Synthese von Luminol

Quelle: Lara Al Hariri und Ahmed Basabrain an der University of Massachusetts Amherst, MA, USA

1. Synthese von 3-NitrophthalhydrazidExpand

   In diesem Labor synthetisieren Sie 3-Aminophthalhydrazid, das auch Luminol genannt wird, in einem 2-stufigen Prozess. Der erste Schritt ist eine Kondensationsreaktion zwischen 3-Nitrophthalsäure und Hydrazin.

   Während dieses Schritts werden die Carbonsäuregruppen durch NH-Gruppen substituiert, um 3-Nitrophthalhydrazid und zwei Wassermoleküle zu erzeugen. Sie müssen in diesem Labor in einem Abzug arbeiten, da bei den Reaktionen giftige Dämpfe und Gase entstehen.

   • Bevor Sie beginnen, ziehen Sie einen Laborkittel, eine spritzwassergeschützte Schutzbrille und Nitrilhandschuhe an. Anmerkung: Hydrazin ist hochgiftig und brennbar, also vermeiden Sie es, es zu berühren, und halten Sie alles, was Hydrazin enthält, geschlossen oder abgedeckt, wenn Sie es zwischen Abzügen transportieren.
   • Messen Sie nun 10 mL deionisiertes Wasser und gießen Sie es in einen 25-ml-Erlenmeyerkolben. Klemmen Sie den Kolben auf eine Herdplatte und legen Sie ein Thermometer hinein.
   • Beginnen Sie dann, das Wasser zu erhitzen. Die Temperatur des Wassers sollte 80 °C betragen, also stellen Sie die Kochplatteneinstellung etwas höher ein.
   • Während es heizt, stelle einen Bunsenbrenner unter einer Klammer auf, die an einem Laborständer befestigt ist.
   • Besorgen Sie sich ein 25-ml-Reagenzglas und stellen Sie die Klemme so ein, dass sie das Reagenzglas etwa 5 – 7 cm über der Flamme hält. Entfernen Sie dann das Reagenzglas und geben Sie es in ein 400-ml-Becherglas.
   • Sobald das Wasser 80 °C erreicht hat, passen Sie die Heizstufe an, um die Temperatur stabil zu halten.
   • Wiegen Sie dann 0,6 g 3-Nitrophthalsäure in einem tarierten Wiegeschiffchen. Gießen Sie die 3-Nitrophthalsäure in Ihr Reagenzglas. Bringen Sie dann das Reagenzglas und einen Reagenzglasstopfen zur Lösungsmittelhaube.
   • Verwenden Sie die mitgelieferte volumetrische Pipette, um vorsichtig 0,9 mL der 10%igen v/v-Hydrazinlösung zu messen und in das Reagenzglas zu übertragen. Denken Sie daran, die Flasche mit der Hydrazinlösung zu verschließen und Ihr Reagenzglas zu verschließen, bevor Sie zu Ihrer Haube zurückkehren.
   • Klemmen Sie das Reagenzglas über den Bunsenbrenner und entfernen Sie den Stopfen. Gießen Sie dann ~2 mL Triethylenglykol in einen Messzylinder und stellen Sie ihn in Ihrer Haube aus dem Weg.
