaista vettä vesisuihkupumpusta, jos vesisuihku suljetaan ennen kuin laitteiston alipaine on tasattu. Erityisesti on huomattava, että sekä manometri että varopullo on syytä kiinnittää kouralla statiiviin, jotta vältettäisiin elohopeamanometrin särkyminen. Alipainetislauksessa on käytettävä vakuumikiehumakiviä normaalien sijaan. Jos tislaus joudutaan keskeyttämään, on uudet kiehumakivet lisättävä ennen kuin tislausta voidaan jatkaa. Kiehumakivien sijasta voidaan käyttää magneettisekoitusta. Alipainelaitteisto on testattava tyhjänä ennen kuin varsinainen tislaus aloitetaan. Kun laitteisto on koottu, tarkistetaan, että hiosliitokset ovat tiiviit ja että laitteistossa ole jännityksiä. Ensin avataan varopullon hana, suljetaan manometrin hana ja avataan vesisuihkupumpun hana täysin auki, jonka jälkeen suljetaan varopullon hana, jolloin pumppu alkaa tyhjentää laitteistoa. Tarkistetaan alipaine avaamalla manometrin hana. Alipaine luetaan elohopeapatsaiden erotuksesta (asteikko millimetrejä). Lopuksi suljetaan manometrin hana ja aukaistaan varopullon hana, jolloin laitteistoon pääsee ilmaa. -23-

24 24 Testauksen jälkeen voidaan tislauskolviin lisätä tislattava aine sekä kiehumakivet, ellei käytetä magneettisekoitusta. Laitteisto tyhjennetään, kuten edellä on kuvattu, ja lämmitys aloitetaan vasta kun alipaine on vakaa. Aineen tislautuessa luetaan kiehumispiste ja manometristä paine (mmhg) kiehumishetkellä. Nämä kirjataan ylös raporttia varten. Kun aine on tislautunut, päästetään systeemi normaalipaineeseen kuten edellä on kuvattu, lopetetaan lämmitys ja suljetaan vesisuihkupumppu. Orgaanisen kemian laboratoriossa on käytössä kahdenlaisia pumppuja: vesisuihkupumppu löytyy jokaisesta vetokaapista ja öljypumppuja on muutamia. Vesisuihkupumpulla päästään mmhg:n ja öljypumpulla 0,1-0,001 mmhg:n alipaineeseen (normaali ilmanpaine n mmhg). Öljypumppua käytettäessä tarvitaan erillinen sähkötoiminen alipainemittari. Elohopeamanometria ei saa käyttää. Lisäksi pumppua suojaamaan tarvitaa nestetyppiloukku. Jotta mitattua kiehumispistettä voidaan vertailla kirjallisuusarvoon, lukemat täytyy muuntaa samaan paineeseen. helpoiten tämä tapahtuu käyttämällä graafisia kuvaajia, esimerkiksi oheista nomogrammia. Tässä nomogrammissa keskimmäiseltä asteikolta luetaan kiehumispiste normaalipaineessa ja oikeanpuoleiselta asteikolta laitteiston alipaine. Näiden kahden pisteen välille vedetään viiva. Tämän viivan ja vasemmanpuoleisen asteikon leikkauskohdasta luetaan kiehumispiste -24-

25 25 alipaineessa. Esimerkiksi jos aine kiehuu normaalipaineessa 200 C:ssa ja laitteiston alipaine on 20 mmhg, niin aineen kiehumispiste 20 mmhg:ssa on n. 80 C. Kertaa alipainetyöskentelyn työturvallisuusasiat! Sublimointi Joissakin tapauksissa lämmitettäessä kiinteät ainetta se höyrystyy suoraan kaasuksi, joka jäähtyessään sitten kiteytyy. Kemiassa ilmiötä kutsutaan härmistymiseksi tai sublimaatioksi. Tyypillisesti sublimoituvia yhdisteitä ovat kamferi tai seleenidioksidi. Sublimointi on erinomainen puhdistusmenetelmä kiinteille aineille, jotka sublimoituvat normaali- tai alipaineessa. Sublimointi normaalipaineessa Puhdistettava aine laitetaan posliinimaljaan, joka nostetaan kolmijalan ja asbestiverkon päälle. Bunsen-liekillä lämmitetään varovasti maljaa, jolloin mahdolliset liuottimet haihtuvat. Kun aine on kuivaa, posliinimaljan päälle laitetaan kuiva ja puhdas lasisuppilo, jonka putkessa hieman lasivillaa. Suppilo ja lasivilla taarataan ennen sublimoinnin aloittamista! Lämmitetään varovasti posliinimaljaa Bunsenliekillä, jolloin puhdistettava aine höyrystyy ja tiivistyy takaisin kylmän suppilon sisäpinnalle. Kun kaikki aine on sublimoitunut, lopetetaan lämmitys ja annetaan laitteiston jäähtyä. Lopuksi punnitaan lasisuppilo tuotteineen ja lasketaan sublimoituneen tuotteen määrä. Sublimointi alipaineessa Alipainesublimoinnissa on hyvä käyttää erityistä sublimointilaitetta. Laita jäähdytysvesi kiertämään laitteen jäähdyttäjään, tarkista, että imupullon hana on auki, avaa -25-

