Universitaire scheikunde — jaar 3 · Bachelor Year 3

33Laboratoriumtechnieken III: onderzoekspraktijk

Een fles butyllithiumoplossing vat vlam als een druppel met de lucht in contact komt; een handschoenkast houdt zuurstof en water onder enkele ppm, zodat zulke verbindingen gewogen kunnen worden als keukenzout. Onderzoekschemie begint vaak met het buitenhouden van de atmosfeer, en eindigt met een bewering die anderen moeten kunnen controleren: een nieuwe verbinding, waarvan de structuur en de zuiverheid met meerdere onafhankelijke methoden bewezen zijn, en waarvan de gegevens vastgelegd en gepubliceerd zijn zodat het werk herhaald kan worden. Dit laatste hoofdstuk brengt de onderzoekspraktijk samen: luchtgevoelige stoffen hanteren, een nieuwe verbinding karakteriseren, een resultaat statistisch beoordelen, een labjournaal bijhouden en de literatuur lezen, en de risico’s beoordelen van een procedure die nog niemand uitgevoerd heeft.

Wat je al weet

Het deel van jaar 1 behandelde gevaren, risico’s, pictogrammen, H- en P-zinnen, veiligheidsinformatiebladen en meetonzekerheid met haar evaluaties van type A en B; het deel van jaar 2 inerte atmosferen, opwerking, droogmiddelen, flashchromatografie, massaspectrometrie (HRMS, monoisotopische massa), $^{13}$ C-NMR, betrouwbaarheidsintervallen, de coëfficiënt van Student, ijking, precisie, juistheid, systematische afwijking, herhaalbaarheid, methodevalidatie, de adiabatische temperatuurstijging en thermisch op hol slaan. Hoofdstuk 8, Hoofdstuk 9 en Hoofdstuk 15 leverden de structurele en elektrochemische methoden.

Een onderzoekslaboratorium met een handschoenkast: men werkt in de roestvrijstalen kast, gevuld met droge stikstof of argon, via de handschoenen; de cilinder links is de sluis om voorwerpen in en uit te brengen.

33.1 Werken zonder lucht

Definitie 33.1 (Luchtgevoelige verbindingen)

Een luchtgevoelige verbinding reageert met de dizuurstof of het water van de lucht, waarbij ze ontleedt of haar activiteit verliest. Een pyrofore stof ontbrandt spontaan aan de lucht.

Definitie 33.2 (Schlenklijn en handschoenkast)

Een schlenklijn is een dubbel glazen verdeelstuk, waarvan de ene buis via een koudeval met een vacuümpomp verbonden is en de andere met een toevoer van droog inert gas dat via een olieslot afgevoerd wordt, met kranen die elke uitgang met de ene of de andere verbinden. Een schlenkkolf heeft een zijarm met een kraan om aan de lijn te koppelen. Een handschoenkast is een gesloten kast gevuld met inert gas, dat voortdurend gezuiverd wordt, waarin via handschoenen gewerkt wordt.

Een schlenklijn, schematisch: een gasverdeelstuk en een vacuümverdeelstuk, verbonden door kranen; elke kraan verbindt haar kolf ofwel met het vacuüm ofwel met het inerte gas. Afgepompte oplosmiddeldamp condenseert in de koudeval voordat hij de pomp bereikt; het gas vertrekt via een olieslot, dat verhindert dat lucht terugstroomt.

Propositie 33.3 (Cycli van vacuümtrekken en hervullen)

Als een kolf gevuld met lucht bij druk $p_0$ vacuüm getrokken wordt tot $p_{\min}$ en opnieuw gevuld met zuiver inert gas, en dat $n$ keer, is de fractie van de oorspronkelijke lucht die overblijft $(p_{\min}/p_0)^n$ .

Bewijs. Vacuüm trekken tot $p_{\min}$ laat een fractie $p_{\min}/p_0$ van het gas achter, met dezelfde samenstelling; het hervullen met zuiver inert gas herstelt $p_0$ zonder lucht toe te voegen. Elke cyclus vermenigvuldigt de luchtfractie met $p_{\min}/p_0$ ; na $n$ cycli is ze $(p_{\min}/p_0)^n$ . ∎

Drie cycli tot $0.1\,\mathrm{mbar}$ laten op papier $10^{-12}$ van de lucht over; in de praktijk leggen lekken, gas dat op het glas geadsorbeerd is en het ontgassen van vet en septa de grens, en daarom wordt glaswerk in een oven gedroogd en heet gemonteerd.

