Методические материалы по органической химии. Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза
 Скачать 3.05 Mb.
|
|
ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ Практикум Екатеринбург Издательство Уральского университета 2020 МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки, 18.04.01 Химическая технология, 04.04.01 Химия 2 УДК 547(075.8) ББК я О-64 В практикуме дано описание методов получения, очистки и первичной идентификации органических соединений, приведен список контрольных вопросов по теории и эксперименту в органическом синтезе, собран материал по общему и специальному лабораторному практикуму для дисциплин Органическая химия, Химия гетероциклических соединений, Химия биологически активных веществ, Тонкий органический синтез, Основы химии элементоргани- ческих соединений». Рекомендуется студентам вуза при изучении различных разделов органической химии и смежных дисциплин. Органический синтез : практикум / Е. Н. Уломский, ЭВ. Носова, И. А. Уте- пова и др ; под общ. ред. И. А. Утеповой ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Уральский федеральный университет. Екатеринбург : Изд-во Урал. унта, 2020. — 114 сил Библиогр.: с. 111— 112. — 100 экз. — ISBN 978-5-7996-3117-8. — Текст : непосредственный О Автор ы: Е. Н. Уломский, ЭВ. Носова, И. А. Утепова, С. Л. Деев, ОН. Чупахин, В. Л. Русинов П од общей редакцией И. А. Утеповой Р е цензе н т ы: кафедра Теоретическая и прикладная химия» Южно-Уральского государственного университета (заведующий кафедрой доктор химических наук, профессор О. К. Шарутина); А. В. Щепочкин, кандидат химических наук, младший научный сотрудник Института органического синтеза УрО РАН Уральский федеральный университет, 2020 УДК 547(075.8) ББК я 3 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ......................................................................................................... Введение .............................................................................................................. 6 1. СИНТЕЗ ........................................................................................................... 7 1.1. Реакционный сосуд .................................................................................... 7 1.2. Перемешивание ................................................................................. ......... 8 1.3. Теплообмен (нагревание, охлаждение и конденсация) ................................. 10 1.4. Измерение и регулирование температуры .................................................... 16 1.5. Прибор для органического синтеза ............................................................. 17 1.6. Реакции в безводной среде и инертной атмосфере ....................................... 18 2. ВЫДЕЛЕНИЕ И ОЧИСТКА ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ .................................. 22 2.1. Выделение твердых веществ из реакционной массы .................................... 22 2.2. Выделение жидких веществ из реакционной массы .................................... 27 2.3. Очистка твердых органических соединений. Перекристаллизация .............. 32 2.4. Хроматография ........................................................................................ 33 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ...................................... 47 3.1. Определение температуры плавления ........................................................ 47 3.2. Определение температуры кипения ............................................................ 48 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ ......................... 49 5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ .............................................................................. 52 6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ ....................... 54 6.1. Реакции нуклеофильного замещения ......................................................... 54 6.2. Реакции, протекающие с участием альдегидов и кетонов ............................. 58 6.3. Синтезы с помощью магнийорганических соединений ................................ 62 6.4. Реакции электрофильного ароматического замещения ................................. 64 6.5. Реакции восстановления нитросоединений до аминов ................................ 66 6.6. Синтез и реакции ароматических солей диазония ....................................... 67 7. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ХИМИЯ ГЕТЕРОЦИКЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ........................................... 72 7.1. Синтез пиррола по Кнорру (3,5-бис(этоксикарбонил)-2,4диметилпиррол) ... 72 7.2. Синтез пиррола ........................................................................................ 74 7.3. Синтез 5,6-дифторизатина ......................................................................... 75 7.4. Синтез 6,7-дифтор-2-метилхинолин-4-карбоновой кислоты ......................... 76 7.5. Синтез 2,3-диметилиндола ........................................................................ 77 7.6. Синтез индола ................................................................................. ......... 