Практикум по орг. химии. Черных.. Практикум по органической химии Учеб пособ для студ вузов IIIIV уровней аккредитации В. П. Черных
 Скачать 18.52 Mb.
|
УДК 547 ББК 24.2 Ч-49 Рекомендовано Министерством образования и науки Украины (письмо № 14/18.2-1856 от 17.12.2001) В подготовке учебного пособия принимали участие: профессор С. Н. КОВАЛЕНКО, профессор Л. А. ШЕМЧУК, доцент Т. А. КОЛЕСНИКОВА, доцент Т. В. ВОШКО, доцент Л. И. БОРЯК, доцент Л. М. ШЕМЧУК, доцент И. В. ОРЛЕНКО, доцент В. Д. ГОРЯЧИЙ, доцент Е. Л. СНИТКОВСКИЙ, ассистент И. Е. БЫЛОВ Р е ц е н з е н т ы: В. П. ХИЛЯ, член-корреспондент НАН Украины, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой органической химии Киевского нацио- нального университета им. Т. Г. Шевченко; Б. А. ПРИЙМЕНКО, доктор фармацевтических наук, профессор, заведую- щий кафедрой органической химии Запорожского государственного меди- цинского университета. ISBN 966-615-084-0 ISBN 966-95981-0-9 УДК 547 ББК 24.2 © Черных В. П., Гриценко И. С., Лозинский М. О., Коваленко З. И., 2002 © Национальная фармацевтическая акаде- мия Украины, 2002 В практикуме изложены техника лабораторных работ, качественный элементный анализ, инструментальные методы исследования органических структур, основы строения, свойства и идентификация органических со- единений. Приведено описание 181 опыта и 58 лабораторных синтезов, а также схемы отдельных промышленных синтезов. По каждой теме предло- жены контрольные вопросы и упражнения. Рассмотрена схема анализа не- известного органического вещества. Издание предназначено для студентов фармацевтических вузов и фа- культетов, может быть рекомендовано для подготовки специалистов меди- цинского, биологического, педагогического, сельскохозяйственного и других профилей. Черных В. П. и др. Ч-49 Общий практикум по органической химии: Учеб. пособ. для студ. вузов III—IV уровней аккредитации/ В. П. Черных, И. С. Гриценко, М. О. Лозинский, З. И. Коваленко; Под общ. ред. В. П. Черных.— Х.: Изд-во НФАУ; Золотые страницы, 2002.— 592 с.: ил. ISBN 966-615-084-0. ISBN 966-95981-0-9. 3 Стремительное развитие органической химии, сопро- вождающееся появлением огромного количества новых веществ, предопределяет необходимость познания и совершенствования приемов эксперимента и методов исследования. Подготовка специалистов различного профиля, которым не- обходимы знания органической химии, требует не только теоре- тической подготовки, но и разносторонних практических навыков и умений в проведении химического эксперимента. «Общий практикум по органической химии» является логиче- ским продолжением учебника В. П. Черных, Б. С. Зименковского, И. С. Гриценко «Органическая химия» и представляет вместе с учеб- ником единый учебно-методический комплекс, который способ- ствует творческому подходу к изучению дисциплины и позволяет понять логическую цепь перехода от простого к сложному. Изда- ние профессионально ориентировано на студентов фармацевти- ческих вузов и факультетов. При подготовке настоящего издания авторы учли многолетний опыт преподавания органической химии на кафедре органической химии Национальной фармацевтической академии Украины и вы- работали свои методические подходы, заключающиеся в представ- лении наряду с богатым экспериментальным материалом методи- ческих разработок отдельных вопросов теоретической органической химии. Практикум включает шесть разделов и приложения. В первом разделе, посвященном технике лабораторных работ, представлены сведения о химической посуде и вспомогательных приспособлениях, рассмотрены основные операции практической работы, способы выделения и очистки веществ, определения важ- нейших физических констант. Во втором разделе освещены методы установления строения органических соединений. Приведены качественный элементный анализ и инструментальные методы исследования структуры орга- нических веществ. От авторов Памяти академика НАН Украины Марковского Л. Н. посвящяается 4 Третий раздел содержит информацию о строении, свойствах и идентификации органических соединений. Авторы излагают мате- риал согласно представлениям классической органической химии. По каждой теме приведены общетеоретические вопросы, ключе- вые термины, контрольные вопросы, упражнения и практические опыты с