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Organic Chemistry

Montagem de um sistema de refluxo para reações químicas aquecidas

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Assembly of a Reflux System for Heated Chemical Reactions

2.1: Introduction to Catalysis

2.13: Performing 1D Thin Layer Chromatography

166,226 Views

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07:55 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Laboratório do Dr. Philip Miller — Imperial College London

Muitos experimentos químicos requerem temperaturas elevadas antes de qualquer reação ser observada, no entanto, soluções de aquecimento de reagentes podem levar à perda de reagentes e/ou solvente via evaporação se seus pontos de ebulição forem suficientemente baixos. A fim de garantir a perda de reagentes ou solventes, um sistema de refluxo é usado para condensar quaisquer vapores produzidos no aquecimento e devolver esses condensados ao vaso de reação.

Principles

Um sistema de refluxo é normalmente operado usando uma conexão vertical de uma coluna de vidro resfriado com água (condensador de refluxo) à saída do vaso de reação. Este pedaço de vidro consiste em uma coluna jaqueta com entrada de água e portas de saída que permitem que a água da torneira fria flua através da jaqueta externa, enquanto vapores de reação são forçados através da coluna interna. A água fria que flui garante que esses vapores sejam condensados nas paredes da coluna interna e a gravidade devolverá esses condensados ao vaso de reação. Uma vez que um refluxo constante tenha sido alcançado um gotejamento constante de fluido de volta à solução de reação deve ser estabelecido. Desta forma, as reações podem ser deixadas indefinidamente sem nunca precisar de mais solvente para serem adicionadas. Este vídeo explicará o processo de conexão do vidro e estabelecimento de um refluxo constante.

Procedure

1. Preparação de Vidros

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.
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.
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.
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

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.
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

Uma vez passado o tempo desejado, remova o aparelho de vaso de reação/refluxo do banho, apertando-o mais alto no suporte do anel.
Deixe que a água continue fluindo através do condensador de refluxo até que a solução tenha atingido a temperatura ambiente.
Desligue o fluxo de água e desconecte o condensador do vaso de reação.
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 a temperaturas elevadas durante longos períodos de tempo, um sistema de refluxo pode ser usado para evitar a perda de solvente através da evaporação. Aqui, um condensador de água fria é usado para resfriar e devolver solvente vaporizado e reagir de volta ao vaso de reação resultando em sua conservação ao longo do tempo. Isso também garante que a reação será realizada em uma temperatura constante, já que o solvente escolhido terá um ponto de ebulição conhecido e estável.

Este vídeo explicará o básico de um experimento de refluxo e demonstrará como executar a técnica em laboratório com vidros e equipamentos apropriados.

A equação de Arrhenius afirma que aumentando 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, reagente e moléculas do produto dentro do frasco. O condensador é continuamente lavado com água fria e o frasco traseiro redondo é então colocado em um banho aquecido. Após o aquecimento, a solução evapora e a coluna do condensador esfria as moléculas de vapor.

O vapor é condensado na parede lateral de vidro interno e, em seguida, retorna de volta para o frasco de reação como condensado líquido. Se o vapor se condensar muito alto na perda condensadora do solvente pode ocorrer e a taxa de fluxo 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 de reação deve ser realizada em um capô químico bem ventilado com acesso a uma fonte de água fria próxima.

Agora que você entende o básico do refluxo vamos ver como configurar e realizar uma reação de transesterificação simples sob condições de calor e refluxo com os vidros apropriados.

Antes de realizar o procedimento inspecione todos os vidros em busca de sinais de possíveis contaminantes químicos de reações anteriores. Elimine toda a umidade secando os vidros em um forno por 30 minutos. Remova os vidros depois de esfriar em temperatura ambiente.

Em seguida, aplique uma pequena quantidade de acetona em um tecido de laboratório limpo e limpe todas as articulações de vidro moído para remover contaminantes químicos e de partículas. A coluna de frascos limpos e condensador está agora pronta para ser montada em um sistema de refluxo. Com um solvente adequado dissolver os reagentes químicos dentro do frasco de fundo redondo. Depois de adicionar uma barra de agitação magnética ao frasco, conecte o condensador de refluxo unindo as portas de vidro moído do vidro. Coloque um clipe keck na articulação. 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 pressão excessiva das conexões do tubo.

