Universitaire scheikunde — jaar 2 · Bachelor Year 2

35Labotechnieken II: synthese en analyse in de praktijk

Een grignardreactie mislukt op een maandagochtend: de kolf was gespoeld maar niet gedroogd, en de paar druppels water die erin achterbleven, vernietigden het reagens terwijl het gevormd werd. Opnieuw uitgevoerd in glaswerk dat in een oven gedroogd is, onder stikstof, met het halogenide druppel voor druppel toegevoegd aan een geroerde, gekoelde kolf, lukt dezelfde reactie wel. De chemie veranderde niet; de opstelling wel. Dit hoofdstuk gaat over de praktijk die van een reactie op papier een product in een flesje maakt: de reactie beheersen, lucht en water buitenhouden, opwerken, zuiveren en bewijzen wat er gemaakt werd.

Een laboratorium voor organische synthese: reacties lopen in zuurkasten, kolven zijn op statieven geklemd (illustratie).

Wat je al weet

Het deel van jaar 1: gevaren en GHS-etiketten, extractie, herkristallisatie, destillatie, dunnelaagchromatografie en $R_f$ , smeltpunt, grignardreagentia. Hoofdstuk 1: reactie-enthalpie en adiabatische temperatuurstijging. Hoofdstuk 31, Hoofdstuk 33 en Hoofdstuk 34: analyse.

35.1 Een reactie onder controle uitvoeren

Een reactie in een kolf geeft haar warmte af waar ze plaatsvindt. De chemicus beheerst de temperatuur met een bad (ijs en water, ijs en zout, droogijs en aceton voor de laagste temperaturen), met de terugvloeiing van een kokend oplosmiddel, die de temperatuur begrenst tot het kookpunt terwijl de koeler de damp terugstuurt, en met de snelheid waarmee een reagens toegevoegd wordt. Een inwendige thermometer, in de vloeistof en niet in het bad, meet wat ertoe doet.

Propositie 35.1 (Accumulatie)

Als een reagens sneller toegevoegd wordt dan het reageert, hoopt de niet-gereageerde hoeveelheid $n_{\mathrm{acc}}$ zich op. Als die dan in één keer reageert, zonder koeling, stijgt de temperatuur van het mengsel met warmtecapaciteit $C$ met

\Delta T_{\mathrm{ad}} = \frac{n_{\mathrm{acc}}\,|\Delta_rH|}{C}.

Bewijs. De reactie van $n_{\mathrm{acc}}$ maakt bij constante druk $n_{\mathrm{acc}}|\Delta_rH|$ vrij (Hoofdstuk 1); zonder warmte-uitwisseling verwarmt dat alles het mengsel, zoals bij de adiabatische vlamtemperatuur (Definitie 1.22): $C\Delta T = n_{\mathrm{acc}}|\Delta_rH|$ . ∎

Het gevaar is het grootst wanneer een reactie traag op gang komt, zoals grignardvormingen vaak doen: halogenide dat vóór de initiatie toegevoegd wordt, stapelt zich op, en wanneer de reactie eindelijk start, gaat ze op hol. De regel is: voeg een kleine portie toe, zie de reactie starten (opwarming, troebeling, zachte terugvloeiing), en voeg pas dan de rest toe in het tempo dat de koeling kan volgen.

35.2 Droge omstandigheden en inerte atmosfeer

Definitie 35.2 (Inerte atmosfeer)

Een reactie wordt onder een inerte atmosfeer uitgevoerd wanneer de lucht in de opstelling vervangen is door een niet-reactief gas, stikstof of argon, dat op een lichte overdruk gehouden wordt zodat er geen lucht binnen kan.

Organometaalreagentia, metaalhydriden en veel katalysatoren reageren met water en zuurstof. Glaswerk wordt in een oven gedroogd en warm gemonteerd, of in een gasstroom uitgevlamd; oplosmiddelen worden droog gekocht of gedroogd over een reagens dat met water reageert; vloeistoffen worden met spuiten via rubberen septa overgebracht. Het gas vertrekt via een oliebubbelteller, die de stroom toont en verhindert dat lucht terugstroomt. De schlenklijn en de handschoenkast, voor de gevoeligste verbindingen, komen in het deel van jaar 3.

Een reactie onder stikstof (schematisch). Driehalskolf in een ijsbad, met een inwendige thermometer in de vloeistof; het reagens wordt toegevoegd uit een drukvereffenende druppeltrechter waarlangs de stikstof binnenkomt; het gas vertrekt via de koeler en een oliebubbelteller.

