Синтез люминола

Источник: Лара Аль Харири и Ахмед Басабрэйн из Массачусетского университета в Амхерсте, штат Массачусетс, США

1. Синтез 3-нитрофталгидразида класса<кнопка class="развернуть">Развернуть

   В этой лаборатории вы синтезируете 3-аминофтальгидразид, который также называют люминолом, в 2 этапа. Первым этапом является реакция конденсации между 3-нитрофталевой кислотой и гидразином.

   На этом этапе группы карбоновых кислот заменяются группами NH с образованием 3-нитрофталгидразида и двух молекул воды. Вы должны работать в вытяжном шкафу на протяжении всей этой лаборатории, потому что в результате реакций образуются токсичные пары и газы.

   • Прежде чем начать, наденьте лабораторный халат, защитные очки с защитой от брызг и нитриловые перчатки. заметка: Гидразин очень токсичен и легко воспламеняется, поэтому не прикасайтесь к нему и держите все, что содержит гидразин, закрытым или закрытым при транспортировке между вытяжными шкафами.
   • Теперь отмерьте 10 мл деионизированной воды и налейте ее в 25-мл колбы Эрленмейера. Зажмите колбу на горячей плите и поместите в нее термометр.
   • Затем начни нагревать воду. Вы хотите, чтобы температура воды составляла 80 °C, поэтому установите настройку горячей плиты немного выше.
   • Пока он нагревается, установите горелку Бунзена под зажим, закрепленный на лабораторном стенде.
   • Возьмите пробирку объемом 25 мл и отрегулируйте зажим так, чтобы он удерживал пробирку примерно на 5-7 см над пламенем. Затем извлеките пробирку и поместите ее в стакан объемом 400 мл.
   • Как только температура воды достигнет 80 °C, отрегулируйте настройку нагрева, чтобы поддерживать стабильную температуру.
   • Затем взвесьте 0,6 г 3-нитрофтальной кислоты в тарированной лодке для взвешивания. Налейте 3-нитрофталевую кислоту в пробирку. Затем поднесите пробирку и пробку для пробирки к колпаку для растворителя.
   • Используйте прилагаемую объемную пипетку, чтобы тщательно отмерить 0,9 мл 10% v/v раствора гидразина и перенести его в пробирку. Не забудьте закрыть флакон с раствором гидразина и закрыть пробирку крышкой, прежде чем вернуться в капюшон.
   • Зажмите пробирку над горелкой Бунзена и снимите пробку. Затем налейте ~2 мл триэтиленгликоля в градуированный цилиндр и установите его в капюшоне.
   • Теперь добавь в пробирку 2 или 3 кипящие чипсы. Поместите высокотемпературный термометр в пробирку и подожгите горелку Бунзена. Нагрейте смесь со средним пламенем до тех пор, пока 3-нитрофталевая кислота не растворится.
   • Затем добавьте триэтиленгликоль и увеличьте нагрев пламени. заметка: Как только вода из раствора гидразина выкипит, температура продолжит расти.
   • Когда реакционная смесь достигнет 210 °C, убавьте огонь и подержите смесь в диапазоне от 210 °C до 220 °C в течение 3-4 минут.
   • Затем потушите пламя и подождите, пока смесь остынет до 100 °C.
   • Выключите конфорку, снимите термометр и разожмите колбу. С помощью щипцов удерживайте колбу и отмерьте 8 мл горячей воды с помощью градуированного цилиндра. Налейте эту горячую воду в пробирку и снимите термометр.
   • Достаньте кусок пластиковой парафиновой пленки и закройте горлышко пробирки. Затем с помощью щипцов перенесите пробирку в стакан для хранения.
   • В лабораторной раковине подержите пробирку под проточной водой из-под крана, чтобы охладить ее, стараясь не допустить попадания в нее воды.
   • Затем высушите пробирку снаружи и верните ее обратно в свой капюшон. Зажмите трубку вертикально и снимите парафиновую пленку. Дайте желтому 3-нитрофталгидразиду выпасть в осадок в пробирке в течение 15 минут.
   • Пока ждешь, добавь ~10 мл деионизированной воды в 25-мл колбы Эрленмейера. Приготовьте ледяную ванну в стакане объемом 250 мл и начните охлаждать воду в нем.
   • Затем настройте вакуумную фильтрацию с помощью фильтрующей колбы объемом 250 мл, воронки Бюхнера и листа круглой фильтровальной бумаги.
   • Как только продукт выпадет в осадок не менее 15 минут, возьмите пипетку Пастера и смочите фильтровальную бумагу несколькими каплями холодной воды.
   • Затем включите вакуум и вылейте содержимое пробирки в воронку Бюхнера. Оставшееся твердое вещество промойте в воронку 1 – 2 мл холодной воды.
   • Удалите кипящую стружку пинцетом и промойте ее несколькими каплями холодной воды, чтобы закончить сбор продукта.
   • Выключите вакуумный насос, как только жидкость больше не будет капать в колбу из воронки.
2. Синтез 3-аминоптальгидразида класса<кнопка class="expand">Expand