26 26 vesisuihkupumpun hana (täysin auki), sulje imupullon hana. Lue alipaine ja sulje manometrin hana. Kuumenna haude haluttuun lämpötilaan, jossa aine sublimoituu sopivalla nopeudella. Sublimoitunut aine tarttuu kylmäsormen pintaan ja sublimoitumaton jäännös jää putken pohjalle. Kun sublimoituminen lakkaa tai kylmäsormen pintaan alkaa kertyä liian paksu kerros, joka saattaa pudota takaisin putken pohjalle, lopeta lämmitys ja poista alipaine avaamalla imupullon hana. irrota kylmäsormi varovasti, ettei sublimoitunut aine pääse putoamaan. Raaputa tuote spaattelilla puhtaaseen suljettavaan purkkiin. Mikäli puhdistettaessa raakatuotteessa ei ole samoissa olosuhteissa sublimoituvia epäpuhtauksia, sublimoitunut aine on puhdasta. Kuivausta ei tarvita, sillä mahdolliset liuotinjäämät haihtuvat alipaineessa. Kromatografisista menetelmistä Kromatografia on yhdisteiden eristämiseen, puhdistamiseen ja määrittämiseen käytettävä menetelmä, jossa komponenttien erottuminen perustuu niiden erilaiseen pidättymiseen paikallaan olevan kiinteään tai nestemäisen aineen (ns. stationaarifaasi) ja ja tämän läpi kulkeva nesteen tai kaasun (liikkuva faasi) välillä. Kromatografian lajeja ovat mm. pylväskromatografia, paperikromatografia, ohutkerroskromatografia( TLC), kaasukromatografia (GC) nestekromatografia ( LC) Kromatografiakammiona käytetään kannellista, mielellään tasapohjaista astiaa, joka vuorataan suodatinpaperilla. Eluointi- eli ajoliuosta kaadetaan astian pohjalle n. 0,5 cm:n kerros. Kammion annetaan seistä vähän aikaa, jotta liottimen höyry ehtii kyllästää astian. Ohutkerroskromatografiassa stationäärifaasi (esim. silikageeli) on levitetty ohueksi kerrokseksi tavallisimmin alumiinilevyn pinnalle. Tästä levystä voidaan saksilla leikata halutun suuruinen pala (8 x 2,5 cm levy on sopiva 2-3 täplälle). Käsittele levyä varovasti, koska pinnoite irtoaa ja naarmuuntuu helposti. Kromatografialevyyn merkitään kevyesti lyijykynällä lähtöviiva n. 1 cm:n päähän levyn alareunasta. Analysoitavista yhdisteistä valmistetaan helposti haihtuvaan liuottimeen n. 1% liuos. Liuosta siirretään ohuella kapillaarilla lähtöviivalle pieni pisara, jonka annetaan kuivua. Levy asetetaan pinseteillä pystyasentoon kromatografiakammioon. Täplien tulee lähtötilanteessa jäädä eluointiliuoksen pinnan yläpuolelle. -26-

