Методические материалы по органической химии. Практикум Рекомендовано методическим советом Уральского федерального университета для студентов вуза
 Скачать 3.05 Mb.
|
|
3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Синтезированный и очищенный продукт необходимо идентифицировать, те. установить его структуру. Для этого чаще всего используют физические характеристики температуру плавления и кипения, плотность, показатель преломления, а также способность к поглощению электромагнитного излучения ИК, УФ- и ЯМР-спектры. Обычно вещество считают чистым, если его физические характеристики не изменяются после повторной операции очистки. Для ранее синтезированных соединений чаще всего достаточно сравнить полученные физические характеристики с описанными в химической литературе. Наиболее важными физическими характеристиками вещества считают температуры плавления и кипения. К тому же они наиболее простыв определении. Определение температуры плавления Температурой плавления называют диапазон температур, в котором происходит превращение твердой фазы в жидкость. Известно, что смеси веществ плавятся при температурах более низких, чем чистые вещества, поэтому величина отклонения полученной температуры от справочной является важной характеристикой степени чистоты полученного продукта. Для определения температуры плавления применяют прибор Тиле. Термометр помещают в теплопередающую среду, в качестве которой используют диалкилфталат, силиконовое или парафиновое масло, иногда серную кислоту. Вещество помещают в капиллярную трубку (капилляр) диаметром 1 мм. Подготовку образца проводят следующим образом. Капилляр длиной см запаивают с одной стороны над пламенем спиртовки до образования стеклянной капли. Затем небольшое количество вещества, при необходимости измельченного в порошок, помещают на чистую твердую поверхность. Постукивая незапаянным концом капилляра по слою вещества, вводят его внутрь. Затем капилляр переворачивают открытым концом вверх и несколько раз сбрасывают капилляр на твердую поверхность внутри стеклянной трубки. При этом вещество, набранное внутрь капилляра, утрам- буется на его дне. Высота столбика вещества в капилляре должна быть мм. После этого образец подготовлен для определения температуры плавления Подготовленный капилляр с веществом вводят в боковой отвод прибора Тиле таким образом, чтобы проба вещества находилась на уровне шарика термометра. Прибор нагревают на пламени спиртовки так, чтобы скорость увеличения температуры не превышала 4—6 град/мин. 3.2. Определение температуры кипения Температура кипения очищенного жидкого соединения определяют в процессе перегонки. Узкий интервал температуры кипения перегоняемого вещества (не более 5 С) является хорошим показателем степени его чистоты 49 4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И ПРОТИВОПОЖАРНЫЕ МЕРЫ Работа в лаборатории органической химии связана с определенными опасностями, вытекающими из постоянной необходимости использовать легковоспламеняющиеся, взрывоопасные и ядовитые вещества. Нужно постоянно помнить, что большинство несчастных случаев вызвано отсутствием внимания или небрежностью самих работающих. Поэтому опасность при работе в лаборатории можно свести к минимуму, если правильно и своевременно применять необходимые меры предосторожности. Перед началом эксперимента необходимо во всех деталях изучить инструкцию к представленной работе и продумать ход выполнения эксперимента. Во время работы нужно быть особенно внимательными осторожным. На рабочем месте всегда нужно соблюдать чистоту и порядок. Необходимо постоянно следить затем, чтобы не создавать опасность для своих соседей по лаборатории. В лаборатории запрещено принимать пищу, пить, курить. Все используемые приборы необходимо собирать и устанавливать. Нельзя применять поврежденную химическую посуду. Химические вещества не должны соприкасаться с кожей работающего. Некоторые ядовитые вещества могут проникать внутрь даже через неповрежденную, здоровую кожу. При работе с ядовитыми, раздражающими или неприятно пахнущими веществами необходимо работать в вытяжном шкафу, не наклоняясь внутрь шкафа. При переноске склянок с ядовитыми, едкими или горючими реактивами всегда нужно поддерживать их снизу, а не держать за горлышко. В химии для кристаллизации или экстракции часто применяют огнеопасные растворители (эфир, спирт, ацетон и др, что требует соблюдения особых мер безопасности. При работе с легковоспламеняющимися веществами вблизи не должно быть