Въведение: В книгата са представени всички видове химични вещества, които се използват в химията.
Само около 80% от реакциите в органичната лаборатория включват стъпка, наречена рефлуксиране. Използвате реакционен разтворител, за да поддържате материалите разтворени и при постоянна температура, като кипвате разтворителя, кондензирате го и го връщате в колбата. Методът на рефлукса се използва широко и при синтеза на наркотици, като амфетамин и метамфетамин и други фенилетиламини, LSD, някои синтетични канабиноиди, изомеризация на CBD, MDMA и много други случаи. Тази техника е доста проста, но не трябва да подценявате опасността от нея и да вземате всички предпазни мерки.
Преглед на рефлукса.
Постановката за рефлукс (фиг. 1) позволява на течността да кипи и да кондензира, като кондензираната течност се връща в първоначалната колба. Рефлуксната уредба е аналогична на дестилацията, като основната разлика е вертикалното разположение на кондензатора. По време на активния рефлукс течността остава на температурата на кипене на разтворителя (или разтвора).
Апаратът за рефлукс позволява лесно нагряване на разтвора, но без загуба на разтворител, която би се получила при нагряване в отворен съд. В рефлуксния апарат парите на разтворителя се улавят от кондензатора и концентрацията на реагентите остава постоянна по време на целия процес. Основната цел на рефлуксацията на разтвор е контролираното му загряване при постоянна температура. Представете си например, че искате да нагреете разтвор до 60 ℃ за един час, за да проведете химична реакция. Трудно би било да се поддържа топла водна баня с температура 60 ℃ без специално оборудване и би било необходимо редовно наблюдение. Ако обаче разтворителят е метанол, разтворът може да се загрее до рефлукс и ще поддържа температурата си без редовно наблюдение при температурата на кипене на метанола (65 ℃). Вярно е, че 65 ℃ не е 60 ℃ и ако специфичната температура е от решаващо значение за реакцията, тогава ще е необходимо специализирано оборудване за нагряване. Но често температурата на кипене на разтворителя се избира като температура на реакцията поради нейната практичност.
Процедури стъпка по стъпка.
1. Изсипете разтвора, който ще се рефлуксира, в колба с кръгло дъно и я закрепете към пръстеновидна стойка или решетка с помощта на удължителна скоба и малко гумено уплътнение (фиг. 2 а и видео). Колбата не трябва да е пълна повече от половината. По неизвестни причини на фигурите няма гумени уплътнения. Ако използвате високотемпературно варене (>150 ℃) или нагряване с пламък, те не могат да се използват.
2. Добавете бъркалка или няколко камъка за варене за предотвратяване на удари. Не трябва да се използват врящи камъни при рефлуксиране на концентрирани разтвори на сярна или фосфорна киселина, тъй като те ще оцветят разтвора. Например, когато се използва бъркалка за предотвратяване на удар при концентрирана сярна киселина, разтворът остава безцветен (фиг. 2 б). Когато същата реакция се провежда с помощта на кипящ камък, разтворът потъмнява по време на нагряването (фиг. 2 в) и в крайна сметка целият разтвор придобива наситено лилаво-кафяв цвят (фиг. 2 г).
2. Добавете бъркалка или няколко камъка за варене за предотвратяване на удари. Не трябва да се използват врящи камъни при рефлуксиране на концентрирани разтвори на сярна или фосфорна киселина, тъй като те ще оцветят разтвора. Например, когато се използва бъркалка за предотвратяване на удар при концентрирана сярна киселина, разтворът остава безцветен (фиг. 2 б). Когато същата реакция се провежда с помощта на кипящ камък, разтворът потъмнява по време на нагряването (фиг. 2 в) и в крайна сметка целият разтвор придобива наситено лилаво-кафяв цвят (фиг. 2 г).