Methode 35.3 (Een droge reactie onder stikstof opstellen)

Droog het glaswerk in een oven en monteer het heet, met ingevette of omhulde slijpstukken; plaats een septum of de druppeltrechter, de koeler en de bubbelteller.
Spoel met stikstof terwijl het afkoelt; houd de hele tijd een trage stroom aan (een bel om de één à twee seconden).
Voeg vaste stoffen toe vóór het spoelen, droge oplosmiddelen en vloeibare reagentia met een spuit of canule via een septum.
Koel of verwarm zoals gepland; begin de toevoeging met een kleine portie en controleer dat de reactie start voor je verdergaat.

35.3 Opwerking

Definitie 35.4 (Opwerking)

De opwerking van een reactie is de reeks bewerkingen, na de reactie, die het reactiemengsel omzet in het ruwe product: blussen, extraheren en wassen, drogen, filtreren en het oplosmiddel afdampen.

Definitie 35.5 (Zuur-base-extractie)

Een zuur-base-extractie scheidt zure, basische en neutrale organische verbindingen die opgelost zijn in een organisch oplosmiddel, door de oplossing te wassen met waterige zuren of basen, die één klasse verbindingen omzetten in ionen die naar het water overgaan.

Propositie 35.6 (Wie gaat waarheen)

Waterig natriumwaterstofcarbonaat (pH 8.3) extraheert een carbonzuur ( $\mathrm pK_a$ ongeveer 4) maar geen fenol ( $\mathrm pK_a$ ongeveer 10), dat natriumhydroxide vraagt; verdund zoutzuur extraheert een amine waarvan het geconjugeerde zuur een $\mathrm pK_a$ van 4.6 of meer heeft; neutrale verbindingen blijven in de organische laag.

Bewijs. Een deeltje is grotendeels in zijn basische vorm wanneer $\mathrm{pH} > \mathrm pK_a$ , en voor meer dan 99 % wanneer $\mathrm{pH} > \mathrm pK_a + 2$ . Bij pH 8.3 is benzoëzuur (4.2) voor meer dan 99 % benzoaat, een ion dat in het water blijft; fenol (9.99) is voor ongeveer 2 % fenolaat ( $10^{8.3 - 10.0}$ ) en blijft in wezen in de organische laag, waarnaar de neutrale vorm zich verdeelt. In natriumhydroxide (pH boven 12) wordt fenol omgezet in fenolaat. In verdund zoutzuur (pH ongeveer 1) is aniline (anilinium 4.6) voor meer dan 99 % anilinium. Elk ion wordt, eenmaal in het water, teruggewonnen door de pH weer de andere kant op te brengen, wat de neutrale verbinding terugvormt, en die daarna opnieuw te extraheren. ∎

Zuur-basescheiding van vier verbindingen (). De organische laag (linkerkolom) verliest bij elke wasbeurt één klasse; elk waterig extract (rechts) geeft zijn verbinding terug wanneer de pH omgekeerd wordt. — Zuur-basescheiding van vier verbindingen (Propositie 35.6). De organische laag (linkerkolom) verliest bij elke wasbeurt één klasse; elk waterig extract (rechts) geeft zijn verbinding terug wanneer de pH omgekeerd wordt.

Definitie 35.7 (Droogmiddel)

Een droogmiddel is een watervrij zout, zoals magnesium- of natriumsulfaat, dat het in een organische oplossing opgeloste water als hydratatiewater bindt en daarna door filtratie verwijderd wordt.

Methode 35.8 (Van de reactiekolf naar het ruwe product)

Blussen: vernietig de resterende reactieve reagentia met een geschikte waterige oplossing, langzaam en onder koeling.
Extraheer naar een organisch oplosmiddel; scheid de lagen (controleer welke welke is door een druppel water toe te voegen); extraheer de waterlaag opnieuw.
Was de samengevoegde organische lagen (zuur, base, dan pekel, een verzadigde natriumchlorideoplossing die het grootste deel van het opgeloste water verwijdert).
Droog met een droogmiddel tot een deel ervan vrij blijft bewegen; filtreer.
Verwijder het oplosmiddel op een rotatieverdamper onder verlaagde druk; weeg het ruwe product.

