Содержание 1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ ............... 5 1.1. Особенности работы с легковоспламеняющимися веществами .................. 6 1.2. Работа с щелочными металлами ...................................................................... 7 1.3. Работа с токсичными веществами ................................................................... 7 1.4. Работа с кислотами и щелочами ...................................................................... 7 1.5. Работа с металлической ртутью ....................................................................... 8 1.6. Правила работы при уменьшенным давлением ............................................. 8 1.7. Правила работы с электроприборами.............................................................. 9 1.8. Действия при возникновении пожара ............................................................. 9 1.9. Оказание первой помощи при ожогах и других несчастных случаях ....... 10 1.10. Рекомендации для работы со стеклянной посудой .................................... 10 1.11. Рекомендации по ведению лабораторного журнала .................................. 12 1.12. Инструкция по приготовлению образца для ЯМР спектроскопии высокого разрешения в жидкостях ....................................................................... 13 1.13. Контрольные вопросы по теме «Правила работы в лаборатории» .......... 13 2. ОЧИСТКА ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ. ПЕРЕГОНКА ............................................. 14 2.1. Перегонка при атмосферном давлении ......................................................... 18 2.2. Перегонка при пониженном давлении (вакуумная перегонка) .................. 21 2.3. Абсолютирование некоторых органических растворителей ...................... 25 2.4. Контрольные вопросы по теме «Перегонка»................................................ 34 3. УДАЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОГО РОТОРНОГО ИСПАРИТЕЛЯ.................................................................................. 35 3.1. Последовательность действий при работе с вакуумным роторным испарителем ............................................................................................................ 35 3.2. Контрольные вопросы по теме «Удаление растворителей с помощью вакуумного роторного испарителя» ..................................................................... 37 4. ЭКСТРАКЦИЯ ...................................................................................................... 38 4.1. Экстракция в системе «жидкость-жидкость» ............................................... 40 4.2. Экстракция из твердых веществ .................................................................... 44 4.3. Контрольные вопросы по теме «Экстракция» ............................................. 45 5. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ.................................................................................. 46 5.1. Определение температуры плавления ........................................................... 51 5.2. Контрольные вопросы по теме «Кристаллизация» ...................................... 53 6. ХРОМАТОГРАФИЯ ............................................................................................. 54 6.1. Тонкослойная хроматография ........................................................................ 56 6.2. Колоночная хроматография ........................................................................... 61 6.3. Контрольные вопросы по теме «Хроматография» ...................................... 64 Список рекомендуемой литературы ........................................................................ 65 Проникновение в тайны природы на молекулярном уровне требует глубоких знаний биологии, биохимии, биоорганической химии, химической технологии. Биоорганическая химия изучает строение и биологические функции важнейших компонентов живой материи, в первую очередь биополимеров и биорегуляторов, уделяя главное внимание выяснению закономерностей взаимосвязи между структурой и биологическим действием. Круг интересов биоорганической химии необычайно широк – это и мир веществ, выделяемых из живой природы и играющих важную роль в жизнедеятельности, и мир искусственно получаемых органических соединений, обладающих биологической активностью. Основные задачи биоорганической химии: - выделение в индивидуальном состоянии изучаемых соединений с помощью кристаллизации, перегонки, различных видов хроматографии, электрофореза, ультрафильтрации, ультрацентрифугирования и других методов; - установление структуры, включая пространственное строение, на основе подходов органической и физико-органической химии с применением массспектрометрии, различных видов оптической спектроскопии (ИК-, УФ-, лазерной и др.), рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса, электронного парамагнитного резонанса, дисперсии оптического вращения, кругового дихроизма и т.п.; - химический синтез и химическая модификация изучаемых соединений, включая полный синтез, синтез аналогов и производных, - с целью подтверждения структуры, выяснения связи строения и биологической функции, получения практически значимых препаратов; - биологическое тестирование полученных соединений в условиях in vitro и in vivo. В арсенал основных методов исследования входят методы органической химии, однако для решения структурно-функциональных задач привлекаются и различные физические, физико-химические, математические и другие методы. Данный практикум предназначен для студентов бакалавриата, приступающих к работам в области биоорганической химии, химии природных соединений и их аналогов, для ознакомления с основными подходами к решению задач по выделению, синтезу, очистке таких веществ, определению их строения и свойств с использованием всего комплекса методов органической и биоорганической химии. 4 1. ОБЩИЕ ПРАВИЛА РАБОТЫ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ Независимо от характера выполняемых работ (очистка растворителей, жидких или твердых реагентов, органический синтез, биохимическое исследование, культивирование микроорганизмов) каждый студент, работающий в лаборатории, обязан строго соблюдать следующие общие правила: - До начала работы преподаватель проводит подробный инструктаж по технике безопасности. Студент допускается к работе после успешной сдачи этого экзамена; - Нельзя находиться, а особенно работать, одному в лаборатории; - Нельзя работать при закрытых и тем более запертых дверях в лабораторию; - Необходимо соблюдать чистоту, порядок, тишину, правила техники безопасности; - Каждый работающий должен знать, где находятся в лаборатории средства противопожарной защиты: огнетушители, ящик с песком, асбестовое одеяло, аптечка с медикаментами; - Недопустимо в лаборатории курить, принимать пищу и пить воду, используя для этих целей химическую посуду; - Каждый студент должен работать на постоянном месте. Для защиты кожных покровов используют рабочий халат, а если необходимо – перчатки, защитные очки, маску или фартук; - На рабочем столе не должно быть посторонних предметов, в том числе портфелей и сумок, а также посторонних электронных и электрических приборов; - Приступая к работе, необходимо заранее изучить свойства используемых и синтезируемых веществ, обсудить с преподавателем план работы, схемы приборов, технику работы с используемым оборудованием и приборами, а также необходимость применения индивидуальных средств защиты; - Использовать для работы только чистую химическую посуду. Посуду следует мыть сразу по окончании опыта; - Категорически запрещается оставлять действующие приборы без присмотра; - Недопустимо выливать использованные реактивы в раковину, выбрасывать в мусоропровод и контейнеры для мусора. Сливы необходимо собирать в специальные подписанные емкости; - По окончании работы необходимо выключить газ, воду, электроприборы, привести в порядок рабочее место. 5 1.1. Особенности работы с легковоспламеняющимися веществами Некоторые из применяемых в органическом синтезе веществ, а также большинство растворителей относится к огне- и взрывоопасным веществам, что требует строгого соблюдения следующих правил работы с ними: - работа с огне- и взрывоопасными веществами должна проводиться в вытяжном шкафу. Используйте защитные экраны, глаза защищайте очками со стеклами триплекс. Нагревать, хранить и переливать легковоспламеняющиеся вещества нельзя вблизи огня и включенных нагревательных электроприборов; - нагревать легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) можно в колбах, снабженных обратными холодильниками, на предварительно нагретых водяных банях или с применением специальных колбонагревателей; - перегонку всегда осуществлять в вытяжных шкафах; - перегонку и нагревание низкокипящих огнеопасных жидкостей следует проводить в круглодонных колбах, установленных на банях, заполненных соответствующим теплоносителем (вода, масло, песок). Для нагревания бань следует пользоваться электроплитками только с закрытыми нагревательными элементами. проводить отгонку (ЛВЖ) на плитках с открытой спиралью запрещается; - нельзя проводить перегонку досуха; - лабораторные установки, в которых проводилось нагревание ЛВЖ, разрешается разбирать только после остывания их до комнатной температуры; - в случае пролива значительных количеств ЛВЖ необходимо выключить все электронагревательные приборы. Место пролива ЛВЖ следует засыпать сухим песком, а затем собрать его деревянным или пластиковым совком. Применение металлических совков запрещается; - необходимо строго следить за тем, чтобы емкости с ЛВЖ не оказались рядом с нагретыми предметами и не освещались прямыми солнечными лучами, т.к. внутри герметично закрытой емкости создается давление, что может вызвать её разрушение. - при заполнении стеклянных бутылок ЛВЖ "под пробку" при повышении температуры на 5-10 градусов может произойти разрушение бутыли. Для предотвращения этого ЛВЖ не доливают в бутыли примерно на 10%; - органические растворители (диоксан, диэтиловый эфир, тетрагидрофуран и др.) перед использованием в работе необходимо проверить на содержание в них пероксидов. 6 1.2. Работа с щелочными металлами Щелочные металлы отличает их крайне высокая реакционная способность, поэтому при работе с металлическим натрием и калием необходимо соблюдать особую осторожность: - не допускать соприкосновения их с водой (произойдет взрыв!) и галогенсодержащими соединениями (хлороформом, бромистым этилом, бромоформом и др.); нельзя использовать натрий для осушивания карбонильных соединений, кислот, спиртов, нитросоединений; - все работы с натрием проводят в защитных очках вдали от открытых водопроводных кранов, водоструйных насосов и других источников воды; - хранить металлический натрий можно в толстостенной стеклянной посуде с корковой пробкой под слоем обезвоженного керосина, инертного высококипящего углеводорода или трансформаторного масла. Банки с натрием помещают в специальные ящики, хранение в которых полностью исключает контакт с водой; - берут металлический натрий только сухим пинцетом, помещают на сухую фильтровальную бумагу, очищают скальпелем, а затем вводят в реакцию. Обрезки натрия, фильтровальную бумагу, посуду, в которой проводили опыты с натрием, заливают этиловым спиртом. 1.3. Работа с токсичными веществами К токсичным веществам относятся сильно ядовитые вещества (диметилсульфат, цианиды калия и натрия, фосген, галогенпроизводные фосфора и др.), а также вещества, способные вызвать раздражение и ожоги кожи и глаз (фенолы, галогенонитросоединения, бром, непредельные карбонильные соединения, алифатические галогенокислоты, гидразины и др.), поэтому строго соблюдайте следующие правила: - работать с токсичными веществами следует в вытяжном шкафу под контролем преподавателя; - обязательно защищайте руки перчатками, а глаза – очками. 1.4. Работа с кислотами и щелочами - Все работы с концентрированными сильными кислотами и щелочами необходимо проводить в защитных очках и резиновых перчатках в вытяжном шкафу; - разбавлять серную кислоту можно только в жаростойкой посуде, приливая кислоту к воде, а не наоборот, так как в этом случае происходит выделение теплоты, вскипание раствора и его разбрызгивание. При работе с серной кислотой необходимо иметь в виду, что из-за её плотности, склянки с ней 7 намного тяжелее, чем кажутся! Большие склянки с серной кислотой, при работе с ними, необходимо придерживать за дно и не допускать резких рывков при их перемещении; - растворять гидроксиды натрия и калия в воде следует медленным прибавлением их к воде. Твердую щелочь надо брать только нержавеющим или пластиковым шпателем; - нельзя выливать в раковины остатки кислот и щелочей. Их сливают в специальные подписанные склянки, различные для кислот и оснований; - при попадании больших количеств кислот или щелочей на одежду её следует незамедлительно снять, затем смыть попавшую на кожу вещество большим количеством прохладной воды. 1.5. Работа с металлической ртутью - Все приборы, содержащие ртуть, должны быть помещены на подносы; - запрещается держать ртуть в открытых приборах; - отходы ртути собираются в специальные толстостенные банки, плотно закрытые пробкой; - разлитую ртуть собирают механически, а затем поверхность заливают концентрированным раствором хлорного железа или засыпают серой. Работу по демеркуризации проводят в противогазе под контролем преподавателя. 1.6. Правила работы при уменьшенным давлением Работа с вакуумными системами требует строгого соблюдения следующих мер предосторожности: - При работе с любыми стеклянными приборами (установки для перегонки, эксикаторы, колбы Бунзена и др.), находящимися под вакуумом, обязательно надеть защитные очки или маски или использовать защитные экраны; - для сборки вакуумных установок нельзя использовать плоскодонные колбы и склянки, кроме специально предназначенных для работы при пониженном давлении (например, колбы Бунзена); - установки для вакуум-перегонки необходимо экранировать проволочной сеткой или органическим стеклом; - вакуум-эксикаторы и колбы Бунзена перед работой помещают в специальные матерчатые чехлы или оборачивают полотенцем; - перед вакуумированием необходимо тщательно осмотреть стеклянную посуду на предмет трещин, сколов, глубоких царапин, посуду, имеющую данные повреждения, нельзя использовать при пониженном давлении; 8 - в случае работы с водоструйными насосами, перед их выключением (перекрытием потока воды через насос) необходимо отключить насос от вакуумируемой системы; - шлифы и краны необходимо тщательно очистить и смазать тонким слоем вакуумной смазки; - после сборки установки ее следует испытать на герметичность при максимальном рабочем разрежении. Для этого замкнутую систему вакуумируют, после чего с помощью трехходового крана или зажима перекрывают шланг, ведущий к насосу, и наблюдают за показаниями манометра; - перед окончанием работы необходимо вначале отключить ртутный манометр, затем осторожно впустить воздух в систему при помощи специально предусмотренного крана и только после этого выключить насос. 