Dean-Stark-Falle

Die Dean-Stark-Falle wird verwendet, um das Gleichgewicht der organischen Reaktionen auf die Produktseite zu verschieben.

Nach dem Prinzip von Le Ch?talier kann ein Gleichgewicht zu den Produkten herbeigeführt werden, indem ein Überschuss eines der Reaktanten verwendet wird, indem eines der Produkte kontinuierlich entfernt wird oder indem die Temperatur oder der Druck, bei dem die Reaktion durchgeführt wird, geändert wird. Die vielleicht am häufigsten anzutreffenden Gleichgewichtsreaktionen sind solche, an denen Wasser als Produkt beteiligt ist.

Wie bereits erwähnt, kann die Entfernung dieses Wassers die Reaktion bis zum Abschluss bringen. Eine Dean-Stark-Falle ist ein spezielles Glasgerät, das zur kontinuierlichen Entfernung von Wasser verwendet wird, das in einer chemischen Reaktion gebildet wird.

In diesem Video werden die Prinzipien der Dean-Stark-Falle, ein Laborverfahren, bei dem das Gerät verwendet wird, und verschiedene Anwendungen veranschaulicht.

Reaktionen wie die Umwandlung von Borsäure in einen Ester führen zur Bildung von Wasser, das den Ester wieder zur Säure hydrolysieren kann, wodurch die Gesamtausbeute verringert wird.

Während der Reaktion kann das bei der Reaktion erzeugte Wasser unter Verwendung einer Dean-Stark-Falle kontinuierlich aus dem Kolben entfernt werden. Um dies zu tun, geben Sie zunächst die Reaktionskomponenten zusammen mit einem Kohlenwasserstoff wie Toluol in einen Kolben und erhitzen Sie das Gemisch. Im weiteren Verlauf der Reaktion wird das Wasser freigesetzt. Nun bilden Toluol und Wasser, die bei 110 beziehungsweise 100 Grad sieden, ein Azeotrop, das bei 84 Grad siedet. Beim Abkühlen im Kondensator kondensieren die Lösungsmitteldämpfe wieder zu Flüssigkeit, die in das Auffanggefäß des Ableiters tropft, und ein eventueller Überlauf wird in das Reaktionsgefäß zurückgeführt.

Das kondensierte Flüssigkeitsgemisch trennt sich schließlich in zwei nicht mischbare Schichten, wobei sich die dichtere Komponente am Boden befindet. Dabei handelt es sich in der Regel um die Wasserschicht, die dann abgelassen wird. Der gleiche Vorgang wird so lange fortgesetzt, bis kein Wasser mehr produziert wird, was auf den Abschluss der Reaktion hinweist.

Nachdem wir nun die Prinzipien der Dean-Stark-Falle besprochen haben, schauen wir uns ein Laborverfahren an, bei dem der Apparat verwendet wird.

In diesem Verfahren werden wir einen aromatischen Aldehyd mit Ethylenglykol zu einer Acetal-Schutzgruppe umsetzen, die den reaktiven Aldehyd in einer mehrstufigen Synthese vor weiteren chemischen Reaktionen schützt. Zu Beginn wird in einen 250-ml-Kolben mit rundem Boden ein Rührstäbchen, 7,5 g 3-Nitrobenzaldehyd, 75 ml Toluol und Ethylenglykol gegeben. Befestigen Sie dann die Dean-Stark-Falle an der Kolben und einen Rückflusskondensator an der Oberseite der Falle.

Senken Sie den Kolben und seinen Inhalt in ein Ölbad, schalten Sie das Wasser im Kondensator ein und rühren Sie bei 170 Grad. Lassen Sie das azeotrope Gemisch kondensieren und sich in der Falle sammeln, und fahren Sie fort, bis die Wasserbildung aufhört. Nachdem sich die beiden Schichten getrennt haben, messen Sie die produzierte Wassermenge und vergleichen Sie sie mit der theoretischen Ausbeute. Um den Abschluss der Reaktion zu überprüfen, lassen Sie das Ausgangsmaterial und die Produkte auf einer DC-Platte laufen.

Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, wird der Kolben aus der Wärmequelle genommen und auf Raumtemperatur gebracht. Der Inhalt der Dean-Stark-Falle ist zu verwerfen, da er kein Produkt enthalten sollte, und der Inhalt des Kolbens wird mit einem Rotationsverdampfer unter reduziertem Druck konzentriert.

Um Verunreinigungen zu entfernen, lösen Sie den gelben Rückstand in 8 ml heißem Ethanol auf und lassen Sie es auf Raumtemperatur abkühlen, damit das Produkt kristallisieren kann. Filtern Sie dann den Feststoff, spülen Sie ihn mit kaltem Ethanol und trocknen Sie ihn unter Vakuum.

Nachdem wir nun ein Laborverfahren gesehen haben, schauen wir uns einige Anwendungen an, für die eine Dean-Stark-Falle verwendet wird.

Enamine sind substituierte Vinylaminverbindungen, die nützlich sind, um Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen alpha zu Carbonylgruppen zu bilden. Enamine werden hergestellt, indem ein sekundäres Amin wie Pyrrolidin und ein Aldehyd oder Keton erhitzt und das Wassernebenprodukt mit einer Dean-Stark-Falle entfernt wird.

Neben Wasser kann eine Dean-Stark-Falle auch zum Auffangen anderer Verbindungen verwendet werden. Hier wurde es verwendet, um das Produkt einer Veresterungsreaktion zwischen Benzoesäure und 1-Butanol, das auch das Reaktionslösungsmittel ist, aufzufangen. Das 1-Butanol ist mit dem Produkt nicht mischbar und weniger dicht als das Produkt und fließt zurück in den Reaktor. Das Veresterungsprodukt, das hydrophob ist, lässt sich auch leicht vom Nebenprodukt Wasser trennen.

Eine weitere Anwendung für Dean-Stark-Fallen ist die Bestimmung des Wassergehalts in Lebensmitteln. Dies wird erreicht, indem eine bekannte Menge des Lebensmittels gegeben und in einem Kohlenwasserstofflösungsmittel gekocht wird. Das Volumen des aus dem Destillat gesammelten Wassers wird gemessen und durch das Gewicht des Lebensmittels dividiert, um den Feuchtigkeitsgehalt zu berechnen.

Sie haben gerade JoVEs Einführung in Driving Equilibria with Dean-Stark Traps gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Dean-Stark-Fallen, die Durchführung eines Laborverfahrens und einige seiner Anwendungen verstehen. Danke fürs Zuschauen!