What is the first step in synthesizing luminol?

The first step is a condensation reaction between 3-nitrophthalic acid and hydrazine solution. During this reaction, the carboxylic acid groups are substituted with NH groups to produce 3-nitrophthalhydrazide and two water molecules. The mixture is heated to 210–220 °C to drive the reaction to completion.

Why is a fume hood required for luminol synthesis?

A fume hood is essential because the reactions produce toxic vapors and gases throughout the synthesis. Hydrazine, a key reactant, is highly toxic and flammable, requiring careful handling and ventilation. Working in a fume hood protects you from inhaling harmful fumes and prevents exposure to dangerous chemicals.

How does the second step convert 3-nitrophthalhydrazide to luminol?

Sodium dithionite reduces the nitro group of 3-nitrophthalhydrazide in a basic NaOH solution, producing 3-aminophthalhydrazide dianion. Acetic acid is then added to protonate the dianion, forming luminol. This reduction step transforms the yellow 3-nitrophthalhydrazide into the final luminol product as a yellow solid.

What causes the blue-green light emission in the chemiluminescence experiment?

When luminol is oxidized by ambient oxygen in the presence of potassium hydroxide and dimethyl sulfoxide, it forms excited 3-aminophthalate (3-APA). As this unstable complex relaxes to the ground state, it releases energy as blue-green light around 500 nm. This light emission from a chemical reaction is called chemiluminescence.

What happens when fluorescein is added to the luminol mixture?

Fluorescein, a fluorescent molecule, accepts energy directly from excited 3-APA through nonradiative energy transfer rather than allowing it to emit light. The excited fluorescein then emits yellow-green light when it relaxes. This creates a mixture that glows with both blue-green and yellow-green light contributions.

How is the solid luminol product collected after synthesis?

After the reduction reaction cools in an ice bath for 15 minutes, luminol precipitates as a yellow solid. Vacuum filtration is used to separate the solid from the liquid filtrate. The luminol is rinsed with cold water to remove impurities, then transferred to a beaker for storage or further use.

Why does the chemiluminescence light fade quickly during the experiment?

The light fades rapidly because both the oxidation of luminol and the relaxation of the excited 3-APA complex occur very quickly. As the reaction proceeds, oxygen in the flask is consumed, reducing the rate of oxidation. Shaking the flask vigorously accelerates the reaction and regenerates light until oxygen becomes depleted.

Synthèse du Luminol

Notions clés Préparation de l’enseignant Protocole de l’étudiant

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Habituellement, lorsque les réactifs se transforment en produits, la différence de leur énergie est connue sous le nom d’enthalpie de la réaction, qui peut être soit exothermique, où la chaleur est libérée, soit endothermique, où la chaleur est absorbée.

Dans une réaction chimiluminescente, les réactifs forment un intermédiaire, qui est dans un état d’excitation électronique. Cet intermédiaire est instable. Lorsqu’il se détend jusqu’à l’état fondamental, les électrons de l’intermédiaire libèrent de l’énergie dans l’émission de lumière visible plutôt que sous forme de chaleur.

Ce phénomène est similaire à la fluorescence. Rappelons que les électrons d’une molécule occupent l’état fondamental. Lorsqu’ils absorbent de l’énergie, par exemple lorsqu’ils sont exposés à une certaine longueur d’onde de lumière, ils deviennent excités et passent à un niveau d’énergie plus élevé. Lorsque l’état excité se détend pour revenir à l’état fondamental, l’énergie excédentaire est émise sous forme de lumière visible.

Cependant, il est important de faire la distinction entre les deux. La différence réside dans la façon dont les électrons des molécules sont excités. Dans la chimiluminescence, l’énergie générée à partir d’une réaction chimique excite les électrons... tandis que dans la fluorescence, les électrons sont excités par l’absorption directe de l’énergie lumineuse ou d’autres rayonnements électromagnétiques. Lorsque les électrons se détendent jusqu’à l’état fondamental, les deux types de luminescence libèrent l’énergie sous forme de lumière émise.

Jetons un coup d’œil à un exemple de chacun. Lorsque vous faites briller une lumière UV sur une bouteille d’eau tonique, les électrons de la quinine absorbent l’énergie et sont excités à un niveau d’énergie plus élevé. Lorsque les électrons se détendent, ils libèrent de l’énergie sous forme de lumière bleue.

Considérons maintenant un bâton lumineux, qui a un tube extérieur contenant de l’oxalate de diphényle et un colorant, et un tube intérieur contenant du peroxyde d’hydrogène. Lorsque vous pliez le bâton lumineux, le tube intérieur se brise, permettant aux réactifs de se mélanger. Le peroxyde d’hydrogène oxyde l’oxalate de diphényle pour former du phénol et du peroxyde cyclique. Le peroxyde cyclique se décompose en dioxyde de carbone, libérant de l’énergie qui excite le colorant à un niveau d’énergie plus élevé. Lorsque le colorant se détend jusqu’à l’état fondamental, un photon de lumière est libéré. Ici, le processus est de chimiluminescence car l’énergie fournie pour exciter le colorant provient d’une réaction chimique.

