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Organic Chemistry

Montaje de un sistema de reflujo para reacciones químicas calientes

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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

Fuente: Laboratorio del Dr. Philip Miller, Imperial College de Londres

Muchos experimentos químicos requieren temperaturas elevadas antes de cualquier reacción se observa, sin embargo soluciones de reactivos de calefacción pueden conducir a pérdida de reactivos y disolvente por evaporación si sus puntos de ebullición son suficientemente bajos. Con el fin de no garantizar la pérdida de reactivo o disolvente, se utiliza un sistema de reflujo para condensar cualquier vapores producidos en la calefacción y volver estos condensados al recipiente de reacción.

Principles

A reflux system is normally operated using a vertical connection of a water-cooled-glass column (reflux condenser) to the outlet of the reaction vessel. This piece of glassware consists of a jacketed column with water inlet and outlet ports that allow cold tap water to flow through the outer jacket, while reaction vapors are forced through the inner column. The flowing cold water ensures these vapors are condensed on the walls of the inner column and gravity will return these condensates to the reaction vessel. Once a steady reflux has been reached a constant drip of fluid back to the reaction solution should be established. In this fashion, reactions can be left indefinitely without ever needing more solvent to be added. This video will explain the process of connecting the glassware and establishing a steady reflux.

Procedure

1. preparación de la cristalería

Garantizar que la cristalería esté libre de contaminantes químicos y eventualmente de la humedad permitiendo al calor en un horno a 100 ° C durante aproximadamente 30 minutos.
Una vez fríos, asegúrese de todas las juntas de vidrio esmerilado con un seco o acetona libre de contaminantes empapado limpieza tejido especialmente diseñado para aplicaciones de laboratorio.
Después de disolución de regentes en un solvente adecuado en una vasija de reacción apropiada (normalmente un matraz de fondo redondo) y agregar una barra agitadora por imán, conecte el recipiente de reflujo condensador y reacción a través de la Junta de vidrio esmerilado. Coloque un clip de Keck en la articulación.
Fije el tubo de un grifo de agua fría a la entrada de más abajo del condensador de reflujo y otra pieza de tubería de la toma de la parte superior a un fregadero. Inicio agua fría que fluye a través de la chaqueta externa del condensador en tal una tasa que no llene el fregadero.

2. calefacción de reactantes

Usando un agitador de placa calefactora, sumergir el recipiente de la reacción en un baño de calor (aceite o agua) hasta que el nivel del baño está justo por encima del nivel de la solución dentro de la vasija y sostenga en su lugar utilizando un soporte de anillo, abrazadera y jefe.
Inicio de revolvimiento de la reacción. Calentar el baño a unos 15 ° C sobre la temperatura de ebullición del solvente. Una vez alcanzado el equilibrio entre la evaporación y la condensación un goteo constante de disolvente condensado comenzará a volver a caer en el recipiente de la reacción de la columna de condensador.

3. Desmontar el aparato

Una vez transcurrido el tiempo deseado retirar el aparato de buque/reflujo la reacción del baño por la sujeción más arriba el soporte de anillo.
Permitir que el agua siga fluyendo a través del condensador de reflujo, hasta que la solución alcance temperatura ambiente.
El flujo de agua y desconecte el condensador del recipiente de la reacción.
Vacíe toda el agua en el condensador en el fregadero y retire la tubería de entrada y salida.

Un condensador de reflujo es un aparato utilizado para prevenir la pérdida de solvente en una reacción química climatizada o reactivo en química orgánica.

Para las reacciones químicas que necesitan llevarse a cabo a temperaturas elevadas durante largos períodos de tiempo que puede utilizar un sistema de reflujo para evitar la pérdida de solvente por evaporación. Aquí, se utiliza un condensador de agua fría para enfriar y volver a reactivo y solvente vaporizado hacia el recipiente de la reacción dando por resultado su conservación en el tiempo. Esto también asegura que la reacción se llevará a cabo a una temperatura constante, como el solvente elegido tendrá un punto de ebullición conocido y estable.

