院长-斯塔克陷阱

Organic Chemistry II

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Overview

资料来源: Vy 先生和1月的里德尔, 加州大学欧文分校化学系

一个迪恩-斯塔克陷阱是一个特殊的玻璃器皿, 它允许收集水在反应通过一个共沸蒸馏。从反应中收集水的愿望可能有各种原因。它能驱动平衡在反应, 水被形成作为副产品。根据 Le 勒夏特的原理, 温度、压力、浓度或体积的变化将导致可逆反应的调整, 从而建立新的平衡。缩醛的形成是可逆反应, 水是作为副产品而形成的。在这种情况下, 通过移除水来达到产品侧的平衡, 可以获得良好的产量。院长斯塔克的陷阱也允许测定水的含量, 或者可以用来通过共沸蒸馏从溶剂混合物中除去水。

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JoVE Science Education Database. 有机化学 (2). 院长-斯塔克陷阱. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

反应平衡可以影响与过量的试剂或去除形成的产品, 以推动平衡的产品方。平衡也可以受温度或压力的影响。这一基本原理被称为 Le 勒夏特的原理, 并指出温度、压力、浓度或体积的变化将导致反应的调整, 以建立一个新的平衡。通过添加过量的试剂, 浓度变化和新的平衡建立, 有利于产品的一面。例如, 通过增加过量的水就可以很容易地实现水解的平衡。

影响水作为副产品形成的反应的平衡, 如酯化, 是不直接的, 需要特殊的玻璃器皿。这种特殊的玻璃器皿被称为一个迪恩斯塔克陷阱, 帮助从反应介质中去除形成的水 (图 1)。与水形成共沸物的溶剂, 如甲苯, 通常使用。共沸物是蒸馏中的一个点, 其中液相的成分等于气相的组成。通过一个简单的蒸馏通过共沸点的进一步分离是不可能的。这是一个优势, 当使用院长斯塔克陷阱影响平衡, 因为它将确保水的连续去除。在加热反应混合物时, 形成的甲苯/水共沸物将在冷凝器中蒸馏, 凝结并流入院长-斯塔克陷阱。甲苯和水将形成两个独立的层, 以甲苯为顶层, 水为底层。虽然甲苯可以回流到反应瓶, 水被困作为底部层, 并最终从反应平衡, 从而推动对产品方面的反应。

Figure 1
图1。院长-斯塔克仪器

Procedure

1. 准备

  1. 采取250毫升圆底烧瓶配备了磁性搅拌棒。
  2. 在磁力搅拌器上的圆底烧瓶下放置一个油浴。
  3. 用7.5 克 (0.05 摩尔) m-硝基苯甲醛填充圆底烧瓶, 加入75毫升的甲苯。
  4. 加入3.1 毫升 (3.45 克, 0.055 摩尔) 乙二醇。
  5. 将院长斯塔克的陷阱附在圆底烧瓶上。
  6. 将回流冷凝器放在院长-斯塔克陷阱的顶部。

2. 运行反应

  1. 将油浴温度设置为170° c, 并将反应混合物加热到回流。
  2. 通过测量院长斯塔克陷阱中的水量来监测反应。
  3. 当没有进一步的水被困在院长-斯塔克陷阱的侧臂中时, 就会做出反应。
  4. 约2小时后, 收集的水总量约为0.8 毫升。

3. 检查

  1. 在旋转蒸发器的减压下, 释放水, 将混合的有机溶剂从反应混合物中除去。
  2. 将8毫升乙醇中的黄色残渣溶解在回流中。
  3. 冷却解决方案。
  4. 所需的缩醛将结晶。
  5. 过滤固体并在减压下干燥。

"院长斯塔克陷阱" 用于将有机反应的平衡转移到产品端。

根据 Le Châtalier 的原则, 平衡可以被驱动对产品使用一个多余的反应物, 通过连续地去除其中一个产品, 或者通过改变温度或反应执行的压力。也许最常见的平衡反应是那些涉及水作为产品。

如前所述, 去除这种水可以促使反应完成。迪恩-斯塔克陷阱是一种专门的玻璃器皿, 用来连续去除化学反应中形成的水。

这部影片将说明院长-斯塔克陷阱的原则, 一个实验室程序中使用的仪器, 和几个应用。

将硼酸转化为酯的反应会导致水的形成, 从而使酯水解回酸, 降低总收率。

随着反应的进展, 在反应中产生的水可以不断地从烧瓶中除去, 使用了一个院长-斯塔克陷阱。为了做到这一点, 首先将反应组分添加到一个烧瓶中, 并加入一个碳氢化合物, 如甲苯和加热混合物。随着反应的进展, 水被释放。现在甲苯和水, 分别煮沸在110和100度, 形成一个共沸物, 煮沸在84度。在冷凝器冷却后, 溶剂蒸汽凝结回液体, 滴入陷阱的收集容器, 并且任何溢出被退回到反应容器。

