Montagem de um sistema de refluxo para reações químicas aquecidas

Fonte: Laboratório do Dr. Philip Miller — Imperial College London

Muitos experimentos químicos requerem temperaturas elevadas antes de qualquer reação ser observada, no entanto, soluções de aquecimento de reagentes podem levar à perda de reagentes e/ou solvente via evaporação se seus pontos de ebulição forem suficientemente baixos. A fim de garantir a perda de reagentes ou solventes, um sistema de refluxo é usado para condensar quaisquer vapores produzidos no aquecimento e devolver esses condensados ao vaso de reação.

Um sistema de refluxo é normalmente operado usando uma conexão vertical de uma coluna de vidro resfriado com água (condensador de refluxo) à saída do vaso de reação. Este pedaço de vidro consiste em uma coluna jaqueta com entrada de água e portas de saída que permitem que a água da torneira fria flua através da jaqueta externa, enquanto vapores de reação são forçados através da coluna interna. A água fria que flui garante que esses vapores sejam condensados nas paredes da coluna interna e a gravidade devolverá esses condensados ao vaso de reação. Uma vez que um refluxo constante tenha sido alcançado um gotejamento constante de fluido de volta à solução de reação deve ser estabelecido. Desta forma, as reações podem ser deixadas indefinidamente sem nunca precisar de mais solvente para serem adicionadas.  Este vídeo explicará o processo de conexão do vidro e estabelecimento de um refluxo constante.

1. Preparação de Vidros

1. Certifique-se de que o vidro está livre de contaminantes químicos e, se necessário, de umidade, permitindo aquecer em um forno a 100 °C por aproximadamente 30 minutos.
2. Uma vez resfriado, certifique-se de que todas as juntas de vidro moídas estejam livres de contaminantes usando um tecido de limpeza seco ou acetona especialmente feito para aplicações de laboratório.
3. Depois de dissolver regentes em um solvente adequado em um vaso de reação apropriado (tipicamente um frasco de fundo redondo) e adicionar uma barra de agitador magnético, conecte o condensador de refluxo e o vaso de reação através da junta de vidro moído.  Coloque um clipe keck na articulação.
4. Conecte a tubulação de uma torneira de água fria à entrada mais baixa do condensador de refluxo e outro pedaço de tubo da tomada superior a uma pia. Comece a fluir água fria através da jaqueta externa do condensador a tal velocidade que a pia não enchifique demais.

2. Aquecimento de reagentes

1. Usando um agitador de placa quente, submergir o vaso de reação em um banho de aquecimento (óleo ou água) até que o nível do banho esteja logo acima do nível da solução dentro do vaso e segure-se no lugar usando um suporte de anel, grampo e chefe.
2. Comece a mexer a reação. Aqueça o banho a cerca de 15 °C sobre o ponto de ebulição do solvente. Uma vez que o equilíbrio entre evaporação e condensação tenha sido atingido um gotejamento constante de solvente condensado começará a cair de volta no vaso de reação da coluna do condensador.

3. Desmantelamento do aparelho

1. Uma vez passado o tempo desejado, remova o aparelho de vaso de reação/refluxo do banho, apertando-o mais alto no suporte do anel.
2. Deixe que a água continue fluindo através do condensador de refluxo até que a solução tenha atingido a temperatura ambiente.
3. Desligue o fluxo de água e desconecte o condensador do vaso de reação.
4. Esvazie qualquer água restante no condensador na pia e remova a tubulação da entrada e da saída.

O resultado pode ser observado após a caracterização espectroscópica da solução resultante, já que os dois reagentes deveriam ter reagido agora para formar um novo produto. Normalmente, várias estratégias de purificação serão necessárias para separar o produto desejado de reações laterais indesejadas.

Neste exemplo, ocorreu uma reação de transesterização entre o tereftalato de dimetil (DMT) e o etileno glicol para permitir tereftalato de bis (2-hidroxitil) e metanol(Esquema 1). O solvente de refluxo será o metanol que está sendo produzido (b.p. 65 °C). Após o aquecimento do material inicial (Figura 1) sob refluxo por 45 min, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) pode ser usada para garantir a formação do produto, como mostra a Figura 2.

Esquema 1. Reação de transesterização entre o tereftalato de dimetil e o etileno glicol.

Figura 1. ¹ Espectro H NMR de material inicial: dimephtalato (DMT).

Figura 2. ¹ Espectro de H NMR do produto: bis (2-hidroxitil) tereftalato.

Realizar reações sob refluxo é uma técnica importante para entender. Além de fornecer um sistema pelo qual solventes e reagentes voláteis são reciclados, ele também permite um controle fino da temperatura de reação, pois isso será mantido constante no ponto de ebulição do solvente escolhido. Por escolha cuidadosa de solvente, pode-se controlar a temperatura dentro de uma faixa muito estreita.

Técnicas mais avançadas podem utilizar solventes de refluxo para executar técnicas de purificação sofisticadas, como extrações de Soxhlet ou destilação fracionada. O posterior é usado industrialmente em grande escala, por exemplo, em refinarias de petróleo, a fim de separar o petróleo bruto em várias frações de gasolina de diferentes pontos de ebulição.

1. Krell, E. Handbook of Laboratory Distillation. Berlin: Elsevier (1982).