©JS 2005

Eristysvaihe: Perusmenetelmä orgaanisten yhdisteiden eristämisessä reaktioseoksesta on uutto orgaanisella liuottimella jota yleensä seuraa aktiivinen uutto. Menetelmä luonnollisesti perustuu siihen, että tuote ei ole merkittävässä määrin vesiliukoinen. Aktiivisella uutolla, joka perustuu orgaanisten yhdisteiden mahdolliseen happo/emäs -luonteeseen, voidaan puolestaan kätevästi fraktioida raakatuote. Eristysvaiheen lopuksi saadaan uuttojen jälkeen tuote jossain liuottimessa. Tämän jälkeen liuos kuivataan tislausta varten. Jos eristysvaiheessa saadaan erotettua tuote kiinteänä, kiteytyy esimerkiksi kaadettaessa reaktioseos veteen, käytetään imusuodatusta. Tuotteiden eristämisessä voidaan edellisten lisäksi sisällyttää tapauksesta riippuen liuottimen haihdutusta tislaamalla, (konsentrointi), vesihöyrytislausta, nopeata kromatografiaa (suodatusta) jne. Uutto liuottimilla erotussuppilossa: Orgaaniset aineet liukenevat yleensä paremmin orgaanisiin liuottimiin kuin veteen, jolloin ne voidaan uuttaa vettä sisältävästä liuoksesta orgaanisella liuottimella. Tällaisia liuottimia ovat tyypillisesti dietyylieetteri, etyyliasetaatti, dikloorimetaani ja kloroformi. Veteen jossain määrin liukenevien aineiden tapauksessa on syytä käyttää nk. ulossuolausta (vesifaasi kyllästetään NaCl:lla).

©JS 2005

Ennen reaktioseoksen lisäystä erotussuppiloon kaadetaan yleensä ensin vettä (noin 1/3-osa orgaanisista aineista), lisätään reaktioseos, hieman sekoitetaan ja lisätään uuttoliuos (uuttoliuosta noin kaksinkertainen määrä vesifaasiin nähden). Erotussuppiloon voidaan aineet lisätä kätevästi esim. seuraavasti lasisuppiloa käyttäen. Huomaa samalla statiivin asento:

Tämän jälkeen suppilo varustetaan korkilla ja seos ravistellaan (a) samalla poistaen ylipainetta suppilon hanaa välillä avaamalla (b): (HUOM! ÄLÄ KÄÄNNÄ SUPPILON KÄRKEÄ NAAPUREITA KOHDEN. Erotussuppilosta saattaa purskahtaa nestettä erityisesti NaHCO3/Na2CO3-uutoissa)

©JS 2005

Jotta kaikki aine saataisiin mahdollisimman tarkkaan uutettua vedestä, proseduuri on syytä toistaa laskemalla jo käytetty liuotin erlenmeyeriin ja korvaamalla se tuoreella liuottimella. Tämän jälkeen orgaaniset faasit voidaan yhdistää ja pestä vielä kertaalleen esim. puhtaalla vedellä. Muista, että dikloorimetaani ja kloroformi ovat vettä raskaampia - ne ovat uutossa siis alempana faasina! Varo myös emulsion syntymistä: älä ravistele liian voimakkaasti. Erityisesti kloroformi ja dikloorimetaani muodostavat herkästi emulsion. Aktiivinen uutto: Usein reaktioseoksesta on kätevä poistaa komponentteja aktiivisella uutolla. Puhtaan veden sijasta käytetäänkin esim. kylläistä NaHCO3-liuosta joka ravistelussa muuttaa karboksyylihapot vesiliukoiseen muotoon. Näin päästään tarvittaessa kätevästi eroon happamista epäpuhtauksista: • epäorg. ja orgaaniset hapot : NaHCO3 tai Na2CO3-liuoksella • fenolit: NaOH –liuoksella • Amiinit: 2 – 4 M HCl-liuoksella Aktiivisen uuton jälkeen on muistettava huolellisesti ravistella org. faasia vedellä happamien/emäksisten suolojen poistamiseksi!

©JS 2005

Liuottimen kuivaus: Ennen liuottimen poistamista tislaamalla on liuokset aina kuivattava, sillä orgaanisen liuoksen sisältämä vesi yleensä häiritsee tislausta ja jää lisäksi epäpuhtaudeksi. Vesi poistetaan liuoksesta kuivausainetta käyttäen: Eräitä tavallisimpia orgaanisten liuosten kuivausaineita: Aine Kapasiteetti Nopeus Tehokkuus Soveltuvuus CaCl2

Korkea, 90%

Hidas

Huono

Hiilivedyt,haliditReagoi happi ja typpiyhd. kanssa

CaSO4 “Siccon”