3. Поставете гумените маркучи върху кондензатора (първо намокрете краищата им, за да могат да се плъзгат), след което прикрепете кондензатора вертикално към колбата с кръгло дъно. Ако използвате висок кондензатор, закрепете кондензатора към пръстеновидна стойка или решетка (фиг. 3 а). Уверете се, че кондензаторът приляга плътно към колбата. Бележка за безопасност: ако частите не са свързани правилно и излязат запалими пари, те могат да се възпламенят от източника на топлина. Не свързвайте колбата с кръгло дъно и кондензатора с пластмасова щипка, както е показано на фиг. 3 с. Пластмасовите щипки понякога могат да се повредят (особено когато се нагряват), а тази настройка не позволява надеждно отстраняване на колбата от източника на топлина в края на рефлукса.
Забележка: Колкото по-висока е температурата на кипене на вашия разтворител (смес от разтворители), толкова по-кратък е срокът на обратния хладник. Обратно, ако вашият разтворител кипи при ниски температури (етер), използвайте най-дългия обратен хладник на Либиг.
4. Свържете маркуча на долното рамо на кондензатора към кранчето за вода и оставете маркуча на горното рамо да се оттича към мивката (фиг. 3, буква б). Важно е водата да влиза в долната част на кондензатора и да излиза от горната (така водата тече срещу гравитацията), в противен случай кондензаторът ще бъде неефективен, тъй като няма да се напълни напълно.
Забележка: Колкото по-висока е температурата на кипене на вашия разтворител (смес от разтворители), толкова по-кратък е срокът на обратния хладник. Обратно, ако вашият разтворител кипи при ниски температури (етер), използвайте най-дългия обратен хладник на Либиг.
4. Свържете маркуча на долното рамо на кондензатора към кранчето за вода и оставете маркуча на горното рамо да се оттича към мивката (фиг. 3, буква б). Важно е водата да влиза в долната част на кондензатора и да излиза от горната (така водата тече срещу гравитацията), в противен случай кондензаторът ще бъде неефективен, тъй като няма да се напълни напълно.
5. Ако няколко разтвора ще се рефлуксират едновременно (напр. ако много ученици извършват рефлукс един до друг), маркучите от всяка рефлуксна уредба могат да се свържат последователно (фиг. 4). За да се постигне това, горното рамо на "Настройка А", което обикновено се отвежда към мивката, вместо това се свързва с долното рамо на "Настройка Б". Последователното свързване на апаратите свежда до минимум използването на вода, тъй като водата, излизаща от един кондензатор, влиза в следващия. Няколко рефлуксни апарата могат да се свържат последователно, като водният поток трябва да се следи, за да се гарантира, че всички апарати се охлаждат адекватно.
6. Започнете да циркулирате стабилна струя вода през маркучите (не толкова силна, че маркучът да се разлети от високото налягане на водата). Проверете отново дали парчетата стъклени съдове са здраво закрепени едно за друго, след което поставете източника на топлина под колбата. Включете плочата за разбъркване, ако използвате бъркалка.
а) Ако използвате нагревателна мантия, придържайте я на място с помощта на регулируема платформа (напр. телена мрежа / пръстеновидна скоба). Оставете няколко сантиметра под мантията, за да може след приключване на реакцията мантията да се спусне и колбата да се охлади. Ако нагревателната мантия не пасва идеално на размера на колбата с кръгло дъно, обградете колбата с пясък, за да се получи по-добър контакт (фиг. 5 а).
б) Ако използвате пясъчна баня, заровете колбата в пясъка, така че пясъкът да е поне толкова висок, колкото е нивото на течността в колбата (фиг. 5, буква б).
в) Ако настройката евентуално ще бъде оставена без надзор за дълъг период от време (напр. за една нощ), затегнете медна тел върху приставките на маркуча към кондензатора, за да предотвратите промени в налягането на водата, които да доведат до изскачането им.
