Organisch-Chemisches Grundpraktikum Praxisseminar II 23. April 2010 Inhalt: Wiederholung

1. Organisch-Chemisches Grundpraktikum • Praxisseminar II • 23. April 2010 • Inhalt: • Wiederholung • Chromatographie • Trockenes Arbeiten 1

2. 4. Chromatographie Definition: Unter dem Schlagwort Chromatographie werden alle Trennverfahren zusammengefasst, deren Trennwirkung auf der Verteilung eines Stoffes zwischen einer mobilen und einer stationären Phase beruht. Beispiele: 2

3. Theorie: Verhältnis der Konzentrationen in der stationären (cs) und mobilen (cs) Phase  abhängig von der Polarität des Lösungsmittels und der Art der stationären Phase Verteilungskoeffizient Volumenverhältnis der mobilen (Vs) und der stationären (Vs) Phase Phasenverhältnis Kapazitätsfaktor vgl. Nernst`sches Verteilungsgesetz !! Der Kapazitätsfaktor ist ein systemunabhängiges Maß (Säulenlänge, Fließ-geschwindigkeit) für die Wanderungsgeschwindigkeit in einem chromatographischen System. Je größer k‘ desto größer die Retention. 3

4. … alles klar?? • Take-home-Messages I: • Silica oder Aluminium-Oxid (die beiden Standard-Stationärphasen) sind hochgradig polare Phasen • Je nach Wechselwirkung des zu reinigenden Stoffs mit dieser polaren Phase benötigt man eine mehr oder weniger polare mobile Phase (= Laufmittel) • unpolarer Stoff – wenig Wechselwirkung mit der stationären Phase unpolares Laufmittel – (Cyclo-)Hexan (seltener Dichlormethan) • polarer Stoff – starke Wechselwirkung mit der stationären Phase polares Laufmittel – Ether, Ethylacetat, Methanol • Eluotrope Reihe (Lösungsmittel sortiert nach ansteigender Polarität) Hexan < Toluol < Diethylether < Essigester < Aceton < Propanol < Ethanol 4

5. Dünnschicht-Chromatographie Rf = 3,6 cm : 6 cm = 0,5666 = 0,57 5

6. Detektion • UV: typischerweise zwei Wellenlängen: 254 nm und 366 nm • Oxidative Färbung • Schwefelsaure Cer(IV)-Ammoniummolybdat-Lösung • Basische Kaliumpermanganat-Lösung • ACHTUNG: Alle drei Methoden erlauben KEINE Quantifizierung • Fluoreszenz-Intensität ist deutlich weniger übertragbar als Absorption • Färbung ist abhängig von Oxidierbaren funktionellen Gruppen (prim. Sek. Alkohole, Amine, Aromaten, etc.) 6

7. Dünnschicht-Chromatographie • (sehr) schnelles (~ 5 min.) und (hoch-)empfindliches chromatographisches Verfahren • Nachweisgrenze abhängig von der Detektierbarkeit • etwa oberer ng bis mittlerer µg Bereich • DIE Standardmethode zur Reaktionskontrolle (vulgo tüpfeln) • kaum geeignet zur präparativen Gewinnung der getrennten Komponenten • die einzige Methode eine präparative Säulenchromatographie vorzubereiten/optimieren 7

8. Säulen-Chromatographie • Sand auf die Fritte geben und mit Laufmittel überschichten • Eine Suspension des Adsorbens im Laufmittel in die Säule gießen, ohne den Sand aufzuwirbeln • Die Suspension absetzen lassen und das überstehende Lösungsmittel ablassen • Die gesetzte Suspension mit Sand bedecken • Das zu trennende Gemisch in möglichst wenig Lösungsmittel gelöst gleichmäßig verteilen • Die Säule (anfangs sehr) vorsichtig mit Laufmittel auffüllen 8

9. Systematische Optimierung einer Säulenchromatographie • Angemessene Adsorbens-Menge • nicht zu wenig (schlechte Trennleistung) • Nicht zu viel (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte Detektierbarkeit wegen niedriger Konzentration im Eluat • Faustregel: ca. 25 – 100 g Silica pro Gramm Rohprodukt • Laufmittel • nicht zu polar (schlechtere Trennung, alles in den ersten Reagenzgl.) • nicht zu unpolar (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte Detektierbar-keit wegen sehr breiter – und damit flacher – Banden • Faustregel: Der Rf-Wert der ERSTEN zu isolierenden Komponente sollte bei ca. 0.3 liegen – bei einem dicht folgenden Spot etwas niedrigerBei mehreren Spots über einen breiten Rf-Bereich Laufmittel unter-schiedlicher Polarität verwenden (Gradient) 9

