2.2: Montagem de um sistema de refluxo para reações químicas aquecidas

1. Preparação de Vidros

1. Certifique-se de que o vidro está livre de contaminantes químicos e, se necessário, de umidade, permitindo aquecer em um forno a 100 °C por aproximadamente 30 minutos.
2. Uma vez resfriado, certifique-se de que todas as juntas de vidro moídas estejam livres de contaminantes usando um tecido de limpeza seco ou acetona especialmente feito para aplicações de laboratório.
3. Depois de dissolver regentes em um solvente adequado em um vaso de reação apropriado (tipicamente um frasco de fundo redondo) e adicionar uma barra de agitador magnético, conecte o condensador de refluxo e o vaso de reação através da junta de vidro moído.  Coloque um clipe keck na articulação.
4. Conecte a tubulação de uma torneira de água fria à entrada mais baixa do condensador de refluxo e outro pedaço de tubo da tomada superior a uma pia. Comece a fluir água fria através da jaqueta externa do condensador a tal velocidade que a pia não enchifique demais.

2. Aquecimento de reagentes

1. Usando um agitador de placa quente, submergir o vaso de reação em um banho de aquecimento (óleo ou água) até que o nível do banho esteja logo acima do nível da solução dentro do vaso e segure-se no lugar usando um suporte de anel, grampo e chefe.
2. Comece a mexer a reação. Aqueça o banho a cerca de 15 °C sobre o ponto de ebulição do solvente. Uma vez que o equilíbrio entre evaporação e condensação tenha sido atingido um gotejamento constante de solvente condensado começará a cair de volta no vaso de reação da coluna do condensador.

3. Desmantelamento do aparelho

1. Uma vez passado o tempo desejado, remova o aparelho de vaso de reação/refluxo do banho, apertando-o mais alto no suporte do anel.
2. Deixe que a água continue fluindo através do condensador de refluxo até que a solução tenha atingido a temperatura ambiente.
3. Desligue o fluxo de água e desconecte o condensador do vaso de reação.
4. Esvazie qualquer água restante no condensador na pia e remova a tubulação da entrada e da saída.

Um condensador de refluxo é um aparelho comumente usado em química orgânica para evitar a perda de reagente ou solvente em uma reação química aquecida.

Para reações químicas que precisam ser realizadas em temperaturas elevadas por longos períodos de tempo, um sistema de refluxo pode ser usado para evitar a perda de solvente por evaporação. Aqui, um condensador de água fria é usado para resfriar e devolver o solvente vaporizado e o reagente de volta ao vaso de reação, resultando em sua conservação ao longo do tempo. Isso também garante que a reação seja mantida a uma temperatura constante, pois o solvente escolhido terá um ponto de ebulição conhecido e estável.

Este vídeo explicará os fundamentos de um experimento de refluxo e demonstrará como realizar a técnica em laboratório com vidraria e equipamentos apropriados.

A equação de Arrhenius afirma que, ao aumentar a temperatura de uma reação, a taxa de reação aumenta.

Um sistema de refluxo opera sob o equilíbrio dinâmico entre as taxas de evaporação e condensação do solvente, do reagente e das moléculas do produto dentro do frasco. O condensador é continuamente lavado com água fria - e o frasco de fundo redondo é então colocado em um banho aquecido. Após o aquecimento, a solução evapora e a coluna do condensador resfria as moléculas de vapor.

O vapor é condensado na parede lateral interna do vidro e depois retorna ao frasco de reação como condensado líquido. Se o vapor condensar muito alto no condensador, pode ocorrer perda de solvente e a vazão de água fria deve ser aumentada. À medida que o tempo avança - e a reação prossegue, todas as espécies vaporizadas são recuperadas - e nenhuma perda ocorre entre os reagentes, solventes ou produtos dentro do frasco. Para este protocolo, toda a configuração da reação deve ser realizada em uma coifa química bem ventilada com acesso a uma fonte de água fria próxima.

Agora que você entende os fundamentos do refluxo, vamos ver como configurar e realizar uma reação de transesterificação simples sob condições de calor e refluxo com o material de vidro apropriado.

Antes de realizar o procedimento, inspecione todos os artigos de vidro em busca de sinais de possíveis contaminantes químicos de reações anteriores. Elimine toda a umidade secando a vidraria em um forno por 30 min. Remova o vidro depois de esfriar à temperatura ambiente.