79 7.7. Синтез 3,5-диметилпиразола ....................................................................... 80 7.8. Синтез диэтилового эфира 2,6-диметил-4-фенилпиридин- 2,6-дикарбоновой кислоты ....................................................................... 81 7.9. Синтез хиноксалина ................................................................................. 83 7.10. Синтез пиразин-2,3-дикарбоновой кислоты ............................................... 84 7.11. Синтез 2-бромпиридина .......................................................................... 85 7.12. Синтез мезо-тетрафенилпорфирина .......................................................... 86 7.13. Синтез хинолина ..................................................................................... 88 8. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ХИМИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ ........................................ 90 8.1. Синтез стрептоцида .................................................................................. 90 8.2. Синтез изониазида .................................................................................... 92 8.3. Синтез фтивазида [(4-гидрокси-3-метоксибензилиден)- изоникотиновой кислоты гидразида] ......................................................... 93 8.4. Синтез барбитала .............................................................................. ....... 94 8.5. Синтез фурацилина .................................................................................. 95 8.6. Синтез дибазола ............................................................................... ........ 96 8.7. Синтез меркаптопурина .............................................................................. 97 9. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ТОНКИЙ ОРГАНИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ .............................................................. 99 9.1. Синтез йодбензола ..................................................................................... 99 9.2. Синтез изонитрозоацетоуксусного эфира/изопропил нитрита ...................... 100 9.3. Синтез этил-2-циано-3,3-диметилтиоакрилата ........................................... 102 9.4. 1-Морфолино-2-цианоэтилен ..................................................................... 103 10. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ОСНОВЫ ХИМИИ МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ .................. 104 10.1. 2-Фенилбутанол-2 (метилэтилфенилкарбинол) ........................................... 104 10.2. Синтез трифенилметанола (трифенилкарбинола) ..................................... 105 10.3. Ацетилферроцен ...................................................................................... 107 10.4. (R,S)-2,2'-Дигидрокси-1,1'-бинафтил (BINOL) ........................................... Библиографический список ................................................................................ 111 ПРЕДИСЛОВИЕ Практикум предназначен для студентов бакалавриата и магистратуры химико-технологического, физико-технологического институтов, института новых материалов и технологий, института радиоэлектроники и информационных технологий — РтФ для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплинам Органическая химия, Химия гетероциклических соединений, Химия биологически активных веществ, Тонкий органический синтез, Основы химии элементорганических соединений». Целью является формирование у студентов навыков научно-исследова- тельской деятельности входе экспериментального раскрытия теоретических положений органического синтеза. Для того чтобы студенты могли успешно овладеть основными способами организации самостоятельной работы, в первых разделах приводятся теоретическое описание методов проведения органического синтеза, выделения и очистки органических соединений, идентификации продуктов реакции, а также данные по мерам предосторожности при работе в лаборатории. Кроме того, в разделе Препаративная часть представлен план оформления отчета. По каждой теме лабораторных занятий сформулированы теоретические вопросы, которые студенты могут использовать при подготовке к работе. Вопросы аналогичны тем, что предлагаются студентам на занятии для оценки степени их готовности к работе. Более того, в каждой работе сформулированы вопросы по методике синтеза, которые способствуют более осмысленному выполнению экспериментов в лаборатории 6 ВВЕДЕНИЕ Работа под названием Органический синтез предполагает последовательность действий, приводящих к образованию необходимого продукта из реагентов, посредством операций, характерных для органического синтеза. Получение органических соединений включает следующие основные стадии) собственно синтез — порядок и скорость сочетания реагентов, создание условий для их взаимодействия, температурный режим протекания реакции и проч. В результате процесса образуется так называемая реакционная масса; б) выделение продукта — отделение целевого вещества от побочных продуктов, оставшихся реагентов, растворителя, удаление основных примесей и получение продукта в виде сырья для очистки. Полученный в результате выделения продукт называют сырым (ноне мокрым!); в) очистку