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Organic Chemistry

Montage eines Reflux-Systems für beheizte chemische Reaktionen

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JoVE Science Education Organic Chemistry

Assembly of a Reflux System for Heated Chemical Reactions

2.1: Introduction to Catalysis

2.13: Performing 1D Thin Layer Chromatography

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07:55 min

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April 30, 2023

Overview

Quelle: Labor von Dr. Philip Miller, Imperial College London

Viele chemische Experimente erfordern erhöhte Temperaturen, bevor irgendeine Reaktion beobachtet, jedoch Heizlösungen der Reaktanden führen kann zum Verlust der Reaktanden und/oder Lösungsmittel über Verdunstung wenn ihre Siedepunkte niedrig genug sind. Um ohne Verlust der Edukte oder Lösungsmittel zu gewährleisten, wird ein Rückfluss-System verwendet, um irgendwelche Dämpfe produziert Heizung kondensieren und wieder diese Kondensate auf den Reaktionsbehälter.

Principles

Ein Rückfluss-System erfolgt über eine vertikale Verbindung von einer Wasser-cooled-Glassäule (Reflux Kondensator) an den Auslass des den Reaktionsbehälter normalerweise. Dieses Stück Glas besteht aus einer doppelwandigen Spalte mit Wasser Einlass und Auslass-Anschlüssen, mit denen kaltes Leitungswasser durch den Außenmantel zu fließen, während Reaktion Dämpfen durch die innere Spalte gezwungen sind. Fließende kalte Wasser sorgt für diese Dämpfe werden kondensiert an den Wänden der inneren Spalte und Schwerkraft werden diese Kondensate auf den Reaktionsbehälter zurück. Angekommen ein stetiges Reflux sollte eine ständige Tropfen Flüssigkeit zurück in die Reaktionslösung eingerichtet werden. Auf diese Weise können Reaktionen auf unbestimmte Zeit gelassen werden, ohne jemals mehr Lösungsmittel hinzugefügt werden. Dieses Video wird der Anschluss der Glaswaren und zur Gründung einer stetigen Reflux erklärt.

Procedure

1. Vorbereitung von Glaswaren

Das Glas ist frei von chemischen Schadstoffen zu gewährleisten und bei Bedarf von Feuchtigkeit durch die Hitze im Ofen bei 100 ° C für ca. 30 min ermöglichen.
Sobald Sie abgekühlt, sicherzustellen Sie, dass alle Mattscheibe Gelenke sind Schadstoff frei mit einem trockenen oder Aceton getränkt Reinigungstuch speziell für Anwendungen im Labor.
Verbinden Sie nach Regenten in einem geeigneten Lösungsmittel in einer geeigneten Reaktionsgefäß (in der Regel eine Runde Talsohle Kolben) auflösen und hinzufügen eine Magnetrührer Bar, Reflux Kondensator und Reaktion Behälter über die Mattscheibe-Gelenk. Legen Sie einen Keck-Clip auf das Gelenk.
Ein Waschbecken Schlauch aus einem Kaltwasser Hahn mit dem untersten Einlass der Reflux-Kondensator und ein weiteres Stück Schlauch aus der oberste Steckdose zuordnen. Start fließendes Kaltwasser durch den Außenmantel des Kondensators so einer Geschwindigkeit, die das Waschbecken nicht überfüllt ist.

(2) Heizung der Reaktanden

Mit einer Kochplatte Rührer, tauchen den Reaktionsbehälter in ein Heizbad (Öl oder Wasser) bis der Pegel des Bades knapp oberhalb der Ebene der Lösung innerhalb des Schiffes und halten mit einem Ring-Stand steht, Klemmen und Chef.
Start rühren die Reaktion. Erhitzen Sie das Bad auf ca. 15 ° C über dem Siedepunkt des Lösungsmittels. Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Kondensation erreicht hat startet eine stetige Tropfen kondensierte Lösungsmittel, Rückfall in das Reaktionsgefäß aus der Spalte “Kondensator”.