7. Ако източникът на топлина е бил предварително загрят (по избор), разтворът трябва да започне да кипи в рамките на пет минути. Ако това не стане, увеличете скоростта на нагряване. Подходящата скорост на нагряване е налице, когато разтворът кипи интензивно и се вижда "рефлуксен пръстен" приблизително на една трета от пътя нагоре по кондензатора. Рефлуксният пръстен" е горната граница на мястото, където горещите пари активно кондензират. При някои разтвори (напр. воден разтвор) рефлуксният пръстен е очевиден с лесно видими капки в кондензатора (фиг. 6 а+б). При други разтвори (напр. много органични разтворители) рефлуксният пръстен е по-незабележим, но може да се види при внимателно наблюдение (фиг. 6, буква в). В кондензатора може да се наблюдава едва доловимо движение, тъй като течността капе по страните на кондензатора, или фоновите обекти могат да изглеждат изкривени от пречупването на светлината през кондензиращата течност (на фиг. 6 г полюсът на пръстеновидната стойка е изкривен).
8. Ако следвате процедура, при която трябва да рефлуксирате в продължение на определен период от време (например "рефлуксирайте в продължение на един час"), периодът от време трябва да започне, когато разтворът не просто кипи, а активно рефлуксира в долната трета на кондензатора.
9. Нагряването трябва да се намали, ако пръстенът за рефлукс се изкачи до половината на кондензатора или по-нагоре, в противен случай парите могат да излязат от колбата.
10. След като рефлуксът завърши, изключете източника на топлина и отстранете колбата от нагревателя, като повдигнете апарата за рефлукс нагоре или пуснете източника на топлина надолу (фиг. 7 а).
9. Нагряването трябва да се намали, ако пръстенът за рефлукс се изкачи до половината на кондензатора или по-нагоре, в противен случай парите могат да излязат от колбата.
10. След като рефлуксът завърши, изключете източника на топлина и отстранете колбата от нагревателя, като повдигнете апарата за рефлукс нагоре или пуснете източника на топлина надолу (фиг. 7 а).
Не изключвайте водата, преминаваща през кондензатора, докато разтворът не е топъл само на допир. След няколко минути охлаждане на въздуха колбата с кръгло дъно може да се потопи във водна баня, за да се ускори процесът на охлаждане (фиг. 7, буква б).
Сух рефлукс.
Ако трябва да държите атмосферните водни пари далеч от реакцията си, трябва да използвате сушилна тръба и входен адаптер в уредбата за рефлукс (фиг. 8). Можете да ги използвате, ако трябва да държите водните пари извън всяка система, а не само в настройката за рефлукс.
1. Ако е необходимо, почистете и подсушете тръбата за сушене. Не е необходимо да правите цялостно почистване, освен ако не подозирате, че безводният сушилен агент вече не е безводен. Ако веществото е залепнало вътре в тръбата, то вероятно е мъртво. Трябва да почистите и презаредите тръбата в началото на процедурата. Не забравяйте да използвате безводен калциев хлорид или сулфат. Тя трябва да остане наред при няколко употреби. Ако имате късмет, посочването на Drierite, специално приготвен безводен калциев сулфат, може да бъде смесено с белия Drierite. Ако цветът е син, сушилният агент е добър; ако е червен, сушилният агент вече не е сух и трябва да се отървете от него (вижте " Сушилни агенти " във "Вакуумни сушилни").
2. Поставете хлабава тапа от стъклена вата или памук, за да предпазите сушилния агент от падане в колбата за реакция.
3. Сглобете апарата, както е показано, като сушилната тръба и адаптерът са върху кондензатора.
4. В този момент реагентите могат да се добавят в колбата и да се нагряват с апарата. Обикновено апаратът се нагрява, докато е празен, за да се отблъсне водата от стените на апарата.
5. Загрява се апаратът, обикновено празен, на парна баня, като цялата уредба се завърта на четвърт оборот от време на време, за да се загрее равномерно. Може да се използва горелка, ако няма опасност от пожар и ако нагряването се извършва внимателно. Тежките фуги от шлифовано стъкло ще се напукат, ако се нагреят прекалено много.