Dans ce laboratoire, vous synthétiserez le 3-aminophtalhydrazide, également connu sous le nom de luminol, en effectuant une série de réactions. Vous ferez ensuite réagir le luminol avec du sulfoxyde de diméthyle sur de l’hydroxyde de potassium solide pour observer sa chimiluminescence.

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Source : Lara Al Hariri et Ahmed Basabrain de l’Université du Massachusetts Amherst, MA, États-Unis

Synthèse du 3-Nitrophthalhydrazide
Dans ce laboratoire, vous synthétiserez le 3-aminophthalhydrazide, également appelé luminol, dans un processus en 2 étapes. La première étape est une réaction de condensation entre l’acide 3-nitrophtalique et l’hydrazine.

Au cours de cette étape, les groupes acide carboxylique sont substitués par des groupes NH pour produire du 3-nitrophthalhydrazide et deux molécules d’eau. Vous devez travailler dans une hotte dans tout ce laboratoire, car les réactions produisent des vapeurs et des gaz toxiques.
- Avant de commencer, enfilez une blouse de laboratoire, des lunettes de sécurité anti-éclaboussures et des gants en nitrile. note: L’hydrazine est hautement toxique et inflammable, alors évitez de la toucher et gardez tout ce qui contient de l’hydrazine fermé ou couvert lorsque vous le transportez entre des hottes.
- Maintenant, mesurez 10 ml d’eau déminéralisée et versez-le dans un erlenmeyer de 25 ml. Fixez le ballon sur une plaque chauffante et placez-y un thermomètre.
- Ensuite, commencez à chauffer l’eau. Vous voudrez que la température de l'eau soit de 80 °C, alors réglez le réglage de la plaque chauffante sur légèrement plus élevé.
- Pendant qu’il chauffe, installez un bec Bunsen sous une pince fixée sur un support de laboratoire.
- Procurez-vous un tube à essai de 25 ml et ajustez la pince de manière à ce qu’elle maintienne le tube à essai à environ 5 à 7 cm au-dessus de la flamme. Ensuite, retirez le tube à essai et placez-le dans un bécher de 400 ml.
- Une fois que l’eau atteint 80 °C, ajustez le réglage de la chaleur pour maintenir la température stable.
- Ensuite, pesez 0,6 g d’acide 3-nitrophtalique dans un bateau de pesée taré. Versez l’acide 3-nitrophtalique dans votre tube à essai. Ensuite, amenez le tube à essai et un bouchon de tube à essai dans le capot de solvant.
- Utilisez la pipette volumétrique fournie pour mesurer soigneusement 0,9 mL de la solution d’hydrazine à 10 % v/v et transférez-la dans le tube à essai. N’oubliez pas de boucher la bouteille de solution d’hydrazine et de boucher votre tube à essai avant de retourner à votre capuche.
- Fixez le tube à essai sur le bec Bunsen et retirez le bouchon. Ensuite, versez ~2 ml de triéthylène glycol dans un cylindre gradué et placez-le à l’écart dans votre hotte.
- Maintenant, ajoutez 2 ou 3 copeaux bouillants dans le tube à essai. Placez un thermomètre à haute température dans le tube à essai et allumez le bec Bunsen. Faites chauffer le mélange à feu moyen jusqu’à ce que l’acide 3-nitrophtalique se dissolve.
- Ensuite, ajoutez le triéthylène glycol et augmentez la chaleur de la flamme. note: Une fois que l’eau de la solution d’hydrazine a bouilli, la température continuera d’augmenter.
- Lorsque le mélange réactionnel atteint 210 °C, baissez le feu et maintenez le mélange entre 210 °C et 220 °C pendant 3 à 4 min.
- Ensuite, éteignez la flamme et attendez que le mélange refroidisse à 100 °C.
- Éteignez la plaque chauffante, retirez le thermomètre et dégrafez la fiole. À l’aide de pinces, tenez le ballon et mesurez 8 mL d’eau chaude à l’aide du cylindre gradué. Versez cette eau chaude dans le tube à essai et retirez le thermomètre.
- Obtenez un morceau de film de paraffine en plastique et couvrez l’embouchure du tube à essai. Ensuite, à l’aide de pinces, transférez le tube à essai dans le bécher de maintien.
- Près d’un évier de laboratoire, tenez le tube à essai sous l’eau courante du robinet pour le refroidir, en faisant attention de ne pas laisser entrer d’eau.
- Ensuite, séchez l’extérieur du tube et ramenez-le dans votre capuche. Fixez le tube à la verticale et retirez le film de paraffine. Laisser précipiter le 3-nitrophthalhydrazide jaune dans le tube pendant 15 min.
- Pendant que vous attendez, ajoutez ~10 mL d’eau déminéralisée dans un erlenmeyer de 25 mL. Préparez un bain de glace dans un bécher de 250 ml et commencez à refroidir l’eau qu’il contient.
- Ensuite, préparez-vous pour la filtration sous vide à l’aide d’une fiole filtrante de 250 ml, d’un entonnoir Büchner et d’un morceau de papier filtre circulaire.
- Une fois que le produit a précipité pendant au moins 15 min, mouillez une pipette Pasteur et mouillez le papier filtre avec quelques gouttes d’eau froide.
- Ensuite, allumez le vide et versez le contenu du tube à essai dans l’entonnoir de Büchner. Rincez le reste solide dans l’entonnoir avec 1 à 2 ml d’eau froide.
- Retirez les copeaux bouillants avec une pince à épiler et rincez-les avec quelques gouttes d’eau froide pour finir de recueillir le produit.
- Éteignez la pompe à vide une fois qu’il n’y a plus de liquide qui s’écoule dans le flacon depuis l’entonnoir.
Synthèse du 3-Aminopthalhydrazide
Dans la deuxième étape de la synthèse du luminol, vous réduirez le groupe nitro du 3-nitrophthalhydrazide à l'aide de dithionite de sodium dans une solution basique de NaOH. Cela produira du 3-aminophthalhydrazide dianion.

