루미놀의 합성

출처: Lara Al Hariri 및 Ahmed Basabrain, University of Massachusetts Amherst, MA, USA

1. 확장

   이 실습에서는 루미놀이라고도 하는 3-아미노프탈히드라지드를 2단계 공정으로 합성합니다. 첫 번째 단계는 3-니트로프탈산과 히드라진 사이의 축합 반응입니다.

   이 단계에서 카르복실산기는 NH 기로 치환되어 3-니트로프탈히드라지드와 2개의 물 분자를 생성합니다. 반응으로 인해 독성 증기와 가스가 생성되므로 이 실험실 전체에서 흄 후드에서 작업해야 합니다.

   • 시작하기 전에 실험복, 생활 방수 보안경, 니트릴 장갑을 착용하십시오. 메모: 히드라진은 독성이 강하고 가연성이 높으므로 만지지 말고 히드라진이 포함된 모든 것을 밀폐하거나 덮어 두십시오.
   • 이제 탈이온수 10mL를 측정하여 25mL 삼각 플라스크에 붓습니다. Clamp 플라스크를 핫 플레이트에 놓고 온도계를 놓습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-5">
   그런 다음 물을 가열하기 시작합니다. 물의 온도를 80°C로 하고 싶으므로 핫 플레이트 설정을 약간 더 높게 설정하십시오.
   • 가열하는 동안 실험실 스탠드에 고정된 클램프 아래에 Bunsen 버너를 설치하십시오.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-7">
   25mL 시험관을 구하고 클램프를 조정하여 시험관을 화염에서 약 5 – 7cm 위로 고정합니다. 그런 다음 테스트 튜브를 제거하고 400mL 비커에 넣습니다.
   < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-8">
   물이 80°C에 도달하면 온도를 안정적으로 유지하기 위해 열 설정을 조정합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-9">
   그런 다음 중량이 가라앉은 무게를 잴 보트에 0.6g의 3-니트로프탈산의 무게를 잰다. 3-니트로프탈산을 시험관에 붓습니다. 그런 다음 시험관과 시험관 마개를 솔벤트 후드로 가져옵니다.
   • 제공된 부피 피펫을 사용하여 0.9%v/v 히드라진 용액 10mL를 조심스럽게 측정하고 이를 시험관으로 옮깁니다. 후드로 돌아가기 전에 히드라진 용액 병의 뚜껑을 닫고 테스트 튜브를 마개는 잊지 마십시오.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-11">
   Clamp 분젠 버너 위에 시험관을 놓고 마개를 제거합니다. 그런 다음 눈금이 매겨진 실린더에 ~2mL의 트리에틸렌 글리콜을 붓고 후드에
   넣으십시오. < 데이터 - 하위 메모 - 항목 = "1-12">
   이제 시험관에 끓는 칩을 2개 또는 3개 추가합니다. 시험관에 고온 온도계를 놓고 분젠 버너에 불을 붙입니다. 3-니트로프탈산이 용해될 때까지 중간 화염으로 혼합물을 가열합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-13">
   그런 다음 트리에틸렌 글리콜을 넣고 화염의 열을 높입니다. 메모: 히드라진 용액의 물이 끓으면 온도가 계속 증가합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-14">
   반응 혼합물이 210 °C에 도달하면 열을 낮추고 혼합물을 3 – 4 분 동안 210 ° C에서 220 ° C 사이로 유지하십시오.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-15">
   그런 다음 화염을 끄고 혼합물이 100°C로 식을 때까지 기다립니다.
   • 핫플레이트를 끄고 온도계를 제거한 다음 플라스크를 언클램프합니다. 집게를 사용하여 플라스크를 잡고 눈금이 매겨진 실린더로 8mL의 뜨거운 물을 측정합니다. 이 뜨거운 물을 시험관에 붓고 온도계를 제거합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-17">
   플라스틱 파라핀 필름 조각을 구하고 시험관의 입구를 덮습니다. 그런 다음 집게를 사용하여 시험관을 고정 비커로 옮깁니다.
   • 실험실 싱크대에서 시험관을 흐르는 수돗물에 대고 물이 들어가지 않도록 주의하여 식히십시오.
   • 그런 다음 튜브 외부를 말리고 후드로 다시 가져옵니다. 튜브를 똑바로 세우고 파라핀 필름을 제거합니다. 노란색 3-니트로프탈히드라지드가 튜브에 15분 동안 침전되도록 합니다.
   • 기다리는 동안 25mL 삼각 플라스크에 ~10mL의 탈이온수를 추가합니다. 250mL 비커에 얼음 수조를 준비하고 그 안에 담긴 물을 식히기 시작합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-21">
   그런 다음 250mL 필터 플라스크, Büchner 깔때기 및 원형 여과지 조각을 사용하여 진공 여과를 설정합니다.
   • 제품이 최소 15분 동안 침전되면 파스퇴르 피펫을 구하고 여과지를 찬물 몇 방울로 적십니다.
   • 그런 다음 진공 청소기를 켜고 시험관의 내용물을 Büchner 깔때기에 붓습니다. 남은 고체를 1 – 2mL의 찬물로 깔때기에 헹굽니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "1-24">
   핀셋으로 끓는 칩을 제거하고 찬물 몇 방울로 헹구어 제품 수집을 마칩니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "1-25">
   깔때기에서 플라스크로 액체가 더 이상 떨어지지 않으면 진공 펌프를 끕니다.
2. 확장