подробным описанием протекающих химических про- цессов. В разделе представлены физические методы идентифика- ции органичеcких соединений, акцентируется внимание на качест- венных реакциях обнаружения функциональных групп. В четвертом разделе приведены доступные для выполнения в лабораторных условиях синтезы 58 органических соединений. Пятый раздел посвящен анализу неизвестного органического вещества. Студентам предлагается общая схема исследования и установления структуры неизвестного соединения. В шестом разделе приведены отдельные аспекты технологичес- ких процессов промышленного органического синтеза. Приложения включают в себя правила по технике безопаснос- ти и меры по оказанию первой медицинской помощи, краткие сведения о пользовании справочной химической литературой, о приготовлении, свойствах и хранении основных реактивов, об утилизации вредных остатков. Представлены отдельные элементы техники лабораторных работ, правила сборки лабораторных уста- новок и схемы основных приборов для практикума. Ключевые слова внесены в предметный указатель, что значи- тельно облегчает поиск информации. Следует отметить, что, несмотря на профессиональную ори- ентацию практикума на подготовку специалистов в области фар- мации, в нем почти в полном объеме отражена общая программа по органической химии для высших учебных заведений (кроме химических специальностей университетов), поэтому он может быть рекомендован и студентам других высших учебных заведений, где изучаются природные и общехимические дисциплины. Авторы выражают благодарность преподавателям кафедры орга- нической химии Национальной фармацевтической академии Украины за участие в подготовке материала, рецензентам — заве- дующему кафедрой органической химии Киевского национально- го университета им. Т. Г. Шевченко, члену-корреспонденту НАН Украины, доктору химических наук, профессору В. П. Хиле и заве- дующему кафедрой органической химии Запорожского государст- венного медицинского университета, доктору фармацевтических наук, профессору Б. А. Прийменко за ценные замечания и пожела- ния, а также всем, кто принимал участие в подготовке издания к печати. Авторы будут признательны за критические, конструк- тивные замечания и пожелания относительно содержания и оформ- ления учебного пособия. 5 К основной лабораторной химической посуде отно- сятся колбы, стаканы, пробирки, чашки, воронки, холодильни- ки, дефлегматоры и другие сосуды различных конструкций. Чаще всего химическую посуду изготавливают из стекла различных ма- рок. Такая посуда отличается стойкостью к воздействию большин- ства химических реагентов, прозрачна, легко моется. Колбы в зависимости от их назначения изготавливают различ- ной вместимости и формы (рис. 1.1). Рис. 1.1. Колбы: а — круглодонная; б — плоскодонная; в — круглодонные с двумя и тремя горло- винами под углом; г — коническая (колба Эрленмейера); д — колба Кьельдаля; е — грушевидная; ж — остродонная; з — круглодонная для перегонки (колба Вюрца); и — остродонная для перегонки (колба Кляйзена); к — колба Фаворско- го; л — колба с тубусом (колба Бунзена) ТЕХНИКА ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ I.1. ХИМИЧЕСКАЯ ПОСУДА И ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЯ I 6 Круглодонные колбы предназначе- ны для работы при высокой темпера- туре, для перегонки при атмосферном давлении и для работ под вакуумом. Использование круглодонных колб с двумя и более горловинами позволя- ет в процессе синтеза одновременно выполнять несколько операций: при- менять мешалку, холодильник, тер- мометр, капельную воронку и т. п. Плоскодонные колбы пригодны толь- ко для работы при атмосферном дав- лении и для хранения жидких веществ. Конические колбы широко используют для кристаллизации, так как их форма обеспечивает минимальную поверхность испарения. Толстостенные конические колбы с тубусом (колбы Бунзена) при- меняют для фильтрования под вакуумом до 1,33 кПа (10 мм рт. ст.) в качестве приемников фильтрата. Стаканы (рис. 1.2, а) предназначены для фильтрования, выпаривания (при температуре не более 100 °С) и приготовления растворов в лабо- раторных условиях, а также для проведения от- дельных синтезов, при которых образуются плот- ные, трудно извлекаемые из колб