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.

Síntese de Luminol

Conceitos Preparação do Instrutor Protocolo do Estudante

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Normalmente, quando os reagentes se transformam em produtos, a diferença em sua energia é conhecida como entalpia da reação, que pode ser exotérmica, onde o calor é liberado, ou endotérmica, onde o calor é absorvido.

Em uma reação quimioluminescente, os reagentes formam um intermediário, que está em um estado eletronicamente excitado. Este intermediário é instável. À medida que relaxa até o estado fundamental, os elétrons no intermediário liberam energia na emissão de luz visível, e não na forma de calor.

Este fenômeno é semelhante à fluorescência. Lembre-se de que os elétrons em uma molécula ocupam o estado fundamental. Quando eles absorvem energia, como quando expostos a um certo comprimento de onda de luz, eles ficam excitados e fazem a transição para um nível de energia mais alto e excitado. À medida que o estado excitado relaxa de volta ao estado fundamental, o excesso de energia é emitido na forma de luz visível.

No entanto, é importante distinguir entre os dois. A diferença é como os elétrons das moléculas são excitados. Na quimioluminescência, a energia gerada a partir de uma reação química excita os elétrons ... enquanto na fluorescência, os elétrons são excitados pela absorção direta de energia luminosa ou outra radiação eletromagnética. À medida que os elétrons relaxam até o estado fundamental, ambos os tipos de luminescência liberam a energia como luz emitida.

Vamos dar uma olhada em um exemplo de cada um. Quando você ilumina uma garrafa de água tônica, os elétrons do quinino absorvem a energia e são excitados para um nível de energia mais alto. Quando os elétrons relaxam, eles liberam energia na forma de luz azul.

Agora, considere um bastão luminoso, que tem um tubo externo contendo oxalato de difenila e um corante, e um tubo interno contendo peróxido de hidrogênio. Quando você dobra o bastão luminoso, o tubo interno se quebra, permitindo que os reagentes se misturem. O peróxido de hidrogênio oxida o oxalato de difenila para formar fenol e peróxido cíclico. O peróxido cíclico se decompõe em dióxido de carbono, liberando energia que excita o corante para um nível de energia mais alto. À medida que o corante relaxa para o estado fundamental, um fóton de luz é liberado. Aqui, o processo é quimioluminescência porque a energia fornecida para excitar o corante vem de uma reação química.

Neste laboratório, você sintetizará a 3-aminoftalhidrazida, também conhecida como luminol, realizando uma série de reações. Você então reagirá o luminol com dimetilsulfóxido sobre hidróxido de potássio sólido para observar sua quimioluminescência.

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Fonte: Lara Al Hariri e Ahmed Basabrain na Universidade de Massachusetts Amherst, MA, EUA

Síntese de 3-nitroftalhidrazida
Neste laboratório, você sintetizará a 3-aminoftalhidrazida, também chamada de luminol, em um processo de 2 etapas. O primeiro passo é uma reação de condensação entre o ácido 3-nitroftálico e a hidrazina.