открытого пламени. В случае использования растворителей, кипящих ниже 100 С, нагревание проводят на водяной бане. Нагревание горючих жидкостей (например, перегонку) ведут только под постоянным наблюдением. Нельзя сливать в канализацию растворители, не смешивающиеся с водой, например, диэтиловый эфир. Такие растворители необходимо сдать лаборанту в препараторскую для регенерации. В лабораториях кроме тепловых ожогов наблюдаются и химические ожоги кислотами, щелочами и другими едкими веществами, вредно действующими на кожу Химические ожоги кислотами. Среди наиболее опасных кислот можно выделить концентрированную азотную кислоту. Даже непродолжительное соприкосновение с ней вызывает пожелтение кожи, а более длительное воздействие приводит к образованию сначала трещина затем очень болезненных, труднозаживающих ран. К менее опасной относится концентрированная серная кислота. Если быстро протереть тряпкой, а потом смыть большим количеством воды, то наступит лишь легкое покраснение (раздражение) кожи. Более длительное действие серной кислоты вызывает сначала появление белых пятен, затем пузырей, а через некоторое время появление труднозаживающих язв, после которых остаются следы. Даже большое количество попавшей на кожу серной кислоты после тщательного промывания водой не вызывает серьезных последствий. Соляная кислота не представляет большой опасности для кожных покровов, однако опасна для слизистой оболочки и глаз. Ожоги щелочами Концентрированные, горючие растворы щелочей вызывают сильные ожоги. Сначала кожные покровы становятся гладкими и скользкими, а после длительного действия щелочей образуются очень глубокие и плохо заживающие раны. Таким же образом на кожу действуют и твердые щелочи, они представляют опасность даже при кратковременном соприкосновении сними (в течение нескольких минут). При ожогах кислотами и щелочами обожженные места необходимо хорошо промыть водой. После этого кислоту необходимо нейтрализовать раствором бикарбоната натрия, а щелочь — 1 м раствором уксусной или борной кислоты. Даже если разбавленные растворы кислот и щелочей безвредны для кожи, они крайне опасны для глаз. Если кислота или щелочь попадает в глаза, их нужно немедленно промыть большим количеством воды (лучше по индикатору, затем, в случае попадания кислоты, 1 м раствором бикарбоната натрия, а в случае попадания щелочи — 1 м раствором борной кислоты, затем снова тщательно промыть водой. Пострадавшего необходимо направить к врачу. Опасные веществ. Ниже перечислены и кратко охарактеризованы опасные вещества, с которыми студент может иметь дело при выполнении лабораторных работ. Азотная кислота разъедает кожу. Первая помощь промыть большим количеством воды. Со многими органическими веществами азотная кислота реагирует взрывоподобно. Амины ароматические весьма токсичны, адсорбируются кожей. Аммиак обладает сильным раздражающим действием. Первая помощь: промыть пораженное место водой, вдыхать кислород. Концентрация 2 мг/м 3 смертельна. Бром разъедает кожу и органы дыхания. Первая помощь кожу промыть большим количеством спирта, вдыхать кислород. Галогеноводороды сильно раздражают слизистые оболочки. Смертельная концентрация хлористого водорода 0,5 %. Первая помощь при попадании внутрь необходимо пить молоко, воду, принять окись магния. Галогенопроизводные алифатические и ароматические обладают наркотическим действием, вызывают раздражение кожи, токсичны для печении почек. Первая помощь пораженную кожу промыть водой с мылом, необходимы свежий воздух, кислород. Муравьиная кислота оказывает сильное разъедающее действие. Нитриты неорганические — яды, действующие на кровь, нарушают кровообращение. Первая помощь вызвать рвоту, вдыхать кислород, принимать активированный уголь, много витамина С. Нитросоединения ароматические — сильные яды, действующие на кровь. Могут поглощаться при вдыхании паров и через кожу. Первая помощь: кислород, много молока. Перманганат калия со многими органическими веществами образует взрывчатые смеси. Фенол разъедает кожу и адсорбируется ею. Первая помощь промыть кожу разбавленными щелочами, большим количеством воды, пить молоко. Хлорсульфоновая кислота является монохлорангидридом серной кислоты и поэтому бурно взаимодействует с водой, на воздухе дымит. Все работы, связанные с использованием хлорсульфоновой кислоты, следует проводить в вытяжном шкафу и использовать только сухую посуду. При попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги. С кожи снимают сухой тряпкой промокательными