Matala, 7% Hyvin nopea Erinomainen Neutraali, yleensä käyttökelpoinen

MgSO4 Korkea, 100% Nopea Hyvä Erinomainen yleiskuivain, mutta hieman Lewis-happo luonnetta

Na2SO4 Korkea, 75% Hidas Heikko Yleiskuivain K2CO3 Suhteellisen

korkea Suhteellisen nopea

Suhteellisen hyvä

Emäksinen, ei sovi happamille yhdisteille

Liuoksen kuivaamiseksi se lasketaan erotussuppilosta erlenmeyer-pulloon ja kuivausaine lisätään spaattelilla pienissä erissä välillä sekoittaen. Lopulta lisätty kuivausaine jää vapaasti liikkumaan liuokseen. Tämän jälkeen annetaan seistä noin puoli tuntia ja liuos suodatetaan käyttäen lasisuppiloa jonka kaula on “tukittu” pienellä määrällä vanua.

©JS 2005

Kiinteän aineen erotus: Jos synteesituote reaktioseosta reaktiovaiheen jälkeen veteen kaadettaessa, tai myöhemmässä vaiheessa uuttojen jälkeen liuotinta haihdutettaessa, saostuu, täytyy suorittaa kiinteän aineen erotus seuraavantyyppisellä, statiiveihin kiinnitetyllä, laitteistolla (a):

• Bühner-suppiloon leikataan imupaperista pyöreä pala joka peittää suppilon pohjan reiät, muttei kosketa sen reunoja • Imun ollessa päällä paperi kostutetaan yleensä pesupullon asetonilla (tarttuu kiinni pohjaan) ja sakka kaadetaan suppiloon useassa erässä. Suppilon koko olisi parasta valita siten että noin 3/4-osa siitä täytyy sakasta. Pienillä ainemäärillä voidaan käyttää Hirsch-suppiloa (b). • Kun kaikki neste on saatu imetyksi sakasta, sakka painetaan tiiviiksi kerrokseksi esim. makrotulpan pohjalla ja sitä pestään useaan kertaan pienellä määrällä liuotinta johon se ei liukene.

©JS 2005

Reaktiotuoteen eristäminen case synteeesissämme: “After cooling, the reaction mixture is poured into a separation funnel already containing 30 ml of water. Diethyl ether (40 ml) is added and the mixture shaken. The upper layer is separated and washed again with 20 ml of water, followed by about 15 ml of saturated sodium hydrogen carbonate and 20 ml of water. The ether solution is then dried with anhydrous magnesium sulphate and filtered.” Ohjeen mukaisesti käytämme siis erotussuppiloa tuotteen eristämiseksi orgaaniseen liuottimeen (dietyylieetteri). Eetteriliuos muodostaa siis ylemmän faasin. Ensimmäinen vesi lasketaan pois ja pestään uudelleen vedellä rikkihappojäämien ja etanolin poistamiseksi. Reagoimaton lähtöaine (propaanihappo) poistetaan aktiivisella uutolla. Nyt on huomioitava, että happoa bikarbonaatilla neutraloitaessa muodostuu hiilidioksidia - painetta erotussuppiloon. Täytyy siis olla varovainen ja muistaa avata hana tarpeeksi usein. Lopuksi liuos kuivataan magnesiumsulfaatilla, joka on yleiskuivausaineista ehkä paras (katso yllä oleva taulukko).

©JS 2005

Puhdistusvaihe: Eristysvaiheen jälkeen raakatuote (liuoksessa tai kiinteänä) sisältää aina epäpuhtauksia jotka on poistettava. Nestemäiset aineet puhdistetaan enimmäkseen tislaamalla, mutta korkealla kiehuvien tai muuten labiilien yhdisteiden tapauksessa on käytettävä sopivaa kromatografiaa (pylväskromatografia, preparatiivinen HPLC jne.). Kiinteät aineet sitävastoin puhdistetaan pääsääntöisesti uudelleenkiteyttämällä. Joissain tapauksissa voidaan käyttää myös sublimointia tai tislausta alipaineessa. Koska kiteiset aineet sisältävät uudelleenkiteytyksen jälkeen vielä liuotinjäämiä on ne poistettava kuivaamalla ennen sulamispisteen määritystä. Tislaus: Tislausta käytetään poistettaessa helpommin poistettavia liuottimia vaikeammin haihtuvista aineista ja nestemäisten aineiden puhdistamiseen. Kun erotetaan tislaamalla toisistaan suhteellisen lähellä kiehuvia aineita, joiden kiehumispisteiden on erottava käytännön syistä enemmän kuin 10 °C, puhutaan fraktiotislauksesta. Tislaukseen liittyvät seuraavat käsitteet: • alkutisle (alhaalla kiehuvat epäpuhtaudet) • varsinainen tisle (haluttu aine) • jälkitisle (haluttua ainetta ja korkeammalla kiehuvia ain.) • tislausjäännös (tislauskolviin jäänyt materia)

