Расчет количеств исходных продуктов

Методические указания

к лабораторному практикуму по курсу «Органическая химия»

для студентов всех технологических специальностей

дневной и заочной форм обучения

 (учебная исследовательская работа)

Могилев 2006

УДК 547 (075)

Составители: доктор химических наук, профессор                   Г.Н.Роганов

кандидат химических наук, доцент                                            О.М.Баранов

Рассмотрены и рекомендованы
на заседании кафедры ХТВМС

Протокол № 5 от 01 декабря 2005 г

Рассмотрены и рекомендованы к утверждению
Учебно-методическим советом по специальности 48 01 02
«Химическая технология органических веществ, материалов и изделий»,
специализация 48 01 02 02 «Технология химических волокон».

Протокол №___от ___________ 2005 г

Рецензенты: доктор технических наук, профессор                    Б.Э.Геллер

кандидат химических наук, доцент                                            А.Я Гузиков

Ó УО «Могилевский государственный университет продовольствия»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1Этапы синтеза органического соединения. 5

1.1Выбор пути синтеза. 5

1.2Расчет количеств исходных продуктов. 6

1.3Выделение и очистка целевого продукта. Контроль чистоты.. 10

1.4Подтверждение состава и строения полученного органического соединения. 10

2Структура и содержание отчета. 11

2.1Титульный лист. 11

2.2Введение. 11

2.3Общие методы получения органических соединений данного класса. 11

3Синтезы органических соединений. 14

3.1Галогенирование. 14

3.1.1 Синтез бромистого этила. 14

3.1.2 Синтез бромистого бутила. 16

3.2Нитрование. 18

3.2.1 Синтез 1-нитронафталина. 18

3.2.2 Синтез 3-нитрофталевой кислоты.. 20

3.3Окисление. 22

3.3.1 Синтез бензойной кислоты.. 23

3.3.2 Синтез ацетона. 24

3.4Алкилирование спиртов и аминов. 25

3.4.1 Синтез дибутилового эфира. 26

3.4.2 Синтез диэтиланилина. 27

3.5Ацилирование. 28

3.5.1 Синтез уксусноэтилового эфира. 29

3.5.2 Синтез уксусноизоамилового эфира. 30

3.6Присоединение по карбонильной группе. 32

3.6.1 Синтез 2-метилбутанола-2. 32

3.6.1.1Синтез этилмагнийбромида. 32

3.6.1.2Синтез 2-метилбутанола-2. 33

3.7Диазотирование, азосочетание. 34

3.7.1 Синтез 2-нафтолоранжевого красителя. 35

3.7.1.1Диазотирование. 36

3.7.1.2Азосочетание. 36

3.7.1.3Ледяное крашение. 36

3.7.2 Синтез метилоранжа (гелиантина) 37

3.8Жиры. 39

3.8.1 Получение мыла. 39

3.9Углеводы.. 41

3.9.1 Синтез b-пентаацетилглюкозида. 42

3.9.2 Синтез фурфурола. 43

Список литературы.. 46

Приложение А.. 48

Приложение Б. 49

Приложение В.. 51

Введение

Целью органического синтеза является получение конечного продукта, имеющего какое-либо практическое применение или служащего исходным материалом для дальнейших исследований. Органический синтез проводится также для доказательства строения природных и искусственно получаемых веществ. Во всех случаях – это комплексное исследование, включающее ряд последовательных этапов:

- выбор пути синтеза;

- экспериментальное проведение реакций;

- выделение и очистка целевого продукта. Контроль чистоты;

- подтверждение состава и строения полученного вещества.

Этапы синтеза органического соединения

Выбор пути синтеза

С точки зрения планирования экспериментов схемы синтеза условно можно разделить на стандартные, очевидные и сложные.

Стандартные синтезы – это синтезы веществ хорошо изученных классов, общие методы получения которых достаточно полно разработаны и практически неоднократно реализованы. Сведения об общих методах синтеза таких соединений и даже методики получения конкретных веществ можно найти в учебной литературе и в монографиях, а также практических руководствах по методам эксперимента в органической химии. Большую помощь в отыскании методики синтеза, а также сведений о физико-химических свойствах того или иного органического соединения могут оказать вторичные источники информации: справочники и реферативные журналы.

Огромную информацию содержит в себе многотомный справочник Ф.Ф.Бейльштейна, включающий сведения о строении, методах получения и свойствах любых органических соединений, описанных в литературе до 1980 года. Справочником, в котором описано около 80000 органических веществ, является «Словарь органических соединений» в 7 томах. Полезным подспорьем служит также «Указатель препаративных синтезов органических соединений». Изданы также многочисленные справочники и энциклопедии по свойствам органических веществ.

Реферативные журналы «Химия» (РЖХим) и «Chemical Аbstracts» (С.А.) содержат сведения о текущих публикациях по химии и химической технологии, появляющиеся в многочисленных первичных источниках информации, сведения об учебниках, монографиях, конференциях, совещаниях и т.д.