10. Typische, reale Chromatogramme – Tailing 10

11. Typische, reale Chromatogramme – zu polares Laufmittel bei Trennproblem 11

12. 5. Trockenes Arbeiten Unter „trockenem Arbeiten“ versteht man das Arbeiten unter Wasser- und meist auch Sauerstoff-Ausschluss. Hintergrund: Wasser kann sowohl als Nucleophil/(Lewis-)Base als auch als Elektrophil/(Lewis-)Säure Reaktionen stören. Beispiele: 12

13. Konsequenz: Alle Reagenzien und vor allem (alle) Lösungsmittel müssen in wasserfreier Form vorliegen • Trocknungsmethoden: • Physikalisch • Destillation: Meist azeotrope Entfernung des enthaltenen Wassers • Benzol oder Toluol (die ersten 10% des Destillats werden verworfen) • Technisch trockenes Ethanol (Azeotropierung mit Cyclohexan) • Adsorption an hochgradig getrockneten Adsorbentien • Aluminiumoxid • Molsiebe (v. a. 3 und 4 Å) • seltener: wasserfreie Salze (Na2SO4, MgSO4, NaCO3, etc.)oder wasserfreie Oxide/Hydroxide (CaO, NaOH, KOH) • Chemisch: Wasser reagiert mit dem Trocknungsmittel und wird zusammen mit dem entstehenden Nebenprodukt abgetrennt • Alkalimetalle (Na, K, Na/K) • Hydride (CaH2, seltener LiAlH4) • seltener: P2O5 13

14. Chemische Trocknungsmethoden – einige Details Grundlegende Reaktionen: Indikator (bei Trocknung mit Natrium tiefblau farblos 14

15. Anwendungsbereiche • Ether (Diethylether, Tetrahydrofuran): klassisch Na, Na/K; modern: Molsiebe • Benzol/Toluol: Vortrocknung durch Destillation, Trocknung über Na/K oder Alox • Halogenierte Lösungsmittel: klassisch CaH2; modern: Molsiebe!!! NIEMALS über Alkalimetall !!! • Amine, Pyridin: CaH2 • Alkohole: Na oder bei niedrigem Wassergehalt Mg Sonderfall Alkohole / Na 15

16. 1 Stickstofffritte 2 zu trocknendes Lösungsmittel 3 Aluminiumoxid 4 Schlenkkolben 2 3 1 4 Praxis – Physikalische Trocknungsmethoden Trocknung einer kleineren Menge Chlorbenzol über Aluminiumoxid • das Lösungsmittel wird wie bei einer Chromatographie durch das Adsorptionsmittel gedrückt • Unterschied: das ganze wird mit/unter Inertgas (N2 oder Ar) durchgeführt • Für die gängigen Lösungsmittel werden derartige Trocknungen mit Hilfe von Lösungsmitteltrocknungsanlagen getrocknet (SPS = solvent purification system oder vulgoGrubbs-Anlage) 16

17. Praxis – Chemische Trocknungsmethoden Trocknung von Tetrahydrofuran über Natrium 1 Metallwendelkühler 2 Tropftrichter mit Druckausgleich und Entnahme-Möglichkeit 3 Rundkolben mit Natrium-Blättern 4 Heiz-Pilz 1 2 • das im Lösungsmittel enthaltene Wasser reagiert zu Natriumhydroxid und Wasserstoff • die Destillation erfolgt nach Bedarf – wenn Lösungsmittel benötigt wird, wird der Hahn des Tropftrichters geschlossen. Damit wird nicht mehr unter Rückfluss erhitzt sondern das Destillat aufgefangen und über einen seitlich angebrachten Hahn entnommen 3 4 17

18. … und damit es trocken bleibt – klassisch trockenes Arbeiten • wenn Sauerstoff nicht störtDie Apparatur wird im Trockenschrank auf ~80 °C erwärmt und dann zügig zusammengebaut (Stativ-material vorher einrichten). Man lässt dann im Stickstoffstrom abkühlen und setzt dann ein Trocken-rohr (Füllung „Orangegel“ oder CaCl2) auf. • Wenn die Anwesenheit von Sauerstoff störtVorgehen wie oben aber an Stelle des Trockenrohres einen Kern mir Olive und aufgesetztem Luftballon ein-setzen • In beiden Fällen stellt man den Stickstoffstrom ab !! 18

19. … bei höheren Anforderungen – Schlenk-Technik • die Apparatur wird evakuiert (Hochvakuum, <0.1 mbar) und anschließend mit dem Heißluftgebläse („heat-gun“) stark erhitzt (Lufttemperatur > 500 °C) • Man lässt im evakuierten Zustand abkühlen und flutet die Apparatur anschließend mit Schutzgas (Stickstoff oder Argon) mit leichtem Überdruck • An Stelle von Schliffstopfen kommen Gummi-Septen zum Einsatz durch die unter Wahrung der Schutzgas-atmosphäre Reagenzien und Lösungsmittel über Spritzen/Kanülen zugegeben werden können 19