Fonte: Laboratorio della Dott.ssa Dana Lashley - College of William and Mary
Dimostrato da: Timothy Beck e Lucas Arney
Molte reazioni in chimica organica sono sensibili all'umidità e devono essere eseguite con un'attenta esclusione dell'acqua. In questi casi i reagenti hanno un'alta affinità di reagire con l'acqua proveniente dall'atmosfera e se lasciati esposti la reazione desiderata non avverrà né darà scarse rese, perché i reagenti sono chimicamente alterati.
Al fine di prevenire reazioni indesiderate con H 2 O questereazionidevono essere effettuate in atmosfera inerte. Un'atmosfera inerte viene generata eseguendo la reazione sotto azoto gassoso, o in casi più sensibili, sotto un gas nobile come l'argon.
Ogni componente in tale reazione deve essere completamente anidro o privo di acqua. Ciò include tutti i reagenti e solventi utilizzati, nonché tutti i bicchieri e le apparecchiature che entreranno in contatto con i reagenti. Le reazioni estremamente sensibili all'acqua devono essere eseguite all'interno di un vano portaoggetti che fornisce un ambiente anidro completamente sigillato sotto il quale lavorare tramite un paio di guanti che sporge verso uno dei lati della camera.
Essiccazione di bicchieri
I bicchieri devono essere completamente asciutti durante l'esecuzione di reazioni con molecole sensibili all'acqua. Il vetro, che consiste di biossido di silicio (SiO2), ha tracce microscopiche di acqua adsorbita alla sua superficie, anche quando sembra secca agli occhi. I legami Si-O attirano l'acqua e di conseguenza un film di molecole d'acqua inizia a rivestire la superficie del vetro e si accumula nel tempo. Per liberare il bicchiere dall'acqua può essere asciugato durante la notte in forno o in alternativa asciugato a fiamma direttamente prima di condurre la reazione. Evitare di lavare i bicchieri lo stesso giorno in cui si esegue una reazione al suo interno. Nota: per reazioni poco sensibili all'acqua è possibile risciacquare la vetreria con acetone direttamente prima dell'uso. Questo metodo di essiccazione è assolutamente insufficiente per reazioni come la reazione di Grignard.
Vantaggi e svantaggi dei diversi metodi:
L'essiccazione della vetreria in un forno richiede molto tempo, ma è anche molto comoda e funziona bene per tutti i tipi di bicchieri. L'essiccazione a fiamma dei bicchieri è molto più rapida, ma richiede l'installazione di un bruciatore Bunsen (che è sempre un ulteriore problema di sicurezza) e non può essere utilizzata con fiale coniche. A causa dello spessore della base rispetto al resto della fiala conica, la tensione creata durante il riscaldamento può causare crepe nel vetro. Mentre l'essiccazione della vetreria con acetone è una soluzione molto rapida per le reazioni che non sono eccessivamente sensibili, si dovrebbe sempre tenere a mente i rifiuti di solvente generati e il costo e l'onere ambientale associati a ciò.
Essiccazione dei solventi
Esistono molte tecniche diverse per l'essiccazione di solventi con vari gradi di efficacia. Alcuni laboratori utilizzano sistemi disponibili in commercio per l'essiccazione dei solventi. Questi sistemi impiegano i cosiddetti treni di essiccazione e possono asciugare diversi tipi di solventi contemporaneamente. Questo metodo è molto sicuro e conveniente ma piuttosto costoso e non disponibile nella maggior parte dei laboratori. I valori di contenuto di acqua residua di 1-10 ppm possono essere raggiunti in questo modo.
Un altro metodo di essiccazione dei solventi è l'uso di metalli altamente reattivi come il sodio nei cosiddetti alambidi solventi. Questo metodo pone diversi problemi di sicurezza a causa del rischio di incendi ed esplosioni e di solito non viene eseguito dagli studenti nei laboratori universitari. È tuttavia frequentemente utilizzato nei laboratori di ricerca da studenti e professionisti più avanzati. Gli alambicchi solventi forniranno solventi abbastanza secchi e dovrebbero essere impiegati per un'essiccazione estensiva di eteri (THF, dietiletere, ecc.) o idrocarburi. Nota: questo metodo non deve mai essere utilizzato per l'essiccazione di solventi clorurati perché potrebbe verificarsi una reazione esplosiva. Quando si asciuga con metallo di sodio, un indicatore chiamato benzofenone viene utilizzato per monitorare i progressi dell'essiccazione. In presenza di acqua la soluzione sarà limpida o gialla, ma quando il solvente è asciutto la soluzione sarà blu o viola. Il benzofenone è un chetone e reagisce con il sodio metallico (Na0) in un radicale chetilico, che ha un colore blu /viola. In presenza di acqua il radicale viene protonato per dare un prodotto incolore. Il contenuto di acqua residua ottenuto con questo metodo è in genere di circa 10 ppm.