Après la réduction, vous ajouterez de l'acide acétique pour protoniser le dianion, formant ainsi du luminol. La dithionite de sodium est très réactive et se dégrade rapidement, vous en utiliserez donc un léger excès. Après la réduction, vous allez protoner le luminol dianion pour diminuer sa solubilité dans l'eau. Enfin, vous précipiterez et collecterez le luminol sous forme de solide jaune.
- Placez un tube à essai propre de 25 ml dans un bécher et utilisez une spatule propre pour transférer votre 3-nitrophthalhydrazide dans le tube à essai.
- Mets l’entonnoir Büchner de côté et serre le tube à essai sur le bec Bunsen. Laissez le flacon filtrant en place pour plus tard.
- Maintenant, utilisez un cylindre gradué de 10 ml pour obtenir 3 ml d’environ 3 M de NaOH. Versez la solution d’hydroxyde de sodium dans le tube à essai et remuez le mélange avec une tige de verre jusqu’à ce que le 3-nitrophthalhydrazide se dissolve.
- Maintenant, pesez 2 g de dithionite de sodium dans un bateau de pesée taré et ajoutez-le dans le tube à essai. Obtenez 3 ml d’eau déminéralisée et versez-la dans le tube.
- Mélangez bien pour dissoudre autant de solide que possible. Ensuite, ajoutez quelques copeaux bouillants propres dans le tube à essai et allumez le bec Bunsen.
- Chauffez le mélange à ébullition à feu moyen, puis laissez bouillir pendant 5 min.
- Pendant que vous attendez, mesurez 1,5 ml d’acide acétique glacial et apportez-le à votre hotte.
- Une fois que le mélange réactionnel a bouilli pendant 5 min, éteignez le bec Bunsen et ajoutez l’acide acétique dans le tube. Laissez le mélange refroidir à température ambiante, ce qui prend généralement 10 à 15 minutes. Pendant ce temps, préparez un bain de glace dans un bécher de 600 ml.
- Une fois le mélange refroidi, placez-le dans le bain de glace et attendez 15 min que le luminol précipite.
- Remontez la configuration de filtration sous vide à l’aide d’un entonnoir Büchner propre et d’un nouveau morceau de papier filtre, et commencez à refroidir 10 ml supplémentaires d’eau déminéralisée dans un bain de glace.
- Une fois que le luminol a été dans le bain de glace pendant au moins 15 min, mouillez le papier filtre avec de l’eau froide. Ensuite, récupérez le luminol solide par filtration sous vide.
- Récupérez les copeaux bouillants et rincez le luminol avec plus d’eau froide. Une fois que le liquide cesse de s’écouler de l’entonnoir, éteignez l’aspirateur et transférez le luminol dans un bécher de 50 ml.
- Maintenant, préparez le filtrat combiné pour l’élimination. Tout d’abord, étiquetez un bécher de 250 ml comme « déchets d’hydrazine et de dithionite ». Transférez le filtrat dans le bécher et rincez le ballon avec de l’eau déminéralisée pour éliminer l’hydrazine et la dithionite résiduelles.
- Ensuite, diluez le filtrat avec 10 mL d’eau déminéralisée. Ensuite, mesurez 10 ml de carbonate de sodium 1 M et ajoutez-le aux filtrats combinés.
- Apportez une bouteille graduée de 50 ml à la hotte d’évacuation. Mesurer 40 ml d’hypochlorite de sodium à 10 % et le verser dans le mélange de filtrat. Placez le bécher sur la plaque chauffante, ajoutez un agitateur et fixez un thermomètre dans le bécher.
- Chauffez le mélange à 50 °C en remuant. Le mélange doit rester à 50 °C pendant 1 h pour oxyder les restes d’hydrazine et de dithionite, alors assurez-vous que la température est stable et réglez une minuterie sur 1 h avant de commencer la dernière partie du laboratoire.
Chimiluminescence et fluorescence
Pour la dernière partie du laboratoire, vous mélangerez une partie du luminol que vous avez fabriqué avec du sulfoxyde de diméthyle sur de l'hydroxyde de potassium solide. Les ions hydroxyles déprotonent les deux groupes amines. Ensuite, l’oxygène ambiant oxyde le luminol dianion en 3-aminophtalate, ou 3-APA, dans un état excité. Ce complexe instable se détendra rapidement jusqu’à l’état fondamental, libérant de l’énergie sous forme de lumière visible. Étant donné que le 3-APA excité était le produit d’une réaction chimique, la lumière émise est appelée chimiluminescence.