35.4 Zuivering

Definitie 35.9 (Flashchromatografie)

Flashchromatografie is preparatieve kolomchromatografie op silica waarbij het elutiemiddel met een lichte gasdruk door de kolom geduwd wordt, zodat een scheiding van grammen materiaal minuten duurt; het elutiemiddel wordt gekozen met dunnelaagchromatografie op dezelfde silica.

Propositie 35.10 (Kolomvolumes)

Een verbinding die op een dunnelaagplaat loopt bij $R_f$ , verlaat een kolom met dezelfde silica en hetzelfde elutiemiddel na ongeveer $1/R_f$ kolomvolumes elutiemiddel.

Redenering. Op de plaat legt de verbinding $R_f$ keer de afstand van het oplosmiddelfront af: haar gemiddelde snelheid is $R_f$ keer die van het elutiemiddel. Op de kolom geeft dezelfde verdeling dezelfde verhouding van snelheden, dus de verbinding heeft $1/R_f$ keer het volume elutiemiddel nodig dat de kolom vult (het dode volume) om eruit te komen; in de taal van Hoofdstuk 31 is $R_f \approx 1/(1 + k)$ . Een verbinding bij $R_f = 0.25$ komt eruit na ongeveer vier kolomvolumes, goed gescheiden van een verbinding bij 0.5 (twee volumes). ∎

Flashchromatografie (schematisch). Het ruwe product wordt boven op de silica aangebracht en geëlueerd; het eluaat wordt in fracties opgevangen; een dunnelaagplaat van de fracties toont waar elke verbinding uitkwam (hier de snelle, apolaire verbinding in fracties 2–3, de tragere in 5–6), en de zuivere fracties worden samengevoegd.

Methode 35.11 (Een flashkolom uitvoeren)

Kies het elutiemiddel met DLC: de gewenste verbinding bij een $R_f$ van ongeveer 0.25–0.35, zo ver mogelijk van de onzuiverheden.
Pak de silica (ongeveer 30 tot 100 keer de massa van het ruwe product) als suspensie of droog; voeg een laag zand toe.
Breng het ruwe product aan in zo weinig mogelijk oplosmiddel (of geadsorbeerd op een beetje silica).
Elueer onder lichte druk; vang fracties op; controleer ze met DLC; voeg de zuivere samen en damp in.

Vloeistoffen die rond hun kookpunt ontleden, worden gedestilleerd bij verlaagde druk, waar ze lager koken.

Definitie 35.12 (Destillatie onder verlaagde druk)

Een destillatie onder verlaagde druk wordt uitgevoerd in een opstelling die via een manometer met een vacuümpomp verbonden is, bij een druk waarbij de vloeistof kookt op een temperatuur die ze verdraagt.

Propositie 35.13 (Koken bij verlaagde druk)

Met $T_b$ de kooktemperatuur bij de referentiedruk $p^\circ$ en $\Delta_{\mathrm{vap}}H$ als constant beschouwd, wordt de kooktemperatuur bij druk $p$ gegeven door

\frac{1}{T} = \frac{1}{T_b} - \frac{R}{\Delta_{\mathrm{vap}}H}\ln\frac{p}{p^\circ}.

Bewijs. Een vloeistof kookt wanneer haar dampdruk gelijk is aan de druk erboven. De relatie van Clausius–Clapeyron uit de natuurkunde, $\mathrm d\ln p/\mathrm dT = \Delta_{\mathrm{vap}}H/(RT^2)$ voor een ideale damp en een verwaarloosbaar vloeistofvolume, geeft na integratie tussen $(T_b, p^\circ)$ en $(T, p)$ $\ln(p/p^\circ) = -(\Delta_{\mathrm{vap}}H/R)(1/T - 1/T_b)$ ; herschikken geeft het resultaat. ∎

Kooktemperatuur tegen druk () met de verdampingsenthalpieën en kookpunten uit het NIST WebBook. De cirkels zijn gemeten kookpunten bij 7 en 13\, mbar, niet gebruikt voor de krommen: de eenvoudige vergelijking zit er hooguit enkele kelvin naast. De druk verlagen van 1 bar tot 20\, mbar verlaagt de kookpunten met meer dan 100\, K. — Kooktemperatuur tegen druk (Propositie 35.13) met de verdampingsenthalpieën en kookpunten uit het NIST WebBook. De cirkels zijn gemeten kookpunten bij 7 en $13\,\mathrm{mbar}$ , niet gebruikt voor de krommen: de eenvoudige vergelijking zit er hooguit enkele kelvin naast. De druk verlagen van 1 bar tot $20\,\mathrm{mbar}$ verlaagt de kookpunten met meer dan $100\,\mathrm{K}$ .

