LUT METELI 2011 Soveltavan kemian työt Juha Siitonen, JYU 5. helmikuuta 2011
Sisältö 1 Työselostusten kirjoittamisesta 2 1.1 Työselostuksen kielestä ja rakenteesta...................... 2 2 Bentsokaiinin synteesi 4 2.1 Teoria....................................... 4 2.2 IR-Spektrometria................................. 5 2.2.1 Taustaa.................................. 5 2.2.2 IR-Spektrin ominaisuudet........................ 6 2.2.3 N H sidos................................ 6 2.3 Prelab-kysymykset................................ 7 2.4 Työn suoritus................................... 8 2.5 Kemikaalit..................................... 8 2.6 Työselostuksesta................................. 8 3 Kromifosfaatin CrP 4 6 H 2 synteesi 9 3.1 Teoria....................................... 9 3.2 Prelab-kysymykset................................ 9 3.3 Työn suoritus................................... 9 3.4 Kemikaalit..................................... 10 3.5 Työselostuksesta................................. 10 4 Kvalitatiivinen analyysi 11 4.1 Työn suoritus................................... 11 4.2 Kemikaalit..................................... 11 4.3 Työselostuksesta................................. 11 1
1 Työselostusten kirjoittamisesta Töistä kirjoitetaan työselostukset, jotka palautetaan töiden 1-3 osalta oppilaslaboratoriossa sijaitsevaan laatikkoon, joka on merkitty tekstillä Työselostukset. Työselostukset voidaan myös palauttaa PDF-muodossa ohjaajalle sähköpostiosoitteeseen juha piste siitonen ät jyu piste fi. Työselostuksen kirjoitetaan mieluiten tietokoneella (Word, L A TEXtms.). Siihen ei kopioida työohjeen laborointiohjeita, vaan kirjoitetaan mitä itse teitte laboratoriossa ja mitä havaitsitte. Jokainen työohje sisältää merkinnän siitä, mitä selkkarissa tulee työkohtaisesti käydä ilmi. 1.1 Työselostuksen kielestä ja rakenteesta Työselostuksen laatimisessa tärkeää on sen jäsentely (jakaminen alaotsikoihin) lukemisen helpottamiseksi. Jaottelu voi olla esimerkiksi seuraava: johdanto, synteesit (analyysit), tulokset ja johtopäätökset. Työselostuksissa kuvataan tehdyt synteesit ja analyysit niin, että ne ovat yksikäsitteisesti toistettavissa. Selosteen teksti kirjoitetaan yleensä imperfektimuodossa joko passiivissa tai ensimmäistä persoonamuotoa käyttäen (esim. syntetisoitiin, syntetisoin). Edelisestä poiketen, tuloksien tarkastelussa käytetään yleensä preesensmuotoa (esim. "analyysitulokset osoittevat", "yhdisteen sulamispiste on"). Pääsääntöisesti käytetään tekstin molempien reunojen tasausta. Talukot, kuvat ja kaaviot tulee nimetä sekä numeroida ja niihin tulee viitata tekstissä ainakin kerran. Taulukkosolujen nimeämisessä kannattaa käyttää lyhyehköjä otsikoita ja/tai lyhenteitä. Lyhenteitä käytettäessä niiden selvitys on esitettävä. Samoin reaktioyhtälöt tulee numeroida. Myös sivunumerointia tulee käyttää. Lisäksi selosteessa käytetyt kirjallisuusviitteet tulee luetteloida omana kappaleenaan selosteen loppuun (esim. Viitteet -otsikon alle). Käytettyihin viitteisiin pitää tekstiosuudessa olla viittaus viitenumeroa käyttäen (Esim. yläindeksillä