Este video se explican los conceptos básicos de un experimento de reflujo y demostrar cómo realizar la técnica en el laboratorio con el equipo y cristalería adecuada.

La ecuación de Arrhenius afirma que al aumentar la temperatura de una reacción, la velocidad de reacción aumenta.

Un sistema de reflujo opera bajo el equilibrio dinámico entre la evaporación y la condensación tarifas del solvente, reactivo y las moléculas de producto en el matraz. El condensador se lava continuamente con agua fría y el matraz de fondo redondo se coloca en un baño caliente. Al calentarse, se evapora la solución y la columna condensador enfría las moléculas de vapor.

El vapor se condensa en la pared lateral de cristal interno y luego vuelve hasta el matraz de reacción como el líquido condensado. Si el vapor se condensa demasiado alta en el condensador puede ocurrir pérdida de solvente y se debe aumentar el caudal de agua fría. Como tiempo progresa y el producto de reacción, se recuperan todas las especies de vaporizado y ninguna pérdida se produce entre los reactivos, disolventes o productos dentro de la mufla. Este protocolo de la configuración de toda reacción debe realizarse en una campana química bien ventilada con acceso a una fuente cercana de agua fría.

Ahora que entiendes los conceptos básicos de reflujo vamos a ver cómo configurar y realizar una reacción de transesterificación simple bajo condiciones de calor y el reflujo con la cristalería adecuada.

Antes de proceder a la inspección toda la cristalería para las muestras de los posibles contaminantes químicos de las reacciones anteriores. Eliminar toda la humedad por secado de material de vidrio en el horno durante 30 minutos retirar la cristalería una vez se haya enfriado a temperatura ambiente.

A continuación, aplique una pequeña cantidad de acetona a un tejido de laboratorio limpia y limpie todas las juntas de vidrio esmerilado para eliminar químicos y partículas contaminantes. El frasco limpio y condensador columna ahora están listos para ser montado en un sistema de reflujo. Con un solvente adecuado disolver los reactivos químicos dentro del matraz de fondo redondo. Después de agregar una barra de agitación magnética en el matraz, uniendo los puertos del vidrio esmerilado del vidrio para conectar el condensador de reflujo. Coloque un clip de Keck en la articulación. Conecte un tubo entre la fuente de agua fría y el orificio inferior de la columna de condensador. Luego, realizar otra conexión del tubo entre la parte superior de la columna del condensador y el fregadero del laboratorio. Finalmente, gire lentamente en el agua y llenar la columna de condensador con circulación de agua fría. Ajustar el flujo de agua para evitar la sobrepresurización de las conexiones del tubo.

Para completar la configuración de reflujo, sumergir el recipiente de la reacción en un baño de calefacción. Dependiendo de la temperatura deseada, estos se llenan con agua o aceite. Para óptima calefacción, el nivel de la bañera debe estar justo por encima del menisco de los reactivo en el frasco.

Garantizar la combinación de condensador y frasco utilizando un soporte de anillo y las pinzas con los jefes. Encender el agitador y la placa para comenzar la reacción. Calentar el baño a aproximadamente 15 ° C por encima del punto de ebullición del solvente. Una vez alcanzado el equilibrio entre la evaporación y la condensación un goteo constante de disolvente condensado comenzará a volver a caer en el recipiente de la reacción de la columna de condensador. Cuando es completa la reacción química apague la placa y volver a sujetar el aparato más arriba el soporte de anillo. Permita que el agua fría continuar circulando a través del condensador hasta que la instalación se ha enfriado a temperatura ambiente.

Entonces, la fuente de agua fría y desconecte el condensador desde el matraz de reacción. Para completar el desmontaje vacíelo si queda agua en el condensador en el fregadero y retire todos los tubos de la columna de vidrio.