35.5 Zuiverheid en identiteit

Een product wordt geïdentificeerd door zijn spectra en fysische constanten te vergelijken met die van de verwachte verbinding (Hoofdstuk 33); zijn zuiverheid wordt afzonderlijk gemeten, omdat een product de juiste verbinding kan zijn en toch nog enkele procenten van iets anders kan bevatten.

Methode 35.14 (Zuiverheid en rendement rapporteren)

Controleer het smelttraject van een vaste stof (scherp en dicht bij de literatuurwaarde voor een zuivere verbinding) en zijn DLC (één vlek in twee elutiemiddelen).
Meet de zuiverheid: oppervlakteprocent bij GC of HPLC (slechts een schatting tenzij de responsfactoren bekend zijn, Hoofdstuk 31), of kwantitatieve proton-NMR, door een integraal van het product te vergelijken met een integraal van elke onzuiverheid, of met een afgewogen interne standaard.
Reken om naar een massafractie $w$ product in het geïsoleerde materiaal.
Rapporteer het rendement gecorrigeerd voor de zuiverheid: $\rho = w\,m/(n_{\mathrm{lim}}M)$ , waarin $m$ de geïsoleerde massa is, $n_{\mathrm{lim}}$ de hoeveelheid beperkend reagens en $M$ de molaire massa.

Bij een optisch actief product voegt de specifieke rotatie een controle van de stereochemische zuiverheid toe; de enantiomere overmaat en haar meting worden behandeld in het deel van jaar 3.

Veiligheid

Ethoxyethaan en oxolaan zijn zeer licht ontvlambaar en vormen bij bewaring explosieve peroxiden; geen vlam in het laboratorium, en test oude flessen voor je destilleert. Broombenzeen is ontvlambaar en giftig voor waterorganismen; magnesiumkrullen zijn ontvlambaar. Vacuümglaswerk wordt gecontroleerd op stervormige barstjes en afgeschermd.

35.6 Oefeningen

Oefening 35.1 ★

Welk bad zou je gebruiken voor een reactie bij ongeveer $0{}^{\circ}\mathrm{C}$ , bij ongeveer $-15{}^{\circ}\mathrm{C}$ , en bij $-78{}^{\circ}\mathrm{C}$ ?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.1.

IJs en water; ijs en zout; droogijs en aceton (zoals voor de enolaten van Hoofdstuk 25).

Oefening 35.2 ★

Bij een extractie wordt dichloormethaan gebruikt, dat dichter is dan water. Welke laag is organisch? Hoe controleer je dat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.2.

De onderste laag. Voeg een paar druppels water toe: ze gaan naar de waterlaag, hier de bovenste.

Oefening 35.3 ★

Hoe weet je dat er genoeg magnesiumsulfaat aan een etheroplossing toegevoegd is?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.3.

De eerste porties klonteren terwijl ze water opnemen; wanneer pas toegevoegde vaste stof los blijft en vrij ronddraait, is de oplossing droog.

Oefening 35.4 ★

In hexaan–ethylacetaat 4 : 1 heeft een product $R_f = 0.65$ en een onzuiverheid 0.75. Wat zou je veranderen voor een kolom, en in welke richting?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.4.

$R_f$ is te hoog voor een kolom (ongeveer 0.3 is gewenst) en de twee vlekken liggen dicht bij elkaar: gebruik een minder polair elutiemiddel, met meer hexaan (9 : 1, bijvoorbeeld), wat beide $R_f$ verlaagt en hun scheiding in kolomvolumes vergroot.

Oefening 35.5 ★★

Geef de volgorde van de wasbeurten die benzoëzuur, fenol, aniline en naftaleen scheiden uit een etheroplossing, verantwoord elke stap met een $\mathrm pK_a$ , en zeg hoe elke verbinding teruggewonnen wordt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.5.

Natriumwaterstofcarbonaat (pH 8.3 $>$ 4.2 + 2): benzoaat in het water; aanzuren, benzoëzuur extraheren.
Natriumhydroxide (pH $>$ 12 $>$ 9.99 + 2): fenolaat in het water; aanzuren, fenol extraheren.
Zoutzuur (pH ongeveer 1 $<$ 4.6 $-$ 2): anilinium in het water; basisch maken, aniline extraheren.
Naftaleen blijft in de ether: drogen, indampen.

