Laboratorní návody k úlohám z organické chemie

Transkript

1 Laboratorní návody k úlohám z organické chemie Kombinované bakalářské studium

2 ÚLHA 2 ETHYLFRMIÁT Ethylformiát se připravuje esterifikací kyseliny mravenčí ethanolem, která se provádí v přítomnosti bezvodého chloridu vápenatého. Chemikálie HCH CH 3 CH 2 H CaCl 2 HCEt + + H 2 Kyselina mravenčí (85 % hm., hustota 1,220) Ethanol Chlorid vápenatý (bezvodý) 45 ml tj.54,2 g (1 mol) 70 ml tj. 55,2 g (1,2 mol) 16 g Soda, Potaš Ke směsi kyseliny mravenčí a ethanolu v 250 ml kulaté baňce se přisype práškovitý bezvodý chlorid vápenatý. Na baňku nasadíme sestupný Claisenův chladič a reakční směs zahříváme na elektrickém topném hnízdě) tak, aby se vznikající ester pomalu oddestilovával. Z počátku zahříváme velmi mírně (max. na stupeň 1), protože směs se reakčním teplem samovolně ohřívá. V závěru reakce můžeme teplotu zahřívání mírně zvyšovat (stupeň 2-3). Reakci ukončíme, když vznikající ester přestává destilovat ( b.v C) a teplota dosáhne cca 60 C. Pak odstraníme tepelný zdroj, surový ester z jímadla přelijeme do dělící nálevky a protřepeme jej s cca 15 ml chladného nasyceného roztoku sody (P o z o r - uvolňuje se oxid uhličitý, dělící nálevku je třeba včas odvzdušnit.) a pak 15 ml studené vody. Formiát tvoří v obou případech horní vrstvu. Po oddělení vody ester přelijeme do suché, dobře uzavíratelné baňky nebo lahvičky a přidáme asi 10 g vyžíhané potaše. Doba sušení je minimálně 3 hodiny. Sušidlo odfiltrujeme přes skládaný filtr přímo do baňky, ze které budeme, za použití malého Claisenova chladiče, produkt destilovat. Destilaci provádíme na malém topném hnízdě (stupeň 1-2). Jímáme frakci o b.v C. Ethylformiát (M = 74,08), příjemně vonící kapalina o b.v. 56 C 2

3 ÚLHA 3 1) DIAZTACE A KPULACE, PŘÍPRAVA RANŽE II Úkol Připravte barvivo ranž II a připravené barvivo použijte k obarvení bavlněné tkaniny. Diazotace je reakce aromatických primárních aminů s alkalickým dusitanem v přebytku minerální kyseliny, při níž vznikají tzv. diazoniové soli. Kopulace je reakce diazoniových solí s aromatickými aminy nebo fenoly za vzniku azolátek. Reakce slouží například k přípravě azobarviv, která se používají při barvení textilních materiálů. Azobarviva, která jsou ve vodě rozpustná, obsahují tzv. solubilizační skupinu, např. sulfoskupinu. ranž II je jednoduché monoazobarvivo. Používá se jako tzv. kyselé barvivo pro vlnu, přírodní hedvábí, popř. pro polyamid. Příprava ranže II se skládá ze tří fází. Nejdříve se připraví ß-naftolát sodný podle schématu: Ve druhé fázi diazotujeme sodnou sůl kyseliny sulfanilové působením HN 2, kterou získáme vytěsněním kyselinou chlorovodíkovou z NaN 2 : Ve třetí fázi kopulací β-naftolátu sodného s kyselinou diazosulfanilovou připravíme azobarvivo ranž II. 3