1.7. Правила работы с электроприборами - Все электроприборы должны быть заземлены; - перед началом эксплуатации электроприбора ознакомьтесь с инструкцией по его эксплуатации и пройдите инструктаж у преподавателя; - перед включением электроприбора убедитесь в целостности всех электропроводов и соединений. При обнаружении нарушения изолирующего покрытия проводов обратитесь к преподавателю. 1.8. Действия при возникновении пожара - Мгновенно поставьте в известность преподавателя и окружающих. Вызовите пожарную охрану (телефон 112); - сразу выключите газ, электроприборы, тягу; - быстро уберите все взрыво- и пожароопасные вещества подальше от зоны огня; - очаг пожара засыпьте песком или закройте асбестовым одеялом. Не следует заливать пламя водой, т.к. это приводит к расширению зоны пожара; - если не удается ликвидировать очаг возгорания с помощью песка или одеяла, используйте огнетушитель. Универсальным является порошковый огнетушитель; - при загорании на ком-либо одежды нужно быстро накрыть пострадавшего войлочным одеялом. Нельзя давать пострадавшему бежать! Можно потушить на себе одежду обливанием водой или быстрым перекатыванием по полу. 9 1.9. Оказание первой помощи при ожогах и других несчастных случаях - При термических ожогах немедленно делают обильные примочки спиртовыми растворами таннина, этиловым спиртом или розовым раствором перманганата калия; - при ожогах кислотами необходимо сразу промыть обожженное место большим количеством воды, а затем – 3%-ным раствором питьевой соды; - при ожогах щелочами необходимо обильно промыть обожженное место большим количеством проточной воды, а затем ~3%-ным раствором уксусной кислоты и опять большим количеством воды; - при попадании кислоты или щелочи в глаз следует сразу сообщить преподавателю или другому студенту и с их помощью промывать глаз длительное время (3-5 мин) проточной водой, направляя струю прямо в глаз. Затем промыть глаз раствором питьевой соды (при попадании кислот) или борной кислоты (при попадании щелочей). После этого немедленно обратиться к врачу; - при ожогах фенолом обрабатывают пораженное место спиртом; - при ожогах бромом бром быстро смывают спиртом и смазывают пораженное место мазью от ожогов; - После оказания первой помощи пострадавшего необходимо доставить в медпункт. 1.10. Рекомендации для работы со стеклянной посудой Подавляющая часть работ в современных химических лабораториях связана с использованием стеклянной посуды, аппаратов и приборов. Стекло – это хрупкий материал, имеющий малое сопротивление при ударе и незначительную прочность при изгибе. Применение физической силы при работе со стеклянными деталями связано с опасностью их поломки. При грубых нарушениях правил работы со стеклом возможны серьезные ранения кистей рук, в том числе повреждения сухожилий, связанные с длительной потерей трудоспособности. Ни при каких обстоятельствах нельзя допускать нагревания жидкостей в закрытых колбах или приборах, не имеющих сообщения с атмосферой, даже в тех случаях, когда температура нагрева не превышает температуру кипения жидкости. Категорически запрещается использовать посуду, имеющую трещины или отбитые края. Осколки разбитой посуды убирают только с помощью щетки и совка, но ни в коем случае не руками. Стеклянные приборы и посуду больших 10 размеров нужно переносить только двумя руками. Практика показывает, что на долю такой, казалось бы, несложной процедуры, как мытье посуды, приходится весьма значительное число травм, высокий уровень травматизма заставляет отдельно рассмотреть вопросы безопасности при мытье посуды. Мыть посуду следует сразу после ее использования, а если это невозможно — в конце рабочего дня. Не следует складывать посуду в общую лабораторную раковину, оставлять в беспорядке на рабочем столе или в вытяжном шкафу. При мытье посуды надо обязательно надевать резиновые перчатки, а в случае использования агрессивных жидкостей, особенно хромовой смеси или концентрированных щелочей – защитные очки или маску. Мытье горячей водой, мыльными и слабощелочными растворами в первую очередь рекомендуется для очистки любой химической посуды, обычно такая обработка позволяет избавиться от самых различных органических и неорганических загрязнений. Для очистки посуды от нерастворимых в воде органических веществ используют органические растворители, такие как ацетон, хлороформ, петролейный эфир и некоторые другие, данную операцию проводят в вытяжном шкафу вдали от нагревательных приборов. Посуду ополаскивают изнутри несколько раз минимальными порциями подходящего растворителя, сливая их в специально отведенную для этого банку. Если водой и органическими растворителями отмыть посуду не удается, то используют раствор царской водки или хромовую смесь. Хромовая смесь относится к самым эффективным моющим средствам. В то же время ее приготовление и применение требуют особого внимания и осторожности. Безводная хромовая смесь по действию на кожу и слизистые оболочки опаснее концентрированной серной кислоты, брызги хромовой смеси при попадании на кожу или в глаза вызывают тяжелые поражения. Запрещается работать с хромовой смесью без резиновых перчаток и защитных очков или маски, а также прорезиненного или полиэтиленового фартука. При попадании хромпика на кожу или одежду необходимо сразу промыть пораженное место большим количеством воды и нейтрализовать остатки кислоты раствором соды. Приготовление раствора хромовой смеси и рекомендации по мытью посуды. На дно фарфорового стакана на 1000 мл насыпать около 30 г бихромата калия. Полностью смочить бихромат минимальным количеством дистиллированной воды (~30-50 мл), чтобы получилась густая жижа. К полученной смеси постепенно добавлять концентрированную серную кислоту 11 небольшими порциями (по 50-100 мл), каждый раз перемешивая содержимое фарфорового стакана. Смесь разогревается. Кислоту добавлять до полного растворения бихромата (~900 мл). Хромовую смесь хранят в фарфоровых стаканах, снабженных крышками, либо в стеклянных эксикаторах, установленных на эмалированных или керамических поддонах. Хранить хромовую смесь в тонкостенной посуде или посуде без крышек запрещено. Проверка качества приготовленного хромпика: спичка загорается, если её макнуть в хромпик. Стеклянную посуду выдерживают в хромовой смеси от нескольких минут до нескольких дней, при необходимости, а затем тщательно промывают в проточной воде. При мытье пипеток и различных трубок смесь стоит набирать только резиновой грушей, ни в коем случае не ртом, во избежание сильнейших ожогов рта и порчи зубов. На хорошо обезжиренном стекле вода растекается тонким слоем, не собираясь в капли. 1.11. Рекомендации по ведению лабораторного журнала Ваш лабораторный журнал - это наиболее важный инструмент при работе в лаборатории, обеспечивающий полный отчет обо всей Вашей работе и позволяющий воспроизводить опыты, как в памяти, так и при их повторении, проведенных Вами несколько ранее. Все, что Вы делаете, должно быть отражено в журнале независимо от того, будет оно использоваться в дальнейшем или нет, считаете ли Вы это важным в настоящий момент или нет. Помните, что по данным лабораторного журнала, вам предстоит писать отчеты в конце каждого семестра. Все данные необходимо записывать непосредственно в журнал, записи должны иметь заголовки. На каждой странице должна быть поставлена дата ее заполнения. Очень важно научиться планировать свою работу, учитывая загруженность приборов и оборудования лаборатории, кроме того, все трудоемкие подготовительные операции следует проводить заранее. Прежде чем начать эксперимент, нужно полностью понимать, с чем и как вам предстоит работать. Перед работой на новом приборе необходимо изучить инструкцию к этому прибору, проконсультироваться с преподавателем о тонкостях работы с ним. Например, для проведения химической реакции, необходимо тщательно изучить методику проведения реакции, в журнал записать (или вклеить) данные оригинальной методики (при наличии). Записать химическую реакцию, составить таблицу для расчета исходных загрузок веществ (молекулярная масса, количество эквивалентов, плотность, масса и объем). В журнале 12 обязательно должны быть отражены данные о времени и температуре протекания реакции, способе обработки реакционной массы и методе выделения продуктов реакции, аналитические данные выделенных продуктов. 1.12. Инструкция по приготовлению образца для ЯМР спектроскопии высокого разрешения в жидкостях Образец растворяется в подходящем дейтерированном растворителе и помещается в ампулу для ЯМР измерений диаметром 5 мм и высотой не менее 160 мм. Высота столба жидкости в ампуле должна находиться в пределах 40-45 мм (примерно 600 мкл раствора). Раствор не должен содержать осадка, при необходимости его следует отфильтровать. К ампуле должен быть прикреплен квиток с указанием растворителя, названия или структурной формулы вещества, фамилии руководителя, массы растворенного вещества и даты приготовления образца. Для получения протонного спектра в рамках сервисных измерений необходимо 3 мг вещества (желательно не менее 10 мг), для получения спектра на ядрах 13С – не менее 20 мг, на ядрах 31P – не менее 10 мг. 1.13. Контрольные вопросы по теме «Правила работы в лаборатории» - С какими веществами необходимо работать в вытяжном шкафу (под тягой)? - Как нужно организовать рабочее место для работы с легковоспламеняющимися веществами? - С какими веществами металлический натрий реагирует со взрывом? - Как поступают с отходами, обрезками металлического натрия? - Какие сильно токсичные вещества Вы знаете? - Как приготовить водные растворы кислот и щелочей из концентрированных кислот и твердых щелочей соответственно? - Ваши действия при разливе металлической ртути? - Какую посуду можно использовать для работы под вакуумом? - Каким основным требованиям должно соответствовать электрооборудование, чтобы его можно было эксплуатировать? - Произошло возгорание органического вещества под тягой. Ваши действия? 13 2. ОЧИСТКА ЖИДКИХ ВЕЩЕСТВ. ПЕРЕГОНКА Перегонка является наиболее важным и широко используемым методом очистки органических жидкостей (в том числе растворителей) и разделения смесей жидких веществ. Этот метод основан на различии составов смеси жидкостей и её насыщенного пара при температуре кипения смеси. В процессе перегонки достигается разделение жидких смесей на отличающиеся от исходной по составу фракции. Отогнанная фракция (дистиллят) обогащена относительно более летучим (низкокипящим) компонентом, а остаток неотогнанной жидкости - менее летучим (высококипящим). Основным физическим принципом, на котором основывается разделение веществ в процессе перегонки, является закон Рауля, справедливый для идеальных растворов: р1 = Р1х1; р2 = Р2х2 и т.д. (1) где р1, р2 – парциальные давления компонентов смеси, Р1, Р2 – давления насыщенных паров этих веществ, х1, х2 – их молярные концентрации. Рассмотрение подобных сложных процессов, как равновесие в системах жидкость-пар, удобнее проводить графически. Для этого принято использовать графическую зависимость состава равновесного пара от температуры кипения и состава жидкости (рис. 1). Рисунок 1. Кривая равновесных состоянии системы жидкость-пар (Х1 – состав жидкости, Y1 – состав равновесного пара, находится по горизонтальной изотерме). К свойствам идеальных растворов приближаются свойства смеси, например гомологов, взаимодействие между молекулами различных компонентов практически не отличаются от подобных взаимодействий между 14 молекулами чистых компонентов. На практике обычно встречаются неидеальные растворы, в которых различие состава паровой и жидкой фаз выражено в меньшей степени. Реальные кривые равновесного состояния двухкомпонентных (бинарных) смесей в разной степени могут отличаться от идеальных. К этим смесям относятся такие, которые при определенных мольных соотношениях имеют максимумы и минимумы на кривой давления паров (рис. 2). Точка, где кривая III пересекает диагональ, отвечает составу азеотропной смеси, то есть одинаковому составу жидкости и равновесного ей пара. Эти бинарные смеси невозможно полностью разделить перегонкой при данном давлении. Наиболее известной из данного класса смесей является азеотропная смесь этанол 95,57% вода 4,43%. Азеотропные смеси имеют ряд важных применений, например, используются для удаления воды из реакционных смесей и осушения некоторых органических растворителей. Рисунок 2. Варианты кривых равновесного состояния жидкость-пар бинарных смесей. (I – идеальный раствор, II – неидеальный раствор, III – раствор, образующий азеотропную смесь, диагональ – состав жидкой фазы). 15 а б в Рисунок 3. Типичные диаграммы фазового равновесия бинарных смесей: а – смесь не имеет азеотропов; б – азеотроп с минимумом температуры кипения (положительный); в – азеотроп с максимум температуры кипения (отрицательный); нижняя кривая – температура кипения в зависимости от состава жидкости, верхняя – от состава пара; в азеотропной точке составы жидкости и равновесного ей пара совпадают. Более-менее удовлетворительного разделения двух жидкостей при простой перегонке можно достичь в том случае, если разница температур кипения компонентов составляет 50-70 °С или более, но, если эта разница меньше, необходима фракционная перегонка. Некоторые жидкости с высокими температурами кипения в процессе перегонки при атмосферном давлении разлагаются. При снижении давления температура кипения понижается, что позволяет перегонять высококипящие жидкости и масла легко и безопасно. Этот метод называется вакуумной перегонкой. Так как большинство органических жидкостей легко воспламеняется, перегонять их следует с большой осторожностью. Наибольшую опасность представляют легко летучие вещества (например, эфир с Ткип = 35 °С). При перегонке таких соединений нельзя допускать, чтобы их пары контактировали с открытым пламенем, искрящими щеточными узлами электромоторов, биметаллическими силовыми регуляторами, источниками инфракрасного излучения или какими-либо другими источниками возгорания. Опасны также пероксиды, образующиеся при контакте с воздухом некоторых соединений, особенно простых эфиров, в том числе циклических. Жидкости, содержащие пероксиды, НЕЛЬЗЯ перегонять без предварительного их удаления. Температуры кипения широко используемых в лабораторной практике растворителей приведены в таблице 1. 16 Таблица (760 мм рт.