   На втором этапе синтеза люминола вы восстановите нитрогруппу 3-нитрофталгидразида с помощью дитионита натрия в основном растворе NaOH. Это позволит получить 3-аминофтальгидразид дианион.

   После восстановления вы добавите уксусную кислоту для протонирования дианиона, образуя люминол. Дитионит натрия обладает высокой реакционной способностью и быстро разлагается, поэтому вы будете использовать его небольшой избыток. После восстановления вы будете протонировать люминолдианион, чтобы уменьшить его растворимость в воде. Наконец, вы выпадете в осадок и соберете люминол в виде желтого твердого вещества.

   • Поместите чистую 25-мл пробирку в стакан и с помощью чистого шпателя перенесите 3-нитрофталгидразид в пробирку.
   • Отложите воронку Бюхнера в сторону и зажмите пробирку над горелкой Бунзена. Оставьте колбу с фильтром на место.
   • Теперь используйте градуированный цилиндр объемом 10 мл, чтобы получить 3 мл примерно 3 М NaOH. Налейте раствор гидроксида натрия в пробирку и перемешайте смесь стеклянным стержнем, пока 3-нитрофталгидразид не растворится.
   • Теперь взвесьте 2 г дитионита натрия в тарированной лодке для взвешивания и добавьте его в пробирку. Возьмите 3 мл деионизированной воды и налейте ее в пробирку.
   • Хорошо перемешайте смесь, чтобы растворить как можно больше твердого вещества. Затем добавьте в пробирку несколько чистых кипящих чипсов и подожгите горелку Бунзена.
   • Нагрейте смесь до кипения на среднем огне, а затем дайте ей покипеть в течение 5 минут.
   • Пока ждешь, отмерь 1,5 мл ледяной уксусной кислоты и поднеси ее к своему капюшону.
   • Как только реакционная смесь закипит в течение 5 минут, выключите горелку Бунзена и добавьте уксусную кислоту в пробирку. Дайте смеси остыть до комнатной температуры, что обычно занимает 10 –15 минут. Тем временем приготовьте ледяную ванну в стакане объемом 600 мл.
   • Как только смесь остынет, поместите ее в ледяную баню и подождите 15 минут, пока люминол не выпадет в осадок.
   • Соберите установку вакуумной фильтрации с помощью чистой воронки Бюхнера и нового листа фильтровальной бумаги и начните охлаждать еще 10 мл деионизированной воды в ледяной бане.
   • После того как люминол понаходится в ледяной бане не менее 15 минут, смочите фильтровальную бумагу холодной водой. Затем соберите твердое люминол с помощью вакуумной фильтрации.
   • Достаньте кипящую стружку и промойте люминол более холодной водой. Как только жидкость перестанет капать из воронки, выключите вакуум и перенесите люминол в стакан объемом 50 мл.
   • Теперь подготовьте объединенный фильтрат к утилизации. Во-первых, пометьте стакан объемом 250 мл «отходы гидразина и дитионита». Переложите фильтрат в стакан и промойте колбу деионизированной водой, чтобы удалить остатки гидразина и дитионита.
   • Затем разбавьте фильтрат 10 мл деионизированной воды. Затем отмерьте 10 мл 1 М карбоната натрия и добавьте его к объединенным фильтратам.
   • Поднесите мерный баллон объемом 50 мл к мусорному колпаку. Отмерьте 40 мл 10% гипохлорита натрия и влейте его в фильтратную смесь. Поместите стакан на горячую плиту, добавьте мешалку и закрепите термометр в стакане.
   • Нагрейте смесь до 50 °C во время помешивания. Смесь должна оставаться при температуре 50 °C в течение 1 часа, чтобы окислить остатки гидразина и дитионита, поэтому убедитесь, что температура стабильна, и установите таймер на 1 час перед началом последней части лаборатории.
3. Хемилюминесценция и флуоресценция<кнопка class="развернуть">Развернуть

