Technische Universität München
Dr. Andreas Bauer – Lehrstuhl für Organische Chemie I – Praxisseminar II 1
Organisch-Chemisches
Grundpraktikum
Praxisseminar II23. April 2010
Inhalt:
Wiederholung
Chromatographie
Trockenes Arbeiten
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Definition: Unter dem Schlagwort Chromatographie werden alle Trennverfahren zusammengefasst, deren Trennwirkung auf der Verteilung eines Stoffes zwischen einer mobilen und einer stationären Phase beruht.
Beispiele:
4. Chromatographie
Mobile Phasestationäre
PhaseChromatographische
Technik
gasförmigfest Gaschromatographie
flüssig Gaschromatographie
flüssigfest Adsorptionschromatographie
flüssig Verteilungschromatographie
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Theorie:
m
s
c
cVerteilungskoeffizient Verhältnis der Konzentrationen in
der stationären (cs) und mobilen (cs) Phase abhängig von der Polarität des Lösungsmittels und der Art der stationären Phase
s
m
V
VPhasenverhältnis Volumenverhältnis der mobilen (Vs) und
der stationären (Vs) Phase
mm
ss
Vc
Vck
'Kapazitätsfaktor vgl. Nernst`sches Verteilungsgesetz !!
Der Kapazitätsfaktor ist ein systemunabhängiges Maß (Säulenlänge, Fließ-geschwindigkeit) für die Wanderungsgeschwindigkeit in einem chromatographischen System. Je größer k‘ desto größer die Retention.
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… alles klar??
Take-home-Messages I:
Silica oder Aluminium-Oxid (die beiden Standard-Stationärphasen) sind hochgradig polare Phasen
Je nach Wechselwirkung des zu reinigenden Stoffs mit dieser polaren Phase benötigt man eine mehr oder weniger polare mobile Phase (= Laufmittel)
unpolarer Stoff – wenig Wechselwirkung mit der stationären Phase unpolares Laufmittel – (Cyclo-)Hexan (seltener Dichlormethan)
polarer Stoff – starke Wechselwirkung mit der stationären Phase polares Laufmittel – Ether, Ethylacetat, Methanol
Eluotrope Reihe (Lösungsmittel sortiert nach ansteigender Polarität)Hexan < Toluol < Diethylether < Essigester < Aceton < Propanol < Ethanol
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Dünnschicht-ChromatographieRf = 3,6 cm : 6 cm = 0,5666 = 0,57
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Detektion
UV: typischerweise zwei Wellenlängen: 254 nm und 366 nm
Oxidative Färbung
Schwefelsaure Cer(IV)-Ammoniummolybdat-Lösung Basische Kaliumpermanganat-Lösung
ACHTUNG: Alle drei Methoden erlauben KEINE Quantifizierung
Fluoreszenz-Intensität ist deutlich weniger übertragbar als Absorption Färbung ist abhängig von Oxidierbaren funktionellen Gruppen (prim. Sek. Alkohole, Amine, Aromaten, etc.)
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Dünnschicht-Chromatographie
(sehr) schnelles (~ 5 min.) und (hoch-)empfindliches chromatographisches Verfahren
Nachweisgrenze abhängig von der Detektierbarkeit etwa oberer ng bis mittlerer µg Bereich
DIE Standardmethode zur Reaktionskontrolle (vulgo tüpfeln)
kaum geeignet zur präparativen Gewinnung der getrennten Komponenten
die einzige Methode eine präparative Säulenchromatographie vorzubereiten/optimieren
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Säulen-Chromatographie
30
0 m
L
30
0
25
0
20
0
15
0
10
0
30
0 m
L
30
0
25
0
20
0
15
0
10
0• Sand auf die Fritte geben und mit Laufmittel überschichten• Eine Suspension des Adsorbens im Laufmittel in die Säule gießen, ohne den Sand aufzuwirbeln• Die Suspension absetzen lassen und das überstehende Lösungsmittel ablassen• Die gesetzte Suspension mit Sand bedecken• Das zu trennende Gemisch in möglichst wenig Lösungsmittel gelöst gleichmäßig verteilen• Die Säule (anfangs sehr) vorsichtig mit Laufmittel auffüllen
NS24
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Systematische Optimierung einer Säulenchromatographie
Angemessene Adsorbens-Menge nicht zu wenig (schlechte Trennleistung) Nicht zu viel (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte
Detektierbarkeit wegen niedriger Konzentration im Eluat
Faustregel: ca. 25 – 100 g Silica pro Gramm Rohprodukt
Laufmittel nicht zu polar (schlechtere Trennung, alles in den ersten
Reagenzgl.) nicht zu unpolar (hoher Lösungsmittelverbrauch, schlechte
Detektierbar-keit wegen sehr breiter – und damit flacher – Banden
Faustregel: Der Rf-Wert der ERSTEN zu isolierenden Komponente sollte bei ca. 0.3 liegen – bei einem dicht folgenden Spot etwas niedrigerBei mehreren Spots über einen breiten Rf-Bereich Laufmittel unter-schiedlicher Polarität verwenden (Gradient)
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Typische, reale Chromatogramme – Tailing
1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13 15 17 19 21 23
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Typische, reale Chromatogramme – zu polares Laufmittel bei Trennproblem
1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13 15 17 19 21 23
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Unter „trockenem Arbeiten“ versteht man das Arbeiten unter Wasser- und meist auch Sauerstoff-Ausschluss.