ст.) 1. Температура кипения Ацетон Ацетонитрил Бензол н-Бутанол трет-Бутанол н-Гексан н-Гептан Диметилсульфоксид Диметилформамид Дихлорметан Температура кипения, С 56,1 81,6 80,1 117,4 82,2 68,8 98,4 189,0 152-154 39,6 Диэтиловый эфир 34,6 м-Ксилол о-Ксилол п-Ксилол 139,1 144,4 138,4 Растворитель некоторых органических Растворитель Метанол н-Пентан Пиридин Пропанол-1 Пропанол-2 Тетрагидрофуран Толуол Уксусная кислота Хлороформ Циклогексан Четыреххлористый углерод Этанол Этилацетат Этиленгликоль 17 растворителей Температура кипения, С 64,7 36,1 115,6 97,0 82,4 66,0 110,6 118,1 61,2 80,7 76,7 78,4 77,1 197,3 2.1. Перегонка при атмосферном давлении Применяется для очистки или разделения веществ, не образующих азеотропных смесей, и температура кипения которых не более 200 С, причем разница в температурах кипения разделяемых компонентов должна быть не менее 50 С. Рассмотрим пример установки для перегонки при атмосферном давлении (рис. 4), однако нужно понимать, что разнообразие лабораторной посуды настолько велико, что некоторые элементы могут отличаться. Данный пример необходим для понимания общих процессов перегонки. * Рисунок 4. Схема установки для перегонки при атмосферном давлении: 1 – баня, 2 – отгонная колба, 3 – насадка Вюрца, 4 – термометр, 5 – холодильник, 6 – алонж, 7 – приемная колба. Для нагревания отгонной колбы до 90 С используют воздушные или водяные бани, до 220 С – масляные, выше 220 С – песчаные бани, а также электрические колбонагреватели. Перегонять ЛВЖ на воздушной бане категорически запрещено. При перегонке рекомендуется закрепить установку на штативах таким образом, чтобы баню легко можно было опустить. Для колб объемом более 500 мл температура в бане и температура жидкости в отгонной колбе обычно различается на 20-30 С, для меньших по объему, это различие несколько снижается. Отгонная колба должна быть заполнена перегоняемой жидкостью не более 2/3 своего объема, так как большинство перегоняемых жидкостей имеет положительный коэффициент температурного расширения, а, следовательно, при нагревании увеличивает свой объем. Для равномерного кипения на дно колбы перед началом перегонки помещают кипелки (химически инертный материал с микропорами или отверстиями внутри, обычно мелкие кусочки 18 фарфора или стеклянные капилляры, запаянные с одного конца). Добавление кипелок к уже нагретой перегоняемой жидкости недопустимо. Необходимо помнить, что использовать кипелки возможно только один раз, поэтому при охлаждении колбы, например, для добавления новой порции растворителя, следует поместить на дно колбы новую порцию кипелок. Перегонку не следует проводить досуха, так как капля растворителя, упавшая с кончика термометра в сухую разогретую колбу, может привести к взрыву колбы. Для перегонки жидкостей объемом менее 100 мл используют остродонные колбы. При перегонке, для контроля истинной температуры кипения перегоняемой в данной момент жидкости, необходимо измерять температуру паров в месте перегиба отвода насадки Вюрца (место отмечено * на рис. 4), так как жидкость, сконденсировавшаяся в этом месте и после него, попадает в приемную колбу. Поэтому термометр и насадка Вюрца подбираются таким образом, чтобы шарик термометра находился на 0,5-1 см ниже отверстия отвода насадки. В зависимости от состава перегоняемой жидкости, используют прямые холодильники как с рубашкой, так и без нее. Для минимизации потерь при перегонке полная конденсация паров должна происходить не далее половины рабочей поверхности холодильника, поэтому длину холодильника следует увеличивать с уменьшением температуры кипения перегоняемых компонентов смеси. При перегонке жидкостей с температурой кипения до 150 С всегда используют холодильники с охлаждающей рубашкой (холодильник Либиха), при температуре выше 150 С возможно использование воздушных холодильников. В некоторых случаях вещество может кристаллизоваться внутри холодильника, поэтому в рубашку подают теплую воду. Для наибольшей эффективности охлаждения паров жидкость подают в рубашку холодильника снизу вверх – противотоком к движению жидкости и пара. При нисходящем расположении холодильника, такая подача охлаждающей жидкости в рубашку холодильника является единственно возможной, в случае обратного подключения охлаждающая жидкость (чаще всего водопроводная вода) не вытеснит из рубашки воздух, что приведет к абсолютно неэффективной работе холодильника. Установка для перегонки должна ВСЕГДА быть соединена с атмосферой, в противном случае, при нагревании отгонной колбы, давление в системе будет увеличиваться, что непременно приведет к взрыву. Поэтому всегда используют либо алонж, либо приемную колбу с отводом, а также следят за кристаллизацией вещества в холодильнике. Чтобы влага из воздуха не попадала 19 в систему (важно, например, при абсолютировании растворителей), на отвод устанавливают хлоркальциевую трубку. Для разделения смесей, температура кипения компонентов которой различается на 10-40 С применяют фракционную перегонку. При использовании данного способа эффективность разделения повышается за счет применения дефлегматора, в котором многократно повторяется процесс конденсации/парообразования, что приводит к обогащению пара низкокипящим компонентом. Этим и отличается перегонка с дефлегматором от простой перегонки, где разделение происходит однократно в момент парообразования. Отличие в лабораторном исполнении от простой перегонки заключается в установке дефлегматора между отгонной колбой и насадкой Вюрца. Форма и длина таких дефлегматоров различна, самые распространенные из которых – это шариковые, елочные и насадочные. В дефлегматоре происходит частичная конденсация пара и жидкость, обогащенная высококипящим компонентом, стекает обратно в отгонную колбу, а пар обогащается низкокипящим компонентом. В случае многокомпонентной смеси или разделения близких по температуре кипения веществ поступают следующим образом. При перегонке исходной смеси собирают фракции в заранее намеченных температурных интервалах и, таким образом, делят исходную смесь на несколько фракций, обогащенных различными компонентами. Затем легкокипящую фракцию подвергают фракционной перегонке, также собирая несколько фракций при температуре верхнего предела первой перегонки для этой фракции перегонку останавливают и добавляют вторую фракцию в отгонную колбу, перегонку повторяют. Таким образом действуют и далее, в результате чего удается максимально разделить компоненты исходной смеси. Другой вид перегонки – это перегонка с водяным паром. Применяется для выделения высококипящих веществ, загрязненных большим количеством нелетучих примесей и/или разлагающихся ниже или при температуре кипения. Перегонка с паром позволяет выделить высококипящий компонент при атмосферном давлении и температуре ниже 100 °С, при этом перегоняемое вещество не должно растворяться в воде и химически взаимодействовать с ней. Отличие в лабораторном исполнении от простой перегонки заключается в наличии трубки, опущенной практически на дно колбы, через которую подается водяной пар. В данном методе вместе с водяным паром отгоняются пары высококипящего вещества, который, после конденсации и охлаждения, отделяется от воды экстракцией. 20 2.2. Перегонка при пониженном давлении (вакуумная перегонка) Применяется для разделения или очистки веществ, которые при атмосферном давлении имеют высокую температуру кипения или разлагаются ниже или при температуре кипения. Данный метод основан на зависимости температура кипения веществ от давления, впервые описанным уравнением Клапейрона-Клаузиуса: dp / dT = L / TΔV (2) Или, при низких давлениях, когда пар можно считать идеальным газом: dlnp / dT = L / RT2, (3) где: р – давление паров, Т – температура, L – теплота фазового перехода, ΔV – изменение объема системы при фазовом переходе, R – объединенная газовая постоянная. Согласно этому уравнению температура кипения увеличивается с возрастанием давления и уменьшается с уменьшением давления. В современном мире температуру кипения можно рассчитать при помощи различных компьютерных программ, например, ACD ChemSketch*. Однако до появления компьютеров пользовались номограммой давление-температура кипения (рис. 5). С помощью этой номограммы возможно оценить температуру кипения при определенном давлении, зная температуру кипения при атмосферном давлении, эти три точки будут лежать на одной прямой. Для определения температуры кипения при заданном давлении прямую, образованную соединением двух точек: значения давления (шкала В) и температуры кипения при атмосферном давлении (шкала Б), продолжают до пересечения со шкалой А (точка пересечения продолжения прямой и шкалы А указывает температуру кипения при заданном давлении). * - http://www.acdlabs.com/resources/freeware/chemsketch/ 21 мм рт.ст. А Б В Рисунок 5. Номограмма давление – температура кипения. А – температура кипения в вакууме, Б – температура кипения при атмосферном давлении, В – остаточное давление в системе. В отличие от простой перегонки, где возможно использование плоскодонных колб, при перегонке в вакууме всегда используют круглодонные колбы. Это необходимо в силу того, что результирующая сил давления, приложенных к плоской поверхности, выше, чем к сферической из-за взаимного уравновешивания этих сил в случае последней. Рисунок 6. Эпюра давления на плоскую и сферическую результирующая сила давления в точке её максимального значения. поверхность и Для создания вакуума в лаборатории чаще всего используют водоструйные и масляные вакуумные насосы. Действие водоструйных насосов основано на захватывании воздуха струей воды, с большой скоростью вытекающей из сопла. Вакуум, создаваемый таким насосом, зависит от напора и температуры воды. При помощи водоструйного насоса возможно получить остаточное давление 22 0,8-1,3 кПа (6-10 мм.рт.ст). При работе с водоструйным насосом нужно помнить, что перед выключением воды, проходящей через насос, нужно развакуумировать систему (сообщив вакуумный шланг насоса с атмосферой). Конструкция и, следовательно, рабочие характеристики других вакуумных насосов различны, ее вы можете изучить самостоятельно. Такие насосы применяют для создания различного вакуума, в том числе и выше остаточного давления, создаваемых водоструйными насосами. При помощи вакуумных насосов возможно создать остаточное давление ниже 1 Па (0,0075 мм.рт.ст). Например, масляные насосы применяют для создания остаточного давления порядка 70-400 Па (0,5-3,0 мм.рт.ст). Вакуумные насосы изготовлены из сталей, поэтому они очень чувствительны к различным химическим соединениям, которые могут вызвать коррозию. Кроме того, в масляных насосах масло может загрязняться примесями из вакуумируемых систем, эти примеси увеличивают остаточное давление, которое способен создать насос. Поэтому между вакуумной системой и насосом устанавливают ловушки (криогенные или абсорбционные) для улавливания остаточных паров химических соединений, исключением являются химически стойкие мембранные вакуумные насосы. 23 Отличий вакуумной перегонки от перегонки при атмосферном давлении несколько: - для увеличения герметичности стыка шлифов используют вакуумную смазку; - разбрызгивание жидкости при кипении в вакууме намного выше, чем при атмосферном давлении, поэтому отгонную колбу обычно заполняют не более чем на половину от объема; - кипелки при вакуумной перегонке не эффективны, поэтому для создания центров кипения используют воздух (или инертный газ), проходящий через очень тонкий капилляр, опущенный на дно колбы, либо применяют интенсивное перемешивание посредством магнитной мешалки; - для перегонки с капилляром используют либо двугорлую колбу, либо вместо насадки Вюрца используют двугорлую насадку, например, насадку Кляйзена. Перегонка с использованием капилляра намного эффективнее, так как пары кипящей жидкости с потоком воздуха (или инертного газа), вводимого в систему через капилляр, отгоняются лучше; - при перегонке в вакууме нецелесообразно при смене фракции развакуумировать систему, поэтому для такой перегонки используют алонжи-пауки. При вакуумной перегонке объем всех колб приемников в сумме должен гарантированно превышать объем перегоняемой жидкости. 24 2.3. Абсолютирование некоторых органических растворителей - Ацетон. Легко воспламеняется. Пары образуют с воздухом взрывоопасные смеси. Технический ацетон обычно содержит воду, с которой он смешивается в любых соотношениях. Иногда ацетон загрязнен метиловым спиртом, уксусной кислотой и восстанавливающими веществами. Для оценки присутствия восстанавливающих веществ к 10 мл ацетона прибавляют 1 каплю 0,1% водного раствора KMnO4, через 15 мин при комнатной температуре раствор не должен изменять первоначальную окраску. Для очистки ацетон несколько часов нагревают с безводным К2СО3 (5 % масс.) в колбе с обратным холодильником, затем жидкость перегоняют над безводным К2СО3 (2 % масс.) и кристаллическим KMnO4, который добавляют к ацетону до появления устойчивой фиолетовой окраски. В полученном ацетоне уже нет метилового спирта, но есть незначительное количество воды. Для полного удаления воды ацетон нагревают с безводным CaCl2 (10 % масс.) в колбе с обратным холодильником, затем жидкость перегоняют над безводным CaCl2 (10 % масс.). Вместо столь длительной и трудоемкой операции, которая часто приводит к конденсации ацетона, лучше использовать цеолит NaA. При длительном выдерживании ацетона над этим цеолитом (5 % масс.) достигается абсолютирование ацетона. В небольших количествах очень чистый ацетон может быть получен из аддукта (продукта присоединения) ацетона и NaI, который уже при слабом нагревании разлагается, выделяя ацетон. Для этого при нагревании на водяной бане растворяют 100 г NaI в 440 мл сухого свежеперегнанного ацетона. Образующийся раствор быстро охлаждают до -3 °С, погружая сосуд в смесь льда с NaCl. Выделившийся твердый аддукт NaI-C3H6O отделяют на воронке Бюхнера, переносят в колбу установки для перегонки и нагревают на водяной бане. При легком нагревании аддукт разлагается, и освобождающийся ацетон отгоняется. Дистиллят сушат безводным CaCl2 и повторно перегоняют с дефлегматором над CaCl2. Регенерированный NaI может быть вновь применен для этой же реакции. Экспрессный способ очистки ацетона от метилового спирта и восстанавливающих веществ заключается в следующем: к 700 мл ацетона в колбе вместимостью 1 л приливают раствор 3 г AgNO3 в 20 мл дистиллированной воды и 20 мл 1 н. раствора NaOH. Смесь встряхивают в течение 10 мин, после чего осадок отфильтровывают на воронке со стеклянным 25 фильтром, а фильтрат сушат CaSO4 и перегоняют с дефлегматором над CaCl2. - Ацетонитрил. С водой смешивается во всех отношениях и образует азеотропную смесь (16 % масс., Tкип 76 °С). Ацетонитрил - сильный ингаляционный яд, способен всасываться через кожу. Для абсолютирования ацетонитрил дважды перегоняют над оксидом фосфора (0,5 % масс.) с последующей перегонкой над СаН2 или безводным К2СO3 для удаления следов оксида фосфора. Также ацетонитрил можно предварительно высушить над Na2SO4 или MgSO4, затем перемешать с СаН2 до прекращения выделения газа (водорода) и перегнать над Р4О10 (4-5 г/л). Дистиллят кипятят с обратным холодильником над СаН2 (5 г/л) не менее 1 ч, затем медленно перегоняют, отбрасывая первые 5 % и последние 10 % дистиллята. - Бензол. Бензол и его гомологи - толуол и ксилолы - широко используются в качестве растворителей и среды для азеотропной сушки. Работать с бензолом следует осторожно из-за его горючести и токсичности, а также из-за образования с воздухом взрывоопасных смесей. Пары бензола при многократном воздействии нарушают нормальную функцию кроветворных органов; в жидком состоянии бензол сильно всасывается через кожу и раздражает ее. Бензол образует с водой азеотропную смесь (8,83 % масс., Ткип 69,25 °С). Поэтому перед перегонкой влажный бензол кипятят с насадкой Дина-Старка и вода практически полностью отгоняется. Доосушение перегнанного бензола обычно производят прокаленным CaCl2 (в течение 2-3 суток) и натриевой проволокой. Во время перегонки нужно следить за тем, чтобы перегоняемый бензол не закристаллизовался в холодильнике (Тпл 5,5 °С). Технический бензол содержит до 0,05 % масс. тиофена, который нельзя отделить от бензола ни фракционной перегонкой, ни кристаллизацией (вымораживанием). Тиофен в бензоле обнаруживают следующим образом: раствор 10 мг изатина в 10 мл конц. H2SO4 встряхивают с 3 мл бензола. В присутствии тиофена сернокислотный слой окрашивается в сине-зеленый цвет. Бензол очищают от тиофена многократной экстракцией концентрированной H2SO4. На 1 л бензола берут 80 мл кислоты. Очистку ведут до тех пор, пока не будет достигнуто слабо-желтое окрашивание кислоты. После отделения слоя кислоты бензол промывают водой, затем 10 %-ным раствором Na2CO3 и снова водой, после чего бензол перегоняют. 