Purificazione del ferrocene per sublimazione
Fonte: Tamara M. Powers, Dipartimento di Chimica, Texas A & M University
La sublimazione, la transizione di fase diretta di un solido in un gas senza…
1. Configurazione della linea Schlenk
Per una procedura più dettagliata, consultare i video "Schlenk Lines Transfer of Solvent" e "Degassing Liquids" nella serie Essentials of Organic Chemistry. La sicurezza della linea Schlenk deve essere rivista prima di condurre questo esperimento. La vetreria deve essere ispezionata per le crepe delle stelle prima dell'uso. Prestare attenzione per assicurarsi che O2 non sia condensato nella trappola della linea di Schlenk se si utilizza N2liquido . A temperatura N2 liquida, O2 condensa ed è esplosivo in presenza di solventi organici. Se si sospetta che O2 sia stato condensato o che si osservi un liquido blu nella trappola fredda, lasciare la trappola fredda sotto vuoto dinamico. NON rimuovere la trappola N2 liquida o spegnere la pompa per vuoto. Nel corso del tempo il liquido O2 sublima nella pompa - è sicuro rimuovere la trappola N2 liquida solo una volta che tutto l'O2 è sublimare.
- Chiudere la valvola di rilascio della pressione.
- Accendere il gas N2 e la pompa per vuoto.
- Mentre la linea Schlenk si equilibra sottovuoto, preparare la trappola fredda con N2 liquido o ghiaccio secco/acetone.
- Assemblare la trappola fredda.
2. Aggiungere 500 mg (2,7 mmol) di ferrocene alla base della camera di sublimazione.
3. Assemblaggio della Camera di Sublimazione
- Posizionare l'O-ring nella scanalatura della base della camera.
- Posizionare delicatamente il dito freddo nella base della camera e assicurarsi che l'O-ring si adatti alla scanalatura della vetreria.
- Fissare i due pezzi della camera di sublimazione utilizzando un morsetto.
4. Collegare la camera di sublimazione alla linea schlenk e aprire la camera per aspirare per 1 minuto. Chiudere la valvola del vuoto sulla camera di sublimazione. La sublimazione sarà effettuata sotto vuoto statico.
5. Riempi il dito freddo con un bagno di ghiaccio.
6. Posizionare la base della camera di sublimazione in un bagno d'acqua riscaldato a 80°C.
7. Al termine della sublimazione, rimuovere la camera di sublimazione dal bagno.
8. Chiudere il rubinetto sulla linea Schlenk.
9. Rimuovere il tubo della linea Schlenk dalla camera di sublimazione e reprimeturizzare la camera di sublimazione aprendo lentamente la valvola. Stai attento! Se la camera viene repressurizzata troppo rapidamente, disturberà i cristalli purificati sul dito freddo.
10. Svestire la camera di sublimazione e rimuovere l'acqua dal dito freddo con una pipetta.
11. Sollevare con attenzione il dito freddo fuori dalla camera di sublimazione.
12. Raschiare il ferrocene purificato dal dito freddo e trasferirlo in un flaconcino. Registrare il peso del prodotto purificato. Se il composto sublimato è sensibile all'aria, l'intero apparecchio deve essere portato in un glovebox in atmosfera inerte prima di aprire la camera di sublimazione.
La sublimazione è la transizione di fase di una sostanza da solida a gassosa senza passare attraverso la sua fase liquida intermedia. È una tecnica importante utilizzata per la purificazione di solidi organici e inorganici.
Solitamente il passaggio dallo stato solido a quello gassoso richiede il passaggio attraverso il suo stato liquido.
Tuttavia, la riduzione della pressione e del riscaldamento di un solido può portare alla volatilizzazione senza fusione, nota come sublimazione. Il processo inverso, in cui la sostanza passa dal suo stato gassoso a quello solido, è chiamato deposizione.
Questo video illustrerà i principi della sublimazione, una procedura tipica e diverse applicazioni.
A pressioni normali, la maggior parte dei composti chimici e degli elementi possiedono tre diversi stati della materia a diverse temperature con un triplo punto in cui sono presenti tutti e tre gli stati.
Come si vede in un diagramma di fase, la vaporizzazione e la condensazione - insieme note come distillazione - possono essere eseguite a pressioni superiori al punto triplo del composto.
Al contrario, la sublimazione e la deposizione avvengono solo a pressioni che si trovano al di sotto del punto triplo.
La sublimazione può essere eseguita utilizzando due tipi di apparecchi, a seconda della volatilità del solido: per i composti altamente volatili, una camera di sublimazione improvvisata può essere assemblata da un becher e un vetro di orologio. Questo metodo è appropriato per composti che sublimano alla pressione atmosferica o vicino alla temperatura ambiente.
Se è richiesto il vuoto e/o l'atmosfera inerte, viene utilizzata una vetreria specializzata realizzata appositamente per la sublimazione. È costituito da una tazza di vetro, contenente il solido grezzo, e da un cilindro cavo, che contiene un criogeno e si adatta alla parte superiore della tazza. Un O-ring sigilla la base e il dito freddo, mentre un attacco per il vuoto costituisce il resto dell'apparato.
