Основные операции, применяемые в органическом синтезе при разделении и очистке веществ

Взвешивание

Взвешивание – одна из простых, но и из самых ответственных операций в химической лаборатории, и поэтому, несмотря на простоту, требует особой тщательности при выполнении. Перед началом взвешивания необходимо убедиться в исправности весов. Легколетучие или неприятно пахнущие жидкости необходимо взвешивать в закрытой посуде, добавление или удале- ние избытка жидкости производить под тягой. Твердые вещества взвешивают в химическом стаканчике, либо в специально изготовленной коробочке из плотной бумаги, лучше кальки. Нельзя помещать вещество непосредственно на чашку весов или производить взвешивание просто на листочке бумаги, тем более на фильтровальной. Взвешивание тары производят до помещения в нее взвешиваемого вещества. При взвешивании на равноплечих весах ставить и убирать груз и гири на чашки весов можно только при арретированных весах. Гири следует брать только специальным пинцетом.

Если в ходе взвешивания вещество просыпано или пролито, надо немедленно убрать его с чашки весов и рабочего стола.

По окончании взвешивания необходимо убрать разновесы в футляр, арретировать или выключить весы, а также убедиться в том, что чашки весов и другие поверхности весов и стола не загрязнены случайно просыпанным веществом.

 

Перемешивание

Перемешивание во всех случаях способствует более равномерному нагреву, охлаждению реакционной массы, ускоряет растворение веществ, протекание реакции, уменьшает возможность локальных перегревов и повышений концентраций веществ и т.п. и всегда благоприятно сказывается на химическом процессе.

Перемешивание можно производить вручную и механически. Перемешивание вручную можно производить, когда реакция идет достаточно быстро (несколько минут) и проводится в открытых сосудах. Если жидкость находится в колбе, перемешивают плавным вращением колбы, держа ее за горло. Перемешивание в стакане лучше осуществлять стеклянной палочкой, в случае водных растворов на кончик стеклянной палочки следует надеть кусочек резиновой трубки. Значительно чаще в лаборатории органического синтеза применяют механическое перемешивание с помощью разнообразных мешалок, соединяемых с валом электродвигателя с регулируемым числом оборотов.

При перемешивании жидкостей при температуре, далекой от их температуры кипения, а также тогда, когда непосредственный контакт реакционной массы с атмосферой не влияет на ход реакции, стержень мешалки помешают в резиновую пробку с отверстием, немного большим диаметра стержня. Пробку либо вставляют в горло колбы (если горл несколько - то в центральное), либо закрепляют зажимом на штативе. Чтобы обеспечить плавное вращение мешалки, на стержень перед его входом в отверстие пробки вносят 1-2 капли глицерина или немного вазелина для смазывания трущихся поверхностей пробки и стержня.

При перемешивании жидкостей в приборах, снабженных обратным холодильником, а также, если содержимое реакционного сосуда не должно сообщаться с атмосферой, ввод стержня мешалки в сосуд необходимо уплотнить. С этой целью применяют мешалки с затворами, лучше всего использовать затворы с цилиндрическими шлифами жидкостный(рис. 4) или цилиндрический шлифованный или с различными уплотнителями (рис. 5).

Рисунок 4. Затвор с цилиндрическим шлифом и жидкостным уплотнением.

 

 

Рисунок 5. Затвор с цилиндрическим шлифом и затвор с резиновым уплотнением пробкой и кусочками шланга.

 

Часто используют резиновое уплотнение (рис. 5). В пробку вставляют направляющую трубку, имеющую диаметр на 2-3 мм больше, чем диаметр стержня мешалки, на эту трубку надевают кусочек резинового вакуумного шланга, который, с одной стороны, плотно облегает стержень, а с другой стороны, при наличии смазки (глицерин, вазелин), не препятствует свободному вращению стержня.

Работу мешалки необходимо проверить до загрузки в прибор веществ. Перед включением мешалки ее предварительно прокручивают рукой, чтобы убедиться в свободном вращении и в том, что она не касается стенок сосуда или термометра. Включение электродвигателя производят плавно, придерживая вначале стержень рукой. Перемешивание должно быть достаточно энергичным, но без разбрызгивания жидкости.

Нагревание и охлаждение

Все органические реакции и процессы, протекающие при выделении и очистке веществ, существенно зависят от температуры и поэтому, во многих случаях, оказывается необходимо применять нагревание или охлаждение реакционного сосуда.

При выборе способа нагревания и нагревателя учитывают цель нагревания (проведение реакции при повышенной температуре, доведение раствора до кипения, длительное кипячение и т.д.), а также степень, скорость, длительность, вид нагреваемой жидкости. Помните – применение нагревателей и работа с органическими веществами при повышенных температурах требуют тща-

тельного соблюдения правил техники безопасности и осторожности в работе!