   루미놀 합성의 두 번째 단계에서는 NaOH의 염기성 용액에서 디티오나이트나트륨을 사용하여 3-니트로프탈히드라지드의 니트로 그룹을 감소시킵니다. 이것은 3-아미노프탈히드라지드 다이아늄을 생성합니다.

   환원 후에는 아세트산을 첨가하여 다이아니온을 양성자화하여 루미놀을 형성합니다. 디티오나이트나트륨은 반응성이 높고 빠르게 분해되므로 약간 과도하게 사용하게 됩니다. 환원 후에는 루미놀 다이음이온을 양성자화하여 물에 대한 용해도를 감소시킵니다. 마지막으로, 루미놀을 침전시켜 노란색 고체로 수집합니다.

   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-3">
   깨끗한 25mL 시험관을 비커에 넣고 깨끗한 주걱을 사용하여 3-니트로프탈히드라지드를 시험관으로 옮깁니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-4">
   Büchner 깔때기를 옆으로 치우고 분젠 버너 위에 시험관을 고정합니다. 나중을 위해 필터 플라스크를 제자리에 두십시오.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-5">
   이제 10mL 눈금이 매겨진 실린더를 사용하여 약 3M NaOH의 3mL를 얻습니다. 수산화나트륨 용액을 시험관에 붓고 3-니트로프탈히드라지드가 용해될 때까지 유리 막대로 혼합물을 저어줍니다.
   • 이제 용기가 있는 계량 보트에서 디티오나이트나트륨 2g의 무게를 측정하고 시험관에 추가합니다. 탈이온수 3mL를 얻어 튜브에 붓습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-7">
   혼합물을 잘 저어 가능한 한 많은 고체를 녹입니다. 그런 다음 시험관에 깨끗한 끓는 칩 몇 개를 넣고 분젠 버너에 불을 붙입니다.
   • 혼합물을 중간 불에서 끓일 때까지 가열한 다음 5분 동안 끓입니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-9">
   기다리는 동안 빙초산 1.5mL를 측정하여 후드에 가져갑니다.
   • 반응 혼합물이 5분 동안 끓으면 분젠 버너를 끄고 튜브에 아세트산을 첨가합니다. 혼합물을 실온으로 식히면 보통 10-15분이 걸립니다. 한편, 600mL 비커에 얼음 목욕을 준비합니다.
   • 혼합물이 냉각되면 얼음 수조에 넣고 루미놀이 침전될 때까지 15분 동안 기다립니다.
   • 깨끗한 Büchner 깔때기와 새 여과지를 사용하여 진공 여과 설정을 재조립하고 얼음 수조에서 또 다른 10mL의 탈이온수를 냉각하기 시작합니다.
   • 루미놀이 얼음 수조에 15분 이상 담가두면 여과지를 찬물로 적십니다. 그런 다음 진공 여과로 고체 루미놀을 수집합니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-14">
   끓는 칩을 꺼내고 루미놀을 더 찬물로 헹굽니다. 깔때기에서 액체가 떨어지는 것을 멈추면 진공 청소기를 끄고 루미놀을 50mL 비커로 옮깁니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "2-15">
   이제 결합된 여과액을 처리할 준비를 합니다. 먼저 250mL 비커에 '히드라진 및 디티오나이트 폐기물'이라고 표시합니다. 여과액을 비커로 옮기고 플라스크를 탈이온수로 헹구어 잔류 히드라진과 디티오나이트를 제거합니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "2-16">
   다음으로 여과액을 탈이온수 10mL로 희석합니다. 그런 다음 10mL의 탄산나트륨 1mL를 측정하고 결합된 여과액에 첨가합니다.
   • 50mL 눈금이 매겨진 실린더를 폐기물 후드에 넣습니다. 10% 차아염소산나트륨 40mL를 측정하여 여과액 혼합물에 붓습니다. 핫 플레이트에 비커를 놓고 교반 막대를 추가하고 비커에 온도계를 고정합니다.
   • 교반하면서 혼합물을 50°C로 가열합니다. 혼합물은 남은 히드라진과 디티오나이트를 산화시키기 위해 50시간 동안 1°C를 유지해야 하므로 온도가 안정적인지 확인하고 실험실의 마지막 부분을 시작하기 전에 타이머를 1시간 동안 설정하십시오.
3. 확장