©JS 2005

Tislauslaitteisto koostuu seuraavista osista:

Tislatessa on erityisesti kiinnitettävä huomiota seuraaviin seikkoihin: • Tislauskolviin laitetaan aina kiehumakivi. • Tislauslaitteistoa ei saa koskaan tukkia. POMMI! • Tislauskolvin saa täyttää korkeintaan 2/3-osaan • Tislauskolvia ei koskaan saa tislata tyhjäksi (peroksidit!) • Tislausnopeus ei saa ylittää 1 tippa/s puhtaaksitislauksessa • Liebig-jäähdyttäjässä käytetään vesikiertoa kun aine tislautuu alle

120 °C, korkeammalla kiehuvien kohdalla vesikiertoa ei tarvita. • Lämmönlähteen (tarvitaan ainakin 20 °C kiehumispistettä

korkeampi lämpötila) tyyppi vaihtelee suuresti tarvittavan lämpötilan ja työn turvallisuusvaatimisten mukaan: vesihaude (ei saa käyttää Na:n päältä tislattaessa; aineen kp. <80 °C), öljyhaude (kp. 80-180 °C), sähköhaude (kp. 60- >200 °C), ilmahaude (>250 °C)

©JS 2005

Tislauslaitteisto kootaan harjoitustöissä seuraavantyyppisesti:

Huomaa: Öljyhauteen lämpötilaa on seurattava erikseen!!

©JS 2005

Korkeammalla kiehuvien yhdisteiden kohdalla tislaus on useasti tarkoituksenmukaisempaa suorittaa alennetussa paineessa sen sijaan että yritetään kärventää bunsenilla. Korkeissa lämpötiloissa jo pienetkin Lewis-tyyppiset epäpuhtaudet tislattavassa aineessa voivat johtaa synteesituotteen tuhoutumiseen (esim. Friedel-Crafts-reaktio). Vakuumitislauslaitteisto voidaan koota esim. seuraavasti:

Lämmönlähteeksi käy mainiosti öljyhaude, ja tislausosa voi olla joko tavallinen tislausosa (tislattava aine ei ole roiskuvaa tyyppiä) tai Claisen –tyyppinen tislausosa. Kapillaari- tai magneettisekoituksen ohella voidaan käyttää nk. vakuumikiehumakiviä. Ne on kuitenkin korvattava uusilla jos laitteistoa käytetään välillä normaalipaineessa.

©JS 2005

Vakuumitislauslaitteisto on aina kokeiltava tyhjänä (tuleeko vakuumi ja millainen) ja I ja II-töissä näytettävä vielä assistentille. Käytä aina tislatessasi suojasilmälaseja! Laitteistoa kootessasi: • Älä käytä tasapohjaisia, ohutlasisia astioita (erlenmeyer), ne eivät kestä vakuumia

• Tarkista, että lasitavara on ehjää. Rasvaa hiokset. • Tue laitteisto kunnolla (kuvat) • Jätä tilaa lämpölähteen poistamiseksi vakuumia purkamatta Laitteiston kokeilu: • Wulffin pullon hana avataan ja vesisuihkupumpun hana kierretään täysin auki.

• Wulffin pullon hana suljetaan ja manometrin hana avataan. Seurataan alipaineen kehittymistä. Vesisuihkupumpulla pitäisi päästä noin 20 mmHg-paineeseen. Suljetaan manometrin hana.

• Avataan hitaasti Wulffin pullon hana ja paineen tasaannuttua (kuulee vesisuihkupumpun äänestä) suljetaan pumppu. Avataan hitaasti manometrin hana.

Tislauksen suoritus: • kolvin saa täyttää korkeintaan puolilleen • muista vakuumikiehumakivet • ime laitteeseen alipaine kuten edellä • aloita lämmitys vasta kun alipaine on kehittynyt ja olet sulkenut manometrin hanan

• tislauksen loputtua lopetetaan ensin lämmitys (ts. poistetaan lämpölähde) ja toimitaan sitten kuten laitteiston kokeilussa.

©JS 2005

VAROITUS! Eräät aineet, esim. fenolit, ovat taipuvaisia kiteytymään Liebig-jäähdyttäjään vesikierron ollessa päällä. POMMI! Jos näin käy, poista nopeasti lämmitys ja jäähdyttäjän vesikierto. Kuumenna sitten jäähdyttäjää ja tislausosaa tukankuivaajalla sulattaaksesi kiteet ja jatka vasta sitten tislausta. Kiehumispisteen vakuumissa löydät seuraavan taulukon avulla:

Osaston harjoituslaboratoriossa voit koota laitteen esim. seuraavasti:

©JS 2005

©JS 2005

Kiinteän aineen tislauksen voit suorittaa esim. seuraavalla laitteistolla. Tällöin noudatetaan aivan samoja periaatteita kuin tavallisessakin vakuumitislauksessa. Muista nytkin kiehumakivet!

