PRAKTYCZNA CHEMIA ORGANICZNA Etapy syntezy: przygotowanie odczynników przygotowanie aparatury przeprowadzenie reakcji (monitoring!) izolacja i oczyszczanie produktu charakterystyka produktu zrobienie notatek
Zanim przystąpisz do wykonywania eksperymentów: Zapoznaj się z: zagrożeniami związanymi z używanymi substancjami (toksyczne, rakotwórcze, wybuchowe, palne karta charakterystyki, MSDS) zagrożeniami związanymi z potrzebną do przeprowadzenia reakcji aparaturą Sprawdź czystość odczynników, w razie potrzeby oczyść je i osusz Przygotowanie do reakcji Sprawdzeniu trzeba poddać nawet odczynnik zakupiony: jeśli reakcja, którą mamy wykonać jest bardzo ważna, a odczynniki cenne, przed powtórzeniem syntezy, gdy przeprowadzona wcześniej próba nie powiodła się.
Osuszanie odczynników WAŻNE należy zawsze upewnić się, czy oczyszczany związek nie reaguje z danym środkiem suszącym (KOH można użyć do osuszania amin i eterów, ale nie do kwasów czy aldehydów, P 2 O 5 nie nadaje się do osuszania substancji wrażliwych na działanie kwasów). Osuszanie odczynników Jeśli odczynnik zawiera więcej niż 0.1% wody wymaga wstępnego osuszania (CaCl 2, MgSO 4, Na 2 SO 4 ) Bardziej aktywne środki suszące (Na, CaH 2, LiAlH 4 ) służą do dokładnego osuszania odczynników Ostatnim etapem osuszania ciekłego odczynnika jest destylacja (z zabezpieczeniem od dostępu wilgoci!) Jeśli działanie środka suszącego jest odwracalne (np. tworzenie hydratów CaCl 2, MgSO 4 lub absorpcja wody sita molekularne) przed destylacją należy go odsączyć! Destylację można prowadzić znad środka suszącego o działaniu nieodwracalnym (CaH 2, P 2 O 5 )
Osuszanie odczynników CaCl 2 - nadaje się do wstępnego osuszania weglowodorów i eterów, ale reaguje z kwasami, alkoholami, aminami i niektórymi związkami karbonylowymi MgSO 4 - suszy szybko, ale nie jest bardzo skuteczny. Dobrze nadaje się do osuszania ekstraktów organicznych. Ma lekko kwasowe właściwości; związki wrażliwe na działanie kwasów suszy się za pomocą Na 2 SO 4 KOH - nadaje się do osuszania amin i eterów, ale nie do kwasów Osuszanie odczynników P 2 O 5 - jest bardzo reaktywny reaguje z alkoholami, aminami, kwasami i związkami karbonylowymi powoduje rozkład DMSO i acetonu. Jest użyteczny do osuszania acetonitrylu. Częściowo zużyty utylizuje się przez dodawanie porcjami do lodowatej wody (nie odwrotnie!) Na - używany do przygotowywania bezwodnych eterów. NIE WOLNO go używać do rozpuszczalników zawierających chlor chloroformu, chlorku metylenu reaguje z nimi gwałtownie i może dojść do eksplozji.
Osuszanie odczynników Sita molekularne glinokrzemiany sodowe i wapniowe o budowie porowatej, dzięki której absorbują małe cząsteczki. Stosowane są do osuszania gazów i cieczy. Typ sit 3A, 4A czy 5A oznacza wielkość porów wyrażoną w Å. Sita 13X mają pory 10Å. Osuszanie odczynników Sita 3A są stosowane głównie do odwadniania gazów - odpowiednie do osuszania acetonitrylu, metanolu i etanolu Sita 4A wychwytują wodę, CO 2, SO 2, H 2 S, NH 3, CH 3 OH, C 2 H 5 OH, alkohol n-propylowy, etan, etylen, acetylen - rekomendowane do suszenia amin, DMF, DMSO - niemal wszystkie osuszone rozpuszczalniki mogą być przechowywane nad sitami 4A (5% w/v) Sita 5A stosowane do oddzielania prostołańcuchowych alkanów i alkoholi od ich rozgałęzionych izomerów Sita 13X stosowane są głównie do odsiarczania - usuwania H 2 S, SO 2, tioli, wychwytują również H 2 O i CO 2
Osuszanie odczynników Własności sit molekularnych: Wymagają aktywacji (prażenie w temp. 150-300 C przez minimum 3h, ochłodzenie w eksykatorze). Po użyciu mogą być ponownie aktywowane (przemyte alkoholem, wysuszone, a następnie prażone kilkanaście godzin w 100 i kilka w 300 C, ochłodzone w eksykatorze). Sprawdzenie efektywności sit w przypadku sit aktywnych dodanie kropli wody powinno spowodować egzotermiczną reakcję Nie nadają się do stosowania w środowisku silnie kwaśnym są stabilne w zakresie ph 5-11. Przechowywanie odczynników Wiele odczynników w nowoczesnej chemii organicznej musi być przechowywanych bez dostępu powietrza i wilgoci: związki litoorganiczne, kwasy Lewisa, odczynniki redukujące typu LiAlH 4 Odczynniki te powinny być umieszczane w szczelnym naczyniach, w atmosferze gazu obojętnego, w razie potrzeby przechowywane w obniżonej temperaturze.
