Overview
Fuente: Vy M. Dong y Jan Riedel, Departamento de química, Universidad de California, Irvine, CA
Una trampa de Dean-Stark es una pieza especial de vidrio, que permite la recogida de agua en una reacción a través de una destilación azeotrópica. El deseo de recoger el agua de una reacción puede tener varias razones. Pueden conducir los equilibrios en reacciones, donde el agua se forma como subproducto. Según el principio de Le Chatelier, un cambio de temperatura, presión, concentración o volumen hará un reajuste de una reacción reversible para establecer un nuevo equilibrio. La formación de un acetal es una reacción reversible, donde se forma agua como subproducto. En tales casos, logrando buenos rendimientos es posible conducir el equilibrio hacia el producto a través de la eliminación de agua. La trampa de Dean-Stark también permite la determinación del contenido de agua o puede ser utilizada para eliminar el agua de una mezcla de solvente a través de una destilación azeotrópica.
Principles
Un equilibrio de la reacción puede ser influenciado con un exceso de reactivo o retiro de un producto formado para conducir el equilibrio hacia el producto. Equilibrio puede ser también influenciado por temperatura o presión. Este principio se llama principio de Le Chatelier y afirma que un cambio de temperatura, presión, concentración o volumen hará un reajuste de la reacción para establecer un nuevo equilibrio. Mediante la adición de un exceso de reactivo, los cambios de concentración y un nuevo equilibrio establece, favoreciendo al lado del producto. Por ejemplo, conducir el equilibrio de una hidrólisis puede fácilmente lograrse mediante la adición de un exceso de agua.
Que influyen en el equilibrio de una reacción donde se forma agua como subproducto, como una esterificación, no es sencillo y requiere cristalería especial. Esta pieza especial de objetos de vidrio se llama una trampa de Dean-Stark y ayuda a eliminar el agua formado desde el medio de reacción (figura 1). Solventes que forman un azeotrope con agua, como el tolueno, se emplean comúnmente. Un azeótropo es un punto en una destilación donde la composición de la fase líquida es igual a la composición de la fase de gas. No es posible una separación más a través de una destilación simple del punto azeotrópico. Esto es una ventaja cuando se usa la trampa de Dean-Stark para influir en equilibrios, porque le asegura la continua extracción de agua. Sobre la calefacción de la mezcla de reacción, el azeótropo formado tolueno/agua destila sobre, condensar en el condensador y flujo en la trampa de Dean-Stark. Tolueno y el agua formarán dos capas separadas con tolueno como la capa superior y el agua como la capa inferior. Mientras que el tolueno puede fluir hacia el matraz de reacción, agua consigue atrapado como la capa inferior y en última instancia del equilibrio de la reacción así conduce la reacción hacia el producto.
Figura 1. Aparato de Dean-Stark
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Procedure
1. preparación
- Tomar 250 mL redondo matraz de fondo equipado con una barra de agitación magnética.
- Coloque un baño de aceite en el matraz de fondo redondo sobre un agitador magnético.
- Llene el matraz de fondo redondo con 7,5 g (0.05 mol) m- Nitrobenzaldehído y añadir 75 mL de tolueno.
- Añadir glicol de etileno de 3,1 mL (3,45 g, 0.055 mol).
- Coloque la trampa de Dean-Stark en el matraz de fondo redondo.
- Conecte un condensador de reflujo en la cima de la trampa de Dean-Stark.
2. ejecución de la reacción
- Ajustar la temperatura del baño de aceite a 170 ° C y el calor la mezcla de reacción a reflujo.
- Vigilar la reacción midiendo la cantidad de agua en la trampa de Dean-Stark.
- La reacción se realiza cuando no hay más agua queda atrapada en el brazo lateral de la trampa de Dean-Stark.
- Después de aproximadamente 2 h, la cantidad total de agua recogida es aproximadamente 0,8 mL.
3. workup
- Suelte el agua y remover el solvente orgánico combinado de la mezcla de reacción a presión reducida en un rotavapor.
- Disolver el residuo amarillo en 8 mL de etanol bajo reflujo.
- Enfriar la solución.
- El acetal deseada se cristalizará.
- Filtrar el sólido y seco a presión reducida.
La trampa de Dean-Stark se utiliza para cambiar el equilibrio de las reacciones orgánicas hacia el producto.
Según el principio de Le Châtalier, un equilibrio puede ser conducido hacia los productos con un exceso de uno de los reactivos, quitando continuamente uno de los productos, o cambiando la temperatura o la presión a la que la reacción se lleva a cabo. Tal vez las reacciones de equilibrio más comúnmente encontrados son los relacionados con el agua como un producto.
Como se indicó anteriormente, la eliminación de esta agua puede conducir la reacción a la terminación. Una trampa de Dean-Stark es un pedazo especializado de cristalería que se utiliza para eliminar continuamente el agua formada en una reacción química.
Este video ilustra los principios de la trampa de Dean-Stark, un procedimiento de laboratorio en el que se utiliza el aparato y varias aplicaciones.
Reacciones tales como la conversión de ácido bórico en un resultado de ester en la formación de agua, que puede hidrolizar el éster a un ácido, disminuyendo el rendimiento general.
