Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Hóa Hữu Cơ.pdf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM HÓA HỮU CƠ BIÊN SOẠN TS Lê Xuân Tiến TS Lê Vũ Hà KS Lê Xuân Huy TP HCM, 08/2021 HƯỚN[.]

Kỹ thuật thực hành hóa hữu cơ

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

Bạn cần thận trọng khi làm việc với các chất acid đậm đặc như sulfuric acid, kim loại natri, bromine (Br2) và các hợp chất cyanide (CN-) Đặc biệt, khi pha loãng sulfuric acid, không nên thêm nước vào acid đậm đặc để tránh phản ứng nguy hiểm và gây bỏng Việc xử lý an toàn các chất này là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn phòng thí nghiệm và tránh tai nạn.

 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

Khi da bị acid đậm đặc như H2SO4 hay HNO3 rơi trực tiếp, cần phải rửa ngay lập tức bằng nhiều nước để làm loãng chất acid Sau đó, sử dụng dung dịch NaHCO3 3% để trung hòa và giảm thiểu tổn thương trên da Cuối cùng, nên rửa lại bằng nước sạch để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn các chất hóa học còn sót lại và bảo vệ làn da khỏi những tổn thương nghiêm trọng.

Nếu chẳng may bị dính dung dịch kiềm như KOH hoặc NaOH trên da, cần lập tức rửa kỹ và nhiều lần bằng nước để loại bỏ chất gây kích ứng Sau đó, nên sử dụng dung dịch axit acetic 1% để trung hòa kiềm, rồi rửa lại với nước sạch để đảm bảo an toàn cho da.

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

1.1.2 Sử dụng các dụng cụ thuỷ tinh

Thuỷ tinh là loại vật liệu dễ vỡ, đòi hỏi thao tác nhẹ nhàng, cẩn thận để tránh gây vỡ hoặc hư hỏng Khi làm việc với dụng cụ thuỷ tinh, người dùng cần chú ý từng bước để đảm bảo an toàn và giữ cho vật phẩm luôn trong tình trạng tốt nhất Việc xử lý thủy tinh một cách cẩn thận giúp hạn chế rủi ro vỡ, đồng thời kéo dài tuổi thọ của dụng cụ và đảm bảo hiệu quả trong quá trình sử dụng.

 Trước khi sử dụng các dụng cụ thuỷ tinh cổ nhám, các cổ nhám cần phải được bôi trơn bằng silicone hoặc vaseline

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

 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

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Các dụng cụ thuỷ tinh cơ bản

Các loại dụng cụ thủy tinh phòng thí nghiệm phổ biến gồm có cốc thủy tinh (beaker) với dung tích từ 10ml đến 20.000ml, bình tam giác (Erlenmeyer flask) có thể tích từ 5ml đến 6.000ml, và ống đong (cylinder) với dung tích từ 5ml đến 1.000ml Các thiết bị này đều được sử dụng để đo đạc chính xác và đựng mẫu trong các hoạt động nghiên cứu và thí nghiệm khoa học.

1.2.2 Bình cầu và bình chưng cất a b c d e f g h i k l

Hình 1.2 trình bày các loại bình chứa hóa chất phổ biến trong phòng thí nghiệm, bao gồm bình cầu đáy bằng, bình cầu đáy tròn cổ rộng, bình quả lê, bình cầu đáy tròn nhiều cổ, bình chưng cất Wurtz hình cầu và quả lê, cùng với bình chưng cất Claisen và bình chưng cất Claisen kết hợp cột chưng phân đoạn Vigreux Các loại bình này được sử dụng để chứa, phản ứng, và chưng cất các hợp chất hóa học, phù hợp với từng mục đích kỹ thuật và đặc tính phản ứng Việc lựa chọn loại bình phù hợp giúp tối ưu quá trình phản ứng và tăng hiệu quả trong các hoạt động phòng thí nghiệm.

Hình 1.3 trình bày các loại sinh hàn là thiết bị quan trọng trong quá trình làm lạnh Các kiểu sinh hàn bao gồm sinh hàn không khí (air condenser), sinh hàn ruột thẳng (Liebig – condenser), sinh hàn ruột bầu (Allihn – condenser), sinh hàn ruột xoắn (Graham – condenser), trong đó chất tải lạnh ngoài ống xoắn giúp tăng hiệu quả làm lạnh Ngoài ra, còn có loại sinh hàn ruột xoắn (Graham – condenser) với chất tải lạnh di chuyển trong ống xoắn để tối ưu quá trình làm lạnh.

The article discusses various types of laboratory filtering funnels, including the long stem glass filter funnel, ideal for general filtration purposes, and the short stem glass funnel, which is suitable for hot filtration processes It also highlights the Buchner funnel made of ceramic, commonly used for vacuum filtration, along with the Buchner funnel with a fritted disc, which provides efficient filtration through a porous glass filter Additionally, the jacketed Buchner funnel features a thermal jacket that helps control temperature during filtration, ensuring optimal conditions for sensitive substances.