tai suluissa viittauksen jälkeen). Raportissa käytetään aina itse punnittuja ainemääriä. Punnittaessa synteesissä käytettäviä aineita ja laskettaessa saantoja käytetään kolmea merkitsevää nuemroa. Laskuesimerkit on parasta liittää selosteen loppuun erillisinä liitteinä. Tärkein asia työselostuksessa on tarkoitus. Lähestykää selostuksen kirjoittamista kuten tekisitte työtä ensimmäistä kertaa ilman työohjetta, EI kuin se olisi oppimiskokemus. Esimerkiksi: Hyvä Tuntemattoman yhdisteen määrittämiseksi sen reaktioita verrattiin tunnettujen yhdisteiden reaktioihin. Välttävä Määritimme tuntemattoman yhdisteen vertaamalla sitä tunnettujen yhdisteiden reaktioihin. Kelvoton pimme määrittämään tuntemattoman yhdisteen. Johtopäätöksiä tehtäessä kokeen tulokset tiivistetään pariin lauseeseen. Tähän EI kuulu esimerkiksi yksityiskohtainen menetelmien selostus! Kappleesta tulee käydä ilmi saavutettiinko tavoite ja miten mittaustulokset tukevat päätelmiä. Jälleen esimerkki: Hyvä Kemiallisten testien perusteella tuntematon näyte osoitettiin p-bromobentsaldehydiksi. Kemialliset testit osoittivat aldehydin, aromaattisen ryhmän, mutteivät ketonia, karboksyylihappoa tai alkoholia. Nämä tulokset ovat yhtäpitäviä puhtaalle yhdisteelle suoritetun testin kanssa. 2
Välttävä Määritimme tuntemattoman yhdisteen p-bromobentsaldehydiksi ohessa esitetyin kokein. Kelvoton Tässä kokeessa opimme määrittämään tuntemattoman yhdisteen käyttämällä erilaisia kemiallisia testejä. Esimerkki raportin kirjoittamiseen löytyy ensimmäisestä liitteestä. 3
2 Bentsokaiinin synteesi Koka-pensaita (Erythroxylon coca) kasvaa Perussa Andien vuoristoalueilla. Alkuasukkaat ovat syöneet pensaan lehtiä vuosituhansien ajan niiden stimuloivien vaikutusten takia. Aikaisimmat löydöt pureskelluista lehdistä edeltävät inkojen valtaannousua. Lehtien huumaavan vaikutuksen aikaansaavat alkaloidit, pääasiassa kokaiini. Kokaiinin havaittiin 1800-luvulla olevan myös puuduttava aine. Esimerkiksi silmäleikkaukset onnistuivat huomattavasti paremmin, kun silmään tipautettiin muutama pisara kokaiiniuutetta. Kemistit ratkaisivat kokaiinin rakenteen vuonna 1918 käynnistäen valtavan ryntäyksen erilaisten kokaiinin tapaisten molekyylien synteesissä. Tässä yhteydessä ollaan kuitenkin poliittisen korrektiuden vuoksi kiinnostuneita vain kokaiinin puuduttavasta vaikutuksesta.[1] Tutkimukset tuottivat useita molekyylejä, joista eräs käyttökelpoisimmista on bentsokaiini (etyyli-4-aminobentsoaatti). Tämä molekyyli on maailmanlaajuisesti yksi käytetyimmistä paikallispuudutteista. Sitä löytyy useista rasvoista ja lääkeaineista. Työssä valmistetaan kyseinen yhdiste ja vahvistetaan tuotteen rakenne IR-spektrometrialla. N N (a) Kokaiini N H 2 (b) Prokaiini N H 2 (c) Bentsokaiini Kuva 1: Kokaiinijohdannaisten rakenteita, kaikista löytyy esteriosa 2.1 Teoria Bentsokaiinia valmistetaan 4-aminobentsoehaposta ja etanolista happokatalysoidulla esteröitymisellä, joka on jo yläasteelta tuttu reaktio [2]. Lisäksi muodostuvasta molekyylistä on syytä huomata emäksinen NH 2 -ryhmä. H 2 N H + H H 2 S 4 H 2 N Kuva 2: 4-Aminobentsoehapon esteröinti