JoVE Science Education

Organic Chemistry

Montage d'un chauffage à reflux

JoVE Science Education
Organic Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

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

166,143 Views

•

07:55 min

•

April 30, 2023

Overview

Source : Laboratoire du Dr Philip Miller — Imperial College de Londres

De nombreuses expériences chimiques nécessitent des températures élevées avant toute réaction est observée, mais solutions de réactifs de chauffage peuvent conduire à perte de réactifs ou de solvant par évaporation si leurs points d’ébullition sont suffisamment faibles. Afin d’assurer sans perte de réactifs ou de solvant, un système de reflux est utilisé pour condenser les vapeurs produites sur chauffage et retourner ces condensats dans la cuve de réaction.

Principles

Un système de reflux fonctionne normalement en utilisant une connexion verticale d’une colonne d’eau-refroidi à-verre (condenseur à reflux) à la sortie de la cuve de réaction. Ce morceau de verre se compose d’une colonne chemisée avec les ports d’entrée et de sortie d’eau qui permettent à l’eau du robinet froide s’écouler à travers l’enveloppe extérieure, tandis que les vapeurs de la réaction sont contraints par le biais de la colonne intérieure. L’écoulement de l’eau froide assure ces vapeurs sont condensent sur les parois de la colonne interne et la gravité retournera ces condensats dans la cuve de réaction. Après avoir atteint un reflux régulier un goutte à goutte constant de fluide dos à la solution de réaction devrait être établi. De cette façon, les réactions peuvent rester indéfiniment sans jamais avoir besoin d’un solvant plus à ajouter. Cette vidéo vous expliquera le processus de connexion de la verrerie et établissant un reflux constant.

Procedure

1. préparation de la verrerie

S’assurer que la verrerie est exempte de contaminants chimiques et le cas échéant, de l’humidité en permettant à la chaleur dans un four à 100 ° C pendant environ 30 min.
Une fois refroidis, vérifier que tous les joints rodés sont contaminant gratuit avec un sec ou acétone imbibée nettoyage tissu spécialement conçu pour les applications de laboratoire.
Après la dissolution des régents dans un solvant approprié dans une cuve de réaction appropriée (généralement un ballon à fond rond) et ajout d’une barre de l’agitateur magnétique, connectez le navire de condenseur et réaction de reflux via le joint de verre dépoli. Fixer une pince Keck de l’articulation.
Fixer le tuyau à un robinet d’eau froide à l’entrée plus bas le réfrigérant à reflux et un autre morceau de tube de la prise de plus haut dans un évier. Départ d’eau froide qui coule à travers l’enveloppe extérieure du condensateur à un tel un taux que l’évier ne pas trop remplir.

2. chauffage des réactifs

À l’aide d’un agitateur de plaque chauffante, submerger la cuve de réaction dans un bain de chauffage (huile ou eau) jusqu’à ce que le niveau de la baignoire est juste au-dessus du niveau de la solution au sein du navire et le tenir en place, utiliser un support de bague, collier et patron.
Commencez en remuant la réaction. Faire chauffer le bain d’environ 15 ° C au-dessus du point d’ébullition du solvant. Équilibre entre évaporation et condensation ait été atteint un goutte à goutte régulier de solvant condensé va commencer à retomber dans la cuve de réaction de la colonne du condenseur.

3. démontage de l’appareil

Une fois passé le temps souhaité retirer l’appareillage du navire/reflux réaction du bain en pinçant il est plus haut sur le stand de l’anneau.
Laissez l’eau traversant le condenseur à reflux jusqu’à ce que la solution a atteint la température ambiante.
Arrêter l’écoulement de l’eau et débranchez le condensateur de la cuve de réaction.
Vider toute l’eau dans le condenseur dans l’évier et enlevez le tube d’entrée et de sortie.

Un condenseur à reflux est un appareil couramment utilisé en chimie organique pour éviter des réactifs ou solvant dans une réaction chimique chauffée.