движениями, затем промывают сильной струей воды, раствором бикарбоната и смазывают мазью от ожога, пострадавшего направляют к врачу. Прилитую хлорсульфоновую кислоту удаляют сухим песком и сухими тряпками. Эфир диэтиловый обладает наркотическим действием. Первая помощь: свежий воздух. Взрывоопасные концентрации в воздухе — от 2 до 50 Причиной пожара в лаборатории органической химии может быть непосредственное нагревание на открытой плитке легковоспламеняющихся жидкостей, находящихся в открытых сосудах. Нужно помнить, что легковоспламеняющиеся жидкости можно нагревать только с помощью бань. Пары их должны полностью конденсироваться, работу с горючими веществами нужно проводить вдали от огня. Если пожар возник, тов первую очередь нужно ликвидировать источник пожара — выключить плитку. Небольшой пожар можно погасить мокрой тряпкой, засыпать песком. Для тушения более крупных пожаров нужно применять огнетушители с углекислым газом, песок, противопожарные одеяла 52 5. ПРЕПАРАТИВНАЯ ЧАСТЬ В препаративной части приведены методики синтеза ряда веществ, относящихся к различным классам органических соединений. Перед каждой лабораторной работой студент обязан сдать коллоквиум, который включает: а) теоретические основы проводимой реакции в соответствии с программой курса (см. разделы курса и вопросы по теории, приведенные в каждой задаче перед методикой синтеза); б) теоретические основы применяемых при выполнении данной задачи методов работы; в) характеристику основных физических свойств исходных веществ, применяемых в синтезе, и конечного продукта; г) описание методики синтеза и схемы используемых установок и приборов д) вопросы, касающиеся техники безопасности. По окончании работы студент должен представить отчет, составленный по схеме. Цель работы. Уравнение химической реакции, механизм. Исходные вещества: Название Молекулярный вес Плотность Т пл , °C Растворимость Количество моль мл г Т кип , °C 4. Свойства конечного продукта (данные из Справочника химикат. 2): Название Молекулярный вес Плотность Т пл , °C Растворимость Т кип , Внешний вид. Описание синтеза с описанием собственных наблюдений и схемы установок. Результаты синтеза, сведенные в таблицу: Название Т пл , Выход вот теоретического теоретический, г практический, г Т кип , Внешний вид В отчете должен быть приведен расчет теоретического выхода по уравнению реакции. Лабораторный журнал практикума по органической химии служит основным документом, позволяющим оценить работу студента. Кроме того, журнал основа для обучения студента профессионально грамотному представлению результатов научной работы. Основное требование к журналу состоит в том, чтобы посторонний читатель мог не только понять цели и задачи работы студента, но и оценить ее качество, а также воспроизвести любой описанный в журнале эксперимент. Конкретную форму ведения записей в журнале выбирает сам студент, руководствуясь советами преподавателя. Рекомендуется пользоваться в качестве журнала тетрадями стандартного формата с обозначением фамилии владельца 54 6. ОБЩИЙ ПРАКТИКУМ ПО КУРСУ «ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ. Реакции нуклеофильного замещения. Бромистый бутил Разделы курса. Методы синтеза и химические превращения галогенопроизводных. Нуклеофильное замещение в ряду галогеналканов (реакции и S N 2). Процессы элиминирования Е и Е2. Вопросы по теории. Каков механизм замещения гидроксильной группы в н-бутаноле на атом галогена Для чего необходимо проводить реакцию в кислотных условиях? Классические механизмы нуклеофильного замещения S N 1 ив галоген- алканах. Примеры реакций S N 1 ив спиртах. Особенности механизмов данных процессов. Факторы, влияющие на скорость реакции S N 1 и S N 2. 4. Лимитирующая стадия (определение и примеры. Порядок реакции. Моно- и бимолекулярные реакции нуклеофильного замещения. Сравнение стабильности карбокатионов (первичный, вторичный или третичный. Гибридизация углеродного атома в карбокатионе. 8. Реакции отщепления (элиминирования. Механизм образования алкенов. Сравнение механизмов процессов S N и Е. Синтез простых эфиров из спиртов, объяснение механизма. Объясните механизм реакций и назовите соединения, которые получатся из 2-метил-бутанола-2 в результате реакций S N и Е (правило Зайцева). 