4 Příprava ß-naftolátu sodného 1 g ß-naftolu rozmíchejte v malé kádince (50 ml) se 7 ml NaH (c = 1 mol/dm 3 ) a za horka (40 až 60 C) rozpusťte. Přidejte 8 ml destilované vody a vzniklý ß-naftolát sodný ochlaďte ve studené vodě. Diazotace kyseliny sulfanilové V malé kádince (50 ml) rozpusťte za horka 1 g kyseliny sulfanilové a 0,8 g uhličitanu sodného v 8 ml vody. Roztok ochlaďte na normální teplotu a přidejte do něj 0,5 g dusitanu sodného. Pak ochlaďte roztok ve studené vodě na co nejnižší teplotu. Vzniklou sodnou sůl kyseliny sulfanilové diazotujte pomalým přidáváním 5 ml HCl (c = 4 mol/dm 3 ) za současného míchání tyčinkou. Roztok diazotované kyseliny sulfanilové ochlaďte ve studené vodě. Kopulace ß -naftolátu sodného s diazosulfanilovou kyselinu chlazený roztok diazotované kyseliny sulfanilové přidávejte za stejnoměrného míchání k ochlazenému roztoku ß -naftolátu sodného. Potom ponechte směs volně stát 10 až 15 minut. Barvení vlněné tkaniny pomocí ranže II Připraveným azobarvivem obarvěte kousek vlněné tkaniny. Malé množství pasty barviva (asi na špičku lžičky) rozpusťte ve 150 ml vody v 250 ml kádince, vložte kousek vlny a barvicí roztok povařte. Pak roztok okyselte 1 ml HCl (c = 4 mol/dm 3 ). Tím dojde k rychlému vytažení barviva na vlákno. Proto se ranž II označuje jako kyselé barvivo.barvenou tkaninu rozdělte na dvě poloviny. Jednu přiložte do protokolu a druhou použijte v následující práci. V protokolu bude popis výsledného produktu a k protokolu bude přiložen ústřižek bavlněné tkaniny obarvený připraveným barvivem. 4

5 2) REDUKCE AZSLUČENIN NA BARVENÉ TKANINĚ Úkol barvenou vlnu z předchozího pokusu odbarvujte v redukční lázni dithioničitanu sodného. Azosloučeniny lze obecně poměrně snadno rozložit tak, že se azoskupina zredukuje nějakým vhodným redukčním prostředkem na hydrazosloučeninu, která už obvykle není barevná. Redukce postupuje současně dále až na aminy podle schématu: V případě redukčního rozkladu na aminy je barvivo rozloženo nevratně (nelze jej oxidací znovu získat). Redukčním přípravkem je např. dithioničitan sodný Na 2 S 2 4, jehož účinek je dán následující reakcí: Připravte 100 ml redukční lázně dithioničitanu sodného o hmotnostní koncentraci cw = 10 g/dm 3 v kádince 250 ml. Na odbarvení použijte teplotu 40 až 65 C. Čím vyšší koncentraci a teplotu použijete, tím proběhne redukční rozklad rychleji a úplněji, avšak také více poškodíte vlněné vlákno. Redukcí přecházejí cystinové můstky S S ve vlně na SH skupiny a vlna tím ztrácí pevnost. dbarvený materiál propláchněte, usušte a přiložte k protokolu. V protokolu bude popis výsledného produktu a k protokolu bude přiložen ústřižek odbarvené bavlněné tkaniny. 5

6 ÚLHA 4 FLURESCEIN Celá řada zejména organických, ale i anorganických sloučenin, je schopna se excitovat absorbovaným zářením a tuto excitační energii pak vyzářit opět jako elektromagnetické záření o stejné nebo delší vlnové délce. Podle doby života excitovaného stavu rozlišujeme fluorescenci (je krátká a vizuálně trvá stejně dlouho jako excitující záření) a fosforescenci (je dostatečně dlouhá na to aby měla dosvit sekundy až dny po ukončení ozařování). Velmi intenzívní žlutozelenou fluorescenci vykazuje v alkalickém vodném prostředí barvivo fluorescein (tzv. uranin, nazvaný podle toho že uranylové soli fluoreskují velmi podobnou barvou). + 2 H H ZnCl 2 H H Chemikálie ftalanhydrid resorcin (1,3-dihydroxybenzen) chlorid zinečnatý (katalyzátor) Do zkumavky dáme pečlivě promísenou směs půl lžičky ftalanhydridu, půl lžičky resorcinu a několika krystalů chloridu zinečnatého. patrně zahřejeme asi 2 minuty nad kahanem tak, aby stačila z roztavené tmavočervené směsi unikat voda a nedošlo k připečení. Pak zkumavku necháme vychladnout a vypláchneme 2 % hydroxidem sodným do 200 ml 2 % hydroxidu sodného. Vzniklý roztok fluoresceinu fluoreskuje na denním světle intenzívně žlutozeleně, při excitaci ultrafialovým 10 světlem je fluorescence ještě mnohem intenzivnější. Uveďte vzhled výsledného produktu a popište barvu na běžném světle a pod UV lampou. 6