Hintergrund: Wasser kann sowohl als Nucleophil/(Lewis-)Base als auch als Elektrophil/(Lewis-)Säure Reaktionen stören.
Beispiele:
5. Trockenes Arbeiten
O
O Li O
O
OOH
(THF)
H2O
O
O OCl
O
HO O
O
(CH2Cl2)
NEt3[DMAP]H2OOH
O
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Konsequenz: Alle Reagenzien und vor allem (alle) Lösungsmittel müssen in wasserfreier Form vorliegen
Trocknungsmethoden: Physikalisch
Destillation: Meist azeotrope Entfernung des enthaltenen Wassers Benzol oder Toluol (die ersten 10% des Destillats werden
verworfen) Technisch trockenes Ethanol (Azeotropierung mit
Cyclohexan) Adsorption an hochgradig getrockneten Adsorbentien
Aluminiumoxid Molsiebe (v. a. 3 und 4 Å) seltener: wasserfreie Salze (Na2SO4, MgSO4, NaCO3, etc.)
oder wasserfreie Oxide/Hydroxide (CaO, NaOH, KOH) Chemisch: Wasser reagiert mit dem Trocknungsmittel und wird
zusammen mit dem entstehenden Nebenprodukt abgetrennt Alkalimetalle (Na, K, Na/K) Hydride (CaH2, seltener LiAlH4) seltener: P2O5
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Chemische Trocknungsmethoden – einige Details
Na H2O ½ H2NaOH
CaH2 H2O 2 H2CaO
Grundlegende Reaktionen:
Indikator (bei Trocknung mit Natrium
O O
Na
Na
farblos tiefblau
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Anwendungsbereiche
Ether (Diethylether, Tetrahydrofuran): klassisch Na, Na/K; modern: Molsiebe
Benzol/Toluol: Vortrocknung durch Destillation, Trocknung über Na/K oder Alox
Halogenierte Lösungsmittel: klassisch CaH2; modern: Molsiebe!!! NIEMALS über Alkalimetall !!!
Amine, Pyridin: CaH2
Alkohole: Na oder bei niedrigem Wassergehalt MgSonderfall Alkohole / Na
NaOH + EtOH H2O + NaOEt
RCOOEt + NaOH RCOO Na + EtOH
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Praxis – Physikalische TrocknungsmethodenTrocknung einer kleineren Menge Chlorbenzol über Aluminiumoxid
das Lösungsmittel wird wie bei einer Chromatographie durch das Adsorptionsmittel gedrückt
Unterschied: das ganze wird mit/unter Inertgas (N2 oder Ar) durchgeführt
Für die gängigen Lösungsmittel werden derartige Trocknungen mit Hilfe von Lösungsmitteltrocknungsanlagen getrocknet (SPS = solvent purification system oder vulgo Grubbs-Anlage)
250 mL
NS24
1 Stickstofffritte2 zu trocknendes Lösungsmittel3 Aluminiumoxid4 Schlenkkolben
1
2
3
4
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Praxis – Chemische TrocknungsmethodenTrocknung von Tetrahydrofuran über Natrium
1 L
RD1445o
RD1445o
mL
100
200
300
400
500
1 Metallwendelkühler2 Tropftrichter mit Druckausgleich und Entnahme-Möglichkeit3 Rundkolben mit Natrium-Blättern4 Heiz-Pilz
1
2
3
4
das im Lösungsmittel enthaltene Wasser reagiert zu Natriumhydroxid und Wasserstoff
die Destillation erfolgt nach Bedarf – wenn Lösungsmittel benötigt wird, wird der Hahn des Tropftrichters geschlossen. Damit wird nicht mehr unter Rückfluss erhitzt sondern das Destillat aufgefangen und über einen seitlich angebrachten Hahn entnommen
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… und damit es trocken bleibt – klassisch trockenes Arbeiten
20o
20o
NS29
500 mL
15o
mL
50
150
200
100
250
wenn Sauerstoff nicht störtDie Apparatur wird im Trockenschrank auf ~80 °C erwärmt und dann zügig zusammengebaut (Stativ-material vorher einrichten). Man lässt dann im Stickstoffstrom abkühlen und setzt dann ein Trocken-rohr (Füllung „Orangegel“ oder CaCl2) auf.
Wenn die Anwesenheit von Sauerstoff störtVorgehen wie oben aber an Stelle des Trockenrohres einen Kern mir Olive und aufgesetztem Luftballon ein-setzen
In beiden Fällen stellt man den Stickstoffstrom ab !!
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… bei höheren Anforderungen – Schlenk-Technik
20o
20o
NS29
500 mL
15o
mL
50
150
200
100
250
die Apparatur wird evakuiert (Hochvakuum, <0.1 mbar) und anschließend mit dem Heißluftgebläse („heat-gun“) stark erhitzt (Lufttemperatur > 500 °C)
Man lässt im evakuierten Zustand abkühlen und flutet die Apparatur anschließend mit Schutzgas (Stickstoff oder Argon) mit leichtem Überdruck
An Stelle von Schliffstopfen kommen Gummi-Septen zum Einsatz durch die unter Wahrung der Schutzgas-atmosphäre Reagenzien und Lösungsmittel über Spritzen/Kanülen zugegeben werden können