26 Более эффективный и простой метод очистки бензола от тиофена - кипячение 1 л бензола с 100 г никеля Ренея в колбе с обратным холодильником в течение 15-30 мин. Еще один способ очистки бензола от тиофена заключается в дробной кристаллизации его из этилового спирта. Насыщенный раствор бензола в спирте охлаждают примерно до -15 °С, быстро отфильтровывают твердый бензол и перегоняют. - Гексан. Экстрагируют с H2SO4 до прекращения окрашивания, затем промывают водой и 2% раствором щёлочи или карбоната натрия или калия и сушат твёрдым КОН, вместо КОН можно взять любой осушитель большой ёмкости (СаCl2), и перегоняют; очищенный гексан кипятят над металлическим Na и перегоняют. Можно сушить проточным способом над циалитами. - Диметилсульфоксид (ДМСО). Смешивается с водой и большинством органических растворителей, но не смешивается с алифатическими углеводородами. Диметилсульфоксид практически не токсичен. Для очистки диметилсульфоксид выдерживают в течение суток над активным Al2O3, после чего дважды перегоняют при 2 мм рт. ст. над плавленым КОН (или ВаО) и хранят над цеолитом NaA. Под действием восстановителей диметилсульфоксид превращается в диметилсульфид, а под действием окислителей - в диметилсульфон, несовместим с хлорангидридами неорганических и органических кислот. - N,N-Диметилформамид (ДМФА). Смешивается в любых отношениях с водой, спиртом, ацетоном, эфиром, хлороформом, сероуглеродом, галогенсодержащими и ароматическими соединениями; алифатические углеводороды растворяет лишь при нагревании. Диметилформамид перегоняется при атмосферном давлении без разложения; разлагается под действием ультрафиолетовых лучей с образованием диметиламина и формальдегида. Реактив диметилформамид, кроме метиламина и формальдегида, в качестве примесей может содержать метилформамид, аммиак и воду. Диметилформамид очищают следующим образом: к 85 г диметилформамида прибавляют 10 г бензола и 4 мл воды и смесь перегоняют. Вначале отгоняется бензол с водой и другими примесями, а затем чистый продукт. - Диэтиловый эфир. Чрезвычайно легко воспламеняется; пары образуют с воздухом 27 взрывоопасные смеси. Пары тяжелее воздуха примерно в 2,6 раза и могут стелиться по поверхности рабочего стола. Поэтому необходимо следить за тем, чтобы поблизости (до 1 м) от места работы с эфиром все газовые горелки были потушены, а электроплитки с открытой спиралью отключены от сети. При хранении диэтилового эфира под действием света и кислорода воздуха в нем образуются взрывчатые перекисные соединения и ацетальдегид. Перекисные соединения являются причиной чрезвычайно сильных взрывов, особенно при попытке перегнать эфир досуха. Для обнаружения перекиси в диэтиловом эфире предложены многие реакции. 1. Реакция с йодидом калия KI. Несколько миллилитров эфира встряхивают с равным объемом 2 % водного раствора KI, подкисленного 1-2 каплями HCl. Появление коричневого окрашивания указывает на присутствие перекисей. 2. Реакция с титанилсульфатом. Реактив готовят растворением 0,05 г TiOSO4 в 100 мл воды, подкисленной 5 мл 20 % водного раствора H2SO4. При встряхивании 2-3 мл этого реактива с 5 мл испытуемого эфира, содержащего перекисные соединения, появляется желтая окраска. 3. Реакция с бихроматом натрия Na2Cr2O7. К 3 мл эфира прибавляют 2-3 мл 0,01 % водного раствора Na2Cr2O7 и одну каплю 20 % водного раствора H2SO4. Смесь сильно взбалтывают. Синяя окраска эфирного слоя указывает на присутствие перекисей. 4. Реакция с ферротиоцианатом Fe(SCN)2. Бесцветный раствор Fe(SCN)2 под действием капли жидкости, содержащей перекись, окрашивается в красный цвет. Эта реакция позволяет обнаруживать перекиси в концентрации до 0,001 %. Реактив готовят следующим образом: 9 г FeSO4.7H2O растворяют в 50 мл 18 % раствора НСl. К раствору в открытом сосуде добавляют гранулированный цинк и 5 г тиоцианата натрия NaSCN, после исчезновения красного окрашивания добавляют еще 12 г NaSCN, осторожно взбалтывают и раствор отделяют декантацией. Чтобы удалить перекиси, применяют сульфат железа (II). При взбалтывании 1 л диэтилового эфира обычно берут 20 мл раствора, приготовленного из 30 г FeSO4.7H2O, 55 мл Н2O и 2 мл конц. H2SO4. После промывания эфир встряхивают с 0,5 % раствором KMnO4 для окисления ацетальдегида в уксусную кислоту. Затем эфир промывают 5 % раствором NaOH и водой, сушат 24 ч над CaCl2 (150-200 г CaCl2 на 1 л эфира). После этого отфильтровывают CaCl2 на большом складчатом бумажном фильтре и собирают эфир в склянку из темного стекла. Склянку плотно закрывают 28 корковой пробкой со вставленной в нее изогнутой под острым углом хлоркальциевой трубкой, наполненной CaCl2. Затем, открыв склянку, быстро вносят в эфир натриевую проволоку, из расчета 5 г на 1 л эфира. Через 24 ч, когда перестанут выделяться пузырьки водорода, добавляют еще 3 г натриевой проволоки на 1 л эфира и спустя 12 ч эфир переливают в колбу для перегонки и перегоняют над натриевой проволокой. Приемник должен быть защищен хлоркальциевой трубкой с CaCl2. Дистиллят собирают в склянку из темного стекла, которую после внесения 1 г натриевой проволоки на 1 л эфира закрывают корковой пробкой с хлоркальциевой трубкой и хранят в холодном и темном месте. Если поверхность проволоки сильно изменилась и при добавлении проволоки снова выделяются пузырьки водорода, то эфир следует профильтровать в другую склянку и добавить еще порцию натриевой проволоки. Удобный и весьма эффективный способ очистки диэтилового эфира от перекисей и одновременно от влаги – пропускание эфира через колонку с активным Al2O3. Колонки высотой 60-80 см и диаметром 2-4 см, заполненной 82 г Al2O3, достаточно для очистки 700 мл эфира, содержащего значительное количество перекисных соединений. Отработанный Al2O3 легко регенерировать, если пропустить через колонку 50 % подкисленный водный раствор FeSO4.7H2O, промыть водой, высушить и провести термическую активацию при 400-450 °С. Абсолютный эфир – весьма гигроскопичная жидкость. О степени поглощения влаги эфиром при его хранении можно судить по посинению безводного белого порошка CuSO4 при внесении его в эфир (образуется окрашенный гидрат CuSO4.5H2O). - Диоксан. Смешивается с водой, спиртом и эфиром в любых отношениях. Образует с водой и спиртом азеотропные смеси. Технический диоксан содержит в качестве примесей ацеталь этиленгликоля, воду, ацетальдегид и перекиси. Способ очистки диоксана следует выбирать в зависимости от степени его загрязнения, которую определяют, добавляя к диоксану металлический натрий. Если при этом образуется коричневый осадок, то диоксан сильно загрязнен, если поверхность натрия изменяется незначительно, то диоксан содержит мало примесей и его очищают, перегоняя над натриевой проволокой. Сильно загрязненный диоксан очищают следующим образом: 0,5 л диоксана, 6 мл конц. НСl и 50 мл воды нагревают на силиконовой (масляной) 29 бане в токе азота в колбе с обратным холодильником при 115-120 °С в течение 12 ч. После охлаждения жидкость встряхивают с небольшими порциями плавленого КОН для удаления воды и кислоты. Диоксан образует верхний слой, его отделяют и сушат свежей порцией КОН. Затем диоксан переносят в чистую перегонную колбу и нагревают с обратным холодильником над 3-4 г натриевой проволоки в течение 12 ч. Очистка считается законченной, если поверхность натрия остается неизменной. Если натрий весь прореагировал, то необходимо добавить свежую порцию и продолжить высушивание. Диоксан, не содержащий перекисных соединений, перегоняют на колонке или с эффективным дефлегматором при обычном давлении. Очистка диоксана от перекисей проводится так же, как и очистка диэтилового эфира. - Метиловый спирт (метанол). Смешивается во всех отношениях с водой, спиртами, ацетоном и другими органическими растворителями; не смешивается с алифатическими углеводородами. Образует азеотропные смеси с ацетоном (Ткип 55,7 °С), бензолом (Ткип 57,5 °С), сероуглеродом (Ткип 37,65 °С), а также со многими другими соединениями. С водой метиловый спирт не образует азеотропных смесей, поэтому большую часть воды можно удалить перегонкой спирта. Метиловый спирт - сильный яд, поражающий преимущественно нервную систему и кровеносные сосуды. В организм человека он может поступить через дыхательные пути и кожу. Особенно опасен при приеме внутрь. Применение метилового спирта в лабораторной практике допускается только в тех случаях, когда он не может быть заменен другими, менее токсичными веществами. В колбу, снабженную обратным холодильником и хлоркальциевой трубкой, помещают магниевые стружки (5 г на 1 л метилового спирта), заливают их 60-70 мл метилового спирта, содержащего не более 1 % воды и прибавляют 0,1 г йода (или соответствующее количество метилйодида, этилбромида) и нагревают. Когда весь магний перейдет в метилат (на дне колбы образуется белый осадок), к полученному раствору прибавляют технический СН3ОН, кипятят в колбе с обратным холодильником 3 часа, после чего отгоняют спирт из колбы с дефлегматором высотой 50 см, собирая фракцию с температурой кипения 64,5-64,7 °С (при нормальном давлении). Содержание воды в полученном спирте не превышает 0,05 % масс. Абсолютированный метиловый спирт сохраняют в сосуде, защищенном от влаги воздуха. Доосушение метилового спирта, содержащего 0,5-1 % воды, можно осуществить металлическим магнием и без инициирования реакции. Для этого 30 к 1 л СН3ОН прибавляют 10 г магниевых стружек и смесь оставляют в колбе с обратным холодильником и хлоркальциевой трубкой. Реакция начинается самопроизвольно, и вскоре спирт закипает. Когда весь магний растворится, кипение поддерживают нагреванием на водяной бане еще некоторое время, после чего спирт перегоняют, отбрасывая первую порцию дистиллята. Безводный метиловый спирт получают также, выдерживая его над цеолитом NaA или КА или пропуская через колонку, заполненную этими молекулярными ситами. Для этого можно воспользоваться колонкой лабораторного типа. Присутствие ацетона в метиловом спирте устанавливают пробой с нитропруссидом натрия. Спирт разбавляют водой, подщелачивают и прибавляют несколько капель свежеприготовленного насыщенного водного раствора нитропруссида натрия. В присутствии ацетона появляется красная окраска, усиливающаяся при подкислении уксусной кислотой. Для удаления ацетона предложен следующий способ: 500 мл СН3ОН кипятят несколько часов с 25 мл фурфурола и 60 мл 10 % раствора NaOH в колбе с обратным холодильником, а затем отгоняют спирт на эффективной колонке. В колбе остается смола - продукт взаимодействия фурфурола с ацетоном. - Тетрагидрофуран. Растворяется в воде и большинстве органических растворителей. Образует азеотропную смесь с водой (6 % масс., Ткип 64 °С). Тетрагидрофуран склонен к образованию перекисных соединений, поэтому обязательно надо проверить наличие в нем перекисей (см. Диэтиловый эфир). Удалить перекиси можно кипячением с 0,5 % суспензией Cu2Cl2 в течение 30 мин, после чего растворитель перегоняют и встряхивают с плавленым КОН. Верхний слой тетрагидрофурана отделяют, вновь добавляют к нему 16 % масс. КОН и кипятят смесь 1 ч в колбе с обратным холодильником. Затем тетрагидрофуран перегоняют над СаН2 или LiAlH4, отбрасывают 10-15 % головной фракции и оставляют около 10 % остатка в кубе. Головную фракцию и кубовый остаток присоединяют к техническим продуктам, предназначенным для очистки, а собранную среднюю фракцию досушивают над натриевой проволокой. Очищенный продукт хранят без доступа воздуха и влаги. - Хлороформ. Растворим в большинстве органических растворителей; практически нерастворим в воде. Образует азеотропную смесь с водой (2,2 % масс., Ткип 56,1 °С). Негорюч и не образует взрывоопасных смесей с воздухом, но 31 токсичен - действует на внутренние органы, особенно на печень. Хлороформ почти всегда содержит до 1 % масс. этилового спирта, который добавляют к нему в качестве стабилизатора. Другой примесью хлороформа может быть фосген, образующийся при окислении хлороформа на свету. Пробу на присутствие фосгена выполняют следующим образом: 1 мл 1 % раствора п-диметиламинобензальдегида и дифениламина в ацетоне встряхивают с хлороформом. При наличии фосгена (до 0,005 %) через 15 мин возникает интенсивная желтая окраска. Хлороформ очищают встряхиванием с отдельными порциями конц. H2SO4. На 100 мл хлороформа каждый раз берут 5 мл кислоты. Хлороформ отделяют, промывают 3-4 раза водой, сушат на CaCl2 и перегоняют. Очистка хлороформа достигается также медленным пропусканием препарата через колонку, заполненную активным Al2O3 в количестве 50 г на 1 л хлороформа. Хлороформ следует хранить в склянках из темного стекла. - Хлористый метилен. Растворяется большинстве органических растворителей. Не смешивается с водой. Образует азеотропную смесь с водой (2 % масс., Ткип 38,1 °С). Хлористый метилен очищают встряхиванием с отдельными порциями конц. H2SO4 (на 100 мл берут 5 мл кислоты), нейтрализуют щелочью и промывают водой. Сушат над поташом или безводным сульфатом магния и перегоняют. Кипятят с гидридом кальция с последующей перегонкой. Для дополнительной осушки кипятят с пентаоксидом фосфора (0,5 % масс.) с последующей перегонкой. Хранят над молекулярными ситами 3А. - Этилацетат. Образует азеотропную смесь с водой (8,2 % масс., Ткип 70,4 °С). Технический этилацетат содержит воду, уксусную кислоту и этиловый спирт. Предложено много способов очистки этилацетата. По одному из них этилацетат встряхивают с равным объемом 5 % раствора NaHCO3 и затем с насыщенным раствором CaCl2. После этого этилацетат сушат над К2СО3 и перегоняют. Для окончательной сушки к дистилляту добавляют 5 % оксида фосфора и энергично встряхивают, затем фильтруют и перегоняют над натриевой проволокой. - Этиловый спирт. Образует азеотропную смесь с водой (4,4 % масс.). Отличается высокой растворяющей способностью по отношению к самым разнообразным 32 соединениям и неограниченно смешивается с водой и с большинством органических растворителей. Технический спирт содержит примеси, качественный и количественный состав которых зависит от условий его получения. Выпускаемый абсолютированный спирт, который получают азеотропной перегонкой 95 % технического спирта с бензолом, может содержать небольшие количества воды и бензола (до 0,5 % масс.). Обезвоживание 95 % спирта можно производить длительным кипячением с прокаленным СаО. На 1 л спирта берут 250 г СаО. Смесь кипятят в 2-литровой колбе с обратным холодильником, закрытым трубкой с СаО, в течение 6-10 ч. После охлаждения колбу присоединяют к установке для перегонки при атмосферном давлении и отгоняют спирт. Выход 99-99,5 % спирта 65-70 %. Более высокими обезвоживающими свойствами обладает оксид бария ВаО. Кроме того, ВаО способен несколько растворяться в почти абсолютном спирте, окрашивая его в желтый цвет. По этому признаку определяют, когда процесс абсолютирования завершен. Дальнейшее обезвоживание 99-99,5 % спирта можно провести несколькими методами: с помощью магния аналогично метиловому спирту (получается этиловый спирт с содержанием воды не более 0,05 %), натрия и диэтилового эфира щавелевой кислоты. В круглодонную колбу вместимостью 1,5 л с обратным холодильником и хлоркальциевой трубкой вливают 1 л 99 % этилового спирта, после чего небольшими порциями вносят 7 г натриевой проволоки. После растворения натрия к смеси добавляют 25 г диэтилового эфира щавелевой кислоты (или 27,5 г диэтилового эфира фталевой кислоты), кипятят 2 ч и отгоняют спирт. Если в колбе образуется небольшое количество осадка, то это доказывает, что исходный спирт был достаточно хорошего качества. И наоборот, если выпадает большое количество осадка и кипение сопровождается толчками, то исходный спирт был недостаточно высушен. Перегонку спирта рекомендуется проводить над небольшим количеством никеля Ренея; в этом случае отпадает необходимость в кипелках. 