3. Demontage der Geräte

Sobald die gewünschte Zeit vergangen ist, entfernen Sie den Reaktion Behälter/Reflux Apparat aus dem Bad klemmend weiter oben den Ring Stand.
Lassen Sie das Wasser weiterhin durch den Reflux-Kondensator fließt, bis die Lösung zuerst auf Zimmertemperatur kommen.
Schalten Sie die Strömung des Wassers und den Reaktionsbehälter trennen Sie Kondensator.
Restliches Wasser im Kondensator in die Wanne zu entleeren und Einlass und Auslass Schlauch entfernen.

Ein Reflux-Kondensator ist eine Vorrichtung, die häufig in der organischen Chemie verwendet, um Edukt oder Lösungsmittel Verlust in einer beheizten chemische Reaktion zu verhindern.

Für chemische Reaktionen, die bei erhöhten Temperaturen über längere Zeit durchgeführt werden, die einen Rückfluss-System verwendet werden kann, um den Verlust von Lösungsmittel durch Verdunstung zu verhindern müssen. Hier dient ein kühles Wasser-Kondensator zu kühlen und verdampfte Lösungsmittel und Reaktionspartner für das Reaktionsgefäß, was zu ihrer Erhaltung im Laufe der Zeit wieder zurück. Dies gewährleistet auch, dass die Reaktion bei einer konstanten Temperatur gehalten wird, wie das gewählte Lösungsmittel bekannten, stabilen Siedepunkt haben.

Dieses Video erklären die Grundlagen eines Reflux-Experiments und demonstrieren, wie die Technik im Labor mit entsprechenden Glaswaren und Geräte durchführen.

Die Arrhenius-Gleichung besagt, dass durch Erhöhung der Temperatur einer Reaktion, die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht.

Ein Rückfluss-System arbeitet unter das dynamische Gleichgewicht zwischen der Verdampfung und Kondensation Preise der Lösungsmittel, Edukt und Produkt-Moleküle innerhalb der Flasche. Der Kondensator wird ständig mit kaltem Wasser gespült und die Rundboden-Küvette befindet sich dann in ein beheiztes Bad. Beim Erhitzen, die Lösung verdunstet und die Kondensator Spalte kühlt der Wasserdampf-Moleküle.

Der Dampf kondensiert auf der internen Glas-Seitenwand und kehrt dann wieder zurück auf den Reaktionskolben als flüssige Kondensat. Wenn der Dampf zu hoch kondensiert in den Kondensator kann Verlust des Lösungsmittels auftreten und die Durchflussmenge des kalten Wassers muss erhöht werden. Als Zeit fortschreitet und die Reaktion Erlöse alle verdampfte Arten zurückgewonnen und kein Verlust tritt bei der Edukte, Lösungsmittel oder Produkte in die Flasche. Für dieses Protokoll sollte das gesamte Reaktion-Setup in einem gut belüfteten chemische Haube mit Zugang zu einem nahe gelegenen kaltes Wasserquelle durchgeführt werden.

Nun, da Sie die Grundlagen von Reflux verstehen, lassen Sie uns sehen Sie, wie setup und führen Sie eine einfache Umesterung Reaktion unter Hitze und Reflux Bedingungen mit den entsprechenden Glaswaren.

Prüfen Sie vor Durchführung des Verfahrens alle Gläser auf Anzeichen einer möglichen chemischen Verunreinigungen aus den bisherigen Reaktionen. Beseitigen Sie alle Feuchtigkeit durch Trocknen das Glas in einem Ofen für 30 min. entfernen die Glaswaren, sobald es auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

Als nächstes wenden Sie eine kleine Menge Aceton zu einem sauberen Labor Gewebe und wischen Sie alle Boden-Glas Gelenke um Chemikalien und Partikel-Verunreinigungen zu entfernen. Der saubere Flasche und Kondensator Spalte können nun zu einem Reflux-System montiert werden. Mit einem geeigneten Lösungsmittel auflösen der chemischen Reagenzien innerhalb der Rundboden-Kolben. Nach dem Hinzufügen einer magnetischen Stir Bar in den Kolben, verbinden Sie die Reflux-Kondensator durch den Beitritt die Mattscheibe Ports der Glaswaren. Legen Sie einen Keck-Clip auf das Gelenk. Schließen Sie einen Schlauch zwischen Kaltwasser und der untere Anschluss der Kondensator Spalte. Stellen Sie anschließend eine andere Rohrverbindung zwischen dem oberen Rand der Spalte Kondensator und der Lab Spüle. Schließlich schalten Sie das Wasser langsam und füllen Sie die Kondensator-Spalte mit kaltes Wasser zirkuliert. Stellen Sie den Wasserfluss um zu verhindern, unter Druck über die Rohrverbindungen.