Definitie 33.4 (Canuletransfer)

Een canuletransfer brengt een luchtgevoelige vloeistof van een gesloten vat naar een ander over via een lange naald met twee punten, aangedreven door een kleine overdruk van inert gas in het eerste vat.

Een canuletransfer: de onderste punt van de canule hangt in de vloeistof van de bronkolf; inert gas dat in de bron gelaten wordt, duwt de vloeistof door de canule naar de ontvanger, die via een naald naar het olieslot ontlucht wordt.

Methode 33.5 (Een canuletransfer)

Breng beide kolven, afgesloten met septa, onder inert gas aan de schlenklijn.
Spoel de canule met gas: steek het ene uiteinde in de bron boven de vloeistof tot er gas uit het andere uiteinde stroomt, en steek dat uiteinde dan in de ontvanger.
Ontlucht de ontvanger met een naald; duw het bronuiteinde van de canule onder het vloeistofoppervlak: de overdruk drijft de vloeistof over.
Om te stoppen, til je de punt boven de vloeistof; trek de canule eerst uit de ontvanger, en spoel haar meteen in de zuurkast met een droog oplosmiddel en daarna met water.

Definitie 33.6 (Vries-pomp-dooiontgassing)

Vries-pomp-dooiontgassing verwijdert opgeloste gassen uit een vloeistof door haar in vloeibare stikstof te bevriezen, de ruimte erboven vacuüm te trekken, de kraan te sluiten en haar te laten ontdooien, zodat het opgeloste gas in het vacuüm ontsnapt; de cyclus wordt drie keer herhaald.

Droge oplosmiddelen komen nu uit kolommen met geactiveerd aluminiumoxide onder inert gas in plaats van uit destillatieopstellingen boven natrium. Organolithiumoplossingen verliezen met de tijd aan sterkte en worden vóór gebruik getitreerd, bijvoorbeeld tegen een afgewogen hoeveelheid difenylazijnzuur in droog THF: het eerste equivalent deprotoneert het zuur, de eerste druppel overmaat geeft het gele dianion.

Propositie 33.7 (Titer van een organolithiumverbinding)

Als een massa $m$ difenylazijnzuur (molaire massa $M$ ) een volume $V$ van een organolithiumoplossing nodig heeft om de kleuromslag te bereiken, is de concentratie $c = m/(MV)$ .

Bewijs. Tot het eindpunt neemt elke organolithiumverbinding één proton van het zuur weg; de kleur verschijnt wanneer het zuur opgebruikt is. De hoeveelheden zijn gelijk: $cV = m/M$ . ∎

In het laboratorium — De sluis van de handschoenkast

Voorwerpen gaan via de sluis een handschoenkast binnen: ze worden erin geplaatst, de buitendeur wordt gesloten, en de sluis wordt drie keer vacuüm getrokken en hervuld met het gas van de kast, met een lange laatste vacuümcyclus voor poreuze voorwerpen, die lucht vasthouden; pas dan wordt de binnendeur vanuit de kast met de handschoenen geopend. Oplosmiddelen en open houders met vluchtige vloeistoffen worden nooit in de sluis vacuüm getrokken, en niets wat de zuiveringseenheid zou vergiftigen (thiolen, gehalogeneerde oplosmiddelen) wordt zonder toestemming binnenin geopend.

Een schlenklijn in gebruik: het glazen verdeelstuk met zijn kranen, slangen naar de kolven, en de gasregelaar. Foto: Polimerek, CC BY-SA 3.0.

33.2 Een nieuwe verbinding karakteriseren

Methode 33.8 (Een nieuwe verbinding karakteriseren)

Zuiverheid: één vlek in DLC in twee eluentia, één piek in HPLC of GC, een scherp smeltpunt; kwantitatieve NMR als een massazuiverheid nodig is.
Formule: HRMS binnen enkele ppm van de berekende massa, en het isotopenpatroon; of elementanalyse.
Structuur: $^1$ H- en $^{13}$ C-NMR met 2D-experimenten voor de verbindingen (Hoofdstuk 8), IR voor de functionele groepen; een röntgenstructuur van een éénkristal als er kristallen groeien (Hoofdstuk 9).
Stereochemie: NOE, koppelingsconstanten, optische draaiing, ee met chirale chromatografie.
Rapporteer elk gegeven met zijn omstandigheden, en de spectra in de ondersteunende informatie.

Het verloop van de karakterisering van een nieuwe verbinding: eerst de zuiverheid, dan de formule, dan de structuur; elke bewering steunt op minstens twee onafhankelijke methoden, en de ruwe gegevens gaan mee met het verslag.