7 ÚLHA 5 REDUKČNÍ ÚČINKY ALDEHYDICKÉ SKUPINY Úkol Postříbřete vnitřní povrch zkumavky bezproudovým postupem redukcí roztoku dusičnanu stříbrného glukózou. Látky s aldehydickou skupinou R-CH mají redukční účinky. Těchto jejich redukčních schopností se využívá při bezproudovém pokovení skla nebo plastů. Například z roztoku diamminstříbrného komplexu [Ag(NH3)2] + lze látkou s aldehydickou skupinou vyredukovat na sklo kovové stříbro v podobě zrcátka. Při tomto ději se aldehydická skupina mění na karboxylovou. Schéma změny aldehydické skupiny na karboxylovou Nejprve odmastěte zkumavku a to tak, že ji naplníte asi do dvou třetin 25 % roztokem NaH a obsah necháte zahřát asi 10 min na vodní lázni (75 až 85 C). Zkumavku pak vypláchněte tekoucí vodou a nakonec destilovanou vodou. V této zkumavce připravte roztok diamminstříbrného komplexu. K cca 2 ml (2 cm výška sloupce kapaliny) roztoku dusičnanu stříbrného (c = 0,1 mol/dm3) přidávejte po velmi malých dávkách zředěný roztok amoniaku (1 : 10). Nejprve musí vzniknout bílá sraženina, pak dále přidáváte zředěný roztok amoniaku, až se sraženina právě rozpustí. K takto připravenému roztoku přidejte asi 1 ml (1 cm sloupce ve zkumavce) formaldehydu. Netřepete, nemícháte. Zkumavku ihned postavte do vodní lázně (75 až 85 C) na dobu 1 aţ 2 minuty. Na stěnách zkumavky se vyloučí stříbro v podobě zrcátka. Nebyla-li zkumavka řádně vyčištěna, není zrcátko souvislé. Pokud vznikne špinavě šedá sraženina, vyloučilo se amorfní stříbro. Bylo to způsobeno buď nepřesnou přípravou diamminstříbrného komplexu nebo znečištěním. Je možno opakovat zkoušku s jiným roztokem AgN 3. Roztok AgN 3 se i nepatrným znečištěním snadno znehodnotí. : popište vzhled výsledného produktu. 7

8 ÚLHA 6 REAKCE ANHYDRIDŮ KARBXYLVÝCH KYSELIN Úkol věřte chování acetanhydridu pomocí pokusů popsaných v následujícím pracovním postupu. Anhydridy jsou neutrálně reagující deriváty karboxylových kyselin, kterých se používá k tzv. acylaci, tj. k zavádění skupiny R C=. Anhydridy tvoří s vodou příslušné kyseliny, s alkoholy estery a s amoniakem amidy. a) Na mokrý univerzální ph-papírek naneste 1 2 kapky acetanhydridu. Zbarvení papírku se nezmění. Vysvětlete! b) Dejte několik kapek acetanhydridu na hodinové sklíčko a rozmíchejte jej s vodou. Kapka roztoku zbarví indikační ph papírek červeně. Vysvětlete! c) Směs 0,5 ml acetanhydridu a 0,5 ml ethanolu rozmíchejte ve zkumavce tyčinkou, která byla namočena v koncentrované H2S4 a mírně zahřívejte ponořením zkumavky do horké vodní lázně vody. Přikápněte ještě 2 ml zředěného roztoku uhličitanu sodného. Ucítíte vůni octanu ethylnatého. Do protokolu popište pozorované skutečnosti a vysvětlete. 8

9 ÚLHA 7 MAKRMLEKULÁRNÍ LÁTKY, PŘÍPRAVA GLYPTALVÉ PRYSKYŘICE Polymer je vysokomolekulární sloučenina, v jejíž molekule se mnohonásobně opakuje jedna nebo několik základních jednotek, které označujeme jako monomery. Glyptalová pryskyřice náleží mezi polyestery s trojrozměrnou strukturou souhrnně nazývané alkydy. Jedná se o makromolekulární látku vyráběnou polyadicí. Připravuje se z anhydridu kyseliny ftalové (ftalanhydridu) a glycerinu. Průběh reakce do 1. stupně naznačuje schéma: Navažte na navažovací lodičce 3 g anhydridu kyseliny ftalové (ftalanhydridu). Navážku vsypte do suché zkumavky a přidejte injekční stříkačkou (bez jehly) 1,5 ml glycerinu. Směs zahřívejte malým plamenem, až se tavenina vyčeří. Po samovolném ochlazení zkumavky vznikne tuhá čirá glyptalová pryskyřice. Do protokolu zaznamenejte vzhled produktu. 9