Pour des réactions chimiques qui doivent être effectués à des températures élevées sur de longues périodes de temps qu’un système de reflux peut être utilisé pour prévenir la perte de solvant par évaporation. Ici, un condenseur à eau froide sert à refroidir et retourner en arrière réactifs et solvants vaporisé dans la cuve de réaction entraînant leur conservation dans le temps. Ceci assure aussi que la réaction aura lieu à température constante, car le solvant choisi aura un point d’ébullition connu et stable.

Cette vidéo va expliquer les bases d’une expérience de reflux et montrent comment effectuer la technique en laboratoire avec verrerie appropriée et l’équipement.

L’équation d’Arrhénius affirme qu’en augmentant la température de réaction, la vitesse de réaction augmente.

Un système de reflux relève de l’équilibre dynamique entre l’évaporation et la condensation tarifs du solvant, réactif et molécules produit dans le flacon. Le condenseur est continuellement rincé à l’eau froide et le ballon est alors placé dans un Bain thermostaté. Lors du chauffage, la solution s’évapore et la colonne de condenseur refroidit les molécules de vapeur.

La vapeur se condense sur la paroi de verre interne, puis revient vers le ballon à réaction comme le condensat liquide. Si la vapeur se condense trop haut dans le condenseur, perte de solvant peut se produire et le débit d’eau froide doit être augmenté. Dans le temps et le produit de réaction, vaporisé de toutes les espèces sont récupérés et aucune perte se produit parmi les réactifs, de solvants ou produits dans le ballon. Pour ce protocole, la configuration de toute réaction doit être effectuée sous une hotte chimique bien ventilée avec accès à une source d’eau froide à proximité.

Maintenant que vous comprenez les bases du reflux, nous allons voir comment configurer et exécuter une réaction de transestérification simples dans des conditions de chaleur et de reflux avec la verrerie appropriée.

Avant d’exécuter la procédure inspecter toute la verrerie des signes de possibles contaminants chimiques des réactions précédentes. Éliminer toute l’humidité par séchage de la verrerie dans le four pendant 30 min. Retirer la verrerie une fois refroidi à la température ambiante.

Ensuite, appliquez une petite quantité d’acétone à un tissu de laboratoire propre et essuyez tous les joints rodés pour enlever les contaminants chimiques et particules. Le flacon propre et condenseur colonne sont maintenant prêts à être assemblés en un système de reflux. Avec un solvant approprié, dissoudre les réactifs chimiques à l’intérieur du ballon. Après avoir ajouté une barre magnétique émoi au ballon, connectez le condenseur à reflux en rejoignant les ports de verre de la verrerie. Fixer une pince Keck de l’articulation. Raccorder un tube entre la source d’eau froide et l’orifice inférieur de la colonne du condenseur. Ensuite, faire un autre tube de raccordement entre le haut de la colonne du condenseur et de l’évier de laboratoire. Enfin, faire couler l’eau lentement et remplir la colonne condenseur avec circulation d’eau froide. Régler le débit d’eau pour éviter de trop mettre sous pression les raccords de tubes.

Pour terminer l’installation de reflux, submerger la cuve de réaction dans un bain de chauffage. Selon la gamme de température désirée, ceux-ci sont remplis d’eau ou d’huile. Pour le chauffage optimal, le niveau du bain doit être juste au-dessus du ménisque des réactifs à l’intérieur de la fiole.

Garantir la combinaison condenseur et le flacon à l’aide d’un support de bague et pinces avec les patrons. Commencer la réaction en tournant sur l’agitateur et la plaque chauffante. Faire chauffer le bain d’environ 15 ° C au-dessus du point d’ébullition du solvant. Équilibre entre évaporation et condensation ait été atteint un goutte à goutte régulier de solvant condensé va commencer à retomber dans la cuve de réaction de la colonne du condenseur. Lorsque la réaction chimique est terminée, éteindre la plaque chauffante et re-fixer l’appareil plus haut sur le stand de l’anneau. Permettre à l’eau froide pour continuer circulant à travers le condenseur jusqu’à ce que le programme d’installation a refroidi à la température ambiante.

Puis, éteignez la source d’eau froide et déconnecter le condensateur le ballon à réaction. Pour terminer le démontage vide tout restant dans le condensateur de l’eau dans l’évier et retirer tous les tuyaux de la colonne de verre.