11. Напишите реакции превращения н-бутанола в хлорбутан с помощью реагентов) HCl; 2) PCl 3 ; 3) PCl 5 ; 4) Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей, сушка жидкостей. Методика синтеза Исходные соединения Бутиловый спирт мл Бромистый калий г Серная кислота (конц) 25 мл В круглодонную колбу емкостью 250 мл вливают 35 мл воды, добавляют тонко растертый калий бромистый и н-бутанол. Присоединяют обратный холодильник, в его форштосс вставляют воронку и через нее небольшими порциями (4—6 мл) добавляют серную кислоту (маска, каждый раз перемешивая смесь покачиванием колбы. В колбу бросают несколько кипелок и один час кипятят на воздушной бане. Реакционная масса разделяется на два слоя (какие. Затем колбу соединяют изогнутой трубкой снисходящим холодильником и отгоняют сырой бромистый бутил. Продукт отделяют отводы в делительной воронке, промывают водой, сушат сульфатом натрия (почему) и перегоняют, собирая фракцию, кипящую при 98—103 Вопросы по методике синтеза. Для чего в реакционную смесь необходимо добавлять воду. Какова роль серной кислоты Почему ее следует добавлять небольшими порциями и при перемешивании. Что находится в верхнем и нижнем слоях реакционной массы? За счет чего органический слой окрашен в бурый цвет. Как определить окончание отгонки сырого бромистого бутила. В каком слое находится 1-бромбутан в дистилляте и при промывании водой. Можно ли сушить 1-бромбутан гидроксидом калия. Схема прибора для перегонки бутилбромида. 8. Почему перед перегонкой следует удалять добавленный для сушки. Техника безопасности при работе сконцентрированной серной кислотой и огнеопасными органическими жидкостями. Этилформиат Разделы курса. Сложные эфиры. Химические свойства и строение. Методы синтеза и применение. Вопросы по теории. Реакции этерификации, механизм и роль серной кислоты. Исследование реакции этерификации, в том числе с помощью меченых атомов. Обратимость процесса получения сложных эфиров. Гидролиз сложного эфира в основной и кислой средах. Почему выход целевого продукта в условиях равновесия не превышает Способы повышения выхода эфиров. Как может протекать реакция этерификации, если минеральная кислота одинаково протонирует и спирт, и кислоту, приводя к образованию двух катионов – оксониевого и карбониевого? 56 5. Зависимость скорости реакции этерификации от строения спирта (первичный, вторичный, третичный. Дайте названия соединениям H 3 COSO 2 OC 2 H 5 ; CH 3 OSO 3 H; H 3 COCH 3 ; H 3 C-C(О)-OC 3 H 7 Методы работы перегонка низкокипящих жидкостей и ЛВЖ, сушка жидкостей, выбор агента для осушения сложных эфиров. Методика синтеза Исходные соединения Муравьиная кислота мл Этанол 96 % 39 мл Серная кислота (конц) 5 мл Вещества помещают в круглодонную колбу емкостью 250 мл, снабженную обратным холодильником, и кипятят один час на водяной бане. Далее с помощью насадки к колбе присоединяют нисходящий холодильники отгоняют образовавшийся эфир до максимального подъема температуры. Перегонку прекращают после падения температуры на 3—4 С. Полученный дистиллят промывают небольшим количеством 10 го раствора соды (15 мл), затем водой (15 мл. Отделенный эфирный слой помещают всухую колбу и высушивают хлоридом кальция. Эфир перегоняют, собирая фракцию, кипящую при температуре 52—54 °С. Вопросы по методике синтеза. Для чего сложный эфир промывают раствором соды Почему нельзя промывать его щелочью. В каком слое при промывании находится этилформиат? 3. Чем объясняется кипение этилформиата при более низкой в сравнении с исходными соединениями температуре. Определение теоретического выхода этилформиата. 5. Техника безопасности при работе с органическими карбоновыми кислотами, серной кислотой и легковоспламеняющимися жидкостями. Тушение горящего этилового спирта, муравьиной кислоты и этил- формиата. Ацетанилид Разделы курса Амины и амиды. Сравнение свойств и реакций. Ангидриды и хлорангидриды карбоновых кислот. Вопросы по теории. Оцените основность анилина и ацетанилида. Сравните нуклеофиль- ность анилина и фенола. Механизм ацилирования первичных ароматических аминов уксусным ангидридом. Другие ацилирующие агенты и применение ацильной защиты для аминогрупп в ароматических соединениях 57 3. Роль кислотного катализа в реакциях ацилирования низкоосновных аминов и фенолов. Выделите среди представленных аминов первичные, вторичные и третичные Н (C 2 H 5 ) 3 N; (C 2 H 5 ) 3 CNH 2 ; (CH 3 ) 3 N + C 4 H 9 X – 5. Дайте названия соединениям 6. Представьте схему получения бензамида из этилбензола. Напишите для ацетанилида схемы основного и кислотного гидролиза. Амидом какой кислоты является мочевина? Методы работы очистка твердых органических соединений с помощью перекристаллизации, определение температуры плавления. |