Hình 1.5 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)

1.2.6 Một số hệ thống thí nghiệm a b c d

Hình 1.6 trình bày nhiều hệ thống đun hoàn lưu khác nhau, bao gồm hệ thống đun hoàn lưu có quan sát nhiệt độ, giúp theo dõi nhiệt độ trong quá trình đun Hệ thống đun hoàn lưu có phễu nhỏ giọt cho phép kiểm soát chính xác lượng dung môi hoặc chất lỏng chảy ra Ngoài ra, còn có hệ thống lắp cánh khuấy cơ kết hợp với phễu nhỏ giọt để nâng cao hiệu quả trộn đều trong quá trình đun Đặc biệt, hệ thống đun hoàn lưu có lắp khuấy từ, nhiệt kế và phễu nhỏ giọt, giúp kiểm soát nhiệt độ chính xác, tối ưu quá trình đun và pha chế các hợp chất.

Một số kỹ thuật cơ bản trong thực hành hữu cơ

1.3.1 Lọc trọng lực và lọc chân không

Hình 1.7: Hệ thống lọc trọng lực

Hình 1.8 e Cách gấp giấy lọc hình nón f Cách gấp giấy lọc hình rẻ quạt

Hình 1.9: Hệ thống lọc chân không

Trích ly là quá trình chuyển một chất ở dạng hòa tan hay dạng huyền phù sang một pha lỏng khác

Chất hòa tan phân bố giữa hai pha lỏng không tan hoặc ít tan theo định luật Nerst, quy định rằng tỷ lệ nồng độ của chất ở hai pha là không đổi tại một nhiệt độ xác định Theo định luật Nerst, nồng độ của chất hòa tan trong mỗi pha giữ nguyên tỷ lệ này, đảm bảo cân bằng hòa tan-ức chế Điều này giúp hiểu rõ quá trình phân bố của chất hòa tan trong các hệ hỗn hợp lỏng, góp phần tối ưu hóa các quy trình công nghiệp và phân tích hóa học.

10 tan trong tướng lỏng A và tướng lỏng B không hoà tan vào nhau ở trạng thái cân bằng là một hằng số, gọi là hằng số phân bố (K)

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)

Để trích ly chất (a) khỏi chất (b), cần chọn dung môi có khả năng hòa tan chất (a) cao hơn (Ka >>Kb) Khi hệ số phân bố nhỏ hơn 100, quá trình trích ly phải được thực hiện nhiều lần để đạt hiệu quả mong muốn.

Trong quá trình trích ly, nên chia nhỏ quá trình trích ly thành nhiều lần với cùng lượng dung môi để đạt hiệu quả tối ưu Các dung môi thường dùng để trích ly gồm diethyl ether, toluene, ether dầu hỏa, chloroform, dichloromethane và ethyl acetate Ngoài đặc tính không tan trong dung môi cần trích ly và khả năng hòa tan các chất cần tách, dung môi còn phải có nhiệt độ sôi thấp để thuận lợi trong việc loại bỏ dung môi sau quá trình trích ly.

Phương pháp trích ly lỏng – lỏng dùng phễu chiết a b

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 khụng quỏ ắ thể tớch 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 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 có nhiều điểm tương đồng, nhưng khác biệt chính nằm ở mục đích và phương pháp thực hiện Trong quá trình trích ly, chất cần chiết xuất sẽ tan trong dung môi trích và được tách ra khỏi hỗn hợp ban đầu chứa chất bẩn, giúp cô đặc hoặc tinh chế chất mong muốn Ngược lại, quá trình rửa nhằm loại bỏ chất bẩn khỏi hỗn hợp bằng cách rửa chất đó trong dung môi để lấy đi các tạp chất không mong muốn Cả hai phương pháp đều quan trọng trong quá trình xử lý và tinh chế các hợp chất hóa học.

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

Trong quá trình trích ly các chất từ nguyên liệu rắn, nguyên liệu thường được nghiền nhuyễn để tăng diện tích tiếp xúc với dung môi, giúp quá trình trích ly diễn ra nhanh hơn Dung môi trích ly phù hợp về độ phân cực để hòa tan chất cần trích, đồng thời ít hoặc không hòa tan các chất tạp khác Ở quy mô phòng thí nghiệm, phương pháp thường dùng để trích ly rắn từ dung môi là dụng cụ Soxhlet, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình chiết xuất.

Hình 1.11: Hệ thống trích ly Soxhlet

Trong các quá trình tổng hợp hữu cơ, việc gia nhiệt thường được thực hiện ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng để đảm bảo hiệu quả phản ứng Trong phòng thí nghiệm, các phương pháp gia nhiệt phổ biến bao gồm sử dụng bếp điện, đèn gas, đun cách thủy hoặc sử dụng hơi nước để duy trì nhiệt độ phù hợp cho quá trình phản ứng.