В очевидных синтезах выбор исходных соединений и запись пути синтеза не вызывает особых затруднений, хотя осуществление этого очевидного плана на практике зачастую требует большого труда и искусства.

Сложные синтезы – это синтезы многостадийные, в которых целевое соединение может быть получено различными путями, из разных исходных продуктов, и результаты отдельных превращений не вполне очевидны.

Решение подобных задач во всех случаях требует активного изучения физических и химических свойств исходных и получаемых веществ и типов химических превращений, в которые они вступают. Однако знание свойств соединений и выработка стратегии синтеза еще не может дать практического результата без освоения техники, общепринятых приемов и способов лабораторной работы, типовых приборов и установок из стекла, используемых в синтетической органической химии.

Расчет количеств исходных продуктов

После определения пути синтеза перед экспериментальным осуществлением его следует выполнить расчет количеств исходных продуктов, используемых в работе. Наиболее важной характеристикой методики синтеза является мольное соотношение вводимых в реакцию продуктов. Оно определяется на основе стехиометрии, термодинамических и кинетических особенностей протекания реакций, физических и химических свойств реагирующих веществ, используемых приемов и способов проведения процессов и т.д. и может быть найдено при учете общих теоретических и практических рекомендаций, содержащихся в литературе. Для стандартных синтезов мольное соотношение реагентов определяется по указанным в методиках количествам исходных веществ. Найденное соотношение позволяет выполнить расчеты количеств исходных веществ. Кроме того, использование мольных соотношений позволяет сделать расчет синтеза для получения других соединений этого класса. Например, приведена методика синтеза этилового эфира уксусной кислоты. Используя мольное соотношение уксусной кислоты и этилового спирта, можно рассчитать синтезы метилового, пропилового, изопропилового эфиров этой или другой (например, муравьиной или пропионовой) кислоты. Помимо этого, в расчетах по мольным соотношениям учитывается концентрация реагентов. Например, в указанных выше методиках синтеза сложных эфиров концентрация этанола, как правило, не выше 95%, а других – 100%-я.

В практике встречаются два варианта расчета синтеза:

- когда задается количество одного из исходных продуктов (прямой расчет) 

- когда задано количество получаемого целевого продукта (обратный расчет).

Рассмотрим порядок вычислений по обоим вариантам.

 Прямой расчет

Задание: получить бромистый этил, исходя из 50 см ³ 95% - го этилового спирта.

Уравнения реакций получения бромистого этила и методика синтеза приведены на с. 16 этих методических указаний. В соответствии с этой методикой в синтезе используется:

29 см ³ 95%-ного этилового спирта ( = 0,804 г/см³)

30 г бромистого калия,

32 см ³ серной кислоты ( =1,84 г/см³)

Исходя из этого находим мольное соотношение реагирующих веществ.

Этиловый спирт:

где 0,804 – плотность 95%-го этилового спирта, г/см³;

0,95 – массовая доля этилового спирта в растворе;

46 – молярная масса этилового спирта, г/моль.

Калий бромид:

где 119 - молярная масса бромида калия, г/моль.

Серная кислота:

где 1,84 – плотность 98%-й серной кислоты, г/см³;

0,98 – массовая доля серной кислоты в растворе;

98 – молярная масса серной кислоты, г/моль.

Мольное соотношение реагентов:

С₂Н₅ОН : KBr : Н₂SО₄ = 0,48 : 0,25 : 0,61

Делим все три числа на 0,48 (число моль вещества, по которому ведем расчет); получаем новое мольное соотношение: 1,00 : 0,52 : 1,27

Сохраняя это мольное соотношение, находим массовые и объемные количества реагирующих веществ, исходя из выданных по заданию 50 см ³ 95%-ного этилового спирта.

В них содержится:

Калий бромид:

число моль 0,83 × 0,52 = 0,43

масса 0,43 × 119 = 51,2 г

Серная кислота:

число моль 0,83 × 1,27 = 1,05 моль.

Находим объем 98%-й серной кислоты, необходимый для нашего синтеза:

Таким образом, для проведения синтеза необходимо:

- 50 см³ 95%-го этилового спирта;

- 51,2 г калий бромида;

- 57,1 см³ 98%-й серной кислоты.

 Из уравнения реакции следует, что из 0,43 моль бромида калия (продукт, взятый в недостатке) получается 0,43 моль бромистого этила. Поэтому теоретический выход бромистого этила:

0,43×109 = 46,9 г.

Ожидаемый выход бромистого этила можно рассчитать по пропорции, учитывая, что по этой методике (с. 18 этих методических указаний) из 30 г бромистого калия образуется 22 г бромистого этила:

30 ¾ 22                       

51,2 ¾ Х

Обратный расчет.

Задание: получить 40 г бромистого этила.

В соответствии с методикой синтеза, приводимой на с. 16, аналогично тому, как это делалось в прямом расчете (см. с. 5), находится мольное соотношение реагирующих веществ.

Мольное соотношение реагентов:

С₂Н₅ОН : KBr : Н₂SО₄ = 0,48 : 0,25 : 0,61.

