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가열된 화학 반응을 위한 역류 시스템의 조립
 
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가열된 화학 반응을 위한 역류 시스템의 조립

Overview

출처: 필립 밀러 박사 연구소 — 임페리얼 칼리지 런던

많은 화학 실험은 어떤 반응이 관찰되기 전에 높은 온도를 요구하지만, 반응제의 가열 용액은 비등점이 충분히 낮은 경우 증발을 통해 반응제 및 / 또는 용매의 손실로 이어질 수 있습니다. 반응물질이나 용매의 손실을 보장하기 위해, 역류 시스템은 가열시 생성된 모든 증기를 응축하고 이러한 응축수를 반응 용기에 반환하기 위해 사용된다.

Principles

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역류 시스템은 일반적으로 반응 용기의 출구에 수냉 유리 기둥 (역류 응축기)의 수직 연결을 사용하여 작동됩니다. 이 유리 제품은 물 입구와 출구 포트가있는 재킷 기둥으로 구성되어 있어 차가운 수돗물이 외부 재킷을 통해 흐르도록 하고 반응 증기는 내부 열을 통해 강제로 전달됩니다. 흐르는 차가운 물은 이러한 증기가 내부 기둥의 벽에 응축되도록 보장하고 중력은 반응 용기에 이러한 응축수를 반환합니다. 일단 꾸준한 역류가 반응 용액에 다시 유체의 일정한 물방울에 도달하면 확립되어야한다. 이러한 방식으로, 반응을 더 많은 용매를 추가 할 필요없이 무기한 남아있을 수 있습니다.  이 비디오는 유리 제품을 연결하고 꾸준한 역류를 설정하는 과정을 설명합니다.

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Procedure

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1. 유리 제품 준비

  1. 유리 제품이 화학 오염 물질이 없고 필요한 경우 약 30분 동안 100°C에서 오븐에서 가열할 수 있도록 하여 습기가 없는지 확인하십시오.
  2. 냉각되면 모든 지면 유리 관절이 실험실 응용 을 위해 특별히 제작된 건조하거나 아세톤에 담근 세척 조직을 사용하여 오염물질이 없는지 확인하십시오.
  3. 적절한 반응 용기(일반적으로 둥근 바닥 플라스크)에서 적합한 용매로 리젠트를 용해하고 자기 교반기 바를 추가한 후, 접지 유리 조인트를 통해 역류 응축기 및 반응 용기를 연결한다.  Keck 클립을 조인트에 부착합니다.
  4. 냉수 수돗물에서 역류 응축기의 가장 하단 입구에 튜브를 부착하고 가장 상단 콘센트에서 싱크대에 튜브의 또 다른 조각. 싱크대가 지나치게 채워지지 않는 속도로 응축기의 바깥 쪽 재킷을 통해 차가운 물이 흐르기 시작합니다.

2. 반응제 가열

  1. 핫플레이트 교반기는 환전용기를 가열욕조(오일 또는 물)에 침수하여 배내 용액 수준 바로 위에 있고 링 스탠드, 클램프 및 보스를 사용하여 제자리에 고정합니다.
  2. 반응을 교반하기 시작합니다. 용매의 비등점 위로 약 15°C로 목욕을 가열합니다. 증발과 응축 사이의 평형이 꾸준히 떨어지면 응축된 용매의 꾸준한 드립이 응축기 기둥으로부터 반응 용기로 다시 떨어지기 시작합니다.

3. 장치 해체

  1. 원하는 시간이 경과되면 링 스탠드위로 더 높은 고정하여 배에서 반응 용기/역류 장치를 제거합니다.
  2. 용액이 실온에 도달할 때까지 역류 응축기를 통해 물이 계속 흐르도록 합니다.
  3. 물의 흐름을 끄고 반응 용기에서 응축기의 연결을 끊습니다.
  4. 응축기의 남은 물을 싱크대에 비우고 입구와 콘센트에서 튜브를 제거합니다.

역류 응축기는 가열된 화학 반응에서 반응제 또는 용매 손실을 방지하기 위해 유기 화학에 일반적으로 사용되는 장치이다.

장기간 고온에서 수행해야 하는 화학 반응의 경우 역류 시스템을 사용하여 증발을 통해 용매의 손실을 방지할 수 있다. 여기서, 시원한 물 응축기는 시간이 지남에 따라 그들의 보존의 결과로 반응 용기에 다시 기화 용매 및 환원물을 냉각하고 반환하는 데 사용됩니다. 이것은 또한 선택한 용매가 알려진 안정적인 비등점을 가질 것이기 때문에 반응이 일정한 온도에서 유지되도록 합니다.

이 비디오는 역류 실험의 기초를 설명하고 적절한 유리 제품 및 장비로 실험실에서 기술을 수행하는 방법을 보여줍니다.

Arrhenius 방정식은 반응의 온도를 증가시킴으로써 반응 속도가 증가한다고 말합니다.

역류 시스템은 플라스크 내에서 용매, 반응제 및 제품 분자의 증발 및 응축 속도 사이의 동적 균형 하에서 작동합니다. 응축기는 차가운 물로 지속적으로 플러시되고 둥근 바닥 플라스크는 가열 된 욕조에 배치됩니다. 가열시 용액이 증발하고 응축기 기둥은 증기 분자를 냉각시합니다.

증기는 내부 유리 측벽에 응축된 다음 액체 응축수로 반응 플라스크로 다시 돌아갑니다. 용매의 응축기 손실이 너무 높게 응축되면 차가운 물의 유량이 증가해야합니다. 시간이 지남에 따라 반응이 진행됨에 따라 모든 기화 종은 회수되고 플라스크 내의 반응물질, 용매 또는 제품 간에 손실이 발생하지 않습니다. 이 프로토콜을 위해 전체 반응 설정은 근처의 차가운 수원에 액세스 할 수있는 통풍이 잘되는 화학 후드에서 수행되어야한다.

이제 역류의 기초를 이해하게 되었으므로 적절한 유리 제품으로 열 및 역류 조건에서 간단한 transesterification 반응을 설정하고 수행하는 방법을 살펴보겠습니다.

절차를 수행하기 전에 이전 반응에서 가능한 화학 오염 물질의 흔적에 대한 모든 유리 제품을 검사합니다. 오븐에서 유리제품을 30분 동안 건조시켜 모든 수분을 제거하십시오. 유리 제품이 실온으로 냉각되면 제거합니다.

다음으로, 깨끗한 실험실 조직에 소량의 아세톤을 바르고 모든 지상 유리 관절을 닦아 화학 및 입자 오염 물질을 제거합니다. 깨끗한 플라스크 및 응축기 열이 이제 역류 시스템으로 조립할 준비가 되었습니다. 적합한 용매를 사용하면 둥근 바닥 플라스크 내부에 화학 시약을 용해시합니다. 플라스크에 마그네틱 스터드 바를 추가한 후 유리 제품의 접지 유리 포트에 합류하여 역류 응축기를 연결합니다. Keck 클립을 조인트에 부착합니다. 콜드 워터 소스와 응축기 컬럼의 하단 포트 사이에 튜브를 연결합니다. 그런 다음 응축기 기둥의 상단과 실험실 싱크대 사이의 다른 튜브 연결을 만듭니다. 마지막으로 물을 천천히 켜고 응축기 열을 차가운 물로 채웁니다. 튜브 연결을 과도하게 가압하지 않도록 물 흐름을 조정합니다.

역류 설정을 완료하려면 반응 용기를 가열 욕조에 잠급니다. 원하는 온도 범위에 따라 물이나 오일로 채워집니다. 최적의 난방을 위해, 목욕의 수준은 플라스크 내부의 반응제의 반월 상 연골 바로 위에 있어야합니다.

링 스탠드와 프램프를 사용하여 콘덴서와 플라스크 조합을 제자리에 고정하십시오. 교반기와 핫플레이트를 켜서 반응을 시작합니다. 용매의 비등점 위에 약 15°C로 목욕을 가열합니다. 증발과 응축 사이의 평형이 꾸준히 떨어지면 응축된 용매의 꾸준한 드립이 응축기 기둥으로부터 반응 용기로 다시 떨어지기 시작합니다. 화학 반응이 완료되면 핫 플레이트를 끄고 장치를 링 스탠드 위로 더 높이 고정시합니다. 설치가 실온으로 냉각될 때까지 차가운 물이 응축기 전체에서 계속 순환되도록 합니다.

그런 다음, 냉수원을 끄고 응축기의 응축기와 반응 플라스크를 분리한다. 분해를 완료하려면 콘덴서에 남은 물이 싱크대에 비우고 유리 기둥에서 모든 튜브를 제거합니다.

