KỸ THUẬT THỰC HÀNH HỮU CƠ

? =??? ? 1.1 Trong đó: CA: nồng độ chất tan trong dung môi trích ly A CB: nồng độ chất tan trong dung dịch cần trích ly B Muốn trích ly một chất a ra khỏi chất một chất khác b, ta phải c

BÀI 1: KỸ THUẬT THỰC HÀNH HỮU CƠ

1.1 An toàn phòng thí nghiệm

1.1.1 Sử dụng hoá chất

Để hạn chế và tránh được các tai nạn có thể xảy ra trong phòng thí nghiệm, cần lưu ý một

số điểm sau đây:

 Các chất dễ cháy không được đặt gần ngọn lửa, nguồn sinh nhiệt Không đun các chất dễ cháy bằng ngọn lửa hay bếp điện trần

 Các chất, dung môi độc hại phải được thao tác trong tủ hút

 Đặc biệt thận trọng khi thao tác với acid đậm đặc, natri kim loại, bromine (Br2), các hợp chất cyanide (CN-)…Ví dụ: Khi pha loãng sulfuric acid, không được cho nước vào sulfuric acid đậm đặc

 Không được ngửi trực tiếp các hoá chất khi chưa biết chất đó là gì, không được cúi mặt sát để nhìn khi đun hoặc khuấy trộn các chất

 Nếu bị acid đậm đặc như H2SO4, HNO3… rơi trên da, lập tức rửa kỹ và nhiều bằng nước, sau đó rửa bằng dung dịch NaHCO3 3% và cuối cùng rửa lại bằng nước

 Nếu bị dính base như KOH, NaOH… trên da, lập tức rửa kỹ và nhiều bằng nước, sau đó rửa bằng dung dịch CH3COOH 1% và cuối cùng rửa lại bằng nước

 Nếu bị hoá chất, acid, base rơi vào mắt lập tức rửa nhiều lần bằng nước Trường hợp nặng phải đi cấp cứu

tinh đang nóng Khi đun các dụng cụ thuỷ tinh ở nhiệt độ cao cần gia nhiệt từ lạnh đến nóng

 Dụng cụ thuỷ tinh rất dễ vỡ khi đun trực tiếp trên bếp điện Sử dụng bể cách cát, cách dầu, cách thuỷ hoặc lót lưới amiăng (amiant) khi đun dụng cụ thuỷ tinh

 Khi sử dụng chân không, chỉ sử dụng các dung cụ thuỷ tinh riêng chịu được chân không

 Không dùng nhiệt kế làm đũa khuấy

 Nếu bị đứt tay do mảnh thuỷ tinh, thường cho máu chảy vài giây để lôi cuốn chất bẩn ra Sau đó dùng ethanol sát trùng rồi băng lại… Trong trường hợp bị thương nặng phải đi bệnh viện

1.2 Các dụng cụ thuỷ tinh cơ bản

1.2.1 Cốc, bình tam giác

a b c

Hình 1.1

a Cốc thuỷ tinh (beaker) có thể tích từ 10ml đến 20000ml

b Bình tam giác (Erlenmeyer flask) có thể tích từ 5ml đến 6000ml

c Ống đong (cylinder) có thể tích từ 5ml đến 1000ml

cuu duong than cong com

a: bình cầu đáy bằng (flask flat bottom) 1 cổ nút nhám

b, c: bình cầu đáy tròn (flask round bottom) 1 cổ nút nhám, cổ rộng d: bình quả lê (flask pear shaped) 1 cổ nút nhám

e, f, g: bình cầu đáy tròn 2, 3 cổ nút nhám

h, i: bình chưng cất Wurtz hình cầu, quả lê k: bình chưng cất Claisen

l: bình chưng cất Claisen với cột chưng phân đoạn Vigreux

cuu duong than cong com

1.2.4 Phễu lọc

cuu duong than cong com

a b c d e f

Hình 1.4

a phễu lọc bằng thuỷ tinh cuống dài (long stem funnel)

b phễu lọc bằng thuỷ tinh cuống ngắn (short stem funnel - dùng trong quá trình lọc nóng)

c phễu lọc bằng sứ (Buchner funnel)

