Juha Siitonen Jyväskylän yliopisto Syntetiikan töitä
Orgaanisen kemian työmenetelmistä Reuksointi Reuksointi käsittää reaktioseoksen keittämisen palautusjäähdyttimen alla niin, että höyrystyvät reagenssit tiivistyvät jäähdyttimessä ja palaavat kolviin. Kolviin kiinnitetään jäähdytin ja vesikierto asetetaan alhaalta ylöspäin. Näin kylmin vesi kohtaa kummimman höyryn. Reuksoitaessa kolviin on lisättävä joko kiehumakiviä tai käytettävä magneettisekoitusta. Tämä tasaa kehumisen. Reuksoitaessa on pidettävä huoli siitä, ettei höyrypatsas nouse jäähdyttimessä yli 1/3 koko pituudesta. Höyrypatsaan noustessa liian korkealle vähennetään kuumennusta. Imusuodatus Imusuodatuksella erotetaan kiinteä aine nesteestä alipaineen imiessä nesteen huokoisen rajapinnan (paperi tai sintteri) läpi. Orgaanisessa kemiassa on myös yleistä pestä tuote suodattimella, tällöin imu Figure 1: Reuksointi katkaistaan, pesuliuotinta lisätään suodattimelle ja spaattelilla tai lasisauvalla murskataan ja sekoitetaan tuotetta pesuliuottimeen. Imu käynnistetään ja pesu toistetaan tarvittaessa. Suodattimella pesua suoritettaessa on varottava ettei suodatinpaperi puhkea. Uudelleenkiteytys Uudelleenkiteytys on tuotteiden puhdistusmenetelmä, jossa puhdistettava aine liuotetaan kuumaan liuottimeen ja annetaan muodostuneen liuoksen jäähtyä. Hitaan jäähtymisen seurauksena tuote erottuu puhtaina kiteinä. Uudelleenkiteytettäessä haluttu aine liuotetaan pieneen määrään kuumaa liuotinta lämpölevyllä ja kuumaa liuotinta lisätään pienissä erissä kunnes kaikkia aine on liuennut. Liuos siirretään pois lämpölevyltä ja astia peitetään. Hitaasti jäähtyessä tuote erottuu uudelleen. On tapauksia joissa kaiken tuotteen liuettua seoksessa on vielä kiinteitä epäpuhtauksia. Tällöin liuos on kuumasuodatettava. Tislaus Tislauksessa haluttu aine höyrystyy ja tiivistyy. Tuotteen sisältäessä vain hyvin vähän epäpuhtauksia, voidaan tuote erottaa yksinkertaisella tislauksella. Tislauslaitteisto koostuu tislauskolvista, tislausväliosasta, jäähdyttimestä, sitomisputkesta ja vastaanottokolvista. Tislauskolvina käytetään lähes poikkeuksetta pyörökolvia. Tislattavaa seosta kaadetaan kolviin 2/3 koko tilavuudesta. Kiehumisen tasaamiseksi kolviin lisätään kiehumakiviä tai vaihtoehtoisesti käyttää magneettisekoitusta. Tislausväliosa asetetaan kolvin päähän ja lämpömittarin pohjan korkeus asetetaan väliosan sivuputken korkeudelle. Tislausväliosaan kiinnitetään edelleen jäähdytin, joka tuetaan statiivilla. Jäähdyttimen vesikierto on alhaalta ylöspäin, jolloin jäähdyttimeen muodostuu kokonainen kylmä vesipatsas. Jäähdyttimen päähän kiinnitetään sitomisputki ja sitomisputkeen vastaanottokolvi. Lämmitys aloitetaan ja lämpötila nostetaan tislauslämpötilaan. Sopiva tislausnopeus on 1 tippa/sekunti. Figure 2: Tislaus
N-Fenyyliftalimidi Teoria N-Fenyyliftalaimidiä käytetään muovien valmistuksessa sekä orgaanisessa syntetiikassa. Sitä valmistetaan reagoittamalla ftaalihappoanhydridiä aniliiniin, jolloin muodostuu N-korvattu ftalaimi. Kemikaalit Aniliini C 6 NH 2 Ftaalihappoanhydridi C 6 H 4 (CO) 2 O Väkevä etikkahappo CH 3 CO Synteesi Sekoitetaan 4,9 ml aniliinia, 5 g ftaalihappoanhydridiä ja 50 ml väkevää etikkahappoa 250 ml kolvissa. Reuksoidaan seosta 30 minuutin ajan. Reaktioseoksen jäähtyessä kiteinen tuote erottuu. Kolviin lisätään noin 100 ml vettä ja seosta sekoitetaan huolellisesti. Erottuneet kiteet imusuodatetaan. Muodostunut tuote uudelleenkiteytetään etanolista. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua
Bentsanilidi Teoria Bentsamidi, joka on yksinkertaisin aromaattinen amidi, on teollisuudessa käytetty lähtöaine. Sitä valmistetaan Schotten-Baumann reaktiolla, jossa happokloridi reagoi emäksisessä ympäristössä amiinin kanssa. Tässä tapauksessa bentsoyylikloridi reagoi aniliinin kanssa. Kemikaalit Aniliini C 6 NH 2 10% Natriumhydroksidin vesiliuos Na Bentsoyylikloridi C 6 COCl Synteesi Sekoitetaan 2,5 ml aniliinia ja 25 ml 10% natriumhydroksidiliuosta 250 ml kolvissa. Lisätään seokseen 3,5 ml bentsoyylikloridia ja asetetaan kolvin suulle hiostulppa. Sekoitetaan voimakkaasti 10 minuutin ajan. Reaktion loputtua (bentsoyylikloridin hajun kadottua) varmistetaan reaktioseoksen olevan emäksinen ja laimennetaan se 10 ml vettä. Imusuodatetaan muodostunut tuote ja hajotetaan suodattimella mahdolliset möykyt. Pestään tuote runsaalla vedellä. Uudelleenkiteytetään muodostunut tuote etanolista; dekantoidaan kuuma liuos uuteen keitinlasiin jos pohjalle jää liukenematonta kiintoainetta. Imusuodatetaan muodostuneet kiteet ja annetaan kuivua huoneen lämpötilassa. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua.
Asetanilidi Teoria Asetanilidi (N-fenyyliasetamidi) on parasetamolin kaltainen lääkeaine, jolla on kuumetta lievittävä vaikutus. Sen huomattiin 1940-luvulla aiheuttavan munuaisvaurioita, joten se on lähes täysin poistunut lääkekäytöstä. Sillä on nykyisin käyttöä lähinnä väriaineiden valmistuksessa. Asetanilidia valmistetaan etikkahappoanhydridin ja aniliinin välisellä kondensaatioreaktiolla. Kemikaalit Aniliini C 6 NH 2 Väkevä suolahappo HCl Etikkahappoanhydridi (CH 3 CO) 2 O Natriumasetaatti trihydraatti CH 3 COONa 3 H 2 O Metanoli CH 3 Synteesi Sekoitetaan 125 ml vettä, 4,6 ml väkevää suolahappoa ja 5 ml aniliinia 250 ml keitinlasissa. Sekoitetaan kunnes aniliini on täysin liuennut. Lisätään muodostuneeseen liuokseen 6,4 ml etikkahappoanhydridiä ja sekoitetaan kunnes se on liuennut. Lisätään välittömästi 8,3 g natriumasetaatti trihydraattia liuotettuna 25 ml vettä. Sekoitetaan voimakkaasti ja jäähdytetään jäähauteessa. Imusuodatetaan muodostuneet kiteet ja pestään ne 10 ml vettä. Tuote uudelleenkiteytetään 125 ml kiehuvaa vettä, johon on lisätty noin 3 ml metanolia. Imusuodatetaan muodostuneet kiteet ja asetetaan ne kuivumaan kellolasille. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua.
p-nitroasetanilidi Teoria p-nitroasetanilidi on väriaineteollisuudessa käytetty lähtöaine. Sitä voidaan valmistaa nitraamalla asetanilidia. Nitraukseksi kutsutaan prosessia, jossa hiilirunkoon liitetään NO 2 -ryhmä. Nitraus tapahtuu sekoittamalla nitrattavaa reagenssia väkevän rikkihapon ja väkevän typpihapon seokseen. Tässä tapauksessa nitroryhmä liittyy lähes täysin para-asemaan. Kemikaalit Asetanilidi C 6 NHCOCH 3 Väkevä etikkahappo CH 3 CO Väkevä rikkihappo H 2 SO 4 Väkevä typpihappo HNO 3 Synteesi Liuotetaan 12,5 g asetanilidia 13 ml väkevää etikkahappoa 250 ml kolvissa. Tipautetaan kolviin magneettisekoitussauva, käynnistetään sekoitus ja lisätään seokseen 25 ml väkevää rikkihappoa. Liuoksen kirkastuttua se asetetaan jääsuolahauteeseen. Jäähdytetään keitinlasissa seos 5,5 ml väkevää typpihappoa ja 3,5 ml väkevää rikkihappoa. Seoksen lämpötilan tiputtua 0-2 C lisätään happoseosta pipetillä pienissä erissä kolviin pitäen lämpötila alle 10 C. Kun kaikki happo on lisätty annetaan seoksen seisoa huoneen lämpötilassa 30 min. Kaadetaan reaktioseos 250 ml kylmää vettä (varottava roiskumista!). Annetaan seoksen seisoa 15 min, imusuodatetaan muodostunut tuote ja pestään se huolellisesti vedellä happovapaaksi (testaa pesuvesi ph-paperilla). Uudelleenkiteytetään vaaleankeltainen tuote etanolista. Imusuodatetaan ja pestään pienellä määrällä kylmää etanolia. Annetaan kuivua huoneen lämpötilassa. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua.
Fenyyli-atso-β-naftoli Teoria Atsoyhdisteet sisältävät typpi-typpi-kaksoissidoksia, joiden ansiosta suurin osa on myös värillisiä. Atsovärit ovat kuitenkin verrattain myrkyllisiä ja niiden käyttöä esimerkiksi elintarvikkeissa pyritään rajoittamaan. Kokeessa valmistetaan diatsosuola, jonka annetaan reagoida fenolin kanssa. Kemikaalit Aniliini C 6 NH 2 Väkevä suolahappo HCl Natriumnitriitti NaNO 2 β-naftoli C 10 H 7 Synteesi Sekoitetaan 4,45 ml aniliinia, 8 ml väkevää suolahappoa ja 8 ml vettä 100 ml keitinlasissa. Siirretään keitinlasi jäähauteeseen ja annetaan lämpötilan laskea 5 C. Liuotetaan toisessa 100 ml keitinlasissa 2,0 g natriumnitriittiä 10 ml jääkylmää vettä. Lisätään nitriittiliuos pienissä erissä aniliiniliuoksen sekaan. Lämpötila ei saa nousta lisäyksen aikana yli 10 C (reaktioseokseen lisätään jäätä jos tarve vaatii). Liuotetaan 3,9 g β-naftolia 22,5 ml 10 % natriumhydroksidiliuosta 250 ml keitinlasissa ja jäähdytetään näin muodostunut liuos 5 C jäähauteella ja tarpeen vaatiessa lisäämällä jäätä. Sekoitetaan naftoliliuosta voimakkaasti ja lisätään aniliiniliuos hyvin hitaasti sekaan. Kun kaikki aniliiniliuos on lisätty, annetaan keitinlasin seisoa jäähauteessa 10 minuuttia silloin tällöin sekoittaen. Imusuodatetaan muodostunut tuote ja kuivataan se painelemalla kidemassaa suurella lasitulpalla. Uudelleenkiteytetään muodostunut tuote väkevästä etikkahaposta. Imusuodatetaan uudelleenkiteytetty tuote ja pestään pienellä määrällä etanolia. Annetaan kuivua suodatinpaperin päällä. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua.
Dibentsaaliasetoni Teoria Dibentsaaliasetoni (1,5-difenyyli-1,4-pentadieeni-3-oni) on aurinkorasvoissa käytetty orgaaninen kemikaali, joka imee tehokkaasti ultraviolettisäteilyä. Sitä valmistetaan asetonin ja bentsaldehydin välisellä emäskatalysoidulla aldolikondensaatiolla. Tuote uudelleenkiteytetään etanolista. Kemikaalit Bentsaldehydi C 6 C Asetoni OC(CH 3 ) 2 Natriumhydroksidin 10% vesiliuos Na 5% Etikkahapon etanoliliuosch 3 CO Synteesi Sekoitetaan 15 ml etanolia ja 20 ml 10 % natriumhydroksidin vesiliuosta 250 ml kolvissa. Tipautetaan kolviin magneettisekoitussauva ja käynnistetään sekoitus. Lisätään seokseen 2,0 ml bentsaldehydiä. Tämän jälkeen lisätään 758 µl asetonia. Annetaan seoksen reagoida 30 min ajan. Lisätään reaktioseokseen 20 ml kylmää vettä ja imusuodatetaan muodostunut tuote. Pestään tuote 50 ml vettä. Siirretään tuote keitinlasiin ja lisätään 20 ml 5% etikkahapon etanoliliuosta. Sekoitetaan suspensiota ja toistetaan imusuodatus. Pestään tuote pienellä määrällä jääkylmää etanolia. Siirretään muodostunut tuote 100 ml erlenmeyerkolviin. Asetetaan kolvi kiehuvaan vesihauteeseen ja pipetoidaan kolviin kuumaa etanolia. Etanolia lisätään kunnes kaikki tuote on liuennut. Tähän ei pitäisi kulua 40 ml enempää etanolia! Siirretään erlenmeyerkolvi pois vesihauteesta ja annetaan sen jäähtyä huoneenlämpöön, jolloin liuoksesta erottuu puhdas kiteinen tuote. Imusuodatetaan muodostuneet kiteet ja imetään ilmaa tuotteen läpi 10-15 min. Punnitaan saanto kiteiden kuivuttua.
n-butyylibromidi Teoria Alkyylihalidit ovat orgaanisen kemian tärkeimpiä lähtöaineita. Yleisimmin niitä valmistetaan korvaamalla alkoholin - ryhmä halogeenilla. Tässä kokeessa alkoholi on n-butanoli ja halogeenihappo vetybromidi. Vetybromidia muodostetaan väkevän rikkihapon ja natriumbromidin välisellä reaktiolla. Muodostunut alkyylihalidi puhdistetaan tislaamalla. Kemikaalit Natriumbromidi NaBr n-butanoli C 4 H 9 Väkevä rikkihappo H 2 SO 4 Natriumvetykarbonaatti 10% vesiliuos NaHCO 3 Vedetön kalsiumkloridi CaCl 2 Synteesi Sekoitetaan 250 ml kolvissa 18 g natriumbromidia 20 ml vettä ja 12,5 ml n-butanolia. Siirretään kolvi jäähauteeseen ja lisätään 15 ml väkevää rikkihappoa pienissä erissä seokseen. Sekoitetaan jokaisen lisäyksen välissä. Kolviin tipautetaan muutama kiehumakivi ja seosta reuksoidaan 30 min. Kuumennus lopetetaan ja seoksen annetaan jäähtyä noin 5 min. Palautusjäähdyttimen tilalle rakennetaan tislauslaitteisto ja muodostunut n-butyylibromidi tislataan seoksesta erilleen. Tisle vastaanotetaan jäähauteella jäähdytettyyn keruukolviin, jossa on noin 10 ml vettä. Tislauskolvissa olevan seoksen vaahtoaminen viittaa tislauksen päätepisteeseen. Tisle siirretään erotussuppiloon ja alempi n-butyylibromidifaasi siirretään puhtaaseen kolviin. Kaadetaan vesifaasi jäteastiaan ja siirretään n- butyylibromidi uudelleen erotussuppiloon, jossa se pestään pestään yhtä suurella tilavuudella 10% natriumvetykarbonaattiliuosta. Tuote lasketaan pieneen erlenmeyeriin ja kuivataan lisäämällä siihen pieni määrä kalsiumkloridia. 5 min jälkeen tuote dekantoidaan pestyyn ja kuivattuun pyörökolviin. Rakennetaan tislauslaitteisto ja tislataan puhdas tuote erilleen ennalta punnittuun tuotepurkkiin. Mitataan tislautuvan n-butyylibromidin kiehumispiste. Punnitaan saanto.
Tarvittavat kemikaalit Natriumbromidi NaBr n-butanoli C 4 H 9 Väkevä rikkihappo H 2 SO 4 Natriumvetykarbonaatti 10% vesiliuos NaHCO 3 Vedetön kalsiumkloridi CaCl 2 Asetoni OC(CH 3 ) 2 Etikkahappoanhydridi (CH 3 CO) 2 O Bentsaldehydi C 6 C Metanoli CH 3 Väkevä suolahappo HCl Natriumnitriitti NaNO 2 β-naftoli C 10 H 7 Väkevä typpihappo HNO 3 Natriumhydroksidin 10% vesiliuos Na Väkevä etikkahappo CH 3 CO Bentsoyylikloridi C 6 COCl 5% Etikkahapon etanoliliuosch 3 CO Tarvittavat välineet 250 ml pyörökolvi, liebig-jäähdytin, tiputussuppilo, kumiletkua, pieni kattila, kiehumakiviä, tislausväliosa, lämpömittariläpivienti, lämpömittari, 100 ml erotussuppilo, magneettisekoitin, namu, imupullo, büchner-suppilo, suodatinpaperia, 100 ml; 250 ml keitinlaseja ja erlenmeyerkolveja, 10; 100 ml mittalaseja, 10 ml mittapipettejä