Definitie 33.9 (Elementanalyse)

Elementanalyse (verbrandingsanalyse) bepaalt de massapercentages koolstof, waterstof, stikstof en zwavel in een monster door het in zuurstof te verbranden en het gevormde koolstofdioxide, water, distikstof en zwaveldioxide te meten.

Propositie 33.10 (Massapercentages uit een formule)

Voor een formule $\mathrm{C}_a\mathrm{H}_b\mathrm{N}_c\dots$ met molaire massa $M$ is het massapercentage koolstof $100\,aA_r(\mathrm C)/M$ , en evenzo voor de andere elementen.

Bewijs. Eén mol verbinding, met massa $M$ , bevat $a$ mol koolstofatomen, met massa $aA_r(\mathrm C)$ ; de verhouding, maal 100, is het massapercentage. ∎

De meeste chemietijdschriften vragen als bewijs van de samenstelling gevonden waarden voor C, H en N binnen 0.4 procentpunt van de berekende, of een HRMS-meting binnen enkele ppm (5 ppm voor sommige). Een groot interlaboratoriumonderzoek vond dat zelfs zuivere monsters verrassend vaak buiten het criterium van 0.4 vallen, een herinnering dat een criterium geen natuurwet is.

Propositie 33.11 (HRMS-fout)

De fout van een gemeten massa $m_{\mathrm{gem}}$ ten opzichte van de berekende $m_{\mathrm{ber}}$ is $10^6(m_{\mathrm{gem}} - m_{\mathrm{ber}})/m_{\mathrm{ber}}$ ppm; voor een ion wordt $m_{\mathrm{ber}}$ berekend uit monoisotopische massa’s min (of plus) de massa van de weggenomen (of toegevoegde) elektronen.

Per definitie. De ppm-fout is het relatieve verschil uitgedrukt in delen per miljoen; de massa van het ion verschilt van die van de neutrale formule door de elektronen, elk $5.486 \times 10^{-4}\,\mathrm{u}$ , enkele ppm bij massa’s van enkele honderden. ∎

Definitie 33.12 (Kwantitatieve NMR)

Kwantitatieve NMR (qNMR) bepaalt hoeveelheden of zuiverheden uit signaalintegralen, die evenredig zijn met het aantal kernen wanneer het spectrum opgenomen wordt met volledige relaxatie tussen de pulsen, ten opzichte van een interne standaard met bekende zuiverheid die samen met het monster afgewogen wordt.

Propositie 33.13 (Zuiverheid met qNMR)

Voor een monster met massa $m_x$ , afgewogen met een standaard met massa $m_s$ en zuiverheid $P_s$ , met signalen met integralen $I_x$ en $I_s$ van $N_x$ en $N_s$ protonen, is

P_x = \frac{I_x}{I_s}\,\frac{N_s}{N_x}\,\frac{M_x}{M_s}\,\frac{m_s}{m_x}\,P_s.

Bewijs. De integralen zijn evenredig met het aantal protonen: $I_x/I_s = (N_xn_x)/(N_sn_s)$ . Met $n_x = P_xm_x/M_x$ en $n_s = P_sm_s/M_s$ geeft oplossen naar $P_x$ de formule. ∎

Synthetisch protonspectrum van een ferroceenmonster, afgewogen met 1,3,5-trimethoxybenzeen als interne standaard (model: 20.0 mg monster met een zuiverheid van 98.0 %, 15.0 mg standaard). De integralen zijn evenredig met het aantal protonen maal de hoeveelheid van elke verbinding; de verhouding van de singulet van ferroceen tot de aromatische singulet van de standaard geeft de zuiverheid.

33.3 Statistiek van een onderzoeksresultaat

Definitie 33.14 (Significantietoetsen)

Een significantietoets beslist of gegevens verenigbaar zijn met een nulhypothese, meestal dat er geen verschil of geen effect is, bij een gekozen risico om haar ten onrechte te verwerpen (vaak 5 %).

Stelling 33.15 ( $t$ -toets voor twee steekproeven)

Voor twee reeksen van $n_1$ en $n_2$ onafhankelijke metingen uit normale verdelingen met gelijke standaardafwijking, met gemiddelden $\bar x_1$ , $\bar x_2$ en gepoolde standaardafwijking $s_p$ , volgt de grootheid $t = (\bar x_1 - \bar x_2)/(s_p\sqrt{1/n_1 + 1/n_2})$ de wet van Student met $n_1 + n_2 - 2$ vrijheidsgraden als de twee ware gemiddelden gelijk zijn.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Propositie 33.16 ( $F$ -toets)

Onder dezelfde aannamen volgt de verhouding $F = s_1^2/s_2^2$ van twee steekproefvarianties de wet van Fisher met $(n_1 - 1, n_2 - 1)$ vrijheidsgraden als de ware varianties gelijk zijn.

