Organisch-Chemisches Grundpraktikum Praxisseminar I - Reinigungstechniken 19. April 2010 Inhalt: Umkristallisation Des

1. Organisch-Chemisches Grundpraktikum • Praxisseminar I - Reinigungstechniken • 19. April 2010 • Inhalt: • Umkristallisation • Destillation • Extraktion

2. 0. Allgemeines • Ablauf eines Experiments in der Organischen Chemie: • Literaturrecherche zur geplanten Reaktion (Beilstein, Scifinder) • Erstellen einer Betriebsanweisung (R/S-Sätze, Hinweise zum sicheren Arbeiten, • Verhalten im Gefahrenfall, Hinweise zur Entsorgung) • Probenvorbereitung (Lösungsmitteltrocknung, Reinigung des Ausgangsmaterials) • Durchführung der Reaktion • Aufreinigung des Rohprodukts (Isolierung des Reinprodukts) • Identifizierung und Charakterisierung des Reinprodukts

3. 0. Allgemeines • Bei fast jeder organischen Reaktion liegt das gewünschte Produkt verunreinigt vor. • Zu den häufigsten Verunreinigungen zählen: • nicht reagiertes Ausgangsmaterial/Reagenz im Überschuss • verändertes Reagenz (z.B. nach Oxidation/Reduktion) • Katalysator • gebildete Nebenprodukte (z.B. Regioisomere) • Lösungsmittel

4. 0. Allgemeines • Ziel der Aufreinigung ist eine Abtrennung dieser Verunreinigungen und damit die Isolation einer reinen Substanz. • Die gängigsten Methoden zur Aufreinigung sind: • Umkristallisation (PS I) • Destillation (PS I) • Extraktion (PS I) • Säulenchromatographie (PS II) • Für ein spezifisches Reinigungsproblem führt nicht jede Methode zu einem gleich guten Ergebnis (= reines Produkt)! • Ein selbstständiges Nachdenken über die zu verwendende Methode und dessen resultierende geschickte Wahl ist notwendig, um den gewünschten Erfolg zu erzielen.

5. 1. Umkristallisation Definition: Unter Umkristallisation versteht man das Auflösen einer Substanz in einem geeigneten Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch in der Hitze und die anschließende Auskristallisation der Verbindung aus der gesättigten Lösung in der Kälte. • Anwendungen der Umkristallisation: • Entfernung von Verunreinigungen, die sich in der Hitze nicht lösen (Heißfiltration) • Entfernung von Verunreinigungen, die in der Kälte nicht auskristallisieren → Wahl eines geeigneten Lösungsmittels und die richtige Menge ist entscheidend für den Erfolg einer Umkristallisation! Umkristallisation ist eine HANDWERKSKUNST und bedarf in aller Regel langjähriger Erfahrung!

6. Voraussetzungen: • Substanz ist kristallin • Löslichkeit der Verbindung in einem zu wählenden Lösungsmittel besitzt einen hohen Temperaturgradienten (schlecht löslich bei Raumtemperatur, gut löslich bei der Siedetemperatur) Beispiel: Acetanilid (Praktikumsversuch im EK)

7. Aufbau einer Apparatur zur Umkristallisation 1 Dimrothkühler 2 Rundkolben mit Rührfisch 3 Kühlwasserzulauf 4 Kühlwasserablauf 5 (Kontakt-)thermometer 6 Magnetrührer mit Ölbad 4 3 1 5 2 6

8. Vorgehen der Umkristallisation aus einem Lösungsmittel (Skizze) • Auflösen des Rohprodukts in der Hitze und Auskristallisation in der Kälte • Faustregel: • Kristallkeimbildung erfolgt etwa 100 °C unterhalb des Schmelzpunktes der Substanz am schnellsten • Kristallwachstum erfolgt etwa 30-50 °C unterhalb des Schmelzpunktes der Substanz am schnellsten • Kristalle mittlerer Größe (1-5 mm) besitzen in der Regel die höchste Reinheit! • -> langsames Abkühlen!!