осадки. Нельзя использовать стаканы при работе с низкокипя- щими или огнеопасными растворителями. Бюксы, или стаканы для взвешивания (рис. 1.2, б), применяют для взвешивания и хранения летучих, гиг- роскопичных и легкоокисляющихся на воздухе веществ. Чашки (рис. 1.3) исполь- зуют при выпаривании, кри- сталлизации, возгонке, суш- ке и других операциях. Пробирки (рис. 1.4) выпус- кают различной вместимос- ти. Пробирки с конусным шлифом и отводной трубкой применяют для фильтрова- ния небольших объемов жид- костей под вакуумом. Стеклянное лабораторное оборудование включает в себя также соединительные эле- менты (переходы, алонжи, насадки, затворы), воронки (лабораторные, делительные, Рис. 1.4. Пробирки: а — цилиндрическая с развернутым краем; б — цилиндрическая без отгиба; в— остро- донная (центрифужная); г — с взаимозаме- няемыми конусными шлифами; д — с ко- нусным шлифом и отводной трубкой Рис. 1.3. Чашка для химико-лаборатор- ных работ Рис. 1.2. Химическая посуда: а — стакан; б — бюкс 7 капельные, фильтрующие), капельницы, спиртовки, водоструйные насосы, эксикаторы, холодильники, дефлегматоры и др. Соединительные элементы (рис. 1.5) предназначены для сбор- ки на шлифах различных лабораторных установок. Воронки в химической лаборатории используются для налива- ния, фильтрования и разделения жидкостей. Воронки лабораторные (рис. 1.6, а) используются при налива- нии жидкостей в узкогорлые сосуды и для фильтрования раство- ров через бумажный складчатый фильтр. Рис. 1.5. Важнейшие соединительные элементы: а — переходы; б — алонжи; в — насадки; г — трубки соединительные; д — затворы Рис. 1.6. Воронки: а — лабораторная; б — фильтрующая с впаянным стеклянным фильтром; в — делительные; г — капельная с боковой трубкой для выравнивания давления 8 Воронки со стеклянными фильтрами (рис. 1.6, б) применяют обычно для фильтрования агрессивных жидкостей, разрушающих бумажные фильтры. Воронки делительные (рис. 1.6, в) предназначены для разделе- ния несмешивающихся жидкостей при экстрагировании и очист- ке веществ. Воронки капельные (рис. 1.6, г) предназначены для регулируемо- го приливания (добавления) жидких реагентов в ходе проведения синтеза. Они похожи на делительные воронки, но их различное назначение предопределяет некоторые конструктивные особенно- сти. У капельных воронок отвод трубки обычно длиннее, а кран располагается под самим резервуаром. Их максимальная емкость не превышает 0,5 л. Эксикаторы (рис. 1.7) используют для высушивания веществ под вакуумом и для хранения гигроскопичных веществ. Чашки или стаканы с веществами, подлежащими сушке, уста- навливают в ячейках фарфоровых вкладышей, а на дно эксикатора помещают вещество — поглотитель влаги. Рис. 1.7. Эксикаторы: а — вакуум-эксикатор; б — обычный Холодильники (рис. 1.8) лабораторные стеклянные применяют для охлаждения и конденсации паров. Холодильники воздушные (рис. 1.8, а) используют для кипячения и перегонки высококипящих (t кип > 160 °С) жидкостей. Охлаждаю- щим агентом служит окружающий воздух. Холодильники с водяным охлаждением отличаются от воздушных наличием водяной рубашки (охлаждающий агент — вода). Водяное охлаждение применяют для сгущения паров и перегонки веществ с t кип < 160 °С, причем в интервале 120—160 °С охлаждающим аген- том служит непроточная, а ниже 120 °С — проточная вода. Холодильник Либиха (рис. 1.8, б) используют для перегонки жид- костей. Шариковый и спиральные холодильники (рис. 1.8, в—д) наиболее применимы в качестве обратных при кипячении жидкостей, так как имеют большую охлаждающую поверхность. 9 Дефлегматоры (рис. 1.8, е) служат для более тщательного раз- деления фракций смеси при ее дробной (фракционной) разгонке. В лабораторной практике для работ, связанных с нагреванием, применяют посуду из фарфора: стаканы, выпарительные чашки, тигли, лодочки и др. (рис. 1.9). Рис. 1.8. Холодильники и дефлегматор: а — воздушный; б — с прямой трубкой (Либиха); в — шариковый; г — спираль- ный; д — Димрота; е — дефлегматор Рис. 1.9. Фарфоровая посуда: а — чашка выпарительная; б — воронка Бюхнера; в — тигель; г — ступка и пестик; д — ложка; е — стакан; ж — лодочка для сжигания; з — шпатель 10 Для фильтрования и промывания осадков под вакуумом исполь- зуют фарфоровые нутч-фильтры — воронки Бюхнера (рис. 1.9, б). Ступки с пестиками (рис. 1.9, г) предназначены для измельче- ния и смешивания твердых и вязких веществ. Для сборки и закрепления различных приборов в химической лаборатории пользуются штативами с наборами колец, держате- лей (лапок) и зажимов (рис. 1.10). Для фиксации пробирок используют штативы из нержавею- щей стали, сплавов алюминия или пластмассы, а также держате- ли ручные (рис. 1.11). Рис. 1.11. Штатив и держатели для пробирок: а — штатив; б — держатели ручные Герметичность соединения составных частей лабораторных приборов достигается с помо- щью шлифов (рис. 1.12), а так- же резиновых или пластиковых пробок. Пробки подбирают по номерам, которые равны внут- реннему диаметру закрываемой горловины сосуда или отвер- стия трубки. Рис. 1.10. Лабораторный штатив с набором комплектующих частей: а — штатив; б — кольца; в — зажимы; г — держатель Рис. 1.12. Конусные шлифы: а — керны; б — муфта 11 Наиболее универсальным и надежным способом герметизации лабораторного прибора является соединение его отдельных дета- лей с помощью конусных шлифов посредством стыковки наруж- ной поверхности керна с внутренней поверхностью муфты. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Перечислите основные виды колб, применяемых для проведения хи- мических реакций и фильтрования жидкостей. 2. Назовите важнейшие соединительные элементы, предназначенные для сборки лабораторных установок. 3. Перечислите основные виды холодильников, применяемых для охлаж- дения и перегонки высококипящих жидкостей. I.2. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Квалифицированное выполнение химиком-экспери- ментатором практических работ невозможно без знания техники проведения основных операций. Поэтому следует изучить и осво- ить наиболее часто применяемые в лаборатории органической хи- мии операции: нагревание, охлаждение, растворение, высушива- ние, измельчение, перемешивание и др. Их правильное, тщатель- ное и аккуратное выполнение необходимо также для обеспечения безопасных условий труда. I.2.1. НАГРЕВАНИЕ Одним из условий протекания химических реакций в заданном направлении является строгое соблюдение определен- ного температурного режима. Для протекания любой реакции необходимо, чтобы произо- шло столкновение молекул с достаточной энергией активации. Один из факторов повышения этой энергии — нагревание. Зависимость скорости реакции от температуры описывается уравнением Арре- ниуса и правилом Вант—Гоффа, согласно которым при повыше- нии температуры на 10 °С скорость взаимодействия веществ увели- чивается в 2—4 (иногда в 6—7) раза. В химической лаборатории для нагревания используют различ- ные горелки (газовые или жидкостные), электронагревательные приборы, водяной пар и др. Выбор нагревательного прибора про- водится с учетом свойств растворителя и реагирующих веществ, а также температуры, при которой должна проводиться реакция. Горелки. Спиртовая горелка (рис. 1.13, а) представляет собой резервуар из толстостенного стекла, через горлышко которого про- тянут нитяной фитиль или ватный тампон. Горлышко накрывается металлическим или притертым стеклянным колпачком. Для быс- 12 трого нагревания до относительно высоких температур (500 °С) применяются газовые горелки Бунзена и Теклу (рис. 1.13, б, в). Эти горелки представляют собой закрепленную на металлической под- ставке металлическую трубку, в нижней части которой имеются отверстия с приспособлениями для регулировки подачи воздуха. Внимание! При обращении с этими приборами следует соблюдать правила техники безопасности при работе с газом. Рис. 1. 13. Горелки: а — спиртовая; б — газовая Бунзена; в — газовая Теклу Электронагревательные приборы. Среди электронагревательных приборов наибольшее распространение получили: колбонагреватели, плитки, сушильные шкафы, муфельные, тигельные, шахтные печи и бани. При использовании для нагревания непосредственно элект- рических плиток или горелок может происходить местный пере- грев и частичное разложение органических веществ. Для увеличе- ния равномерности нагрева свыше 100 °С применяют асбестовые сетки, электроколбонагреватели из стекловолокна с вплетенными электрическими спиралями (рис. 1.14). Нагревательные бани. При работе со