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎

Methode 33.17 (Is een nieuw rendement beter?)

Herhaal beide procedures meerdere keren onder dezelfde omstandigheden; noteer elk resultaat.
Vergelijk eerst de spreidingen ( $F$ -toets); als ze gelijkaardig zijn, pool ze dan: $s_p^2 = [(n_1 - 1)s_1^2 + (n_2 - 1)s_2^2]/(n_1 + n_2 - 2)$ .
Bereken $t$ en vergelijk $|t|$ met de coëfficiënt van Student voor $n_1 + n_2 - 2$ vrijheidsgraden bij het gekozen niveau.
Groter: het verschil is significant. Kleiner: de gegevens tonen er geen, wat niet bewijst dat er geen is.

Een verdachte waarde wordt nooit geschrapt omdat ze ongelegen komt. Uitbijtertoetsen signaleren haar, maar de beslissing berust op het labjournaal: een genoteerde oorzaak (een weegfout, een verontreinigde kolf) rechtvaardigt haar verwerping; zonder oorzaak blijft ze behouden, of wordt het experiment herhaald.

33.4 Het labjournaal, onderzoeksgegevens en de literatuur

Definitie 33.18 (Labjournaal en ruwe gegevens)

Het labjournaal is het gedateerde, doorlopende, ongewijzigde verslag van de uitgevoerde experimenten, zoals ze uitgevoerd werden. Ruwe gegevens zijn de oorspronkelijke registraties van metingen (instrumentbestanden, weegbonnen, spectra) vóór elke verwerking.

Methode 33.19 (Een notitie in het labjournaal schrijven)

Datum, titel, doel, en een verwijzing naar het vorige verwante experiment.
Het reactieschema met de hoeveelheden (massa’s, volumes, mol, equivalenten), de herkomst en de partijen van de reagentia, en de risicobeoordeling.
Wat er gedaan en waargenomen werd, in volgorde en op het moment zelf, ook wat misliep; nooit uitgommen, maar doorhalen zodat het origineel leesbaar blijft.
Resultaten: rendementen, de namen van de bestanden met ruwe gegevens, en een besluit; onderteken.

Definitie 33.20 (FAIR-gegevens)

FAIR-gegevens zijn onderzoeksgegevens die vindbaar, toegankelijk, interoperabel en herbruikbaar zijn (Findable, Accessible, Interoperable, Reusable): beschreven met rijke metadata en een persistente identificator, op te halen via standaardprotocollen, in open formaten, met een duidelijke licentie en herkomst.

Definitie 33.21 (Wetenschappelijke integriteit)

Wetenschappelijke integriteit is het eerlijk en transparant uitvoeren en rapporteren van onderzoek. De ernstigste schendingen ervan zijn fabricage (gegevens verzinnen), falsificatie (gegevens, beelden of procedures vervalsen) en plagiaat (het werk van anderen als eigen werk voorstellen).

Definitie 33.22 (De literatuur)

De primaire literatuur rapporteert oorspronkelijk onderzoek (artikels, octrooien, proefschriften); de secundaire literatuur bespreekt en ordent het (overzichtsartikels, handboeken, databanken), en leerboeken vormen een tertiaire laag. Peerreview is de beoordeling van een manuscript door onafhankelijke deskundigen vóór de publicatie. De ondersteunende informatie van een artikel bevat de experimentele details en gegevens die nodig zijn om het werk te herhalen en te controleren.

Methode 33.23 (Een gepubliceerde procedure lezen)

Lees het experimentele deel en de ondersteunende informatie, niet alleen de samenvatting en het schema.
Controleer de schaal, de concentraties, de temperaturen, de tijden en de opwerking; noteer wat ontbreekt.
Toets de karakterisering van de producten aan de methode hierboven.
Zoek latere artikels die de procedure gebruikten of corrigeerden; voer haar eerst op kleine schaal uit.

Databanken van structuren en reacties indexeren de primaire literatuur per verbinding en per omzetting, en worden doorzocht door een structuur of een reactie te tekenen in plaats van met woorden.

33.5 Risicobeoordeling van een nieuwe procedure

Definitie 33.24 (Risicobeoordeling)

Een risicobeoordeling van een procedure brengt haar gevaren in kaart, schat de waarschijnlijkheid en de ernst van schade onder de geplande omstandigheden, en legt de beheersmaatregelen vast die het risico tot een aanvaardbaar niveau terugbrengen. De hiërarchie van beheersmaatregelen rangschikt ze van meest tot minst doeltreffend: eliminatie, substitutie, technische maatregelen, organisatorische maatregelen, persoonlijke beschermingsmiddelen.