   • Fügen Sie nun 2 oder 3 kochende Chips zum Reagenzglas hinzu. Stellen Sie ein Hochtemperaturthermometer in das Reagenzglas und zünden Sie den Bunsenbrenner an. Die Mischung mit mittlerer Flamme erhitzen, bis sich die 3-Nitrophthalsäure aufgelöst hat.
   • Fügen Sie dann das Triethylenglykol hinzu und erhöhen Sie die Hitze der Flamme. Anmerkung: Sobald das Wasser aus der Hydrazinlösung verkocht ist, steigt die Temperatur weiter an.
   • Wenn das Reaktionsgemisch 210 °C erreicht, die Hitze verringern und das Gemisch für 3 – 4 Minuten zwischen 210 °C und 220 °C halten.
   • Löschen Sie dann die Flamme und warten Sie, bis das Gemisch auf 100 °C abgekühlt ist.
   • Schalten Sie die Kochplatte aus, entfernen Sie das Thermometer und lösen Sie die Flasche. Halten Sie den Kolben mit einer Zange fest und messen Sie mit dem Messzylinder 8 ml heißes Wasser ab. Gießen Sie dieses heiße Wasser in das Reagenzglas und entfernen Sie das Thermometer.
   • Besorgen Sie sich ein Stück Paraffinfolie aus Kunststoff und bedecken Sie die Öffnung des Reagenzglases. Übertragen Sie dann das Reagenzglas mit einer Zange in das Halteglas.
   • An einem Laborwaschbecken halten Sie das Reagenzglas unter fließendes Leitungswasser, um es zu kühlen, und achten Sie darauf, dass kein Wasser hineinlässt.
   • Trocknen Sie dann die Außenseite des Schlauchs und bringen Sie ihn zurück zu Ihrer Haube. Klemmen Sie das Rohr aufrecht und entfernen Sie den Paraffinfilm. Lassen Sie das gelbe 3-Nitrophthalhydrazid 15 min lang in der Tube ausfällen.
   • Während Sie warten, fügen Sie ~10 mL deionisiertes Wasser in einen 25-ml-Erlenmeyerkolben hinzu. Bereiten Sie ein Eisbad in einem 250-ml-Becherglas vor und beginnen Sie, das Wasser darin zu kühlen.
   • Dann richten Sie die Vakuumfiltration mit einem 250-ml-Filterkolben, einem Büchner-Trichter und einem Stück kreisförmigem Filterpapier ein.
   • Sobald das Produkt mindestens 15 Minuten lang ausgefällt hat, nehmen Sie eine Pasteur-Pipette und befeuchten Sie das Filterpapier mit ein paar Tropfen kaltem Wasser.
   • Schalten Sie dann das Vakuum ein und gießen Sie den Inhalt des Reagenzglases in den Büchner-Trichter. Spülen Sie den restlichen Feststoff mit 1 – 2 mL kaltem Wasser in den Trichter.
   • Entfernen Sie die kochenden Späne mit einer Pinzette und spülen Sie sie mit ein paar Tropfen kaltem Wasser ab, um das Produkt fertig zu sammeln.
   • Schalten Sie die Vakuumpumpe aus, sobald keine Flüssigkeit mehr aus dem Trichter in den Kolben tropft.
2. Synthese von 3-AminopthalhydrazidExpand