9. Vorgehen der Umkristallisation aus einem Lösungsmittel • Isolierung (Filtration → vgl. AC-Praktikum) • Trocknung im Hochvakuum in einem Exsikkator • (Trockenschrank nur für Glasgeräte!!) • Trocknen bis zur Gewichtskonstanz 1 Kolben mit Kristallisat 2 Nutsche mit Filterpapier 3 GuKoring 4 Saugflasche 5 Woulffsche Flasche 6 Pumpenwagen (leichtes Vakuum) 1 2 3 6 4 5

10. Vorgehen der Umkristallisation aus einem Lösungsmittel • Reinheitskontrolle und Ausbeutebestimmung (Schmelzpunkt, NMR) • bei ungenügender Reinheit: erneute Umkristallisation oder andere Reinigungsmethode • bei schlechter Ausbeute: Mutterlauge einengen und erneute Auskristallisation erzwingen; ggf. erneute Umkristallisation mit neu ausgefallenem Kristallisat (je nach Reinheit)

11. Heißfiltration • Anwendung bei der Entfernung von schwerlöslichen Verunreinigungen aus heißen, gesättigten Lösungen; bei Zugabe von Aktivkohle zur Adsorption von farbigen Verunreinigungen • Probleme: • Kristallisation des Produkts beim Abfiltrieren bereits im Filter/Trichter • zu schnelle Kristallisation im Filtrat • Lösung: • - leichter Überschuss (5-10 Volumenprozent) an Solvens zur Vermeidung spontaner Kristallisation • Warme Glasgeräte zum Filtrieren (Kolben, Trichter) • Trichter mit dickem, kurzen Auslauf • Filter mit heißem Lösungsmittel vorspülen • Filtration unter sehr leichtem Unterdruck zum schnellen Abfiltrieren

12. Vorgehen der Umkristallisation aus einem Lösungsmittelgemisch Lösungsmittelgemisch aus zwei Lösungsmitteln: Einem die Substanz gut lösenden und einem die Substanz schlecht lösenden LM Gängige Lösungsmittelgemische: Ethanol/Wasser; Dioxan/Wasser, Acetonitril/Wasser; Chloroform/Petrolether; Essigester/Petrolether Idealfall für Vorgehen: Umkristallisation direkt aus dem Lösungsmittelgemisch analog zum reinen Lösungsmittel Ansonsten: Lösen der Substanz in der Hitze mit dem gut lösenden Solvens (wenig!) und Zugabe des schlecht lösenden Solvent in der Hitze, bis eine schwache Trübung auftritt, die nach Rühren/Schütteln nicht mehr verschwindet. Wahl eines geeigneten Solvens: Bei der Umkristallisation einer unbekannten Verbindung müssen Vorproben durchgeführt werden.

13. 2. Destillation – Physikalische Grundlagen Jede Verbindung besitzt einen charakteristischen temperaturabhängigen Dampfdruck, der mit steigender Temperatur ansteigt exakter Zusammenhang zwischen Temperatur und Dampfdruck einer Verbindung Clausius-Clapeyron´sche Gleichung Die Temperatur, bei der der Dampfdruck einer Verbindung den Außendruck erreicht, ist der Siedepunkt der Verbindung.

14. 2. Destillation – Physikalische Grundlagen offenes System geschlossenes System

15. Aufbau einer einfachen Destillationsapparatur 1 Destillationskolben 2 Siedesteinchen 3 Destillationsbrücke (Claisenaufsatz mit ab- steigendem Liebigkühler) 4 Kühlwasserzulauf 5 Kühlwasserablauf 6 Vakuumvorstoß 7 Spinne mit Vorlagekolben 8 Stopfen und Schliffthermometer 9 Magnetrührer mit Ölbad 10 (Kontakt-)thermometer 11 (Schliff-)thermometer 11 8 5 10 3 6 1 4 7 2 9 Schliffe der Spinne nicht fetten!