взрывоопасными, легковос- пламеняющимися веществами, для предотвращения местного пере- гревания применяют разного рода нагревательные бани. Теплопрово- дящей средой в нагревательных банях служат: воздух, песок, вода, органические жидкости, металлы, расплавы солей и др. Выбирая определенный тип бани, учитывают свойства реакционной смеси и температурный режим, соблюдение которого необходимо в течение длительного времени. Уровень нагреваемого вещества в посуде дол- жен быть ниже или соответствовать уровню теплоносителя бани. Внимание! Следует помнить, что нельзя хранить огнеопасные ве- щества (эфир, бензол и др.) рядом с местами, где проводится нагре- вание. Воздушные бани (воронка Бабо с газовой горелкой (рис. 1.15) — баня из жаростойкого стекла с небольшой тепловой инерцией) позволяют незначительно увеличивать равномерность нагрева. Мак- симальная температура, достигаемая при использовании воздуш- ной бани с электрическим обогревом, составляет 250 °С. 13 Песочные бани, снабженные электрическими плитками или га- зовыми горелками, обладают большой тепловой инерцией и по- зволяют поддерживать температуру до 400 °С. Посуду с веществами и термометр помещают на глубину 2—5 см в предварительно про- каленный от органических примесей, просеянный белый песок. Жидкостные бани нагревают газовыми горелками или электро- плитками. Если в эксперименте необходимо поддерживать темпе- ратуру, не превышающую 100 °С, используют кипящие водяные бани (рис. 1.16). Емкость с огнеопасными веществами (диэтиловый эфир, эта- нол и др.) постепенно погружают в предварительно нагретую во- дяную баню, устранив источники нагревания. Контролируют тем- пературу смеси и, в случае необходимости, меняют остывшую воду на горячую. Нельзя использовать водяные бани при проведении эксперимента с металлическим калием или натрием. Паровые бани (рис. 1.17) применяют при перегонке легко- летучих, горючих веществ (петролейный эфир, диэтиловый эфир и др.). Масляные бани имеют относительно большую тепловую инер- цию и используются для нагревания в интервале 100—250 °С. Мак- симально достигаемая температура зависит от вида теплоносителя (глицерин — до 200, парафин — до 220 °С). Рис. 1.16. Водяная баня с регу- лятором уровня воды Рис. 1.17. Паровая баня Рис. 1.14. Электроколбонагреватель Рис. 1.15. Воронка Бабо 14 Следует обращать внимание на то, что при попадании воды нагретые минеральные масла пенятся и разбрызгиваются, поэто- му на нижний конец обратного холодильника надевают манжету из фильтровальной бумаги. Для предотвращения воспламенения паров теплоносителя при перегреве баню помещают в вытяжной шкаф, прикрывают асбестовым картоном и рядом с обогревае- мым сосудом располагают термометр с красной чертой, соответ- ствующей температуре воспламенения масла. Внимание! Следует помнить, что нельзя тушить горящие масла водой или песком. Металлические бани используют для нагревания в интервале 200—400 °С, более интенсивное повышение температуры вызыва- ет быстрое окисление поверхности металла. В качестве теплоноси- теля в этих банях используют легкоплавкие сплавы: Вуда (висмут— свинец—олово в соотношении 4 : 2 : 1) с t пл = 71 °С, Розе (вис- мут—свинец—олово в соотношении 9 : 1 : 1) с t пл = 94 °С, эвтектическую смесь свинца и олова в соотношении 37 : 63 с t пл = 185 °С и др. Внимание! Термометр и сосуды помещают в бани после расплавления и извлекают до затвердения теплоносителей. Термостаты используют для длительного поддержания темпе- ратуры в заданном интервале (рис. 1.18). Рис. 1.18. Термостаты: а — ультратермостат УТ-15; б — микротермостат МТ-0.3 Внимание! Местный перегрев жидкостей выше их температуры кипения может привести к взрыву. Чтобы этого избежать, в холод- ную жидкость погружают запаянные с одной стороны длинные стеклянные капилляры открытым концом вниз или помещают мелкие кусочки обожженного неглазурованного фарфора, кирпи- 15 ча, так называемые «кипятильники». Нагреваясь, они выделяют мелкие пузырьки воздуха, которые обеспечивают перемешивание. «Кипятильники» используются одноразово, так как при охлажде- нии жидкость заполняет их поры. В вакууме кипение регулируется барботированием газа через капилляр. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите виды нагревательных приборов. |