etyyli-4-aminobentsoaatiksi Hermosoluissa bentsokaiini sitoutuu solukalvolla olevaan kanavaproteiiniin, joka normaalisti päästäisi lävitseen natriumioneja. Ilman ionien virtausta hermoimpulssi ei voi edetä hermosolussa, jolloin tuntohermosolujen aistimukset eivät pääse aivoihin saakka. Esteröityminen, kuten monet muut orgaaniset reaktiot vaativat lämmittämistä, jotta reaktio tapahtuisi laboratoriomittakaavassa tarpeeksi nopeasti. Lämpötilaa on myös pystyttävä kontrolloimaan. Tällöin reaktio suoritetaan refluksoimalla, eli keittämällä reaktioseosta palautusjäähdyttimen alla kolvissa. Kolviin punnitaan lähtöaineet ja se varustetaan pystyjäähdyttimellä. Reaktioseosta kuumennetaan sopivalla lämpöhauteella niin, että liuotin kiehuu. Höyrystynyt liuotin 4
nousee pystyjäähdyttimeen ja tiivistyy siellä takaisin nesteeksi palaten kolviin. Näin reaktioseosta voidaan pitää liuottimen kiehumispisteessä halutun aikaa. Ilman pystyjäähdytintä liuotin haihtuisi ja lopulta kolvissa olevat lähtöaineet palaisivat pohjaan. Kuva 3: Refluksointilaitteisto 2.2 IR-Spektrometria 2.2.1 Taustaa Kemistit käyttävät IR-spektroskopiaa tunnistamaan yhdisteen funktionaaliset ryhmät. Infrapunasäteilyn aallon pituudet ovat näkyvää valoa pidempiä, joten niiden taajuus ja siten myös energia on näkyvää valoa alhaisempia. IR-spektroskopiassa taajuudet ilmoitetaan käyttäen aaltolukua ν = 1 λ Aaltoluvun yksikkönä on cm 1. Taajuus ja energia kasvaa aaltoluvun kasvaessa. Käyttäen aaltolukujen skaalaa kemiallisen rakenteen kannalta merkitsevin väli on 4000 cm 1-400 cm 1. Kovalenttiset sidokset eivät ole staattisia. Pikemminkin ne ovat kuin jousia, joiden päissä atomit ovat. Kahden atomin liittyessä toisiinsa, sidos voi venyä edestakaisin. Kolmen tai useamman atomin tapauksessa sidokset voivat myös taipaua. Nämä sidosten venymiset ja taipumiset ovat kullekkin molekyylille ominaisia. Koska värähtelyt ovat kvanttiutuneita, ne tapahtuvat vain tietyillä resonanssitaajuuksilla, jotka vastaavat IR-valon tiettyjä aallonpituuksia. IR-valon vastatessa tietyn värähdyksen taajuutta, valo absorboituu saaden sidoksen värähtelemään entistä kovemmin. Siis: Erilaiset sidoset värähtelevät eri taajuuksilla, joten ne absorboivat eritaajuista IR-valoa 5
IR-spektroskopia erottaa molekyylin erilaiset sidokset, joten sen avulla voidaan tunnistaa funktionaalisia ryhmiä 2.2.2 IR-Spektrin ominaisuudet Infrapunaspektrofotometri on laite, joka lähettää näytteen läpi IR-valoa eri aallonpituuksilla. Aallonpituudet, jotka saavat näytteen sidokset värähtelemään, imeytyvät näytteeseen. Jäljelle jäänyt valo kulkee detektorille. Spektrinä saadaan kuvaaja suhteellisesta transmitanssista aaltoluvun funktiona. Spektri jaetaan yleensä kahteen osaan: Funktionaalisten ryhmien alue 1500 cm 1. Yleisesti funktionaaliset ryhmät näkyvät yhtenä tai kahtena piikkinä tällä alueella, ominaisella taajuudellaan. Sormenjälkialue 1500 cm 1. Tällä alueella näkyvät monimutkaiset rakenteesta johtuvat piikit, piikkipatteri on jokaiselle yhdisteelle ominainen. Ilman tietokantaa sormenjälkialueen tutkiminen on joko mahdotonta tai todella haastavaa. Käytännössä