16. Anwendungsbeispiele • Destillation von leichtflüchtigen Substanzen von schwerflüchtigen Komponenten • Trennung von Flüssigkeiten, deren Siedepunkte sich um mindestens 70 °C unterscheiden • Entfernung des Lösungsmittels (nach Extraktion, Säulenchromatographie)

17. Rotationsverdampfer („Roti“) Dampfdruckkurve Faustregel: Reduzierung des Drucks auf die Hälfte 20 mbar (Membranpumpenvakuum) 0.1 - 0.001 mbar (Drehschieberpumpenvakuum) Erniedrigung des Siedepunkts um ~15 °C ~100 °C ~150-170 °C

18. Ideale Mischungen – Raoult´sches Gesetz Der Dampfdruck einer Mischung ist gleich der Summe der Partialdrücke der beiden Komponenten. Die Partialdrücke sind proportional der molaren Anteile der Verbindung in der flüssigen Phase. pMisch = Gesamtdampfdruck über der Mischung pA,pB = Partialdruck der Verbindung A bzw. B über der Mischung p0 = Dampfdruck der reinen Verbindung xA, xB = Molenbrüche für die Verbindungen A bzw. B in Lösung a = Dampfdruckverhältnis der reinen Verbindungen A und B

19. Mit abnehmender Konzentration der niedriger siedenden Komponente während einer Destillation sinkt der Reinheitsgrad des Destillats stark. Die Trennung von Mischungen mit Siedepunktsdifferenzen kleiner als 70 °C erfordert eine Mehrstufendestillation.

20. Aufbau einer Apparatur für eine Mehrstufendestillation (Rektifikation) 1 Destillationskolben 2 Siedesteinchen 3 Destillationsbrücke (Claisenaufsatz mit ab- steigendem Liebigkühler) 4 Kühlwasserzulauf 5 Kühlwasserablauf 6 Vakuumvorstoß 7 Spinne mit Vorlagekolben 8 Stopfen und Schliffthermometer 9 Magnetrührer mit Ölbad 10 (Kontakt-)thermometer 11 (Schliff-)thermometer 12 Vigreuxkolonne 11 5 8 6 3 4 10 7 12 1 2 9

21. Mehrstufendestillation

22. Verschiedene Kolonnentypen für eine Mehrstufendestillation Häufig verwendete Füllkörper: Perlen (aus Glas) Ringe: aus Glas (Raschigringe) Maschendraht Wendeln: aus Glas (Wilsonspiralen) aus Metall (Braunschweiger Wendeln) Trennleistung: Leerkörper < Vigreux < Füllkörper

23. Trennwirkung einer Destillationskolonne wird durch die Anzahl der theoretischen Trennstufen (Böden) nth beschrieben. Dampfdruckverhältnis der reinen Verbindungen A und B • nth ist abhängig von: • der Länge der Kolonne • Intensität des Dampf-/Flüssigkeitaustausches • Destillationsgeschwindigkeit zur Einstellung des Gleichgewichts • Wärmeisolierung der Kolonne

24. Kolonnenkopf mit Rücklaufverhältnis Steuerung des Rücklaufverhältnisses (Verhältnis der Menge von entnommendem Destillat zum Rücklauf) Jede Abnahme von Destillat am Kopf der Kolonne bedeutet eine Störung des thermodynamischen Gleichgewichts Dampf/Flüssigkeit in der Kolonne. Die Trennwirkung ist also abhängig von der Destillationsgeschwindigkeit.

25. Aufbau einer Apparatur für eine einfache Vakuumdestillation Schlifffett maßvoll verwenden! Vakuum

26. Nicht ideale Mischungen • Wechselwirkungen zwischen verschiedenartigen Komponenten sind unterschiedlich zu den Wechselwirkungen der reinen Komponenten. Das Siedediagramm weist Kurven mit Minima oder Maxima auf. Die Zusammensetzung der Mischungen an den Extrema werden als azeotrope Mischungen (kurz: Azeotrope) bezeichnet. • eine vollständige Trennung der einzelnen Komponenten solcher nicht idealer • Mischungen ist mittels Destillation nicht möglich. Durch Destillation kann nur eine der beiden Komponenten rein gewonnen werden, die andere nur als Mischung der azeotropen Zusammensetzung.