27 27 Kyllästetyn liuotinhöyryn täyttämässä kammiossa neste nousee stationäärifaasia pitkin levyllä ylöspäin ja eri komponentit tutkittavasta seoksesta sekä vertailuaineet nousevat eluentin mukana kukin omalla nopeudellaan. Liuotinrintaman annetaan nousta n. 1 cm:n päähän levyn yläreunasta, nousukorkeus merkitään ja levy kuivatetaan vetokaapissa. Täplät saadaan näkyviin UV-valossa tai värjäämällä eli sumuttamalla levy sopivalla reagenssilla. Yhdisteiden tunnistamisessa käytetään apuna niiden R f -arvoja. R f = näytetäplän kulkema matka / liuotinrintaman kulkema matka Synteesien raportointi Jokaisesta suoritetusta synteesistä täytetään synteesikaavake, johon lisätään synteesituotteen nimi suomeksi ohjeen sekä reaktiomekanismin kirjallisuusviitteet reaktioyhtälö, kääntöpuolelle reaktiomekanismi tiedot käytetyistä lähtöaineista: nimi suomeksi, moolimassa (molekyylipaino) kokonaislukuna (g/mol), massa (paino) (g), moolimäärä (mol). Jos lähtöaineet on mitattu tilavuuksina, tilavuusyksiköt muutetaan massayksiköiksi Kaikissa lukuarvoissa käytetään kahden merkitsevän numeron tarkkuutta. tiedot tuotteesta: moolimassa kokonaislukuna (g/mol), teoreettisen saannon, ohjeen saannon sekä oman saannon määrä (g) ja moolimäärä (mol) sekä teoreettisen saannon perusteella laskettu saantoprosentti, tuotteen fysikaaliset vakiot kirjallisuusarvoineen: sulamispiste asteen tarkkuudella, kiehumispiste asteen tarkkuudella sekä mahdollinen painelukema, taitekerroin laitteen antamalla tarkkuudella ja väri -27-

28 28 puhtauden arviointi: sulamispisteen aleneman mukaan, kaasukromatogrammin perusteella tai taitekertoimen mukaan sekä mahdolliset epäpuhtaudet. puhtausluokan määrittäminen joko annetun kaavan tai erillisten ohjeiden perusteella työstä saatava arvosana annetusta kaavasta laskettuna työn suorituspäivämäärä tekijän nimi Huomioi ainemääriä laskiessasi työohjeen ylälaidassa oleva skaala. Kustannusten pienentämiseksi ainemäärät on jouduttu laskemaan mahdollisimman pieniksi. Kun ainemääriä muutetaan ohjeen määristä, myös reaktioastiat valitaan ainemäärien mukaan. Sen sijaan reaktioaikoja ei muuteta samassa suhteessa! Käytä mekanismien selvittämiseen assistenttihuoneessa olevia kansioita tai esim. jotain seuraavista kirjoista Streitwieser,A., Heathcock,C.H. & Kosower,E.M., Introduction to Organic Chemistry J. March: Advanced Organic Chemistry; Reactions, Mechanisms and Structure McMurry: Organic Chemistry, E. S. Gould: Mechanism and Structure in Organic Chemistry H.G.O. Becker: Elektronentheorie organisch-chemischer Reaktionen P. Sykes: A Guidebook to Mechanism in Organic Chemistry R. Bruckner: Advanced organic Chemistry Fessenden & Fessenden: Organic Chemistry Synteesikaavakkeen mukana palautetaan sulamispistelaitteen tuloste, IR-spektri tulkittuna spektriin tai erilliselle kaavakkeelle sekä synteesituote purkissa, johon on merkitty tekijän nimi, tuotteen nimi, päivämäärä sekä tuotteen määrä. Saannot Synteesin saannoksi kutsutaan eristetyn tuotteen tai tuotteiden määrää. Synteesin saanto ilmaistaan useimmiten prosentteina teoreettisesta saannosta. Teoreettinen saanto (suurin saavutettavissa oleva saanto 100 %) lasketaan tasapainotetusta reaktioyhtälöstä aina sen lähtöaineen mukaan, jota on käytetty stökiömetrisesti vähiten. Esimerkiksi kolesterolin bromauksessa teoreettinen saanto lasketaan kolesterolin määrän mukaan (katso malli). Kolesterolia on synteesissä käytetty 0,0026 moolia ja bromia 0,0031 moolia eli bromia on -28-