L'acqua può anche essere rimossa da reagenti liquidi o solventi mediante l'uso di essiccanti o agenti essiccanti. Questi sono solidi altamente igroscopici, il che significa che assorbono facilmente e quindi rimuovono l'acqua da un liquido organico. Negli ultimi anni è stato sviluppato un metodo molto efficace utilizzando setacci molecolari per l'essiccazione di vari solventi. Questo metodo è molto più conveniente dell'uso di alambini di solventi metallici attivi e aggira i problemi di sicurezza di tale metodo. I setacci molecolari sono comunemente usati e probabilmente l'essiccante più efficace attualmente disponibile. Sono un materiale microporoso fatto di alluminosilicati di sodio e calcio. Le dimensioni dei pori dei setacci molecolari possono variare tipicamente tra 2-5 Å (0,2-0,5 nm) e vengono utilizzate per intrappolare o assorbire piccole molecole mentre le molecole più grandi non si adattano ai pori. I setacci molecolari sono disponibili in polvere o in forma di perlina e possono essere utilizzati per intrappolare l'acqua (una piccola molecola) rimuovendola così da un altro liquido con una dimensione molecolare maggiore. I setacci molecolari sono anche componenti comuni dei prodotti della vita di tutti i giorni, ad esempio le lettiere per gatti. I setacci molecolari vengono attivati in forno a temperature superiori a 300 °C a pressione atmosferica per un minimo di 3 ore ma meglio durante la notte. In un forno sottovuoto sarà sufficiente una temperatura di circa 200 °C. Questo processo di attivazione rimuove tutta l'acqua con cui i pori sono saturi anche in una bottiglia di setacci molecolari appena acquistata e appena aperta. Dopo l'attivazione, i setacci molecolari devono essere conservati in un forno di essiccazione convenzionale a temperature superiori a 120 °C o in un essiccatore per diverse settimane prima di richiedere la riattivazione. Nota: se i setacci molecolari sono ancora attivi può essere facilmente determinato posizionando una piccola quantità di perle in una mano guantata seguita da due equivalenti di volume d'acqua alle perle. Se i setacci sono ancora attivi diventeranno molto caldi al tatto.
I solventi vengono essiccati rimuovendo le perle dal forno o dall'essiccatore e raffreddati a temperatura ambiente prima di aggiungerli a un solvente di scelta. Il solvente viene essiccato sulle pere per almeno 12 ore-5 giorni prima che il solvente sia considerato anidro e possa essere utilizzato in una reazione.
La durata del tempo di conservazione dipende dal solvente, così come la quantità di setacci molecolari richiesti. Questo è tipicamente riportato come il carico % massa/volume (m/v) e descrive la quantità di setacci molecolari utilizzati per volume di solvente. Ad esempio, un m/v del 5% significa che vengono aggiunti 5 g di setacci molecolari per 100 ml di solvente.
Per solventi comuni come il diclorometano (DCM), l'acetonitrile o il toluene un tempo di conservazione di 24 ore su setacci molecolari 3-Å con il 10% m/v è sufficiente per raggiungere valori di ppm molto bassi per il contenuto di acqua residua (0,1-0,9 ppm). Il tetraidrofurano (THF) d'altra parte deve essere essiccato per una durata di 3 giorni utilizzando il 20% m/v di setacci molecolari 3-Å per raggiungere basse quantità residue di acqua di circa 4 ppm. Gli alcoli di massa inferiore come metanolo o etanolo dovrebbero anche essere conservati circa 5 giorni su setacci molecolari 3-Å e 20% m / v, che produrrà un contenuto di acqua residua di 8-10 ppm. Gli alcoli di peso molecolare più elevato devono essere essiccati utilizzando setacci in polvere da 3 Å piuttosto che perle. I setacci molecolari in polvere assorbono a un ritmo molto più veloce rispetto alle perle. Ciò si traduce in un adsorbimento non selettivo di molecole di solvente che sono di dimensioni abbastanza piccole da competere con l'acqua per l'ingresso nel poro del setaccio(ad esempio piccole molecole di alcol, come il metanolo). Per gli alcoli di grande peso molecolare è sicuro usare la forma in polvere più attiva dei setacci perché sono troppo grandi per competere con l'acqua per i pori. 1 Nota: gli alcoli sono in genere molto igroscopici e non è possibile raggiungere quantità di acqua residua molto basse. La Tabella 1 riassume i risultati per i solventi comuni sopra descritti.