27. Siedediagramm der Mischung Ethanol - Benzol

28. Siedeverhalten nicht mischbarer Flüssigkeiten mit Azeotrop Naturstoffextraktion Destillative Abtrennung von Reaktionswasser Lösungsmitteltrocknung -> 3. Praxisseminar

29. 3. Extraktion • Physikalische Grundlage: Die unterschiedliche Löslichkeit von Flüssigkeiten und Feststoffen in verschiedenen Lösungsmitteln führt zu einem Verteilungs-gleichgewicht zwischen den Phasen. • Nernst´scher Verteilungssatz: • Anwendungen: • Verteilen einer gelösten Substanz zwischen zwei nicht mischbaren Lösungsmitteln durch Ausschütteln oder kontinuierliche Extraktion (Perforation) • Extraktion fester Stoffe mit kalten oder heißen Lösungsmitteln (PS III) c: Gleichgewichtskonzentration der Substanz A in den Solventien 1 bzw. 2 [mol/L] k: Verteilungskoeffizient (temperaturabhängig!)

30. Mehrmalige Extraktion mit kleinen Solvens-Volumina ergeben eine sehr viel bessere Trennung als die einmalige Trennung mit großen Volumina (3 x 10 mL >> 1 x 30 mL) Beispiel: Substanz A in 100 mL Lösungsmittel 1 wird dreimal mit je 100 mL Lösungsmittel 2 extrahiert (Lösungsmittelkoeffizient k=10). Man erhält 99.92% (Gesamtverbrauch an Lösungsmittel 2 entspricht 300 mL). Für eine einmalige Extraktion bräuchte man über 12 L Lösungsmittel !!

31. Flüssig-Flüssig-Extraktion Praxis: Lösungsmittel 1: organisches Lösungsmittel (Et2O, EtOAc, Pentan, CH2Cl2, CHCl3) Lösungsmittel 2: Wasserphase Ziel: Extraktion des gewünschten Produkts aus der Wasserphase Extraktion von Nebenprodukten in die Wasserphase Austausch und Gleichgewichtseinstellung erfolgt über die Phasengrenze -> große Phasengrenze beschleunigt die Gleichgewichtseinstellung -> „Ausschütteln“

32. Erkennung organische und wässrige Phase vorsichtige Zugabe einiger Tropfen Wasser bzw. des organischen Lösungsmittel an der Innenseite des Scheidetrichters und Verfolgen seiner Laufbahn (alternativ einige Tropfen einer Phase in ein kleines Probengläschen entnehmen und mit einem der beiden Lösungsmittel versetzen; je nach Phasenbildung Rückschluss auf das Lösungsmittel) • Problemlösung bei Emulsionen • Wässrige Lösung etwas Salz zugeben (z.B. NaCl), im Extremfall sättigen • Dichtedifferenz erhöhen (z.B. Petrolether zu spezifisch leichteren organischen Phase oder Tetrachlorkohlenstoff zur spezifisch schwereren organischen Phase) • Warten (z.B. über Nacht) Scheidetrichter mit Stopfen

33. geschätzte Verteilungskoeffizienten k von organischen Substanzen Herabsenken des Verteilungskoeffizienten von Nebenprodukte durch Salzbildung

34. Organischer Trennungsgang - Extraktion

35. wichtige Hinweise: Solvens soll nach Möglichkeit mind. 100 °C tiefer sieden als die Substanz, damit beim Abdestillieren keine Trennprobleme auftreten (Vorteil niedrig siedender Lösungsmittel wie Dichlormethan, Diethylether) Solvens muss gegenüber der Verbindung inert sein (Extraktion von Säurechloride im wässrigen Medium nicht sinnvoll) Bei hoher Wasserlöslichkeit der Substanz: Verwendung polarer organischer Lösungsmittel zum Extrahieren (z.B. Essigester); Aussalzen (Verwendung gesättigter wässriger Lösungen)

36. Trockung Vortrocknen mit gesättigter NaCl-Lösung (Ausnutzen des osmotischen Drucks!) Trocknen über Na2SO4 oder MgSO4 (je nach Substanz)

37. kontinuierliche Extraktion (Perforation) 5 Anwendung bei Verteilungskoeffizienten k < 10 3 Flüssigextraktor nach Kutscher-Steudel 1 Kolben mit Lösungsmittel zur Extraktion 2 Steigrohr 3 Fallrohr mit Trichter und Glasfrittenboden 4 Extraktionsgut 5 Rückflusskühler 2 4 1