Szerves laboratóriumi. gyakorlat

Átírás

1 Moduláris korszerű szakmai gyakorlatok vegyipari területre Szerves laboratóriumi gyakorlat TÁMOP /1-2F Szerves laboratóriumi gyakorlat II/14. évfolyam tanulói jegyzet

2 A kiadvány a TÁMOP /1-2F azonosító számú projekt keretében jelenik meg. Szerző: Takács Vanda Lektor: Dr. Szamos Jenőné Borító és tipográfia: Új Magyarország Fejlesztési Terv Arculati kézikönyv alapján A mű egésze vagy annak részletei az üzletszerű felhasználás eseteit ide nem értve oktatási és tudományos célra korlátozás nélkül, szabadon felhasználhatók. A tananyagfejlesztés módszertani irányítása: Observans Kft. Budapest, Igazgató: Bertalan Tamás Tördelés: Király és Társai Kkt. Cégvezető: Király Ildikó

3 Tartalomjegyzék Bevezetés...4 Szerves kémiai alapfolyamatok, a nitrálás, szulfonálás, halogénezés...5 Nitrálás...5 Nitrálható anyagok...5 Nitrálószerek...5 Reakciók...5 Nitrálást befolyásoló tényezők...7 A nitrálás ipari vonatkozása...7 Környezetvédelmi vonatkozás...7 Szulfonálás...8 Szulfonálható anyagok...8 Szulfonálószerek...8 Reakciók...8 Szulfonálást befolyásoló tényezők...9 A szulfonálás ipari vonatkozása...10 Környezetvédelmi vonatkozás...10 Halogénezés Halogénezhető anyagok...10 Halogénező szerek...10 Reakciók Halogénezést befolyásoló tényezők...12 Munka-, és balesetvédelmi vonatkozások...12 A halogénezés ipari vonatkozása...12 Környezetvédelmi vonatkozások...13 Ellenőrző feladatok Feladatlap üzemlátogatáshoz Külső szakmai gyakorlat laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás Hidrolízis, acilezés, észterezés elmélete, az észterezés gyakorlata Hidrolízis Hidrolizálható anyagok...18 Hidrolizálószerek...18 Reakciók...18 A hidrolízist befolyásoló tényezők...19 A hidrolízis ipari vonatkozásai...19 PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

4 Környezetvédelmi vonatkozások...21 Acilezés Acilezhető anyagok...21 Acilezőszerek...21 Reakciók...21 Az acilezést befolyásoló tényezők...22 Az acilezés ipari vonatkozása...22 Környezetvédelmi vonatkozások...23 Észterezés...24 Észterezhető anyagok...24 Észterezőszerek...24 Reakciók...24 Az észterezést befolyásoló tényezők...25 Az észterezés ipari vonatkozása...25 Környezetvédelmi vonatkozások...26 Ellenőrző és gyakorló feladatok...27 Feladatlap üzemlátogatáshoz...29 Külső szakmai gyakorlat...29 laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás...29 Az oxidálás, redukálás és diazotálás elmélete, komplex gyakorlata Oxidálás Oxidálható anyagok...31 Oxidálószerek...31 Reakciók...31 Oxidálást befolyásoló tényezők...33 Az oxidáció ipari vonatkozása...33 Környezetvédelmi vonatkozás...33 Redukció...34 Redukálható anyagok...34 Redukálószerek...34 Reakciók...34 Redukálást befolyásoló tényezők...36 A redukció ipari vonatkozása...36 Környezetvédelmi vonatkozás...37 Diazotálás, kapcsolás Diazotálható anyagok...37 Diazotálószerek...37 Reakciók Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

5 Diazotálást befolyásoló tényezők...39 Színezékek...40 A diazotálás, kapcsolás ipari vonatkozásai...40 Környezetvédelmi vonatkozások...40 Ellenőrző és gyakorló feladatok...40 Feladatlap üzemlátogatáshoz Külső szakmai gyakorlat laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás Gyakorlati feladatok gyakorlat Jodoform előállítása és vizsgálata gyakorlat Amil-acetát előállítása és összehasonlító elemzése gyakorlat Indigó előállítása és vizsgálata, kelmefestés...50 Függelék melléklet Jegyzőkönyv melléklet Munka- és balesetvédelmi szabályok PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

6

7 Bevezetés A szerves kémia napjainkban is nagyon fontos tudományág. Mára teljes iparágak épültek a szerves kémiával foglalkozó területekre. Fontosságát jelzi az is, hogy számtalan, a mindennapokban használt termék szerves kémiai eredetű. Ilyenek pl. a műanyagok, gyógyszerek, festékek, élelmiszeripari alapanyagok stb. Éppen ezért rendkívül fontos, hogy megismerkedjenek a szerves kémia alapfolyamatainak ipari vonatkozásaival. Előző tanulmányaik során tapasztalták, hogy nagyon szerteágazó, és sokrétű tudományról van szó. Ebben a jegyzetben megpróbáltam összeszedni néhány alapfolyamatot, amelyekkel bővíthetik tudásukat a gyakorlat során. Célok A tananyag általános célja a szerves kémiai alapfolyamatok megismerése, az elméleti tudás gyakorlati alkalmazása. Eszközök, készülékek, berendezések megismerése. Ipari folyamatok, anyagok megismerése. Követelmények Ismerje a szerves alapfolyamatok reakcióit (halogénezés, nitrálás, szulfonálás, észterezés, hidrolízis, oxidálás, redukálás, acilezés, diazotálás). Ismerje a felhasznált és előállított anyagok tulajdonságait. Ismerje a kitermelést befolyásoló tényezőket és ez alapján végezze a munkáját gazdaságosan. Tudja kiválasztani, összeállítani, működtetni és lerajzolni a szükséges készülékeket. Tudjon recept alapján adott mennyiségű anyagból szerves vegyületet előállítani a tanult szerves alapfolyamatok és műveletek alkalmazásával. Képes legyen a reakcióelegyből a termék kinyerésére és annak a tisztítására. Ismerje az anyagok környezetvédelmi vonatkozásait és a hulladékkezelést. Ismerje a munka-, és balesetvédelmi szabályokat és azok alkalmazását. Jelmagyarázat Ikon Jelentés Ez az ikon rövid célmeghatározást jelöl. Fontos ismereti anyagok, definíciók. Ezzel az ikonnal jelzett részek szórol szóra megtanulandók! Ez az ikon tanulási tippeket jelöl, amelyek segítik az anyag elsjátítását. Ez az ikon az érdekességekre hívja fel a figyelmet. Az ikon a házi feladatot, otthoni munkát jelöli. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

8 Szerves kémiai alapfolyamatok, a nitrálás, szulfonálás, halogénezés Ebben a fejezetben a nitrálás, szulfonálás és halogénezés elméletét ismétlik át, és készítenek egy halogénezett szerves preparátumot recept alapján. Megismerkednek a nitrálás, szulfonálás és halogénezés ipari vonatkozásaival. Nitrálás Nitrálásnak nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelynél nitrocsoportot (-NO 2 ) kapcsolunk a molekula egyik szénatomjához. Alkánok, aromás szénhidrogének, alkoholok, és a fentiek származékai. Nitrálható anyagok Legkönnyebben az első nitrocsoport vihető be. Ha I. osztályú szubsztituens van a benzolgyűrűn, akkor nitrálása könnyebb, mint a benzolé. Többgyűrűs, kondenzált vegyületek nitrálása szintén könnyebb, mint a benzolé. Nitrálószerek cc. HNO (65%) 3 füstölgő HNO (100%) 3 nitráló elegy (HNO :H SO = 1:2 arányú elegye) N O x y HNO szerves és szervetlen sói 3 HNO és sói 2 Benzol nitrálásának bruttó reakciója Reakciók Nitrálósav 8 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

9 Részletesen Tovább nitrálva: a nitrocsoport II. osztályú helyettesítő, tehát meta-helyzetbe fog irányítani. Toluol nitrálása: a hidroxilcsoport I. osztályú helyettesítő, tehát orto- és para-helyzetbe fog irányítani. A termék három nitrocsoportot tartalmaz, ez a TNT (trinitro-toluol). A fenol nitrálása két lépésben megy végbe, első lépésben nitrozálás, a másodikban oxidáció történik Nitrálást befolyásoló tényezők Hőmérséklet, nitrálósav összetétele: nitrálás során a nitrálósav hígulni fog, ennek a jellemzését a keletkező hulladéksav H 2 O% ában adják meg; nitrálási idő: nagyon kell ügyelni a reakció idő betartására, és a terméket el kell választani a hulladéksavtól, mert ezek miatt többszörösen nitrált termékek jöhetnek létre, amelyek robbanásveszélyesek. A nitrálás ipari vonatkozása A szerves nitrátok erősen robbanásveszélyes anyagok. Ilyen pl. a nitroglicerin, ami olyan folyadék, amely a legkisebb ütésre robbanhat. Régen ezzel robbantották a bányákat, szállítása közben sok autósofőr halt meg. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

10 Alfred Nobel volt az, aki a XIX. században a glicerin-trinitrátot kovaföldre adszorbeálta, és így létrehozta a jóval biztonságosabb robbanóanyagot, a dinamitot. Nobelt az sarkallta, hogy a nitroglicerinnel folytatott kísérletei során testvére Emil egy üzemi balesetben meghalt. Nobel az így szerzett vagyonát ajánlotta fel, hogy évről évre a világ legkiválóbb tudósait elismerjék vele. A dinamitot a mai napig használják a bányászatban, az építőiparban. Katonai felhasználása nem jellemző. A nitroglicerin veszélyessége mellet a szívgyógyászat egyik fontos anyaga. Tulajdonsága, hogy tágítja a szív ereit, ezáltal csökkenti a terhelését. Sok szívbeteg napjainkban is nitroglicerin-tartalmú tablettát szed. Hazánkban az Egis Gyógyszergyár Nyrt. állítja elő az ilyen hatóanyagú terméket és Nitromint néven forgalmazza. A robbanásveszélyes termékek közé tartozik a lőgyapot, vagy más néven nitrocellulóz. Szintén a XIX. században állították elő. Robbanószer, de önmagában nem használják, robbanóhatása 4 5-ször nagyobb a puskaporénál. Manapság már csak tűzijátékok, vadászfegyverek, sportfegyverek robbanótölteteinél alkalmazzák. Gyártásával hazánkban a Nitrokémia Zrt. foglakozik. Anyagfelhasználásukból és robbanóhatásukból következik, hogy a nitrálás folyamata és maguk a szerves nitrotermékek rendkívül veszélyesek. Nagyon körültekintően és a különleges biztonsági intézkedéseket betartva lehet velük dolgozni. Környezetvédelmi vonatkozás A nitrált termékek a környezetet erősen károsíthatják, bomlásuk és reakcióik során mérgező vegyületek szabadulhatnak fel, pl. nitrózus gázok melyek az élő és élettelen környezetre is káros hatással lehetnek. A nitrózus gázok beoldódnak a csapadékvízbe, így savas esőként jutnak vissza a földfelszínre, ahol a növények levelit megégetik, az élettelen környezetünket pedig korrodálja, elmállasztja. Mivel munka közben tömény savakat használnak, fokozottan kell ügyelni a munka- és balesetvédelmi szabályokra. Szulfonálás Szulfonálásnak nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelynél kéntartalmú, leggyakrabban szulfonsavcsoportot (-SO 3 H) kapcsolunk a molekula egyik szénatomjához. Alap szénhidrogének, telítetlen vegyületek, aromások, alkoholok. Szulfonálható anyagok 10 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

11 Amikor alkoholokat H 2 SO 4 -val reagáltatunk, tulajdonképpen észterek képződnek. A rövidebb szénatomszámú vegyületeket a szulfonálószer könnyen roncsolhatja. Cc. H SO (98%) 2 4 monohidrát (100% H SO ) 2 4 óleum (100%-os H SO -ben elnyeletett SO ) HSO Cl (klórszulfonsav) 3 SO Cl (szulfuril-klorid) 2 2 SOCl (tionil-klorid) 2 H SO (kénessav) 2 3 és a fentebb felsoroltak sói Észterképződés Szulfonálószerek Reakciók Na-lauril-szulfát (nátrium sója lúgos kémhatású, a molekulának van egy hidrofób és egy hidrofil vége is, tehát amfipatikus, jó zsíroldó, emulgeáló anyag) Benzol szulfonálásának bruttó reakcióegyenlete Kénsav bomlása Részletes reakció PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

12 Benzolszulfonsav szulfonálása (a szulfocsoport II. osztályú irányító, így meta-helyzetbe fog irányítani) Szulfonálást befolyásoló tényezők Hőmérséklet, ha túlszalad, többszörösen szulfonált termék jön létre; reakcióidő, poliszulfátok jöhetnek létre, ha hosszabbra hagyjuk a reakcióidőt; katalizátor; szulfonálószer koncentrációja. A folyamat előrehaladtával a sav hígul, így egy idő után elveszíti a szulfonálóképességét (szulfonálási Π) A szulfonálás ipari vonatkozása A szerves vegyipar nagyon előnyös eljárásnak tartja a szulfonálást, hiszen általa számtalan alapanyagot nyerhetnek, ráadásul viszonylag olcsón. A szulfonált zsírsavak pl. rendkívül jó felületaktív anyagok, emulgeáló szerek, mosószerek. A kapott anyag amfipatikus, így hatékony zsíroldó. Az apoláris része, könnyen magába zárja az apoláris zsírokat. A molekula poláris vége, ami általában nátrium, vagy kálium só, biztosítja a lúgos kémhatást. Ez fehérjeroncsoló hatása miatt fertőtlenít. Manapság a mosószerek sokféle anyagból tevődnek össze. Hazánkban az EVM Zrt. gyárt a mai napig mosószereket. Hidrogénezett növényi olajból, szulfonálással, majd lúgozással készítik termékeiket. Szulfonálással állítanak elő színezékeket is, ezek pácok, lakkok, színes festékek. A szerves színezékek napfény hatására fakulhatnak. Környezetvédelmi vonatkozás A környezet szulfátosodásának csökkentése érdekében egyre kevesebb olyan adalékanyagot tesznek a mosószerekbe, amely szulfocsoportot tartalmaz. Azonban a mosási hatékonyság szempontjából, még mindig szükség van a szulfonált zsírsavakra. A szulfátok felgyűlve a talajban csökkentik annak termőértékét. Ezért azoknak a gyáraknak, ahol szulfonálást végeznek, nagyon körültekintően kell dolgozniuk. Halogénezés Halogénezésnek nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelynél valamilyen halogén(x)atomot kapcsolunk a molekula egyik szénatomjához. 12 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

13 Telített, telítetlen, gyűrűs és aromás szénhidrogének. Halogénezhető anyagok X2 HX HOX PCl3 PCl5 SO Cl 2 2 Halogénező szerek Reakciók Szubsztitúciós reakció jellemző a telített vegyületekre. Gyökös szubsztitúció Jelölése: S R. Elektrofil szubsztitúció (szerkezetük miatt az aromások szubsztitúciós reakciót mutatnak) Szubsztituált aromásoknál figyelembe kell venni a szubsztituens irányító hatását (irányítási szabályok) Addíciós reakció jellemző a telítetlen vegyületekre. Gyökös addíció PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

14 Aromások gyökös addíciója csak szélsőséges körülmények között mehet végbe Elektrofil addíció Ebben az esetben érvényesül a Markovnyikov-szabály: a hidrogénatom arra a szénatomra kapcsolódik, ahol már eleve több volt. Halogénezést befolyásoló tényezők Hőmérséklet: a magasabb hőmérséklet kedvez a többszörösen szubsztituált termékek létrejöttének; mólarány: fontos a pontos betartása; katalizátor; közeg: elemi halogénekkel való munka esetén vízmentes, vagy inert közegben kell dolgozni. Munka- és balesetvédelmi vonatkozások A munka során köpeny, védőkesztyű, védőszemüveg használata kötelező. A jegyzőkönyvben a megadott helyre (1. melléklet) a vonatkozó R- és S-mondatokat fel kell tüntetni. Szerves vegyületeket a lefolyóba önteni szigorúan tilos, azokat az arra kijelölt gyűjtőedényekbe kell önteni! A munkavédelmi előírások betartása kötelező (2. melléklet)! Brómmal való munka esetén mindig fülke alatt dolgozzon! Használjon vastagabb védőkesztyűt, és minden körülmények között kerülje a bőrrel való érintkezést! A munka elkezdése előtt készítsen legalább 300 cm 3 Na-tioszulfát-oldatot, amelyet a munkahelye mellett tart! Miután befejezte a munkáját, fülke alatt a Na-tioszulfátos oldattal öblögesse el az eszközöket, csak ezután mosogassa el! Maradék brómot mindig töltse vissza a zárt tároló edénybe! Soha ne hagyjon brómot párologni! Üvegeszközök csapját cc. foszforsavval kell megkenni munkakezdés előtt, mert a bróm a csapzsírral reakcióba lép, és a csapok összeragadnak, az eszközök használhatatlanná válnak! A halogénezés ipari vonatkozása A hétköznapok során nagyon sok halogénezett szerves kémiai termékkel találkozhatunk. A halogénezett termékek fontosságát ez is jelzi. Számtalan ipari folyamat foglalkozik halogénezéssel. Soroljunk fel néhány halogénezett terméket, a teljesség igénye nélkül! PVC, fakonzerválók, oldószerek, gyógyszerek (sebhintőpor, jodoform), festékek. 14 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

15 A felsorolásból is látszik, hogy a mindennapi anyagaink között bőven előfordulnak halogénezett szerves termékek. Magyarországon is sok cég foglalkozik halogénezett szerves származékok gyártásával. Kettőt emelnék ki. Egyik a BorsodChem Zrt., ami műanyag alapanyagok gyártásával foglalkozik, Kazincbarcikán található nagy múltú zrt. Termékei között megtalálhatóak a PVC-porok, polimerizációs segédanyagok és a klóralkáli termékek is. A másik cég, amit kiemelnék, a Phamafax Kft. A Phamafax Kft. gyógyszerfejlesztéssel és -gyártással foglalkozik. Termékei között sok halogénezett származék található meg, pl. sebhintőporok, kenőcsök. Ebből a néhány felsorolásból is láthatják, hogy a halogénezés, mint szerves kémiai alapfolyamat ismerete nagyon fontos. A jodoform, a trijód-metán jódozott szénhidrogén. Serrulas fedezte fel 1822-ben, majd 1834-ben Dumas állapította meg a helyes összetételét. Laboratóriumi körülmények között is könnyen előállítható, sárga színű kristályos vegyület. Kellemetlen szagú az emberi orr már nanogramm nagyságrendben is érzékeli. Fertőtlenítő hatását 1879 óta ismerik. Aszeptikus hatása miatt a gyógyászatban használják a sebek külső kezelésére. Foghúzás utáni sebekre például vérzéscsillapításra és fertőtlenítésre napjainkban is magas %-ban átitatott jodoform-tampont használnak gézből. A 19. században a műtét utáni sebeket jodoformmal fújták be, amelyhez szükséges körte alakú sárga, fából készült porbefúvó eszköz a virtuális múzeumban látható. Két szétcsavarható részből állt. Az alsó rész üregébe szórt sebhintőport nyíláson át fújták a sebfelületre. Laboratóriumi körülmények között könnyen elő lehet állítani jodoformot, amely Önnek is a feladata lesz. Erre útmutatást a gyakorlatok között talál. Környezetvédelmi vonatkozások A halogénezett szerves vegyületek egy része erősen környezet- és egészségkárosító hatású. Meg kell említeni, hogy a víz klórral történő fertőtlenítése közben olyan szerves klórszármazékok jöhetnek létre, amelyek erősen károsítják a föld bioszféráját. Ennek felismerésekor a tisztítóüzemek beépítettek egy szűrőrendszert, amely ezeket a vegyületeket kiszűri, ezáltal azok nem juthatnak ki a környezetbe. Pontosan a bioszféra károsító hatása végett szigorú szabályokat kell betartani ezekkel, az anyagokkal szemben. Tárolásuk, és hulladékkezelésük speciális, megsemmisítésüket szakembereknek kell végezni. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

16 az aceton sűrűsége: 0,7899g/cm Ellenőrző feladatok 1. Egy cégtől azt a megbízást kapta, hogy adott határidővel szállítson le 234 kg jodoformot, amely legalább 99,98%-os tisztaságú. Tudja, hogy a raktáron lévő acetonja 70% tisztaságú, és van belőle 136 l, az aceton sűrűsége: 0,7899g/cm 3. 2 hetes határidőt kapott, ennyi idő alatt nem tud acetont rendelni. El kell készíteni a tervet a kivitelezésre, és választ kell adnia arra, hogy el tudja-e vállalni a munkát. 2. Számítsa ki a kitermelést, ha kiindult 9 g acetonból, és a szennyezettség 12% volt! 3. Soroljon fel néhány hétköznap használt halogénezett terméket, gyűjtsön a termékekről adatokat is! 4. Sorolja fel a vonatkozó munka- és balesetvédelmi szabályokat! 5. Írja le vázlatpontokba szedve a brómmal való munka menetét, ügyeljen az időrendi sorrendre! 16 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

17 6. Írjon rövid beszámolót (kutatás, gyűjtés alapján), hogyan tudna egy olyan üzem biztonságosan működni, amelynek fő tevékenységi köre, hogy tűzijátékhoz gyárt robbanó anyagot. 7. Alakítsanak vitacsoportot! Keressenek olyan termékeket, amelyek szulfonáltak! Vitassák meg a termékek szükségességét, azok gyakorlati hasznát! Keressenek olyan anyagokat, amelyek esetleg kiválthatják a szulfonált termékeket! Könnyebben elsajátíthatják az egyenletek megtanulását, ha papíron dolgozva memorizálnak. Az egyes témakörök megtanulásához segítséget nyújthat az internet, de vigyázzanak, mert nagyon sok téves információt is találhatnak a hálón! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

18 Feladatlap üzemlátogatáshoz Töltse ki az alábbi feladatlapot! Külső szakmai gyakorlat Laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás Feladat A szakmai gyakorlat során a laboratóriumi technikus munkaköréhez kapcsolódó üzemet vagy laboratóriumot látogat meg. A látogatás során megfigyeléseit az információs lap szempontjai alapján rendszerezze és állítson össze az adott munkahelyre vonatkozó szakmai anyagot! A külső gyakorlathoz rendelkezésre álló idő: információs lap óra. A szakmai anyag beadásának határideje a feladat elvégzését követő egy hét. Üzem vagy laboratórium neve, címe és honlap címe: Látogatás időpontja: Látogatás célja: Az üzem vagy laboratórium fő tevékenységi köre és annak kapcsolata a tananyaghoz: Az üzem vagy laboratórium által gyártott vagy vizsgált termékek: A termékek, ill. vizsgálatok beillesztése a szerves anyagok csoportjába: Az üzemi vagy kutatólaboratóriumi munka során betartandó fontosabb munka- és balesetvédelmi szabályok: 18 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

19 Egyéb megjegyzések: PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

20 Hidrolízis, acilezés, észterezés elmélete, az észterezés gyakorlata Ebben a fejezetben a tanulók a hidrolízis, acilezés, észterezés elméletét ismétlik át, és készítenek egy észterezett szerves preparátumot recept alapján. Megismerkednek a hidrolízis, acilezés és észterezés ipari- és környezetvédelmi vonatkozásaival. Hidrolízis Hidrolízisnek nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelyben a kiindulási szerves vegyület úgy reagál vízzel, sav-, vagy lúgoldattal, hogy két új vegyület jön létre. Észterek, nitrilek, halogénezett származékok, aromás szulfonsavsók. Hidrolizálható anyagok A hidrolizálható anyagok listája igen széles, csak a legfontosabbakat soroltam fel. Savak, lúgok, víz. Hidrolizálószerek Vizet csak nagyon ritkán használnak, mert kicsi a reakciókészsége. Előfordul, hogy magas hőmérsékleten tömény lúgoldattal hidrolizálnak. Lúgos hidrolízisnél minden esetben a csiszolatos eszközök csapját meg kell kenni vastagon csapzsírral, nehogy összetapadjanak és használhatatlanná váljanak. Sav hatására végbemenő bomlás Reakciók 20 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

21 Lúg hatására végbemenő bomlás Glicerin-trisztearát vízzel való bomlása glicerin-trisztearát glicerin sztearinsav Halogénezett származék bontása (ld. szerves kémia vonatkozó része a halogénezett szénhidrogének hidrolíziskészségéről) A hidrolízist befolyásoló tényezők Hőmérséklet: vizes hidrolízisnél C-on dolgoznak, savval, vagy lúggal való munka esetén a hőmérséklet csökkenthető, akár C-ra. Ömlesztésnél magas hőmérsékletet kell alkalmazni, C. Közeg: általában víz a reakciók közege. Katalizátor: tulajdonképpen a reakciókor használt sav, vagy lúg katalizátorként viselkedik, mert növeli a reakció sebességét. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

22 A hidrolízis ipari vonatkozásai Az élő szervezetben hidrolízis hatására bomlanak le a tápanyagok pl. a keményítő. A szervezetet felépítő makromolekulák is hidrolízis útján bomlanak kisebb részekre. A hidrolízis folyamatát enzimek végzik. A fehérjék aminosavakra, a poliszacharidok kisebb molekulájú diszacharidokra, monoszacharidokra, a nukleinsavak nukleotidokra hidrolizálnak. A hidrolízist katalizáló enzimek a hidrolázok. Az iparban nagy mennyiségben hidrolizálnak keményítőt, amelyből glükózt állítanak elő. A glükóz már könnyen erjeszthető etil-alkohollá. Bioetenol előállítása: A bioetanol gyártása napjainkban egy igen fontos ipari gyártási folyamat, mert alternatív energiaforrást jelent az ásványolajjal szemben. Haszna továbbá, hogy nagy mennyiségű mezőgazdasági hulladék anyag hasznosítható, illetve a gyártás során keletkező hulladék anyag állati takarmányként feldolgozható. A legtöbb szerves anyag biodegradációjának bevezető lépése a hidrolízis, a további bomlási folyamatokat az anyagi minőség és a körülmények határozzák meg. Fontos szerepe van a hidrolízisnek a szappanok és mosószerek gyártásában, ott az első lépés egy lúgos hidrolízis. A folyamatban a zsír-, vagy olajsav észtereket lúggal bontják meg, amikor is már egy az anyalúgról fölözhető szappant kapnak. A gyógyszergyártásban is nagy szerepe van a hidrolízisnek. Számos gyógyszeripari folyamatban alkalmazzák ezt a szerves kémiai alapfolyamatot. 22 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

23 Hazánkban a már említett EVM Zrt.-ben a mosószergyártás során, illetve a Richter Gedeon Gyógyszergyárban és a Biogalban alkalmazzák a hidrolízis folyamatát. Mindkét gyárban gyógyszereket, gyógyszeralapanyagokat állítanak elő hidrolízissel. A felsorolt gyárak mellett számos kisebb és nagyobb üzem állít elő hidrolizált termékeket. Környezetvédelmi vonatkozások A hidrolízisre is, mint bármely más szerves kémiai folyamatra érvényesek a munka- és balesetvédelmi szabályok. Mindezek mellett figyelembe kell venni, hogy itt sok esetben tömény savakat, illetve lúgokat alkalmaznak. Az ezekkel való munka során fokozottan kell ügyelni a szem és a bőr védelmére. A szerves hulladékok tárolására a mindenkori szabályozás érvényes, a környezetbe közvetlenül juttatni szigorúan tilos. A savak és lúgok maró hatásuk miatt nem kerülhetnek ki a környezetbe. Tekintettel arra, hogy hidrolíziskor számtalan anyagot használhatnak, fontos az anyagok ismerete, azok megfelelő, és előírásszerűen történő kezelése. Acilezés Acilezésnek nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelynél acilcsoportot (R-CO-) kapcsolunk a molekula nitrogén-, kén-, vagy oxigénatomjához. I. és II. rendű aminok fenolok, szacharidok. Acilezhető anyagok Szervetlen savak és származékai, szerves savak és származékai. Acilezőszerek A savszármazékok erélyesebb acilezőszerek. Reakciók Szénváz acilezése: Friedel Craft-reakció PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

24 Redoxireakciók Tyiscsenko-reakció Canizzaro-reakció Hőmérséklet, katalizátorok: savakat alkalmaznak, koncentráció. Az acilezést befolyásoló tényezők Az acilezés ipari vonatkozása Számtalan ipari eljárás van, amely acilezéses reakcióval készít termékeket. Pontosan a termékek széles skáláját tekintve nem törekszem a teljes felsorolásra. Néhány terméket, eljárást és üzemet szeretnék kiemelni. Az iparban az acilezést szakaszos és folytonos üzemmódban végzik. A folytonos üzemmód azt jelenti, hogy a készülékeket csak akkor állítják le, ha az üzem hosszabb időre leáll, illetve, ha a készülékeket karbantartják. A használt készülékek duplikátorok, ha nyomás alatt dolgoznak, akkor autoklávok. A készülékek szerkezeti anyagát saválló acélból készítik. Az ipari acilezés tipikus példája az acetanilid gyártása, melyet anilinből és ecetsavból állítanak elő. Hazánkban acetanilidet a Reanal Finomvegyszergyár Zrt. gyárt, de acetani lidből kiindulva készít termékeket a Nitrokémia Zrt. is. Acilezett termékek a növényvédőszerek, pl. az acetoklór, vagy a nitrofen. Számtalan gyógyszert, vagy gyógyhatású készítményt gyártanak acilezéssel. Ilyen pl. az isztopirin, vagy az aszpirin. Az aszpirin hatásos láz- és fájdalomcsillapító gyógyszer. A szalicilsavat már régóta használják az orvosok, de nagyobb mennyiségben gyomorbántalmakat okozott. A Bayer cég azonban továbbkísérletezett származékaival. Ezek közül az acetilszalicilsav mutatta a legjobb tulajdonságokat, mellékhatások 24 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

