Giáo trình Thí nghiệm hóa hữu cơ: Phần 2

Phần 2 cuốn giáo trình Thí nghiệm hóa hữu cơ đã trình bày các nội dung: Tổng hợp tert-pentyl chloride, sắc ký cột, tách các chất lỏng bằng phương pháp chưng cất, tổng hợp hương liệu isopentyl acetate, sắc ký lớp mỏng. Mời các bạn bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

BÀI TÁCH CÁC CHẤT LỎNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT Mục tiêu thí nghiệm: Sau học xong này, sinh viên có khả năng: • Trình bày nguyên tắc kỹ thuật chưng cất, phân biệt chưng cất đơn chưng cất phân đoạn • Áp dụng kỹ thuật chưng cất đơn chưng cất phân đoạn nhằm tách hỗn hợp chất lỏng • Xây dựng đồ thị nhiệt độ theo thể tích trình chưng cất • Đánh giá kết chưng cất hỗn hợp chất lỏng sử dụng hai phương pháp chưng cất khác 4.1 NHỮNG KIẾN THỨC LIÊN QUAN CẦN ĐỌC TRƯỚC Nhiệt độ sôi Lý thuyết chưng cất Định luật Konovolov giản đồ cân lỏng - hệ hai cấu tử trộn lẫn vào Kỹ thuật đo lường thể tích Kỹ thuật đun nóng 4.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Nhiệt độ sơi chất lỏng nhiệt độ mà áp suất chất lỏng áp suất môi trường Sự khác biệt thành phần pha pha lỏng dung dịch sở để tách cấu tử từ dung dịch phương pháp chưng cất Nhiệt độ sôi cấu tử áp suất định khác biệt nhiều phân tách dễ thực Tùy vào chênh lệch nhiệt độ sôi chất lỏng cần chưng cất mà lựa chọn kỹ thuật chưng cất phù hợp Phạm vi áp dụng kỹ thuật chưng cất trình bày Bảng 2.4.1 63 Bảng 2.4.1: Các tiêu chí kỹ thuật chưng cất Kỹ thuật chưng cất Các tiêu chí - Các chất lỏng trộn lẫn vào Kỹ thuật chưng cất đơn (Hình 2.4.2) Kỹ thuật chưng cất phân đoạn (Hình 2.4.3) Kỹ thuật chưng cất chân không - Nhiệt độ sôi chất lỏng < 150oC atm - Độ chênh lệch nhiệt độ sôi chất >25oC - Các chất lỏng trộn lẫn vào - Nhiệt độ sôi chất lỏng < 150oC atm - Độ chênh lệch nhiệt độ sôi chất 150oC atm Hình 2.4.1: Cân lỏng - hệ hai cấu tử tan lẫn vào 64 Hình 2.4.2: Hệ thống chưng cất đơn phịng thí nghiệm Hình 2.4.3: Hệ thống chưng cất phân đoạn phịng thí nghiệm 65 4.3 HỐ CHẤT VÀ DỤNG CỤ 4.3.1 Hoá chất Ethanol 100 mL Nước cất 100 mL 4.3.2 Dụng cụ Tên dụng cụ Số lượng Bình cầu 250 mL 02 Nhiệt kế 100oC 02 Ống sinh hàn ruột thẳng 02 Khớp nối chưng cất nhánh 01 Cột chưng cất phân đoạn 01 Bếp gia nhiệt 01 Khớp nối cong 02 Bộ giá đỡ + kẹp 02 Đá bọt Ống đong 50 mL 02 Bếp cách thủy 01 4.4 TIẾN TRÌNH THÍ NGHIỆM 4.4.1 Chưng cất đơn Bước 1: Cho hỗn hợp gồm 50 mL ethanol 50 mL nước cất vào bình cầu 250 mL; Thêm viên đá bọt vào bình cầu; Bước 2: Lắp hệ thống chưng cất đơn Hình 2.4.2, mở hệ thống nước hoàn lưu; Bước 3: Tiến hành gia nhiệt từ từ để chất lỏng bắt đầu sôi Duy trì 66 q trình sơi chất lỏng Theo dõi nhiệt kế, ghi nhận nhiệt độ giọt chất lỏng hứng ống đong (ống