Далее делим все три числа на 0,25 – число молей калий бромида, который в недостатке, и получаем новое мольное соотношение: 1,92 : 1,00 : 2,36.

По методике 22 г бромистого этила получают, исходя из 30 г калий бромида, 40 г – х

где 119 - мольная масса калий бромида.

Если ожидаемый выход по методике указывается в процентах от теоретического (в данной методике выход бромистого этила составляет 80% от теоретического), то находится теоретический выход целевого продукта в граммах:

где 109 - мольная масса этила бромистого, г/моль.

Число моль исходного продукта, который берется в недостатке, в данном случае это бромистый калий, также равно 0,46 моль, что составляет 0,46 ×119 =
54,6 г КВr.

Используя мольное соотношение реагентов, находим количество этилового спирта и серной кислоты.

Число моль этилового спирта:

 0,46 × 1,92 = 0,88 моль, что составляет 0,88 × 46 = 40,5 г 100 %-го спирта,

где 46 г – молярная масса, 0,804 – относительная плотность этилового спирта, г/см³.

Число моль серной кислоты:

0,46 × 2,36 = 1,09 моль, что составляет 1,09 × 98 = 106,4 г 100%-й серной
кислоты или

где 98 г – молярная масса, а 1,84 – относительная плотность 98% кислоты, г/см³.

Таким образом, для получения 40 г бромистого этила необходимо в
синтез ввести:

- 53,0 см 3 95%-ного этилового спирта,

- 54,6 г бромистого калия,

- 59,2 см 3 98%-ной серной кислоты.

1.3 Выделение и очистка целевого продукта.
Контроль чистоты

В результате экспериментального проведения реакций обычно получается смесь, в состав которой помимо основного вещества могут входить растворители и некоторые количества исходных реагентов и продуктов промежуточных и побочных реакций. Поэтому очередной операцией в синтезе является выделение и очистка целевого соединения. Методы ее осуществления зависят от физических и химических свойств разделяемых веществ. В стандартных синтезах очистка обычно описывается в прописях. Очень часто для разделения органических веществ используются химические методы, которые в результате селективного проведения реакций с отдельными компонентами смеси дают возможность перевести их в соединения, легко удаляемые из реакционной массы. Примером может служить извлечение из органических смесей малорастворимых в воде кислот и оснований с переводом их в водорастворимые соли. Вещества, находящиеся в осадке, обычно отделяют от маточного раствора фильтрованием или центрифугированием. Смеси твердых веществ разделяются кристаллизацией или возгонкой. Различные виды перегонок (простая перегонка, перегонка в вакууме, перегонка с водяным паром, экстрактивная и азеотропная перегонки, ректификация и др.) дают возможность разделять смеси жидких, а иногда и твердых веществ. Различия в растворимости органических соединений используются при выделении и очистке их экстрагированием. Иногда для получения чистых веществ применяют хроматографию (тонкослойную, бумажную, колоночную) и некоторые другие физико-химические методы.

Для удаления остатков воды, которая часто используется как растворитель в синтезе и при разделении и очистке веществ, твердые вещества сушат на воздухе или под вакуумом, в сушильных шкафах при повышенной температуре, в эксикаторах с поглощающими влагу веществами. Широко распространены методы сушки жидкостей при помощи осушающих веществ, связывающих воду. Сушка газов проводится вымораживанием влаги или пропусканием их через слой осушающего агента.

Наиболее простым и удобным способом контроля наличия примесей в полученном соединении является сопоставление его физических констант (температур кипения и плавления, показателя преломления и др.) с их справочными значениями. В случае отсутствия справочных данных о чистоте продукта можно судить по достижению неизменных значений физических констант в процессе многократно повторяемых циклов очистки. Чистота вещества проверяется также спектральными и хроматографическими методами, с помощью химического анализа. При проведении органических синтезов часто бывает достаточным достижение 97-99% чистоты целевого продукта.

1.4 Подтверждение состава и строения полученного
органического соединения

Заключительным этапом синтеза является подтверждение строения индивидуального соединения. Иногда для этого оказывается достаточным сопоставление его физических констант (температур кипения или плавления, показателя преломления, удельного вращения и т.д.) со справочными значениями. Однако в ряде случаев (отсутствие справочных данных, наличие у соединения большого числа изомеров с близкими свойствами и т.д.) требуется более надежная идентификация с привлечением химических и физико-химических методов. Химическая идентификация заключается в проведении элементного или функционального анализов вещества, основные принципы которых и пути проведения были разобраны в первой части. Другими химическими способами доказательства строения органического вещества является получение его производных с известными свойствами и так называемый «встречный синтез», когда целевое соединение получается в результате синтеза по иному пути и из других исходных продуктов. Структура вещества может быть также подтверждена определением молекулярной рефракции и другими расчетными и экспериментальными методами.

Исключительно надежными и информативными при установлении строения органических соединений зарекомендовали себя хроматографические и спектральные методы. Физико-химические основы, области применения и практические приемы проведения анализа этими методами освещаются в лекционном курсе и аналитической части практикума.