Het wassen met waterstofcarbonaat moet eerst komen: hydroxide zou het zuur en het fenol samen extraheren.

Oefening 35.6 ★★

Schat de kooktemperaturen van broombenzeen en benzaldehyde bij $20\,\mathrm{mbar}$ .

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.6.

$1/T = 1/T_b - (R/\Delta_{\mathrm{vap}}H)\ln(p/p^\circ)$ : broombenzeen ongeveer $49{}^{\circ}\mathrm{C}$ , benzaldehyde ongeveer $68{}^{\circ}\mathrm{C}$ (figuur bij Propositie 35.13).

Oefening 35.7 ★★

Tijdens een toevoeging heeft $0.050\,\mathrm{mol}$ van een reagens zich niet-gereageerd opgestapeld. Met $\Delta_rH = -200\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ en een warmtecapaciteit van $400\,\mathrm{J}/\mathrm{K}$ voor het mengsel (gegevens voor de oefening): welke temperatuurstijging zou er kunnen volgen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.7.

$0.050 \times 200\,000/400 = 25\,\mathrm{K}$ .

Oefening 35.8 ★★

Een HPLC-chromatogram toont het product bij 96.0 % van de totale oppervlakte. Waarom is dat nog geen massazuiverheid? Een protonspectrum van hetzelfde monster toont een singlet van het product (1H) met integraal 1.00 en een singlet van een onzuiverheid (3H) met integraal 0.12; product $200\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , onzuiverheid $100\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ (gegevens voor de oefening). Bereken de massafractie product.

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.8.

Elke verbinding heeft haar eigen respons: oppervlakteprocent is alleen een massaprocent als de responsfactoren gelijk zijn. NMR: $0.12/3 = 0.040$ mol onzuiverheid per mol product, dus $0.040 \times 100 = 4\,\mathrm{g}$ per $200\,\mathrm{g}$ product; $w = 200/204 \approx 98.0~\%$ .

Oefening 35.9 ★★

Men verkrijgt $4.10\,\mathrm{g}$ van een product ( $164\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ) met een zuiverheid van 95.0 % (massa) uit $0.0300\,\mathrm{mol}$ beperkend reagens. Bereken het rendement, ongecorrigeerd en gecorrigeerd.

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.9.

Theoretische massa $0.0300 \times 164 = 4.92\,\mathrm{g}$ . Ongecorrigeerd $4.10/4.92 \approx 83.3~\%$ ; gecorrigeerd $0.950 \times 4.10/4.92 \approx 79.2~\%$ .

Oefening 35.10 ★★★

Een grignardreactie gaf benzeen en bijna geen alcohol na toevoeging van het aldehyde. Som de mogelijke oorzaken op en hoe je elk ervan vermijdt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.10.

Benzeen betekent dat het reagens gevormd werd en daarna geprotoneerd: water in het glaswerk, in het oplosmiddel of in het aldehyde; lucht (vocht) die door een lek binnenkomt; een aldehyde dat gedeeltelijk geoxideerd is tot benzoëzuur, waarvan het zure waterstofatoom het reagens vernietigt. Remedies: in een oven gedroogd glaswerk, droog oplosmiddel, vers gedestilleerd aldehyde, een stikstofoverdruk die aan de bubbelteller gecontroleerd wordt. Als er helemaal weinig reagens is, wijst dat op een mislukte initiatie (een magnesiumoppervlak bedekt met oxide), te vermijden met verse of geactiveerde krullen.

Oefening 35.11 ★★★

Bij opschaling reageert $1.00\,\mathrm{mol}$ van een halogenide met $\Delta_rH = -270\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ in een reactor waarvan de koeling ten hoogste $150\,\mathrm{W}$ afvoert (gegevens voor de oefening). Wat is de kortste veilige toevoegtijd? Wat gebeurt er als de toevoeging sneller gaat?

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.11.

$270\,\mathrm{kJ}$ bij $150\,\mathrm{W}$ : ten minste $270\,000/150 = 1800\,\mathrm{s}$ , een half uur, en alleen als het halogenide even snel reageert als het toegevoegd wordt. Bij een snellere toevoeging overtreft de warmteafgifte de koeling: de temperatuur stijgt, of het reagens hoopt zich op en kan later in één keer reageren (Propositie 35.1).