thu nhận chất lỏng), lúc cần điều chỉnh bếp để đạt tốc độ chưng cất mong muốn (10 giọt/phút); Bước 4: Ghi nhận nhiệt độ chưng cất hàm theo thể tích chất lỏng thu Mỗi mL chất lỏng hứng được, ghi nhận nhiệt độ lần; Bước 5: Chưng cất đến khoảng 20 mL chất lỏng bình cầu tắt bếp, ngừng chưng cất Sau hệ thống nguội hẳn tắt nước hệ thống hoàn lưu 4.4.2 Chưng cất phân đoạn Thực tương tự thí nghiệm chưng cất đơn với hệ thống chưng cất ráp Hình 2.4.3 4.4.3 Xây dựng đồ thị phân tích kết Bước 1: Xây dựng đồ thị nhiệt độ theo thể tích phương pháp chưng cất đơn chưng cất phân đoạn hệ trục Bước 2: Giải thích kết thu phương pháp Bước 3: Nhận xét giải thích khác biệt kết thu sử dụng hai phương pháp chưng cất khác Bước 4: Kết luận 4.5 NƠI ĐỔ CHẤT THẢI VÀ CHẤT THU HỒI Ethanol sau chưng cất chuyển vào bình thu hồi ethanol (45 mL thu từ hỗn hợp chất lỏng) Phần chất lỏng thu giai đoạn chất lỏng cịn lại bình cầu đổ vào bồn rửa Đá bọt thu hồi để vào nơi để dụng cụ thí nghiệm 4.6 CÂU HỎI Câu 1: Hãy trình bày nguyên tắc kỹ thuật chưng cất, phân biệt chưng cất đơn chưng cất phân đoạn Câu 2: Nêu vài ứng dụng kỹ thuật chưng cất thực tế 67 Câu 3: Tính phần mol cấu tử hỗn hợp sử dụng kỹ thuật chưng cất đơn chưng cất phân đoạn thí nghiệm Câu 4: Tại thí nghiệm thu hồi 45 mL ethanol mà khơng thu hồi tồn 50 mL lượng ban đầu? Câu 5: Đề xuất tối thiểu phương pháp để kiểm tra độ tinh khiết chất lỏng sau chưng cất từ kiến thức học Câu 6: Tại thí nghiệm này, chất thải đổ bỏ trực tiếp vào bồn rửa mà khơng bỏ vào bình đựng chất thải hữu cơ? Câu 7: Một sinh viên thực thí nghiệm chưng cất tương tự thí nghiệm sử dụng acetone thay ethanol Dự đốn kết thu hai trường hợp sử dụng chưng cất đơn chưng cất phân đoạn Có xảy khác biệt lớn khơng? Hãy giải thích Câu 8: Để tách hỗn hợp gồm hexane nước, sinh viên đề nghị sử dụng kỹ thuật chưng cất phân đoạn Đề xuất có phù hợp khơng? Hãy giải thích Câu 9: Có thể sử dụng kỹ thuật chưng cất để tách hỗn hợp nhiều hai chất lỏng khơng? Hãy giải thích Câu 10: Trong trình chưng cất phân đoạn, nhiệt độ khác biệt cột chưng cất phân đoạn theo chiều từ lên trên? Giải thích Câu 11: Trong q trình thực thí nghiệm chưng cất, sinh viên vừa thu giọt chất lỏng phát chưa bỏ đá bọt vào bình cầu chưng cất Trong trường hợp bạn sinh viên nên làm gì? Vai trị đá bọt gì? Câu 12: Một sinh viên thực thí nghiệm chưng cất nhận thấy kết nhiệt độ thang nhiệt kế không ổn định Hãy đưa vài lý đề nghị biện pháp khắc phục Câu 13: Tại không ghi nhận nhiệt độ sôi chất lỏng đến chưng cất hết chất lỏng bình mà dừng lại bình cịn khoảng 20 mL chất lỏng? 68 BÀI TỔNG HỢP HƯƠNG LIỆU ISOPENTYL ACETATE Mục tiêu thí nghiệm: Sau học xong này, sinh viên có khả năng: • Trình bày quy trình tổng hợp isopentyl acetate • Tổng hợp isopentyl acetate thông qua phản ứng acetic acid isopentyl alcohol • Áp dụng kỹ thuật chiết để tách isopentyl acetate khỏi hỗn hợp sau phản ứng • Áp dụng kỹ thuật chưng cất để tinh chế isopentyl acetate 5.1 NHỮNG KIẾN THỨC LIÊN QUAN CẦN ĐỌC TRƯỚC Ester phản ứng tổng hợp ester Kỹ thuật chiết Kỹ thuật chưng cất Các kỹ thuật đo lường thể tích khối lượng Kỹ thuật lọc Các kỹ thuật đun nóng làm lạnh 5.2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5.2.1 Ester phản ứng tạo ester Ester dẫn xuất carboxylic acid với cấu trúc tổng quát RCOOR’ Ester điều chế nhiều cách Phương pháp thông dụng chuyển carboxylic acid thành ester cách xử lý với alcohol, xúc tác acid Quy trình gọi phản ứng ester hố Fischer (Hình 2.5.1) O MeOH R O + OH [H ] R OMe H2O Hình 2.5.1: Phản ứng tổng hợp tạo ester từ carboxylic acid methanol 69 Phản ứng tạo ester từ carboxylic acid alcohol xảy qua 06 bước (Hình 2.5.2) (1) Chuyển proton: tác dụng xúc tác, nguyên tử oxygen alcohol bị proton hố sau proton chuyển sang nhóm carbonyl carboxylic acid Sự proton hố làm tăng tính điện tử carbon nhóm carbonyl (2) Cộng nhân: cặp electron tự nguyên tử oxygen công vào carbon nhóm carbonyl acid thơng qua phản ứng cộng nhân (3) Chuyển proton: phân tử alcohol trung hoà tách proton từ sản phẩm trung gian Bước (2) (4) Chuyển proton: Một hai nhóm -OH sản phẩm trung gian Bước (3) bị proton hố thơng qua q trình chuyển proton từ phân tử alcohol bị proton hố (5) Tách H2O: nhóm -OH bị proton hố chuyển thành nhóm -O+H2, nhóm xuất tốt, tách loại (6) Chuyển proton: điện tích dương sản phẩm trung gian trung hồ thơng qua q trình chuyển proton, từ hình thành sản phẩm cuối ester Hình 2.5.2: Cơ chế tổng quát phản ứng ester hoá Fischer Theo chế Bước (2) alcohol cơng vào nhóm carbonyl carboxylic acid bước quan trọng Yếu tố lập thể đóng vai trị định lên tốc độ ester hố Tốc độ hình thành ester giảm chướng ngại lập thể tăng: 70 CH3COOH > CH3CH2COOH > (CH3)2CHCOOH > (CH3)3CCOOH Yếu tố lập thể alcohol đóng góp quan trọng vào tốc độ ester hố Thứ tự ester hoá acetic acid alcohol sau: CH3OH > CH3CH2OH > (CH3)3CCH2OH Phản ứng ester hoá Fischer q trình chuyển nhóm acyl từ acid sang alcohol Acid chloride acid anhydride tác nhân cung cấp nhóm acyl hiệu chúng chứa nhóm xuất tốt so với carboxylic acid Ngoài ra, dẫn xuất có khả phản ứng cao giai đoạn cơng nhân alcohol vào nhóm carbonyl Vì sản phẩm phản ứng ester hố Fischer có diện nước, nên lựa chọn xúc tác có tính hút nước kỹ thuật loại nước nhằm nâng cao hiệu suất ester hố Ngồi ra, phản ứng ester hoá Fischer thuận nghịch nên việc dùng dư hai tác chất ban đầu giúp nâng cao hiệu suất Thực tế, dùng tác chất dư liên quan đến vần đề an toàn kinh tế 5.2.2 Ester isopentyl acetate Ester dẫn xuất carboxylic acid Do số loại ester có mùi trái hay mùi hoa, nên ester thường sử dụng phụ gia tạo mùi thơm thực phẩm Các hợp chất dễ bay trái hoa thường hỗn hợp nhiều chất, ester thường thành phần chính, nhiều hỗn hợp ester Isopentyl acetate hay gọi isoamyl acetate, chất lỏng khơng màu, tan nước, tan nhiều dung môi hữu Isopentyl acetate tinh khiết hỗn hợp gồm isopentyl acetate, amyl acetate số chất dễ bay khác gọi dầu chuối Ngồi ra, isopentyl acetate cịn dùng làm dung môi sơn chất dẫn dụ côn trùng Isopentyl acetate sản phẩm isopentyl alcohol acetic acid mơi trường H2SO4 (Hình 2.5.3) 71 OH O + Isopentyl alcohol H2SO4 HO Acetic acid O + HOH O Isopentyl acetate Hình 2.5.3: Phản ứng tổng hợp isopentyl acetate từ isopentyl alcohol acetic acid 5.3 HỐ CHẤT VÀ DỤNG CỤ 5.3.1 Hố chất Isopentyl alcohol 20 mL Acetic acid 25 mL Sulfuric acid 5,0 mL Dung dịch NaHCO3 5% 250 mL Dung dịch NaCl bão hoà 10 mL Na2SO4 khan 2,0 g Đá bọt viên 5.3.2 Dụng cụ Tên dụng cụ Số lượng Bình cầu đáy tròn 01 cổ 100 mL 29/32 02 Ống sinh hàn ruột bóng 29/32 01 Ống sinh hàn ruột thẳng 29/32 01 Pipet 10 mL 03 Pipet mL 01 Ống bóp cao su 01 Cá từ 4x10 mm 01 72 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CN HỐ HỌC-THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THÍ NGHIỆM HỐ HỮU CƠ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI TỔNG HỢP HƯƠNG LIỆU ISOPENTYL ACETATE Ngày thí nghiệm: ĐIỂM Lớp: Nhóm: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Chữ ký GVHD A CHUẨN BỊ BÀI THÍ NGHIỆM (Sinh viên phải hoàn thành trước trước vào PTN làm thí nghiệm) Mục tiêu thí nghiệm Tính chất vật lý tính an tồn hố chất Tên hợp chất Isopentyl alcohol Acetic acid 122 Cấu trúc MW mp (oC) bp (oC) Tỷ trọng Tính an tồn Sodium bicarbonate Sodium chloride Sodium sulfate Quy trình tiến hành thí nghiệm a) Tổng hợp isopentyl acetate Vẽ hình hệ thống tổng hợp isopentyl acetate kèm thích rõ ràng b) Tách isopentyl acetate kỹ thuật chiết Vẽ sơ đồ trình chiết tách isopentyl acetate khỏi hỗn hợp sau phản ứng c) Tinh chế isopentyl acetate kỹ thuật chưng cất Vẽ hình hệ thống chưng cất isopentyl acetate kèm thích rõ ràng B BÁO CÁO Q TRÌNH THÍ NGHIỆM (Sinh viên hồn thành phần theo nhóm thí nghiệm) 123 Mô tả tượng xảy trình tổng hợp isopentyl acetate a) Tổng hợp isopentyl acetate b) Tách isopentyl acetate kỹ thuật chiết c) Tinh chế isopentyl acetate kỹ thuật chưng cất Kết thí nghiệm (Ghi rõ cách tính tốn hiệu suất) Nhiệt độ sơi isopentyl acetate (oC): Khoảng nhiệt độ sôi isopentyl acetate (oC): Thể tích isopentyl acetate lý thuyết (mL): Thể tích isopentyl acetate trước chưng cất (mL): Thể tích isopentyl acetate sau chưng cất (mL): Hiệu suất tổng hợp (%): Bàn luận kết tổng hợp isopentyl acetate Cơ chế phản ứng tổng hợp isopentyl acetate C TRẢ LỜI CÂU HỎI 124 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CN HỐ HỌC-THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THÍ NGHIỆM HỐ HỮU CƠ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI SẮC KÝ LỚP MỎNG Ngày thí nghiệm: ĐIỂM Lớp: Nhóm: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Chữ ký GVHD A CHUẨN BỊ BÀI THÍ NGHIỆM (Sinh viên phải hồn thành trước trước vào PTN làm thí nghiệm) Mục tiêu thí nghiệm Tính chất vật lý tính an tồn hố chất Tên hợp chất Cấu trúc MW mp (oC) bp (oC) Tỷ trọng Tính an toàn n-Hexane 125 Ethyl acetate Acetone Methanol Sodium sulfate Silica gel Quy trình tiến hành thí nghiệm a) Liệt kê bước thực TLC phân tích định tính b) Tiến trình thí nghiệm TLC phân tích định tính chi tiết Vẽ sơ đồ q trình thí nghiệm sắc ký lớp mỏng (gợi ý: dùng hình ảnh) c) Liệt kê bước thực TLC phân tích định lượng d) Tiến trình thí nghiệm TLC phân tích định lượng chi tiết Vẽ sơ đồ q trình thí nghiệm sắc ký lớp mỏng điều chế (dùng hình ảnh) B BÁO CÁO Q TRÌNH THÍ NGHIỆM (Sinh viên hồn thành phần theo nhóm thí nghiệm) TLC phân tích định tính 126 a) Mơ tả tượng xảy q trình thí nghiệm TLC phân tích định tính b) Kết TLC phân tích định tính Dán hình TLC phân tích định tính mẫu Hệ dung môi giải ly: c) Tính tốn Rf d) Nhận xét TLC phân tích định lượng a) Mơ tả tượng xảy q trình thí nghiệm TLC phân tích định lượng b) Kết TLC phân tích định lượng Dán hình TLC sản phẩm sau tách TLC định lượng so sánh với mẫu hỗn hợp ban đầu Hệ dung môi giải ly: 127 c) Tính tốn Rf d) Nhận xét C TRẢ LỜI CÂU HỎI 128 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CN HOÁ HỌC-THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THÍ NGHIỆM HỐ HỮU CƠ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI SẮC KÝ CỘT Ngày thí nghiệm: ĐIỂM Lớp: Nhóm: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Chữ ký GVHD A CHUẨN BỊ BÀI THÍ NGHIỆM (Sinh viên phải hoàn thành trước trước vào PTN làm thí nghiệm) Mục tiêu thí nghiệm Tính chất vật lý tính an tồn hố chất Tên hợp chất Cấu trúc MW mp (oC) bp (oC) Tỷ trọng Tính an tồn n-Hexane 129 Acetone Ethyl acetate Methanol Sodium sulfate Silica gel Quy trình tiến hành thí nghiệm a) Liệt kê bước thực sắc ký cột b) Tiến trình thí nghiệm sắc ký cột chi tiết Vẽ sơ đồ q trình thí nghiệm sắc ký cột (gợi ý: dùng hình ảnh) B BÁO CÁO Q TRÌNH THÍ NGHIỆM (Sinh viên hồn thành phần theo nhóm thí nghiệm) Mô tả tượng xảy trình thí nghiệm sắc ký cột Mô tả tượng xảy q trình thí nghiệm sắc ký lớp mỏng sản phẩm tách từ sắc ký cột 130 Kết sắc ký cột a) Chất màu vàng - Thể tích (mL): - Màu sắc: - Rf: b) Chất màu xanh - Thể tích (mL): - Màu sắc: - Rf: Kết sắc ký lớp mỏng sản phẩm thu Dán hình TLC mẫu: dịch chiết mồng tơi, chất màu vàng, chất màu xanh Hệ dung môi giải ly: d) Nhận xét C TRẢ LỜI CÂU HỎI 131 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA CN HỐ HỌC-THỰC PHẨM BỘ MƠN CƠNG NGHỆ HỐ HỌC THÍ NGHIỆM HỐ HỮU CƠ BÁO CÁO THÍ NGHIỆM TỔNG HỢP tert-pentyl Chloride BÀI Ngày thí nghiệm: ĐIỂM Lớp: Nhóm: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Tên: MSSV: Chữ ký GVHD A CHUẨN BỊ BÀI THÍ NGHIỆM (Sinh viên phải hoàn thành trước trước vào PTN làm thí nghiệm) Mục tiêu thí nghiệm Tính chất vật lý tính an tồn hố chất Tên hợp chất tert-Pentyl alcohol 132 Cấu trúc MW mp (oC) bp (oC) Tỷ trọng Tính an tồn Hydrochloric acid tert-Pentyl chloride Sodium bicarbonate Sodium chloride Sodium sulfate Silver nitrate Quy trình tiến hành thí nghiệm (Sinh viên trình bày hình vẽ sơ đồ mơ tả lại bước tiến hành thí nghiệm) a) Tổng hợp tert-pentyl chloride b) Tách tert-pentyl chloride khỏi hỗn hợp sau phản ứng c) Kiểm tra định tính sản phẩm với thuốc thử AgNO3 B BÁO CÁO Q TRÌNH THÍ NGHIỆM (Sinh viên hồn thành phần theo nhóm thí nghiệm) Mơ tả tượng xảy q trình tổng hợp tert-pentyl alcohol 133 a) Tổng hợp tert-pentyl chloride b) Tách tert-pentyl alcohol khỏi hỗn hợp sau phản ứng c) Kiểm tra định tính sản phẩm với thuốc thử AgNO3 Kết thí nghiệm (Ghi rõ cách tính tốn hiệu suất) Khối lượng tert-pentyl chloride lý thuyết (g): Khối lượng tert-pentyl chloride thực tế (g): Hiệu suất tổng hợp (%): Bàn luận kết tổng hợp tert-pentyl chloride Cơ chế phản ứng tổng hợp tert-pentyl chloride C TRẢ LỜI CÂU HỎI 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Kim Phi Phụng (2003), Thực tập Hoá hữu 1, NXB Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 125 trang Tiếng Anh Donald L Pavia, Gary M Lampman, George S Kriz, Randall G Engel (2013), A Microscale Approach to Organic Laboratory Techniques, Brooks/Cole, Cengage Learning - 5th edition, 1042 pages Jerry M Mohrig, David G Alberg, Gretchen E Hofmeister, Paul F Schatz, Christina Noring Hammond (2014), Laboratory Techniques in Organic Chemistry, W H Freeman and Company, 4th edition, 556 pages 135 ... nhiệt độ nóng chảy kèm thích B BÁO CÁO Q TRÌNH THÍ NGHIỆM (Sinh viên hồn thành phần theo nhóm thí nghiệm) Thí nghiệm lựa chọn dung môi kết tinh a) Mô tả tượng xảy thực thí nghiệm lựa chọn dung... b) Kết thí nghiệm lựa chọn dung mơi kết tinh c) Bàn luận kết thí nghiệm lựa chọn dung mơi kết tinh Thí nghiệm q trình kết tinh 111 a) Mơ tả tượng xảy q trình thực thí nghiệm kết... phẩm tính hiệu suất q trình kết tinh c) Bàn luận kết thí nghiệm kết tinh Thí nghiệm q trình thăng hoa a) Mơ tả tượng xảy q trình thực thí nghiệm thăng hoa