Overview
מקור: Vy M. דונג ויאן רידל, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
מלכודת דין-סטארק היא חתיכת זכוכית מיוחדת, המאפשרת איסוף מים במהלך תגובה באמצעות זיקוק אזוטרופי. הרצון לאסוף מים מתגובה יכול להיות סיבות שונות. זה יכול לנהוג את האיקוויליבריה בתגובות, שבו מים נוצרים כמו תוצר לוואי. על פי עיקרון לה שאטלייה, שינוי בטמפרטורה, בלחץ, בריכוז או בנפח יגרום להסתגלות מחדש של תגובה הפיכה כדי ליצור שיווי משקל חדש. היווצרות אצטל היא תגובה הפיכה, שבה מים נוצרים כמוצר לוואי. במקרים כאלה, השגת תשואות טובות אפשרית על ידי הנעת שיווי המשקל כלפי הצד המוצר באמצעות הסרת מים. מלכודת דין-סטארק מאפשרת גם קביעת תכולת מים או שניתן להשתמש בה כדי להסיר מים מתערובת ממס באמצעות זיקוק אזוטרופי.
Principles
שיווי משקל תגובה יכול להיות מושפע עם עודף של ריאגנט או הסרה של מוצר שנוצר על מנת לנהוג שיווי המשקל לצד המוצר. שיווי משקל יכול להיות מושפע גם על ידי טמפרטורה או לחץ. עיקרון בסיסי זה נקרא עיקרון לה שאטלייה וקובע כי שינוי בטמפרטורה, בלחץ, בריכוז או בנפח יגרום להסתגלות מחדש של התגובה כדי ליצור שיווי משקל חדש. על ידי הוספת עודף של ריאגנט, הריכוז משתנה ושיווי משקל חדש קובע, לטובת הצד המוצר. לדוגמה, נהיגה שיווי משקל של הידרוליזה ניתן להשיג בקלות על ידי הוספת עודף של מים.
השפעה על שיווי המשקל של תגובה שבה מים נוצרים כיוצר לוואי, כמו אסתר, אינה פשוטה ודורש כלי זכוכית מיוחדים. כלי זכוכית מיוחדים אלה נקראים מלכודת דין-סטארק ומסייעת להסיר את המים שנוצרו מדיום התגובה(איור 1). ממיסים היוצרים אזוטרופיה עם מים, כמו טולואן, מועסקים בדרך כלל. אזוטרופיה היא נקודה בזיקוק שבו הרכב השלב הנוזלי שווה להרכב שלב הגז. הפרדה נוספת באמצעות זיקוק פשוט מעבר לנקודה האזוטרופית אינה אפשרית. זהו יתרון בעת שימוש במלכודת דין-סטארק כדי להשפיע על שיווי משקל, כי זה יבטיח הסרה מתמשכת של מים. עם חימום תערובת התגובה, אזוטרופי טולואן/מים שנוצר יזקק מעל, יתעבה במעבה, ויזרום למלכודת דין-סטארק. טולואן ומים ייצרו שתי שכבות נפרדות עם טולואן כשכבה העליונה והמים כשכבה התחתונה. בעוד טולואן יכול לזרום בחזרה לתוך בקבוקון התגובה, מים נלכדים כשכבה התחתונה ובסופו של דבר מוסרים משיווי המשקל התגובה ובכך מניעים את התגובה כלפי צד המוצר.
איור 1. מנגנון דין-סטארק
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הכנה
- יש ליטול בקבוקון תחתון עגול 250 מ"ל המצויד בברז ערבוב מגנטי.
- מניחים אמבט שמן מתחת לבקבוק התחתון העגול על מערבל מגנטי.
- מלאו את הבקבוקון התחתון העגול ב-7.5 גרם (0.05 מול) מ'-Nitrobenzaldehyde והוסיפו 75 מ"ל טולואן.
- יש להוסיף 3.1 מ"ל (3.45 גרם, 0.055 מול) אתילן גליקול.
- חבר את מלכודת דין-סטארק לבקבוק התחתון העגול.
- צרף מכנס ריפלוקס על גבי מלכודת דין-סטארק.
2. הפעלת התגובה
- הגדר את טמפרטורת אמבט השמן ל 170 °C (50 °F) לחמם את תערובת התגובה reflux.
- נטר את התגובה על ידי מדידת כמות המים במלכודת דין-סטארק.
- התגובה נעשית כאשר אין מים נוספים נלכדים בזרוע הצדדית של מלכודת דין-סטארק.
- לאחר כ 2 שעות, הכמות הכוללת של מים שנאספו הוא כ 0.8 מ"ל.
3. בדיקה
- שחררו את המים והסירו את הממס האורגני המשולב מתערובת התגובה תחת לחץ מופחת באידוי סיבובי.
- להמיס את השאריות הצהובות ב 8 מ"ל אתנול תחת ריפלוקס.
- תרגיע את הפתרון.
- האצטל הרצוי יתגבש.
- מסננים את המוצק והמייבש אותו תחת לחץ מופחת.
מלכודת דין-סטארק משמשת להסטת שיווי המשקל של תגובות אורגניות לצד המוצר.
על פי העיקרון של Le Châtalier, שיווי משקל יכול להיות מונע כלפי המוצרים באמצעות עודף של אחד המגיבים, על ידי הסרה מתמדת של אחד המוצרים, או על ידי שינוי הטמפרטורה או הלחץ שבו התגובה מתבצעת. אולי התגובות הנפוצות ביותר לשיווי משקל הן אלה המערבות מים כמוצר.
כאמור, הסרת מים אלה יכולה להניע את התגובה להשלמה. מלכודת דין-סטארק היא חתיכת כלי זכוכית מיוחדת המשמשת להסרת מים ללא הרף שנוצרה בתגובה כימית.
סרטון זה ימחיש את עקרונות מלכודת דין-סטארק, הליך מעבדה שבו נעשה שימוש במנגנון ומספר יישומים.
תגובות כגון המרת חומצה בורונית לאקסטר גורמות להיווצרות מים, אשר יכול hydrolyze אסתר בחזרה לחומצה, הפחתת התשואה הכוללת.
ככל שהתגובה מתקדמת, המים המיוצרים בתגובה עשויים להיות מוסרים ללא הרף מהבקבוקון עם שימוש במלכודת דין-סטארק. כדי לעשות זאת, ראשית להוסיף את רכיבי התגובה בקבוקון יחד עם פחמימן כגון טולואן לחמם את התערובת. ככל שהתגובה מתקדמת, המים משתחררים. עכשיו טולואן ומים, אשר רותחים ב 110 ו 100 מעלות, בהתאמה, יוצרים אזוטרופיה, אשר רותח ב 84 מעלות. עם הקירור במעבה, אדי הממס מתעבה בחזרה לנוזל, אשר מטפטף לתוך כלי האיסוף של המלכודת, וכל הצפה חוזרת לכלי התגובה.
התערובת הנוזלית המרוכזת נפרדת בסופו של דבר לשתי שכבות בלתי ניתנות לעיכול, כאשר הרכיב הצפוף יותר בתחתית. זוהי בדרך כלל שכבת המים, אשר לאחר מכן מנוקז. אותו תהליך נמשך עד שלא מייצרים עוד מים, מה שמצביע על השלמת התגובה.
עכשיו כשדיברנו על עקרונות מלכודת הדיקן-סטארק, בואו נסתכל על נוהל מעבדה שבו נעשה שימוש במנגנון.
בהליך זה, נגיב אלדהיד ארומטי עם אתילן גליקול כדי להניב קבוצת הגנה אצטל, אשר מגן על אלדהיד תגובתי מפני תגובות כימיות נוספות בסינתזה multistep. כדי להתחיל, להוסיף בקבוקון עגול 250 מ"ל מערבל, 7.5 גרם של 3-ניטרבנזלדהיד, 75 מ"ל של טולואן, ואתילן גליקול. ואז לצרף את מלכודת דין-סטארק לבקבוק ומגדה ריפלוקס על החלק העליון של המלכודת.
מנמיכים את הבקבוק ותכולתו באמבט שמן, מדליקים את המים במעבת ומערבבים ב-170 מעלות. מניחים לתערובת האזוטרופית לדחוס ולאסוף במלכודת, וממשיכים עד שצורת המים נפסקת. לאחר שתי השכבות נפרדות, למדוד את כמות המים המיוצרים, ולהשוות אותו לתשואה התיאורטית. כדי לאמת את השלמת התגובה, הפעל את החומר הפותח והמוצרים על צלחת TLC.
לאחר השלמת התגובה, להסיר את הבקבוק ממקור החום ולאפשר לו להגיע לטמפרטורת החדר. השליכו את תכולת מלכודת דין-סטארק, מכיוון שהם לא צריכים להכיל שום מוצר, ורכזו את תכולת הבקבוק תחת לחץ מופחת עם מאידה סיבובי.
כדי להסיר זיהומים, להמיס את השאריות הצהובות ב 8 מ"ל של אתנול חם ולאפשר לו להתקרר לטמפרטורת החדר, ומאפשר את המוצר להתגבש. לאחר מכן, לסנן את מוצק, שטיפה עם אתנול קר, ולייבש אותו תחת ואקום.
עכשיו שראינו הליך מעבדה בואו נסתכל על כמה יישומים שעבורם נעשה שימוש במלכודת דין-סטארק.
Enamines מוחלפים תרכובות וינילמין שימושי כדי ליצור קשרים פחמן פחמן אלפא לקבוצות קרבוניל. Enamines מוכנים על ידי חימום אמין משני, כגון פירולידין, ואלדהיד או קטון, והסרת תוצר לוואי של המים עם מלכודת דין-סטארק.
בנוסף למים, ניתן להשתמש במלכודת דין-סטארק כדי לאסוף תרכובות אחרות. כאן, הוא שימש כדי לאסוף את המוצר של תגובת אסטריפיקציה בין חומצה בנזואית ו 1-butanol, שהוא גם ממס התגובה. 1-butanol הוא immiscible עם ופחות צפוף מהמוצר, וזורם בחזרה לתוך הכור. מוצר הסיסטרציה, שהוא הידרופובי, מופרד גם הוא בקלות מתוצר לוואי של המים.
שימוש נוסף במלכודות דין-סטארק הוא קביעת תכולת המים במזון. זה מושג על ידי הצבת כמות ידועה של המזון והרתיחה אותו בממס פחמימנים. נפח המים הנאספים מהתזקיקים נמדד, ומחולק לפי משקל פריט המזון לחישוב אחוז הלחות.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לנהיגה באקוויליבריה עם מלכודות דין-סטארק. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות של מלכודות דין-סטארק, איך לבצע הליך מעבדה, וחלק מהיישומים שלה. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
מים ייווצרו וילכדו במהלך התגובה. ניתן לחשב את הכמות התיאורטית של מים שנוצרו עם ההמרה המלאה ולהשוות את הכמות הנמדדת של המים הלכודים כדי לקבוע את התקדמות התגובה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
ניסוי זה מדגים בצורה חיה את העיקרון של לה שאטלייה וכיצד הוא יכול לנהוג בשיווי משקל.
מלכודות דין-סטארק משמשות בדרך כלל להסרת מים מתערובת ממס בנסיבות שונות. לדוגמה, הסרת מים באמצעות זיקוק פשוט כאשר מים אינם יוצרים אזוטרופיה עם הממס האחר, אפשרי עם מלכודת דין-סטארק המבוססת על עיצובו. במקרה של זיקוק אזוטרופי, יש צורך בתוספת של entrainer. entrainer הוא ממס אורגני, אשר ייצר אזוטרופי עם מים אבל לא לערבב עם מים בשלב הנוזלי. התוספת של אנצ'ר מבטיחה הסרה רציפה של מים, אשר נלכד בזרוע הצדדית של מלכודת דין-סטארק. שלא כמו מלכודת דין-סטארק, מנגנון זיקוק רגיל דורש תוספת רציפה של entrainer מאז entrainer מזוקק לא יכול לזרום בחזרה לתערובת הממס.
מלכודת דין-סטארק יכולה לשמש גם כדי להניע את השוויוויליבריה של תגובות, שבו מים נוצרים כמו תוצר לוואי, כמו אסתר או היווצרות אצטל. באמצעות זיקוק אזוטרופי שבו הממס הוא גם entrainer, מים מוסרים מן התגובה ולכן מן שיווי המשקל.
לבסוף, זיקוק אזוטרופי עם מלכודת דין-סטארק יכול לשמש גם כדי לקבוע את תכולת המים של ממיסים או תערובות ממסים. לא רק שניתן להסיר מים עם מלכודת דין-סטארק, אלא גם אלכוהול נדיף על ידי הצבת מסננות מולקולריות 5-Å במלכודת.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