De hiërarchie van beheersmaatregelen, als omgekeerde piramide: het gevaar wegnemen of vervangen beschermt iedereen, altijd; beschermingsmiddelen beschermen alleen hun drager, en alleen als ze gedragen worden en intact zijn.

Definitie 33.25 (Peroxidevormers)

Een peroxidevormer is een verbinding, zoals diethylether, tetrahydrofuraan of 1,4-dioxaan, die bij bewaring langzaam explosieve peroxiden vormt met de lucht, vooral na opening en onder invloed van licht.

Methode 33.26 (De risico’s van een nieuwe procedure beoordelen)

Som elke stof op (reagentia, oplosmiddelen, producten, bijproducten, vrijkomende gassen) met haar gevaren uit het veiligheidsinformatieblad.
Som de handelingen en hun omstandigheden op (verwarming, druk, schaal, afbreken van de reactie, afval); schat de vrijkomende warmte en de adiabatische temperatuurstijging voordat je opschaalt.
Kies voor elk gevaar beheersmaatregelen volgens de hiërarchie; plan het optreden in noodgevallen (lekkage, brand, blootstelling) en de afvoer van het afval.
Leg het schriftelijk vast, laat het controleren, en herzie het na de eerste uitvoering.

Veiligheid

Butyllithiumoplossingen: pyrofoor, reageren hevig met water onder vorming van ontvlambaar gas, veroorzaken ernstige brandwonden; alleen onder inert gas gehanteerd, met een emmer droog zand bij de hand en geen water in de buurt. Natriumhydride zet eveneens waterstof vrij met water en vocht, en wordt gebruikt als dispersie in olie. Diethylether en THF zijn zeer licht ontvlambare peroxidevormers: gedateerd bij opening, op peroxiden getest vóór destillatie of indamping, en volgens schema afgevoerd.

Geschiedenis — Het glaswerk van Schlenk

Wilhelm Schlenk, die in de jaren 1910 organoalkaliverbindingen en radicalen bestudeerde, ontwierp de kolven en technieken waarmee hij ze zonder lucht kon hanteren; de lijn en de kolf dragen nog steeds zijn naam. De eerste handschoenkasten werden in de jaren 1940 gebouwd voor radioactieve materialen en al snel overgenomen door chemici die met luchtgevoelige verbindingen werkten.

33.6 Oefeningen

Oefening 33.1 ★

Een kolf wordt drie keer vacuüm getrokken tot $0.50\,\mathrm{mbar}$ en met argon hervuld tot $1013\,\mathrm{mbar}$ . Welke fractie van de oorspronkelijke lucht blijft in theorie over? Wat beperkt het resultaat in werkelijkheid?

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.1.

$(0.50/1013)^3 = 1.2 \times 10^{-10}$ . Lekken, gas dat op het glas geadsorbeerd is en het ontgassen van vet en septa laten veel meer over; droog, heet glaswerk en goede verbindingen zijn belangrijker dan extra cycli.

Oefening 33.2 ★

Een butyllithiumoplossing heeft een titer van $1.48\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ . Welk volume moet overgebracht worden om $20.0\,\mathrm{mmol}$ te leveren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.2.

$20.0\,\mathrm{mmol}/1.48\,\mathrm{mol}/\mathrm{L} = 13.5\,\mathrm{mL}$ .

Oefening 33.3 ★

Bereken de exacte massa van het ferroceenradicaalkation $\ce{C10H10Fe+}$ uit monoisotopische massa’s ( $^{12}$ C precies 12, $^1$ H 1.00782503, $^{56}$ Fe 55.93493633, elektron $5.486 \times 10^{-4}\,\mathrm{u}$ ), en de fout van een gemeten waarde 186.0129 in ppm.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.3.

$120 + 10 \times 1.00782503 + 55.93493633 - 0.00054858 = 186.012\,64\,\mathrm{u}$ . Fout: $10^6 \times (186.0129 - 186.01264)/186.01264 = +1.4$ ppm, ruim binnen 5 ppm.

Oefening 33.4 ★

Deel in als primaire, secundaire of tertiaire literatuur: een overzichtsartikel, een tijdschriftartikel dat een nieuwe synthese rapporteert, een octrooi, een handboek van fysische constanten, een proefschrift, een leerboek.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.4.

Primair: het tijdschriftartikel, het octrooi, het proefschrift. Secundair: het overzichtsartikel, het handboek van constanten. Tertiair: het leerboek.