浓缩的液体混合物最终分离成两个不相容的层, 底部的致密成分。这通常是水层, 然后排水。同样的过程一直持续到没有更多的水产生, 这表明反应的完成。

现在, 我们已经讨论了院长-斯塔克陷阱的原则, 让我们看看实验室的程序中使用的仪器。

在这一过程中, 我们将反应一个芳香醛与乙二醇, 以产生缩醛保护组, 它在多步法合成中屏蔽了反应醛进一步化学反应。首先, 加入一个250毫升的圆形底烧瓶 stirbar, 7.5 克 3-硝基苯甲醛, 75 毫升的甲苯, 和乙二醇。然后将院长斯塔克的陷阱附在瓶子上, 再将回流冷凝器放到陷阱顶部。

把烧瓶和它的内容放在油浴中, 打开冷凝器里的水, 搅拌170度。允许共沸混合物在陷阱中凝结和收集, 并继续, 直到水形成停止。两层分离后, 测量出水量, 并与理论产量进行比较。为了验证反应的完成, 在薄层板上运行起始材料和产品。

一旦反应完成, 从热源中取出烧瓶, 使其达到室温。丢弃院长斯塔克陷阱的内容, 因为他们不应该包含任何产品, 并集中在减少压力与旋转蒸发器的瓶子的内容。

除去杂质, 溶解在8毫升的热乙醇中的黄色残渣, 使其冷却到室温, 使产品结晶。然后, 过滤固体, 用冷水乙醇冲洗, 并在真空下干燥。

现在, 我们已经看到了一个实验室程序, 让我们来看看一些应用, 其中一个院长斯塔克陷阱是使用。

烯是取代 vinylamine 化合物有用, 形成碳碳键α, 以羰基基团。烯是通过加热二次胺, 如吡咯烷, 和醛或酮, 并去除水副产品的院长-斯塔克陷阱准备的。

除了水, 还可以使用一个迪恩-斯塔克陷阱来收集其他化合物。在这里, 它被用来收集苯甲酸和 1-丁醇之间的酯化反应的产物, 这也是反应溶剂。1丁醇与产品不相容且密度不高, 回流到反应器中。酯化产物是疏水性的, 也容易与水副产品分离。

对迪恩-斯塔克陷阱的另一个用途是确定食品中的含水量。这是通过放置一个已知的食物量和沸腾在一个碳氢化合物溶剂。从馏出物中收集的水量被测量, 并除以食品的重量来计算水分百分比。

你刚刚看了朱庇特的介绍, 驾驶平衡与迪恩斯塔克陷阱。你现在应该理解迪恩-斯塔克陷阱的原则, 如何执行实验室程序, 以及它的一些应用。谢谢收看!

Results

水将形成, 并成为在反应过程中被困住。在完全转换时, 可以计算出形成水的理论量, 并与被困水的实测量进行比较, 确定反应过程。

Applications and Summary

这项实验生动地说明了勒夏特的原理, 以及它如何能推动平衡。

迪恩-斯塔克陷阱通常用于在各种情况下从溶剂混合物中除去水。例如, 当水不与其他溶剂形成共沸物时, 通过一个简单的蒸馏除去水, 就有可能在其设计的基础上设置一个迪恩-斯塔克陷阱。在共沸蒸馏的情况下, 添加剂是必要的。剂是一种有机溶剂, 它会与水形成共沸物, 但不与液相中的水混合。剂的加入确保了水的连续去除, 这将被困在院长-斯塔克陷阱的侧臂中。与院长斯塔克陷阱不同, 正常的蒸馏装置需要连续添加一个剂, 因为蒸馏的剂不能回流到溶剂混合物。

迪恩-斯塔克陷阱也可以用来驱动反应的平衡, 其中水作为副产品, 如在酯或缩醛形成。通过一个共沸蒸馏溶剂也是剂, 水从反应中被去除, 因此从平衡。

最后, 一个具有院长斯塔克陷阱的共沸蒸馏也可以用来测定溶剂或溶剂混合物的含水量。不仅可以用一个院长斯塔克的陷阱, 但也挥发性醇通过放置 5-Å分子筛在陷阱中的水。

1. 准备

  1. 采取250毫升圆底烧瓶配备了磁性搅拌棒。
  2. 在磁力搅拌器上的圆底烧瓶下放置一个油浴。
  3. 用7.5 克 (0.05 摩尔) m-硝基苯甲醛填充圆底烧瓶, 加入75毫升的甲苯。
  4. 加入3.1 毫升 (3.45 克, 0.055 摩尔) 乙二醇。
  5. 将院长斯塔克的陷阱附在圆底烧瓶上。
  6. 将回流冷凝器放在院长-斯塔克陷阱的顶部。

