Katalityczna synteza kwasu adypinowego

Na jednych z ostatnich w tym semestrze zajęć z Chemii Proekologicznej, u prof. Lipińskiej, zajmowaliśmy się syntezą kwasu adypinowego.

Kwas adypinowy jest organicznym kwasem, zawierającym dwie grupy karboksylowe na końcach czterowęglowego łańcucha węglowodorowego. W niewielkich ilościach występuje w roślinach i mógłby być otrzymywany z buraków cukrowych, gdyby się to opłacało Jako słaby kwas bywa dodawany do żywności jako E 355, czasem też jako składnik roztworów buforowych, jednak głównym zastosowaniem jest produkcja Nylonu i innych podobnych polimerów. Z tego powodu rocznie na świecie produkuje się go 2,5 mln ton.

Niestety najpowszechniejsza metoda otrzymywania jest też bardzo kłopotliwa.

Podstawowym substratem jest tutaj cykloheksen - sześciowęglowy pierścień z jednym wiązaniem podwójnym. O jego otrzymywaniu już kiedyś pisałem. Rozerwanie tego wiązania i utlenienie węgli przy nim, da nam kwas adypinowy. Jednak z rozerwaniem wiązania, to nie jest taka prosta sprawa. Należy zastosować agresywne utleniacze - na przykład nadmanganian potasu ze stężonym kwasem siarkowym. Zaś metoda najpowszechniej stosowana polega na traktowaniu cykloheksenu stężonym kwasem azotowym.

Samo operowanie stężonym kwasem jest kłopotliwe, zaś w dodatku podczas reakcji powstają szkodliwe tlenki azotu, w tym podtlenek, będący gazem cieplarnianym. Stąd też biorą się próby stworzenia bardziej przyjaznej dla środowiska metody - jedną z nich zajmowaliśmy się na zajęciach.
W tej proekologicznej metodzie* do rozbicia wiązania cykloheksenu i utlenienia węgli wykorzystywany jest łatwo dostępny odczynnik - perhydrol czyli 30 % nadtlenek wodoru, zaś katalizatorem jest wanadan sodu. Jednakowoż taki układ wywołuje jeszcze dodatkową trudność - obie ciecze nie mieszają się ze sobą, a skoro tak, reakcja ograniczy się do wąskiej strefy kontaktu. Aby pokonać tą trudność stosujemy katalizator przejścia fazowego.

Katalizatory przejścia fazowego (PTC) są w większości czartorzędowymi aminami lub fosfinami, z przyłączonymi do atomu azotu lub fosforu długimi łańcuchami węglowodorowymi. Takie indywiduum dosyć chętnie rozpuszczałoby się w fazach oleistych, gdyby było elektrycznie obojętne, zwykle jednak samo w sobie jest dużym kationem organicznym. Dlatego przyłącza sobie z fazy wodnej jakiś anion i już może przejść do drugiej fazy. Jeśli ten anion zareaguje w drugiej fazie z innym substratem, na przykład jako nukleofil przyłączy się do benzenu i odłączy się od katalizatora, to ten, stając się naładowany, powróci do fazy wodnej dopóki nie znajdzie sobie nowego anionu.
W ten sposób katalizator cyklicznie zmieniając rozpuszczalność, przeciąga reagujące ze sobą cząsteczki z fazy do fazy. W tym przypadku był to związek CH3(C8H17)3N - nazywany Aliquat 336 - czyli sól tryoktylometyloamoniowa. Skoro zaś problem z głowy, opiszę pokrótce co też takiego wykonywałem:

Cykloheksen, mający postać bezbarwnej, oleistej cieczy, wlałem do kolby kulistej. Dodałem perhydrol i wanadan sodu - bezbarwny, nie interesujący proszek - do tego kroplę roztworu katalizatora PTC i mieszadełko magnetyczne i połączyłem kolbę z chłodnicą zwrotną. Całość ogrzewałem na łaźni olejowej na mieszadle grzejnym w temperaturze ponad 200 st. C:

Jeśli chodzi o sam proces, reakcja przebiegała bardzo spokojnie, choć obawiałem się, że z powodu nadtlenku może się zawartość kolby nagle zapienić. Jedynie co pewien czas zaglądaliśmy, czy warstwa organiczna jest jeszcze widoczna. Gdy ostatecznie z warstwy cykloheksenu został pierścień przy ściankach:

ogrzewanie przerwałem. Teraz należało ostrożnie oddzielić pipetą warstwę wodną od organicznej, ale starając się przy tym nie zaciągać stałego katalizatora z dna. Kwas adypinowy powinien wykrystalizować w niskiej temperaturze, toteż wziąłem z zamrażalnika lód, ściereczkę i młotek i naprodukowałem mieszaniny ochładzającej:

I rzeczywiście, już po chwili zawartość chłodzonej zlewki zgęstniała od drobnych kryształków produktu:

które pozostawało teraz jedynie odsączyć i wysuszyć. I tak oto powstał nam kwas adypinowy:

Proekologicznym aspektem jest oczywiście ograniczenie szkodliwych reagentów. Wydajność była wysoka, ale już nie pamiętam dokładnie jaka.

.--------
*  Sato K, Aoki M, & Noyori R (1998). A "Green" route to adipic acid: direct oxidation of cyclohexenes with 30 percent hydrogen peroxide Science (New York, N.Y.), 281 (5383), 1646-7 PMID: 9733504

Otrzymywanie biodiesla

W tym roku (już czwartym) jedną z moich pracowni jest Chemia Proekologiczna, prowadzona przez
dr Teodozję Lipińską. Określenie przedmiotu jest może trochę niezgrabne ale określa jego zakres nieco lepiej niż będące kalkami z angielskiego określenia Zielona Chemia czy Chemia Zrównoważona. Najogólniej mówiąc chodzi tu o takie przeprowadzane procesów chemicznych, aby przyniosło to dla środowiska jak najmniejsze skutki negatywne, co obejmuje metody syntezy z małą ilością odpadów, metody z użyciem małej ilości rozpuszczalników organicznych lub bez nich i procesy zużywające mało energii. Wliczają się tu także wynalazki mające zmniejszyć zanieczyszczenia z innych źródeł, jak katalizatory do spalin czy metody odsiarczania gazu i ropy.

Jednym z takich procesów chemicznych, przynoszącym korzyść dla środowiska, jest przerób olejów roślinnych na paliwo właściwościach podobnych do olejów napędowych. Oleje otrzymuje się z roślin, toteż przy ich produkcji nie trzeba wydobywać kopalin, zatem biodiesel można zaliczyć do odnawialnych źródeł energii. Ponieważ ze spalania takiego paliwa nie dorzucamy do atmosfery nowego dwutlenku węgla, a jedynie odpowiednik tego pochłoniętego dawniej przez olejodajne rośliny, stosowanie paliw odnawialnych powinno przyczynić się do ograniczenia emisji tego gazu.
Jednak czy oleje roślinne rzeczywiście nadają się do takich celów?

Olej, chemicznie rzecz biorąc, jest mieszaniną estrów gliceryny z kwasami tłuszczowymi. Gliceryna posiada trzy grupy wodorotlenowe z którymi może związać trzy łańcuchy kwasów. Natomiast same kwasy tłuszczowe najogólniej można nazwać długimi węglowodorami z grupą karboksylową:

 Jeśli więc wyższe kwasy tłuszczowe nie wiele różnią się od węglowodorów, z których składa się ropa i olej napędowy, to powinny być palne. I rzeczywiście, oleje i łoje zwierzęce przez wiele wieków używano w celach oświetleniowych, w tanich lampkach i kagankach. Mało kto wie, że pierwszy model silnika spalinowego Diesla działał na olej arachidowy. Niedługo po tym wprowadzono specjalny model silników przeznaczonych do spalania oleju. Oleje mineralne zaczęto stosować dopiero potem. Mieszanka powietrzno-olejowa zapala się w tym silniku w fazie silnego sprężenia.
 Problemem dla takiego stosowania jest jednak ich niedostateczna palność, do czego przyczynia się między innymi przyczepiona do kwasów tłuszczowych gliceryna. Z drugiej strony same wolne kwasy tłuszczowe często krzepną już w stosunkowo wysokich temperaturach, czego przykładem kwas stearynowy używany do wyrobu świec. Należałoby zatem z jednej strony oswobodzić kwasy, a z drugiej nadać im formę płynną.
Pierwszym kto wpadł na pomysł co też należy zrobić był G.Chavanne z Belgii, który w 1937 roku otrzymał patent na metodę zamiany oleju w płynne paliwo pędne.
Pomysł był w zasadzie bardzo prosty - gliceryna przeszkadza, więc usuńmy ją. Wolne grupy karboksylowe za sprawą oddziaływań pomiędzy sobą (głównie wiązania wodorowe) podwyższają temperaturę krzepnięcia, zatem przyłączmy do nich coś, co temu zapobiegnie. Na przykład cząsteczkę alkoholu. Cała tajemnica polega zatem na zamianie jednych estrów (glicerynowych) na inne, na przykład metylowe lub etylowe. Proces tego typu, a więc zamiany podstawników w estrze nazywamy transestyfikacją.

Odpadem jest tutaj gliceryna. Wodorotlenek sodu lub potasu katalizuje reakcję.

Tak więc: surowcem naszym był olej rzepakowy:

Olej rzepakowy przed reakcją

Do kolby na 250 ml wlaliśmy olej, metanol i suchy wodorotlenek potasu. Ponieważ potaż jest bardzo żrący każdy musiał mieć założone okulary ochronne. Zanim zdążyliśmy go wsypać zaczął nadżerać kartkę na której był odważany:

Wodorotlenek potasu

Następnie zamknęliśmy kolbę korkiem szklanym, nałożyliśmy dodatkowe zabezpieczenie i wytrząsaliśmy na zmianę przez pół godziny:

Wytrząsanie

Wytrząsanie musiało być intensywne, tak aby kontakt między nierozpuszczalnym wodorotlenkiem a mieszaniną alkoholu z olejem był jak najlepszy. Od tego etapu głównie zależało to jak dobrze będzie zachodziła reakcja, dlatego trzęśliśmy aż do omdlenia rąk. Następnie wlaliśmy mieszaninę do dużego rozdzielacza i odczekaliśmy aż cięższa gliceryna zbierze się przy dnie:

Powolny rozdział. Na granicy faz ciemna warstewka zawieszonych kropel gliceryny

Ostrożnie oddzieliliśmy glicerynę, zlewając do innego naczynia. Nasz produkt nadal zawierał glicerynę, nie przereagowany metanol, a ponadto zawieszony wodorotlenek a może nawet odrobinę mydła, jakie mogło zacząć powstawać w takich warunkach. Ponieważ biodiesel nie miesza się z wodą, należało dokonać ekstrakcji rozpuszczalnych zanieczyszczeń. W tym celu zanurzyliśmy rozdzielacz w zlewce ciepłej wody i dolaliśmy do mieszaniny wody destylowanej, lekko mieszając. Woda opadła na dno, zabarwiając się na mleczny kolor pochodzący zapewne od drobnych kropelek produktu. Tuż przy granicy faz zbierała się warstewka przypominająca zwarzoną śmietankę, podejrzewam że były to cząstki wolnych, nasyconych kwasów tłuszczowych, w tej temperaturze przyjmujących postać stałą. Kwasy te, częściowo rozpuszczalne w wodzie, mogły działać jak emulgatory, dlatego podczas ekstrakcji nie wytrząsaliśmy biodiesla z dodawaną wodą, aby nie musieć długo czekać na rozdział.

Ekstrakcja z wodą. Resztki gliceryny zebrały się w rurce rozdzielacza

Po trzech ekstrakcjach uznaliśmy że już wystarczy, choć produkt wciąż był jeszcze dosyć alkaliczny (pH 8) co świadczyło o nie w pełni usuniętym wodorotlenku. Zawiesina wolnych kwasów i być może drobnych kropelek wody sprawiły, że otrzymany produkt był dosyć mętny:

Za tydzień postaram się zrobić zdjęcie produktu po odstaniu się, powinien być bardziej klarowny.

Czy tak otrzymany ester jest lepszym paliwem? W porównaniu z olejem rzepakowym na pewno. Olej ten jest wprawdzie najlepiej dostępnym z uwagi na ogromny areał upraw i najbardziej korzystny stosunek wydajności oleistej do powierzchni uprawy, ale wadą jest dosyć duża lepkość, kilkukrotnie większa niż równie wydajnych olejów mineralnych. W instalacjach wykorzystujących go jako materiał pędny, stosuje się wstępne ogrzewanie, mające go rozrzedzić i ułatwić rozpylenie przy wtrysku. Czasem rozrzedza się go dodając lekkie oleje mineralne lub tworząc mikroemulsję z metanolem. Inną wadą rzepaku jest skłonność do utleniania się i tworzenia nierozpuszczalnych wytrąceń, mogących osadzać się w zakamarkach silnika. Próby wlania oleju do nieprzystosowanego samochodu mogą skończyć się uszkodzeniem instalacji.

Rzepakowy biodiesel jest mniej lepki, przez co zmniejsza się ryzyko zatkania filtrów bądź osadzania częściowo spalonych resztek w silniku. Ponieważ ma właściwości smarne, silnik nie zaciera się i ma dłuższą żywotność. Z drugiej strony w porównaniu z olejami mineralnymi o tej samej liczbie cetanowej, biodiesel ma wyższą temperaturę zapłonu i nieco niższą wartość opałową. W efekcie mogą pojawiać się problemy z rozruchem, gdy silnik nie jest nagrzany, a zużycie paliwa może być nieco większe. Estry metylowe mogą ponadto rozpuszczać lub zmiękczać niektóre tworzywa sztuczne, toteż w przystosowanych samochodach stosuje się inne materiały uszczelek i złączy.
Wydawałoby się, że produkcja takiego paliwa, stosunkowo prosta i tania, powinna być dobrym sposobem odciążenia budżetu. Olej spożywczy jest znacznie tańszy od mineralnego, i mimo nieco droższej metody produkcji różnica w akcyzie powoduje, że produkt wychodzi nieco tańszy od zwykłego paliwa. Z tego co się orientuję prawo zezwala rolnikom produkcję takiego paliwa na własny użytek, po zarejestrowaniu i dla stosunkowo niedużych ilości. Problemem domowych instalacji jest jednak przede wszystkim właściwe oczyszczenie produktu. Resztki gliceryny, metanolu a zwłaszcza stałego wodorotlenku, zwiększają korozyjność i zmniejszają stabilność paliwa. Gliceryna dodatkowo wywołuje niemiły zapach spalin, przypominający palony olej.

Warto zwrócić uwagę na skład spalin z silnika napędzanego takim paliwem. Badania stwierdziły, że są one zdecydowanie mniej toksyczne, zawierając do 30% mniej cząstek stałych, znacznie mniej wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) o dobrze potwierdzonej rakotwórczości, oraz prawie w ogóle nie zawierają dwutlenku siarki z uwagi na praktycznie śladowe zasiarczenie - co ma spory wpływ na powstawanie i szkodliwość smogu miejskiego. Z drugiej strony podczas spalania powstaje więcej tlenków azotu. Ponadto odmiany słabo oczyszczone, zawierające domieszki gliceryny i etanolu,  dają spaliny z rakotwórczą akroleiną i drażniącym aldehydem octowym. Ostatecznie jednak uznano, że ogólna zawartość szkodliwych związków jest znacząco mniejsza, niż w przypadku olejów napędowych. Efekty cytotoksyczne są w tym przypadku aż cztery razy mniejsze[1]

Teoretycznie takie odnawialne paliwo, powinno przynosić ogólnoświatowe zyski dla środowiska - do atmosfery nie jest uwalniany nowy dwutlenek węgla, nie są uwalniane tlenki siarki i wreszcie jest co zrobić z zanieczyszczonymi, zużytymi tłuszczami. Teoretycznie, bo jak wiadomo, ze wszystkim można przesadzić. Najlepiej widać to w Malezji i Indonezji, gdzie głównym surowcem do biodiesla jest palma olejowa.
Paliwo jest szybko zużywane na krajowym rynku a przede wszystkim eksportowane do Europy, będąc stosunkowo tanie. Ponieważ popyt szybko rośnie, wzrasta też powierzchnia upraw, zaś zarządzający niespecjalnie przejmują się rozwojem zrównoważonym. W efekcie bywa że dziewicze puszcze wycina się po to, aby posadzić w tym miejscu monokulturę palmy olejowej, przez co cały proceder zaczyna przynosić środowisku więcej szkody niż pożytku. W tym roku Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska uznała, że z tego powodu, olej palmowy nie powinien być zaliczany do ekologicznych paliw odnawialnych[2]
Popyt na malezyjskie biopaliwa, wraz z wysokimi cenami ropy spowodował, że w wyniku eksportowania większości oleju za granicę, zaczęło go brakować na rynku krajowym, choć jest tu głównym olejem spożywczym[3] Dyskusyjną kwestią jest to na ile zamiana zbiorów rolniczych na paliwa wpływa na globalny wzrost cen żywności, szacuje się że proceder ten odpowiada za jedną trzecią wzrostu cen kukurydzy w USA. Wszystko to pokazuje, że co za dużo, to nie zdrowo i nawet najświetniejsza technologia, wprowadzana bez rozmysłu, może przynieść negatywne skutki.

Plantacja palmy olejowej na Jawie. W tle lasy tropikalne

Dodatkowym problemem jaki pojawia się w tym procesie, jest gliceryna, powstająca jako odpad. Szacunkowo z każdej tony oleju powstaje 100 kg gliceryny, z którą trzeba coś zrobić. Część można oczyścić i przetworzyć na kosmetyki lub farmaceutyki, ale popyt na taki surowiec jest ograniczony, stąd próby wykorzystania jej jako surowca w przemyśle chemicznym. Głównym procesem jest konwersja do epichlorohydryny, będącej głównym surowcem do wytwarzania żywic epoksydowych.  Powtórna estryfikacja kwasem octowym daje produkt, mogący służyć do zmniejszenia lepkości paliw. Utleniając, można zamienić ją na kwas cytrynowy. Najciekawszym jednak pomysłem jest bezpośrednia konwersja do metanolu - powstały alkohol można by zawrócić do procesu i zwiększyć samowystarczalność instalacji produkcyjnej[4].

I tak minęła mi pierwsza proekologiczna pracownia.
------
[1] Kimberly J. Swanson , ¹ Michael C. Madden , ² i Andrew J. Ghio ² Biodiesel Exhaust: The Need for Health Effects Research, Environ Health Perspect v.115 (4), kwiecień 2007 PMC1852688
[2]  http://thehill.com/blogs/e2-wire/e2-wire/206781-epa-palm-oil-based-fuels-flunk-the-climate-test
[3]  http://www.abc.net.au/news/2007-07-19/biofuel-demand-makes-fried-food-expensive-in/2506908
[4]  http://www.greencarcongress.com/2008/11/new-process-for.html

Otrzymywanie cykloheksenu (eliminacja)

Pozostała mi do przedstawienia jeszcze jedna synteza, jaką wykonywałem na zajęciach, przy tym jednak najmniej interesująca pod względem obiektu i najgorsza w wynikach - mianowicie otrzymywanie cykloheksanolu na drodze eliminacji wody z cykloheksenu. Ale zanim omówię jak wyszła (a raczej nie wyszła) mi ta synteza, omówię wyjściowe związki:

Cykloheksanol * jest nasyconym alkoholem cyklicznym. To bezbarwne ciało stałe lub ciecz, o słabym zapachu, podobnym do oleju napędowego. Stanowi pochodną cykloheksanu (C6H11OH) - sześciowęglowego węglowodoru cyklicznego z którego jest otrzymywany na drodze katalitycznego utleniania tlenem z powietrza lub nadtlenkiem wodoru. Można go również otrzymać przez uwodornienie (dearomatyzacja) fenolu.
W przemyśle stosuje się go głównie do produkcji kwasu adypinowego oraz jako półprodukt do otrzymania kaprolaktamu z którego z kolei otrzymuje się Nylon i inne tworzywa sztuczne. Estry cykloheksanolu służą za plastyfikatory.
Przy długotrwałym kontakcie wywołuje zatrucia w tym uszkodzenia narządów rodnych, choć w odróżnieniu od jego pochodnej - cykloheksanonu - nie stwierdzono dlań działania rakotwórczego [1].

Natomiast związek końcowy Cykloheksen (C6H10) , jest bezbarwną, łatwo lotną cieczą o ostrym, bardzo niemiły zapachu. Przemysłowo może być otrzymywany przez uwodornienie benzenu, przez przyłączenie dwóch cząsteczek wodoru, co stanowi 4 atomy i stąd techniczna nazwa angielska tetrahydrobenzene. Jest łatwopalny. Wywołuje podrażnienia skóry. Stosowany jako rozpuszczalnik.

W cykloheksanolu do sąsiednich węgli podczepiona jest grupa OH i atom wodoru. Aby pomiędzy tymi węglami pojawiło się wiązanie podwójne, sąsiadujące podstawniki muszą ulec eliminacji, co wyglądałoby mniej więcej tak:
Jest to zatem właściwie odwodnienie, bo właśnie cząsteczka wody stanowi grupę opuszczającą. Typ zachodzącego procesu określa się jako E1, co oznacza eliminację jednocząsteczkową dwuetapową.
Reakcja zachodzi następująco:
W pierwszym etapie silny kwas mineralny przyłącza wodór do grupy hydroksylowej tworząc grupę HOH, stanowiącą dobrą grupę opuszczającą. Po jej eliminacji na opuszczonym węglu pojawia się ładunek dodatni, co większa kwasowość atomów sąsiadujących. Stanowiąca słabą zasadę cząsteczka wody przyjmuje jeden wodór. Sąsiadujące ze sobą węgle zmieniają hybrydyzację z sp3 na sp2, a pomiędzy nimi pojawia się wiązanie podwójne.
Ponieważ w pierwszym etapie cząsteczka przyjęła a w ostatnim odrzuciła atom wodoru, przyjmuje się że kwas jest w tej reakcji katalizatorem.

A teraz czas na opis nieszczęsnej syntezy:

Do kolby dwuszyjnej, z podłączonym wkraplaczem i deflegmatorem umieściłem mieszaninę 85% kwasu ortofosforowego V**, mającego postać oleistej cieczy, z częścią potrzebnej ilości cykloheksanolu. I oczywiście wrzuciłem kawałek porcelany aby mi dobrze wrzało. Resztę substratu umieściłem we wkraplaczu. U górnego wylotu deflegmatora umieściłem termometr i połączyłem z chłodnicą wodną. Odbieralnikiem była erlenmajerka ze szlifem zanurzona w krystalizatorze z lodem. Wszystkie szlify musiały być nasmarowane silikonowym smarem dla zmniejszenia strat lotnego produktu. Aparatura wyglądała następująco:

Aparatura

Gdy wszystko było przygotowane włączyłem czaszę grzejną, w którą wsadzona była kolba i ogrzewałem zawartość pilnując przy tym, aby temperatura na szczycie deflegmatora nie przekraczała 90 stopni Celsiusza. Zwróciłem przy okazji na bardzo wygląd deflegmatora, który zamiast być wypełniony kształtkami czy połamanymi rurkami jak to bywa, miał postać rury z wypustkami wchodzącymi do jej środka i niemal całkowicie wypełniającymi jej przekrój.

Deflegmator

Podczas ogrzewania powoli wkraplałem pozostały cykloheksanol, co stanowiło zresztą pewien sposób regulacji temperatury - wkroplenie kolejnej porcji zmniejszało ją szybciej niż zmniejszenie grzania przy pomocy regulacji mocy czy podniesienie luźno tkwiącej w koszyczku kolby. Całość syntezy odbywała się w przymkniętym i włączonym dygestorium, a do odbieralnika co pewien czas należało dodać lodu - to zaś z uwagi na dużą lotność oraz silny, niemiły zapach (wręcz smród) produktu, który łatwo się uciekał. I tak się to grzało:

Grzeje się

Gdy cały surowiec został wkroplony, a z chłodnicy przestał kapać produkt, przerwałem ogrzewanie i wsypałem do odbieralnika szczyptę soli. Destylat, stanowiący mieszaninę wody z cykloheksenem rozdzielił się na dwie nie mieszające się warstwy. Całość przelałem do rozdzielacza i oddzieliłem dolną, wodną warstwę:

W rozdzielaczu

Do górnej warstwy dodałem trochę bezwodnego chlorku wapnia, dla usunięcia śladów wilgoci, następnie przelałem ciecz, już w dosyć niewielkiej ilości, z powrotem do osuszonej kolby dwuszyjnej i destylowałem mając zamiar odebrać frakcję z temperatury 81-83 stopni.
Mając zamiar, bo jakoś tak składając ponownie aparaturę zapomniałem nasmarować smarem szlifów. Już na początku ilość powstałego produktu była niewielka, teraz zaś większość z owej drobiny ulotniła się i nim się zorientowałem, nie wiele zostało.
Ostatecznie pozostało mi 8% oczekiwanej ilości, choć teoretyczna wydajność powinna wynosić do 70% [ :( ]

Cykloheksen

Oby następne zajęcia wychodziły mi lepiej.



Ps. W ramach praktyk zrobiłem dużo ciekawych zdjęć i nawet filmiki, więc we wrześniu powinno pojawić się parę ciekawych notek
-------
[1] http://www.ciop.pl/8666.html#rs1

Przepis na podstawie Vogla

* zwykłem linkować odnośniki na temat związków do polskiej Wikipedii, ale w tym przypadku artykuł jest żenująco krótki i doprawdy nie było do czego.
** można też użyć kwasu siarkowego, ale technika wykonania jest wówczas trochę inna

Otrzymywanie o i p-nitrofenolu

Jak tu już obiecywałem, zajmę się teraz opisem, a właściwie relacją, z przeprowadzonej na zajęciach syntezy. Będzie to prosta, jak na możliwości chemii organicznej preparatywnej, reakcja nitrowania fenolu, i otrzymanie Orto-nitrofenolu i Para-nitrofenolu. Na początek jednak warto objaśnić pewne podstawowe pojęcia:

Fenol to pochodna benzenu (C6H6), związku aromatycznego, którego cząsteczka ma postać zamkniętego sześciobocznego pierścienia. W tym związku jeden z wodorów zastąpiony został grupą hydroksylową OH-, tak jak ma to miejsce w alkoholach, jednak własności fenolu różnią go od nich dość istotnie. Tlen z grupy hydroksylowej jest związany z pierścieniem znacznie silniej niż z wodorem, przez co ten stosunkowo łatwo się odszczepia, nadając fenolowi lekko kwaśny odczyn - dlatego też dawniej nazywano go Kwasem Karbolowym i z uwagi na silne właściwości bakteriobójcze używano jako pierwszego szpitalnego antyseptyka. Jest trujący i drażniący. W kontakcie ze skórą może powodować opatrzenia i martwice naskórka - co skądinąd wykorzystuje się w plastrach na kurzajki.
Znaczna różnica w elektroujemności między węglem (2,5) a tlenem (3,5) powoduje polaryzację wiązania i przesunięcie części ładunku na tlen - mówimy wówczas o "ujemnym efekcie mezomerycznym" bo tlen niejako "wyciąga" z pierścienia elektrony, powodując zaktywizowanie reaktywności. Równocześnie zachodzi proces odwrotny - jedna z wolnych par elektronowych tlenu może przeskakiwać na pierścień, tworząc nietrwałą strukturę jonową, z ładunkiem ujemnym na pierścieniu[1]. Jednak zaistniały ładunek nie jest ulokowany w jednym miejscu, lecz może przemieszczać się po pierścieniu, zajmując trzy równoważne pozycje:

Struktury mezomeryczne fenolu

Fakt ten decyduje nie tylko o dużej trwałości związku, lecz również o specyfice reakcji którym ulega, przede wszystkim zaś o tym gdzie i jak chętnie przyłączać się będą doń podstawniki.

Nitrowanie jest reakcją substytucji elektrofilowej, polegającej na zastępowaniu jednego z wodorów podstawnikiem, mającym właściwości elektrofila. Taki podstawnik ma niedomiar elektronów, i bardzo "lubi" przyłączać wszelkie dostępne. W tym przypadku elektrofilem jest nietrwały jon nitroniowy (NO2+) powstający w reakcji kwasu azotowego (V) z kwasem siarkowym (VI). A gdzie w fenolu mamy łatwo dostępny elektron? - tam gdzie w strukturach mezomerycznych pojawia się ładunek ujemny. Struktury takie, jak widać na powyższym obrazku, są trzy, dlatego też podstawić się mogą maksymalnie trzy grupy nitrowe i to wyłącznie w dokładnie określonych pozycjach.

W przypadku sześciowęglowego fenolu grupa nitrowa może połączyć się z węglem o numerach 2 (licząc węgiel połączony z grupą hydroksylową jako 1) lub 4 lub 6 - ponieważ jednak dla jednej grupy pozycje 2 i 6 są identyczne, uznaje się, że utworzyć się mogą tylko dwa różne związki: 2-nitrofenol i 4-nitrofenol. Dla pochodnych benzenu stosuje się nazewnictwo przypisujące danemu układowi przedrostek w nazwie, mianowicie Orto- dla położenia przy drugim węglu, Meta- dla węgla trzeciego i Para- dla węgla czwartego. Stąd nazwy: Orto-nitrofenol dla 2-nitrofenolu i Para-nitrofenol dla 4-nitrofenolu.

Na tym jednak nie koniec. Prowadząc nitrowanie konsekwentnie dalej otrzymamy dalsze pochodne, aż do trinitrofenolu zawierającego trzy grupy nitrowe przy węglach 2, 4 i 6. Związek ten to kwas pikrynowy, będący bardzo silnym materiałem wybuchowym. Związkiem bardzo do niego podobnym jest potrójnie znitrowany toluen - będący również prostą pochodną benzenu - w skrócie TNT. Jednak kwas pikrynowy, w odróżnieniu do Trotylu, jest bardzo nietrwały, wybucha od uderzenia, zgniecenia czy nawet nadmiernego podgrzania, dlatego z rzadka używa się go w charakterze spłonki, zaś wytworzenie większej ilości podczas syntezy, przynieść może nieprzewidziane skutki.


W zasadzie więc otrzymujemy dwa związki tego samego rodzaju i o takim samym wzorze sumarycznym, a jednak różnica pomiędzy nimi jest dość istotna. W przypadku izomeru orto, atom wodoru z grupy hydroksylowej leży blisko tlenu z grupy nitrowej i może pomiędzy nimi zachodzić słabe oddziaływanie nazywane wiązaniem wodorowym. W izomerze para taka sytuacja jest niemożliwa, a to z powodu zbytniego oddalenia grup. Wiązania takie mogą się jednak tworzyć między grupami hydroksylowymi jednych cząsteczek a grupami nitrowymi innych cząsteczek, przez co w ciele stałym tworzy się molekularna sieć. Fakt ten wpływa dość istotnie na właściwości fizyczne obu izomerów.
Wedle literatury [2] izomer para- topi się w temperaturze 112 °C, natomiast izomer orto- w zaledwie 46 °C - tak duża różnica jest spowodowania właśnie różną siłą związania cząsteczek ze sobą. No dobrze, mamy dwa związki, otrzymujemy je razem, w mieszaninie, i jak je teraz oddzielić? A bardzo prosto, i wykorzystujemy tu inną różnicę właściwości między izomerami - różnicę lotności z parą wodną.
Gdy skierujemy strumień gorącej pary wodnej na mieszaninę związków, jedne będą łatwo się wraz z nią ulatniać a inne trudno. Do takich łatwo lotnych nalezą olejki eteryczne kwiatów i innych części roślin, co pozwala na ich otrzymanie w stanie czystym, nadającym się do stworzenia zapachowej kompozycji perfum. Orto-nitrofenol z powodu luźniejszej struktury nie tylko jest łatwo topliwy ale i łatwo lotny, i można go oddzielić z wystarczającą selektywnością.

Po tym ogólnym wstępie czas na właściwą relację:

Wziąłem fenol mający postać jasnoróżowego proszku o bardzo intensywnym zapachu lizolu i stopiłem go z niewielką ilością wody. Do dwuszyjnej kolby wlałem stężony kwas siarkowy i chłodząc w krystalizatorze z wodą wsypałem Azotan (V) sodu, otrzymując mieszaninę nitrującą. Do środka wrzuciłem również mieszadełko magnetyczne, wyglądające jak podłużna tabletka, będące małym magnesikiem, i umieściłem na mieszadle. Gdy włączy się takie mieszadło, mały magnesik w kolbie zaczyna wirować, mieszając równomiernie ciecz i wyręczając chemika, który musiałby robić to ręcznie. Wygląda to tak.

Fenol

Do kolby podłączyłem duży wkraplacz i przelałem do niego stopiony fenol, mający postać malinowego płynu. Przez drugą szyję wprowadziłem termometr i zacząłem wkraplać płyn, cały czas sprawdzając czy temperatura nie przekracza 20 °C, w przeciwnym wypadku dolewałem do krystalizatora wodę lub dorzucałem lodu. Ta kontrola temperatury była potrzebna aby uzyskać tylko jednokrotnie znitrowany fenol, w wyższych bowiem powstaje wspomniany kwas pikrynowy, będący wszakże związkiem wybuchowym. Prowadzący zajęcia opowiadał nam, jak to kiedyś jedna ze studentek zagapiła się, i kolba się jej rozprysnęła w trakcie zajęć.
Gdy temperatura się ustabilizuje, a cały fenol zostanie dodany, zawartość kolby musi się mieszać i mieszać. Musi się mieszać bardzo i mieszać długo. Mieszać równomiernie i mieszać aż do znudzenia - dokładnie przez dwie godziny.

Gdy zawartość się już wymiesza i przereaguje, trzeba ją odstawić aż produkty, mające postać bordowo-brunatniej żywicy, oddzielą się od kwaśnego roztworu. Zawartość kolby wygląda wówczas tak:

Zawartość kolby po nitrowaniu

Kwaśny roztwór należy odlać i zmajstrować zestaw do destylacji z parą wodną. W mojej wersji wyglądał tak:

Zestaw do destylacji z parą wodną

A więc od lewej: kociołek do wytwarzania pary, mający wygląd metalowej butelki, stojący na palniku; szklana rurka zanurzona w kociołku o wolnym końcu, mająca zabezpieczać przed nagłymi skokami ciśnienia; specjalne doprowadzenie, wprowadzające strumień pary na dno kolbki; nasadka łącząca kolbkę z chłodnicą; chłodnica wodna Liebiega, będąca rurką otoczoną płaszczem w którym płynie zimna woda; i wreszcie odbieralnik, czyli zlewka na podwyższeniu, do której skapuje destylat. Bardziej czytelny rysunek.