Oefening 33.5 ★★

Bereken de massapercentages C, H en N van cafeïne, $\ce{C8H10N4O2}$ , en beslis of de gevonden waarden C 49.31, H 5.22, N 28.71 % voldoen aan het gebruikelijke criterium van 0.4 punt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.5.

$M = 194.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ : C $96.0/194.0 = 49.48$ %, H $10.0/194.0 = 5.15$ %, N $56.0/194.0 = 28.87$ %. Verschillen 0.17, 0.07 en 0.16 punt: binnen 0.4, de analyse ondersteunt de formule.

Oefening 33.6 ★★

Een monster van $170.0\,\mathrm{mg}$ difenylazijnzuur ( $\ce{C14H12O2}$ ) vereist $0.54\,\mathrm{mL}$ van een butyllithiumoplossing om het gele eindpunt te bereiken. Bereken de titer.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.6.

$170.0\,\mathrm{mg}/212.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 0.802\,\mathrm{mmol}$ ; $c = 0.802\,\mathrm{mmol}/0.54\,\mathrm{mL} = 1.5\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ (twee beduidende cijfers, bepaald door het afgelezen volume).

Oefening 33.7 ★★

Een oude procedure gaf rendementen van 72, 75, 71, 74 en 73 %; een gewijzigde 76, 78, 75, 77 en 79 %. Is de verbetering significant, met de coëfficiënt van Student 2.31 voor 8 vrijheidsgraden bij 95 % (gegevens van de oefening)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.7.

De gemiddelden zijn 73.0 en 77.0 %; beide standaardafwijkingen zijn $\sqrt{10/4} = 1.58$ ; $s_p = 1.58$ . $t = 4.0/(1.58\sqrt{2/5}) = 4.0$ , groter dan 2.31: de verbetering is significant op het niveau van 95 %.

Oefening 33.8 ★★

Twee methoden geven elk zes resultaten, met standaardafwijkingen 0.80 en 0.30 (dezelfde eenheden). Verschillen hun precisies, met een kritieke $F$ van 5.05 voor (5, 5) vrijheidsgraden bij 95 % (gegevens van de oefening)?

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.8.

$F = (0.80/0.30)^2 = 7.1 > 5.05$ : de eerste methode is significant minder precies.

Oefening 33.9 ★★

Stel een plan voor de bewaring en het testen voor van de flessen THF en diethylether van een laboratorium.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.9.

Koop kleine flessen met inhibitor, dateer elke fles bij ontvangst en bij opening, bewaar ze gesloten, donker en koel; test op peroxiden vóór elke destillatie of indamping en op vaste tijdstippen na opening; voer flessen waarvan de datum verstreken is, of die positief testen, af via de route voor gevaarlijk afval zonder ze te concentreren.

Oefening 33.10 ★★★

Een student is van plan een alcohol te deprotoneren met natriumhydride in DMF bij 60 °C op een schaal van 50 g. Breng de gevaren in kaart (ook de thermische gevaren van dit oplosmiddel met de base) en kies beheersmaatregelen volgens de hiërarchie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.10.

Gevaren: vrijkomende waterstof (brand, druk), de reactiviteit van NaH met water, en een bekende exotherme ontleding van DMF met natriumhydride die bij verwarming op hol kan slaan; DMF is bovendien giftig voor de voortplanting. Beheersmaatregelen: vervang het oplosmiddel (THF of 2-methyltetrahydrofuraan) of de base; als men ze behoudt, eerst op kleine schaal, bij lage temperatuur, NaH in porties toevoegen terwijl men de temperatuur volgt, in een zuurkast achter een scherm, met afvoer via een olieslot en een koelbad bij de hand; een schriftelijke procedure, een tweede persoon aanwezig, beschermingsmiddelen als laatste.

Oefening 33.11 ★★★

Plant de relatieve standaardonzekerheden van $I_x$ , $I_s$ (elk 0.50 %), $m_x$ en $m_s$ ( $0.010\,\mathrm{mg}$ op 20.0 en 15.0 mg) en $P_s$ (0.10 %) voort door de qNMR-formule, en geef de relatieve onzekerheid van $P_x$ . Welke term overheerst?

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.11.

Relatieve bijdragen: 0.50, 0.50, $0.010/20.0 = 0.05$ , $0.010/15.0 = 0.067$ en 0.10 %; de gecombineerde onzekerheid is $\sqrt{0.25 + 0.25 + 0.0025 + 0.0044 + 0.010} = 0.72$ %. De twee integralen overheersen: een betere signaal-ruisverhouding en een zorgvuldige basislijn- en fasecorrectie zijn belangrijker dan de balans.