IR-spektrien antama tieto onkin yleensä vain funktionaalisten ryhmien alueella. Funktionaalisen ryhmän piikeistä antaa tietoa niiden intensiteetti (kuinka syviä piikit ovat) sekä niiden paikka. Värähdysten paikkaan spektrissä vaikuttavat sidosvahvuudet sekä sitoutuvien atomien massat. Spektrien tulkitseminen suorittaan yleensä taulukoiden avulla vaivaamatta päätä liiaksi molekyylitason värähdysten ominaisuuksilla. Taulukossa 1 on listattuna yleisimmät IR-absorptiot. Sidostyyppi Keskimääräinen ν cm 1 Intensiteetti H 3600-3200 Vahva, leveä N H 3500-3200 Keskivahva C H 3000 Vahva C C 3300 Keskivahva C N 2250 Keskivahva C 1800-1650 Vahva C C 1650 Keskivahva C 1300-1000 Keskivahva Ar 1600-1500 Keskivahva 3100-3000 Heikko Taulukko 1: Tärkeitä IR-absorptioita [3] 2.2.3 N H sidos N H sidokset esiintyvät H sidoksen kanssa samalla alueella. N H sidokset voidaan kuitenkin helposti erottaa piikin kapeudesta. Absorptiot ovat vahvoja tai keskivahvoja ja niiden avulla voidaan erottaa primaariset ja sekundääriset amiinit. Primaarisilla amiineilla on usein kaksi tai kolme venymää tällä alueella. N H sidosta pitäisi myös vastata yksi heikko piikki alueella 1650-1550 cm 1. 6
2.3 Prelab-kysymykset 1. Selitä omin sanoin termi refluksointi. 2. Aarne Äpyli suoritti kyseistä harjoitustyötä. Hän kuvitteli säästävänsä aikaa ja lisäsi rikkihappoa 1 ml sijasta 50 ml. Tuotteen IR-spektri osoitti kuitenkin, ettei esteriä ollut muodostunut. Mitä reaktiossa mahtoi tapahtua? 3. Selitä, miksi natriumkarbonaatin lisääminen saa tuotteen kiteytymään. (Vinkki: Mieti tuotteen happo-emäsluonnetta) 4. hessa on kaksi IR-spektriä 4 ja 5. Toinen kuuluu asetonille (2-propanoni) ja toinen isopropanolille (2-propanoli). Kumpi on kumpi ja miksi? 0 Transmitanssi 0,5 1 4000 3000 2500 2000 1500 1000 500 Aaltoluku cm ¹ Kuva 4: Spektri A 0 Transmitanssi 0,5 1 4000 3000 2500 2000 1500 1000 500 Aaltoluku cm ¹ Kuva 5: Spektri B 7
2.4 Työn suoritus Synteesi Mitataan 100 ml pyörökolviin 1,20 g 4-aminobentsoehappoa ja 12,0 ml etanolia. Tipautetaan seokseen magneettisekoitussauva ja sekoitetaan seosta, kunnes kaikki kiintoaine on liuennut. Lisätään tämän jälkeen seokseen hitaasti pisaroittain 1,0 ml väkevää rikkihappoa. Asetetaan pyörökolvin päälle pystyjäähdytin ja refluksoidaan seosta 60 min käyttäen lämpöhaudetta. Tämän jälkeen lämpöhaude poistetaan ja seoksen annetaan jäähtyä huoneen lämpötilaan. Jäähtynyt reaktioseos siirretään 250 ml keitinlasiin käyttäen noin 30 ml ionivaihdettua vettä. Seokseen lisätään pienissä erissä 10 % natriumkarbonaattiliuosta kunnes hiilidioksidia ei enää muodostu. Muodostunut bentsokaiini imusuodatetaan ja pestään suodattimella 3x 10 ml vettä. Uudelleenkiteytys Siirretään muodostunut tuote 50 ml erlenmeyeriin. Asetetaan erlenmeyer kuumaan vesihauteeseen ja pipetoidaan tuotteen päälle etanolia, kunnes kaikki kiintoaine on liuennut (noin 5 ml). Lisätään liuokseen pisaroittain vettä kunnes se muuttuu hiukan sameaksi. Tämän jälkeen lisätään vielä muutama pisara etanolia. Annetaan liuoksen jäähtyä jäähauteessa silloin tällöin voimakkaasti sekoittaen, jolloin tuote kiteytyy. Imusuodatetaan muodostuneet kiteet punnitulle suodatinpaperille ja imetään tuotteen läpi ilmaa noin 15 min. Punnitaan saanto ja lasketaan saantoprosentti. 