В качестве источников нагрева в лаборатории используют электроплитки (только с закрытой спиралью!) и электрические колбонагреватели. Возможно два способа нагрева: прямой и посредством бани.

Во всех случаях нагревание низкокипящих (с температурой кипения до 60-70°С) можно осуществлять только на водяной бане, предварительно нагретой в другом месте.

Для нагревания жидкостей, кипящих около 80° С, пользуются кипящей водяной баней или колбонагревателем. При кратковременном нагревании жидкостей, кипящих выше 100° С, а также при их перегонке, можно пользоваться закрытой плиткой. При пользовании закрытой плиткой надо помнить, что плитка обладает очень большой инерционностью нагревания и охлаждения, и оперативно регулировать ее нагрев с помощью переключателя невозможно. Нельзя допускать непосредственное соприкосновение нагретой поверхности плитки с нагреваемым сосудом – между ними обязательно должен быть либо воздушный зазор, либо асбестовая прокладка или сетка.

Наиболее хороший и безопасный способ нагревания – использование нагревательных жидкостных бань. Жидкостные бани позволяют избегать перегрева (тем более локального) и обеспечивают равномерное нагревание, а также дают возможность поддерживать необходимый температурный режим в течение достаточно длительного времени. Температура жидкости в бане должна быть на 20-30° С выше необходимой температуры в нагреваемом сосуде. В большинстве случаев нагрев бани до заданной температуры осуществляется заранее. Температуру нагрева в некоторых пределах можно регулировать глубиной погружения колбы в жидкость бани. Температуру бани контролируют техническим термометром, закрепленным зажимом на штативе так, чтобы он не касался стенок и дна бани.

В качестве жидкости в жидкостных банях используют вещества, неспособные легко воспламеняться, обладающие достаточно высокой температурой кипения. Так, при нагревании колбы до температур порядка 80-90° С, используют водяные бани (однако их нельзя использовать при работе с металлическим натрием!). При нагревании от 100 до 200° С удобны глицериновые и гликолевые (этиленгликоль, диэтиленгликоль и т.д.) бани. Попадание в такую баню воды не опасно, а остающаяся на поверхности колбы жидкость легко смывается водой. Для нагревания до 250° С применяют масляные (лучше всего силиконовое масло) и парафиновые бани. При высоких температурах жидкостные бани начинают "дымить" и с ними необходимо работать только под тягой.

В ряде случаев можно применять воздушную баню из термостойкого стекла (рис.6). Такая баня обладает малой тепловой инерцией, однако не позволяет передавать большие количества тепла.

Рис. 6. Воздушная баня

 

При нагревании жидкостей необходимо соблюдать ряд правил, основные из которых приведены ниже.

1. При нагревании жидкостей любым способом с целью равномерного нагрева и избежание перегрева необходимо их перемешивание (ручное или механическое).

2. При кипячении жидкостей во избежание их перегрева и выброса в нагреваемую жидкость обязательно помещают кипятильные камешки. Если кипячение было остановлено, то перед его возобновлением необходимо в нагреваемую жидкость добавить несколько новых камешков. Обычно в качестве таких камешков используют кусочки фарфоровой посуды, размером в поперечнике 2- 3 мм. Кипятильные камешки нельзя помещать в горячие жид- кости во избежание их резкого вскипания!

3. Нагреваемый сосуд обязательно должен сообщаться с атмосферой. Категорически запрещается нагревать плотно закрытые колбы (даже пустые!).

4. При нагревании легколетучих или легковоспламеняющихся жидкостей обязательно применение обратных холодильников (в зависимости от температуры кипения жидкости – водяных или воздушных) с тем, чтобы исключить попадание паров нагреваемой жидкости (а они часто тяжелее воздуха) на нагревающую поверхность и даже просто в атмосферу. Сообщение с атмосферой при этом должно быть только через холодильник, все остальные отверстия в колбе должны быть плотно закрыты.

5. Обязательно измерение температуры нагреваемой жидкости, даже если контролируется температура бани. Ртутный резервуар термометра должен быть полностью погружен в нагреваемую жидкость (за исключением перегонки жидкости) и не касаться стенок колбы. Выбор способа охлаждения зависит от температуры, до которой необходимо охладить сосуд с реакционной смесью. Для охлаждения до 15-20° С чаще всего используют воду. Для охлаждения до 0° С используют тонкоизмельченный лед или снег. Лед лучше всего измельчать, предварительно завернув в полотенце, с помощью деревянного молотка. Затем в мелкоизмельченный лед добавляют немного воды до образования кашицы с целью повышения теплопередачи. Для того чтобы вынуть лед из кастрюли, достаточно подставить дно перевернутой кастрюли под струю теплой воды. Чтобы достичь температур ниже 0° С, обычно используют смеси тонкоизмельченного льда или снега с солями. Наиболее часто применяют смесь льда и поваренной соли в соотношении 3:1, дающей возможность охлаждать до –20° С. Такую смесь готовят отдельно, затем покрывают ею дно бани, помещают в баню охлаждаемый сосуд и обкладывают затем его со всех сторон охладительной смесью. Чтобы охлаждающая смесь действовала дольше, баню рекомендуется обвернуть асбестовой тканью или хотя бы изолировать полотенцем.

 

Фильтрование

В лаборатории органического синтеза отделение осадка от раствора чаще всего проводят фильтрованием с применением вакуума. Создание вакуума в приемном сосуде позволяет резко сократить время фильтрования, более полно отделить осадок от жидкости и облегчает процесс промывки твердого продукта. Реализация всех достоинств фильтрования с применением вакуума (отсасывания) возможна, однако, только при соблюдении ряда правил. Так, не рекомендуется фильтровать под вакуумом легколетучие жидкости, поскольку при достаточно сильном разрежении они могут закипеть даже при комнатной температуре. Недопустимо фильтровать в горячем виде концентрированные растворы и легкокипящие жидкости.

Обычный прибор для фильтрования под вакуумом состоит из фарфоровой или стеклянной воронки с дырчатой перегородкой (воронка Бюхнера) и толстостенной конической колбы с боковым отводом (колба Бунзена), подключенной к водоструйному насосу через предохранительную склянку (рис. 7).

Удобны в работе стеклянные воронки с впаянными пластин- ками из пористого стекла (воронки Шотта). Колбы Бунзена можно заменить и обычными круглодонными двугорлыми колбами или одногорлыми с применением насадок с отводами (но ни в коем случае не плоскодонными колбами!).

 

Рисунок 7. Фильтрование под вакуумом. 1- воронка с фильтрующим материалом, 2- толстостенная колба Бунзена, 3- Предохранительная склянка,

4- водоструйный насос (вместо водоструйного насоса может быть подсоединен масляный вакуумный насос или другое устройство).

 

Размер воронки должен соответствовать количеству осадка. Желательно, чтобы осадок в конце фильтрования покрывал фильтр не более чем на половину высоты воронки, более толстый слой затрудняет промывание и отсасывание. Для фильтрования различных осадков (состоящих из крупных, средних или мелких частиц) желательно использовать фильтровальную бумагу соответствующей плотности. Правильно подобранная бумага обеспечивает максимальную скорость фильтрования без прохождения осадка через фильтр.

Скорость фильтрования можно также повысить, взяв воронку большего диаметра. На перегородку накладывают бумажный фильтр, диаметр которого должен быть чуть меньше диаметра перегородки. Фильтр должен ложиться без складок и закрывать все отверстия. При постоянной работе с одними и теми же воронками удобно при вырезании бумажного фильтра пользоваться картонными шаблонами, подогнанными заранее к каждой воронке. Подогнанный фильтр смачивают чистым растворителем, подключают вакуум и убеждаются, что фильтр плотно прилегает к перегородке (о неплотном прилегании фильтра свидетельствует характерный свистящий звук, вызванный подсосом воздуха).

Первоначально на фильтр наливают небольшое количество раствора с осадком, затем доливают суспензию в воронку по мере фильтрования. В тех случаях, когда осадок является целевым продуктом, его необходимо тщательно промыть чистым растворителем. Чтобы избежать потерь осадка за счет его растворимости, используют минимальное количество промывной жидкости. Для повышения эффективности промывания взятое количество растворителя используют не в один прием, а несколькими порциями.

Перед приливанием каждой новой порции растворителя необходимо как можно более полно отжать жидкость из осадка. С этой целью осадок на фильтре разглаживают и сильно прижимают с помощью стеклянной пробки, ликвидируя образующиеся трещины. После того, как жидкость из очередной порции растворителя перестает стекать с носика воронки, отключают вакуум, пропитывают осадок следующей порцией растворителя и опять отсасывают его с отжиманием.

Если осадок склонен к слипанию, то он не очень хорошо промывается подобным образом. В этих случаях осадок следует осторожно перемешать в воронке (а еще лучше перенести его для этого с фильтра в стакан) с небольшим количеством растворителя, после чего провести фильтрование.

По окончании фильтрования осадок отжимают до полного отсасывания жидкости из осадка (жидкость не должна отсасываться из осадка при сильном нажатии на него стеклянной пробкой). Хорошо отжатый осадок по консистенции должен напоминать халву и легко отделяться от фильтра.

Для высушивания осадок переносят во взвешенную посуду (бюкс, стаканчик, чашку Петри или коробочку из кальки). Сушат осадок на воздухе или в сушильном шкафу до постоянного веса. Гигроскопичные и легко окисляющиеся вещества следует сушить в вакуум-эксикаторах или в эксикаторах с поглотителями влаги (концентрированная серная кислота, пятиокись фосфора и др.).