Oefening 33.12 ★★★

Vijf titraties geven 81.2, 82.0, 80.6, 81.5 en 89.0 (in mL). Een toets van Dixon geeft $Q = 0.83$ tegenover een kritieke waarde van 0.71 (gegevens van de oefening). Moet de laatste waarde verworpen worden? Leg uit wat je eerst zou controleren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 33.12.

$Q = (89.0 - 82.0)/(89.0 - 80.6) = 0.83 > 0.71$ : de toets signaleert de waarde. Controleer vóór de verwerping het labjournaal op een oorzaak (een verkeerd afgelezen buret, een luchtbel, een andere partij titrant); als er een gevonden wordt, verwerp de waarde en vermeld waarom; zo niet, behoud ze, rapporteer de toets, of herhaal de meting.

33.7 Probleem: van kolf tot artikel

Probleem 33.1

Weekendprobleem — van kolf tot artikel, een nieuwe luchtgevoelige verbinding: de synthese van ferroceen onder stikstof, de karakterisering ervan, de zuiverheid met kwantitatieve NMR, en de risicobeoordeling van de procedure

Gegevens van het probleem. Watervrij ijzer(II)chloride (5.00 g) reageert met natriumcyclopentadienide (twee equivalenten, uit cyclopentadieen en natriumhydride in THF) onder stikstof; er wordt 5.86 g oranje ferroceen, $\ce{Fe(C5H5)2}$ , geïsoleerd. De kolven worden gespoeld met drie cycli tot $0.10\,\mathrm{mbar}$ vanaf $1000\,\mathrm{mbar}$ . HRMS geeft $m/z$ 186.0129 voor $\ce{M+}$ ; de elementanalyse C 64.41, H 5.47 %. In $\ce{CDCl3}$ geeft ferroceen een singulet bij 4.16 ppm (10 H). Voor de qNMR geven 20.0 mg monster en 15.0 mg 1,3,5-trimethoxybenzeen (zuiverheid 99.9 %, aromatische singulet bij 6.09 ppm, 3 H) $I_x/I_s = 3.942$ , met relatieve standaardonzekerheden van 0.50 % voor elke integraal, $0.010\,\mathrm{mg}$ voor elke massa en 0.10 % voor $P_s$ .

Deel I — Synthese onder stikstof.

Schrijf de vergelijking van de synthese op.
Waarom moet de reactie zonder lucht verlopen?
Bereken de theoretische massa ferroceen en het rendement.
Bereken de luchtfractie die na de drie spoelcycli overblijft.
Hoe wordt cyclopentadieen uit zijn dimeer verkregen, en waarom moet het meteen gebruikt worden?
Waarom wordt het natriumhydride in porties toegevoegd?

Deel II — Karakterisering.

Bereken de exacte massa van $\ce{M+}$ en de fout van de meting in ppm.
Bereken de massapercentages C en H en vergelijk met de analyse.
Waarom vertoont ferroceen één enkel $^1$ H-signaal?
Wat zou $^{13}$ C-NMR tonen?
Welke bijkomende methode zou de sandwichstructuur bewijzen?
Is ferroceen zelf luchtgevoelig eenmaal het gemaakt is? Vergelijk met zijn precursoren.

Deel III — Zuiverheid met qNMR.

Waarom kiest men hier 1,3,5-trimethoxybenzeen als standaard?
Wat moet de NMR-opname garanderen opdat de integralen kwantitatief zijn?
Bereken de molaire massa’s van ferroceen en van de standaard.
Bereken de zuiverheid van het monster.
Bereken haar relatieve en absolute standaardonzekerheid.
Is de elementanalyse verenigbaar met deze zuiverheid?

Deel IV — Risico’s en een laatste meting.

Som de gevaren van de procedure op.
Kies beheersmaatregelen voor natriumhydride en voor THF.
Hoe moet het overtollige natriumhydride op het einde vernietigd worden?
Wat toont een cyclisch voltammogram van ferroceen, en waarom wordt ferroceen als referentie in de elektrochemie gebruikt?
Wat moeten de notitie in het labjournaal en de ondersteunende informatie bevatten?
Waarom moeten de ruwe spectra in een open formaat gearchiveerd worden?
Formuleer het resultaat: de qNMR-zuiverheid van het ferroceenmonster met haar standaardonzekerheid.

Oplossing

Oplossing van Probleem 33.1.

1. $\ce{FeCl2 + 2NaC5H5 -> Fe(C5H5)2 + 2NaCl}$ .

2. Natriumcyclopentadienide wordt door zuurstof en water vernietigd, en ijzer(II)chloride wordt in vochtige lucht geoxideerd tot ijzer(III).