6. Оставете апарата да се охлади до стайна температура. Докато се охлажда, въздухът се вкарва през тръбата за сушене, преди да попадне в апарата. Влагата във въздуха се улавя от сушилния агент.
7. Бързо добавете сухите реагенти или разтворители в колбата за реакция и сглобете системата.
8. Проведете реакцията както обикновено като стандартна рефлуксна реакция.
2. Поставете хлабава тапа от стъклена вата или памук, за да предпазите сушилния агент от падане в колбата за реакция.
3. Сглобете апарата, както е показано, като сушилната тръба и адаптерът са върху кондензатора.
4. В този момент реагентите могат да се добавят в колбата и да се нагряват с апарата. Обикновено апаратът се нагрява, докато е празен, за да се отблъсне водата от стените на апарата.
5. Загрява се апаратът, обикновено празен, на парна баня, като цялата уредба се завърта на четвърт оборот от време на време, за да се загрее равномерно. Може да се използва горелка, ако няма опасност от пожар и ако нагряването се извършва внимателно. Тежките фуги от шлифовано стъкло ще се напукат, ако се нагреят прекалено много.
6. Оставете апарата да се охлади до стайна температура. Докато се охлажда, въздухът се вкарва през тръбата за сушене, преди да попадне в апарата. Влагата във въздуха се улавя от сушилния агент.
7. Бързо добавете сухите реагенти или разтворители в колбата за реакция и сглобете системата.
8. Проведете реакцията както обикновено като стандартна рефлуксна реакция.
Добавяне и рефлукс.
От време на време се налага да добавите съединение към дадена инсталация, докато реакцията протича, обикновено заедно с рефлукс. Е, не отваряте системата, не изпускате токсични изпарения и не се разболявате, за да добавите нови реагенти. Използва се фуния за добавяне. Сега, когато разглеждахме стеблото, говорихме за фуниите за добавяне още с разделителните фунии (лабораторна стъклария) и това може да е било объркващо.
Използване на фуния.
Погледнете фиг. 9 а. Това е истинска сепарационна фуния. Тук се поставят течности, разклащат се и се извличат. Но бихте ли могли да използвате тази фуния, за да добавите материал към дадена постановка? Не. няма шлифовано стъклено съединение на края; а само стъклени съединения пасват на стъклени съединения. На фиг. 9в е показана фуния за добавяне с изравняване на налягането. Спомняте ли си, когато ви предупреждаваха да махате запушалката на разделителната фуния, за да не се образува вакуум във фунията, когато я изпразвате? Както и да е, страничното оръжие изравнява налягането от двете страни на течността, която добавяте в колбата, така че тя ще тече свободно, без да се натрупва вакуум и без да се налага да отстранявате запушалката. Това оборудване е много хубаво, много скъпо, много ограничено и много рядко. И ако опитате екстракция в такава колба, цялата течност ще изтече от тръбата на пода, докато разклащате фунията. Така че беше постигнат компромис (фиг. 9б). Тъй като вероятно ще правите повече екстракции, отколкото добавяния, със или без рефлукс, тръбата за изравняване на налягането излезе, но фугата от шлифовано стъкло остана. Екстракции; няма проблем. Характерът на стеблото не е от значение. Но по време на добавките ще трябва да поемете отговорността да се уверите, че няма да се получи неприятно натрупване на вакуум. Можете да отстранявате запушалката от време на време или да поставите на мястото на запушалката тръба за сушене и входен адаптер. Последният предпазва от влага и предотвратява натрупването на вакуум във фунията.
Как да настроите
Съществуват поне два начина за установяване на добавяне и рефлукс, като се използва колба с три гърла или адаптер на Клайзен. Смятам да покажа и двете тези настройки с помощта на тръби за сушене. Те не позволяват на влагата във въздуха да попадне във вашата реакция. Ако нямате нужда от тях, направете го без тях.
Използване на фуния.