Dans cet exemple, téréphtalate de diméthyle et l’éthylène glycol ont été reflux pour produire bis(2-hydroxyethyl) téréphtalate et le méthanol comme sous-produit. En raison de son faible point d’ébullition, le méthanol a agi comme le solvant. Dans cette transestérification réaction chauffer le mélange à 65 ° C pendant 45 min assurée formation produit cartographique sur la spectroscopie RMN. Pour plus d’informations, voir la vidéo de cette collection sur NMR.

Application de chaleur contrôlée est une condition courante dans un large éventail de réactions chimiques.

Dans cet exemple, un contrôle précis de la composition, la taille et la conductivité électrique des nanocristaux semiconducteurs a exigé des conditions précises de synthèse chimique. Pour les conditions de cristal souhaitée, la synthèse a été réalisée à 370 ° C. La colonne de condenseur a empêché la perte due à l’évaporation. En adaptant les conditions de réaction, une collection de nanocristaux semiconducteurs présentant différentes symétries ont été synthétisés et placé à proximité entre eux pour créer des hétérostructures qui peuvent manipuler des photons à l’échelle nanométrique. Dans un autre exemple, particules magnétiques nanocluster ont été également synthétisés en utilisant des réactions chimiques chauffées dans des conditions de reflux. Propriétés magnétiques et plasmonique des ces nanoparticules aident en imagerie biomédicale.

Les conditions de réaction sévère ont été atténuées par une configuration de reflux.

Enfin, les condenseurs de reflux peuvent être utilisés dans un large éventail de réactions chimiques. Dans la réaction de Heck, un halogéné insaturé et un alcène sont chauffées pour former un alcène substitué.

Une fois de plus, le programme d’installation pour la réaction de Heck est similaire aux exemples précédents, où le condenseur – combinaison de ballon fond rond a été placé dans un Bain thermostaté.

Lorsqu’il est combiné avec un catalyseur organique contenant du palladium, la réaction de Heck peut être utile dans la synthèse de nombreux composés pharmaceutiques.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE à mettre en place un système de reflux à être utilisés dans des réactions chimiques chauffées. Vous devez maintenant comprendre la théorie sous-jacente entre le solde d’évaporation et de condensation et de comment choisir et assembler la verrerie appropriée pour votre réaction de reflux.

Merci de regarder !

Results

Le résultat peut être observé après caractérisation spectroscopique de la solution qui en résulte, que les deux réactifs devraient maintenant avoir réagi pour former un nouveau produit. En règle générale, les diverses stratégies de purification devra séparer le produit désiré de réactions secondaires indésirables.

Dans cet exemple, une réaction de transestérification entre téréphtalate de diméthyle (DMT) et l’éthylène glycol est survenu pour permettre bis(2-hydroxyethyl) téréphtalate et du méthanol (schéma 1). Le solvant sera le méthanol qui est produit (b.p. 65 ° C). Après avoir réchauffé le départ de matière (Figure 1) sous reflux pendant 45 min, spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) peut être utilisée pour assurer la formation du produit, comme illustré à la Figure 2.

Schéma 1. Réaction de transestérification entre téréphtalate de diméthyle et l’éthylène glycol.

La figure 1. ¹ Spectre RMN de H du matériel de départ : téréphtalate de diméthyle (DMT).

La figure 2. ¹ Spectre RMN de H du produit : bis(2-hydroxyethyl) téréphtalate.

Applications and Summary

Réalisation de réactions sous reflux est une technique importante à comprendre. En plus de fournir un système selon lequel les réactifs solvants et volatiles sont recyclés, il permet également un contrôle précis de la température de réaction, puisque cela aura lieu constant au point d’ébullition du solvant choisi. Par le choix du solvant, on peut contrôler la température dans une fourchette très étroite.

Des techniques plus avancées peuvent utiliser du solvant pour effectuer des techniques de purification sophistiqués tels qu’extraction Soxhlet ou par distillation fractionnée. Le dernier en date qui est utilisé industriellement à grande échelle, par exemple dans des raffineries de pétrole afin de séparer le pétrole brut en diverses fractions de l’essence des différents points d’ébullition.

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!

Tags

Valeur vide question