3. $5.00\,\mathrm{g}/126.8\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 0.0394\,\mathrm{mol}$ ; $\times 185.8\,\mathrm{g}/\mathrm{mol} = 7.33\,\mathrm{g}$ ; rendement $5.86/7.33 = 80$ %.

4. $(0.10/1000)^3 = 10^{-12}$ (in theorie).

5. Door het dimeer te verhitten, dat een retro-diels-alderreactie ondergaat, en het vluchtige monomeer af te destilleren; bij kamertemperatuur dimeriseert het monomeer opnieuw via een diels-alderreactie, zodat het koud bewaard en meteen gebruikt wordt.

6. Elke portie zet waterstof en warmte vrij: langzaam toevoegen houdt de gasstroom en de temperatuur onder controle.

7. $186.0126\,\mathrm{u}$ ; fout $+1.4$ ppm.

8. C $120.0/185.8 = 64.58$ %, H $10.0/185.8 = 5.38$ %; gevonden 64.41 en 5.47: verschillen $-0.17$ en $+0.09$ , binnen 0.4.

9. De tien waterstofatomen zijn door de symmetrie gelijkwaardig, en de ringen draaien snel.

10. Eén enkel signaal, omdat alle tien de koolstofatomen gelijkwaardig zijn.

11. Een röntgenstructuur van een éénkristal.

12. Nee: als complex met 18 elektronen (Hoofdstuk 20) is het stabiel aan de lucht, in tegenstelling tot zijn precursoren.

13. Zijn signalen overlappen niet met die van ferroceen, het is een zuivere, niet-vluchtige, niet-hygroscopische vaste stof die nauwkeurig gewogen kan worden, en het is inert tegenover het monster.

14. Volledige relaxatie van elk signaal tussen de scans (een wachttijd van meerdere $T_1$ ), een uniforme excitatie, voldoende signaal-ruisverhouding, en een zorgvuldige fase- en basislijncorrectie.

15. Ferroceen $\ce{C10H10Fe}$ $185.8\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; 1,3,5-trimethoxybenzeen $\ce{C9H12O3}$ $168.0\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

16. $P_x = 3.942 \times (3/10) \times (185.8/168.0) \times (15.0/20.0) \times 0.999 = 0.980$ : 98.0 %.

17. Relatief $\sqrt{0.50^2 + 0.50^2 + 0.05^2 + 0.067^2 + 0.10^2} = 0.72$ %; absoluut $0.72\,\% \times 98.0 = 0.7$ procentpunt.

18. Ja, maar zwak: een onzuiverheid van 2 % met een gelijkaardige samenstelling verandert C en H minder dan de analyse kan detecteren; qNMR is de informatievere zuiverheidsmeting.

19. Natriumhydride (waterstof met water, brand), de vrijkomende waterstof, THF en cyclopentadieen (zeer licht ontvlambaar; THF een peroxidevormer), het hete kraken van het dimeer, ijzer(II)chloride (irriterend), en ferroceen (ontvlambare vaste stof, schadelijk).

20. Natriumhydride: afgewogen als dispersie in olie onder inert gas, in porties toegevoegd aan een geroerde, gekoelde oplossing, het gas afgevoerd via een olieslot, geen water in de buurt. THF: droog en peroxidevrij uit een kolom, gebruikt in de zuurkast onder stikstof.

21. Onder inert gas en met koeling, door langzaam isopropanol toe te voegen, daarna ethanol, daarna water, en telkens te wachten tot de gasontwikkeling stopt.

22. Een reversibele golf met één elektron, $\ce{Fe(C5H5)2+}/\ce{Fe(C5H5)2}$ , met pieken die bij $25\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ ongeveer 59 mV uit elkaar liggen (Hoofdstuk 15); het koppel is snel, stabiel en bijna ongevoelig voor het oplosmiddel, wat er een handige interne referentie van maakt.

23. Het labjournaal: datum, schema, hoeveelheden en herkomst, de risicobeoordeling, wat gedaan en gezien werd, rendementen en de bestandsnamen van de ruwe gegevens. De ondersteunende informatie: de volledige procedure en alle karakteriseringsgegevens met kopieën van de spectra.

24. Zodat anderen, en de auteurs jaren later, ze kunnen openen en opnieuw verwerken, met welke software ze ook hebben: vindbaar, toegankelijk, interoperabel en herbruikbaar.

25. De qNMR-zuiverheid van het ferroceenmonster is $98.0 \pm 0.7$ % (standaardonzekerheid).

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 852 begrippen in de begrippenlijst