10 ÚLHA 8 N-FENYL-ACETAMID (ACETANILID) Syntéza acetanilidu je příkladem přípravy amidů kyselin acetylací aminů. V našem případě reaguje anilin s acetanhydridem podle reakce: NH 2 HN + + H Chemikálie technický anilin acetanhydrid 5 ml (0,055 mol) 7 ml (0,75 mol) aktivní uhlí Ve 100 ml Erlenmeyerově baňce smícháme 5 ml anilinu s 40 ml studené vody. Za intenzivního třepání pak přidáme po částech 7 ml acetanhydridu, přičemž pozorujeme jednak samovolné zahřívání reakční směsi, jednak vylučování krystalického podílu. Třepáme ještě chvíli a pak ponecháme obsah baňky 30 min. v klidu. Vyloučené krystaly odsajeme na fritě a z filtračního koláče vymačkáme obrácenou skleněnou zátkou matečné louhy. Získaný produkt je znečištěn malým množstvím barevných nečistot, které byly přítomny v anilinu. Proto surový acetanilid překrystalujeme z vody za přítomnosti malého množství karborafinu. Pokud se při rozpouštění v horké vodě vytvoří na dně olejovitá vrstva (roztavený acetanilid), je nutno přilévat po malých dávkách horkou vodu a míchat tyčinkou dokud vrstva nezmizí. Acetanilid, který se vyloučil po ochlazení roztoku ve formě bílých šupinek, odsajeme, vysušíme na filtračním papíru při laboratorní teplotě a stanovíme bod tání. Acetanilid je bílá krystalická látka, b.t o C. : zaznamenejte vzhled vzniklého produktu. 10

11 ÚLHA 9 1) RZLIŠENÍ PRIMÁRNÍCH, SEKUNDÁRNÍCH A TERCIÁRNÍCH ALKHLŮ Reaktivita H-skupin alkoholů se liší v závislosti na tom, je-li H-skupina vázána na primární, sekundární nebo terciární atom uhlíku. Rozdíly se projevují zejména při oxidaci (vznik různých produktů) a nukleofilní substituci. Na tom je založen Lukasův test, který umožňuje na základě rozdílné reaktivity vazby C-H s chloridovými ionty rychle rozlišit primární, sekundární a terciární alkoholy. 1) Příprava Lukasova činidla (ekvimolární roztok ZnCl 2 v konc. HCl). V 15 ml konc. HCl rozpusťte za chlazení 68 g bezvodý ZnCl 2. 2) K 1 ml zkoumané látky přidejte cca 5 ml Lukasova činidla. Primární alkoholy do 5-C se rozpustí, roztok často ztmavne, ale zůstane čirý (reakce neprobíhá). Sekundární alkoholy se nejprve rozpustí, ale za několik minut se roztok zakalí a postupně se objeví jemné kapičky alkylchloridů. Terciární alkoholy reagují velmi rychle, prakticky okamžitě se objeví dvě vrstvy, z nichž jedna je příslušný chlorid. : popište získané výsledky. 11

12 2) DBARVVÁNÍ LYKPENU Hlavním červeným barvivem v rajčatové šťávě je karoten lykopen. Absorpční maximum barviva je závislé na délce konjugovaného řetězce, a pokud se tento řetězec zkracuje, absorpční maximum se posouvá ke kratším vlnovým délkám. Adice bromu na lykopen probíhá postupně od konce a tím postupně zkracuje jeho řetězec nenasycených vazeb. Vzhledem k výše uvedenému a faktu, že adice každého dalšího bromu probíhá o něco méně ochotně, lze při vytvoření gradientu koncentrace bromu vytvořit i gradient molekul nabromovaných postupně do různých stupňů s různě dlouhým zbývajícím řetězcem konjugovaných dvojných vazeb, což se projeví barevnými pruhy. Pořadí komplementárních barev k barvám pásů (tj. absorbované barvy) sledují pořadí duhy, jak se postupně posouvá absorpční maximum přes viditelnou oblast až do ultrafialové. Do 100 ml odměrného válce nalijeme asi 50 ml husté rajčatové šťávy (přírodní, nekonzervované). Pak vložíme do válce tyčinku delší než válec a rajčatovou šťávu opatrně, aby se vrstvy co nejméně promísily, převrstvíme bromovou vodou (cca 10 ml, nutno použít nasycenou bromovou vodu, ne pouze nažloutlou). Pak tyčinkou opatrně pomalu obsah válce horizontálně promícháme. Prakticky ihned se rozvine duha a jak brom difunduje, pásy se posouvají směrem dolů. Do protokolu zaznamenejte barevné změny a porovnejte se je s absorpčním spektrem. 12