2. 运行反应

  1. 将油浴温度设置为170° c, 并将反应混合物加热到回流。
  2. 通过测量院长斯塔克陷阱中的水量来监测反应。
  3. 当没有进一步的水被困在院长-斯塔克陷阱的侧臂中时, 就会做出反应。
  4. 约2小时后, 收集的水总量约为0.8 毫升。

3. 检查

  1. 在旋转蒸发器的减压下, 释放水, 将混合的有机溶剂从反应混合物中除去。
  2. 将8毫升乙醇中的黄色残渣溶解在回流中。
  3. 冷却解决方案。
  4. 所需的缩醛将结晶。
  5. 过滤固体并在减压下干燥。

"院长斯塔克陷阱" 用于将有机反应的平衡转移到产品端。

根据 Le Châtalier 的原则, 平衡可以被驱动对产品使用一个多余的反应物, 通过连续地去除其中一个产品, 或者通过改变温度或反应执行的压力。也许最常见的平衡反应是那些涉及水作为产品。

如前所述, 去除这种水可以促使反应完成。迪恩-斯塔克陷阱是一种专门的玻璃器皿, 用来连续去除化学反应中形成的水。

这部影片将说明院长-斯塔克陷阱的原则, 一个实验室程序中使用的仪器, 和几个应用。

将硼酸转化为酯的反应会导致水的形成, 从而使酯水解回酸, 降低总收率。

随着反应的进展, 在反应中产生的水可以不断地从烧瓶中除去, 使用了一个院长-斯塔克陷阱。为了做到这一点, 首先将反应组分添加到一个烧瓶中, 并加入一个碳氢化合物, 如甲苯和加热混合物。随着反应的进展, 水被释放。现在甲苯和水, 分别煮沸在110和100度, 形成一个共沸物, 煮沸在84度。在冷凝器冷却后, 溶剂蒸汽凝结回液体, 滴入陷阱的收集容器, 并且任何溢出被退回到反应容器。

浓缩的液体混合物最终分离成两个不相容的层, 底部的致密成分。这通常是水层, 然后排水。同样的过程一直持续到没有更多的水产生, 这表明反应的完成。

现在, 我们已经讨论了院长-斯塔克陷阱的原则, 让我们看看实验室的程序中使用的仪器。

在这一过程中, 我们将反应一个芳香醛与乙二醇, 以产生缩醛保护组, 它在多步法合成中屏蔽了反应醛进一步化学反应。首先, 加入一个250毫升的圆形底烧瓶 stirbar, 7.5 克 3-硝基苯甲醛, 75 毫升的甲苯, 和乙二醇。然后将院长斯塔克的陷阱附在瓶子上, 再将回流冷凝器放到陷阱顶部。

把烧瓶和它的内容放在油浴中, 打开冷凝器里的水, 搅拌170度。允许共沸混合物在陷阱中凝结和收集, 并继续, 直到水形成停止。两层分离后, 测量出水量, 并与理论产量进行比较。为了验证反应的完成, 在薄层板上运行起始材料和产品。

一旦反应完成, 从热源中取出烧瓶, 使其达到室温。丢弃院长斯塔克陷阱的内容, 因为他们不应该包含任何产品, 并集中在减少压力与旋转蒸发器的瓶子的内容。

除去杂质, 溶解在8毫升的热乙醇中的黄色残渣, 使其冷却到室温, 使产品结晶。然后, 过滤固体, 用冷水乙醇冲洗, 并在真空下干燥。

现在, 我们已经看到了一个实验室程序, 让我们来看看一些应用, 其中一个院长斯塔克陷阱是使用。

烯是取代 vinylamine 化合物有用, 形成碳碳键α, 以羰基基团。烯是通过加热二次胺, 如吡咯烷, 和醛或酮, 并去除水副产品的院长-斯塔克陷阱准备的。

除了水, 还可以使用一个迪恩-斯塔克陷阱来收集其他化合物。在这里, 它被用来收集苯甲酸和 1-丁醇之间的酯化反应的产物, 这也是反应溶剂。1丁醇与产品不相容且密度不高, 回流到反应器中。酯化产物是疏水性的, 也容易与水副产品分离。

对迪恩-斯塔克陷阱的另一个用途是确定食品中的含水量。这是通过放置一个已知的食物量和沸腾在一个碳氢化合物溶剂。从馏出物中收集的水量被测量, 并除以食品的重量来计算水分百分比。

你刚刚看了朱庇特的介绍, 驾驶平衡与迪恩斯塔克陷阱。你现在应该理解迪恩-斯塔克陷阱的原则, 如何执行实验室程序, 以及它的一些应用。谢谢收看!

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