   В заключительной части лабораторной работы вы смешаете часть созданного вами люминола с диметилсульфоксидом с твердым гидроксидом калия. Гидроксильные ионы депротонируют две аминные группы. Затем кислород окружающей среды окисляет дианион люминола до 3-аминофталата, или 3-АФА, в возбужденном состоянии. Этот нестабильный комплекс быстро расслабится до основного состояния, высвобождая энергию в виде видимого света. Поскольку возбужденный 3-АПА является продуктом химической реакции, излучаемый свет называется хемилюминесценцией.

   После того, как вы увидите хемилюминесценцию в результате реакции окисления, вы добавите в смесь флуоресцеин, флуоресцентную молекулу. Некоторые возбужденные 3-APA будут передавать энергию непосредственно флуоресцеину, а не излучать свет, что дает вам решение с двумя различными светоизлучающими соединениями.

   • Теперь отмерь около 0,2 г люминола, который ты сделал, и помести его в колбу Эрленмейера объемом 15 мл. Ничего страшного, если твердое вещество все еще влажное.
   • Достаньте 5-7 гранул гидроксида калия и высыпьте их в колбу. Затем поднесите колбу, пробку и мерный цилиндр объемом 10 мл к колпаку для растворителя.
   • Отмерьте 2 мл ДМСО, добавьте его в колбу и закупорьте. Поместите градуированный цилиндр в вытяжной шкаф и отнесите колбу в темную комнату.
   • Энергично встряхните колбу с пробкой, пока не увидите хемилюминесценцию, а затем поставьте колбу. Свет быстро тускнеет, потому что и окисление, и расслабление являются быстрыми процессами.
   • Встряхните колбу и дайте свету погаснуть еще 6–10 раз, не открывая колбу. Свет будет постепенно тускнеть по мере того, как расходуется кислород в колбе. заметка: Чтобы сделать его ярче, оставьте колбу открытой в вытяжном шкафу на минуту, чтобы пополнить запасы кислорода.
   • Закройте колбу, вернитесь в темную комнату и снова встряхните колбу, чтобы увидеть эффект.
   • Теперь отмерь 0,2 г флуоресцеинового красителя и добавь его в колбу. Закройте колбу и вернитесь в темную комнату. Энергично встряхните колбу, пока смесь не начнет ярко светиться, а затем опустите ее, чтобы наблюдать за разницей в цвете только от люминола.
   • Когда закончишь, проверь фильтрат. После того, как температура простоит при температуре 50 °C не менее 1 часа, выключите конфорку и подождите, пока стакан остынет до комнатной температуры.
   • Затем добавьте около 10 мл водопроводной воды в фильтрат и смойте его в канализацию.
   • Выбросьте оставшиеся химические и стеклянные отходы в соответствующие контейнеры, очистите стеклянную посуду и инструменты, а также уберите лабораторное оборудование.
4. Результаты<кнопка class="развернуть">Развернуть

   В условиях реакции окисления возбужденный 3-APA излучает сине-зеленый свет в широком диапазоне около 500 нм, когда он расслабляется, а флуоресцеин возбуждается за счет поглощения света на длинах 480–490 нм и 515–525 нм.

   Когда вы добавляете флуоресцеин в смесь для реакции окисления люминола, возбужденный 3-APA может передавать энергию, которую флуоресцеин поглощает в виде света, непосредственно соседней молекуле флуоресцеина в специальном взаимодействии, называемом безызлучательным переносом энергии. Образующийся в результате возбужденный флуоресцеин излучает желто-зеленый свет при расслаблении.

   Возбужденный 3-APA очень нестабилен, поэтому, если флуоресцеин не находится достаточно близко для передачи неизлучаемой энергии, он будет расслабляться, излучая свет, как обычно. Таким образом, спектр вашей окончательной светящейся смеси будет показывать вклад как сине-зеленого, так и желто-зеленого света.