2.5 Kemikaalit 4-Aminobentsoehappo Haitallinen Etanoli Herkästi syttyvä Rikkihappo Voimakkaasti syövyttävä 10 % Natriumkarbonaattiliuos Haitallinen 2.6 Työselostuksesta Reaktioyhtälö selkeästi (kaikkein mieluiten rakennekaavojen avulla) näkyville. Raportista tulee käydä ilmi lopputuotteen rakennekaava. Esittäkää tuotteen saantoprosentti ja sen laskeminen. Ilmaiskaa IR-spektrin tärkeimpien piikkien aaltoluvut ja niitä vastaavat sidokset bentsokaiinimolekyylissä. 8
3 Kromifosfaatin CrP 4 6 H 2 synteesi Kromifosfaatin radioaktiivinen muoto, Cr 34 P 4 6 H 2, on immuunijärjestelmän toiminnan seuraamisessa käytetty yhdiste. Veteen suspendoitua kromifosfaattia injektoidaan potilaan verenkiertoon. Seuraamalla kuinka nopeasti immuunijärjestelmän makrofagit poistavat kromifosfaatin solusyönnillä, voidaan päätellä immuunijärjestelmän kokonaiskunto. Lisäksi tutkimalla mitkä immuunijärjestelmään kuuluvat osat (lähinnä perna ja maksa) säteilevät eniten, voidaan päätellä mikä osa järjestelmää ontuu [4]. Tämä menetelmä on edelleenkin käytössä, vaikka sen korvaavia menetelmiä on kehitetty. Samalla periaatteella toimivia fosfori-34:aa sisältäviä kolloideja on vastikään käytetty kasvainten hoidossa [5]. Tässä laboratoriotyössä valmistetaan kromifosfaattia, mutta radioaktiivisen 34 P:n sijaan käytetään fosforin stabiilia isotooppia. 3.1 Teoria Reaktiossa lähdetään liikkelle kromaatti-ionista Cr4 2, jossa kromin hapetusluku on +6. Korkean hapetusluvun siirtymämetalli-ionit eivät yleensä esiinny vesiliuoksissa paljaina ioneina. Ne saavat pysyvämmän oksokompleksirakenteen hajottamalla vesimolekyylejä ja sitomalla niiden happiatomeja itseensä. Näin muodostuu esimerkiksi kromaatti-ioni Cr4 2, permanganaattiioni Mn4 2 ja wolframaatti-ioni W4 2. Tässä synteesissä kromi(vi) pelkistetään kromi(iii)- ioniksi, Cr 3+, sulfiitti-ionilla happamasta liuoksesta. Pienemmällä hapetusluvulla kromi ei enää muodosta oksokompleksia vaan esiintyy normaalina ionina vesiliuoksessa. Tätä kuvaa reaktioyhtälö 1: 3 S 2 3 + 2 Cr 2 4 + 10 H + 2 Cr 3+ + 3 S 2 4 + 5 H 2 (1) Kromaatti-ioni on väriltään keltainen ja kromi(iii)-ioni vihreä. Kromi(III)ioneja sisältävästä happamasta liuoksesta voidaan saostaa fosfaatti-ionilla kromifosfaattia, CrP 4 6 H 2, reaktioyhtälön 2 mukaisesti: 3.2 Prelab-kysymykset Cr 3+ + P 3 4 CrP 4 6 H 2 (2) 1. Työohjeessa mainitaan seuraavaa "kunnes pelkistyminen on tapahtunut täydellisesti", mikä tällöin pelkistyy ja miten täydellinen pelkistyminen voidaan havaita? 2. Kaliumkromaatin ja natriumsulfiitin seos muutti väriään vasta happoa lisättäessä, miksi? 3. Miten muuttaisitte työohjetta, jos lähtöaineena käytettäisiin kromi(iii)nitraattia Cr(N 3 ) 3? 3.3 Työn suoritus Liuotetaan 2,5 g kaliumkromaattia (K 2 Cr 4 ) 250 ml keitinlasissa 30 ml vettä. Liuotetaan 7,0 g natriumsulfiittia (Na 2 S 3 7 H 2 ) 100 ml keitinlasissa 40 ml vettä. Lisätään natriumsulfiittiliuos samalla sekoittaen kaliumkromaattiliuokseen. Lisätään seokseen 10 ml 1 M rikkihappoa ja sekoitetaan liuosta kunnes pelkistyminen on tapahtunut täydellisesti. Lisätään seokseen vielä 20 ml 1 M rikkihappoa. Liuotetaan 4,0 g natriumvetyfosfaattia (NaHP 4 2 H 2 ) 50 ml 9