Une fois que vous avez vu la chimiluminescence de la réaction d'oxydation, vous ajouterez de la fluorescéine, une molécule fluorescente, au mélange. Certains 3-APA excités transfèrent l’énergie directement à la fluorescéine plutôt que d’émettre de la lumière, ce qui vous donne une solution avec deux composés électroluminescents différents.
- Maintenant, mesurez environ 0,2 g du luminol que vous avez fabriqué et placez-le dans un erlenmeyer de 15 ml. Ce n'est pas grave si le solide est encore humide.
- Obtenez 5 à 7 pastilles d’hydroxyde de potassium et versez-les dans le flacon. Ensuite, apportez la fiole, un bouchon et un cylindre gradué de 10 mL dans le capot de solvant.
- Mesurez 2 ml de DMSO, ajoutez-le dans la fiole et bouchez-le. Placez le cylindre gradué dans votre hotte et apportez le ballon dans une pièce sombre.
- Secouez vigoureusement le flacon bouché jusqu’à ce que vous voyiez une chimiluminescence, puis posez le ballon. La lumière s’estompe rapidement car l’oxydation et la relaxation sont des processus rapides.
- Secouez le flacon et laissez la lumière s’estomper 6 à 10 fois de plus sans ouvrir le flacon. La lumière s’atténuera progressivement au fur et à mesure que l’oxygène contenu dans le flacon sera consommé. note: Pour le rendre plus lumineux, laissez le flacon ouvert dans votre hotte pendant une minute pour faire le plein d’oxygène.
- Fermez le flacon, retournez dans la pièce sombre, et secouez à nouveau le flacon pour voir l’effet.
- Maintenant, mesurez 0,2 g de colorant fluorescéine et ajoutez-le dans votre flacon. Fermez la fiole et retournez dans la pièce sombre. Secouez vigoureusement le ballon jusqu’à ce que le mélange brille de mille feux, puis posez-le pour observer la différence de couleur avec le luminol seul.
- Lorsque vous avez terminé, vérifiez le filtrat. Une fois qu’il a été à 50 °C pendant au moins 1 h, éteignez la plaque chauffante et attendez que le bécher refroidisse à température ambiante.
- Ensuite, ajoutez environ 10 ml d’eau du robinet au filtrat et rincez-le dans les égouts.
- Jetez les déchets chimiques et de verre restants dans les conteneurs appropriés, nettoyez votre verrerie et vos outils, et rangez votre équipement de laboratoire.
Results
Dans vos conditions de réaction d’oxydation, le 3-APA excité émet une lumière bleu-vert dans une large gamme d’environ 500 nm lorsqu’il se détend, et la fluorescéine est excitée en absorbant la lumière à 480 - 490 nm et 515 - 525 nm.

Lorsque vous ajoutez de la fluorescéine au mélange de réaction d’oxydation du luminol, le 3-APA excité peut transférer l’énergie que la fluorescéine absorberait sous forme de lumière directement à une molécule de fluorescéine voisine dans une interaction spéciale appelée transfert d’énergie non radiative. La fluorescéine excitée qui en résulte émet une lumière jaune-vert lorsqu’elle se détend.

Le 3-APA excité est très instable, donc si aucune fluorescéine n’est assez proche pour le transfert d’énergie non radiative, elle se détendra en émettant de la lumière comme d’habitude. Ainsi, un spectre de votre mélange lumineux final montrerait les contributions de la lumière bleu-vert et jaune-vert.