   실험실의 마지막 부분에서는 고체 수산화칼륨 위에 디메틸 설폭사이드로 만든 루미놀을 혼합합니다. 하이드록실 이온은 두 아민 그룹을 탈양성자화합니다. 그런 다음 주변 산소는 여기 상태에서 루미놀 다이음이온을 3-아미노프탈레이트 또는 3-APA로 산화시킵니다. 이 불안정한 복합체는 빠르게 바닥 상태로 이완되어 에너지를 가시광선으로 방출합니다. 여기된 3-APA는 화학 반응의 산물이기 때문에 방출된 빛을 화학발광이라고 합니다.

   산화 반응에서 화학발광을 확인한 후에는 형광 분자인 플루오레세인(fluorescein)을 혼합물에 첨가합니다. 일부 여기된 3-APA는 에너지를 빛을 방출하는 대신 플루오레세인으로 직접 전달하여 두 가지 다른 발광 화합물로 솔루션을 제공합니다.

   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-3">
   이제 만든 루미놀 약 0.2g을 측정하고 15mL 삼각 플라스크에 넣습니다. 고체가 여전히 축축해도 괜찮습니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-4">
   수산화칼륨 펠릿 5 – 7개를 얻어 플라스크에 붓습니다. 그런 다음 플라스크, 마개 및 10mL 눈금이 매겨진 실린더를 용매 후드로 가져옵니다.
   • DMSO 2mL를 측정하고 플라스크에 첨가한 다음 멈춥니다. 눈금이 매겨진 실린더를 흄 후드에 넣고 플라스크를 어두운 방으로 가져옵니다.
   < 데이터 하위 메모 항목 = "3-6">
   화학발광이 보일 때까지 마개가 있는 플라스크를 세게 흔든 다음 플라스크를 내려놓습니다. 산화와 이완은 모두 빠른 과정이기 때문에 빛은 빠르게 사라집니다.
   < 데이터 하위 노트 항목 = "3-7">
   플라스크를 흔들고 플라스크를 열지 않고 빛이 6-10번 더 사라지도록 합니다. 플라스크의 산소가 소비됨에 따라 빛은 점차 어두워집니다. 메모: 더 밝게 만들려면 산소를 보충하기 위해 흄 후드에 플라스크를 잠시 열어 두십시오.
   • 플라스크를 닫고 어두운 방으로 돌아간 다음 플라스크를 다시 흔들어 효과를 확인하십시오.
   • 이제 플루오레세인 염료 0.2g을 측정하여 플라스크에 넣으십시오. 플라스크를 마개고 어두운 방으로 돌아갑니다. 혼합물이 밝게 빛날 때까지 플라스크를 세게 흔든 다음 내려놓아 루미놀 단독과의 색상 차이를 관찰합니다.
   • 완료되면 여과액을 확인하십시오. 최소 50시간 동안 1°C가 되면 핫플레이트를 끄고 비커가 실온으로 식을 때까지 기다립니다.
   • 그런 다음 여과액에 약 10mL의 수돗물을 넣고 배수구로 흘려보냅니다.
   • 남은 화학 물질 및 유리 폐기물을 적절한 용기에 버리고, 유리 제품과 도구를 청소하고, 실험실 장비를 치우십시오.
4. 확장

   산화 반응 조건에서 여기된 3-APA는 이완될 때 약 500nm의 넓은 범위에서 청록색을 방출하고 플루오레세인은 480 – 490nm 및 515 – 525nm에서 빛을 흡수하여 여기됩니다.

   루미놀 산화 반응 혼합물에 플루오레세인을 첨가하면 여기된 3-APA는 플루오레세인이 빛으로 흡수하는 에너지를 비방사 에너지 전달이라고 하는 특별한 상호 작용에서 근처의 플루오레세인 분자로 직접 전달할 수 있습니다. 그 결과 여기된 플루오레세인은 이완될 때 황록색 빛을 방출합니다.

   Excited 3-APA는 매우 불안정하므로 비방사성 에너지 전달을 위해 충분히 가까운 플루오레세인이 없으면 평소와 같이 빛을 방출하여 이완됩니다. 따라서 최종 빛나는 혼합물의 스펙트럼은 청록색과 황록색 모두의 기여도를 보여줍니다.