продукта — получение целевого продукта в чистом виде. Операции очистки определяются агрегатным состоянием получаемого вещества, а также его химическими и физическими свойствами; г) идентификацию (анализ) полученного вещества — установление структуры вещества аналитическими методами и определение его характеристических констант (температуры кипения, плавления плотность показатель преломления и проч. Для ранее синтезированного соединения обычно бывает достаточно сравнения некоторых физико-химических свойств полученного продукта со справочными данными 7 1. СИНТЕЗ Основными операциями синтеза являются нагревание, охлаждение, перемешивание, встряхивание, растворение и проч. Обычно считается целесообразным проводить синтез в некотором сосуде хотя бы потому, что в нем удобно регулировать условия протекания синтеза. Кроме того, из этого сосуда можно легко обработать реакционную массу на стадии выделения сырого продукта. Поэтому необходимо ознакомиться с основными видами реакционных сосудов, применяемых в органическом синтезе. Реакционный сосуд Для проведения реакции используют обычно сосуд, в который можно поместить исходные соединения и осуществить синтез. Для этого необходимо соблюдение следующих условий: а) объем сосуда должен быть больше общего объема загружаемых ингредиентов. Обычно коэффициент заполнения () реакционного сосуда составляет, а при проведении реакции с перемешиванием значение составляет б) материал, из которого сделан реакционный сосуд, должен соответствовать требованиям, предъявляемым к температурным режимам реакции, и не должен реагировать с исходными веществами и реакционной массой; в) сосуд должен легко соединяться с дополнительными приборами, необходимыми для проведения синтеза. Наиболее простыми и удобными в пользовании реакционными сосудами являются химические стаканы, которые могут быть изготовлены из фарфора (риса) или термостойкого стекла (рис. 1, б. Стеклянные стаканы менее прочны, чем фарфоровые, однако стекло лучше проводит тепло, а кроме того, позволяет наблюдать протекание реакции. Рис. 1. Реакционные сосуды: а — из фарфора б — термостойкого стекла в — колба Эрленмейера а б в Исключительная простота конструкции, отличающая стаканы, устанавливает жесткий предел их функциям, оставляя лишь простые синтезы. Так, стаканы нельзя использовать при нагревании низкокипящих и легковоспламеняющихся растворителей. В этом случае часто применяют плоскодонную колбу Эрленмейера (рис. 1, в, к тубусу которой можно присоединить дополнительные приборы, колбу можно закрыть пробкой. При всех удобствах колбы Эрленмейера ее нельзя использовать при работе с вакуумом во избежание взрыва. Кроме того, при перемешивании и кипячении суспензий осадок скапливается у стенок колбы, что мешает нормальному протеканию реакции. Универсальной формой реакционного сосуда, позволяющей совершать наибольшее количество операций, оказывается сферическая или близкая к ней посуда, чаще всего применяемая в синтезе, — круглодонные (рис. 2, а), а также грушевидные (рис. 2, б) и остродонные (рис. 2, в) колбы. Рис. 2. Виды колба — круглодонная б — грушевидная в — остродонная; г — трехгорлая а б в г Колбы чаще всего изготавливают из термостойкого стекла, однако известны случаи использования стальных, медных и даже полиэтиленовых колб. Материал для колбы выбирают в соответствии с условиями реакции. Сложные синтезы, входе которых необходимо осуществление нескольких операций (прибавление реагентов, перемешивание, пропускание газов, температурный контроль и проч, требуют специальных колб с несколькими горлами (рис. 2, г, число которых обычно не превышает четырех. Если по каким-либо причинам возникает необходимость в большем числе горл, используют специальные многогорлые насадки. Перемешивание Перемешивание в органическом синтезе очень часто используется для обеспечения фазовой и термической однородности реакционной массы. Перенос реагентов через поверхность раздела фаз в гетерогенных системах (твердое вещество — жидкость, жидкость — жидкость или жидкость — газ) замедлен, следовательно, уменьшена скорость протекания реакции В этом случае перемешиванием достигают увеличения поверхности межфазного контакта, таким образом ускоряя реакцию. Часто бывает необходимо добавление реагентов к реакционной массе входе процесса, возникающие при этом локальные увеличения концентрации прибавляемого вещества могут привести к изменению результата взаимодействия. Перемешивание позволяет быстро и равномерно распределять реагент в реакционной массе. В органическом синтезе обычно используют локальное нагревание (или охлаждение, способное привести к нежелательным местным температурным скачкам. Перемешиванием при этом достигают термической однородности по всему объему смеси. Простейший случай перемешивания наблюдается при кипячении реакционной массы. В тех случаях когда вязкость среды не слишком велика, интенсивное кипячение позволяет добиться вполне удовлетворительного перемешивания. Необходимо помнить о необходимости внесения перед кипячением центров парообразования — так называемых кипелок (кусочки пористого кирпича, фарфора или запаянных с одной стороны стеклянных капилляров). При проведении реакций жидкости с газами хорошее перемешивание обеспечивается