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

Fixar a combinação de condensador e frasco no lugar usando um suporte de anel e grampos com os chefes. Comece a reação ligando o agitador e a placa quente. Aqueça o banho a aproximadamente 15 °C acima do 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. Quando a reação química estiver completa, desligue a placa quente e aperte o aparelho mais alto do suporte do anel. Deixe que a água fria continue circulando por todo o condensador até que a configuração tenha esfriado à temperatura ambiente.

Em seguida, desligue a fonte de água fria e desconecte o condensador do frasco de reação. Para completar a desmontagem esvazie qualquer água restante no condensador na pia e remova todas as tubulações da coluna de vidro.

Neste exemplo, o tereftalato de dimetil e o etileno glicol foram refluxo para produzir tereftalato de bis (2-hidroxietila) e metanol como subproduto. Devido ao seu ponto de ebulição baixo, o metanol atuou como solvente de refluxo. Nesta reação de transesterificação, o aquecimento da mistura a 65 °C por 45 min garantiu a formação visível do produto após a espectroscopia de NMR. Para obter mais informações, consulte o vídeo desta coleção no NMR.

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

Neste exemplo, o controle preciso sobre a composição, o tamanho e a condutividade elétrica dos nanocristais semicondutores exigia condições precisas de síntese química. Para as condições de cristal desejadas, a síntese foi realizada a 370 °C. A coluna do condensador impediu a perda devido à evaporação. Ao adaptar as condições de reação, uma coleção de nanocristais semicondutores exibindo diferentes simetrias foram sintetizadas e colocadas próximas umas das outras para criar heteroestruturas que podem manipular fótons em um nível nanoescala. Em outro exemplo, partículas de nanoglomerados magnéticos também foram sintetizadas usando reações químicas aquecidas em condições de refluxo. As propriedades magnéticas e plasmônicas dessas nanopartículas auxiliam na imagem biomédica.

As duras condições de reação foram atenuadas através de uma configuração de refluxo.

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

Mais uma vez, a configuração para a reação de Heck foi semelhante aos exemplos anteriores, onde o condensador – combinação de frascos de fundo redondo foi colocado 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 a introdução do 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 da evaporação e condensação e como escolher e montar os vidros apropriados para sua reação de refluxo.

Obrigado por assistir!

Results

O resultado pode ser observado após a caracterização espectroscópica da solução resultante, já que os dois reagentes deveriam ter reagido agora para formar um novo produto. Normalmente, várias estratégias de purificação serão necessárias para separar o produto desejado de reações laterais indesejadas.

Neste exemplo, ocorreu uma reação de transesterização entre o tereftalato de dimetil (DMT) e o etileno glicol para permitir tereftalato de bis (2-hidroxitil) e metanol(Esquema 1). O solvente de refluxo será o metanol que está sendo produzido (b.p. 65 °C). Após o aquecimento do material inicial (Figura 1) sob refluxo por 45 min, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR) pode ser usada para garantir a formação do produto, como mostra a Figura 2.

Esquema 1. Reação de transesterização entre o tereftalato de dimetil e o etileno glicol.

Figura 1. ¹ Espectro H NMR de material inicial: dimephtalato (DMT).

Figura 2. ¹ Espectro de H NMR do produto: bis (2-hidroxitil) tereftalato.

Applications and Summary

Realizar reações sob refluxo é uma técnica importante para entender. Além de fornecer um sistema pelo qual solventes e reagentes voláteis são reciclados, ele também permite um controle fino da temperatura de reação, pois isso será mantido constante no ponto de ebulição do solvente escolhido. Por escolha cuidadosa de solvente, pode-se controlar a temperatura dentro de uma faixa muito estreita.

Técnicas mais avançadas podem utilizar solventes de refluxo para executar técnicas de purificação sofisticadas, como extrações de Soxhlet ou destilação fracionada. O posterior é usado industrialmente em grande escala, por exemplo, em refinarias de petróleo, a fim de separar o petróleo bruto em várias frações de gasolina de diferentes pontos de ebulição.

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!

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