이 예에서, 디메틸 테레프탈레이트와 에틸렌 글리콜은 바이스(2-하이드록세틸) 테레프탈레이트와 메탄올을 부산물로 생산하기 위해 역류하였다. 낮은 비등점으로 인해 메탄올은 역류 용매로 작용했다. 이 형질화 반응에서 혼합물을 65°C에서 45분 동안 가열하여 NMR 분광법에 따라 가시적인 제품 형성을 보장하였다. 자세한 내용은 NMR에서 이 컬렉션의 비디오를 참조하십시오.

제어 열을 적용하는 것은 광범위한 화학 반응에서 일반적인 요구 사항입니다.

이 예에서, 반도체 나노 결정의 조성, 크기 및 전기 전도도에 대한 정밀한 제어는 정밀한 화학 합성 조건을 필요로 한다. 원하는 결정 조건의 경우, 합성은 370°C에서 수행되었다. 응축기 열은 증발로 인한 손실을 방지했습니다. 반응 조건을 조정함으로써, 서로 다른 대칭을 나타내는 반도체 나노 결정의 컬렉션을 합성하고 나노 규모 수준에서 광자를 조작 할 수있는 이종 구조를 만들기 위해 서로 근접배치되었다. 또 다른 예에서, 자기 나노 클러스터 입자는 또한 역류 조건 하에서 가열된 화학 반응을 사용하여 합성되었다. 이러한 나노 입자의 자기 및 플라스몬 특성은 생체 의학 이미징에 도움이됩니다.

가혹한 반응 조건은 역류 설정을 통해 완화되었습니다.

마지막으로, 역류 응축기는 광범위한 화학 반응에서 사용될 수 있습니다. 도크 반응에서 불포화 할라이드와 알케네가 가열되어 대체 된 알케네를 형성합니다.

다시 한번, Heck 반응에 대한 설정은 응축기 - 둥근 바닥 플라스크 조합이 가열 된 욕조에 배치 된 이전 예제와 유사했습니다.

팔라듐 함유 유기 촉매와 결합하면, Heck 반응은 많은 제약 화합물의 합성에 유용 할 수 있습니다.

가열된 화학 반응에 사용할 역류 시스템을 설정하는 JoVE의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 증발과 응축의 균형과 역류 반응에 적합한 유리 제품을 선택하고 조립하는 방법 사이의 기본 이론을 이해해야 합니다.

시청해 주셔서 감사합니다!

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Results

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결과 용액의 분광 특성화 후 결과를 관찰할 수 있으며, 두 시약이 이제 새로운 제품을 형성하기 위해 반응했어야 했기 때문에. 일반적으로 원하는 제품을 원하지 않는 측면 반응으로부터 분리하기 위해 다양한 정제 전략이 필요합니다.

이 예에서, 디메틸 테레프탈레이트(DMT)와 에틸렌 글리콜 사이의 형질화 반응은 비스(2-하이드록세틸) 테레프탈레이트와 메탄올(Scheme1)을감당할 수 있었다. 역류 용매는 생산되는 메탄올(b.p. 65°C)이 될 것이다. 45분 동안 역류하에서 시작재료(도 1)를 가열한 후, 핵자기공명(NMR) 분광법은 도 2에도시된 바와 같이 제품 형성을 보장하는 데 사용될 수 있다.

Scheme 1
계획 1. 디메틸 테레프탈레이트와 에틸렌 글리콜 사이의 트랜스스테레화 반응.

Figure 1
그림 1. 1 시작 재료의 H NMR 스펙트럼: 디메틸 테레프탈레이트 (DMT).

Figure 2
그림 2. 1 H NMR 제품 스펙트럼: 비스(2-하이드록세틸) 테레프탈레이트.

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Applications and Summary

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역류하에서 반응을 수행하는 것은 이해하는 중요한 기술입니다. 용매와 휘발성 시약을 재활용하는 시스템을 제공하는 것 외에도, 선택한 용매의 비등점에서 일정하게 유지되기 때문에 반응 온도를 미세하게 제어할 수 있습니다. 용매의 신중한 선택에 의해, 하나는 매우 좁은 범위 내에서 온도를 제어 할 수 있습니다.

고급 기술은 역류 용매를 활용하여 Soxhlet 추출 또는 분수 증류와 같은 정교한 정제 기술을 수행할 수 있습니다. 그 후원유를 다른 비등점의 다양한 가솔린 분획으로 분리하기 위해 석유 정제소와 같은 대규모로 산업적으로 사용됩니다.

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References

  1. Krell, E. Handbook of Laboratory Distillation. Berlin: Elsevier (1982).

Transcript

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