Um die Reflux-Einrichtung abzuschließen, Tauchen Sie den Reaktionsbehälter in ein Heizbad ein. Je nach dem gewünschten Temperaturbereich sind diese mit Wasser oder Öl gefüllt. Für die optimale Heizung sollte das Niveau des Bades oberhalb der Meniskus der Edukte im Inneren der Flasche sein.

Die Kombination aus Kondensator und Kolben mit einem Ring Stand und Klemmen mit Bossen zu sichern. Zunächst die Reaktion der Rührer und Herdplatte einschalten. Erhitzen Sie das Bad auf etwa 15 ° C oberhalb der Siedetemperatur des Lösungsmittels. Gleichgewicht zwischen Verdunstung und Kondensation erreicht hat startet eine stetige Tropfen kondensierte Lösungsmittel, Rückfall in das Reaktionsgefäß aus der Spalte “Kondensator”. Wenn die chemische Reaktion abgeschlossen ist die Kochplatte ausschalten und erneut Klemmen Sie das Gerät weiter oben den Ring Stand. Lassen Sie kaltes Wasser weiterhin im Umlauf in den Kondensator, bis das Setup auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

Schalten Sie die Kaltwasser Quelle aus, und trennen Sie den Kondensator von der Reaktionskolben. Die Demontage leer abgeschlossen verbleibende Wasser im Kondensator in die Spüle, und entfernen Sie alle Schläuche aus der Spalte “Glas”.

In diesem Beispiel wurden Dimethyl Polyethylenterephthalat und Ethylenglykol zurückgeflossen, um bis(2-hydroxyethyl) Polyethylenterephthalat und Methanol als Nebenprodukt zu produzieren. Aufgrund seiner niedrigen Siedepunkt fungierte das Methanol als refluxing Lösungsmittel. In dieser Umesterung Reaktion Erhitzen der Mischung bei 65 ° C für 45 min. gewährleistet sichtbar Produktbildung bei der NMR-Spektroskopie. Weitere Informationen finden Sie in dieser Sammlung Video auf NMR.

Die Anwendung kontrollierten Wärme ist eine häufige Anforderung in einer Vielzahl von chemischen Reaktionen.

In diesem Beispiel benötigt präzise Kontrolle über die Zusammensetzung, Größe und Leitfähigkeit der Halbleiter-Nanokristallen präzise chemische Synthesebedingungen. Für die gewünschte Kristall Bedingungen erfolgte die Synthese bei 370 ° C. Die Kondensator-Spalte Verlust durch Verdunstung verhindert. Durch eine Anpassung der Reaktionsbedingungen, eine Sammlung von Halbleiter-Nanokristallen präsentiert verschiedene Symmetrien wurden synthetisiert und platziert in der Nähe miteinander Heterostrukturen erstellen, die Photonen auf nanoskaligen Ebene manipulieren können. Ein weiteres Beispiel waren magnetische Nanocluster Partikel auch synthetisiert mit beheizten chemische Reaktionen unter Rückfluß Bedingungen. Diese Nanopartikel magnetischen und plasmonische Eigenschaften helfen, biomedizinische Bildgebung.

Die rauen Reaktionsbedingungen wurden durch ein Reflux-Setup abgeschwächt.

Zu guter Letzt können Reflux Kondensatoren in einer Vielzahl von chemischen Reaktionen verwendet werden. In der Heck-Reaktion sind eine ungesättigte Halogenid und ein Alken erhitzt, um eine substituierte Alken zu bilden.