Погледнете фиг. 9 а. Това е истинска сепарационна фуния. Тук се поставят течности, разклащат се и се извличат. Но бихте ли могли да използвате тази фуния, за да добавите материал към дадена постановка? Не. няма шлифовано стъклено съединение на края; а само стъклени съединения пасват на стъклени съединения. На фиг. 9в е показана фуния за добавяне с изравняване на налягането. Спомняте ли си, когато ви предупреждаваха да махате запушалката на разделителната фуния, за да не се образува вакуум във фунията, когато я изпразвате? Както и да е, страничното оръжие изравнява налягането от двете страни на течността, която добавяте в колбата, така че тя ще тече свободно, без да се натрупва вакуум и без да се налага да отстранявате запушалката. Това оборудване е много хубаво, много скъпо, много ограничено и много рядко. И ако опитате екстракция в такава колба, цялата течност ще изтече от тръбата на пода, докато разклащате фунията. Така че беше постигнат компромис (фиг. 9б). Тъй като вероятно ще правите повече екстракции, отколкото добавяния, със или без рефлукс, тръбата за изравняване на налягането излезе, но фугата от шлифовано стъкло остана. Екстракции; няма проблем. Характерът на стеблото не е от значение. Но по време на добавките ще трябва да поемете отговорността да се уверите, че няма да се получи неприятно натрупване на вакуум. Можете да отстранявате запушалката от време на време или да поставите на мястото на запушалката тръба за сушене и входен адаптер. Последният предпазва от влага и предотвратява натрупването на вакуум във фунията.
Как да настроите
Съществуват поне два начина за установяване на добавяне и рефлукс, като се използва колба с три гърла или адаптер на Клайзен. Смятам да покажа и двете тези настройки с помощта на тръби за сушене. Те не позволяват на влагата във въздуха да попадне във вашата реакция. Ако нямате нужда от тях, направете го без тях.
Врящи камъни (врящи чипове).
Врящите камъни (или врящите чипове) са малки парчета черна пореста скала (често силициев карбид), които се добавят към разтворител или разтвор. Те съдържат задържан въздух, който излиза навън при нагряване на течността, и имат голяма повърхност, която може да действа като място за образуване на мехурчета от разтворителя. Те трябва да се добавят към хладка течност, а не към такава, която е близо до точката си на кипене, защото в противен случай може да се стигне до силно изригване на мехурчета. Когато течността се довежда до кипене с помощта на камъни за кипене, мехурчетата обикновено се образуват предимно от камъните (фиг. 11б). Камъните за кипене не могат да се използват повторно, тъй като след една употреба пукнатините им се запълват с разтворител и те вече не могат да създават мехурчета.
Врящите камъни не трябва да се използват при нагряване на концентрирани разтвори на сярна или фосфорна киселина, тъй като могат да разградят и замърсят разтвора. Например на фиг. 12 е показана реакция на естерификация на Фишер, при която се използва концентрирана сярна киселина. Когато се използва бъркалка за предотвратяване на удари, разтворът остава безцветен (фиг. 12 а). Когато същата реакция се провежда с помощта на кипящ камък, разтворът потъмнява по време на нагряването (фиг. 12 б) и в крайна сметка целият разтвор придобива наситено лилаво-кафяв цвят (фиг. 12 в). Освен че замърсява разтвора, тъмният цвят затруднява манипулирането на материала с помощта на делителна фуния: на фиг. 12 г са налице два слоя, макар че е много трудно да се видят.
Методи на нагряване и запалимост.
- В някои случаи изборът на източника на топлина е от решаващо значение, докато в други случаи няколко от тях могат да работят еднакво добре. Изборът на източника на топлина, който да се използва, зависи от няколко фактора.
- Наличност (притежава ли вашата институция оборудването?)
- Скорост на нагряване (искате ли да нагрявате постепенно или бързо?)
- Гъвкавост на нагряването (трябва ли топлината да се размахва около апарата?)
- Необходима крайна температура (нискокипящите течности изискват различен подход от висококипящите течности).