33 2.4. Контрольные вопросы по теме «Перегонка» 1. Кратко сформулируйте теоретические основы перегонки. 2. Из чего состоит прибор для перегонки при атмосферном давлении? 3. В чем отличие перегонки в вакууме от перегонки при атмосферном давлении? 4. Как осуществляют выбор типов холодильников, используемых для перегонки? 5. Какие нагревательные элементы используют при перегонке? 6. Какие приборы используют для получения вакуума и определения его величины? 7. Какие осушающие агенты используют для растворителей различных классов? 34 3. УДАЛЕНИЕ РАСТВОРИТЕЛЯ С ПОМОЩЬЮ ВАКУУМНОГО РОТОРНОГО ИСПАРИТЕЛЯ Роторный испаритель - это по существу устройство для быстрого удаления растворителей отгонкой их в вакууме (рис. 7). В отличие от перегонки при пониженном давлении, в нормальном режиме в роторном испарителе происходит не процесс кипения, а испарение из тонкой пленки, создаваемой на внутренней поверхности колбы её вращением. Процесс же кипения, является при работе на роторном испарителе паразитным и его следует всячески избегать, варьируя температуру бани и скорость вращения отгонной колбы. Приведенные особенности данного прибора позволяют интенсифицировать процесс удаления растворителя одновременно со снижением температуры раствора в колбе, что позволяет быстро в полуавтоматическом режиме концентрировать растворы, не подвергая целевое вещество риску термического разложения. 3.1. Последовательность действий при работе с вакуумным роторным испарителем При использовании вакуумного роторного испарителя соблюдают следующую последовательность операций: - Включают подачу воды к водоструйному насосу (максимальный напор) и змеевику холодильника испарителя (минимально достаточный напор, контролируется по движению пузырьков в змеевике холодильника или по струе, вытекающей из сливного патрубка, либо используется расходомер). Важно не перепутать краны, так как избыточное давление может привести к разрушению змеевика холодильника прибора! - В зависимости от способа подключения вакуумной линии к прибору, либо открывают кран на сообщение вакуумной линии с внутренним объемом прибора, либо перекрывают краном сообщение прибора с атмосферой. - Включают электропитание ротора. - Действием одной руки ослабляют страховочный винт прижимного хомута приемной колбы и снимают его, одновременно придерживая приемную колбу под дно другой рукой, удаляют из приемной колбы накопившийся дистиллят и устанавливают колбу на место в обратной последовательности. Важно не переусердствовать с зажимом страховочного винта, усилие должно быть не большее, чем при затяжке винта на лапке штатива! - Помещают раствор, подлежащий выпариванию, в круглодонную колбу соответствующего размера (заполненную не более чем наполовину). Применение плоскодонных колб – запрещено! 35 - Подсоединяют отгонную колбу к каналу, по которому будут удаляться пары растворителя – штоку роторного испарителя, используя при необходимости переходник-ловушку, и придерживают рукой некоторое время, пока внутри прибора не установиться разряжение достаточное для надежной фиксации колбы и ловушки на шлифах. В том случае, если вакуум создается с помощью водоструйного насоса, нет необходимости смазывать шлифы на штоке, ловушке и отгонной колбе. Более того, в этом случае смазка носит даже негативный эффект, так как не исключено её попадание в отгонную колбу и, соответственно, загрязнение целевого вещества. Рисунок 7. Устройство роторного испарителя: 1 – приемная колба, 2 – холодильник, 3 – привод, 4 – отгонная колба, 5 – водяная баня. Поднимают баню или опускают корпус прибора вместе с колбой (зависит от конструкции) таким образом, чтобы колба на одну треть погрузилась в воду бани. На этой стадии желательно, чтобы температура водяной бани была на 10-20 С ниже предполагаемой температуры бани во время процесса, либо имела комнатную температуру. Пока давление внутри ротора продолжает снижаться, включают привод, чтобы колба, в которой проводят выпаривание, вращалась. В большинстве случаев достаточно скорости вращения до 100 об/мин. Когда вакуум стабилизируется, медленно нагревают водяную баню до тех пор, пока не начнет отгоняться растворитель. Во избежание вспенивания и выброса раствора не перегревайте баню, в большинстве случаев достаточно температуры 50 °С. После завершения процесса удаления растворителя следует опустить баню или поднять корпус прибора вместе с колбой (зависит от конструкции), отключить нагрев бани и вращение колбы. Затем, придерживая одной рукой отгонную колбу, другой рукой (в зависимости от способа подключения 36 вакуумной линии к прибору) открывают краном на сообщение прибора с атмосферой. После выравнивания давлений внутри и снаружи прибора, отгонную колбу и переходник-ловушку можно отсоединять. После их отсоединения, кран возвращают в исходное положение, перекрывают потоки воды в насосе и змеевике холодильника, отключают прибор от электропитания. Важно соблюдать перечисленную выше последовательность: НИКОГДА не погружайте колбу испарителя в ГОРЯЧУЮ водяную баню, поскольку это, как правило, приводит к бурному кипению, вспениванию и выбросу раствора в приемник. СЛЕДИТЕ за чистотой шлифов отгонной колбы, чтобы предотвратить их заклинивание после удаления растворителя! Подключение испарителя к водоструйному насосу создает вакуум, позволяющий легко удалить "летучие" растворители с температурой кипения до 120°С при температуре бани до 50-60°С. 3.2. Контрольные вопросы по теме «Удаление растворителей с помощью вакуумного роторного испарителя» 1. 2. Какое устройство имеет вакуумный роторный испаритель? Расскажите о порядке работы с роторным испарителем. 37 4. ЭКСТРАКЦИЯ Большая часть методов разделения и очистки, применяемых в органическом синтезе, основана на процессе перехода вещества между двумя разделенными фазами, например несмешивающимися между собой жидкостями. Под экстракцией понимают перемещение вещества из исходной фазы в фазу экстрагента. Полученный в результате экстракт не должен смешиваться с исходной фазой. Повышают эффективность экстракции путем добавления к исходной фазе свежих порций экстрагента (многократная экстракция) или увеличивая поверхность контакта фаз (встряхивая жидкость или измельчая твердые вещества). Отношение, в котором вещество распределяется между двумя взаимно несмешивающимися жидкостями, зависит от многих факторов, среди которых и концентрации вещества в обеих фазах, и относительное количество жидких фаз, и ассоциация (сродство) растворенного вещества с растворителем. Одним из наиболее простых способов математического описания процесса экстракции служит закон Нернста, согласно которому отношение концентраций растворенного вещества в двух несмешивающихся жидкостях, находящихся в равновесии, при определенной температуре является постоянной величиной: С1/С2=К (4) Данная константа называется коэффициентом распределения. Закон Нернста справедлив для разбавленных растворов, графически он может быть представлен в виде прямой линии – изотермы 2 (рис. 8). Рисунок 8. Изотермы экстракции. С увеличением концентраций, увеличивается и отклонение от закона, изотерма становиться изогнутой в сторону одной из фаз (изотермы 1 и 3). Таким образом, необходимо понимать, что коэффициент распределения не может быть определен непосредственно из значений растворимости вещества в 38 каждой из фаз. Коэффициент распределения главным образом определяется строением растворенного вещества в отношении к используемым растворителям. Как правило, вещества с преобладанием гидрофобных групп (алифатические группы, ароматические фрагменты и т.д.) лучше растворимы в растворителях с низкой диэлектрической проницаемостью (неполярных). Соединения с преобладанием гидрофильных групп (гидроксилы, карбоксилы, сульфогруппы и т.д.), напротив, обычно хорошо растворяются в растворителях с высокой диэлектрической проницаемостью (полярных). Не меньшее влияние на коэффициент распределения имеет и молекулярная масса растворенного вещества. В большинстве случаев при выполнении экстракции стремятся достичь равновесного состояния системы. Скорость достижения равновесного состояния зависит от природы двух жидких фаз и растворенного вещества. Рисунок 9. Установление равновесного состояния между двумя жидкими фазами (раствор вещества в одной фазе смешивали в пробирке с одинаковым объемом другой фазы). На графике показана скорость установления равновесного состояния в зависимости от числа «переворотов». Система фаз: эфир – фосфатный буфер с pH 4,6. Вещество первоначально растворяли в верхней фазе (кривая А, В) или в нижней фазе (кривая Б, Г). Кривая А, Б – для бензилпенициллина; кривая В, Г – для п-оксибензилпенициллина. На рисунке 9 представлены зависимости изменения концентраций веществ во времени в двухфазных системах А+Б и В+Г, причем в начальный момент времени в фазах Б и Г экстрагируемые вещества отсутствуют. Как видно из диаграммы, через определенное время система приходит к состоянию равновесия, а основной задачей препаративной экстракции является уменьшение этого времени. Эта цель может быть достигнута увеличением площади контакта двух фаз, что, соответственно, ускорит массоперенос между фазами и достижение состояния равновесия в системе. 39 Экстракция легко осуществима, если растворимость растворённого соединения в экстрагенте значительно выше, чем в фазе исходного растворителя (коэффициент распределения значительно больше 104). Для веществ с коэффициентом распределения меньше 104 недостаточно простой однократной экстракции. В этом случае экстракцию повторяют несколько раз, используя свежие порции экстрагента. 4.1. Экстракция в системе «жидкость-жидкость» Простая экстракция В большинстве случаев в практике органического синтеза экстракции осуществляют против воды. Среди этого типа следует выделить три основных случая экстракции: 1. экстракция водой для удаления из смеси водорастворимого вещества (обычно неорганического) вещества; 2. в противоположность первому, выделение ограниченно растворимого в воде органического вещества из водной фазы органическим экстрагентом; 3. экстракция водным раствором кислот или щелочей (или карбонатов), для удаления из органического слоя, соответственно, органических оснований или кислот. Большинство простых экстракций выполняют в делительной воронке (рис. 10.). Рисунок 10. Экстракция с использованием делительной воронки: а – делительная воронка, б – положение для стравливания избыточного давления внутри воронки. 40 При выполнении экстракции помещают обе фазы в делительную воронку, причем объем экстрагента обычно не должен превышать 1/4-1/5 суммарного объема фаз. Делительная воронка должна быть заполнена не больше, чем на 2/3. Воронку закрывают пробкой и осторожно взбалтывают, прочно удерживая пробку и поддерживая кран делительной воронки. Затем делительную воронку переворачивают краном вверх и, открывая кран, выпускают образовавшиеся пары. После этого энергично взбалтывают воронку для того, чтобы образовалась эмульсия. Затем воронку закрепляют на штативе по средствам лапки или кольца. Перед дальнейшими действиями необходимо вынуть пробку. После распада эмульсии и образования четкой границы между фазами, два слоя разделяют, причем нижний сливают через кран, а верхний – через верхнее отверстие. Иногда, из-за высокой концентрации переходящего в одну из фаз вещества, может резко увеличиться её плотность, что приведет к неожиданному расположению слоёв в делительной воронке, например, этилацетат с растворенным в нем веществом может оказаться внизу, а вода наверху. В этом случаи для идентификации фаз, из двух слоёв отбирают несколько капель и добавляют их в пробирку с водой. В случае образования трудноразделимой эмульсии, её можно разрушить, добавляя вещество, снижающее поверхностное натяжение, например, амиловый спирт. Самое надёжное средство – оставить стоять смесь для расслаивания на продолжительное время. Если экстракт содержит примеси, обладающие кислотными или основными свойствами, то его промывают щелочными или кислыми водными растворами, а затем водой до нейтральной среды. Важно, при промывании растворами карбонатов кислых соединений, выделяется углекислый газ и давление в делительной воронке повышается, поэтому выделяющийся газ надо осторожно выпускать через кран. После всех операций экстракт высушивают подходящими осушителями, которые потом удаляются путём фильтрования, а экстракт концентрируют. В качестве осушителей используют в основном безводные соли, образующие кристаллогидраты. Для обезвоживания экстрактов используют многие осушители, но наиболее эффективными являются порошкообразные молекулярные сита (тип 4А). В качестве осушителя общецелевого назначения предпочитают безводные сульфат магния или натрия; они дешевы, эффективны и нейтральны по отношению к большинству функциональных групп. 