Wieder einmal war das Setup für die Heck-Reaktion ähnlich wie bei den vorherigen Beispielen wurde der Kondensator-Rundboden Kolben Kombination in einem beheizten Bad platziert.

In Verbindung mit Palladium-haltigen organischen Katalysator kann die Heck-Reaktion in die Synthese von vielen pharmazeutischen Verbindungen nützlich sein.

Sie sah nur Jupiters Einführung in die Einrichtung eines Reflux-Systems in beheizten chemische Reaktionen eingesetzt werden. Sie sollten jetzt die zugrunde liegende Theorie zwischen das Gleichgewicht von Verdunstung und Kondensation und Gewusst wie: auswählen und montieren die entsprechenden Glaswaren für Ihre Reflux Reaktion verstehen.

Danke fürs Zuschauen!

Results

Das Ergebnis kann nach spektroskopische Charakterisierung der resultierenden Lösung beobachtet werden, wie die zwei Reagenzien zu bilden ein neues Produkt jetzt reagiert haben sollte. In der Regel müssen verschiedene Strategien der Reinigung trennen Sie das gewünschte Produkt von unerwünschten Nebenreaktionen.

In diesem Beispiel ist eine Umesterung Reaktion zwischen Dimethyl Polyethylenterephthalat (DMT) und Ethylenglykol aufgetreten, um bis(2-hydroxyethyl) Polyethylenterephthalat und Methanol (Schema 1) leisten. Das refluxing Lösungsmittel wird das Methanol, das wird (b.p. 65 ° C) hergestellt werden. Nach dem Start Werkstoff (Abbildung 1) unter Rückfluss für 45 min erwärmen, lässt die Kernresonanzspektroskopie (NMR) Produktbildung, zu gewährleisten, wie in Abbildung 2dargestellt.

Schema 1. Umesterung Reaktion zwischen Dimethyl Polyethylenterephthalat und Ethylenglykol.

Abbildung 1. ¹ H-NMR-Spektrum des Ausgangsmaterials: Dimethyl Polyethylenterephthalat (DMT).

Abbildung 2. ¹ H-NMR-Spektrum des Produkts: bis(2-hydroxyethyl) Polyethylenterephthalat.

Applications and Summary

Reaktionen unter Rückfluß ist eine wichtige Technik zu verstehen. Neben der Bereitstellung eines Systems, wobei Lösungsmittel und volatile Reagenzien recycelt werden, erlaubt es auch feine Kontrolle der Reaktionstemperatur, wie dies bei den Siedepunkt des gewählten Lösungsmittels konstant gehalten werden wird. Durch sorgfältige Wahl der Lösungsmittel kann man die Temperatur in einem sehr engen Bereich Steuern.

Fortgeschrittene Techniken nutzen können Lösungsmittel zurückfließt, um anspruchsvolle Reinigungstechniken wie Soxhlet-Extraktion oder fraktionierte Destillation durchzuführen. Die später davon dient industriell in großem Maßstab, zum Beispiel in Erdölraffinerien um Rohöl in verschiedenen Benzin Fraktionen unterschiedliche Siedepunkte zu trennen.

References

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

Transcript

A reflux condenser is an apparatus commonly used in organic chemistry to prevent reactant or solvent loss in a heated chemical reaction.

For chemical reactions that need to be carried out at elevated temperatures over long periods of time a reflux system can be used to prevent the loss of solvent through evaporation. Here, a cool water condenser is used to cool and return vaporized solvent and reactant back to the reaction vessel resulting in their conservation over time. This also ensures the reaction will be held at a constant temperature, as the chosen solvent will have a known, stable boiling point.

This video will explain the basics of a reflux experiment and demonstrate how to perform the technique in the laboratory with appropriate glassware and equipment.

The Arrhenius equation states that by increasing the temperature of a reaction, the reaction rate increases.

A reflux system operates under the dynamic balance between the evaporation and condensation rates of the solvent, reactant, and product molecules within the flask. The condenser is continually flushed with cold water and the round bottom flask is then placed into a heated bath. Upon heating, the solution evaporates and the condenser column cools the vapor molecules.