Oefening 35.12 ★★★

Een ruwe vaste stof van $13.0\,\mathrm{g}$ zou gezuiverd kunnen worden door herkristallisatie (één stap, 80 % terugwinning, zuiverheid 99 %) of door flashchromatografie (95 % terugwinning, zuiverheid 99.5 %, $1.5\,\mathrm{L}$ oplosmiddel) (gegevens voor de oefening). Vergelijk de twee routes.

Oplossing

Oplossing van Oefening 35.12.

Herkristallisatie: $13.0 \times 0.80 = 10.4\,\mathrm{g}$ bij 99 %. Kolom: $13.0 \times 0.95 = 12.4\,\mathrm{g}$ bij 99.5 %, maar $1.5\,\mathrm{L}$ oplosmiddel om aan te kopen, in te dampen en af te voeren. De kolom geeft ongeveer $2\,\mathrm{g}$ meer van een iets zuiverder product; herkristallisatie is eenvoudiger, goedkoper en minder verspillend, en verdient de voorkeur wanneer haar zuiverheid volstaat.

35.7 Probleem: een grignardreactie zoals het hoort

Probleem 35.1

Weekendprobleem — gevaren en een droge opstelling, een beheerste toevoeging en het accumulatiegevaar, de opwerking, zuivering door flashchromatografie en een voor de zuiverheid gecorrigeerd rendement

Gegevens voor de oefening. Fenylmagnesiumbromide wordt gemaakt uit $15.7\,\mathrm{g}$ broombenzeen en $2.67\,\mathrm{g}$ magnesiumkrullen in droog ethoxyethaan, daarna wordt $9.55\,\mathrm{g}$ benzaldehyde toegevoegd; opwerking met waterig ammoniumchloride geeft difenylmethanol. Vorming van het reagens: $\Delta_rH = -270\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ; warmtecapaciteit van het mengsel $170\,\mathrm{J}/\mathrm{K}$ ; start bij $20{}^{\circ}\mathrm{C}$ . DLC (hexaan–ethylacetaat 9 : 1): bifenyl $R_f = 0.85$ , difenylmethanol 0.25. Geïsoleerd na de kolom: $12.50\,\mathrm{g}$ . Proton-NMR van dit materiaal: het singlet van $\ce{CH(OH)}$ (1H) integreert tot 1.00, het aromatische gebied tot 10.90. Molaire massa’s ( $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ): broombenzeen 157.01, benzaldehyde 106.12, difenylmethanol 184.24, bifenyl 154.21; Mg 24.305.

Deel I — Gevaren en opstelling.

Geef de belangrijkste gevaren van ethoxyethaan, broombenzeen en magnesium.
Schrijf de reactie van fenylmagnesiumbromide met water op, en verklaar het in een oven gedroogde glaswerk.
Waarom werken onder stikstof?
Wat toont de bubbelteller, en wat verhindert hij?
Waarom is ethoxyethaan hier een goed oplosmiddel?
Bereken de hoeveelheden broombenzeen en magnesium. Welke is in overmaat?

Deel II — Beheerste toevoeging.

Welke warmte maakt de volledige vorming van het reagens vrij?
Waarom wordt het broombenzeen druppel voor druppel toegevoegd?
De reactie komt traag op gang, en 20 % van het broombenzeen is toegevoegd voor dat gebeurt. Welke warmte kan er dan in één keer vrijkomen?
Bereken de adiabatische temperatuurstijging.
Vergelijk de eindtemperatuur met het kookpunt van ethoxyethaan. Wat gebeurt er?
Hoe moet de toevoeging uitgevoerd worden?

Deel III — Toevoeging en opwerking.

Schrijf de reactie met benzaldehyde op en wijs het beperkende reagens aan.
Waarom blussen met ammoniumchloride en niet met een sterk zuur?
Welke laag is organisch in de scheitrechter?
Waartoe dient het wassen met pekel?
Hoe wordt de oplossing gedroogd, en hoe wordt het oplosmiddel verwijderd?
Bifenyl is het belangrijkste bijproduct. Hoe ontstaat het, en wat begunstigt het?

Deel IV — Zuivering en zuiverheid.