29 29 reaktiossa käytetty ylimäärin. Reaktioyhtälöstä nähdään, että bromia tarvittaisiin teoriassa vain 0,0026 moolia eli yhtä paljon kuin kolesteroliakin. Tuotteen puhtauden arviointi Orgaanisen kemian töissä synteesituotteen puhtauden arvosteluun käytetään seuraavaa puhtausluokitusta: puhtausluokka 1 (n=1): purissimum ja purissimum p.a., pitoisuus yli 99 % puhtausluokka 2: purum ja purum p.a., pitoisuus on yli 97 % puhtausluokka 3: practicum, pitoisuus n. 95 % puhtausluokka 4: teknilliset kemikaalit, pitoisuus vaihteleva Puhtausluokan 1 aineet soveltuvat analyyseihin, luokan 2 useimpiin analyyseihin ja luokan 3 aineet ovat sopivia synteesikäyttöön. Opiskelijan on itse selvitettävä, mihin puhtausluokkaan valmistettu synteesituote kuuluu. Luokan 4 tuotteet on puhdistettava uudelleen. Puhtausluokan n=1 tuotteen tulee täyttää seuraavat vaatimukset: sulamispisteen alenema kirjallisuusarvosta on korkeintaan 1 aste, tai kiehumispiste on oikea tuote on tasalaatuista ja väri on oikea nesteistä on mitattu myös taitekerroin, joka saa poiketa kirjallisuusarvosta korkeintaan 0,001 yksikköä. (Perustöissä I hyväksytään puhtausluokkaan n=1 tuote, jonka taitekerroin poikkeaa enintään 0,003 yksikköä kirjallisuusarvosta). Sulamispisteen avulla voidaan määrittää kiteisen aineen puhtausprosentti ja näin myös puhtausluokka. Nestemäisen aineen taitekerroin kertoo vain onko nesteen puhtausluokka 1 vai alempi. Nesteen puhtausluokka voidaan määrittää kaasukromatografisesti, jos mukana ei ole eluoitumattomia yhdisteitä. Kun saanto ja puhtausluokka ovat tiedossa lasketaan synteesikaavakkeeseen arvosana työstä käyttämällä kaavakkeessa olevia kaavoja. Huom! I-töissä käytetään eri kaavaa kuin II- ja laudaturtöissä. -29-

30 30 IR-tulkinta IR-spektrit tulkitaan joko spektriin tai erilliselle IR-tulkintakaavakkeelle. Spektriin merkitään tulkittavan absorptiovyön numero ja kaavakkeeseen merkitään vastaava numero, sidos tai funktionaalisuus, havaittu aaltoluku, kirjallisuusaaltoluku sekä vyön intensiteetti. Mahdolliset korjaukset tehdään aina uudelle riville, eikä edellisen päälle. Analyysien raportointi Suoritetusta analyysistä täytetään analyysikaavake sekä kirjoitetaan vapaamuotoinen raportti, joka sisältää kuvauksen aineiden erotuksesta ja puhdistuksesta fysikaalisine vakioineen ja kirjallisuusarvoineen. Lisäksi piirretään erotuskaavio, johon merkitään missä uuton vaiheessa kukin aine on saatu erotettua. Raporttiin liitetään myös sulamispistetulosteet, IR- sekä NMR-spektrit tulkintoineen. Valmis raportti palautetaan vuorossa olevalle assistentille, joka tarkastaa raportin ja joko hyväksyy sen tai palauttaa korjattavaksi. Vasta tässä vaiheessa opiskelija saa tietää ovatko aineet oikein vai eivät. Raportti on siis tehtävä valmiiksi ja palautettava ennen kuin tulosta voi kysyä assistenteilta. Tämä selkeyttää suoritetun työn seuraamista mahdollisissa virhetilanteissa ja helpottaa assistentteja ohjaamaan opiskelijaa kohti oikeaa tulosta. Mikäli analyysin tulos on vielä kolmannella kerralla väärin, annetaan tehtäväksi uusi analyysi. -30-

31 31 SYNTEESIT Asetyylisalisyylihappo (Aspiriini) COOH OH + O O H 3 C O CH 3 H 2 SO 4 COOH O + HO O CH 3 O CH 3 Reagenssit Työturvallisuus Välineet ja laitteistot 5,0 ml etikkahappoanhydridiä Etikkahappoanhydridi on helposti haihtuvaa ja ärsyttävää 100 ml kolvi magneettisekoittaja 2,8 g salisyylihappoa vesi- ja jäähauteet 3-4 tippaa väk. rikkihappoa Büchner-suppilo kumitiiviste imupullo imusuodatuslaitteisto uudelleenkiteytyslaitteisto Työn suoritus Punnitaan 2,8 g salisyylihappoa kuivaan 100 ml pyörökolviin, johon lisätään 5.0 ml etikkahapon anhydridiä ja 3-4 tippaa väkevää rikkihappoa. Muodostuvaa valkoista seosta sekoitetaan magneettisekoittajalla. Kolvi laitetaan C vesihauteeseen 15 minuutiksi. Tämän jälkeen kolvi sisältöineen saa jäähtyä huoneenlämpötilaan, lisätään 50 ml vettä ja muodostuvaa sakkaa hienonnetaan spaattelilla. Eristys ja puhdistus Seoksen annetaan seistä vielä viisi minuuttia, minkä jälkeen kolvia jäähdytetään jäähauteessa. Kiteet suodatetaan imusuodatuslaitteistolla. Tuote kiteytetään lämpimästä -31-