d phễu lọc thuỷ tinh với lớp lọc bằng xốp thuỷ tinh (Buchner funnel with fritted disc)

e phễu lọc thuỷ tinh với vỏ áo truyền nhiệt (jacketed Buchner funnel)

a, b, c, d: phễu chiết (separatory funnel)

e, f: phễu nhỏ giọt (addition funnel hay dropping funnel) g,h: phễu nhỏ giọt có bộ phận cân bằng áp suất (pressure equalising dropping funnel)

cuu duong than cong com

cuu duong than cong com

1.3 Một số kỹ thuật cơ bản trong thực hành hữu cơ

𝐾 =𝐶𝐴

𝐶 𝐵 (1.1) Trong đó: CA: nồng độ chất tan trong dung môi trích ly (A)

CB: nồng độ chất tan trong dung dịch cần trích ly (B) Muốn trích ly một chất (a) ra khỏi chất một chất khác (b), ta phải chọn dung môi trích ly

có độ hoà tan chất (a) nhiều hơn chất (b) (Ka >>Kb) Nếu hệ số phân bố nhỏ hơn 100, phải trích ly nhiều lần

Trong quá trình trích ly, với một lượng dung môi xác định không nên trích ly một lần với

số dung môi đó, mà phải chia ra nhiều lần để trích ly hiệu quả hơn Các dung môi thường dùng để trích ly là diethyl ether, toluene, ether dầu hỏa, chloroform, dichloromethane, ethyl acetate… Ngoài tính không tan trong dung dịch cần trích ly và hòa tan nhiều chất

cuu duong than cong com

cần tách ra, dung môi dùng để trích ly còn phải có nhiệt độ sôi thấp Điều này tạo sự thuận lợi trong quá trình loại dung môi thu chất cần trích ly

Phương pháp trích ly lỏng – lỏng dùng phễu chiết

Hình 1.10: Phương pháp trích ly lỏng – lỏng dùng phễu chiết

1 Lắp hệ thống phễu chiết như hình 1.10.a

2 Tháo nắp đậy phễu chiết (stopper), điều chỉnh khoá (stopcock) về trạng thái đóng

3 Cho dung dịch chất tan và dung môi trích ly vào phễu chiết sao cho tổng thể tích không quá ¾ thể tích phễu

4 Đậy chặt nắp phễu chiết Lấy phễu chiết ra khỏi giá

5 Cầm phễu chiết như hình 1.10.b Mở khoá để giải phóng các chất khí, hơi dung môi Trong quá trình chiết có thể có các phản ứng tạo khí, hoặc dung môi bay hơi làm tăng áp suất trong phễu

6 Lắc phễu chiết nhẹ nhàng và thực hiện lại bước 5 cho đến khi nào không còn có khí thoát ra

7 Trong trường hợp khi lắc hỗn hợp không tạo thành nhũ tương, lắc mạnh phễu chiết khoảng 10 lần, sau đó để yên cho cân bằng rồi chiết ra Trong trường hợp khi lắc cuu duong than cong com

hỗn hợp tạo thành nhũ tương, không phân lớp ra được thì không được lắc mạnh phễu chiết Để thúc đẩy quá trình phân lớp thì ta thường thêm ít muối ăn tinh khiết

để làm thay đổi tỷ trọng, tăng lực ion của dung dịch, cân bằng thiết lập nhanh hơn hoặc cho vào dung dịch vài giọt rượu (hoặc aceton) làm giảm sức căng bề mặt phân lớp sẽ nhanh hơn

Lưu ý: Trong quá trình chiết, không nên đổ bỏ bất cứ lớp dung dịch nào nếu không chắc chắn đâu là lớp dung dịch cần lấy

Trong quá trình trích ly, ta có thể xác định đâu là lớp dung dịch nước, đâu là lớp dung dịch kỵ nước bằng các phương pháp sau đây:

1 Màu sắc dung dịch Nếu chất có màu tan trong dung dịch nước tốt hơn trong dung môi kỵ nước thì lớp dung dịch nước sẽ có màu và ngược lại

2 Tỷ trọng của dung dịch, lớp dung dịch nào có tỷ trọng nhỏ sẽ nằm trên lớp dung dịch có tỷ trọng lớn Tuy nhiên trong một số trường hợp rất khó xác định tỷ trọng dung dịch như dung dịch của nhiều chất…

3 Lấy vài giọt dung dịch của bất kỳ lớp nào cho vào ống nghiệm chứa một ít nước, lắc nhẹ Nếu tạo thành dung dịch đồng thể thì lớp đó là lớp dung dịch nước Ngược lại nếu tạo thành hỗn hợp không tan lẫn (phân lớp hoặc tạo hỗn hợp mờ đục) thì lớp đó là lớp dung dịch kỵ nước

Rửa và trích ly là hai quá trình tương tự nhau Sự khác nhau duy nhất giữa hai quá trình này là trong trích ly chất cần lấy tan trong dung môi trích và được tách ra khỏi hỗn hợp có chứa chất bẩn ban đầu, còn trong quá trình rửa chất bẩn tan trong dung môi rửa và được lấy đi khỏi hỗn hợp ban đầu

Một số cách thường dùng để rửa:

 Rửa acid mạnh như HCl, H2SO4… bằng dung dịch Na2CO3 10%

 Rửa acid rất yếu như phenol và các dẫn xuất của phenol… bằng dung dịch NaOH 5-10%

 Rửa các base hữu cơ như aniline, trimethylamine… bằng dung dịch HCl 5-10%

 Rửa các hợp chất trung tính dùng phương pháp trích ly với các dung môi khác nhau

Phương pháp trích ly rắn – lỏng

Khi trích ly các chất nằm trong các nguyên liệu rắn, các nguyên liệu này thường được nghiền nhuyễn nhằm tăng diện tích tiếp xúc giữa nguyên liệu với dung môi trích ly giúp quá trình trích ly xảy ra nhanh hơn Dung môi trích ly được chọn có độ phân cực phù hợp

cuu duong than cong com

với độ phân cực của chất cần trích ly, sao cho chỉ hòa tan chất cần trích mà không hoặc ít hoà tan các chất tạp khác Ở quy mô phòng thí nghiệm, người ta thường trích ly rắn - lỏng bằng dụng cụ Soxhlet

Đun các chất dễ bay hơi, dễ cháy tốt nhất đun bằng hơi nước, đun cách thuỷ hoặc bếp điện kín Các chất có nhiệt độ sôi trên 100oC, các quá trình thực hiện ở nhiệt độ trên

100oC có thể đun trực tiếp bằng bếp điện hoặc bằng gas có lưới amiant đặt dưới dung cụ cần đun, hoặc đun gián tiếp cách dầu… Glycerin, dầu khoáng, parafin, cát … thường được dùng làm chất tải nhiệt Dùng glycerin có thể đun đến 200oC; đun với nhiệt độ cao hơn 300o

C tốt nhất là đun cách cát

cuu duong than cong com

Để điều hòa sự sôi, cần phải thêm từ 2-4 hạt bi thuỷ tinh xốp hoặc đá bọt (boiling stone) cho vào trước khi đun, tuyệt đối không được cho vào ở điểm gần sôi, dung dịch sẽ bị sôi bùng lên và trào ra…

Hình 1.12: Hệ thống đun hoàn lưu bằng bể cách dầu có khuấy từ

1.3.4 Làm lạnh

Có nhiều chất kết tinh ở nhiệt độ thấp, nhiều phản ứng hoá học toả nhiệt nhiều, cần phải được giải nhiệt, nhiều phản ứng thực hiện ở nhiệt độ thấp cần phải làm lạnh… Để làm lạnh trong phòng thí nghiệm, có thể sử dụng các hỗn hợp sau:

 Ba phần nước đá (nghiền nhuyễn) + một phần muối ăn: đạt nhiệt độ từ -5oC ÷ -20oC

 Bốn phần nước đá (nghiền nhuyễn) + năm phần bột CaCl2: đạt nhiệt độ -50oC

 Dùng CO2 rắn hoặc CO2 rắn + ethanol tuyệt đối: đạt nhiệt độ -70oC

Các chất thường được sử dụng để làm khan nước:

cuu duong than cong com

 Anhydrous calcium chloride (CaCl2): đây là chất có khả năng làm khan cao, rẻ tiền Tuy nhiên, do CaCl2 có tốc độ hấp phụ nước chậm nên cần phải gia nhiệt nhẹ hỗn hợp khi làm khan nước bằng CaCl2 Lưu ý: trong sản phẩm CaCl2 ngoài thị trường vẫn còn lẫn một ít Ca(OH)2 nên không dùng CaCl2 để làm khan các acid hoặc dung dịch có tính acid; CaCl2 có khả năng hình thành hợp chất với alcohol, phenol, amine, aminoacid, amide, ketone, ester và một vài aldehyde nên không thể dùng CaCl2 để làm khan dung dịch chứa các chất này

