Синтез люминола

Lab Manual
Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Lab Manual Chemistry

Synthesis of Luminol

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Previous Video

2.27: Hydrolysis of an Ester

Next Video

2.29: Esterification

17,378 Views

•

03:02 min

•

March 26, 2020

Химические реакции можно классифицировать как эндотермические или экзотермические в зависимости от того, поглощают ли реакции или выделяют тепло при переходе в продукты. Разница в энергии между реагентами и продуктами известна как энтальпия реакции. Это можно найти путем вычисления разницы энергий между продуктами и реагентами, или ΔH. Если ΔH положительный, реакция является эндотермической; Если она отрицательная, то реакция является экзотермической. В то время как химические реакции традиционно рассматриваются как превращение реагентов в продукты, многие реакции протекают в несколько этапов, образуя промежуточные продукты. В хемилюминесцентных реакциях эти промежуточные продукты переходят из высокоэнергетического состояния в основное состояние, высвобождая фотон света, который может быть виден по мере развития реакции.

Уровни атомной энергии

Нильс Бор, датский физик, выдвинул теорию о том, что электрон, вращающийся вокруг ядра атома, может занимать только определенные орбиты или энергетические уровни. Атом, все электроны которого находятся на самом низком возможном энергетическом уровне, называется находящимся в своем основном состоянии. Когда электрон занимает энергетический уровень выше основного состояния, атом находится в возбужденном состоянии.

Ключевое предположение в теории Бора состоит в том, что электрон остается в основном состоянии до тех пор, пока его не потревожат. Таким образом, электрон приводится в возбужденное состояние только за счет поглощения энергии. Когда электрон расслабляется обратно в основное состояние, он высвобождает эту энергию. Часто это происходит в виде фотона света, длина волны которого напрямую связана с разницей энергий между возбужденным и основным состояниями.

Когда электрон возбуждается до более высокого энергетического уровня, поглощая свет определенной энергии или длины волны, это явление называется флуоресценцией. Этот эффект можно увидеть, если подвергнуть постиранную белую футболку воздействию черного света или ультрафиолета. Характерное свечение вызвано флуоресценцией моющего средства и отбеливающих составов в рубашке, благодаря чему она выглядит белой при обычном освещении.

Хемилюминесценция

В хемилюминесцентной реакции электрон возбуждается за счет поглощения тепла, выделяющегося во время реакции. Затем свет высвобождается, когда электрон расслабляется обратно в основное состояние. Основное различие между хемилюминесценцией и флуоресценцией заключается в том, что энергия, которая возбуждает электроны в хемилюминесценции, поступает непосредственно из реакции.

Одним из практических применений хемилюминесценции является использование в коммерческих светящихся палочках. Светящаяся палочка содержит два отдельных раствора: один содержит перекись, а другой — дифенилоксалат и цветной краситель. Когда два раствора смешиваются, что происходит при активации светящейся палочки, результирующая реакция между перекисью и дифенилоксалатом производит энергию, которая возбуждает краситель до более высокого энергетического состояния. Когда реагенты исчерпываются, краситель возвращается в исходное состояние и выделяет свет. Именно это придает светящимся палочкам характерный цвет.

Люминол

Люминол — это химическое вещество, которое проявляет хемилюминесцентные свойства и используется в широком спектре применений, в первую очередь в криминалистике. Люминол (C₈H₇N₃O₂) выделяет синий цвет при смешивании с окислителем. В случае с криминалистикой люминол вступает в реакцию с железом в гемоглобине, что позволяет судмедэкспертам идентифицировать очень небольшие следы крови.

Люминол синтезируется в результате реакции дегидратации 3-нитрофталевой кислоты с гидразином. Реакцию нагревают для удаления воды, а для дальнейшего повышения температуры добавляют триэтиленгликоль. Затем нитрогруппу 3-нитрофталгидразида восстанавливают с помощью дитионита натрия с образованием аминогруппы при высоком pH. В основных условиях 3-нитрофталгидразид растворим. Добавление ледяной уксусной кислоты выпадает в осадок люминол.

С гидроксидом калия люминол образует дианион. Анионы гидроксида депротонируют два атома водорода, которые присоединены к азотам в люминоле. Газообразный кислород окисляет люминол до возбужденного состояния. Когда он расслабляется обратно в исходное состояние, он испускает сине-белый свет.

Ссылки

Kotz, J.C., Treichel Jr, P.M., Townsend, J.R. (2015). Химия и химическая реакционная способность. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул, Cengage Learning.

Transcript

Обычно, когда реагенты превращаются в продукты, разница в их энергии известна как энтальпия реакции, которая может быть либо экзотермической, когда выделяется тепло, либо эндотермической, когда тепло поглощается.

В хемилюминесцентной реакции реагенты образуют промежуточный продукт, который находится в электронно-возбужденном состоянии. Этот промежуточный продукт нестабилен. Когда он расслабляется до основного состояния, электроны в промежуточном звене высвобождают энергию в виде излучения видимого света, а не в виде тепла.

Это явление похоже на флуоресценцию. Вспомним, что электроны в молекуле занимают основное состояние. Когда они поглощают энергию, например, при воздействии света определенной длины волны, они возбуждаются и переходят на более высокий, возбужденный энергетический уровень. Когда возбужденное состояние расслабляется до основного состояния, избыточная энергия излучается в виде видимого света.

Тем не менее, важно различать эти два понятия. Разница заключается в том, как возбуждаются электроны молекул. При хемилюминесценции энергия, генерируемая в результате химической реакции, возбуждает электроны, тогда как при флуоресценции электроны возбуждаются за счет прямого поглощения световой энергии или другого электромагнитного излучения. Когда электроны расслабляются до основного состояния, оба типа люминесценции высвобождают энергию в виде излучаемого света.

Давайте рассмотрим пример каждого из них. Когда вы направляете ультрафиолетовый свет на бутылку с тонизирующей водой, электроны хинина поглощают энергию и возбуждаются до более высокого энергетического уровня. Когда электроны расслабляются, они высвобождают энергию в виде синего света.

Теперь рассмотрим светящуюся палочку, которая имеет внешнюю трубку, содержащую дифенилоксалат и краситель, и внутреннюю трубку, содержащую перекись водорода. Когда вы сгибаете светящуюся палочку, внутренняя трубка разрывается, позволяя реагентам смешаться. Перекись водорода окисляет дифенилоксалат с образованием фенола и циклической перекиси. Циклическая перекись разлагается до углекислого газа, высвобождая энергию, которая возбуждает краситель до более высокого энергетического уровня. Когда краситель расслабляется до основного состояния, выделяется фотон света. В данном случае процесс называется хемилюминесценцией, потому что энергия, обеспечиваемая для возбуждения красителя, происходит в результате химической реакции.

В этой лаборатории вы синтезируете 3-аминофтальгидразид, также известный как люминол, выполняя серию реакций. Затем вы прореагируете люминол с диметилсульфоксидом на твердом гидроксиде калия, чтобы наблюдать его хемилюминесценцию.