Durante esta etapa, os grupos de ácido carboxílico são substituídos por grupos NH para produzir 3-nitroftalhidrazida e duas moléculas de água. Você deve trabalhar em uma capela de exaustão em todo este laboratório porque as reações produzem vapores e gases tóxicos.
- Antes de começar, coloque um jaleco, óculos de segurança à prova de respingos e luvas de nitrilo. nota: A hidrazina é altamente tóxica e inflamável, portanto, evite tocá-la e mantenha qualquer coisa que contenha hidrazina fechada ou coberta ao transportá-la entre as capelas de exaustão.
- Agora meça 10 mL de água deionizada e despeje em um frasco Erlenmeyer de 25 mL. Prenda o frasco em uma placa quente e coloque um termômetro nele.
- Em seguida, comece a aquecer a água. Você vai querer que a temperatura da água seja de 80 °C, então defina a configuração da placa de aquecimento para um pouco mais alta.
- Enquanto aquece, coloque um bico de Bunsen sob um clamp fixado em um suporte de laboratório.
- Obtenha um tubo de ensaio de 25 mL e ajuste o clamp para que ele segure o tubo de ensaio cerca de 5 a 7 cm acima da chama. Em seguida, remova o tubo de ensaio e coloque-o em um béquer de 400 mL.
- Quando a água atingir 80 °C, ajuste a configuração de calor para manter a temperatura estável.
- Em seguida, pesar 0,6 g de ácido 3-nitroftálico num barco de pesagem. Despeje o ácido 3-nitroftálico em seu tubo de ensaio. Em seguida, traga o tubo de ensaio e uma rolha de tubo de ensaio para a tampa do solvente.
- Use a pipeta volumétrica fornecida para medir cuidadosamente 0.9 mL da solução de hidrazina a 10% v/v e transfira-a para o tubo de ensaio. Lembre-se de tampar o frasco de solução de hidrazina e tampar o tubo de ensaio antes de retornar ao capô.
- Clamp o tubo de ensaio sobre o bico de Bunsen e remova a rolha. Em seguida, despeje ~ 2 mL de trietilenoglicol em um cilindro graduado e coloque-o fora do caminho em seu capô.
- Agora, adicione 2 ou 3 chips ferventes ao tubo de ensaio. Coloque um termômetro de alta temperatura no tubo de ensaio e acenda o bico de Bunsen. Aqueça a mistura em fogo médio até que o ácido 3-nitroftálico se dissolva.
- Em seguida, adicione o trietilenoglicol e aumente o calor da chama. nota: Assim que a água da solução de hidrazina ferver, a temperatura continuará aumentando.
- Quando a mistura de reação atingir 210 °C, abaixe o fogo e mantenha a mistura entre 210 °C e 220 °C por 3 – 4 min.
- Em seguida, apague a chama e espere que a mistura esfrie a 100 °C.
- Desligue a placa de aquecimento, remova o termômetro e solte o frasco. Use pinças para segurar o frasco e meça 8 mL de água quente com o cilindro graduado. Despeje essa água quente no tubo de ensaio e remova o termômetro.
- Pegue um pedaço de filme plástico de parafina e cubra a boca do tubo de ensaio. Em seguida, use uma pinça para transferir o tubo de ensaio para o béquer de retenção.
- Em uma pia de laboratório, segure o tubo de ensaio sob água corrente da torneira para resfriá-lo, tomando cuidado para não deixar entrar água.
- Em seguida, seque a parte externa do tubo e traga-o de volta ao capô. Prenda o tubo na vertical e remova o filme de parafina. Deixe a 3-nitroftalhidrazida amarela precipitar no tubo por 15 min.
- Enquanto espera, adicione ~10 mL de água deionizada a um frasco Erlenmeyer de 25 mL. Prepare um banho de gelo em um copo de 250 mL e comece a resfriar a água nele.
- Em seguida, configure a filtragem a vácuo usando um frasco de filtro de 250 mL, um funil de Büchner e um pedaço de papel de filtro circular.
- Depois que o produto tiver precipitado por pelo menos 15 min, pegue uma pipeta Pasteur e molhe o papel de filtro com algumas gotas de água fria.
- Em seguida, ligue o aspirador e despeje o conteúdo do tubo de ensaio no funil de Büchner. Enxágue o sólido restante no funil com 1 a 2 mL de água fria.
- Retire as lascas ferventes com uma pinça e lave-as com algumas gotas de água fria para terminar de recolher o produto.
- Desligue a bomba de vácuo quando não houver mais líquido pingando no frasco do funil.
Síntese de 3-aminoftalhidrazida
Na segunda etapa da síntese de luminol, você reduzirá o grupo nitro da 3-nitroftalhidrazida usando ditionito de sódio em uma solução básica de NaOH. Isso produzirá 3-aminoftalhidrazida dianion.

Após a redução, você adicionará ácido acético para protonar o dianion, formando o luminol. A ditionita de sódio é altamente reativa e se degrada rapidamente, então você usará um pouco de excesso. Após a redução, você protonará o dianion de luminol para diminuir sua solubilidade em água. Por fim, você precipitará e coletará o luminol como um sólido amarelo.
- Coloque um tubo de ensaio limpo de 25 mL em um béquer e use uma espátula limpa para transferir sua 3-nitroftalhidrazida para o tubo de ensaio.
- Coloque o funil Büchner de lado e clamp o tubo de ensaio sobre o bico de Bunsen. Deixe o frasco do filtro no lugar para mais tarde.
- Agora, use um cilindro graduado de 10 mL para obter 3 mL de aproximadamente 3 M de NaOH. Despeje a solução de hidróxido de sódio no tubo de ensaio e mexa a mistura com uma vareta de vidro até que a 3-nitroftalhidrazida se dissolva.
- Agora, pesar 2 g de ditionito de sódio em um barco de pesagem e adicioná-lo ao tubo de ensaio. Obtenha 3 mL de água deionizada e despeje no tubo.
- Mexa bem a mistura para dissolver o máximo de sólido que puder. Em seguida, adicione algumas lascas ferventes limpas ao tubo de ensaio e acenda o bico de Bunsen.
- Aqueça a mistura até ferver em fogo médio e deixe ferver por 5 min.
- Enquanto espera, meça 1,5 mL de ácido acético glacial e leve-o ao capô.
- Depois que a mistura de reação ferver por 5 min, desligue o bico de Bunsen e adicione o ácido acético ao tubo. Deixe a mistura esfriar até a temperatura ambiente, o que geralmente leva de 10 a 15 minutos. Enquanto isso, prepare um banho de gelo em um copo de 600 mL.
- Assim que a mistura esfriar, coloque-a no banho de gelo e aguarde 15 minutos para que o luminol precipite.
- Remonte a configuração de filtragem a vácuo usando um funil Büchner limpo e um novo pedaço de papel de filtro e comece a resfriar mais 10 mL de água deionizada em um banho de gelo.
- Depois que o luminol estiver no banho de gelo por pelo menos 15 min, molhe o papel de filtro com água fria. Em seguida, colete o luminol sólido por filtração a vácuo.
- Recupere as lascas ferventes e enxágue o luminol com mais água fria. Quando o líquido parar de pingar do funil, desligue o aspirador e transfira o luminol para um béquer de 50 mL.
- Agora, prepare o filtrado combinado para eliminação. Primeiro, rotule um copo de 250 mL como 'resíduo de hidrazina e ditionita'. Transferir o filtrado para o copo e lavar o balão com água desionizada para remover a hidrazina e a ditionite residuais.
- Em seguida, diluir o filtrado com 10 mL de água deionizada. Em seguida, medir 10 ml de carbonato de sódio 1 M e adicioná-lo aos filtrados combinados.
- Traga um cilindro graduado de 50 mL para a coifa. Meça 40 mL de hipoclorito de sódio a 10% e despeje na mistura de filtrado. Coloque o copo na placa quente, adicione uma barra de agitação e prenda um termômetro no copo.
- Aqueça a mistura a 50 °C enquanto mexe. A mistura deve permanecer a 50 °C por 1 h para oxidar a hidrazina e a ditionita restantes, portanto, certifique-se de que a temperatura esteja estável e defina um cronômetro para 1 h antes de iniciar a última parte do laboratório.
Quimioluminescência e Fluorescência
Para a última parte do laboratório, você misturará um pouco do luminol que fez com dimetilsulfóxido sobre hidróxido de potássio sólido. Os íons hidroxila desprotonado os dois grupos amina. Em seguida, o oxigênio ambiente oxida o dianion de luminol em 3-aminoftalato, ou 3-APA, em um estado excitado. Este complexo instável relaxará rapidamente para o estado fundamental, liberando energia como luz visível. Como o 3-APA excitado foi o produto de uma reação química, a luz emitida é chamada de quimioluminescência.