Przenoszenie odczynników ciekłych Umieszczenie ciekłych odczynników w naczyniach zamkniętych septum umożliwia ich pobieranie bez kontaktu z powietrzem czy wilgocią Bardzo reaktywne odczynniki (np. kwasy Lewisa) reagują z gumą septum i dlatego muszą być zamknięte korkiem teflonowym z zaworami umożliwiającymi pobieranie odczynnika Przenoszenie odczynników ciekłych Przygotowanie naczynia reakcyjnego lub do przechowywania odczynnika: naczynie należy wyprażyć (minimum 6h w temperaturze >125 C) na gorąco zamknąć septum przez igłę wprowadzić gaz obojętny (druga igła jako wentyl bezpieczeństwa) septum dobrze jest zabezpieczyć drutem miedzianym lub parafilmem
Przenoszenie odczynników ciekłych Przygotowanie naczynia - reakcyjnego lub do przechowywania odczynnika (cd): przez otwarciem naczynia z odczynnikiem przechowywanym w lodówce ZAWSZE należy poczekać aż osiągnie temperaturę pokojową przy pobieraniu cieczy z naczynia zamkniętego pod ciśnieniem należy równolegle wprowadzać gaz obojętny Przenoszenie odczynników ciekłych Ciekłe odczynniki dodaje się do naczynia reakcyjnego za pomocą strzykawki, osuszonej w eksykatorze i przedmuchanej gazem obojętnym.
Przenoszenie odczynników ciekłych Odmierzanie odczynników ciekłych w warunkach bez dostępu wody i powietrza: mała objętość duża objętość Przenoszenie odczynników stałych Wszelkie operacje (przenoszenie, ważenie) bardzo wrażliwych na kontakt z powietrzem i wilgocią odczynników stałych muszą być wykonywane w specjalnym namiocie, w atmosferze gazu obojętnego. Odczynnikom mniej wrażliwym (NaH, KH, Li, LiAlH 4 ) można pozwolić na minimalny i krótkotrwały kontakt z atmosferą.
Przenoszenie odczynników stałych Jeśli stały odczynnik nie może być wprowadzony do kolby reakcyjnej w reakcji prowadzonej w warunkach bezwodnych na początku, przy zestawianiu aparatury, ani dodany w postaci roztworu, można go stopniowo dodawać przy użyciu poniższego zestawu: Operacje z gazami Gazy argon, azot, hel, wodór, amoniak, chlorowodór dostarczane są w znajdujących się pod znacznym ciśnieniem butlach (175-200 atm); butle te muszą być stabilnie umocowane 1 atm = 1.01 bar = 14.5 psi = 760 mmhg = 760 tor (psi = pounds per square inch) Przy mocowaniu zaworów na butlach nie powinno używać się żadnych smarów ani taśmy teflonowej do ich uszczelnienia reduktor Ewentualne nieszczelności zlokalizować można za pomocą wody z mydłem
Operacje z gazami Jako gaz obojętny może być stosowany azot lub argon; argon jest droższy, ale lepszy od azotu, ponieważ jest: cięższy od powietrza (lepiej wypełnia naczynie reakcyjne), jest całkowicie niereaktywny (azot może z pewnymi odczynnikami reagować, np. z metalicznym litem, czy niektórymi kompleksami metali przejściowych). Przy budowie aparatury należy uwzględnić rodzaj gazu, który będzie przez nią przepuszczany, żeby zastosować do połączeń odpowiednie węże. Operacje z gazami Butla z gazem powinna być oddzielona od naczynia reakcyjnego płuczką bezpieczeństwa za naczyniem reakcyjnym MUSI się znaleźć zabezpieczony od dostępu atmosfery wylot gazu (U-rurka z olejem silikonowym)
Zestawianie aparatury Należy unikać używania smaru silikonowego do uszczelnienia aparatury, bo grozi to zanieczyszczeniem mieszaniny reakcyjnej Jeśli nie da się uniknąć użycia smaru silikonowego (np. w reakcji otrzymywania diazometanu szlify muszą być przetarte smarem, aby uniknąć potencjalnej eksplozji wywołanej przez tarcie szkła o szkło), przed przystąpieniem do przerabiania mieszaniny reakcyjnej należy dokładnie przetrzeć szlify np. chloroformem. Elementy aparatury, która ma pracować pod ciśnieniem gazu, należy połączyć za pomocą klipsów lub zabezpieczyć parafilmem. Zestawianie aparatury Jeśli kolba reakcyjna ma być chłodzona, wolno ją zanurzyć w mieszaninie chłodzącej dopiero gdy przedmuchiwana jest gazem obojętnym, inaczej mogłoby dojść do skroplenia pary wodnej na chłodzonym szkle Jeśli nie ma możliwości podłączenia aparatury wprost do butli z gazem można zapewnić obojętną atmosferę przy użyciu balonu napełnionego argonem:
Monitorowanie przebiegu reakcji Przebieg każdej reakcji powinien być monitorowany przy użyciu odpowiedniej techniki (TLC, HPLC, GC). TLC jest zwykle najszybszą i najprostszą metodą monitorowania przebiegu reakcji. TLC może być również stosowane do identyfikacji związku, sprawdzenia jego czystości, a także do dobierania układu do oczyszczania produktu reakcji za pomocą chromatografii kolumnowej. Monitorowanie przebiegu reakcji - TLC Dobieranie układu rozwijającego do TLC: optymalny do celów analitycznych jest R f rzędu 0.4-0.6 im bardziej polarny jest związek tym silniej będzie się wiązał z podłożem (żelem krzemionkowym lub tlenkiem glinu) i tym słabiej będzie migrował ze wzrostem polarności układu rozwijającego rośnie zdolność migracyjna układ mało polarny układ polarny
Monitorowanie przebiegu reakcji - TLC Dobieranie układu rozwijającego do TLC (cd): Rozpuszczalniki: najbardziej polarne: MeOH > EtOH > iproh średnio polarne: acetonitryl > octan etylu > chloroform > dichlorometan > eter dietylowy > toluen niepolarne: cykloheksan, eter naftowy, heksan, pentan Zwykle układ rozwijający składa się z rozpuszczalnika niepolarnego i jednego z rozpuszczalników polarnych. Dla bardzo polarnych substancji korzystne jest dobranie układu złożonego z rozpuszczalnika średnio i bardzo polarnego Monitorowanie przebiegu reakcji - TLC Kwasowe i zasadowe substancje często rozmywają się na płytce TLC; dodanie niewielkiej ilości kwasu karboksylowego (octowego) do układu rozwijającego dla substancji kwasowych, a aminy dla zasadowych, sprawia, że tworzą się regularne plamki. Próbki pobierane wprost z mieszaniny reakcyjnej dobrze jest zmieszać z kilkoma kroplami eteru dietylowego lub innego lotnego rozpuszczalnika organicznego, po wymieszaniu nanieść na płytkę TLC
Monitorowanie przebiegu reakcji - TLC Żel krzemionkowy ma lekko kwasowy charakter, dlatego może powodować rozkład bardzo wrażliwych na kwasy substancji. OH HO OH OH Si O Si O Si O Kwasowy charakter płytki można zneutralizować przez dodanie do układu rozwijającego niewielkich ilości amoniaku lub aminy (zwykle trietyloaminy). Monitorowanie przebiegu reakcji - TLC Żeby sprawdzić, czy substancja ulega rozkładowi w wyniku kontaktu z żelem krzemionkowym (szczególnie istotne, gdy płytkę TLC rozwija się, żeby dobrać układ do oczyszczania na kolumnie) można rozwinąć chromatogram 2D. Chromatogram 2D :
Monitorowanie przebiegu reakcji chromatografia gazowa (GC) monitorowanie przebiegu reakcji jest niemal tak szybkie jak przez TLC GC zwykle różnicuje związki, które nakrywają się na płytce TLC GC nadaje się do analizy np. amin, które często nie dają się zbyt dobrze obserwować za pomocą TLC GC nadaje się do analizy ilościowej i jest szeroko stosowana do określana stosunku produktów w reakcjach diastereoselektywnych Monitorowanie przebiegu reakcji GC fazą stacjonarną wypełniającą kolumnę jest niemal zawsze względnie nielotna ciecz (polisiloksany, PEG) CH 3 R CH 3 H 3 C Si O Si O Si CH 3 CH 3 R CH 3 fazę ruchomą stanowi obojętny gaz (hel, azot lub argon) kolumna znajduje się w piecu umożliwiającym przekształcanie ciekłej próbki w stan gazowy kolumna kapilarna: 25-60 m długości, 0,25-0,32 mm ID
Monitorowanie przebiegu reakcji - GC Detektor może wykryć pojedynczy składnik w ilości 10-15 - 10-6 grama Efektywność rozdziału związków na kolumnie GC zależy od wielu czynników Monitorowanie przebiegu reakcji - GC Lotność związku: niskowrzące składniki (lotne) będą wędrowały przez kolumnę szybciej niż wysokowrzące Polarność związku: związki polarne będą wolniej poruszały się przez kolumnę, zwłaszcza jeśli wypełnienie kolumny jest polarne Temperatura kolumny: podwyższenie temperatury przyspiesza przemieszczanie się wszystkich składników nastrzykniętej mieszaniny Polarność wypełnienia kolumny: zazwyczaj wszystkie związki przemieszczają się wolniej przez kolumny o polarnym wypełnieniu; efekt ten będzie jednak większy w przypadku substancji o charakterze polarnym Szybkość przepływu gazu przez kolumnę: zwiększenie szybkości przepływu gazu nośnikowego zwiększy prędkość przemieszczania się przez kolumnę wszystkich związków Długość kolumny: Im dłuższa kolumna tym więcej czasu zajmie substancji pokonanie drogi do detektora. Dłuższe kolumny stosuje się w celu uzyskania lepszego rozdziału
Monitorowanie przebiegu reakcji - GC A B solvent solvent A B gradient 50 o -100 o C izo60 o C nonpolar, 95% methyl, 5% phenylpolysiloxane column polyalkylene glycol fused silica column Monitorowanie przebiegu reakcji - HPLC Co oznacza skrót HPLC: High Pressure Liquid Chromatography? High Priced Liquid Chromatography? Hewlett-Packard Liquid Chromatography? High Performance Liquid Chromatography? Hocus Pocus Liquid Chromatography? High Patience Liquid Chromatography?
Monitorowanie przebiegu reakcji - HPLC Zasada rozdziału: Ion-exchange Size-exclusion Bio-affinity Reversed-phase Chirality jony nieorganiczne, kwasy, zasady białka, polipeptydy enancjomery polimery, białka, kwasy nukleinowe peptydy, farmaceutyki Monitorowanie przebiegu reakcji HPLC-RP różne rozmiary cząstek i porów między nimi kształty nieregularne lub sferyczne zakres pracy: 2,5 < ph < 8,5 funkcjonalizowanie krzemionki: C4, C8, C18, Ph, NH 2, CN, itd. C8 C-18 SiO 2
Monitorowanie przebiegu reakcji HPLC-RP Faza ruchoma: woda (bufory/sole), metanol, acetonitryl, THF... Monitorowanie przebiegu reakcji - HPLC Czas, w jakim związek wypływa z kolumny HPLC (czas retencji) jest charakterystyczny dla danego związku w danych warunkach (rodzaj złoża, wymiary kolumny, szybkość przepływu, rodzaj gradientu). Powierzchnia pod pikiem jest proporcjonalna do ilości substancji. Porównywanie ilościowe dwóch różnych substancji na podstawie powierzchni pod pikiem jest możliwe tylko pod warunkiem, że obie substancje mają porównywalny współczynnik absorpcji.
Izolowanie produktu Przed rozpoczęciem izolacji produktu zwykle użyteczne jest usunięcie z mieszaniny reakcyjnej stałych cząstek, które mogą utrudniać ekstrakcję zapychając rozdzielacz lub powodując powstawanie emulsji filtracja pod obniżonym ciśnieniem przez warstwę Celitu. Warstwę Celitu umieszczoną w lejku Schotte a lub Büchnera przemywa się najpierw wodą, następnie rozpuszczalnikiem, który używany był do reakcji. Przez tak przygotowany Celite przepuszcza się mieszaninę reakcyjną. Celit - skała osadowa, w formie sproszkowanej ułatwiająca odsączanie bardzo drobnych stałych zanieczyszczeń Izolowanie produktu Jeśli rozpuszczalnik używany do reakcji w znacznym stopniu miesza się z wodą (THF, alkohole, DMF) powinien być odparowany, aby nie powodować strat substancji podczas ekstrakcji. Podczas ekstrakcji nie należy wyrzucać żadnej z warstw, dopóki nie zostanie potwierdzone, że produkt został wyizolowany z dobrą wydajnością (ważenie surowego produktu). Jeśli wydajność izolacji jest mała należy sprawdzić (TLC), czy produkt nie znajduje się w którymś z odrzuconych ekstraktów.
Izolowanie produktu Najczęściej do ekstrakcji używa się dichlorometanu (cięższy od wody) lub eteru dietylowego (lżejszy od wody). Jeśli odzysk produktu z warstwy wodnej jest zbyt mały możliwe jest: - zastosowanie bardziej skutecznych w wydobywaniu substancji polarnych rozpuszczalników - chloroformu lub octanu etylu - nasycenie warstwy wodnej chlorkiem sodowym i ponowna ekstrakcja za pomocą chloroformu lub octanu etylu - nasycenie warstwy wodnej chlorkiem sodowym i ekstrakcja mieszaniną chloroform : etanol 2:1 Oczyszczanie - krystalizacja Krystalizacja dobór właściwego rozpuszczalnika rozpuszczenie substancji w minimalnej ilości gorącego rozpuszczalnika odsączenie na gorąco zanieczyszczeń mechanicznych i barwnych tylko gdy jest to absolutnie niezbędne! ochłodzenie, ewentualnie wytrącenie drugim rozpuszczalnikiem
Oczyszczanie - destylacja Destylacja: nie wolno ogrzewać układów zamkniętych nie wolno wydestylowywać substancji do sucha pozostałość może ulec zapaleniu lub wybuchnąć lokalnemu przegrzewaniu destylowanej cieczy zapobiegają kamyki wrzenne lub mieszanie (np. na mieszadle magnetycznym) destylacja zwykła destylacja frakcyjna Oczyszczanie - destylacja Destylacja: etery i węglowodory mogą zawierać nadtlenki, które muszą być usunięte przed destylacją destylację związków otrzymanych w wyniku działania nadtlenków lub nadkwasów można wykonać dopiero po uprzednim usunięciu pozostałości nadtlenkowych niektórych substancji, np. azydków nigdy nie wolno destylować
Oczyszczanie - sublimacja Sublimacja: doskonała metoda oczyszczania względnie lotnych ciał stałych Oczyszczanie chromatografia flash Chromatografia typu flash : przepływ rozpuszczalników wymuszony ciśnieniem gazu obojętnego kluczowe dla powodzenia oczyszczania jest użycie dość drobnego i jednorodnego żelu krzemionkowego (Merck C60, 40-63µm) (duża powierzchnia kontaktu zapewnia efektywniejszą adsorpcję przepuszczanych przez kolumnę substancji) lepsza rozdzielczość szybszy rozdział
Oczyszczanie chromatografia flash Przygotowanie kolumny: wielkość kolumny dobiera się do ilości żelu napełniona kolumna powinna mieć nad powierzchnią żelu około 18 cm wolnej przestrzeni wylot kolumny musi być uszczelniony kawałkiem waty szklanej poziom cieczy NIE MOŻE nigdy spaść poniżej poziomu żelu Oczyszczanie chromatografia flash Przygotowanie kolumny: żel krzemionkowy jest kancerogenem podobnym do azbestu operacje z suchym żelem mogą być wykonywane wyłącznie pod wyciągiem odważoną ilość żelu krzemionkowego należy zawiesić w dobranym układzie rozwijającym i odgazować przez intensywne mieszanie dwuskładnikowe układy rozwijające umożliwiają łatwe wpływanie na polarność najpopularniejsze układy dwuskładnikowe (uszeregowane według rosnącej polarności) to: DCM : heksan, eter : heksan, heksan : octan etylu, DCM : metanol
Oczyszczanie chromatografia flash Chromatografia typu flash : Oczyszczanie chromatografia flash dobry układ rozpuszczalników do rozdziału w chromatografii typu flash : R f na płytce TLC: 0.2-0.3 większa polarność rozpuszczalnika zwiększa szybkość elucji wszystkich związków przy stosunkowo dobrym rozsunięciu plamek na płytce TLC, do rozdziału na kolumnie wystarczy stosunek ilości żelu do oczyszczanej mieszaniny 30:1, przy związkach o podobnych R f należy użyć proporcji 100:1
Oczyszczanie chromatografia flash Dobieranie ilości żelu potrzebnego do rozdziału próbki, w zależności od Rf składników Oczyszczanie chromatografia flash Przygotowanie próbki i prowadzenie rozdziału: mieszaninę należy rozpuścić w minimalnej ilości dobranego układu rozwijającego nanoszenie na sucho mieszaninę rozpuszcza się w dowolnym rozpuszczalniku, dodaje żel krzemionkowy, odparowuje do sucha nanosi na kolumnę WAŻNE należy utrzymywać szybki przepływ (ciśnienie ok. 7 psi) - wolny powoduje pogorszenie rozdzielczości!
Oczyszczanie chromatografia flash Przygotowanie próbki i prowadzenie rozdziału (cd): objętość zbieranych frakcji powinna być ok. 1/10 objętości kolumny (30 g żelu 3 ml frakcje) przebieg rozdziału powinien być monitorowany za pomocą TLC Oczyszczanie HPLC Przed oczyszczaniem z wykorzystaniem HPLC-RP powinno się wstępnie oczyścić związek przy pomocy chromatografii jonowymiennej lub sączenia żelowego. Do wysokosprawnego oczyszczania służy preparatywny lub semi-preparatywny system HPLC. Ilość związku, który można oczyścić jednorazowo zależy od wielkości kolumny. Wszystkie próbki przed naniesieniem na kolumnę muszą być przefiltrowane
Oczyszczanie hplc Warunki do oczyszczania dobiera się przy wykorzystaniu analitycznego HPLC, najlepiej wyposażonego w taką samą kolumnę jak układ preparatywny (rodzaj złoża, długość kolumny). Oczyszczanie HPLC Przenoszenie warunków z kolumny analitycznej na preparatywną: współczynnik przeskalowania F = powierzchnia (prep) powierzchnia (anal) = π π r 2 h (prep) r 2 h (anal) Współczynnik przeskalowania służy do wyznaczenia przepływu oraz ilości związku, który można nanieść na kolumnę preparatywną, aby uzyskać rozdział analogiczny do analitycznego. Kolumna analityczna 4.5 x 250 mm: przepływ 0.75 ml/min, ilość próbki: 5 mg Kolumna preparatywna 21.5 x 250 mm przepływ 16 ml/min, ilość próbki: 100 mg
Charakterystyka produktu Każdy otrzymany związek powinien być w pełni scharakteryzowany. Szczególnie dokładna charakterystyka wymagana jest dla nowych związków Charakterystyka produktu powinna obejmować: tt lub tw IR NMR MS analizę elementarną (dla nowych związków) skręcalność optyczną (dla związków czynnych optycznie) Prowadzenie notatek dziennik laboratoryjny ma być dokładnym odzwierciedleniem prowadzonych eksperymentów notatki należy wykonywać na bieżąco, wprost w dzienniku laboratoryjnym, nie pomijając reakcji, które się nie powiodły
Prowadzenie notatek Opis eksperymentu powinien zawierać: datę oznaczenie produktów równanie reakcji odnośnik literaturowy ilości, MW, źródło odczynnika opis procedury monitorowanie przebiegu reakcji dane analityczne uwagi i wnioski końcowe