41 Процедура сушки заключается в следующем: органический раствор помещают в коническую колбу и добавляют примерно 1 г сульфата магния или натрия на 25 мл раствора. Смесь оставляют на 25-30 минут, время от времени помешивая или встряхивая, а затем фильтруют под вакуумом. Таблица 2. Осушители органических растворителей и их применение. Поглощающая Не применимо для способность (г H2O/г осушителя) Осушитель Применимо для Al2O3 Углеводороды, воздух, аммиак, аргон, гелий, азот, кислород, эфиры BaO Органические основания, спирты, альдегиды, амины Кислоты, CO2 0,1 CaCl2 Галогеноводороды, эфиры, насыщенные и ароматические углеводороды Спирты, амины, фенолы, альдегиды, амиды, аминокислоты, кетоны 0,2 (1H2O) 0,3 (2H2O) CaO Спирты, амины, аммиак Кислоты, сложные эфиры 0,3 CaSО4 Большинство органических соединений 0,066 CuSО4 Сложные эфиры, спирты, бензол, толуол 0,6 MgO Углеводороды, альдегиды, спирты, амины Кислоты 0,5 MgSО4 Большинство органических соединений Чувствительные к кислотам соединения 0,2-0,8 Na2SO4 Большинство органических соединений Молекулярные Молекулы диаметром сита 3Å >3Å 0,2 0.2-1 Молекулы диаметром <3Å 42 0,18 Молекулярные сита4Å Молекулы диаметром >4Å Молекулы диаметром <4Å, этанол, H2S, CO2, SO2, C2H4, C3H4 Молекулы диаметром Молекулы >5Å, разветвленные Молекулярные диаметром<5Å, четвертичные сита5Å бутанол, с соединения или н-C4H10 до н-C22H46 циклические 0,18 0,18 Непрерывная экстракция в системе жидкость-жидкость Данный метод используется в том случае, когда стоит задача либо обработки большого количества раствора, либо целевое вещество настолько плохо экстрагируется, что необходимо очень большое число повторений при экстракции в делительной воронке (периодической). Экстракция с использованием делительной воронки дает удовлетворительные результаты только тогда, когда выделяемое соединение имеет такой высокий коэффициент распределения, что оно переходит почти полностью в тот или иной слой. Однако некоторые органические соединения типа карбоновых или сульфокислот легко растворяются как в органических растворителях, так и в воде. Такие вещества можно экстрагировать из водного раствора только непрерывной экстракцией. Она применяется в случае растворителей, которые тяжелее воды (например, дихлорметана). Растворитель непрерывно отгоняется в холодильник, где он конденсируется и затем проходит через водный раствор в виде мелких капелек, собирается на дне и возвращается в колбу. При прохождении через водный слой растворитель экстрагирует немного извлекаемого соединения, которое затем по мере экстракции накапливается в колбе. Несколько видоизмененный способ применяется в том случае, когда растворители легче воды (рис. 11). 43 Рисунок 11. Непрерывные жидко-жидкостные экстракторы при использовании растворителей тяжелее воды (а) и растворителей легче воды (б). 4.2. Экстракция из твердых веществ Простая экстракция Иногда необходимо извлечь твердый органический продукт из твердой смеси, содержащей другие вещества (обычно неорганические), которые не растворяются ни в органических растворителях, ни в воде. Если извлекаемое вещество легко растворяется в органическом растворителе, то поступают следующим образом: смесь сначала измельчают в ступке, затем добавляют растворитель, перемешивают и отделяют нерастворившуюся часть фильтрованием. Непрерывная экстракция Если органическое твердое вещество труднорастворимо, проводят непрерывную экстракцию в аппарате Сокслета (рис. 12). Смесь в пористой гильзе 2 помещают в аппарат. Растворителем заполняют колбу 3 и нагревают до кипения. Пары растворителя конденсируются в обратном холодильнике, и растворитель стекает вниз, проходя через слой экстрагируемого вещества и заполняя экстракционную камеру аппарата. Когда она заполнится, растворитель через сифон поступает обратно в колбу. В результате многократного повторения этого цикла экстрагируемое твердое вещество в виде раствора постепенно переносится в колбу. 44 Рисунок 12. Экстрактор Сокслета для непрерывной экстракции твердых веществ: 1 – холодильник, 2 – пористая гильза, 3 – растворитель. 4.3. Контрольные вопросы по теме «Экстракция» 1. В чем сущность метода экстракции жидкостей? 2. Какие требования предъявляют к экстрагенту? 3. Как производят извлечение веществ из растворов методом: а) простой экстракции; б) непрерывной экстракции? 4. Что представляет собой экстрактор Сокслета? 45 5. ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИЯ Кристаллизация - наиболее общий метод очистки твердых органических веществ, загрязненных другими веществами. В тех случаях, когда присутствуют заметные количества других соединений (примерно 5-10 % и более), обычно необходимо разделять смесь хроматографически (гл. 6). Общие принципы Метод основывается на том, что растворимость твердых соединений в горячих растворителях, зачастую, намного выше, чем в холодных. Таким образом, если вы приготовите насыщенный горячий раствор соединения А и дадите ему остыть, он станет пересыщенным и соединение А выделится в виде кристаллов. Если соединение А не очищено, скажем содержит несколько процентов другого соединения В, тогда примесь также растворится в горячем растворителе, но при охлаждении раствор не будет пересыщен соединением В (потому что оно присутствует в малой концентрации), которое останется в растворе, в то время как основной компонент, соединение А, закристаллизуется. Так как содержание примесей небольшое, то образование пересыщенного раствора по этим компонентам маловероятно. Таким образом, чистое кристаллическое соединение А можно отфильтровать, тогда как примесь соединения В останется в фильтрате (обычно называемым маточным раствором). Нерастворимые же примеси, обычно многие соли, как органические, так и неорганические, будут нерастворимы и в горячем растворителе, для их удаления применяется техника горячего фильтрования. На практике метод кристаллизации состоит из следующих пяти стадий: 1. растворение твердого вещества в минимальном объеме кипящего растворителя. При известной растворимости вещества в горячем растворителе, ориентируются на образование насыщенного раствора при кипении растворителя. При неизвестной растворимости следует наливать растворителя столько, чтобы он покрыл все кристаллы, затем нагревать суспензию и в случае, если вещество не раствориться добавлять новые порции растворителя до растворения большего количества вещества; 2. фильтрование горячего раствора для удаления нерастворимых примесей (данная стадия применяется при наличии нерастворившихся примесей); 3. охлаждение раствора и выдерживание его до максимальной кристаллизации части твердого вещества (обычно процесс занимает 12-24 часа, но иногда может потребоваться и более длительная выдержка); 4. отделение кристаллов от маточного раствора фильтрованием; 5. высушивание кристаллов. Для того чтобы достичь высокой чистоты 46 вещества, может потребоваться многократная перекристаллизация. Успех кристаллизации зависит в значительной степени от правильного выбора растворителя. Идеальный растворитель - тот, в котором очищаемое вещество легко растворяется при нагревании, и не растворяется при комнатной температуре. При выборе растворителя для кристаллизации обычно используют серию опытов пробных кристаллизаций, для этого рекомендуется использовать круглодонную колбу, так как всегда можно легко удалить растворитель из перекристаллизовываемой смеси. Для этого помещают небольшое количество загрязненного вещества в маленькую колбу, добавляют растворитель, чтобы полностью покрыл вещество, нагревают и дают раствору остыть. Если осадок не растворяется, то дают остыть смеси, добавляют еще небольшую порцию растворителя. Если осадок растворился, а кристаллы не выпадают, то этот растворитель возможно использовать только в виде смеси с другим растворителем. Небольшой выход кристаллов означает, что данный растворитель не подходит из-за высокой растворимости в нем вещества на холоду. Необходимо повторить процесс с несколькими растворителями и выбрать один из них. В некоторых необходимо использовать смесь двух растворителей, в одном из которых вещество растворяется хорошо, а в другом лишь умеренно. Оба растворителя, конечно, должны полностью смешиваться друг с другом и по возможности иметь близкие температуры кипения. Полярные соединения более растворимы в полярных растворителях, чем в неполярных, и наоборот. Например, полярное соединение, содержащее гидроксильную группу, вероятно, растворимо в метаноле, но хуже растворится последовательно в этаноле и в высших спиртах, полярность которых убывает по мере удлинения углеводородной цепи. Сильнополярные соединения, например, с несколькими гидроксильными, либо с карбоксильной или сульфокислотной группами частично растворимы в воде. Растворимость в воде ухудшается при наличии таких гидрофобных групп, как углеводородные цепи или ароматические кольца. Обычно лучше всего подбирать растворитель с широким температурным интервалом (высокой температурой кипения), так чтобы различие в растворимости между холодным и горячим растворителем было как можно больше, однако такой, чтобы его остаточные количества можно было удалить после перекристаллизации. 47 Таблица 3. Растворители, используемые при кристаллизации. * – наиболее часто используемые растворители для пробной кристаллизации. Растворитель Ткип,°С Диэлектрическая проницаемость Растворимость в воде, г/100 г Пентан 36 2 Нераств. Гексан* 69 1,9 Нераств. Петролейный эфир* 60-80 ~2 Нераств. Циклогексан* 81 2 Нераств. Толуол 110 2,4 Нераств. Диэтиловый эфир 35 4,3 7,5 Этилацетат* 77 6 9 Уксусная кислота 118 6,2 Неогр. раств. Дихлорметан 40 9,1 2 Пропанол-2* 82 18 Неогр. раств. Ацетон* 56 21 Неогр. раств. Этанол* 78 25 Неогр. раств. Метанол 65 34 Неогр. раств. Диметилформамид 154 38 Неогр. раств. Диметилсульфоксид 189 45 Неогр. раств. Вода* 100 80 Растворитель (смесь растворителей) для перекристаллизации не должен химически взаимодействовать с очищаемым веществом, иметь достаточно низкую температуру кипения, хорошо растворять очищаемый продукт при нагревании и плохо – при охлаждении, не должен растворять примеси или должен растворять их лучше, чем очищаемое вещество, должен быть безопасным в работе и, желательно, дешевым. Проведение кристаллизации При растворении смесей веществ при перекристаллизации для увеличения поверхности нагрева круглодонные колбы нагревают на бане, плоскодонные колбы и стаканы на плитке с асбестовой подложкой. При выборе холодильника и бани пользуются теми же принципами, что и при перегонке. Для образования центров кипения применяют кипелки или используют перемешивание на магнитной мешалке. 48 Рисунок 13. Прибор для растворения вещества при перекристаллизации: 2,1 – ввод и вывод воды; 3 – колба с кристаллизуемым веществом; 4 – водяная или масляная баня. После растворения осадка, твердые нерастворимые частицы, при их наличии, необходимо отделить декантированием или “горячим” фильтрованием (для этого используют нагретую посуду). Оставляют раствор медленно охлаждаться для кристаллизации из него вещества. Если быстро охладить раствор, то стадии насыщенного раствора не будет, а из пересыщенного раствора могут образоваться кристаллы загрязненного вещества или масло. Если кристаллизация не начинается, то добавляют кристалл чистого вещества (затравку), а иногда создают центры кристаллизации механически, например, потерев стеклянной палочкой о стенки колбы. Иногда, для более полной кристаллизации раствор охлаждают ниже комнатной температуры (к данной процедуре следует прибегать, если после нескольких дней кристаллизация при комнатной температуре не наступила, или после кристаллизации при комнатной температуре для более полного выделения целевого вещества). Для отделения кристаллов от раствора используют фильтр Шота (или воронку Бюхнера) и приемную колбу, подсоединенную к вакууму. На фильтре остаются кристаллы, в колбу отделяется фильтрат, называемый маточный раствор. В качестве приемной колбы используют колбу Бунзена или круглодонную колбу с насадкой для фильтрования (более удобно в том случае, если маточный раствор предполагается концентрировать в вакууме) (рис. 14). При фильтровании через воронку Бюхнера или Хирша фильтровальная бумага на дне воронки должна покрывать всю сетчатую пластинку, не загибаясь у стенок. Фильтровальную бумагу необходимо слегка смочить чистым растворителем, чтобы она прилипла к перфорированному дну. Затем 49 подают к системе вакуум водоструйного насоса. Плавно вращая кристаллизационную колбу с кристаллами и маточным раствором, аккуратно выливают суспензию в воронку. Скорость фильтрации должна быть такой, чтобы через фильтр проходила ровная струя фильтрата. Когда фильтрование закончится, стравливают вакуум, отсоединяя шланг насоса от колбы, и, если необходимо, снова заливают часть маточного раствора в кристаллизационную колбу, чтобы смыть кристаллы, прилипшие к стенкам. После того как все кристаллы будут перенесены на воронку, их промывают небольшой порцией холодного чистого растворителя (или смесью растворителей). Для этого надо отсоединить вакуум, добавить растворитель, чтобы он только покрыл кристаллы, слегка перемешать шпателем и подключить снова вакуум. Промывание кристаллов следует делать с большой осторожностью, так как это может привести к значительным потерям, если кристаллы заметно растворимы в холодном растворителе (в качестве меры предосторожности следует промыву осуществлять в пустую колбу, чтобы в случае растворения значительной части кристаллов, вещество можно было вернуть, удалив растворитель). Рисунок 14. Типичный прибор для фильтрования: 1 – воронка Бюхнера или стеклянный пористый фильтр, 2 – колба Бунзена. Для удаления остатков растворителей с кристаллов, осадок сушат как при комнатной, так и при повышенной температуре, при этом используют как обычный сушильный шкаф, так и вакуумируемый. Возможно также использование эксикаторов или сушка вещества на роторном испарителе. Большинство образцов можно эффективно высушить при комнатной температуре, используя вакуум для удаления следов оставшегося растворителя. После удаления максимально возможного количества растворителя с использованием фильтровальной воронки перенесите кристаллы во взвешенный кристаллизатор и покройте его часовым стеклом. Подберите кристаллизатор такого размера, чтобы кристаллы покрывали его дно сравнительно тонким слоем. Очень маленькие образцы можно высушивать в пробирке, покрытой кусочком алюминиевой фольги с проколотыми в ней 50 отверстиями. Поместите кристаллизатор (или пробирку) в вакуумный эксикатор. Установите предохранительное покрытие над эксикатором (или обмотайте его полотенцем) и вакуумируйте его. Большинство растворителей с т.кип. до 80°С легко улетучивается в вакууме водоструйного насоса. После сушки в течение 2-12 часов стравите вакуум, взвесьте образец и определите его температуру плавления. Поскольку небольшие следы растворителя могут понизить температуру плавления, стоит повторить процедуру сушки еще в течение 0,5 часа и снова определить её. Иногда необходимо высушить кристаллы при повышенной температуре, например, при использовании для кристаллизации из очень нелетучего растворителя или при подготовке образца для аналитических целей. И снова эту процедуру осуществляют в вакууме. Большие количества вещества можно высушить в кристаллизаторе, помещенном в вакуумный сушильный шкаф. Меньшие количества высушивают в лодочке в сушильном пистолете. 