32 32 etanoli-vesi-seoksesta (30 % EtOH, 70 % vesi). Lämpötila ei saa ylittää 80 C (katso huomautus). Kiteet ilmakuivataan. Määritetään saanto ja mitataan sulamispiste. Puhtaan aspiriinin sulamispiste on 135 C ja ohjeen saanto 80 %. Huom. Lämpötilan ylittäessä 80 C aspiriini muodostaa öljyn, joka liuottaa orgaanisia epäpuhtauksia vedestä. Tällainen öljy on veteen vaikeasti liukeneva. Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan sulamispiste ja IR-spektri. -32-

33 33 5,6-Dibromikolesteroli HO CH 3 H H 3 C CH 3 H H H CH 3 CH 3 H 3 C CH 3 Br 2 CH 3 H H H HO Br Br H CH 3 CH 3 Reaktiomekanismi: elektrofiilinen additio kaksoissidokseen Reagenssit Työturvallisuus Välineet ja laitteistot 1 g kolesterolia Bromi on erittäin myrkyllistä ja syövyttävää. Bromia käsitellään vetokaapissa suojakäsineet kädessä.(t. Simonen: Työtapamoniste 50 ml makrohioskolvi pieni mittalasi dekantterilasi Büchner-suppilo imupullo + kumitiiviste s.53) 1 0 ml eetteri ä Eetteri on helposti syttyvä. Lähellä ei saa olla avotulta Büchner-suppilo imupullo + kumitiiviste 5 ml 10 % (w/v) bromin kellolasi jääetikkaliuosta 5 ml etikkahappoa imusuodatuslaitteisto kiteisen aineen kuivaus (kts. T. Simonen Työtapamoniste, s.115) asetonia uudelleenkiteytyslaitteisto (kts. T. Simonen: Työtapamoniste, ss ) Työn suoritus 1,0 g kolesterolia liuotetaan 10 ml:aan eetteriä 50 ml:n kolvissa. Näin saatuun liuokseen lisätään samalla sekoittaen 5,0 ml 10 % bromin etikkahappoliuosta (sisältää 0,10 g bromia / 1,0 ml). Tämän jälkeen reaktioseos jätetään seisomaan huoneenlämpötilaan 30 min ajaksi, -33-

34 34 jolloin muodostuva dibromiyhdiste erottuu liuoksesta kiteisenä. Lopuksi jäähdytetään jäähauteessa, jotta kiteytyminen tapahtuisi täydelleen. Eristys ja puhdistus Kiinteä tuote eristetään seoksesta imusuodatuksella. Se pestään suodattimella kerran etikkahapolla (5 ml) ja sen jälkeen vedellä. Lopuksi imetään vielä ilmaa suodattimen läpi, jotta yhdiste kuivuisi nopeammin. Tämän jälkeen se siirretään taaratulle kellolasille kuivumaan. Täysin kuivunut tuote punnitaan. Kuivasta tuotteesta määritetään sulamispiste. 5,6-dibromikolesteroli sulaa välillä C. Jos synteesistä saatu tuote sulaa huomattavasti alempana, niin se kiteytetään uudestaan asetonista niin monta kertaa, kunnes sulamispiste ei enää nouse. Uudelleenkiteytetty ja kuivattu tuote punnitaan. Ohjeen saanto on 75%. Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan sulamispiste ja IR-spektri. -34-

35 35 Etyylipropanaatti O O C H 3 OH H + HO CH + 3 H 3 C O + H 2 O Reaktiomekanismi: Kyseessä on happokatalysoitu esteröintireaktio. Katalyyttinä käytettävä happo protonoi propaanihapon. Näin muodostuva kationi on resonanssistabiloitu. Etanoli toimii nukleofiilina ja hyökkää kationiin. Tämän jälkeen tapahtuu protonin siirto ja veden lohkeaminen. Reaktio on nukleofiilinen asyylisubstituutio. CH 3 Reagenssit 10 ml Aa-etanolia 14 ml propaanihappoa väkevää rikkihappoa 40 ml eetteriä 2M NaHCO 3 -liuosta MgSO 4 Työturvallisuus Väkevä rikkihappo on voimakkaasti syövyttävää.. Eetteri on helposti syttyvä ja haihtuva neste. Etanoli on helposti syttyvä neste. Välineet ja laitteistot 50 ml kolvi pystyjäähdyttäjä öljyhaude mittalasi 250 ml erotussuppilo 250 ml erlenmeyer lasisuppilo tislauslaitteisto tiputustislauslaitteisto Työn suoritus Sekoitetaan 10 ml (7,8 g) etanolia ja 14 ml (13,9 g) propaanihappoa 50 ml:n kolvissa. Lisätään varovasti 2-3 tippaa väkevää rikkihappoa (katalyytiksi) ja sekoitetaan hyvin. Kolviin lisätään kiehumakivet ja seosta keitetään öljyhauteella 1 tunti ja annetaan tämän jälkeen reaktioseoksen jäähtyä. -35-