Si noti che le perle 4-Å leggermente più grandi vengono utilizzate per l'essiccazione di ammine, dimetilformammide (DMF) ed esalmetilfosforammide (HMPA) conservandole sulle perle usando il 5% p / v per almeno 24 ore. I setacci molecolari non devono essere usati per essiccare l'acetone, perché sono basici e inducono una reazione aldolica nell'acetone.
Un altro grande vantaggio dei setacci molecolari è che possono essere riciclati risciacquandoli accuratamente con un solvente organico volatile, seguito dall'essiccazione a 100 °C per alcune ore prima (o in alternativa all'essiccazione all'aria) prima di riattivarli come al solito a temperature superiori a 300 °C per almeno 3 ore. L'acetone può auto-accendersi ad alte temperature di > 400 °C. Quindi bisogna essere sicuri che sia completamente evaporato prima di spostare le pere nel forno ad alta temperatura. Nota: nei laboratori universitari i solventi vengono talvolta essiccati utilizzando gli agenti essiccanti elencati nella Tabella 2 nella sezione seguente. Questo metodo è sufficiente per reazioni che non sono molto sensibili all'acqua ma non rendono solventi sufficientemente secchi per eseguire reazioni sensibili come una reazione di Grignard.
Solvente | % m/v | Tempo di conservazione del solvente su setacci molecolari 3 Å | Contenuto di acqua residua (ppm) |
DCM | 10% | 24 ore | ~0,1 |
Acetonitrile | 10% | 24 ore | ~0,5 |
Toluene | 10% | 24 ore | ~0,9 |
THF · | 20% | 3 giorni | ~4,1 |
Metanolo | 20% | 5 giorni | ~10,5 |
Etanolo | 20% | 5 giorni | ~8,2 |
Tabella 1. Quantità essiccante, tempo di essiccazione e contenuto di acqua residua per vari solventi essiccati su setacci molecolari da 3 Å. 2
Essiccazione dei reagenti
I reagenti in una reazione chimica possono essere solidi o liquidi (e in casi molto rari gas). Per asciugare i solidi vengono impiegati metodi diversi da quelli utilizzati per asciugare i liquidi.
I reagenti liquidi possono generalmente essere resi anidri con metodi simili a quanto per i solventi sopra descritti. I reagenti appena acquistati sono spesso sufficientemente anidri. I reagenti devono essere essiccati se non sono freschi o se sono stati sintetizzati come parte di una sintesi a più fasi. In una sintesi a più fasi il prodotto di una fase di reazione è il reagente per la fase successiva. La formazione del prodotto di molte reazioni richiede una fase di tempra, il che significa contatto con una grande quantità di acqua. Successivamente il prodotto, sia esso solido o liquido, deve essere essiccato al fine di garantire condizioni anidre per la fase successiva. Ciò è garantito in primo luogo dall'estrazione, un metodo con cui la fase acquosa viene separata dalla fase organica rimuovendo così quantità macroscopiche di acqua. Dopo l'estrazione la fase organica, che contiene il prodotto disciolto in un solvente organico, avrà ancora tracce microscopiche di acqua presente. Dopo l'estrazione la fase organica deve essere essiccata su un essiccatore altamente igroscopico che di solito è un sale inorganico. Esistono molti agenti essiccanti diversi e alcuni dei più comuni sono elencati nella Tabella 2.