5.1. Определение температуры плавления Температурой плавления называется температура, при которой вещество из твердого агрегатного состояния переходит в жидкое. Химически чистые вещества имеют строго определенную температуру плавления. По разнице между температурой начала плавления и температурой конца плавления можно судить о чистоте продукта, поэтому при проведении анализа под температурой плавления подразумевают интервал температуры между началом плавления – появлением первых капель жидкости и концом плавления – полным переходом вещества в расплавленное состояние. Для определения температуры плавления испытуемое вещество, предварительно растертое в ступке в порошок, помещают в запаянный с одного конца капилляр диаметром около 1 мм и длиной 50-70 мм. Для этого открытый конец капилляра погружают в испытуемое вещество. В капилляр, таким образом, попадает некоторое количество испытуемого вещества. Для уплотнения вещества капилляром постукивают по твердой поверхности или бросают капилляр несколько раз в стеклянную трубку диаметром 6-8 мм, длиной 50-60 мм, поставленную вертикально. Высота столбика вещества в капилляре после уплотнения должна быть около 3 мм. Капилляр с веществом прикрепляют к термометру резиновым колечком и располагают так, чтобы заключенное в нем вещество находилось на уровне середины шарика термометра. Термометр погружают в колбу с нагреваемой жидкостью. В качестве нагревающей жидкости применяют для температур 100-250 °С глицерин и различные сорта минеральных масел, а до 300 °С 51 силиконовое масло. Также возможно использование данной конструкции без жидкости, однако погрешность опыта будет возрастать. Термометр и капилляр не должны касаться стенок колбы. Если примерная температура плавления неизвестна, то сначала определяют интервал температур плавления нагреванием жидкости колбы со скорость 15-20 С в минуту, затем жидкость охлаждают и приступают к измерению температуры плавления. Для этого жидкость нагревают до температуры на 10-20 С ниже предполагаемой температуры плавления вещества. Дальнейший нагрев ведут со скоростью 2-3 С в минуту, а за 5 С до ожидаемой температуры плавления – по 0,5 С в минуту. Внимательно наблюдают за состоянием вещества. Отмечают появление первых капель жидкости или начало изменения размеров столбика вещества в капилляре и регистрируют температуру начала плавления. Конец плавления отмечают, когда исчезнут последние крупинки твердого вещества. Некоторые приборы оснащены встроенной электрической спиралью для нагревания образцов (рис. 15). А Б Рисунок 15. Приборы для определения температуры плавления. А – простейший прибор для определения температуры плавления: 1 – круглодонная колба, 2 – капилляр с испытуемым веществом, 3 – пробирка, 4 – отростки для удержания пробирки, 5 – отверстие, 6 – пробка со вставленным термометром; Б – прибор ПТП для определения температуры плавления: 1 – номограмма, 2 – стакан для капиллярных трубок, 3 – вольтметр, 4 – осветитель с рефлектором, 5 – константановая спираль, 6 – блок-нагреватель, 7 – термометр, 8 – капилляр с испытуемым веществом, 9 – оптическое устройство, 10 – регулятор напряжения. 52 Определение может проводиться также и в приборах иной конструкции, например, столик Кофлера (рис. 16). По методу Кофлера несколько кристалликов вещества на предметном стекле помещают в обогревательный блок и устанавливают на столике микроскопа, через который и наблюдают плавление. Температуру измеряют термопарой или термометром, скорость нагревания регулируют реостатом, который устанавливают так, чтобы в интервале температуры плавления она возрастала на 2-4 С в минуту. Определение температуры плавления на приборах подобной конструкции проводят быстро и с большой точностью. Особенно эффективен (вследствие быстрого нагревания) этот метод для веществ, плавящихся с разложением. Современные приборы для определения температуры плавления полностью автоматические, определение происходит с помощью фотоэлектрического детектора. Рисунок 16. Столик Кофлера. 5.2. Контрольные вопросы по теме «Кристаллизация» 1. Какие виды кристаллизации, как метода очистки твердых веществ, вы знаете? 2. Сформулируйте принципы подбора растворителей при кристаллизации. 3. Какие вы знаете приемы, вызывающие начало кристаллизации? 4. Расскажите о методе фильтрования и его применении для отделения осадков. 5. Как температура плавления кристаллического вещества связана с его чистотой? 53 6. ХРОМАТОГРАФИЯ Хроматография – это метод разделения и анализа смесей веществ, основанный на различном распределении компонентов между подвижной и неподвижной фазами. Подвижная фаза (элюент) протекает через неподвижную фазу (сорбент). Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое вещество с развитой поверхностью или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество. Сорбент помещают в колонку (стеклянную или металлическую трубку) или наносят на плоскую поверхность, компоненты разделяемой или анализируемой смеси вместе с элюентом движутся вдоль сорбента, взаимодействуя с ним. В зависимости от различных факторов (они будут рассмотрены ниже), различные вещества перемещаются вдоль сорбента с разной скоростью. Рассмотрим различные виды хроматографии: В зависимости от агрегатного состояния элюента (газ или жидкость) хроматографию разделяют на газовую (газо-жидкостную и газоадсорбционную) и жидкостную (жидкостно-жидкостную, жидкостноадсорбционную и жидкостно-гелевую). В зависимости от расположения неподвижной фазы выделяют колоночную (сорбент набит в колонке), планарную (плоскостную, лист бумаги или сорбент нанесен на подложку), капиллярную (пленка жидкости или слой сорбента размещены на внутренней стенке капилляра) и хроматографию в полях (электрических, магнитных, центробежных и других сил). В зависимости от количества разделяемого вещества хроматографию разделяют на аналитическую (качественный или количественный анализ), полупрепаративную (до 100 мг), препаративную (от 100 мг до 200 г) и промышленную (свыше 200 г). В зависимости от механизма разделения выделяют адсорбционную (различие в скорости сорбции и десорбции веществ с сорбента), распределительную (различие в растворимости веществ в подвижной и неподвижной фазах), ионнообменную (позволяет разделять ионы и полярные молекулы по различию констант их ионизации), аффинную (биоспецифическое аффинное взаимодействие), эксклюзионную (различие в размере и форме веществ) и осадочную (различная скорость растворения осадков в элюенте). Обычно разделение происходит за счет взаимодействия по нескольким механизмам. В настоящем пособии более подробно рассматривается адсорбционная хроматография на силикагеле. В зависимости от природы подвижной и неподвижной фазы в случае адсорбционной хроматографии различают 54 нормально-фазовую (НФХ) и обращенно-фазовую хроматографию (ОФХ). В НФХ сорбент – полярная фаза (силикагель, окись алюминия), а элюент – неполярная. Элюирующая сила подвижной фазы в НФХ увеличивается с увеличением полярности растворителя. В ОФХ сорбент – неполярная (гидрофобные силикагели), а элюент – полярная фаза. Элюирующая сила растворителя – относительная способность вытеснять данный компонент образца из неподвижной фазы, вступать в такие межмолекулярные взаимодействия с компонентами хроматографической системы, которые способствуют десорбции компонента, более быстрому перемещению его концентрационной зоны по колонке. Таблица 4. Элюирующая сила некоторых растворителей в нормально-фазовой хроматографии. Растворитель Элюирующая сила 0 0,01 0,04 0,05 0,15 Растворитель Элюирующая сила 0,49 0,51 0,56 0,56 0,58 Пентан 1,2-Дихлорэтан Гексан, гептан Метилэтилкетон Циклогексан Ацетон Циклопентан Диоксан Сероуглерод Этилацетат Четыреххлористый 0,18 Метилацетат 0,60 углерод Изопропиловый 0,28 Амиловый спирт 0,61 эфир Хлористый 0,29 Диметилсульфоксид 0,62 изопропил Толуол 0,29 Анилин 0,62 Хлористый пропил 0,30 Нитрометан 0,64 Хлорбензол 0,30 Ацетонитрил 0,65 Бензол 0,32 Пиридин 0,71 Бромистый этил 0,37 Изопропанол 0,82 Диэтиловый эфир 0,38 Этиловый спирт 0,88 Хлороформ 0,4 Метиловый спирт 0,95 Хлористый метилен 0,42 Этиленгликоль 1,11 Тетрагидрофуран 0,45 Уксусная кислота большая Основные требования, предъявляемые к сорбентам – инертность, вещество не должно разрушаться или модифицироваться при взаимодействии с неподвижной фазой, а также необратимо сорбироваться на нее. К элюенту предъявляется больше требований: не взаимодействовать с веществами и не разрушать их, легко удаляться и не растворять сорбент. 55 6.1. Тонкослойная хроматография Тонкослойная хроматография (ТСХ) – это вид планарной хроматографии, в котором неподвижная фаза нанесена тонким слоем на инертную подложку (стеклянную, металлическую или пластиковую), перемещение элюента происходит под действием капиллярных сил в порах между гранулами сорбента. Элюент движется вдоль сорбента и с разной скоростью переносит компоненты смеси, что приводит к их разделению. Причем данное движение элюента отличается ламинарным режимом течения, который способствует наиболее эффективному разделению веществ, по сравнению, например, с колоночной хроматографией. Метод ТСХ позволяет разделять смеси веществ в аналитических и полупрепаративных количествах, устанавливать чистоту и в некоторых случаях осуществлять количественное определение компонентов. Основные преимуществами данного вида хроматографии это простота, экономичность, доступность оборудования, экспрессность (продолжительность разделения 2-100 мин), высокая эффективность разделения, наглядность результатов разделения, простота обнаружения компонентов смеси. Другим преимуществом является дешевизна метода, так как он не требует сложного и дорого оборудования. Тонкослойная хроматография делится на аналитическую и полупрепаративную. В данном пособии подробно будет рассмотрена только аналитическая тонкослойная хроматография. а б Рисунок 17. Типичный прибор для проведения тонкослойной хроматографии: а – хроматографическая камера (1) с пластинкой (2), на которую нанесена хроматографируемая смесь (3); б – хроматографическая пластинка после процесса ТСХ. 56 1. 2. 3. 4. Методика проведения хроматографии: Вырезается пластинка подходящего размера (в большинстве случаев для контроля реакций достаточно высоты пластинки в 5 см, а её ширина выбирается в зависимости от количества точек, в среднем по 0,5 см на точку и по 0,5 см от краев пластинки, в ряде случаев размер пластинки необходимо увеличивать). В связи с наличием так называемого «краевого эффекта», слои элюента будут двигаться по пластинке неравномерно, причем скорость подъема элюента у боковых краев пластинки будет выше чем в середине. Действие этого эффекта легко можно нивелировать диагональной подрезкой углов нижней кромки пластинки. Благодаря такой форме пластинки путь, который вынужден проходить элюент у края становиться больше его пути в центре, что в свою очередь позволяет выровнить фронт элюента. Нанесение образцов на пластинку осуществляется стеклянным капилляром. Образец представляют собой раствор анализируемого вещества с концентрацией не более 5%. Обычно все точки наносятся на одну линию, она называется стартовой линией. Она должна находиться на 2-3 мм выше уровня элюента во время хроматографирования. Размер пятна нанесенного вещества должен быть максимально мал, обычно не более 1-2 мм в диаметре. Расстояние между центрами точек не менее 5 мм. Перед началом хроматографирования нужно просушить пластинку от растворителей, нанесенных вместе с образцом. В качестве элюента используют как чистые растворители, так и смеси. В качестве смесей растворителей чаще всего используют двухкомпонентные смеси, реже трехкомпонентные, четырехкомпонентные в очень редких случаях. Элюент наливают слоем 2-3 мм в герметично закрывающуюся емкость, ее называют камера для ТСХ (хроматографическая камера). Плотное закрывание камеры является необходимым условием быстрого и качественного разделения, так как не позволяет элюенту изменять состав из-за неравномерного испарения компонентов и препятствует активному испарению элюента с поверхности пластинки, тем самым ускоряя движения фронта по ней. Помещают пластинку в камеру для ТСХ, когда фронтальный слой элюента достигнет расстояния 3-5 мм от верхнего края пластинки, ее достают и просушивают от элюента. Так как при определенных условиях, например, при неправильно подобранном элюенте, некоторые из компонентов анализируемой смеси по пластинке будут перемещаться с фронтальным 57 слоем и, если этот слой выйдет за границу пластинки, то идентификация этих веществ будет невозможна. Возможные варианты элюирования в этом пособии рассматриваться не будут. 5. Идентификация зон расположения соединений на хроматограмме. Положение зоны вещества на хроматограмме характеризуется величиной Rf, которая равна отношению расстояния от стартовой линии до центра зоны вещества к расстоянию от стартовой линии до фронтальной линии элюента. Нужно понимать, что в разных системах растворителей и на различных сорбентах значение Rf будет меняться. Идентичность хроматографического поведения даже на разных сорбентах с различными растворителями нельзя рассматривать как абсолютное доказательство структурной идентичности. Идентифицировать зоны веществ возможно несколькими способами. Для идентификации неокрашенных веществ, первым делом помещают пластинку в ультрафиолет, используют источники света с максимумами излучения в области 254 нм. Современные пластинки для ТСХ имеют слой флюорофора, что позволяет идентифицировать вещества, поглощающие ультрафиолетовый свет. Поглощают УФ-свет вещества, имеющие в своей структуре несколько сопряженных кратных связей, однако бензол очень плохо поглощает УФ-свет. При обнаружении зон, поглощающих в ультрафиолете, говорят, что эти зоны «светятся» и отмечают их прямо на пластинке мягким карандашом. Вторым делом опускают пластинку в пары йода, тем самым наблюдается окрашивание в желтый цвет зон веществ, которые сорбируют его (данное свойство отмечается практически у всех органических соединений, поэтому пары йода считаются неселективным проявителем, визуализирующим практически все вещества органической природы), но, поскольку сорбция – обратимый процесс, при небольшом нагревании пластинка снова обесцвечивается. Последним возможным вариантом в качественном анализе используют различные проявители, которые необратимо реагируют с веществами на пластинке и образуют видимые зоны. Способы количественной оценки содержания вещества в хроматографических зонах в этом пособии рассматриваться не будут. При наличии заведомо известных образцов анализируемых соединений – свидетелей идентифицируемых веществ, на линию старта перед хроматографированием наносят раствор анализируемой смеси, раствор свидетеля вещества, а также дополнительную среднюю точку, в которую наносят как анализируемую смесь, так и раствор свидетеля совместно. Если после идентификации зон разделяемых компонентов в общей точке в зоне 58 целевого вещества проявляется одно пятно, то, вероятнее всего, это одно и то же вещество. В препаративной тонкослойной хроматографии концентрированный раствор разделяемой смеси (до 500 мг вещества) наносят на линию старта, просушивают пластинку и проводят хроматографию. Если невозможно идентифицировать слой целевого вещества обратимыми способами (УФ, обратимая сорбция йода), то по краям пластинки проявляют часть пластинки с обеих сторон. В зоне целевого вещества удаляют с пластинки сорбент и выделяют вещество, сорбированное на силикагеле, например экстракцией. Для проявления отдельных типов соединений используются специальные реагенты, большинство из которых нужно использовать свежеприготовленными. Для проявления хроматограммы, наносят на неё раствор проявителя методом распыления или окунанием, затем нагревают (прожигают) пластинку, например на плитке или феном, зоны веществ становятся видимыми (окрашиваются). Наиболее распространенные проявители приведены ниже: - Универсальными проявителями являются окислители: 10-25 %-ный водный раствор серной кислоты, проявляет органические вещества в виде коричневых или серых пятен, является низкоселективным окислителем; 10 %-й раствор перманганата калия в воде, проявляет вещества содержащие кратные связи, альдегиды и т.