36 36 Eristys ja puhdistus Jäähtynyt reaktioseos kaadetaan erotussuppiloon, jossa on 40 ml vettä. Suppiloon lisätään 40 ml eetteriä ja ravistellaan (suojalasit!) ja annetaan kerrosten erottua. Vesikerros (alempi) lasketaan suppilosta johonkin astiaan. Suppiloon jäänyt eetteriliuos pestään 20 ml:lla vettä (ravistellaan veden kanssa). Kerrosten erotuttua lasketaan pesuvesi pois. Tämän jälkeen eetteriliuos pestään 2 M NaHCO 3 - liuoksella reagoimattoman hapon poistamiseksi. Tässä vaiheessa on oltava erityisen varovainen, sillä hapon neutraloituessa kehittyy hiilidioksidia, joka aiheuttaa painetta suppiloon. Happo siirtyy suolana vesifaasiin. Lopuksi pestään eetteriliuos vielä 20 ml:lla vettä. Kun pesuvesi on laskettu mahdollisimman tarkkaan pois, eetteriliuos siirretään erlenmeyeriin ja kuivataan vedettömällä magnesiumsulfaatilla. 30 minuutin kuivauksen jälkeen liuos suodatetaan tiputussuppiloon käyttäen lasisuppiloa, johon on asetettu hiukan puhdasta vanua. Kolviin lisätään osa eetteriliuoksesta ja kiehumakivet ja eetteri tislataan tiputustislauksella pois, joko vesi- tai öljyhaudetta käyttäen (eetterin kp=35 C). Tuote puhdistetaan tislaamalla. Etyylipropanaatin kiehumispiste on 99 C (käytettävä öljyhaudetta). Ohjeen saanto on 60 %. Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan taitekerroin ja IR-spektri. -36-

37 37 Bentsoiini CHO CHO O OH + KCN Kun aromaattisia aldehydejä käsitellään alkalisyanideillä vesiliuoksessa, ne kondensoituvat -hydroksiketoniksi, bentsoiiniksi. Tätä kutsutaan bentsoiinikondensaatioksi. Parhaiten tunnettu esimerkki lienee bentsaldehydin kondensaatio bentsoiiniksi. Mekanismi: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p.; Macmillan, New York 1992, s Reagenssit 2,5 ml bentsaldehydiä 35 ml tekn. alkoholia 0,25 g kaliumsyanidia Työturvallisuus Kaliumsyanidi on myrkyllinen ja syövyttävä kiteinen aine. Syanidijätteen hävittäminen: P. Tilus, ja T. Asikainen, Turvallinen työskentely laboratoriossa, Helsingin Yliopisto 1996, s.40. Bentsaldehydi on ärsyttävä. Välineet ja laitteistot 50 ml:n kolvi pystyjäähdyttäjä vesihaude erlenmeyer Büchner-suppilo kumitiiviste imupullo Työn suoritus 50 ml:n pyörökolviin laitetaan 5 ml tekn. etanolia, 2,5 ml puhdasta bentsaldehydiä ja 0,25 g kaliumsyanidia (puhtaus %) liuotettuna 4 ml:aan vettä. HUOM: Työ on ehdottomasti -37-

38 38 tehtävä vetokaapissa. Kootaan refluksointilaitteisto, jossa reaktioseosta lämmitetään kiehuvalla vesihauteella 30 minuutin ajan. Tämän jälkeen kolvi jäähdytetään jäähauteessa. Raakatuote suodatetaan, pestään vedellä ja annetaan kuivua. Eristys ja puhdistus Raakatuote uudelleenkiteytetään etanolista. Bentsoiini kiteytyy valkoisina kiteinä, joiden sulamispiste on 137 C. Ohjeen saanto on 2,1 g. Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan sulamispiste ja IR-spektri. -38-

39 39 Bentsoiinin pelkistys natriumboorihydridillä 1,2-difenyylietaani-1,2-dioli O OH HO OH HO OH NaBH 4 Ketonipelkistysreaktioiden stereokemiaan voidaan vaikuttaa karbonyyliryhmiä lähellä olevilla hydroksyyliryhmillä. Tämä työ kuvaa bentsoiinin stereoselektiivistä pelkistystä boorihydridireagenssilla. Mekanismi: Orgaanisen kemian perustyöt I - kansio (Assistenttihuone). Reagenssit 2,00 g bentsoiiniä 0,40 g NaBH 4 etanoli HCl (6 M) Työturvallisuus Bentsoiini on ihoa ärsyttävä. NaBH 4 on syövyttävä ja herkästi syttyvä. Etanoli on herkästi syttyvää. HCl on syövyttävä Välineet ja laitteistot magneettisekoitus imusuodatuslaitteisto uudelleenkiteytyslaitteisto Työn suoritus Bentsoiini liuotetaan 20 ml:aan etanolia 100 ml:n erlenmeyerkolvissa. Sekoitetaan magneettisekoittajalla ja lisätään natriumboorihydridi spaattelilla pieninä annoksina viiden minuutin aikana. Tarvittaessa natriumboorihydridijäännökset huuhdellaan kolviin 5 ml:lla etanolia. Sekoitetaan huoneenlämmössä 20 minuutin ajan. Tämän jälkeen seosta -39-

40 40 jäähdytetään jäähauteella ja lisätään 30 ml vettä ja 1 ml 6M suolahappoa. Lisätään 10 ml vettä ja sekoitetaan vielä 20 minuutin ajan. 1) Lämmitetään tarvittaessa, liukenemisen ei tarvitse olla täydellistä. 2) Huomio! Reaktio on eksoterminen. 3) Seos saattaa vaahdota. Eristys ja puhdistus Reaktioseos imusuodatetaan ja tuote pestään kunnolla 100 ml:lla vettä. Tuote saa kuivua imussa 30 minuutin ajan. Määritetään saanto. Uudelleenkiteytetään etanoli-vesi (1:1)- seoksesta. Ohjeen saanto 90 %. Tuotteen karakterisointi Tarkista tuotteen puhtaus TLC-levyllä (eluenttina etyyliasetaatti-heksaani, 1:1). Tuotteesta mitataan sulamispiste ja IR-spektri. -40-

41 41 p-metyyliasetofenoni O C H 3 + O O H 3 C O CH 3 AlCl 3 H 3 C CH 3 + HC Mekanismi: A. Streitwieser, Jr., C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p.; Macmillan, New York 1992, s Reagenssit 15 g AlCl 3 25 ml tolueeni, tislattu 4,8 ml etikkahappoanhydridiä Työturvallisuus Alumiinikloridi kehittää ilman kosteuden vaikutuksesta HCl:ää ja reagoi kiivaasti veden kanssa. Pöly on haitallista hengitettynä. Tolueeni: syttyvä. Etikkahapon anhydridi: lakrymaattori, syövyttävä. Välineet ja laitteistot 100 ml:n kolmikaulakolvi, jossa tiputussuppilo, CaCl 2 -putki, mekaaninen sekoittaja, pystyjäähdyttäjä, PVC-letkua + suppilo 250 ml:n dekantterilasi öljyhaude erotussuppilo mekaaninen sekoituslaitteisto alipainetislauslaitteisto Työn suoritus (A. I. Vogel, A Text Book of Practical Organic Chemistry, 3. p., Longman, London 1970, s. 730) -41-

42 ml:n kolmikaulakolviin kiinnitetään kalsiumkloridiputkella varustettu tiputussuppilo (jos tiputussuppilossa on sivuputki, laitetaan vain tulppa), mekaaninen sekoitin ja riittävä pystyjäähdyttäjä kaasunkeruulaitteistolla. Kolviin laitetaan 15 g hienoksi jauhettua alumiinikloridia ja 25 ml tolueenia. Sekoittaja käynnistetään ja lisätään hitaasti tiputussuppilon kautta 5,1 g (4,8 ml) asetanhydridiä. Lisäys tehdään 15 minuutin aikana, jolloin lämpötila nousee 90 C:een ja vapautuu paljon vetykloridia. Lämmitetään vesihauteella sekoittaen 30 minuutin ajan tai kunnes kaasua ei enää muodostu. Seos jäähdytetään huoneenlämpötilaan ja kaadetaan 30 g jäämurskaan, jossa on 30 ml väkevää suolahappoa. Sekoitetaan kunnes alumiinisuolat ovat liuenneet kokonaan. Eristys ja puhdistus Tolueenikerros eristetään, pestään vedellä ja 10 %:lla NaOH-liuoksella, kunnes pesuliuoksen ph jää emäksiseksi. Lopuksi pestään vielä vedellä. Liuos kuivataan magnesiumsulfaatilla ja jäännös tislataan normaalipaineessa käyttäen Claisen-osaa: lämpötilan annetaan nousta 125 C:een, minkä jälkeen annetaan jäähtyä. Tämän jälkeen jatketaan tislausta alipaineessa. Vaihtoehtoisesti tolueeni voidaan poistaa pyöröhaihduttimella. Välillä C/ 7 mmhg (kiehumispiste normaalipaineessa: 225 C) kiehuva p-metyyliasetofenoni kerätään talteen. Ohjeen saanto on 5,8 g. Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan taitekerroin ja IR-spektri. -42-