Welke verbinding verlaat de kolom eerst?
Na hoeveel kolomvolumes komt elke verbinding eruit?
Bereken uit de NMR-integralen de molverhouding bifenyl/alcohol in het geïsoleerde materiaal.
Bereken de massafractie difenylmethanol.
Bereken de massa zuiver difenylmethanol.
Bereken de theoretische massa.
Bereken het rendement zonder correctie voor de zuiverheid.
Geef het rendement gecorrigeerd voor de zuiverheid.

Oplossing

Oplossing van Probleem 35.1.

1. Ethoxyethaan: zeer licht ontvlambaar, schadelijk, vormt peroxiden. Broombenzeen: ontvlambaar, giftig, giftig voor waterorganismen. Magnesium: ontvlambare vaste stof, maakt met water waterstof vrij. 2. $\ce{C6H5MgBr + H2O -> C6H6 + Mg(OH)Br}$ : elke druppel water vernietigt reagens; drogen in de oven verwijdert het waterfilmpje op het glas. 3. Om vocht en zuurstof buiten te houden; ook zuurstof vernietigt het reagens. 4. De stikstofstroom; hij verhindert dat lucht via de uitlaat binnenkomt. 5. Het reageert niet met het reagens, de vrije elektronenparen van zijn zuurstofatoom stabiliseren het magnesium, en zijn laag kookpunt ( $307.7\,\mathrm{K}$ ) laat de terugvloeiing de temperatuur begrenzen. 6. $15.7/157.01 = 0.1000\,\mathrm{mol}$ broombenzeen; $2.67/24.305 = 0.1099\,\mathrm{mol}$ magnesium, in een overmaat van 10 %. 7. $0.1000 \times 270 = 27.0\,\mathrm{kJ}$ . 8. Zodat de warmte vrijkomt in het tempo waarin de terugvloeiing en het bad ze afvoeren. 9. $0.0200 \times 270 = 5.40\,\mathrm{kJ}$ . 10. $5400/170 \approx 32\,\mathrm{K}$ . 11. Ongeveer $52{}^{\circ}\mathrm{C}$ , ver boven het kookpunt van ethoxyethaan ( $34.6{}^{\circ}\mathrm{C}$ ): heftig koken dat de koeler kan overweldigen en ontvlambare damp uit de kolf kan slingeren. 12. Voeg ongeveer een tiende van het broombenzeen toe, wacht tot de reactie start (troebeling, zachte terugvloeiing), en voeg dan de rest toe in het tempo van een zachte terugvloeiing, met het ijsbad bij de hand. 13. $\ce{C6H5MgBr + C6H5CHO}$ geeft het alkoxide $\ce{(C6H5)2CHOMgBr}$ ; benzaldehyde, $9.55/106.12 = 0.0900\,\mathrm{mol}$ , is beperkend. 14. De alcohol is dubbel benzylisch: een sterk zuur zou er een gestabiliseerd kation van maken, wat tot ethers of substitutieproducten leidt; ammoniumchloride is zuur genoeg om het alkoxide te protoneren en de magnesiumzouten op te lossen. 15. De bovenste laag: ethoxyethaan is minder dicht dan water. 16. Het verwijdert het grootste deel van het water dat in de ether opgelost is. 17. Magnesiumsulfaat tot het vrij blijft bewegen, filtratie, daarna een rotatieverdamper onder verlaagde druk. 18. Fenylmagnesiumbromide koppelt met niet-gereageerd broombenzeen; een hoge lokale concentratie broombenzeen en een hoge temperatuur begunstigen dat, nog een reden voor een langzame toevoeging. 19. Bifenyl ( $R_f$ 0.85), het minst polaire. 20. Ongeveer $1/0.85 \approx 1.2$ kolomvolumes voor bifenyl, $1/0.25 = 4$ voor de alcohol. 21. De alcohol levert 10 aromatische protonen per CH; de extra $10.90 - 10.00 = 0.90$ komt van bifenyl, met 10 protonen per molecuul: 0.090 mol bifenyl per mol alcohol. 22. $w = 184.24/(184.24 + 0.090 \times 154.21) \approx 0.930$ . 23. $12.50 \times 0.930 \approx 11.62\,\mathrm{g}$ . 24. $0.0900 \times 184.24 \approx 16.58\,\mathrm{g}$ . 25. $12.50/16.58 \approx 75.4~\%$ . 26. $11.62/16.58 \approx \boldsymbol{70~\%}$ (70.1 %), gecorrigeerd voor de zuiverheid.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst