Overview
Source : Vy M. Dong et Jan Riedel, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA
Un piège de Dean-Stark est une pièce de verrerie, qui permet la collecte de l’eau lors d’une réaction par une distillation azéotropique. Le désir de recueillir l’eau d’une réaction peut avoir diverses raisons. Il peut conduire l’équilibre dans les réactions, où l’eau est formé comme sous-produit. Selon le principe de Le Chatelier, un changement de température, de pression, de concentration ou de volume, entraîne un réajustement d’une réaction réversible pour établir un nouvel équilibre. Une formation d’acétal est une réaction réversible, où l’eau est formé comme sous-produit. Dans ce cas, obtenir de bons rendements est possible de conduire l’équilibre vers le côté du produit par l’intermédiaire de l’élimination de l’eau. Le piège de Dean-Stark a aussi permet la détermination de la teneur en eau ou peut être utilisé pour enlever l’eau d’un mélange de solvant à travers une distillation azéotropique.
Principles
Un équilibre de la réaction peut être influencé avec un excès de réactif ou de retrait d’un produit formé afin de faire l’équilibre sur le côté du produit. Équilibres peuvent être également influencés par la température ou la pression. Ce principe est appelé principe de Le Chatelier et stipule qu’un changement de température, de pression, de concentration ou de volume, provoquera un réajustement de la réaction d’établir un nouvel équilibre. En ajoutant un excès de réactif, les changements de concentration et un nouvel équilibre établit, favorisant le côté du produit. Par exemple, l’équilibre d’une hydrolyse de conduite peut être facilement réalisé en ajoutant un excès d’eau.
Qui influent sur l’équilibre d’une réaction où l’eau est formé comme sous-produit, comme une estérification, n’est pas simple et nécessite des verres spéciaux. Cette pièce de verrerie s’appelle un piège de Dean-Stark et contribue à éliminer l’eau formé par le milieu de réaction (Figure 1). Les solvants qui forment un azéotrope avec l’eau, comme le toluène, sont couramment employées. Un azéotrope est un point dans une distillation où la composition de la phase liquide est égale à la composition de la phase gazeuse. Une séparation supplémentaire grâce à une simple distillation au-delà du point azéotropique n’est pas possible. Il s’agit d’un avantage lors de l’utilisation du piège de Dean-Stark pour influencer les équilibres, car elle assurera l’enlèvement continu de l’eau. Par chauffage du mélange réactionnel, l’azéotrope toluène/eau formé va distiller au fil, se condenser dans le condenseur et se jettent dans le piège de Dean-Stark. L’eau et toluène formeront deux couches distinctes avec toluène comme la couche supérieure et de l’eau dans la couche inférieure. Tandis que le toluène peut circuler dans le ballon à réaction, l’eau obtient piégé sous la couche de fond et finalement retiré de l’équilibre de la réaction conduisant ainsi la réaction vers le côté du produit.
La figure 1. Appareil de Dean-Stark
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Procedure
1. préparation
- Prendre un 250 mL équipé d’une barre d’agitation magnétique ballon à fond rond.
- Placer un bain d’huile sous le ballon sur un agitateur magnétique.
- Remplir le ballon à fond rond avec 7,5 g (0,05 mol) m- nitrobenzaldéhyde et ajouter 75 mL de toluène.
- Ajouter 3,1 mL (3,45 g, mol 0,055) l’éthylène glycol.
- Fixer le piège de Dean-Stark sur le ballon.
- Attacher un réfrigérant à reflux sur le dessus de la trappe de Dean-Stark.
2. exécution de la réaction
- Régler la température de bain d’huile à 170 ° C et la chaleur le mélange réactionnel au reflux.
- Contrôler la réaction en mesurant la quantité d’eau dans le piège de Dean-Stark.
- La réaction se faite lorsque aucune autre eau ne se retrouve piégé dans le bras du côté de la trappe de Dean-Stark.
- Après environ 2 h, le montant total de l’eau recueillie est d’environ 0,8 mL.
3. bilan
- Libérer l’eau et enlever le solvant organique combiné du mélange réactionnel sous pression réduite dans un évaporateur rotatif.
- Dissoudre le résidu jaune dans 8 mL d’éthanol sous reflux.
- Refroidir la solution.
- L’acétal désiré se cristallisent.
- Filtrer le solide et le sécher sous pression réduite.
Le piège de Dean-Stark sert à déplacer l’équilibre des réactions organiques sur le côté du produit.
Selon le principe de Le Châtalier, un équilibre peut être conduit vers les produits à l’aide d’un excès de l’un des réactifs, en le supprimant en continu des produits, ou en changeant la température ou la pression à laquelle la réaction est réalisée. Peut-être les réactions d’équilibre plus fréquemment rencontrés sont ceux impliquant l’eau comme un produit.
Comme indiqué précédemment, l’élimination de cette eau peut conduire la réaction à l’achèvement. Un piège de Dean-Stark est un morceau spécialisé de la verrerie utilisée pour éliminer continuellement l’eau formée dans une réaction chimique.
Cette vidéo illustre les principes de plusieurs applications, une procédure de laboratoire dans lequel l’appareil est utilisé et le piège de Dean-Stark.
Réactions telles que la conversion de l’acide boronique à un résultat d’ester dans la formation d’eau, qui peut hydrolyser l’ester à l’acide, diminuant le rendement global.
Comme la réaction progresse, l’eau produite lors de la réaction sont révocables en permanence du flacon à l’aide d’un piège de Dean-Stark. Pour ce faire, tout d’abord ajouter les composantes de la réaction dans un ballon avec un hydrocarbure comme le toluène et chauffer le mélange. Comme la réaction progresse, l’eau est libérée. Toluène et eau, faire bouillir à 110 et 100 degrés, respectivement, forment désormais un azéotrope, qui bout à 84 degrés. Lors du refroidissement dans le condenseur, les vapeurs de solvant se condensent en liquide qui s’égoutte dans le récipient de collecte du piège, et tout débordement est renvoyé dans la cuve de réaction.
Le mélange liquide condensé finalement sépare en deux couches non miscibles, avec le composant plus dense sur le fond. C’est généralement la couche d’eau qui est ensuite évacuée. Le même processus se poursuit jusqu'à ce qu’aucun plus d’eau n’est produite, ce qui indique l’achèvement de la réaction.
Maintenant que nous avons discuté des principes de la trappe de Dean-Stark, nous allons étudier une procédure de laboratoire dans lequel l’appareil est utilisé.
Dans cette procédure, nous réagirons un aldéhyde aromatique avec l’éthylène glycol pour donner un acétal protégeant le groupe, qui protège l’aldéhyde réactive de plus des réactions chimiques dans une synthèse en plusieurs étapes. Pour commencer, ajoutez dans un ballon à fond rond de 250 mL, un est, 7,5 g de 3-nitrobenzaldéhyde, 75 mL de toluène et de l’éthylène glycol. Vissez ensuite le piège de Dean-Stark le ballon et un réfrigérant à reflux sur le dessus de la trappe.
Abaisser la fiole et son contenu dans un bain d’huile, faire couler l’eau dans le condenseur et remuer à 170 degrés. Laissez le mélange azéotropique à se condenser et s’accumuler dans le piège et continuer jusqu'à ce que cesse la formation de l’eau. Après les deux couches distinctes, mesurer la quantité d’eau produite et la comparer au rendement théorique. Pour vérifier l’achèvement de la réaction, exécutez le matériel et les produits de départ sur une plaque de TLC.
Une fois que la réaction est terminée, enlever le ballon de la source de chaleur et laisser à température ambiante. Jeter le contenu de la trappe de Dean-Stark, comme ils ne doivent pas contenir n’importe quel produit et de se concentrer le contenu du ballon sous pression réduite avec un évaporateur rotatif.