43 43 p-bentsokinoni OH O KBrO 3 laimea H 2 SO 4 OH O Mekanismi: Orgaanisen kemian perustyöt I - kansio (Assistenttihuone). Reagenssit 2,5 g hydrokinonia 1,4 g kaliumbromaattia 1,2 ml rikkihappoa (2 M) Työturvallisuus Hydrokinoni on haitallista. KBrO 3 on hapettavaa ja räjähtävää. Välineet ja laitteistot 100 ml:n kolvi ja tulppa imusuodatuslaitteisto sublimointilaitteisto Työn suoritus Laita 100 ml:n kolviin järjestyksessä kaliumbromaatti, 2M rikkihappo, vesi (25 ml) ja hydrokinoni. Sulje tulpalla ja sekoita seosta (esim. käsin) noin 30 minuuttia huoneenlämpötilassa. Reaktio on valmis, kun alussa mustaksi muuttunut seos on keltainen (kellanvihreä). Eristys ja puhdistus Suodata imussa ja pese jääkylmällä vedellä ja levitä tuote suodatinpaperille kuivumaan kunnes kuiva. Raakatuote puhdistetaan sublimoimalla vakuumissa (lämmityshauteen lämpötilaksi suositellaan C). p-bentsokinonin saanto on 1,3 g ja sulamispiste 115 C. Huomautus: Tuote liukenee veteen, joten liika pesu vähentää suodattimelle jäävän aineen määrää. Varsinkin epäpuhdas tuote hajoaa helposti, joten tuotteen eristyksessä ja puhdistamisessa ei ole syytä aikailla. -43-

44 44 Tuotteen karakterisointi Tuotteesta mitataan sulamispiste ja IR-spektri. -44-

45 45 Ketonien suojaus etyleeniasetaaleina (1,3-dioksolaanit): etyyliasetoasetaatin etyleeniasetaali tahi etyyli-(2-metyyli-1,3-dioksolan-2-yyli)asetaatti C H 3 O O O CH 3 + HO OH CH 3 C 6 H 4 SO 3 H O C H 3 O O O CH 3 Monifunktionaalisten molekyylien osallistuessa synteesisekvenssiin on usein tarpeen suojata aldehydi- ja ketonikarbonyyliryhmät, jotta vältyttäisiin ei-toivotuilta sivureaktioilta. Suojaava ryhmä poistetaan myöhemmin sopivassa vaiheessa. Tavallinen suojaryhmä aldehydeille ja ketoneille on etyleeniasetaali (1,3-dioksolaanijohdos). Tämä voidaan helposti valmistaa, kun annetaan karbonyyliyhdisteen reagoida etaani-1,2-diolin (etyleeniglykoli) kanssa happokatalysaattorin läsnäollessa. Suojaryhmä poistetaan lopuksi happamalla vesiliuoksella. Mekanismi: A. Streitwieser, C. H. Heathcock and E. M. Kosower, Introduction to Organic Chemistry, 4. p.; Macmillan, New York 1992, s Reagenssit Työturvallisuus Välineet ja laitteistot 12,7 ml etyyliasetoasetaattia 5,8 ml etaani-1,2-diolia Etyyliasetoasetaatti etyleeniglykoli ovat ärsyttäviä ja Refluksointi Dean&Starklaitteistolla (veden poisto) 0,05 g p-tolueenisulfonihappo-m onohydraattia Tolueeni on helposti syttyvää. uutto/erottelu imusuodatus vakuumitislauslaitteisto 50 ml tolueenia 10% NaOH-liuosta vedetön kaliumkarbonaatti -45-