En este ejemplo, dimetil tereftalato y glicol de etileno se refunde para producir bis(2-hydroxyethyl) tereftalato y metanol como subproducto. Debido a su bajo punto de ebullición del metanol actuó como el solvente temperatura. En este transesterification reacción calentar la mezcla a 65 ° C por 45 min aseguró formación producto visible en espectroscopia de RMN. Para obtener más información, vea el vídeo de la colección en NMR.

Aplicación de calor controlado es un requisito común en una amplia gama de reacciones químicas.

En este ejemplo, un control preciso sobre la composición, el tamaño y la conductividad eléctrica de nanocristales de semiconductor requiere condiciones de síntesis química precisa. Para las condiciones de cristal deseada, la síntesis se efectuó a 370 ° C. La columna de condensador prevenir pérdida debido a la evaporación. Por adaptación de las condiciones de reacción, una colección de nanocristales de semiconductores exponiendo diversas simetrías fueron sintetizados y colocado en proximidad unos con otros para crear heteroestructuras que pueden manipular fotones en un nivel de nanoescala. En otro ejemplo, las partículas magnéticas nanoclusters también fueron sintetizadas mediante reacciones químicas calentadas bajo condiciones de reflujo. Propiedades de estas nanopartículas magnéticas y plasmónica ayudan en la proyección de imagen biomédica.

Las condiciones de reacción dura fueron mitigadas a través de una configuración de reflujo.

Por último, los condensadores de reflujo pueden utilizarse en una amplia gama de reacciones químicas. En la reacción de Heck, se calientan un haluro insaturado y un alqueno para formar un alqueno sustituido.

Una vez más, la configuración de la reacción de Heck fue similar a los ejemplos anteriores, donde el condensador – combinación de matraz de fondo redondo se colocó en un baño caliente.

Cuando se combina con un catalizador orgánico que contiene paladio, la reacción de Heck puede ser útil en las síntesis de muchos compuestos farmacéuticos.

Sólo ha visto la introducción de Zeus al establecimiento de un sistema de reflujo para ser utilizado en reacciones químicas climatizadas. Ahora debe comprender la teoría subyacente entre el equilibrio de evaporación y condensación y cómo elegir y montar la cristalería adecuada para su reacción de reflujo.

¡Gracias por ver!

Results

Los resultados se observan después de caracterización espectroscópica de la solución resultante, como los dos reactivos ahora deberían haber reaccionado para formar un nuevo producto. Por lo general, se requerirá diferentes estrategias de purificación para separar el producto deseado en reacciones secundarias no deseadas.

En este ejemplo, se ha producido una reacción de transesterificación entre el dimetil tereftalato (DMT) y etilenglicol para permitirse el lujo de bis(2-hydroxyethyl) tereftalato y metanol (esquema 1). El solvente temperatura va a ser el metanol que produce (b.p. 65 ° C). Después de calentar el material inicial (Figura 1) bajo reflujo durante 45 min, espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) puede utilizarse para asegurar la formación de producto, como se muestra en la figura 2.

Esquema 1. Reacción de transesterificación entre el dimetil tereftalato y glicol de etileno.

Figura 1. ¹ Espectro de RMN de H de material de partida: dimetil tereftalato (DMT).

Figura 2. ¹ Espectro de RMN de H de producto: tereftalato de bis(2-hydroxyethyl).

Applications and Summary

Realizar reacciones bajo reflujo es una técnica importante para entender. Además de proporcionar un sistema por el que los reactivos volátiles y disolventes son reciclados, también permite control fino de la temperatura de reacción, como esto será constante en el punto de ebullición del disolvente elegido. Cuidadosa selección de solvente, uno puede controlar la temperatura dentro de un margen muy estrecho.

Las técnicas más avanzadas pueden utilizar temperatura solventes para realizar la purificación sofisticadas técnicas como extracciones Soxhlet o destilación fraccionada. Después de que se utilizan industrialmente a gran escala, por ejemplo en refinerías de petróleo con el fin de separar el crudo en diferentes fracciones de gasolina de diferentes puntos de ebullición.

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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