д. в виде темно-коричневых пятен без нагревания, излишки раствора смывают в проточной воде; 5-10 % раствор фосфорномолибденовой кислоты в этаноле. Пластинку необходимо нагреть, после чего зоны веществ окрасятся в зеленые или синие тона, неокисляемые вещества, оставляют светлые пятна. - Для проявления жиров и других высших эфиров используют 0,2 %-й раствор 2,7-дихлорфлуоресцеина. При ультрафиолетовом облучении пластинки после высушивания, появляются желтые флуоресцентные пятна на темном фоне. - Стероиды, витамины, липиды, каротеноиды и другие алкалоиды и сложноэфирные соединения проявляются при обработке пластинки насыщенным раствором хлорида сурьмы III в хлороформе или 50 %-ным раствором хлорида сурьмы III в ледяной уксусной кислоте. - Для проявления пятен карбоновых кислот проще всего использовать водные или водно-спиртовые растворы индикаторных красителей. Для большей заметности границы пятен, раствор индикатора слегка подщелачивают (количество щелочи зависит от силы кислот, концентрации раствора и 59 - - - - - - - интервала рН перехода окраски). После обработки появляются цветные пятна на цветном фоне. Фенольные и енольные соединения достаточно четко проявляются при обработке пластинки 0,2-2 %-ным раствором треххлористого железа в воде. Аминокислоты, аминосахара, аминофосфатиды и другие сложные соединения с аминогруппами появляются при обработке пластинки раствором нингидрина (для его приготовления 1 г нингидрина растворяют в 100 мл этанола и добавляют одну каплю серной кислоты). При нагревании пластинки появляются пятна различных оттенков красного (для первичных аминов) и розового или жёлтого (для замещенных аминов) цвета. Также для проявления аминов и некоторых аминокислот используют 2 %-й раствор анилина в этаноле. Орнитин сначала окрашивается в розовый цвет и со временем бледнеет, пролин, оксипролин, пипеколиновая кислота и саркозин окрашиваются в красный цвет, а остальные аминокислоты окрашиваются в светло-коричневый цвет. Альдегиды и кетоны проявляются при обработке пластинки раствором 2,4-динитрофенилгидразина, для этого к 0,1 г 2,4-динитрофенилгидразина прибавляют 4 мл концентрированной соляной кислоты, а затем добавляют к смеси 20 мл теплой воды. При нагревании пластинки появляются пятна от красного до желтого цветов. Для проявления углеводов рекомендуется применять анисовый альдегид. Для этого 0,5 мл анисового альдегида смешивают с 0,5 мл концентрированной серной кислоты и разбавляют 9 мл этанола. При нагревании проявляются пятна различных оттенков голубого цвета. Алкалоиды и органические основания определяют при помощи Реагента Драгендорфа, для его приготовления смешивают 20 мл раствора А (1 г нитрата висмута основного в 20 мл 20%-ной Н2SO4) и 20 мл раствора Б (10 %-ный раствор йодида калия в воде) разбавляют 40 мл 50%-ным водного раствора Н2SO4 . При нагревании пластинки появляются оранжевые пятна. Для проявления неорганических катионов используют 8-оксихинолин. Вначале выдерживают хроматограмму в парах аммиака, затем обрабатывают 0,5 %-ным раствором 8-оксихинолина в 60 %-ном этаноле и облучают УФ. Проявляются цветные пятна. Для проявления ионов галогенов используют смесь нитрата серебра и флуоресцеина. В начале обрабатывают пластинку 1 %-ным раствором нитрата серебра в воде, затем 0,1 %-ным раствором флуоресцеина в этаноле. 60 6.2. Колоночная хроматография Колоночная хроматография – это самый распространенный вид хроматографического разделения смесей в препаративных количествах. В данном случае сорбент набивается в вертикально закрепленную колонку, а элюент подается сверху. Различают несколько видов колоночной хроматографии: обычная хроматография, флэш-хроматография, хроматография среднего давления. В данном пособии будет рассмотрена обычная колоночная хроматография с элюированием самотеком. Колонка представляет собой стеклянную трубку, с одной стороны которой расположен пористый фильтр (стеклянный или волокнистый), чтобы избежать высыпание сорбента из колонки. Размер колонки выбирается в зависимости от Rf разделяемых веществ и их массы. Чем больше масса смеси разделяемых веществ, тем больше диаметр колонки, чем меньше разница в Rf, тем большей высоты необходим слой сорбента. Колонка может быть снабжена краном в нижней части (чтобы предотвратить пересыхание колонки) и муфтой для разъемного соединения (или шлифом) в верхней части. Чем меньше разница в Rf, тем больше сорбента необходимо для разделения веществ. Для подбора элюента используют следующее правило: разделить два вещества можно легко, если разница Rf между ними не менее 0,15, а Rf верхнего – не более 0,5. При градиентном элюировании (увеличении во времени элюирующей силы подвижной фазы) повышать полярность элюента можно только при прохождении предыдущем элюентом мертвого объема колонки. Если колонка набита слишком плотно и элюент медленно вытекает из колонки, то возможно создать избыточное давление в колонке, но нужно помнить, что с увеличением давления эффективность разделения уменьшается. Для проведения колоночной хроматографии колонку закрепляют вертикально, при отсутствии пористого фильтра в нижнюю часть колонки помещают кусочек ваты. Затем заполняют колонку сухим сорбентом до требуемой высоты слоя сорбента, чтобы определить необходимое его количество и высыпают сорбент в отдельную емкость. Для наиболее эффективного и экономичного разделения веществ масса сорбента должна быть в среднем в 50 раз больше массы разделяемой смеси, минимально – в 10 раз больше. Набивают колонку сорбентом, одним из приведенных ниже способов. Для НФХ обычно используют силикагель (оксид кремния) или оксид алюминия, который бывает нейтрального, основного и кислого типов. "Нейтральный" оксид подходит для большинства соединений, тогда как "основный" и "кислый" очень активно сорбируют органические кислоты и 61 основания соответственно. Способы набивки колонки сорбентом: - Сорбент, затем элюент. Колонка заполняется сорбентом. После чего сразу наносят вещество и приступают к элюированию. Обычно данный способ применяют для флэш-хроматографии, так как плотность сорбента неравномерная, отчего возможно неравномерное течение элюента, что ведет к ухудшению качества разделения смеси; - Элюент, затем сорбент. Колонку заполняют до половины длины элюентом, затем порциями засыпают сорбент, следя, чтобы он полностью смачивался. Обычно применяется для крупнозернистого сорбента, так как мелкозернистый сорбент может слипаться; - Сорбент в виде суспензии в элюенте. Сорбент заливают элюентом, перемешивают (для повышения качества разделения проводят дегазацию сорбента, например при помощи вакуумирования суспензии сорбента в элюенте), полученной суспензией заполняют колонку, добавляя её тонкой струйкой по стенке колонки, чтобы избежать захвата воздуха. В том случае, если пузырьки воздуха все же попали в слой сорбента, их можно удалить в первые секунды после этого события аккуратно постукивая по стенке колонки, например резиновой грушей. Затем ждут некоторое время, пока излишек подвижной фазы не просочиться через сорбент, обнажив его верхнюю кромку. Данный способ набивки колонки – самый эффективный, так как его применением удается создать равномерную плотность сорбента по всему объему колонки. Способы нанесения вещества на колонку: - В растворе. Вещество растворяют в минимальном количестве растворителя. Растворителем должен быть элюент или другой растворитель с меньшей элюирующей силой. После этого, аккуратно при помощи пипетки по стенкам колонки наносят раствор вещества на сорбент так, чтобы не размывать верхний слой последнего. Когда нанесенный раствор пройдет через сорбент, и его верхняя кромка снова обнажится, остатки вещества со стенок колонки снова аккуратно смывают на сей раз элюентом. Затем в колонку помещают немного пористого материала, например ваты сверху на слой сорбента. Это облегчает добавление новых порций элюента, который теперь можно заливать в колонку, например через воронку, без опаски размыть слой сорбента; - По-сухому. Данный способ применяется в том случае, когда не удалось подобрать такой растворитель, который бы растворял смесь разделяемых веществ полностью, причем обладал бы элюирующей силой ниже таковой 62 выбранного элюента. Смесь разделяемых веществ растворяют в подходящем для её полного растворения растворителе (причем, выбранный растворитель должен иметь не слишком высокую температуру кипения, чтобы его можно было нацело удалить впоследствии), добавляют в раствор сорбент (желательно в массовом соотношении сухая смесь веществ: сорбент – не менее 1:1), затем растворитель удаляют в вакууме, процедуру повторяют несколько раз. Непосредственно на колонку наносят либо суспензию сорбента с сорбированным веществом в элюенте, либо, в случае набивки колонки по схеме сорбент, затем элюент, в сухом виде поверх слоя сорбента. В случае нанесения вещества «по-сухому», сухой сорбент с разделяемой смесью будет являться слоем сорбции, следовательно, его слой должен быть не более 10% от общей длины сорбента. Рисунок 18. Типичный прибор для проведения колоночной хроматографии: 1 - элюент, 2 - сорбент, 3 - полосы разделения, 4 - пористый фильтр, 5 – элюат. При всех операциях с колонкой, необходимо следить, чтобы верхний слой сорбента не пересыхал, то есть всегда был смочен растворителем, а также чтобы верхняя граница сорбента была ровная, поэтому, смесь разделяемых веществ в жидкой фазе наносят аккуратно по стенкам колонки, а после нанесения сверху кладут ватку или фильтровальную бумагу и начинают 63 элюирование. Приступают к сбору фракций. Для этого колонка заполняется сверху элюентом, а фракции собирают в емкости, подходящего объема (при диаметре колонки до 2 см, обычно используют емкости по 10-20 мл не наполняя их до краев). В случае разделения окрашенных веществ или использования для хроматографии систем силикагель-хлороформ (из-за близости их оптических плотностей, колонка получается практически прозрачной), допускается при сборе фракций ориентироваться на видимые в отраженном или проходящем свете слои сорбции вещества. В других случаях, собирают фракции определённого объёма, иногда можно ориентироваться и по времени, меняя приемники в определённые интервалы времени. Фракции анализируют методом ТСХ. Если фракции с колонки собираются быстро, то анализируют через 2-5 фракций, выявляют интервалы с интересующими фракциями и подробно анализируют их. Затем фракции, одинаковые по составу объединяют, и удаляют из них растворитель, например на вакуумном роторном испарителе. Проверяют материальный баланс колонки: сумма масс веществ во всех фракциях должна быть немногим меньше массы нанесенной на нее смеси (часть веществ сорбируется необратимо, но эта часть весьма мала – обычно не более 1 мг на 1 г сорбента). Если сумма масс веществ «снятых» с колонки значительно меньше массы нанесенной смеси, элюирование продолжают, увеличивая элюирующую силу подвижной фазы до схождения баланса. Иногда, для уменьшения расхода растворителей в случае деления в изократическом режиме (состав элюента не изменяется со временем), принято использовать элюент «по кругу», то есть на колонку подается растворитель, удаленный из ранее собранных фракций. 6.3. Контрольные вопросы по теме «Хроматография» Что такое хроматография? Что такое подвижная фаза (элюэнт)? Как осуществляется ее выбор? Каков механизм разделения веществ в ТСХ? Что такое Rf? От каких факторов зависит его величина? Имеем смесь двух веществ. Методом ТСХ подобрали следующие условия: RfA = 0,3, RfБ = 0,8. Какое вещество первым выйдет из колонки при использовании тех же сорбента и элюента. 6. Известно, что RfA = 0,3, RfБ = 0,8, RfС = 0,5 для реакции А + Б = В. Предположите, как будет выглядеть ТСХ в момент времени, когда реакция не началась, началась и завершилась. Повторите задачу, если для реакции используют избыток соединения Б. 1. 2. 3. 4. 5. 64 Список рекомендуемой литературы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. Перельман В.И. Краткий справочник химика. – М.: Госхимиздат, 1956. – 562 с. Досон Р., Эллиот Д., Эллиот У., Джонс К. Справочник биохимика. – М.: Мир, 1991. – 544 c. Свойства органических соединений. Справочник / под ред. А.А.Потехина. – Л.: Химия, 1984. – 520 с. Гордон А., Форд Р. Спутник химика. – М.: Мир, 1976. – 604 с. Шарп Дж., Госни И., Роули А. Практикум по органической химии. – М.: Мир, 1993. – 240 с. Серрей А. Справочник по органическим реакциям. Именные реакции в органической химии. – М.: ГХИ, 1962. – 301 с. Беккер Г., Бергер В., Домшке Г. и др. Органикум. Практикум по органической химии. – М.: Мир, 1979. Т.1 456 с, Т.2 402 с. Физер Л., Физер М. Реагенты для органической химии. – М.: Мир, 1971. – Т.1 446 с., Т.2 478 с., Т.3 477 с., Т.4 288 с., Т.5 359 с. Лабораторная техника органичеcкой химии / под ред. Б. Кейла Б. – М.: Мир, 1966. – 752 с. Титце Л., Айхер Т. Препаративная органическая химия. Реакции и синтезы в практикуме органической химии и научно-исследовательской лаборатории. – М.: Мир, 1999. – 704 с. Практикум по органической химии. Синтез и идентификация органических соединений / под ред. О.Ф. Гинзбурга. – М.: Высшая школа, 1989. – 318 с. Робертс Дж. Кассерио М. Основы органической химии. – М.: Мир, 1978. – Т.1 842 c., Т.2 888 с. Сайкс. Механизмы реакций в органической химии. – М.: Химия, 1991. – 448 с. Несмеянов А.Н., Несмеянов Н.А. Начала органической химии. – М.: Химия, 1969. – 664 с. Общая органическая химия. Под ред. Кочеткова Н.К. – М.: Химия, 1981. – 736 с. Марч Дж. Органическая химия. Реакции, механизмы и структура.// М.: Мир. 1987. – Т.1 381 с., Т.2 504 с., Т.3 459 с., т.4 – 468 с. Хроматография в тонких слоях / под ред. Э. Шталя. – М.: Мир, 1965. – 508 с. 65 Сведения об авторах Матвеев Андрей Валерьевич, кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнологии и промышленной фармации Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова, Московский технологический университет; Журило Николай Ильич, ассистент кафедры биотехнологии и промышленной фармации Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова, Московский технологический университет; Шастина Наталья Сергеевна, кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнологии и промышленной фармации Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова, Московский технологический университет; Пшеничникова Анна Борисовна, кандидат химических наук, доцент кафедры биотехнологии и промышленной фармации Института тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова, Московский технологический университет.