The vapor is condensed on the internal glass sidewall and then returns back down to the reaction flask as liquid condensate. If the vapor condenses too high in the condenser loss of solvent can occur and the flow rate of cold water must be increased. As time progresses and the reaction proceeds, all vaporized species are recovered and no loss occurs among the reactants, solvents, or products within the flask. For this protocol the entire reaction setup should be performed in a well-ventilated chemical hood with access to a nearby cold water source.

Now that you understand the basics of reflux let’s see how to setup and perform a simple transesterification reaction under heat and reflux conditions with the appropriate glassware.

Before performing the procedure inspect all glassware for signs of possible chemical contaminants from previous reactions. Eliminate all moisture by drying the glassware in an oven for 30 min. Remove the glassware once it has cooled to room temperature.

Next, apply a small amount of acetone to a clean lab tissue and wipe all ground-glass joints to remove chemical- and particle-contaminants. The clean flask and condenser column are now ready to be assembled into a reflux system. With a suitable solvent dissolve the chemical reagents inside the round-bottom flask. After adding a magnetic stir bar to the flask, connect the reflux condenser by joining the ground-glass ports of the glassware. Attach a Keck clip to the joint. Connect a tube between the cold-water source and the bottom port of the condenser column. Then, make another tube connection between the top of the condenser column and the lab sink. Finally, turn on the water slowly and fill the condenser column with circulating cold water. Adjust the water flow to prevent over-pressurizing the tube connections.

To complete the reflux setup, submerge the reaction vessel into a heating bath. Depending on the desired temperature range, these are filled with water or oil. For optimal heating, the level of the bath should be just above the meniscus of the reactants inside the flask.

Secure the condenser and flask combination in place using a ring stand and clamps with bosses. Begin the reaction by turning on the stirrer and hotplate. Heat the bath to approximately 15 °C above the boiling point of the solvent. Once equilibrium between evaporation and condensation has been reached a steady drip of condensed solvent will start falling back into the reaction vessel from the condenser column. When the chemical reaction is complete turn off the hot plate and re-clamp the apparatus higher up the ring stand. Allow cold water to continue circulating throughout the condenser until the setup has cooled to room temperature.

Then, turn off the cold-water source and disconnect the condenser from the reaction flask. To complete the disassembly empty any remaining water in the condenser into the sink, and remove all tubing from the glass column.

In this example, dimethyl terephthalate and ethylene glycol were refluxed to produce bis(2-hydroxyethyl) terephthalate and methanol as a byproduct. Due to its low boiling point the methanol acted as the refluxing solvent. In this transesterification reaction heating the mixture at 65 °C for 45 min ensured visible product formation upon NMR spectroscopy. For more information, see this collection’s video on NMR.

Applying controlled heat is a common requirement in a wide range of chemical reactions.

In this example, precise control over the composition, size, and electrical conductivity of semiconductor nanocrystals required precise chemical synthesis conditions. For the desired crystal conditions, the synthesis was performed at 370 °C. The condenser column prevented loss due to evaporation. By tailoring the reaction conditions, a collection of semiconductor nanocrystals exhibiting different symmetries were synthesized and placed in proximity with each other to create heterostructures that can manipulate photons at a nanoscale level. In another example, magnetic nanocluster particles were also synthesized using heated chemical reactions under reflux conditions. These nanoparticles’ magnetic and plasmonic properties aid in biomedical imaging.

The harsh reaction conditions were mitigated through a reflux setup.

Finally, reflux condensers can be used in a wide range of chemical reactions. In the Heck reaction, an unsaturated halide and an alkene are heated to form a substituted alkene.

Once again, the setup for the Heck reaction was similar to the previous examples, where the condenser – round-bottom flask combination was placed into a heated bath.

When combined with a palladium-containing organic catalyst, the Heck reaction can be useful in the syntheses of many pharmaceutical compounds.

You’ve just watched JoVE’s introduction to setting up a reflux system to be used in heated chemical reactions. You should now understand the underlying theory between the balance of evaporation and condensation and how to choose and assemble the appropriate glassware for your reflux reaction.

Thanks for watching!

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