Oddzielający się o-nitrofenol miał postać żółtego płynu. Gdy destylat stał się bezbarwny odstawiłem zlewkę na parapet aby produkt wykrystalizował. Miał postać długich, żółtych igiełek. Należało teraz przesączyć ciecz na lejku Buchnera pod zmniejszonym ciśnieniem, i na sączku został niemal czysty o-nitrofenol:

A co z p-nitrofenolem? Vogel, z którego "Preparatyki Organicznej" brałem przepis, podaje że pozostałość, po ochłodzeniu i odsączeniu, należy ogrzewać w temperaturze wrzenia z kwasem solnym i węglem aktywowanym, dla usunięcia barwnych zanieczyszczeń, przesączyć a przesącz odstawić do krystalizacji. Tego jednak na zajęciach nie robiłem. 

P-nitrofenol również ma postać jasnożółtego proszku, krystalizującego w postaci igiełek. W toku dalszych przemian można otrzymać z niego popularny lek przeciwgorączkowy - Paracetamol - stąd znaczenie jakie ma opisana synteza w przemyśle.


Gdy już otrzymało się preparat, należy go zważyć dla sprawdzenia sprawności preparowania. Vogel podaje sprawność 36%, lecz mi wyszło blisko cztery razy mniej. Najprawdopodobniej jest to wynik przegrzania, zbytnio bowiem szybko wkraplałem fenol do kolby, i nim lodem schłodziłem ją odpowiednio, temperatura podskoczyła do 30 stopni, więc część związku uległa dalszemu nitrowaniu a może i utlenieniu.

Dodatkowo należy zbadać, czy aby na pewno otrzymaliśmy dobry związek. O tym jak ważne może być takie sprawdzanie, przekonałem się będąc kiedyś na wycieczce szkolnej w laboratorium analizy elementarnej, gdzie usłyszałem anegdotę o doktorancie, który po kilku miesiącach skomplikowanej analizy dał im próbkę do potwierdzenia składu, i okazało się, że to nie to. Gdzieś popełnił błąd.

Taką prostą i szybką metodą jest porównanie temperatury topnienia otrzymanego związku z podawaną w literaturze. Aby to zrobić należy nabić niewielką ilością związku zatopioną z jednego końca kapilarkę:

Kapilarka nabita związkiem

 Aparatura do pomiaru jest nieskomplikowana, kapilarkę ze związkiem wsuwa się do podświetlanej komory z regulowanym ogrzewaniem, w której tkwi termometr. Kapilarkę obserwujemy przez okular. Podwyższamy powoli temperaturę i gdy kryształki zaczną się szklić, to jest nasączą się cieczą, sprawdzamy temperaturę i zapisujemy. Gdy związek całkowicie się stopi zapisujemy drugą temperaturę, otrzymując pewien przedział, w którym powinna się mieścić temperatura literaturowa.

W moim przypadku temperatura ta powinna wynosić 46 °C, jednak przedział jaki zmierzyłem, nie zgadzał się z tymi danymi - wyniósł 36-40 °C. Najpewniej to wynik wspomnianego przegrzania.

Komora topnienia. Po prawej - związek stały, po lewej stopiony.

Jednak pomiar temperatury jest jak widać niewystarczający, dlatego pozostałą część substancji bada się spektrometrycznie za pomocą aparatury NMR. Jeśli w otrzymanym wykresie występują takie piki jakie podaje literatura, to mamy pewność, że rzeczywiście otrzymaliśmy związek jaki był nam potrzebny.
 

I tak skończyłem syntezę. Należało tylko zmienić ubranie i wykąpać się, bo zaśmiardłem fenolem jak ze szpitala.

---------------------

Przypisy:

[1] - Zwykle obrazuje się to jako przeskok elektronu i pękniecie jednego z wiązań podwójnych pierścienia. Ponieważ do utworzenia wiązania potrzebne są dwa elektrony, po jego pęknięciu zostaje jeden niesparowany, stanowiący ów wolny ładunek. Ponieważ jednak trzy wiązania podwójne są rozmyte na cały pierścień, i każde jest niejako półtorakrotne, rzeczywista sytuacja jest trochę trudniejsza do opisu i sprowadza się do zwiększenia gęstości ładunku ujemnego w trzech miejscach.

[2] - Vogel Arthur Israel, "Preparatyka organiczna" Wydawnictwo WNT 2006 Wydanie III zmienione. - Gruba, ponad tysiącstronnicowa kniga, prawdziwa biblia preparatyków. Wszystkie dane i odniesienia dotyczą tego wydania.

Ilustracje wzorów pochodzą z Wikipedii. Zdjęcia moje.