©JS 2005

Case-synteesimme puhdistusvaihe on kuvattu ohjeessamme lyhyesti: The ethyl propanoate is isolated by distillation at 99 °C. The yield is 11.6g (60%). Huolimatta lyhyestä luonnehdinnasta meillä on kuitenkin käytännön ongelma. Erlenmeyerissa on kuivamassa 40 ml eetteriä joka sisältää vain noin 10 ml tuotetta. Ohjeiden mukaan meidän pitäisi käyttää 100 ml tislauskolvia – lopullisessa tislauksessa 10 ml ainetta häviäisi lähes tyystin laitteistoon (astiavakio). Siispä meidän täytyy valita 25 ml:n kolvi ja rakentaa nk. flash-distillation -systeemi. Tislauksen alussa korvaamme tislauslämpömittarin tiputussuppilolla. Tiputtamalla hitaasti eetteriliuosta tislauksen aikana kolviin meidän ei tarvitse vaihtaa tislauskolvia kesken tislauksen. Kun kaikki eetteri on saatu tislatuksi (tätä varten emme nosta hauteen lämpötilaa yli 80 °C) voidaan tiputussuppilo korvata tislauslämpömittarilla ja tislata esteri puhtaaksi. Kuten esityksen alussa mainittiin, on työohjeen analyyttinen tarkasteleminen ehdoton edellytys turvalliselle työskentelylle laboratoriossa. Lopuksi puretaan alkuperäinen ohje opitulla tavalla:

©JS 2005

ETYYLIPROPANAATTI

CH3CH2CO2H + CH3CH2OH CH3CH2CO2CH2CH3 + H2OH

Työturvallisuus: Väkevä rikkihappo on voimakkaasti syövyttävää. Eetteri on helposti syttyvä, haihtuva neste. Etanoli on helposti syttyvä neste. Välineet: Reagenssit: 50 ml kolvi 10 ml abs. etanolia pystyjäähdyttäjä 14 ml propaanihappoa öljyhaude väkevää rikkihappoa mittalasi 40 ml eetteriä 250 ml erotussuppilo 2 M NaHCO3 -liuosta 250 ml erlenmeyer MgSO4 lasisuppilo tislauslaitteisto Työmenetelmät: Reaktioseoksen kuumennus Uutto Tislaus Muuta: Kts. T. Simonen Työtapamoniste: Aktiivinen uutto s. 79-82 Liuottimien ja liuosten kuivaus s. 83-89 Helposti syttyvän liuottimen poistislaus s. 93

©JS 2005

Työnsuoritus: Reaktiovaihe: Sekoitetaan 10 ml (7,8 g) etanolia ja 14 ml (13,9 g) propaanihappoa 50 ml:n

kolvissa. Lisätään varovasti 2-3 tippaa väkevää rikkihappoa (katalyytiksi) ja sekoitetaan hyvin. Kolviin lisätään kiehumakivet ja seosta keitetään öljyhauteella 1 tunti ja annetaan tämän jälkeen reaktioseoksen jäähtyä.

Eristysvaihe: Jäähtynyt reaktioseos kaadetaan erotussuppiloon, jossa on 40 ml vettä.

Suppiloon lisätään 40 ml eetteriä ja ravistellaan (suojalasit!) ja annetaan kerrosten erottua. Vesikerros (alempi) lasketaan suppilosta johonkin astiaan. Suppiloon jäänyt eetteriliuos pestään 20ml:lla vettä (ravistellaan veden kanssa) ja kerrosten erotuttua lasketaan pesuvesi pois.

Tämän jälkeen eetteriliuos pestään 2 M NaHCO3 –liuoksella reagoimattoman

hapon poistamiseksi. Tässä vaiheessa on oltava erityisen varovainen, sillä hapon neutraloituessa kehittyy hiilidioksidia, joka aiheuttaa painetta suppiloon. Happo siirtyy suolana vesifaasiin. Lopuksi pestään eetteriliuos vielä 20 ml:lla vettä. Kun pesuvesi on laskettu mahdollisimman tarkkaan pois, kuivataan eetteriliuos vedettömällä magnesiumsulfaatilla. 30 minuutin kuivauksen jälkeen liuos suodatetaan tiputussuppiloon käyttäen lasisuppiloa, johon on asetettu hiukan puhdasta vanua. Kolviin lisätään osa eetteriliuoksesta sekä kiehumakivet, ja eetteri tislataan pois tiputustislauksella joko vesi- tai öljyhaudetta käyttäen (eetterin kp = 36°C).

Puhdistusvaihe: Tuote puhdistetaan tislaamalla. Etyylipropanaatin kiehumispiste on 99 °C

(öljyhaude). Ohjeen saanto on 60%.