25 nélkül ben hozták forgalomba, és azóta is töretlen a sikere kisebb meghűlések, láz, izületi és izomfájdalmak gyógyítására. Bayerék Aspirin néven hozták a szert forgalomba, és le is védették. A nevet még mindig csak a Bayer cég használhatja. Magyarországon először aszpirint Wolf Emil gyártott Bayer szabadalom alapján, aki egy háromszobás lakásban kezdte meg működtetni Alka nevű vegyészeti gyárát, a későbbi Chinoint. Hazánk aszpirinje az isztopirin, vagy származéka a kalmopirin. Tudniuk kell, hogy az ipari gyártási folyamatok nem egy lépésből állnak. Egy termék létrehozása minimum kétlépéses folyamat, melyek egymástól elválaszthatóak. Manapság nagyon gyakori, hogy az alapanyagokat nem ott gyártják, ahol a terméket. A nagy, multinacionális gyárak elsősorban a gazdaságosságra törekednek, így előfordul, hogy úgy készül egy termék, hogy hozzá az alapanyagot a cég egy másik országban lévő leányvállalata állítja elő. A gyógyszergyártásban a lépéseket az is meghatározza, hogy a gyártott termék természetes, félszintetikus, vagy szintetikus anyag. Nyilvánvaló, hogy ezekhez más és más lépés tartozik, más és más szerves kémiai alapfolyamat. Környezetvédelmi vonatkozások Az acilezett termék széles skáláját tekintve, a környezetvédelmi vonatkozás is anyagspecifikus. Ugyanúgy, mint a többi alapfolyamat termékei esetén is, fontos és szükséges betartani az alapvető munka-, és balesetvédelmi szabályokat. Minden anyagot, amelyekkel munkájuk során találkozni fognak, R és S számokkal láttak el, amelyek tartalmazzák a termékekkel kapcsolatos tudnivalókat. Ezeken kívül tudniuk kell, hogy némely acilezett termék, vagy azok származékai bódító hatásúak lehetnek, illetve gyúlékonyak, robbanásveszélyesek. Ezen okok miatt is feltétlenül fontos ismerni azon anyagok tulajdonságait, amelyekkel dolgozni fognak. Az eddigiekben megismert környezetvédelmi szempontok betartása ezen anyagokra vonatkoztatva is kötelező. Savas, lúgos hulladékot a megfelelő gyűjtőedénybe kell önteni, ahogy a szerves anyagokat is. Észterezés Észterezésnek nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amikor alkoholos hidroxilcsoportot savakkal acilezünk. Alkoholok és fenolok. Észterezhető anyagok Szerves savak és szervetlen savak. Észterezőszerek PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

26 Reakciók Direkt észterezés Indirekt észterezés Egyensúlyi állandó v 1 = k 1 [sav] [alkohol] v 2 = k 2 [víz] [észter] v 1 = v 2 k 1 [sav] [alkohol] = k 2 [víz] [észter] Tömeghatás törvénye: a keletkezett anyagok koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzata osztva, a kiindulási anyagok koncentrációjának megfelelő hatványon vett szorzatával állandó hőmérsékleten és nyomáson állandó. Az észterezést befolyásoló tényezők Az észterezés reakciójakor kialakuló dinamikus egyensúly eltolásának főbb lehetőségei: kiindulási anyagok közül valamelyikük koncentrációjának növelése, keletkezett víz elvonása a rendszerből, az észter folyamatos kidesztillálása a rendszerből. Az észterezés ipari vonatkozása Az észterek olyan vegyületek, amelyek karbonsavak és alkoholok kondenzációs reakciójával keletkeznek. Csoportosításuk szénatomszám szerint is történhet. A gyümölcsészterek kis szénatomszámú észterek, gyümölcsök íz- és aromaanyagai, poláris molekulák, vízben kevéssé oldódnak, általában folyadék halmazállapotúak, élelmiszeriparban aromaként alkalmazzák őket. Az alacsony moltömegű észterek többnyire kellemes illatú folyadékok. Ezek közül a szerves savak észterei gyümölcsillatúak. Ilyen gyümölcsaroma-anyagok pl. az etil-formiát, HCOOC 2 H 5 (rum), az etil- 26 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

27 acetát, CH 3 COOC 2 H 5 (körte és málna), az amil-acetát, CH 3 COOC 5 H 11, (császárkörte), az etil-butirát, C 3 H 7 COOC 2 H 5 (ananász), az etil-izovalerianát, C 4 H 9 COOC 2 H 5, (őszibarack), az amil-izovalerianát, C 4 H 9 COOC 5 H 11 (alma). A helyzet azonban nem ennyire egyszerű, hiszen a gyümölcsök illatáért nem egy észter a felelős. A természetben előforduló illatok összetettek, az aromákat ezen illatanyagok együttese határozza meg. A kiemelt anyagok az egyes gyümölcsök aromáinak főbb összetevői. Az illatanyagok és az abból készült aromák előállítása sok esetben mesterségesen sokkal gazdaságosabb, és egyszerűbb eljárás, mint az adott gyümölcsből való izolálás. Ez azonban nem jelenti azt, hogy sokszor reprodukálni lehet egy gyümölcs illatanyagát, ezért a mai napig foglalkoznak a növényi anyagokból történő kivonással. A kinyert illatanyagok mellett így színanyagokat is kaphatnak. Úgynevezett kivonatok készítésével foglalkozik a Szilas Aroma Kft., fő profiljuk az üzletekben is kapható étkezési aromák előállítása. A Szilas Kft. már a rendszerváltás előtt üzemelt, és mind külföldre, mind belföldre megrendelésre gyártotta az aroma-, illat- és azok hordozóanyagait. A viaszok nagy szénatomszámú észterek, szilárd halmazállapotúak, apoláris molekulák, vízben nem oldódnak, vízlepergető hatású védőréteget képeznek. Az észterek egy része kiváló oldószer, festékekben, ragasztóanyagokban is megtalálhatóak. Jellemzőjük, hogy illékonyak. Az észterezési folyamat viszonylag könnyen végbemegy, de mivel a termékek specifikusak, leginkább a fentiekben említett anyagokat állítják elő. Érdekességként meg kell említenünk az amil-acetát-lámpát, amely egy Hefner Alteneck-szerkesztett lámpa, melyben amil-acetát ég, és amelynek világító erejét a fotometriában fényegységül használják. A lámpának hengeralakú, 8 mm átmérőjű tömör bele van, melynek állását a lámpának legalább már 10 percig tartó égése után akként kell szabályozni, hogy a bélcső szélétől a láng csúcsáig számított lángmagasság 40 mm legyen. Az így meghatározott láng világítóereje fényegységül szolgál. E fényegység neve egyszerűen amil-acetát-lámpa, mely egyenértékű 1,12 stearin-gyertyával, melynek lángmagassága 52 mm. Ha a láng magassága 44 mm., világítóereje éppen 1 angol spermaceti-gyertya. Emellett az amilacetát kellemes körteillatú, az élelmiszeripar használja. Amil-acetátot a gyakorlati feladat során fog készíteni (2. gyakorlat). Vékonyréteg-kromatográfia (rövidítve VRK, angolul TLC) Vékonyréteg-kromatográfiával találkozhattak már előzetes tanulmányaik során, így itt csak főbb pontokban ismertetem. A VRK egy rendkívül elterjedt elválasztási művelet, amely gyors és hatékony információt nyújt a keverékek összetételéről. Az elválasztást egy szilárd lapra felvitt vékony állófázison oldják meg. A mozgófázis folyadék. Az elválasztás elve a kapillárhatáson alapszik. Az elválást az R f -értékkel, azaz a retenciós faktorral adják meg. Az R f definíciója: az anyag vándorlási távolsága a felcseppentés helyétől osztva az oldószerfront vándorlási távolságával a felcseppentés helyétől mérve 1. Értéke kisebb, mint 1. VRK menete: szilikagéllel bevont lemezen jelölje ki a felcseppentés helyét; kapillárissal cseppentse fel a mintákat egymás mellé; száradás után a cseppentést ismételje meg; PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