   Im zweiten Schritt der Luminolsynthese reduzieren Sie die Nitrogruppe von 3-Nitrophthalhydrazid mit Hilfe von Natriumdithionit in einer basischen Lösung von NaOH. Dabei wird 3-Aminophthalhydrazid-Dianion produziert.

   Nach der Reduktion fügst du Essigsäure hinzu, um das Dianion zu protonieren und Luminol zu bilden. Natriumdithionit ist hochreaktiv und wird schnell abgebaut, so dass Sie einen leichten Überschuss davon verwenden werden. Nach der Reduktion protonieren Sie das Luminol-Dianion, um seine Löslichkeit in Wasser zu verringern. Zuletzt fällst Du Luminol aus und sammelst es als gelben Feststoff.

   • Legen Sie ein sauberes 25-ml-Reagenzglas in ein Becherglas und verwenden Sie einen sauberen Spatel, um Ihr 3-Nitrophthalhydrazid in das Reagenzglas zu übertragen.
   • Legen Sie den Büchner-Trichter beiseite und klemmen Sie das Reagenzglas über den Bunsenbrenner. Lassen Sie den Filterkolben für später an Ort und Stelle.
   • Verwenden Sie nun einen 10-ml-Messzylinder, um 3 ml von ungefähr 3 M NaOH zu erhalten. Gießen Sie die Natronlauge in das Reagenzglas und rühren Sie die Mischung mit einem Glasstab um, bis sich das 3-Nitrophthalhydrazid aufgelöst hat.
   • Wiegen Sie nun 2 g Natriumdithionit in einem tarierten Wiegeschiffchen und geben Sie es in das Reagenzglas. Holen Sie sich 3 ml deionisiertes Wasser und gießen Sie es in das Röhrchen.
   • Rühre die Mischung gut um, um so viel Feststoff wie möglich aufzulösen. Geben Sie dann ein paar sauber kochende Chips in das Reagenzglas und zünden Sie den Bunsenbrenner an.
   • Erhitzen Sie die Mischung auf mittlerer Flamme zum Sieden und lassen Sie sie dann 5 Minuten kochen.
   • Während Sie warten, messen Sie 1,5 ml Eisessig und bringen Sie es zu Ihrer Haube.
   • Sobald das Reaktionsgemisch 5 Minuten lang gekocht hat, schalten Sie den Bunsenbrenner aus und geben Sie die Essigsäure in das Rohr. Lassen Sie die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen, was in der Regel 10 bis 15 Minuten dauert. Bereiten Sie in der Zwischenzeit ein Eisbad in einem 600-ml-Becherglas vor.
   • Sobald die Mischung abgekühlt ist, legen Sie sie in das Eisbad und warten Sie 15 Minuten, bis das Luminol ausfällt.
   • Bauen Sie die Vakuumfiltrationsanlage mit einem sauberen Büchner-Trichter und einem neuen Stück Filterpapier wieder zusammen und beginnen Sie, weitere 10 mL deionisiertes Wasser in einem Eisbad abzukühlen.
   • Sobald das Luminol mindestens 15 Minuten im Eisbad war, befeuchten Sie das Filterpapier mit kaltem Wasser. Sammeln Sie dann das feste Luminol durch Vakuumfiltration.
   • Holen Sie die kochenden Späne und spülen Sie das Luminol mit mehr kaltem Wasser ab. Sobald keine Flüssigkeit mehr aus dem Trichter tropft, schalten Sie das Vakuum aus und geben Sie das Luminol in ein 50-ml-Becherglas.
   • Bereiten Sie nun das kombinierte Filtrat für die Entsorgung vor. Zuerst ist ein 250-ml-Becherglas mit "Hydrazin- und Dithionitabfall" zu beschriften. Das Filtrat in das Becherglas überführen und den Kolben mit entionisiertem Wasser spülen, um Hydrazin- und Dithionitreste zu entfernen.
   • Als nächstes verdünnen Sie das Filtrat mit 10 mL deionisiertem Wasser. Messen Sie dann 10 ml 1 M Natriumcarbonat und fügen Sie es den kombinierten Filtraten hinzu.
   • Bringen Sie einen 50-ml-Messzylinder zur Abzugshaube. Messen Sie 40 ml 10% Natriumhypochlorit und gießen Sie es in die Filtratmischung. Stellen Sie das Becherglas auf die heiße Platte, fügen Sie einen Rührstab hinzu und befestigen Sie ein Thermometer im Becherglas.
   • Erhitzen Sie die Mischung unter Rühren auf 50 °C. Die Mischung muss 1 h lang bei 50 °C bleiben, um übrig gebliebenes Hydrazin und Dithionit zu oxidieren, stellen Sie also sicher, dass die Temperatur stabil ist, und stellen Sie einen Timer auf 1 h ein, bevor Sie mit dem letzten Teil des Labors beginnen.
3. Chemilumineszenz und FluoreszenzErweitern

   Für den letzten Teil des Labors mischst du einen Teil des Luminols, das du mit Dimethylsulfoxid hergestellt hast, mit festem Kaliumhydroxid. Die Hydroxyl-Ionen deprotonieren die beiden Amingruppen. Dann oxidiert Umgebungssauerstoff das Luminol-Dianion in einem angeregten Zustand zu 3-Aminophthalat oder 3-APA. Dieser instabile Komplex entspannt sich schnell in den Grundzustand und gibt Energie als sichtbares Licht ab. Da das angeregte 3-APA das Produkt einer chemischen Reaktion war, wird das emittierte Licht als Chemilumineszenz bezeichnet.