Ai fini dell'essiccazione, l'agente essiccante viene aggiunto alla fase organica fino a quando l'agente essiccante appena aggiunto non si aggredia più ma rotola liberamente e la soluzione è limpida e non torbia. La fase organica deve essere coperta e conservata sopra l'agente essiccante per un breve periodo di tempo (di solito un'ora) per garantire l'essiccazione. Successivamente l'agente essiccante viene filtrato e il solvente viene rimosso a pressione ridotta in un evaporatore rotante.
Per un prodotto che è un liquido, è possibile ottenere un'ulteriore essiccazione conservandolo su un agente essiccante e distillandolo fresco prima dell'uso. Per un prodotto solido, l'essiccazione si ottiene preferibilmente mediante conservazione in forno sottovuoto ad una temperatura inferiore al suo punto di fusione (mp). Ad esempio, se il mp del solido è inferiore a 100 °C, il forno deve essere impostato su una temperatura di circa 15-20 °C al di sotto del suo mp. L'acqua evaporerà ancora nel tempo e il vuoto applicato accelererà il processo. In alternativa il solido può essere essiccato mediante stoccaggio all'interno di un essiccatore sottovuoto su un apposito agente essiccante (tipicamente P2O5). Questo può essere indicato per i casi in cui l'mp del solido è estremamente basso (inferiore a ~ 50 ° C) o quando non è disponibile un forno a vuoto. Dopo l'essiccazione, il reagente anidro deve essere conservato in una bottiglia in atmosfera inerte (N2o Ar) e il coperchio del flacone deve essere sigillato ermeticamente con Parafilm. Il flacone deve essere conservato all'interno di un essiccatore fino a quando il reagente non è necessario. Nota: alcuni reagenti solidi, come il magnesio metallico per una reazione di Grignard, possono essere essiccati all'interno dell'apparecchio durante il processo di essiccazione a fiamma.
I reagenti liquidi possono in alternativa essere essiccati mediante setacci molecolari come descritto nella sezione precedente per i solventi. Questo è indicato quando è necessario asciugare grandi quantità di un reagente. In genere i reagenti nelle sintesi su piccola scala sono usati in piccole quantità (pochi ml o meno). L'essiccazione di quantità così piccole con setacci molecolari non è pratica e l'essiccazione con i metodi di cui sopra dovrebbe essere sufficiente.
Agente essiccante | Capacità | Velocità | Idoneità |
Na2SO4 | alto | basso | Generalmente utile |
MgSO4 | alto | alto | Generalmente utile |
CaCl2 | alto | Medio | Utile per gli idrocarburi* |
CaSO4 | basso | alto | Generalmente utile |
* I liquidi organici che non sono idrocarburi, come alcoli, ammine e diversi composti contenenti carbonile vengono assorbiti anche da CaCl2. Non può essere usato per asciugare questi liquidi, ma può aiutare a rimuovere questi tipi di impurità da un idrocarburo. |
Tabella 2. Gli agenti essiccanti più comunemente usati nei laboratori biologici.
Essiccazione di bicchieri
1. Essiccazione in forno
2. Essiccazione a fiamma
Nota: durante il processo di essiccazione a fiamma non avere mai alcun solvente o la barra magnetica all'interno del pallone né alcuno dei reagenti, a meno che non sia specificamente richiesto dalla procedura. (Tuttavia, quando si esegue la reazione di Grignard va bene lasciare i trucioli di magnesio nel pallone durante l'essiccazione a fiamma).
3. Essiccazione con acetone
Essiccazione dei solventi
1. Essiccazione con metallo di sodio attivo
2. Essiccazione su setacci molecolari
Essiccazione dei reagenti
1. Essiccazione della fase organica dopo l'estrazione
2. Essiccazione dei reagenti solidi
3. Essiccazione di reagenti solidi sensibili al calore
Un esempio classico di reazione che deve essere fatta in condizioni anidre è la reazione di Grignard. (Equazione 1)
Nella prima fase della reazione, l'attacco nucleofilo del reagente di Grignard RMgX si verifica su un elettrofilo (in questo caso un chetone). In questa fase è imperativo che non siano presenti nemmeno le più piccole tracce di acqua. Il reagente di Grignard, pur essendo un forte nucleofilo, è una base ancora più forte. In presenza di acqua fungerà preferenzialmente da acqua base e deprotonata, con conseguente perdita del reagente nucleofilo di Grignard e formazione di un alcano, un sottoprodotto indesiderato. (Equazione 2)
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