28 kb. 0,5 1 cm-re a lap aljától merítse bele a lemezt a mozgófázist tartalmazó edénybe vigyázzunk, hogy a felcseppentés helye magasabban legyen, mint ahogy a lap a folyadékba merül, mert az anyag bemosódhat az eluensbe; várja meg, míg az eluens elér a lap tetejétől számított 1 1,5cm-ig; teljes száradás után detektálhatja a felfutást; vonalzóval mérje meg, hogy milyen távolságra futott a vizsgált anyag a felcseppentés helyétől; mérje meg, milyen távolságra jutott el az eluens a lap aljától; számítson R -értéket! f Környezetvédelmi vonatkozások Az észterezett termékek tűz- és robbanásveszélyesek, egyes észterek bódító hatásúak. A környezetbe juttatni szigorúan tilos. A szerves kémiai anyagokkal szembeni fokozott figyelem vonatkozik ezen anyagokra is. A hulladékot a környezetbe juttatni nem szabad, használni kell az erre rendszeresített gyűjtőedényeket. Az eljárás annak ellenére követendő, hogy a készített termékek a természetben megtalálhatóak, hiszen nagy koncentrációban szennyeznék a környezetet. Az észterek előállításakor jól szellőző helyen kell dolgozni, és ügyelni kell arra, hogy tűz ne alakulhasson ki! Ellenőrző és gyakorló feladatok 1. Írja le azokat a munka- és balesetvédelmi szabályokat, amiket egy hidrolízissel foglalkozó gyárnak be kell tartania! 2. Egy gyógyszergyárban dolgozik, ahol aszpirint gyártanak. Minden tabletta 400 mg hatóanyagot tartalmaz. Ha a megrendelés, db tablettáról szól akkor mennyi hatóanyagot kell gyártaniuk? Mennyi szalicilsavval kell számolni, ha a gyártás során 10% veszteség lép fel? 3. Írja fel az ecetsav és szóda közömbösítésekor lejátszódó reakció egyenletét! Milyen gáz fog fejlődni? Mire kell ügyelni a szódaoldattal választótölcsérben történő semlegesítés során? 28 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

29 4. Írja le a bioetanol gyártásának főbb lépéseit! Milyen jelentősége van a bioetanolnak? 5. Számítsa ki, hogy mennyi 96%-os ecetsavra lenne szükség elméletileg 150 g amil-acetát előállításához! Az ecetsav sűrűsége: 1,0492g/cm Egy élelmiszeripari cég az Ön vállalkozásától 3452 g amil-acetátot rendel, 2 hetes szállítási időtartammal. Feladata, hogy írja le lépésenként, a munka menetét. Ha 95%-os hatékonysággal dolgoznak, akkor napi 356 g amil-acetátot tudnak előállítani, amelynek a tisztasága 87%-os. Tudja-e a határidőt teljesíteni, vagy csak úgy tudja a munkát elvégezni, ha több idő áll a rendelkezésére? Ha nem teljesíthető, akkor hány napos csúszással számol? 7. Számítsa ki, mennyi az R f -értéke az anyagnak, ha az eluens futása 4,5 cm volt, míg a vizsgált anyag 3,8 cm-t futott! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

30 Töltse ki az alábbi feladatlapot! Feladatlap üzemlátogatáshoz Külső szakmai gyakorlat Laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás Feladat A szakmai gyakorlat során a laboratóriumi technikus munkaköréhez kapcsolódó üzemet vagy laboratóriumot látogat meg. A látogatás során megfigyeléseit az információs lap szempontjai alapján rendszerezze és állítson össze az adott munkahelyre vonatkozó szakmai anyagot! A külső gyakorlathoz rendelkezésre álló idő: információs lap A szakmai anyag beadásának határideje a feladat elvégzését követő egy hét Üzem vagy laboratórium neve, címe és honlap címe: óra Látogatás időpontja: Látogatás célja: Az üzem vagy laboratórium fő tevékenységi köre és annak kapcsolata a tananyaghoz: Az üzem vagy laboratórium által gyártott vagy vizsgált termékek: A termékek ill. vizsgálatok beillesztése a szerves anyagok csoportjába: 30 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

31 Az üzemi vagy kutatólaboratóriumi munka során betartandó fontosabb munka- és balesetvédelmi szabályok: Egyéb megjegyzések: PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

32 Az oxidálás, redukálás és diazotálás elmélete, komplex gyakorlata Ebben a fejezetben az oxidálás, redukálás elméletét ismétlik át, és előállítanak egy redoxiváltozáson alapulót szerves preparátumot recept alapján. Megismerkednek az oxidálás, redukálás és diazotálás, kapcsolás ipari vonatkozásaival. Oxidálás Oxidálásnak nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amelyben oxigén felvétel, vagy hidrogén leadás történik. Telített vegyületek, telítetlen vegyületek, gyűrűs vegyületek, alkoholok, oxovegyületek, aminok. Oxidálható anyagok Oxidálószerek O, 2 levegő, ózon, KMnO (lúgos, semleges és savas közegben is), 4 K Cr O (savas közegben), hipokloritok (lúgos közegben), HNO. 3 Metán kíméletes oxidációja Reakciók 32 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

33 Etén oxidációja, Bayer-próba Alkinek oxidációja Alkohol oxidációja I.rendű alkohol II. rendű alkohol III. rendű alkoholok oxidációja preparatív szempontból nem értékes folyamat Benzolgyűrű oxidációja Oldallánc oxidációja PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