vettä ja lisätään liuos happamaan kromiliuokseen samalla sekoittaen. Sekoitetaan liuosta vielä 5 minuuttia jolloin kromifosfaatti saostuu. Jätetään seos seisomaan vielä 10 minuutiksi, jotta saostuminen olisi mahdollisimman täydellistä. Imusuodatetaan muodostunut kromifosfaatti punnitulle suodatinpaperille ja pestään sakka suodattimella 3x 10 ml vettä. Siirretään sakka uuniin kuivumaan yön yli ja punnitaan saanto seuraavana päivänä. Lasketaan kromifosfaatin saantoprosentti. 3.4 Kemikaalit Kaliumkromaatti Karsinogeeni, myrkyllinen Natriumsulfiitti Myrkyllinen 1 M Rikkihappo Syövyttävä Natriumvetyfosfaatti Haitallinen Kromifosfaatti Syövyttävä, myrkyllinen 3.5 Työselostuksesta Esittäkää tuotteen saantoprosentti ja sen laskeminen. 10
4 Kvalitatiivinen analyysi Kemiallisen kvalitatiivisen analyysin tarkoituksena on tunnistaa tuntemattoman kemikaalin koostumus. Tunnistukseen on olemassa valmiita ohjeita, mutta aina näin ei ole. Tällöin on pystyttävä käyttämään kylmää järkeä ja loogista ajattelua. nnea matkaan! 4.1 Työn suoritus Menetelmän kehitys Tippapulloissa on seuraavien yhdisteiden vesiliuokset: hopeanitraatti AgN 3, natriumkloridi NaCl, natriumkarbonaatti Na 2 C 3, typpihappo HN 3 ja natriumbromidi NaBr. Kehitetään laboratoriossa suoritettava koejärjestely, jonka avulla saadaan selvitettyä kunkin liuoksen mahdolliset reaktiot muiden liuosten kanssa. Tässä vaiheessa sinun ei tarvitse tietää miten aineet reagoivat, jos reagoivat! Käytettävissä on koeputkia, keitinlaseja, lasisauvoja ja pipettejä. Vahvistetaan koejärjestely ohjaajalta ja suoritetaan koe. Kaikki havainnot kirjataan tarkasti ylös. Analyysi Neljässä numeroidussa koeputkessa on jokaisessa yhtä edellä mainituista liuoksista (AgN 3, NaCl, Na 2 C 3, HN 3, NaBr). Määrittäkää kunkin koeputken sisältämä yhdiste. Saatte käyttää edellä mainittuja välineitä sekä tippapulloissa olevia liuoksia. Kuva 6: Kvalitatiivisesta analyysistä on iloa myös dekkarikirjallisuudessa 4.2 Kemikaalit Hopeanitraatti Natriumkarbonaatti Natriumkloridi Typpihappo Natriumbromidi Myrkyllinen, Syövyttävä, Hapettava Haitallinen Syövyttävä, Hapettava 4.3 Työselostuksesta Esittäkää reaktioyhtälöiden avulla reaktiot joita työssä havaitsitte. 11
Viitteet [1] "Cocaine."Wikipedia, The Free Encyclopedia. Wikimedia Foundation, Inc. 17 Nov. 2010. Web. 17 Nov. 2010. <http://en.wikipedia.org/wiki/cocaine> [2] Ruben Vardanyan, Victor J. Hruby, Synthesis of Essaential Drugs. Elsevier B.V., 1st Edition, 2006. [3] Janice G. Smith, rganic Chemistry. Mc Graw Hill, 2nd Edition, 2008, s. 476. [4] Ruben Vardanyan, Victor J. Hruby, Evaluation of colloidal radioactive chromium phosphate retention in the articular exudates. Wdowiak P. et al, Pol. Przegl. Radiol. Med. Nukl. 44(4):303-5, 1980. [5] Internal radiotherapy using 32 P colloid or microsphere for refractory solid tumors.. Gao W. et al, Ann Nucl Med. 22(8):653-60, 2008. 12