- Запалимост на съдържанието
Тъй като безопасността е важен фактор при избора на лаборатория, е важно да се вземе предвид запалимостта на течността, която ще се нагрява. Почти всички органични течности се считат за "запалими", което означава, че са способни да се запалят и да поддържат горене (важно изключение е, че халогенираните разтворители обикновено са незапалими). Това обаче не означава, че всички органични течности ще се запалят веднага, ако бъдат поставени в близост до източник на топлина. Много течности се нуждаят от източник на запалване (искра, запалка или пламък), за да се запалят техните пари - свойство, което често се описва с точката на запалване на течността. Температурата на възпламеняване е температурата, при която парите могат да се възпламенят с източник на запалване. Например температурата на възпламеняване на 70% етанол е 16,6 ℃, което означава, че той може да се запали при стайна температура с помощта на запалка. Бунзеновата горелка е отличен източник на запалване (и може да достигне температура от около 1500 ℃), което прави горелките сериозна опасност за пожар при органични течности и източник на топлина, който често трябва да се избягва.
Друго важно свойство при обсъждане на запалимостта е температурата на самозапалване на течността: температурата, при която веществото се запалва спонтанно при нормално налягане и без наличието на източник на запалване. Това свойство е особено важно, тъй като не изисква пламък (който често се избягва в органичната лаборатория), а само гореща зона. Повърхност на горещ плот, включена на "високо", може да достигне температури до 350 ℃. Бележка за безопасност: тъй като диетил етерът, пентанът, хексанът и нискокипящият петролен етер имат температури на самозапалване под тази стойност (фиг. 14), би било опасно тези разтворители да се варят на котлона, тъй като изпаренията могат да се разлеят от съда и да се възпламенят при контакт с повърхността на котлона. Като цяло трябва да се внимава, когато се използва котлон за нагряване на всяка летлива, запалима течност в отворен съд, тъй като е възможно изпаренията да надхвърлят керамичното покритие на котлона и да се свържат с нагревателния елемент под него, който може да е по-горещ от 350oC. Поради тази причина котлоните не са оптималният избор при нагряване на открити съдове с летливи органични течности, въпреки че в някои случаи те могат да се използват предпазливо, когато са настроени на "ниско" и се използват в добре вентилиран аспиратор.
Друго важно свойство при обсъждане на запалимостта е температурата на самозапалване на течността: температурата, при която веществото се запалва спонтанно при нормално налягане и без наличието на източник на запалване. Това свойство е особено важно, тъй като не изисква пламък (който често се избягва в органичната лаборатория), а само гореща зона. Повърхност на горещ плот, включена на "високо", може да достигне температури до 350 ℃. Бележка за безопасност: тъй като диетил етерът, пентанът, хексанът и нискокипящият петролен етер имат температури на самозапалване под тази стойност (фиг. 14), би било опасно тези разтворители да се варят на котлона, тъй като изпаренията могат да се разлеят от съда и да се възпламенят при контакт с повърхността на котлона. Като цяло трябва да се внимава, когато се използва котлон за нагряване на всяка летлива, запалима течност в отворен съд, тъй като е възможно изпаренията да надхвърлят керамичното покритие на котлона и да се свържат с нагревателния елемент под него, който може да е по-горещ от 350oC. Поради тази причина котлоните не са оптималният избор при нагряване на открити съдове с летливи органични течности, въпреки че в някои случаи те могат да се използват предпазливо, когато са настроени на "ниско" и се използват в добре вентилиран аспиратор.
Тъй като горенето е реакция в парната фаза, течностите с ниски температури на кипене (< 40 ℃) обикновено имат ниски температури на възпламеняване и температури на самозапалване, тъй като имат значителни налягания на парите (фиг. 12). Всички течности с ниска температура на кипене трябва да се третират по-предпазливо, отколкото течностите с умерена температура на кипене (> 60 ℃).
Last edited by a moderator:
