INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: SULFONOWANIE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ ORGANICZNEJ I PETROCHEMII INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH: SULFONOWANIE ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Laboratorium z przedmiotu: Wybrane Operacje I Procesy Jednostkowe Kierunek: Technologia chemiczna organiczna Stopień: I Semestr: VII Miejsce ćwiczeń: sala 304, 305 Prowadzący: mgr inż. Dawid Lisicki

2 1. Cel ćwiczenia: Celem ćwiczenie jest zapoznanie się z przemysłowymi metodami sulfonowania związków organicznych na przykładzie otrzymywania kwasu 2,5-dimetylobenzenosulfonowego, p-toluenosulfonianu sodu, kwasu sulfanilowego oraz naftaleno-2-sulfonianu sodu. 2. Zagadnienia do kolokwium: 1) Czym jest reakcja sulfonowania 2) Rodzaje reakcji sulfonowania a) Związków aromatycznych b) Związków alifatycznych 3) Czynniki sulfonujące (wady/zalety) 4) Wpływ warunków na przebieg reakcji sulfonowania 5) Mechanizm reakcji sulfonowania 6) Zastosowanie sulfonianów i siarczków 7) Najważniejsze produkty przemysłowych procesów sulfonowania związków aromatycznych i ich znaczenie a) Sulfonowanie PE b) Sulfonowanie naftalenu c) Sulfonowanie naftolu d) Sulfonowanie antrachinonu e) Sulfonowanie alkilobenzenu f) Sulfonowanie toluenu g) Sulfonowanie aniliny h) Sulfonowanie benzenu 8) Sposoby wymiany ciepła w procesach technologicznych 9) Wpływ na równowagę reakcji sulfonowania związków aromatycznych za pomocą stężonego kwasu siarkowego (VI) 10) Omówić przebieg ćwiczenia

3 3. Cześć eksperymentalna: 1) Synteza kwasu 2,5-dimetylobenzenosulfonowego Reakcję należy prowadzić pod digestorium! W suchej kolbie okrągłodennej o pojemności 250 cm 3 do 6 cm 3 p-ksylenu dodaje się 10 cm 3 stęż. kwasu siarkowego (VI) (odczynnik sulfonujący), mieszając zawartość łagodnie ruchem wirowym. Następnie kolbkę umieszcza się w łaźni wodnej (o temp. 70 C) i ogrzewa ok. 1 h pod chłodnicą zwrotną, ostrożnie mieszając zawartość ruchem wirowym. Reakcja jest zakończona w chwili zniknięcia warstwy p-ksylenu z powierzchni kwasu. Po ochłodzeniu do temperatury pokojowej zawartość kolby przenosi się do zlewki o pojemności 200 cm 3, ostrożnie dodaje 5,0 cm 3 wody, a następnie oziębia w lodzie. Wytrącony krystaliczny osad kwasu 2,5-dimetylosulfonowego odsącza się przez szklany lejek ze spiekiem. Osad w celu oczyszczenia przemywa się małymi porcjami (po 1 cm 3 ) lodowatej wody (duża ilość) na lejku ze spiekiem. Przesącz wylewa się do zlewek nieorganicznych. Temperatura topnienia czystego kwasu 2,5-dimetylosulfonowego wynosi C. Uwagi: 1. p-ksylen jest substancją łatwo palną, szkodliwą i drażniącą, działającą szkodliwie przez drogi oddechowe i w kontakcie ze skórą. 2. Stęż. kwas siarkowy (VI) jest cieczą żrącą, powodującą poważne oparzenia. 3. Kwas sulfanilowy jest substancją drażniącą, działającą na oczy i skórę.