13 ÚLHA 10 REAKCE ARMATICKÝCH UHLVDÍKŮ Úkol Rozlište pomocí sulfonační reakce vzorek aromatického a alifatického uhlovodíku. Ke zkoušce použijte benzín jako směs alifatických uhlovodíků a xylen jako derivát benzenu, u něhož probíhá sulfonace snadněji než benzenu. Barevné změny, které při reakci zpozorujete, zaznamenejte. Benzen, xylen a toluen jsou typickými zástupci aromatických uhlovodíků. Reakcí s kyselinou sírovou můžeme odlišit aromatické uhlovodíky od alifatických, protože benzen a jeho homology se kyselinou sírovou sulfonují a v sulfonační směsi se pak rozpouštějí. Nasycené alifatické uhlovodíky (benzin) s kyselinou sírovou nereagují. Reakce xylenu s kyselinou sírovou (sulfonace) probíhá podle následujícího schématu: Do dvou suchých a čistých zkumavek nalijte po asi 1 až 2 ml koncentrované H 2 S 4 (1 až 1,5 cm sloupec) a do první přidejte asi 0,5 ml xylenu a do druhé asi 0,5 ml benzinu. Reakční směs v otevřené zkumavce opatrně protřepejte. Při práci použijte ochranný štít. Při likvidaci reakčních směsí velmi opatrně nalévejte obsah zkumavek do proudu studené vody ve výlevce. Při práci stále používejte ochranný štít. Vodu do zkumavek na vymytí můžete opatrně vlít až po úplném vylití reakční směsí. V žádném případě nesmíte vodu vlít do zkumavek s koncentrovanou kyselinou sírovou nebo reakční směsí s ní, protože hrozí nebezpečí velmi silné exotermické reakce a vystříknutí směsi ze zkumavky do obličeje. Do protokolu zaznamenejte barevné změny, které při reakci zpozorujete. 13

14 ÚLHA 11 1) ESTERIFIKACE Úkol Připravte methylester kyseliny salicylové libavkovou silici. Esterifikace je reakce mezi kyselinou a alkoholem, při níž vzniká ester kyseliny a voda. Esterifikací -CH skupiny kyseliny salicylové metanolem (metylalkoholem) vzniká příjemně vonící ester kyseliny salicylové, tzv. silice libavková, dříve používaná též k utišení revmatických bolestí. Reakce probíhá podle schématu: V navažovací lodičce navažte asi 0,2 g kyseliny salicylové a přesypeme ji do suché zkumavky. Přelijte ji asi 2 ml (bez odměřování, odhadem 2 cm) methanolu (metylalkoholu, CH 3 H) a potřepáním kyselinu salicylovou rozpusťte. Do druhé suché zkumavky nalijte asi 1 ml koncentrované (96 %) H 2 S 4. Kyselinu sírovou pak opatrně, po kapkách, přilévejte do roztoku kyseliny salicylové ve zkumavce. Pozor, při nesprávném postupu může dojít k prudké reakci a vystříknutí kapaliny! Použijte proto ochranný štít. Do protokolu zaznamenejte vzhled a vůni produktu. 14

15 2) ACETYLACE KYSELINY SALICYLVÉ CH H + H 3 C CH 3 H 3 P 4 CH CH 3 Do zkumavky se umístí 0,1 g kyseliny salicylové. K ní se opatrně přidá 1,5 ml acetanhydridu a dvě kapky kyseliny fosforečné. Zkumavka se po dobu 15 minut zahřívá na vodní lázni. Pak se nechá vychladnout, k reakční směsi se přidají 3 ml vody a zkumavka se umístí do ledové lázně. Vyloučené krystaly produktu se odfiltrují. Do protokolu zaznamenejte vzhled produktu. 15