Pour éliminer les impuretés, dissoudre le résidu jaune dans 8 mL d’éthanol chaud et laisser refroidir à température ambiante, permettant ainsi le produit à se cristalliser. Ensuite, filtrer la matière solide, lavage à l’éthanol froid et sécher sous vide.
Maintenant que nous avons vu une procédure de laboratoire nous allons examiner certaines applications pour lesquelles un piège de Dean-Stark est utilisé.
Énamines sont des composés de la vinylamine substitués utiles à forme carbone liaisons alpha de groupements carbonyles. Énamines sont préparés par une amine secondaire, telles que la pyrrolidine et un aldéhyde ou une cétone, de chauffage et en supprimant le sous-produit de l’eau avec un piège de Dean-Stark.
En plus de l’eau, un piège de Dean-Stark peut servir à recueillir d’autres composés. Ici, il a été utilisé pour recueillir le produit d’une réaction d’estérification entre l’acide benzoïque et 1-butanol, qui est aussi le solvant de réaction. Le butan-1-ol est non miscible avec et moins dense que le produit, et reflue dans le réacteur. Le produit de l’estérification, qui est hydrophobe, est également facilement séparé du sous-produit de l’eau.
Une utilisation additionnelle pour les pièges de Dean-Stark est le dosage de l’eau dans les aliments. Ceci est accompli en plaçant une quantité connue de la nourriture et faire bouillir dans un solvant d’hydrocarbure. Le volume d’eau prélevés dans le distillat est mesuré et divisé par le poids de l’aliment pour calculer le pourcentage d’humidité.
Vous avez juste regardé introduction de JoVE aux équilibres de conduite au moyen de pièges Dean-Stark. Vous devez maintenant comprendre les principes des pièges de Dean-Stark, comment effectuer une procédure de laboratoire et certaines de ses applications. Merci de regarder !
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Results
L’eau se forme et se retrouve piégé au cours de la réaction. La quantité théorique d’eau formée lors de la conversion complète peut être calculée et comparée avec la quantité de l’eau emprisonnée pour déterminer la progression de la réaction mesurée.
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Applications and Summary
Cette expérience illustre avec éclat principle de Le Chatelier's et comment il peut conduire à un équilibre.
Dean-Stark pièges sont couramment utilisés pour enlever l’eau à un mélange de solvants dans des circonstances différentes. Par exemple, l’élimination de l’eau par une simple distillation lorsque l’eau ne forme pas un azéotrope avec l’autre solvant, c’est possible avec un piège de Dean-Stark sur son projet. Dans le cas d’une distillation azéotropique, l’ajout d’un entraîneur est nécessaire. Un entraîneur est un solvant organique, qui forme un azéotrope avec l’eau, mais ne se mélange pas avec de l’eau en phase liquide. L’ajout d’un entraîneur assure l’enlèvement continu de l’eau, qui se retrouve piégé dans le bras du côté de la trappe de Dean-Stark. À la différence du piège de Dean-Stark, un appareil de distillation normale nécessite l’ajout continu d’un entraîneur puisque l’entraîneur distillée ne peut pas circuler vers le mélange de solvants.
Le piège de Dean-Stark permet également de conduire les équilibres des réactions, où l’eau forme un sous-produit, comme dans une formation d’esters ou acétals. Grâce à une distillation azéotropique lorsque le solvant est également l’entraîneur, l’eau est enlevée de la réaction et donc de l’équilibre.
Enfin, une distillation azéotropique avec un piège de Dean-Stark peut également servir à déterminer la teneur en eau des solvants ou des mélanges de solvants. Non seulement l’eau peut être retiré avec un piège de Dean-Stark, mais aussi volatils alcools en plaçant 5 Å tamis moléculaires dans le piège.
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