Dopo aver completato la procedura di sublimazione, l'apparecchio viene smontato in una cappa aspirante o in una scatola a guanti a seconda che il materiale sia sensibile all'aria. Quindi il solido purificato può essere raschiato, mentre le impurità non volatili rimangono nella tazza.
Ora che abbiamo discusso i principi della sublimazione, diamo un'occhiata a una procedura vera e propria.
In una cappa aspirante dotata di linea Schlenk, o doppio collettore, pesare 500 mg di ferrocene alla base di una camera di sublimazione.
Posizionare un O-ring nella scanalatura della base della camera e posizionare delicatamente il dito freddo nella base della camera, assicurandosi che l'O-ring si adatti. Quindi fissare i due pezzi della camera con un morsetto.
Collegare la camera assemblata alla linea Schlenk e aprire la camera per aspirare per 1 minuto. Quindi chiudere la valvola del vuoto sulla camera per continuare l'esperimento sotto vuoto statico.
Fissare la camera a un supporto ad anello e posizionare la parte di base della camera in un 80 ? C da bagno. Riempi il dito freddo con una nequame di ghiaccio, reintegrandolo man mano che si riscalda.
Al termine della sublimazione, rimuovere la camera dal bagno. Chiudere il rubinetto alla linea Schlenk e staccare il tubo dalla camera.
Quindi, ripressurizzare la camera aprendo lentamente la valvola per far arieggiare in una cappa aspirante o in un vano portaoggetti.
Utilizzare una pipetta per rimuovere l'acqua dal dito freddo e sbloccare i due pezzi della camera. Quindi sollevare con cautela il dito freddo dalla camera di sublimazione.
Raschiare il ferrocene purificato dal dito freddo con una spatola, trasferirlo in una fiala pre-pesata e registrare il peso.
500 mg di ferrocene acquistato sono stati purificati mediante sublimazione, ottenendo un prodotto isolato di 493 mg con una resa del 99,6%. L'NMR del protone mostra un singoletto a 4,17 ppm, che si integra con 10 protoni del ferrocene. L'assenza di altri picchi indica che non sono presenti impurità e che la purificazione è andata a buon fine.
Ora che abbiamo discusso di una procedura per la sublimazione, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni.
L'acqua può essere sublimata utilizzando un processo chiamato liofilizzazione, noto anche come liofilizzazione. Ciò si ottiene congelando un pallone pieno d'acqua in un bagno di acetone con ghiaccio secco a -78 ? C e quindi applicando l'alto vuoto mediante l'applicazione di un liofilizzatore, dove l'acqua viene recuperata in un dito freddo.
Molte palline di naftalina contengono un composto noto come naftalene, che è un semplice idrocarburo poliaromatico, costituito da due anelli benzenici fusi.
Il naftalene sublima a pressione atmosferica e 80 ? C e la forma gassosa di questo composto è tossica per le tarme.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla sublimazione del ferrocene. A questo punto dovresti comprendere i principi della sublimazione, come eseguire un esperimento e molte delle sue applicazioni. Grazie per l'attenzione!
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Q1: What is sublimation and how does it differ from distillation?
Sublimation is the direct phase transition of a solid into a gas without passing through the liquid phase. It occurs at pressures and temperatures below a compound's triple point. Distillation, by contrast, involves vaporization and condensation at pressures above the triple point, requiring the substance to pass through its liquid state.
Q2: Why is sublimation useful for purifying ferrocene and other inorganic solids?
During sublimation, the target compound vaporizes while non-volatile impurities remain behind in the solid state. The vaporized compound is then collected through deposition on a cold surface, yielding a purified solid. This separation is effective because impurities have different volatility properties than the desired compound.
Q3: What equipment is needed for vacuum sublimation of ferrocene?
Vacuum sublimation requires a specialized glass apparatus consisting of a cup for the crude solid, a hollow cylinder (cold finger) filled with cryogen, an O-ring seal, and a vacuum attachment. The apparatus connects to a Schlenk line for vacuum control and inert atmosphere during purification of air-sensitive materials.
Q4: What role does the cold finger play in the sublimation process?
The cold finger is a hollow cylinder filled with an ice-slurry or cryogen that sits inside the sublimation chamber. As the ferrocene vaporizes from the heated base, it contacts the cold finger and undergoes deposition, converting back to solid form on the cold surface where it can be collected and scraped off.
Q5: How does the triple point determine whether sublimation or distillation occurs?
The triple point is the unique temperature and pressure where all three states of matter coexist. Sublimation occurs only at pressures below the triple point, while distillation occurs above it. For ferrocene, with a triple point of 183 °C, operating below this pressure ensures direct solid-to-gas transition without melting.
Q6: What does the proton NMR result tell us about the purity of sublimed ferrocene?
The proton NMR showed a single peak at 4.17 ppm integrating to 10 protons, consistent with ferrocene's structure. The absence of additional peaks indicates no impurities were present, confirming that sublimation successfully purified the compound with a 99.6% yield from the original 500 mg sample.
Q7: How is sublimation applied in freeze-drying and mothball production?
Freeze-drying, or lyophilization, uses sublimation to remove water from frozen samples by applying high vacuum, recapturing water on a cold finger. Naphthalene in mothballs sublimes at atmospheric pressure and 80 °C; its gaseous form is toxic to moths, making sublimation an effective preservation method.