34 Oxidálást befolyásoló tényezők Az oxidáció exoterm folyamat, ezért szabályozni kell a hőmérsékletet hűtéssel; katalizátor alkalmazása; mólarány betartása; oxidálószer helyes megválasztása; reakcióközeg. Az oxidáció ipari vonatkozása Az iparban kiterjedten alkalmazzák az oxidációt, mint szerves kémiai alapfolyamatot. A biológiai lebomlás is oxidáció és ezt sok természetes, vagy félszintetikus anyag előállítása során alkalmazzák. A fermentáció folyamatakor is játszódhat le oxidáció. Pl. a dohány fermentációjakor is oxidációs folyamat megy végbe, melyet baktériumtörzsek végeznek. A dohány jellegzetes illatát ezek a képződő oxovegyületek adják. Napjainkban sok szennyvíztisztító is alkalmaz oxidációs típusú fermentációt, ez a szennyvíz tisztításának egy természetes és környezetbarát lehetősége. Nagy mennyiségben állítanak az iparban elő ftálsavanhidridet, amelynek gyártása szintén oxidációs folyamat. A gyártás kontaktkatalitikus oxidáció, és o-xilolból indulnak ki. A gyártás könnyen automatizálható. Magyarországon a Richter Gedeon Zrt.-ben gyártottak ftálsavanhidridet. A ftálsavanhidrid a műanyagiparban nélkülözhetetlen alapanyag. Oxidációs eljárással állítanak elő karbonsavakat, pl. a nem biológiai érlelésű étkezési ecetsav is ezzel az eljárással készül. A mai napig használt festékanyag, az indigó előállításának is egyik fő lépése oxidáció. Könnyen végbemenő reakció, amelynek végterméke olcsó, színtartó, széles körben alkalmazható kék színű festék. Az indigót átalakítva, szálon képzett színezék nyerhető, amely könnyen használható. Eredetileg az indigót növényi anyagból állították elő, a növényi nedvek erjesztésével. Később kísérletezték ki Németországban a mesterséges indigót, amelynek előállítása sokkal olcsóbb és gyorsabb volt, mint a növényi kivonat elkészítése. Magyarországi vonatkozása is van az indigónak, hiszen a híres kékfestő anyagok színezésekor is ezt a festéket használták. Az indigó csávaszínezék, ami azt jelenti, hogy a textíliára a festék redukált formáját viszik fel, melynek színe sárga és a levegőn történő száradás közben alakul ki a kékszínű oxidált forma. Környezetvédelmi vonatkozás Az oxidációs folyamatok során használt reakciópartnerek egy része erősen környezetkárosító hatású, ezért fokozottan kell ügyelni a keletkező hulladék anyagok tárolására. Ahogy már az előző anyagok során említettem, a savak és lúgok maró hatásúak, ezeket közvetlenül nem szabad a környezetbe kijuttatni. Az alkalmazott szerves anyagokra, a mindenkori szabályok és eljárások érvényesek. Különös tekintettel kell lenni az oxidáció exoterm jellegére, és ezért a hűtést, illetve a kisebb mennyiségekkel való munkát kell előtérbe helyezni. 34 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

35 Redukció Redukciónak nevezzük azt a szerves kémiai alapfolyamatot, amikor az oxigénatomok számát csökkentjük, vagy a hidrogénatomok számát növeljük a vegyületben. Redukálható anyagok Telítetlen vegyületek; olyan vegyületek, melyek funkciós csoportja telítetlen,azaz többszörös kötést tartalmaznak ezek lehetnek: oxocsoport, azokötést tartalmazó csoport, nitrovegyületek, nitrózóvegyületek, nitrilek. Redukálószerek Hidrogén; naszcensz hidrogén; savas közegben: változó vegyértékű fémsók alacsonyabb oxidációs fokú vegyületei pl. SnCl ; 2 semleges közegben hidridek; lúgos közegben szulfidok, poliszulfidok. Etén hidrogénezése Reakciók Etin hidrogénezése Aldehidek redukciója PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

36 Ketonok redukciója Karbonsavak redukciója Nitrilek redukciója Kinon redukciója Anilin előállítása Redukálást befolyásoló tényezők Hőmérséklet: a reakció elindulásáig melegíteni kell, majd hűteni, mert a redukció exoterm folyamat; katalizátor alkalmazása pl. Pt, Pd, Raney-Ni; ph; oldószerhatás; mólarány. 36 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

37 A redukció ipari vonatkozása Redukálást az iparban nagyon sok helyen és sokféleképpen végeznek. Minden eljárás, ahol telítetlen vegyületből telítettet állítanak elő hidrogénnel, az redukció, és ez a szerves kémiai alapfolyamat igen jelentős. Használatos részlépésként a gyógyszergyártásban, benzin oktánszámának növelésekor, vagy akár a kozmetikai iparban. Nagyon sok alapanyagot gyártanak hidrogénezéssel, de ezek közül talán a legismertebb a margarin gyártása. Annak ellenére, hogy valójában ez élelmiszerkémiai eljárás maga a hidrogénezés a szerves kémiához tartozik. A margarin tulajdonképpen egy összetett anyag, amely tartalmaz vizet, sót, adalékanyagokat, és ezen kívül hidrogénezett növényi olajokat. Az eljárás során a növényekből sajtolás útján nyert olajat, katalitikusan hidrogénezik, majd keverik hozzá a többi összetevőt. Előnye, hogy olcsó, és tovább eltartható, mint a vaj, és íze könnyen alakítható. A hidrogénezés olcsó és könnyen kivitelezhető ipari eljárás. Petrolkémia: hidrodeszulfurizálás, hidrokrakk, hidrodezalkilezés, etilén hidrogénes tisztítása. Szerves vegyipar: metanolszintézis, benzol, fenol, butanal, 2-etil-hexénal, nitrobenzol hidrogénezés. Szervetlen vegyipar: ammónia szintézis, salétromsav hidrogénezése hidroxil-aminná. Élelmiszeripar: olajok, zsírok keményítése. Hidrogénezés folyamata: Környezetvédelmi vonatkozás A hidrogénezéssel kapcsolatos környezetvédelmi kérdésekre vonatkoznak az eddigiekben leírt szabályok. Amire külön kell figyelni, hogy a hidrogén a levegő oxigénjével 2:1 arányban robbanóelegyet képez, ezért az erre vonatkozó biztonsági előírások betartására nagy gondot kell fordítani. A kiindulási anyagként használt vegyszerekkel körültekintően kell bánni, a rájuk vonatkozó szabályokat szigorúan be kell tartani. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

38 Diazotálás, kapcsolás I. rendű, vagy primer aromás aminok sósavval képzett sójának salétromossavval való reakciója. Diazotálható anyagok A definíció tartalmazza a diazotálható anyagokat. Azaz az I. rendű aromás aminok sósavval képzett sói. Diazotálószerek Minden esetben salétromossavval diazotálunk. A salétromossav rendkívül könnyen bomlik, ezért felszabadítása a sójából a reakcióelegyben történik. Sósavas sóképzés Reakciók Anilin-hidroklorid reakciója salétromossavval A diazóniumsók +5 C alatt stabilak, magasabb hőmérsékleten elbomlanak Ezért tekinthetjük úgy, hogy intermedier vegyületek. Stabilizálásuk kapcsolással, vagy Sandmayer típusú reakcióval történhet. A Sandmayer-reakció N 2 -eliminációs ill. szubsztitúciós reakció. 38 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

39 Ezek N 2 -eliminációs folyamatok. Ezekben a reakciókban az aromás gyűrűre olyan szubsztituenseket lehet kapcsolni, amelyek más esetben kicsi reakciókészségük miatt nem reagálnának az aromás gyűrűvel. Reakcióegyenletben X = I. A diazóniumvegyületek savas csoportjukkal belső sót alakíthatnak ki. Ilyenkor nincs szükség savas közeg biztosítására, ellenkezőleg a vegyületet esetleg lúgban kell oldani. Ezt nevezzük közvetett, vagy indirekt diazotálásnak. A diazóniumsókat lehet kapcsolni savas vagy lúgos közegben. Savas közegben kapcsolhatók aminokkal és származékaikkal, lúgos közegben pedig fenolokkal és naftolokkal. A kapcsolás mindig orto-, vagy para-helyzetben történik. Általában parahelyzetben megy végbe, mert ortohelyzetben nem férne el a kapcsolódó partner. Azoszínezék jön létre, amely azért színes, mert az aromásgyűrű elektronjainak konjugációja több gyűrűre is kiterjedhet. Ha először belső sót alakítunk ki, akkor indirekt diazotálásról beszélünk. Direkt diazotálás metavörös-b Ha a reakcióban meta-nitroanilint reagáltatunk 1-naftollal, akkor kapjuk a metavörös-a-t, ha pedig para-nitroanilin reagál 1-naftollal, vagy 2-naftollal, kapjuk a paravörös-a-t, vagy paravörös-b-t. Diazotálást befolyásoló tényezők Közeg: 2,5-szeres savfelesleget kell alkalmazni, mert a kialakuló diazónium vegyület hajlamos az önkapcsolásra erős hűtés szükséges. PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

40 Színezékek Már évezredek óta használja az emberiség a színezékeket. Csoportosításuk nagyon sok szempont szerint történhet, most az egyiket láthatják: Ezen belül lehet még tovább bontani a csoportokat felhasználásuk szerint is. A diazotálás, kapcsolás ipari vonatkozásai A diazóniumvegyületeknek legjellemzőbb felhasználása a színezékek. Jelentőségük akkor nőtt meg, amikor a használt természetes növényi, vagy állati eredetű festékek nem bírták ellátni a növekvő igényeket,. Hosszas, de sikeres kutatás, kísérletezés végeredményeként találták meg az úgynevezett azofestékeket, amelyek széles skálán, nagy mennyiségben, és rendkívül élénk színekben pótolták a hiányt. Az azofestékek lehetnek szálon képzettek, ilyenkor a textil szövetében belül végzik a színezést, mely tartósabb és élénkebb is lehet, mint egyéb más módszerek. Diazónium vegyületekkel lehet még találkozni a gyógyszergyártás és a növényvédő anyagok gyártása során, mint közti termék. Környezetvédelmi vonatkozások Az alapanyagokra, reagensekre és termékekre vonatkozó szabályokat be kell tartani. A színezékek nem juthatnak a környezetbe, mert erősen mérgező hatásúak lehetnek az élő szervezetekre nagy koncentrációban. Ezeket az anyagokat is, annak ellenére, hogy előállításuk egyszerű, különös odafigyeléssel kell kezelni. Színük miatt erősen megfesthetik a környezetet, melyet nem, vagy csak nagyon nehezen lehet a későbbiekben eltávolítani. 40 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

41 Ellenőrző és gyakorló feladatok 1. Milyen munka- és balesetvédelmi szabályokat kell betartani redukciós folyamatoknál? 2. Számítsa ki, hogy ha 3678 g anilint akar készíteni nitrobenzoból, akkor ahhoz, hány dm 3 st. állapotú H 2 -re lesz szüksége! 3. Számítsa ki, hogy és jelölje, hogy az alábbi anyagokban hogyan változik az oxidációs szám! Írja föl a reakcióegyenleteket is! Etanol oxidációja ecetsavvá. Metanal oxidációja metánsavvá. 2-hidroxi-propán oxidációja dimetil-ketonná. 4. Készítsen metavörös-b-t, a kiindulási anyagól használjon 54,6 g-ot. Ha a kitermelés 89%-os, mennyi termék keletkezik? PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

42 5. Szennyeződésmentesen akar előállítani 456,3 g metavörös-a-t. Azonban a kiindulási anyaga 12% szennyezőanyagot tartalmaz. Mennyi 1-naftolt kell használnia? 6. Készítsen tervet egy olyan üzem biztonságos működéséhez, ahol oxidációs folyamatok zajlanak! Nézze meg, hogy milyen anyagokat használhat az az üzem, ahol ecetet állítanak elő! Vegye számba a legszükségesebb intézkedéseket! 7. Soroljon fel néhány katalizátort, amelyeket redukciós eljárások során alkalmaznak! Mi a szerepe ezen katalizátoroknak? Írja le a katalizátorok működési elvét néhány mondatban! 42 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

43 Feladatlap üzemlátogatáshoz Töltse ki az alábbi feladatlapot! Külső szakmai gyakorlat Laboratóriumlátogatás/üzemlátogatás Feladat A szakmai gyakorlat során a laboratóriumi gyakorlat témaköréhez kapcsolódó üzemet vagy laboratóriumot látogat meg. A látogatás során megfigyeléseit az információs lap szempontjai alapján rendszerezze és állítson össze az adott munkahelyre vonatkozó szakmai anyagot! információs lap A külső gyakorlathoz rendelkezésre álló idő: óra. A szakmai anyag beadásának határideje a feladat elvégzését követő egy hét. Üzem vagy laboratórium neve, címe és honlap címe: Látogatás időpontja: Látogatás célja: Az üzem vagy laboratórium fő tevékenységi köre és annak kapcsolata a tananyaghoz: Az üzem vagy laboratórium által gyártott vagy vizsgált termékek: A termékek ill. vizsgálatok beillesztése a szerves anyagok csoportjába: Az üzemi vagy kutató laboratóriumi munka során betartandó fontosabb munka- és balesetvédelmi szabályok: PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F

44 Egyéb megjegyzések: 44 Szerves laboratóriumi gyakorlat tanulói jegyzet II/14. évfolyam

45 Gyakorlati feladatok 1. gyakorlat Jodoform előállítása és vizsgálata Feladat Szerves preparatív laboratóriumban dolgozik, ahol mellékhatásoktól mentes fertőtlenítőhatású jódtartalmú készítmények előállításával kísérleteznek. Ön azt a feladatot kapta, hogy a hatásvizsgálatokhoz összehasonlításként állítsa elő a jodoformot acetonból kiindulva, majd számítsa ki a termelési százalékot! Ezt követően végezze el az előállított termék vizsgálatát, s a tapasztalatait és az eredményeket hasonlítsa össze az irodalmi értékekkel! A gyakorlat elvégzéséhez rendelkezésre álló idő: 5 óra. INFORMÁCIÓS LAP A jegyzőkönyv beadásának határideje a feladat elvégzését követő 1 hét. A jodoform előállításának reakcióegyenlete 3 KI + 3 NaOCl = 3 NaOI + 3 KCl A jodoform előállításának menete Szükséges anyagok: kálium-jodid, aceton, hipó. A 600 cm 3 -es főzőpohárba 100 cm 3 vízben 6,00 g KI-ot oldunk, majd hozzáadunk 2,0 cm 3 acetont. Az elegyhez lassan, kevergetés közben mérőhengerrel 300 cm 3 háztartási hipót öntünk, a jodoform sárga csapadékként kiválik. 20 percig állni hagyjuk tömörödés céljából. A jodoformot Büchner-tölcséren leszűrjük, kb. háromszor 10 cm 3 vízzel alaposan átmossuk. A szárítást infralámpa alatt, tömegállandóságig végezzük. A jodoform vizsgálata Végezzen vizsgálatokat a készített jodoformból és a kapott sebhintőporból az alábbi szempontok alapján és hasonlítsa össze tapasztalatait az irodalmi értékekkel: olvadáspont, szín, állag! Az eredményeket vesse össze a csoportjában lévőkével! Vitassák meg a kapott értékeket, a preparátum minősége és, mennyisége alapján! PETRIK TISZK TÁMOP /1-2F