Syntéza organických sloučenin v přítomnosti mikrovln jako výukový experiment

1. Syntéza organických sloučenin v přítomnostimikrovlnjako výukový experiment Karel Kolář Přírodovědecká fakulta UHK Hradec Králové

2. V soudobé organické syntéze je kladen důraz na ekologický aspekt vlastních chemických reakcí, separačních operací a dalších laboratorních činností. • Jedná se o praktické aplikace zásad tzv. Zelené chemie (Green Chemistry),které jsou spojeny s minimální ekologickou zátěží chemických procesů. • Syntetické postupy směřují k: • úspoře materiálu a energií, • eliminaci toxických a ekologicky závadných reaktantů, • omezování tvorby vedlejších produktů a odpadů, • zkrácení doby reakcí.

3. S těmito trendy souvisí provádění organických reakcí v přítomnosti mikrovlnného záření (microwave assisted), které umožňuje např. zvýšení výtěžku a zkrácení doby reakce. Jiný přístup představují reakce prováděné bez použití rozpouštědla, označované jako solvent- free, které umožňují např. omezení rozsahu separačních operací a snížení materiálových nákladů . Vzhledem ke snadné dostupnosti zařízení, které umožňuje provádět fyzikální a chemické operace v přítomnosti mikrovln – mikrovlnné trouby se vytváří široký prostor pro různé typy výukových experimentů. Mezi pokusy se objevují také experimentální úlohy z organické syntézy (např. syntéza acetylsalicylové kyseliny). V této souvislosti jsme navrhli jako vhodný experiment z oblasti organické syntézy přípravu amidů bez rozpouštědla v přítomnosti mikrovlnného záření.

4. Amidy se většinou připravují reakcí halogenidů nebo anhydridů kyselin s amoniakem nebo aminy. Tato reakce je vzhledem k jednoduchému provedení syntézy a vysokému výtěžku běžně používána. R-CO-Cl + R´-NH2 → R-CO- NH-R´ + HCl Z hlediska ekologickéhovyznívá její hodnocení méně příznivě, protože je při syntéze využíváno agresivních sloučenin – chloridů a anhydridů kyselin. Pro náš záměr byla zvolena přímá reakce karboxylové kyseliny s aminem, směs obou látek byla zahřívána v mikrovlnné troubě.

5. Přímá reakce probíhá dvoustupňově. Nejdříve reaguje kyselina s amoniakem (aminem) za vzniku amoniové soli, která zahříváním dehydratuje na amid. R-CO-OH + R´-NH2 → R-CO-O– H3N+-R´ R-CO-O– H3N+-R´ → R-CO- NH-R´ + H2O V našem případě bylo použito kyseliny benzoové a oktylaminu.

6. Vlastní pokus bylrealizován v porcelánovémkelímku, kterýbylumístěn do mikrovlnné trouby(700 W, 2450 MHz). V kelímkubylosmíchánoekvimolárnímnožstvíkyseliny a aminu(0,003 mol). Obsah kelímku po promícháníse stal tuhým v důsledku vzniku amoniové soli. Reakční směsbylazahřívána po dobu 20 min. Po ukončení reakcebyl surový produkt rozpuštěn vchloroformu. Roztok bylprotřepánzředěnoukyselinou chlorovodíkovou(odstranění nezreagovaného aminu) a zředěnýmroztokemhydrogenuhličitanu sodného (odstranění nezreagované kyseliny). Po zahuštění roztoku, filtracípřessloupecsilikagelu a následnémodpařenírozpouštědlabylizolován čistý produkt. Průběhreakcebylkontrolovánchromatografií na tenké vrstvěsilikagelu (obr. č.1, obr.č. 2) s luminiscenčnímindikátorem (λ=254 nm).

7. Uspořádání experimentu

8. CHROMATOGRAFICKÁ ANALÝZA PRODUKTU Reakce kyseliny benzoové s oktylaminem Obr. 2 Produkt reakce kyseliny benzoové a oktylaminu – separace nečistot 1 – standard 2 – reakční směs 3 – reakční směs po promytí roztokem hydrogenuhličitanu sodného Obr. 1 Produkt reakce kyseliny benzoové a oktylaminu 1 – standard 2 – reakční směs A – benzoová kyselina B – N-oktylbenzamid

9. 12 principů Zelené chemie: 1)Prevence vzniku odpadů - omezení tvorby odpadů na minimum 2)Atomová ekonomie - návrh takových syntetických postupů, při kterých by sloučení všech použitých komponent ve finální produkt bylo maximální 3)Chemické syntézy s minimem rizika - použití látek, které nejsou škodlivé pro člověka a životní prostředí 4)Netoxické produkty - produkty reakcí by měly být netoxické 5)Bezpečná rozpouštědla - použití rozpouštědel a dalších pomocných látek pouze, je-li to nezbytné, použitá rozpouštědla by měla mít minimální toxicitu 6)Efektivní využití energie - stanovení energetických požadavků vzhledem k jejich ekonomickému dopadu a dopadu na životní prostředí (reakce za normálního tlaku a teploty) 7)Využití obnovitelných zdrojů energie - volba obnovitelných zdrojů odpovídající možnostem pracoviště

10. 12 principů Zelené chemie: 8)Omezení vzniku vedlejších produktů - návrhy syntéz, při kterých vzniká hlavní produkt, vedlejší produkty se netvoří 9)Využívání katalyzátorů - maximální zastoupení katalyzátorů při syntézách 10)Odbouratelné látky - manipulace s látkami-reaktanty a produkty, které jsou snadno odbouratelné 11)Analýza škodlivin - rozvoj metod pro analýzu toxických látek a jejich monitoring 12)Prevence havárií - opatření, směřující k minimalizaci nehod

11. Děkuji za pozornost