4 2) Synteza p-toluenosulfonianu sodu CH 3 CH 3 CH 3 H 2 SO 4 NaHCO 3 SO 3 H SO 3 Na Reakcję należy prowadzić pod digestorium! Pod digestorium, do dwuszyjnej kolby okrągłodennej o pojemności 200 cm 3 zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i termometr wlewa się 10 cm 3 toluenu i 5,6 cm 3 stęż. kwasu siarkowego (VI) (odczynnik sulfonujący). Kolbę umieszcza się w płaszczu grzejnym. Wstrząsając, zawartość kolby ogrzewa się w temp. ok. 120 C (maksymalnie do 140 C) aż do zaniku warstwy toluenu. Następnie mieszaninę reakcyjną lekko się ochładza i wlewa do ok. 40 cm 3 zimnej wody destylowanej. Otrzymany roztwór sączy się przez szklany lejek Büchnera w celu oddzielenia stałych produktów ubocznych. Do przesączu w zlewce o pojemności 200 cm 3 dodaje się, mieszając szklaną bagietką, małymi porcjami 11,2 g wodorowęglanu sodu (roztwór pieni się). Następnie roztwór ogrzewa się do wrzenia na palniku, wysala (czyli dodaje chlorku sodu w takiej ilości, aby otrzymać roztwór nasycony) i gorący szybko sączy się przez lejek z sączkiem karbowanym. Przesącz chłodzi się w wodzie z lodem. Wytrącony krystaliczny osad odsącza się na lejku Büchnera, natomiast przesącz wylewa się do zlewek nieorganicznych. Otrzymany surowy produkt rozpuszcza się w 40 cm 3 wody w kolbie stożkowej, ogrzewa do wrzenia na palniku i ponownie wysala się chlorkiem sodu, a następnie sączy się na gorąco przez lejek z sączkiem karbowanym. Z ochłodzonego przesączu otrzymujemy uwodnione kryształy p-toluenosulfonianu sodu. Aby otrzymać produkt bezwodny, należy wysuszyć je w suszarce w temp C. (Nie zostawiać osadu do suszenia w słoiku do następnych ćwiczeń nie wysycha). Temperatury topnienia jako kryterium czystości związku nie oznacza się, gdyż jako sól topi się powyżej 300 C. Uwagi: 1.Toluen jest cieczą wysoce łatwo palną, szkodliwą i drażniącą, działającą poprzez skórę i drogi oddechowe. 2.Stęż. kwas siarkowy (VI) jest cieczą żrącą, powodującą poważne oparzenia.

5 3) Synteza kwasu sulfanilowego NH 2 NH 2 H 2 SO 4 SO 3 H Reakcję należy prowadzić pod digestorium! Do suchej dwuszyjnej kolbki okrągłodennej o pojemności 250 cm 3 zaopatrzonej w chłodnicę powietrzną wlewa się 14 cm 3 stęż. H 2 SO 4 (odczynnik sulfonujący), a następnie stopniowo, wstrząsając, 7,0 cm 3 aniliny. Po dodaniu całej ilości aniliny do kolby wkłada się termometr, tak, aby był zanurzony w mieszaninie. Mieszaninę ogrzewa się, wstrząsając zestawem, w elektrycznym płaszczu grzejnym (kolbę należy umieścić nieco nad płaszczem grzewczym zachodzi niebezpieczeństwo zwęglenia mieszaniny) w temp C (nie przekraczać 200 C, może nastąpić zwęglenie produktu) aż rozcieńczona wodą próbka, zadana NaOH, przestanie wydzielać anilinę (wykonanie: 2 krople próbki mieszaniny reakcyjnej mają całkowicie rozpuścić się w 2-3 cm 3 10% roztworu NaOH) (orientacyjny czas ogrzewania około 1,5 godziny). Oziębioną nieco mieszaninę wlewa się, mieszając szklaną bagietką, do 200 cm 3 zimnej destylowanej wody. Wydziela się wtedy kwas sulfanilowy w postaci kryształów. Kryształy odsącza się na lejku Büchnera, przemywa wodą destylowaną. Przesącz wylewa się do zlewek nieorganicznych. Surowy produkt krystalizuje z wody, dodając węgla aktywnego (wskazane użycie kolby okrągłodennej o pojemności 250 cm 3 ). Ług pokrystalizacyjny należy wylać do zlewek nieorganicznych. Temperatura topnienia czystego kwasu sulfanilowego wynosi 280 C (z rozkładem). Uwagi: 1.Anilina jest toksyczną, palną cieczą działającą przez drogi oddechowe i w kontakcie ze skórą. 2.Stęż. kwas siarkowy (VI) jest cieczą żrącą, powodującą poważne oparzenia. 3.Kwas sulfanilowy jest substancją drażniącą, działającą na oczy i skórę.