   Sobald Sie die Chemilumineszenz aus der Oxidationsreaktion gesehen haben, fügen Sie der Mischung Fluorescein, ein fluoreszierendes Molekül, hinzu. Einige angeregte 3-APA überträgt Energie direkt auf Fluorescein, anstatt Licht zu emittieren, was Ihnen eine Lösung mit zwei verschiedenen lichtemittierenden Verbindungen bietet.

   • Messen Sie nun etwa 0,2 g des von Ihnen hergestellten Luminols und geben Sie es in einen 15-ml-Erlenmeyerkolben. Es ist in Ordnung, wenn der Feststoff noch feucht ist.
   • Besorge dir 5 – 7 Pellets Kaliumhydroxid und gieße sie in den Kolben. Bringen Sie dann den Kolben, einen Stopfen und einen 10-ml-Messzylinder zur Lösungsmittelhaube.
   • Messen Sie 2 ml DMSO, geben Sie es in den Kolben und verschließen Sie es. Setzen Sie den Messzylinder in Ihren Abzug ein und bringen Sie den Kolben in einen dunklen Raum.
   • Schütteln Sie den verschlossenen Kolben kräftig, bis Sie Chemilumineszenz sehen, und legen Sie dann den Kolben ab. Das Licht verblasst schnell, da sowohl die Oxidation als auch die Relaxation schnelle Prozesse sind.
   • Schütteln Sie den Kolben und lassen Sie das Licht noch 6 – 10 Mal verblassen, ohne den Kolben zu öffnen. Das Licht wird zunehmend schwächer, wenn der Sauerstoff im Kolben verbraucht wird. Anmerkung: Um es heller zu machen, lassen Sie den Kolben in Ihrem Abzug eine Minute lang offen, um den Sauerstoff wieder aufzufüllen.
   • Schließen Sie den Kolben, kehren Sie in den dunklen Raum zurück und schütteln Sie den Kolben erneut, um den Effekt zu sehen.
   • Messen Sie nun 0,2 g Fluorescein-Farbstoff und geben Sie ihn in Ihren Kolben. Verschließen Sie den Kolben und kehren Sie in den dunklen Raum zurück. Schütteln Sie den Kolben kräftig, bis die Mischung hell glüht, und stellen Sie ihn dann ab, um den Farbunterschied von Luminol allein zu beobachten.
   • Wenn Sie fertig sind, überprüfen Sie das Filtrat. Wenn es mindestens 1 h lang 50 °C hatte, schalten Sie die Kochplatte aus und warten Sie, bis das Becherglas auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
   • Geben Sie dann etwa 10 mL Leitungswasser in das Filtrat und spülen Sie es in den Abfluss.
   • Entsorgen Sie den restlichen Chemikalien- und Glasabfall in den entsprechenden Behältern, reinigen Sie Ihre Glaswaren und Werkzeuge und räumen Sie Ihre Laborausrüstung weg.
4. ResultsErweitern

   Unter den Bedingungen der Oxidationsreaktion emittiert angeregtes 3-APA blau-grünes Licht in einem weiten Bereich um 500 nm, wenn es sich entspannt, und Fluorescein wird durch Absorption von Licht bei 480 – 490 nm und 515 – 525 nm angeregt.

   Wenn Sie Fluorescein zum Gemisch der Luminol-Oxidationsreaktion hinzufügen, kann angeregtes 3-APA Energie, die Fluorescein als Licht absorbieren würde, direkt auf ein nahegelegenes Fluoresceinmolekül übertragen, und zwar in einer speziellen Wechselwirkung, die als nichtstrahlender Energietransfer bezeichnet wird. Das dabei entstehende angeregte Fluorescein strahlt gelb-grünes Licht aus, wenn es sich entspannt.

   Angeregtes 3-APA ist sehr instabil, d.h. wenn kein Fluoreszein nahe genug für einen nichtstrahlenden Energietransfer ist, entspannt es sich, indem es wie üblich Licht emittiert. Daher würde ein Spektrum Ihrer endgültigen leuchtenden Mischung Beiträge sowohl von blau-grünem als auch von gelb-grünem Licht zeigen.