Appareil de Dean-Stark

Source : Vy M. Dong et Jan Riedel, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Un piège de Dean-Stark est une pièce de verrerie, qui permet la collecte de l’eau lors d’une réaction par une distillation azéotropique. Le désir de recueillir l’eau d’une réaction peut avoir diverses raisons. Il peut conduire l’équilibre dans les réactions, où l’eau est formé comme sous-produit. Selon le principe de Le Chatelier, un changement de température, de pression, de concentration ou de volume, entraîne un réajustement d’une réaction réversible pour établir un nouvel équilibre. Une formation d’acétal est une réaction réversible, où l’eau est formé comme sous-produit. Dans ce cas, obtenir de bons rendements est possible de conduire l’équilibre vers le côté du produit par l’intermédiaire de l’élimination de l’eau. Le piège de Dean-Stark a aussi permet la détermination de la teneur en eau ou peut être utilisé pour enlever l’eau d’un mélange de solvant à travers une distillation azéotropique.

Un équilibre de la réaction peut être influencé avec un excès de réactif ou de retrait d’un produit formé afin de faire l’équilibre sur le côté du produit. Équilibres peuvent être également influencés par la température ou la pression. Ce principe est appelé principe de Le Chatelier et stipule qu’un changement de température, de pression, de concentration ou de volume, provoquera un réajustement de la réaction d’établir un nouvel équilibre. En ajoutant un excès de réactif, les changements de concentration et un nouvel équilibre établit, favorisant le côté du produit. Par exemple, l’équilibre d’une hydrolyse de conduite peut être facilement réalisé en ajoutant un excès d’eau.

Qui influent sur l’équilibre d’une réaction où l’eau est formé comme sous-produit, comme une estérification, n’est pas simple et nécessite des verres spéciaux. Cette pièce de verrerie s’appelle un piège de Dean-Stark et contribue à éliminer l’eau formé par le milieu de réaction (Figure 1). Les solvants qui forment un azéotrope avec l’eau, comme le toluène, sont couramment employées. Un azéotrope est un point dans une distillation où la composition de la phase liquide est égale à la composition de la phase gazeuse. Une séparation supplémentaire grâce à une simple distillation au-delà du point azéotropique n’est pas possible. Il s’agit d’un avantage lors de l’utilisation du piège de Dean-Stark pour influencer les équilibres, car elle assurera l’enlèvement continu de l’eau. Par chauffage du mélange réactionnel, l’azéotrope toluène/eau formé va distiller au fil, se condenser dans le condenseur et se jettent dans le piège de Dean-Stark. L’eau et toluène formeront deux couches distinctes avec toluène comme la couche supérieure et de l’eau dans la couche inférieure. Tandis que le toluène peut circuler dans le ballon à réaction, l’eau obtient piégé sous la couche de fond et finalement retiré de l’équilibre de la réaction conduisant ainsi la réaction vers le côté du produit.

La figure 1. Appareil de Dean-Stark

1. préparation

1. Prendre un 250 mL équipé d’une barre d’agitation magnétique ballon à fond rond.
2. Placer un bain d’huile sous le ballon sur un agitateur magnétique.
3. Remplir le ballon à fond rond avec 7,5 g (0,05 mol) m- nitrobenzaldéhyde et ajouter 75 mL de toluène.
4. Ajouter 3,1 mL (3,45 g, mol 0,055) l’éthylène glycol.
5. Fixer le piège de Dean-Stark sur le ballon.
6. Attacher un réfrigérant à reflux sur le dessus de la trappe de Dean-Stark.

2. exécution de la réaction

1. Régler la température de bain d’huile à 170 ° C et la chaleur le mélange réactionnel au reflux.
2. Contrôler la réaction en mesurant la quantité d’eau dans le piège de Dean-Stark.
3. La réaction se faite lorsque aucune autre eau ne se retrouve piégé dans le bras du côté de la trappe de Dean-Stark.
4. Après environ 2 h, le montant total de l’eau recueillie est d’environ 0,8 mL.

3. bilan

1. Libérer l’eau et enlever le solvant organique combiné du mélange réactionnel sous pression réduite dans un évaporateur rotatif.
2. Dissoudre le résidu jaune dans 8 mL d’éthanol sous reflux.
3. Refroidir la solution.
4. L’acétal désiré se cristallisent.
5. Filtrer le solide et le sécher sous pression réduite.

L’eau se forme et se retrouve piégé au cours de la réaction. La quantité théorique d’eau formée lors de la conversion complète peut être calculée et comparée avec la quantité de l’eau emprisonnée pour déterminer la progression de la réaction mesurée.

Cette expérience illustre avec éclat principle de Le Chatelier's et comment il peut conduire à un équilibre.

Dean-Stark pièges sont couramment utilisés pour enlever l’eau à un mélange de solvants dans des circonstances différentes. Par exemple, l’élimination de l’eau par une simple distillation lorsque l’eau ne forme pas un azéotrope avec l’autre solvant, c’est possible avec un piège de Dean-Stark sur son projet. Dans le cas d’une distillation azéotropique, l’ajout d’un entraîneur est nécessaire. Un entraîneur est un solvant organique, qui forme un azéotrope avec l’eau, mais ne se mélange pas avec de l’eau en phase liquide. L’ajout d’un entraîneur assure l’enlèvement continu de l’eau, qui se retrouve piégé dans le bras du côté de la trappe de Dean-Stark. À la différence du piège de Dean-Stark, un appareil de distillation normale nécessite l’ajout continu d’un entraîneur puisque l’entraîneur distillée ne peut pas circuler vers le mélange de solvants.

Le piège de Dean-Stark permet également de conduire les équilibres des réactions, où l’eau forme un sous-produit, comme dans une formation d’esters ou acétals. Grâce à une distillation azéotropique lorsque le solvant est également l’entraîneur, l’eau est enlevée de la réaction et donc de l’équilibre.

Enfin, une distillation azéotropique avec un piège de Dean-Stark peut également servir à déterminer la teneur en eau des solvants ou des mélanges de solvants. Non seulement l’eau peut être retiré avec un piège de Dean-Stark, mais aussi volatils alcools en plaçant 5 Å tamis moléculaires dans le piège.