6 4) Synteza naftaleno-2-sulfonianu sodu H 2 SO 4 SO 3 H SO 3 Na NaHCO 3 Reakcję należy prowadzić pod digestorium! Pod digestorium, w suchej kolbie okrągłodennej dwuszyjnej o pojemności 250 cm3, zaopatrzonej w termometr i chłodnicę zwrotną topi się 7,0 g naftalenu, umieszczając zestaw w płaszczu grzejnym. Stopiony naftalen ogrzewa się do temp. 160 C (niższa temp. Zestala naftalen), przerywa ogrzewanie i wstrząsając, wlewa się małymi porcjami, przez chłodnicę zwrotną, bardzo ostrożnie 6,8 cm 3 stęż. kwasu siarkowego (VI) (odczynnik sulfonujący), uważając, aby temp. nie podniosła się powyżej 170 C. Po dodaniu całej ilości kwasu, wstrząsając zestawem, ogrzewa się całość, utrzymując temp. 160 C jeszcze przez 20 min. Następnie mieszaninę reakcyjną lekko oziębia się i mieszając szklaną bagietką, wlewa się ostrożnie do 60 cm 3 wody destylowanej. Jeżeli reakcja zaszła prawidłowo, to po wlaniu mieszaniny reakcyjnej do wody powinien wytrącić się nierozpuszczalny w wodzie sulfon 2- naftylowy, który należy odsączyć na lejku Büchnera. Następnie do przesączu dodaje się, mieszając szklaną bagietką, małymi porcjami 5,6 g wodorowęglanu sodu (roztwór pieni się). Po ustaniu pienienia całość ogrzewa się do wrzenia na palniku i do wrzącego roztworu dodaje się nasyconego wodnego roztworu 4,6 g chlorku sodu, po czym mieszaninę pozostawia się do krystalizacji. Wytrącone kryształy 2-naftalenosulfonianu sodu odsącza się na lejku Büchnera. Przesącz wylewa się do zlewek nieorganicznych. Surowy produkt krystalizuje z wody z dodatkiem chlorku sodu. Ług pokrystalizacyjny należy wylać do zlewek nieorganicznych. Temperatury topnienia jako kryterium czystości związku nie oznacza się, gdyż jako sól topi się powyżej 300 C. Uwagi: 1.Naftalen jest substancją palną i szkodliwą; szkodliwą również dla środowiska. 2.Stęż. kwas siarkowy (VI) jest cieczą żrącą, powodującą poważne oparzenia.

7 4. Sprawozdanie: 1) Cel ćwiczenia 2) Przebieg ćwiczenia 3) Rysunek aparatury 4) Obliczenia: a) Wyznaczyć wydajność reakcji. b) Oznaczenie liczby kwasowej: AN = 56,105 V KOH C KOH m LK liczba kwasowa [mg KOH /g] C KOH stężenie roztworu KOH [mol/dm 3 ] V KOH objętość roztworu KOH, która zeszła z biurety [cm 3 ] 56,105 masa molowa KOH [g/mol] m masa próbki [g] c) Obliczenie sprawności: η = AN 0 AN AN AN AN 0 d) Uzupełnienie tabeli: Czas Lp. [min] temp [ C] V KOH [cm 3 ] m pr. [g] V KOH [cm 3 ] AN η -ln(1- η) 5) Wnioski e) Przedstawienie wykresu zależności: kτ = ln (1 η) Każda podsekcja przygotowuje swoje sprawozdanie. Termin oddania sprawozdania mija 2 tygodnie po przeprowadzeniu ćwiczenia.

8 5. Warunki zaliczenia: 1) Zadnie ustnego i/lub pisemnego kolokwium 2) Poprawne wykonanie ćwiczenia 3) Przygotowanie sprawozdania w terminie 4) Zapoznanie się z kartami charakterystyki związków wykorzystanych w ramach ćwiczenia 6. Literatura: 1) Peter Wiseman; Zarys Przemysłowej Chemii Organicznej Wydawnictwo Naukowo- Techniczne; Warszawa ) Technologia Chemiczna Organiczna Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa ) Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, VCH Verlagsgesellschaft, ) John McMurry; Chemia Organiczna Wydawnictwo Naukowe PWN; 2007