 Anhydrous magesium sulfate (MgSO4): khả năng làm khan nước tốt nhất, nhanh

và trung tính nên có khả năng làm khan được hầu hết các chất hữu cơ

 Anhydrous sodium sulfate (Na2SO4): khả năng giữ nhiều nước (tạo thành

Na2SO4.10H2O ở 32.4oC), trung tính nên được sử dụng làm khan nhiều chất hữu

cơ Tuy nhiên, Na2SO4 có tốc độ làm khan chậm và làm khan không hoàn toàn (ở nhiệt độ cao hơn 32.4oC, Na2SO4 có khả năng làm khan kém)

Bảng 1.1: Các tác nhân làm khan thường dùng

Hợp chất hữu cơ Tác nhân làm khan

R-X (X=Cl, Br, I) CaCl2, CaSO4, P2O5, MgSO4

Alcohol CaSO4, MgSO4, K2CO3, CaO

Ether, hydrocarbon no,

hydrocarbon thơm CaCl2, CaSO4, P2O5

Ketone CaSO4, MgSO4, Na2SO4, K2CO3

Acid hữu cơ MgSO4, Na2SO4, CaSO4

Làm khan chất lỏng: Lắc một chất lỏng với một lượng nhỏ chất tác nhân làm khan trong

erlen Lắc cho đến khi lớp chất lỏng trở nên trong suốt và các tác nhân làm khan vón cục Nếu không xảy ra hiện tượng trên, tiếp tục thêm một lượng nhỏ tác nhân làm khan và tiếp tục lắc cho đến khi chất lỏng được làm khan hoàn toàn Gạn hoặc lọc lấy phần chất lỏng

trong suốt Lưu ý: trong trường hợp làm khan với CaCl 2 , có thể tăng tốc quá trình làm khan bằng cách gia nhiệt nhẹ hỗn hợp làm khan

Làm khan chất rắn: Các chất rắn có thể được loại ẩm bằng cách hong khô ngoài không

khí, trong tủ sấy Các chất kém bền nhiệt thường được sấy khô trong chân không Các

cuu duong than cong com

chất dễ hút ẩm được sấy khô và bảo quản trong các bình hút ẩm (desiccator) với sự hiện diện của silica gel hoặc các tác nhân làm khan kể trên (hình 1.13)

Hình 1.13:

a Bình hút ẩm thường

b Bình hút ẩm có vòi nối với hệ thống chân không

1.4 Các phương pháp tinh chế hợp chất hữu cơ

1.4.1 Chưng cất

Chưng cất là quá trình tách một hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi khác nhau của cấu tử trong hỗn hợp Ở cùng một nhiệt độ thì cấu tử nào có áp suất hơi lớn hơn sẽ dễ bay hơi hơn, hay ở cùng một áp suất cấu tử nào có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ

dễ bay hơi hơn

Trong thực tế thường sử dụng các phương pháp chưng cất sau đây:

 Chưng cất đơn giản (simple distillation)

 Chưng cất chân không (vacuum distillation)

 Chưng cất phân đoạn (fractional distillation)

 Chưng cất lôi cuốn hơi nước (steam distillation): chưng cất lôi cuốn hơi nước trực tiếp (internal steam distillation), chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp (external steam distillation)

Vòi hút chân không

Vỉ để mẫu

Khu vực đựng chất hút ẩm

cuu duong than cong com

Three-way adapter

Wurtz flask Claisen flask Receiver adapter Vacuum distillation

adapter

multi-limb vacuum receiver

Vigreux column Dufton column Hempel column (cột đệm)

Raschig ring (vòng đệm Raschig)

Hình 1.14: Các dụng cụ thuỷ tinh dùng trong chưng cất

cuu duong than cong com

1.4.1.1 Chưng cất đơn giản

Chưng cất đơn giản được dùng phân riêng các cấu tử có nhiệt đôi sôi dưới 150oC (ở 1 atm) Điều kiện chưng cất thường:

 Các cấu tử trong hỗn hợp đem chưng cất phải tan lẫn hoàn toàn vào nhau

 Chệnh lệch nhiệt độ sôi (ở 1atm) giữa cấu tử cần phân riêng với các cấu tử khác phải lớn hơn 25oC

 Các cấu tử không bị phân huỷ ở nhiệt độ sôi

Hình 1.15:

a Hệ thống chưng cất đơn giản

b Vị trí nhiệt kế

Các bước tiến hành chưng cất đơn giản

1 Rót dung dịch cần chưng cất vào bình cầu (dung dịch không chiếm quá ½ thể tích

bình), cho vào bình cầu 2-4 viên đá bọt giúp điều hoà sự sôi

2 Lắp hệ thống như hình 1.15.a (lắp hệ thống từ trái qua phải và từ dưới lên trên)

a

b

cuu duong than cong com

Lưu ý:

 Vị trí nhiệt kế: nhiệt kế được lắp sao cho toàn bộ bầu nhiệt kế nằm ngay

dưới nhánh chạc 3 (hình 1.15.b), bầu nhiệt kế không chạm thành dung cụ

 Sinh hàn chưng cất (sinh hàn thẳng): được lắp nằm nghiêng dốc về phía bình hứng, nước vào sinh hàn ở vị trí thấp, ra ở vị trí cao; nếu chất lỏng sau chưng cất dễ bay hơi thì bình hứng cần được làm lạnh bằng nước đá Đối với các chất có nhiệt độ sôi dưới 180 o C, dùng sinh hàn nước; các chất

có nhiệt độ sôi cao hơn 180 o C, dùng sinh hàn không khí; các chất có nhiệt

độ sôi cao hơn 200 o

C không cần sinh hàn

 Vacuum adapter cần được để hở tránh sự gia tăng áp suất làm phá vỡ hệ

thống

 Nguồn nhiệt: đối với các dung dịch dễ bay hơi, dễ cháy thì cần phải chọn

nguồn nhiệt thích hợp như đun cách thuỷ, cách dầu bằng bếp điện kín, sử dung bếp cách cát

3 Kiểm tra lại hệ thống đảm bảo hệ thống được lắp chặt, không bị hở tại các khớp nối

4 Thực hiện quá trình chưng cất:

 Gia nhiệt chậm, chỉnh tốc độ gia nhiệt sao cho tốc độ nhỏ giọt tại bình hứng khoảng 10giọt/phút Tốc độ này quyết định độ tinh khiết của sản phẩm thu được

 Kiểm tra nhiệt độ đo được tại nhiệt kế, khi chưng cất phải có xuất hiện giọt lỏng ngưng tụ ở bầu nhiệt kế Nếu không xảy ra hiện tượng này thì kiểm tra xem nhiệt cung cấp đã đủ hay chưa hoặc cung cấp nhiệt quá mức

 Chọn phân đoạn cần lấy Ví dụ: muốn chưng lấy 1 chất có nhiệt độ sôi (ở 1atm) là 70oC thì phân đoạn cần lấy là 69-71oC Với khoảng chênh lệnh nhiệt độ là 2 độ thì phân đoạn thu được là khá tinh khiết

5 Sau quá trình chưng cất hệ thống cần được làm nguội hoàn toàn trước khi tháo ra Tháo hệ thống theo thư tự từ phải qua trái và từ trên xuống dưới (thứ tự ngược lại khi lắp hệ thống)

Trong một số trường hợp, dung dịch chưng cất chứa hỗn hợp đẳng phí Trường hợp này không thể tách riêng các cấu tử bằng phương pháp chưng cất đơn giản được

Ví dụ: Ở 1 atm, nước sôi ở 100oC, ethanol sôi ở 78.3oC, nhiệt độ sôi của hỗn hợp là 78.15oC Hàm lượng của nước trong hỗn hợp là 4.4%

cuu duong than cong com