Como avanza la reacción, el agua producida en la reacción podría ser continuamente retirar del frasco con el uso de una trampa de Dean-Stark. Para ello, primero agregar los componentes de la reacción a un matraz junto con hidrocarburos como el tolueno y la mezcla. Conforme avanza la reacción, se libera el agua. Ahora el tolueno y el agua, que hierve a 100 y 110 grados, respectivamente, forman un azeotropo, que hierve a 84 grados. Enfriamiento en el condensador, los vapores del solvente se condensan a líquido que gotea dentro del vaso de colección de la trampa, y cualquier desbordamiento se devuelve al recipiente de reacción.
La mezcla líquida condensada eventualmente se separa en dos capas inmiscibles, el componente más denso en la parte inferior. Se trata generalmente de la capa de agua, que luego es drenada. El mismo proceso se continúa hasta que no se producción más de agua, lo que indica la terminación de la reacción.
Ahora que hemos discutido los principios de la trampa de Dean-Stark, echemos un vistazo a un procedimiento de laboratorio en el que se utiliza el aparato.
En este procedimiento, va a reaccionar un aldehído aromático con glicol de etileno para dar un acetal protección de grupo, que protege el aldehino reactivo de más las reacciones químicas de síntesis multietapa. Para empezar, agregar a un matraz de fondo redondo de 250 mL un stirbar, 7,5 g de 3-Nitrobenzaldehído, 75 mL de tolueno y glicol de etileno. Luego coloque la trampa de Dean-Stark el matraz y un condensador de reflujo en la parte superior de la trampa.
Bajar el matraz y su contenido en un baño de aceite, abrir el agua en el condensador y revuelva a 170 grados. Permite la mezcla azeotrópica condensar y recoger en la trampa y continúa hasta que cesa la formación de agua. Después de las dos capas separadas, medir la cantidad de agua producida y compararlo con el rendimiento teórico. Para verificar la terminación de la reacción, ejecutar la partida materiales y productos en una placa de TLC.
Una vez que la reacción es completa, retire el matraz de la fuente de calor y permita que alcance la temperatura ambiente. Deseche el contenido de la trampa de Dean-Stark, ya que no deben contener ningún producto y concentrar el contenido del frasco bajo presión reducida con un evaporador rotatorio.
Para eliminar las impurezas, disolver el residuo amarillo en 8 mL de etanol caliente y deje que se enfríe a temperatura ambiente, permitiendo que el producto se cristalice. A continuación, filtrar el sólido, lavado con etanol frío y secado a vacío.
Ahora que hemos visto un procedimiento de laboratorio vamos a ver algunas aplicaciones para que se utiliza una trampa de Dean-Stark.
Enamines son compuestos vinylamine sustituidos útil para alfa de bonos de carbono de forma a grupos carbonilo. Enamines se preparan calentando una amina secundaria, como la pirrolidina y un aldehído o cetona, y eliminar el subproducto de agua con una trampa de Dean-Stark.
Además de agua, puede utilizarse una trampa de Dean-Stark para recoger otros compuestos. Aquí, se utilizó para recoger el producto de una reacción de esterificación entre el ácido benzoico y 1-butanol, que es también el disolvente de la reacción. El 1-butanol es inmiscible con y menos densos que el producto, y fluye nuevamente dentro del reactor. El producto de la esterificación, que es hidrófobo, se separa fácilmente el subproducto de agua.
Un uso adicional para trampas Dean Stark es la determinación del contenido de agua en los productos alimenticios. Esto se logra colocando una cantidad conocida de la comida y hervir en un solvente de hidrocarburo. El volumen de agua recogida de destilado es medido y dividido por el peso del alimento para calcular el porcentaje de humedad.
Sólo ha visto la introducción de Zeus a equilibrios de conducción con trampas Dean Stark. Ahora debe comprender los principios de trampas Dean Stark, cómo realizar un procedimiento de laboratorio y algunas de sus aplicaciones. ¡Gracias por ver!
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Results
El agua se forma y queda atrapado en el transcurso de la reacción. La cantidad teórica de agua formado sobre la conversión completa puede ser calculada y comparada con la cantidad medida de agua atrapada para determinar el progreso de la reacción.
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Applications and Summary
Este experimento demuestra vívidamente principio de Le Chatelier y cómo puede conducir a un equilibrio.
Trampas Dean Stark se utilizan para eliminar el agua de una mezcla solvente bajo circunstancias diversas. Por ejemplo, la eliminación de agua mediante una destilación simple al agua no forma un azeotrope con los otros disolventes, es posible con una trampa de Dean-Stark en su diseño base. En el caso de una destilación azeotrópica, la adición de un entrainer es necesaria. Un entrainer es un solvente orgánico, que forma un azeótropo con agua pero no se mezcla con agua en fase líquida. La adición de un entrainer asegura la continua extracción de agua, que queda atrapada en el brazo lateral de la trampa de Dean-Stark. A diferencia de la trampa de Dean-Stark, un aparato de destilación normal requiere la adición continua de un entrainer ya que no puede fluir el entrainer destilada a la mezcla de solvente.
La trampa de Dean-Stark puede utilizarse también para el equilibrio de las reacciones, donde agua forma como un subproducto, como en la formación de un éster o acetal. A través de una destilación azeotrópica donde el solvente es el entrainer, se extrae el agua de la reacción y por lo tanto del equilibrio.
Por último, una destilación azeotrópica con una trampa de Dean-Stark también puede utilizarse para determinar el contenido de agua de solventes o mezclas de solventes. No sólo puede eliminarse el agua con una trampa de Dean-Stark, pero también volátiles alcoholes mediante la colocación de 5 Å tamices moleculares en la trampa.
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