Em seguida, aplique uma pequena quantidade de acetona em um tecido de laboratório limpo - e limpe todas as juntas de vidro fosco para remover contaminantes químicos e de partículas. O frasco limpo e a coluna do condensador estão agora prontos para serem montados em um sistema de refluxo. Com um solvente adequado, dissolver os reagentes químicos no interior do balão de fundo redondo. Depois de adicionar uma barra de agitação magnética ao balão, conecte o condensador de refluxo unindo as portas de vidro fosco da vidraria. Prenda um clipe Keck na junta. Conecte um tubo entre a fonte de água fria e a porta inferior da coluna do condensador. Em seguida, faça outra conexão de tubo entre o topo da coluna do condensador e a pia do laboratório. Por fim, ligue a água lentamente e encha a coluna do condensador com água fria circulante. Ajuste o fluxo de água para evitar a sobrepressurização das conexões do tubo.

Para completar a configuração do refluxo, mergulhe o vaso de reação em um banho de aquecimento. Dependendo da faixa de temperatura desejada, eles são preenchidos com água ou óleo. Para um aquecimento ideal, o nível do banho deve estar logo acima do menisco dos reagentes dentro do frasco.

Prenda a combinação de condensador e frasco no lugar usando um suporte de anel e clamps com saliências. Comece a reação ligando o agitador e a placa de aquecimento. Aqueça o banho a aproximadamente 15 ? C acima do ponto de ebulição do solvente. Uma vez atingido o equilíbrio entre evaporação e condensação, um gotejamento constante de solvente condensado começará a cair de volta no recipiente de reação da coluna do condensador. Quando a reação química estiver completa, desligue a placa de aquecimento e prenda novamente o aparelho mais acima no suporte do anel. Deixe a água fria continuar circulando pelo condensador até que a configuração esfrie à temperatura ambiente.

Em seguida, desligue a fonte de água fria e desconecte o condensador do frasco de reação. Para concluir a desmontagem, esvazie a água restante no condensador na pia e remova toda a tubulação da coluna de vidro.

Neste exemplo, o tereftalato de dimetila e o etilenoglicol foram refluídos para produzir tereftalato de bis(2-hidroxietil) e metanol como subproduto. Devido ao seu baixo ponto de ebulição, o metanol atuou como solvente de refluxo. Nesta reação de transesterificação, aquecendo a mistura a 65 ? C por 45 min garantiu a formação visível do produto na espectroscopia de RMN. Para mais informações, veja o vídeo desta coleção sobre RMN.

A aplicação de calor controlado é um requisito comum em uma ampla gama de reações químicas.

Neste exemplo, o controle preciso sobre a composição, tamanho e condutividade elétrica de nanocristais semicondutores exigiu condições precisas de síntese química. Para as condições cristalinas desejadas, a síntese foi realizada a 370 ΰC. A coluna do condensador evitou a perda devido à evaporação. Ao adaptar as condições de reação, uma coleção de nanocristais semicondutores exibindo diferentes simetrias foi sintetizada e colocada próxima uns dos outros para criar heteroestruturas que podem manipular fótons em um nível de nanoescala. Em outro exemplo, partículas de nanoaglomerados magnéticos também foram sintetizadas usando reações químicas aquecidas sob condições de refluxo. As propriedades magnéticas e plasmônicas dessas nanopartículas auxiliam na imagem biomédica.

As duras condições de reação foram mitigadas por meio de uma configuração de refluxo.

Finalmente, os condensadores de refluxo podem ser usados em uma ampla gama de reações químicas. Na reação de Heck, um haleto insaturado e um alceno são aquecidos para formar um alceno substituído.

Mais uma vez, a configuração para a reação de Heck foi semelhante aos exemplos anteriores, onde o condensador ? A combinação de frasco de fundo redondo foi colocada em um banho aquecido.

Quando combinada com um catalisador orgânico contendo paládio, a reação de Heck pode ser útil nas sínteses de muitos compostos farmacêuticos.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à criação de um sistema de refluxo para ser usado em reações químicas aquecidas. Agora você deve entender a teoria subjacente entre o equilíbrio de evaporação e condensação - e como escolher e montar a vidraria apropriada para sua reação de refluxo.

Obrigado por assistir!