Depois de ver a quimioluminescência da reação de oxidação, você adicionará fluoresceína, uma molécula fluorescente, à mistura. Alguns 3-APA excitados transferirão energia diretamente para a fluoresceína em vez de emitir luz, fornecendo uma solução com dois compostos emissores de luz diferentes.
- Agora, meça cerca de 0,2 g do luminol que você fez e coloque-o em um frasco Erlenmeyer de 15 mL. Tudo bem se o sólido ainda estiver úmido.
- Obtenha 5 – 7 pellets de hidróxido de potássio e despeje-os no frasco. Em seguida, leve o frasco, uma rolha e um cilindro graduado de 10 mL para a cobertura do solvente.
- Meça 2 mL de DMSO, adicione-o ao frasco e tampe-o. Coloque o cilindro graduado na hotte e leve o frasco para uma sala escura.
- Agitar vigorosamente o balão rolhado até ver quimioluminescência e, em seguida, colocar o balão no chão. A luz desaparece rapidamente porque tanto a oxidação quanto o relaxamento são processos rápidos.
- Agite o frasco e deixe a luz desaparecer mais 6 a 10 vezes sem abrir o frasco. A luz será progressivamente mais fraca à medida que o oxigênio no frasco for consumido. nota: Para torná-lo mais brilhante, deixe o frasco aberto na hotte por um minuto para reabastecer o oxigênio.
- Feche o frasco, volte para a sala escura e agite o frasco novamente para ver o efeito.
- Agora, meça 0,2 g de corante de fluoresceína e adicione-o ao seu frasco. Tapar o balão e voltar para a sala escura. Agite o frasco vigorosamente até que a mistura esteja brilhando intensamente e, em seguida, coloque-o no chão para observar a diferença de cor do luminol sozinho.
- Quando terminar, verifique o filtrado. Depois de estar a 50 °C durante pelo menos 1 h, desligue a placa de aquecimento e espere que o copo arrefeça até à temperatura ambiente.
- Em seguida, adicione cerca de 10 mL de água da torneira ao filtrado e despeje-o no ralo.
- Descarte os resíduos químicos e de vidro restantes nos recipientes apropriados, limpe seus artigos de vidro e ferramentas e guarde seu equipamento de laboratório.
Results
Sob suas condições de reação de oxidação, o 3-APA excitado emite luz azul-esverdeada em uma ampla faixa em torno de 500 nm quando relaxa, e a fluoresceína é excitada pela absorção de luz em 480 - 490 nm e 515 - 525 nm.

Quando você adiciona fluoresceína à mistura de reação de oxidação de luminol, o 3-APA excitado pode transferir energia que a fluoresceína absorveria como luz diretamente para uma molécula de fluoresceína próxima em uma interação especial chamada transferência de energia não radiativa. A fluoresceína excitada resultante emite luz verde-amarela quando relaxa.

O 3-APA excitado é altamente instável, portanto, se nenhuma fluoresceína estiver próxima o suficiente para a transferência de energia não radiativa, ela relaxará emitindo luz como de costume. Assim, um espectro de sua mistura brilhante final mostraria contribuições da luz azul-esverdeada e amarelo-esverdeada.