сильным током проходящего газа. Этим способом иногда пользуются, пропуская через реакционную массу ток воздуха или инертного газа. Метод очень прост в аппаратурном оформлении и особенно часто используется в тех случаях, когда в реакционную массу добавляют газообразный реагент (аммиак, углекислый газ и прочили избавляются от ненужного газообразного продукта продуванием воздуха. Универсальным средством перемешивания в лабораторной практике являются стеклянные мешалки, однако возможно применение и полиэтиленовых, тефлоновых, металлических мешалок. Формы мешалок бывают самыми разнообразными в зависимости от требуемой эффективности перемешивания и конструкционных особенностей реакционного сосуда. Простейшие мешалки представляют собой изогнутые стеклянные палочки (риса, но эффективность их невелика. Наиболее эффективны пропеллерные мешалки (рис. 3, б, они же часто используются при работе с широкогорлыми сосудами. Для узкогорлых сосудов используют лопастные (рис. 3, вили проволочные мешалки, однако их эффективность мала. Очень мощными и удобными в работе являются мешалки, изготовленные из тефлоновой трубки. Магнитные мешалки (рис. 3, г) часто используют в лабораторных синтезах, особенно при необходимости перемешивания в закрытом сосуде. Якорь из металла, заключенный в стеклянную, полиэтиленовую или тефлоновую оболочку, приводится в движение вращением сильного постоянного магнита. Мешалки такого рода очень удобны, однако их мощность невелика ив вязких реакционных массах они часто останавливаются Перемешивание в самом простом случае осуществляется вручную при помощи палочки, однако для продолжительных реакций используют электрические двигатели с мешалками. Частоту вращения при этом обычно регулируют при помощи лабораторных автотрансформаторов. При всех преимуществах электродвигателей они обычно не заземлены, поэтому возможно искрение (например, при работе с легковоспламеняющимися жидкостями, в качестве двигателя используют турбинки, приводимые в движение напором воды или газа. Теплообмен (нагревание, охлаждение и конденсация) Нагревание и охлаждение относятся к операциям, наиболее часто используемым в органическом синтезе. Температура влияет на скорость химической реакции и даже на ее результаты. Подводом и отводом тепла также достигают изменения агрегатного состояния вещества (плавление, испарение, возгонка, конденсация и проч.). Теплопередача осуществляется посредством теплопроводности, конвекции и излучения. Принято считать, что теплопроводность представляет собой обмен тепловой энергией между неподвижными частицами, например, в стеклянной стенке колбы или в неподвижном слое газа. Конвекция представляет собой передачу тепла посредством движения и перемешивания потоков жидкостей или газов, а также обмен энергией между потоками и неподвижной поверхностью. Излучением называют передачу тепла лучами с длиной волны в диапазоне мкм. Рис. 3. Виды мешалок: а — простейшая б — пропеллерная в — лопастная г — магнитная а б в г двигатель мешалка мешалка якорь Количество тепла (Q), передаваемого по механизму теплопроводности, зависит отряда факторов = · F · (где — коэффициент теплопроводности материала F — площадь поверхности теплообмена t — разность температур — толщина слоя (или стенки, через который проводится тепло. Таким образом, движущей силой теплообмена является разность температур, те. эффективность теплопередачи тем выше, чем больше Из представленного соотношения также очевидно, что количество передаваемого тепла (Q) возрастает с увеличением коэффициента теплопроводности, зависящего от природы теплопроводящего материала. Так, для воздуха, для воды — 1,4 · 10 –3 , для стекла — 2,0 · 10 –3 , для меди — 0,92 кал/с · см · град. Теплообмен между неподвижной твердой поверхностью и потоками жидкости или газа может осуществляться как естественным движением потоков (естественная конвекция, таки путем механического перемешивания (принудительная конвекция). Для конвективной теплопередачи справедливо следующее соотношение = · F · Коэффициент теплопередачи () зависит от многих факторов плотности подвижной фазы, скорости потоков, их теплопроводности и теплоемкости. Так, при естественной конвекции вводе, а при принудительной кал/с · см град. Обычно теплопередача в процессе теплообмена осуществляется обоими способами. Так, даже при очень интенсивном движении жидкости или газа к твердой стенке прилипает тонкий неподвижный слой среды (называемый ламинарным, в котором теплопередача осуществляется исключительно за счет теплопроводности. Поскольку теплопроводность газов и большинства жидкостей очень мала, ламинарный слой создает наибольшее сопротивление теплопередаче между фазами, обменивающимися теплом. Таким образом, на передачу тепла при нагревании, охлаждении, а также конденсации паров оказывает влияние множество факторов, и успешное осуществление этих операций зависит от правильности выбора режима теплообмена, природы теплоносителя, скорости его потоков, конструкции прибора и проч. Экономия энергии и материалов, представляющаяся важной в промышленных процессах, не играет большой роли в лабораторных синтезах, где определяющим фактором является эффективность (быстрота и точность) достижения необходимой температуры 12 |