Để đun các chất dễ bay hơi, dễ cháy một cách an toàn và hiệu quả, nên sử dụng phương pháp đun bằng hơi nước, đun cách thủy hoặc bếp điện kín Các chất có nhiệt độ sôi trên 100°C thường cần được đun ở nhiệt độ cao hơn, phù hợp với các quy trình công nghiệp hoặc phòng thí nghiệm để đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình xử lý.

Bạn có thể đun sôi ở 100°C bằng bếp điện hoặc gas có lưới amiant dưới dụng cụ cần đun Các chất dùng làm chất tải nhiệt bao gồm glycerin, dầu khoáng, parafin, cát, trong đó glycerin có thể chịu nhiệt đến 200°C và đun ở nhiệt độ trên 300°C nên dùng cách cát để tránh nguy hiểm Để điều hòa sự sôi và tránh trào dầu, cần thêm 2-4 hạt bi thuỷ tinh xốp hoặc đá bọt (boiling stone) vào trước khi đun, không nên thêm khi dung dịch gần sôi để tránh sôi bùng và trào ra gây nguy hiểm.

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

Nhiều chất kết tinh ở nhiệt độ thấp, gây ra các phản ứng hóa học tỏa nhiệt mạnh, do đó cần phải giải nhiệt hiệu quả Nhiều phản ứng hiện tượng diễn ra tốt hơn ở nhiệt độ thấp, vì vậy việc làm lạnh là vô cùng cần thiết trong quá trình thí nghiệm Để đảm bảo nhiệt độ phòng thí nghiệm luôn ổn định, có thể sử dụng các hỗn hợp làm lạnh đa dạng như các dung dịch hoặc hỗn hợp phù hợp, góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình thực hiện các phản ứng hóa học.

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

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

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

 CO2 rắn + ether: đạt nhiệt độ -77 o C

 CO2 rắn + acetone: đạt nhiệt độ -78 o C

Trước khi tiến hành chưng cất hoặc lưu trữ, các chất lỏng cần được làm khô nước để đảm bảo hiệu quả và an toàn, bằng cách sử dụng các chất làm khan (desiccant hoặc drying agent) Các chất thường được sử dụng để làm khô nước bao gồm silica gel, canxi oxit, natri sunfat khan và các loại desiccant khác, giúp loại bỏ độ ẩm còn sót lại trong chất lỏng một cách hiệu quả Việc làm khô nước trước khi chưng cất không những nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng mà còn bảo vệ thiết bị, tránh phản ứng phụ do nước gây ra.

Các phương pháp tinh chế hợp chất hữu cơ

Chưng cất là quá trình tách hỗn hợp lỏng thành các thành phần riêng biệt dựa trên sự khác biệt về độ bay hơi Khi ở cùng nhiệt độ, thành phần có áp suất hơi cao hơn dễ bay hơi hơn, giúp quá trình chưng cất hiệu quả hơn Ngược lại, tại cùng áp suất, thành phần có nhiệt độ sôi thấp hơn sẽ dễ bay hơi hơn, đóng vai trò quan trọng trong quá trình tách chất trong các ứng dụng công nghiệp và hóa học.

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)

Steam distillation is a key method for extracting essential oils, including internal (direct) steam distillation and external (indirect) steam distillation Internal steam distillation involves the direct application of steam to plant material, allowing efficient extraction of volatile compounds External steam distillation, on the other hand, uses steam generated outside the plant material chamber to facilitate oil separation Both techniques are essential in the essential oil industry for obtaining high-quality extracts through efficient distillation processes.

Khu vực đựng chất hút ẩm

Thermometer adapter Multiple adapter Claisen adapter Claisen - Vigreux adapter

Wurtz flask Claisen flask Receiver adapter Vacuum distillation adapter multi-limb vacuum receiver

Vigreux column Dufton column Hempel column

Raschig ring (vòng đệm Raschig)

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

Chưng cất đơn giản được dùng phân riêng các cấu tử có nhiệt đôi sôi dưới 150 o C (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 25 o C

 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 Rút dung dịch cần chưng cất vào bỡnh cầu (dung dịch khụng chiếm quỏ ẵ thể tớch 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)

 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 a b

Sinh hàn chưng cất (sinh hàn thẳng) thường lắp đặt nằm nghiêng dốc về phía bình hứng để dễ dàng tháo nước ra, và bình hứng cần được làm lạnh bằng nước đá đối với các chất dễ bay hơi Đối với các chất có nhiệt độ sôi dưới 180°C, nên sử dụng sinh hàn nước; còn với các chất có nhiệt độ sôi cao hơn 180°C, nên dùng sinh hàn không khí Các chất có nhiệt độ sôi trên 200°C thường không cần sinh hàn để duy trì quá trình chưng cất hiệu quả.

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

Trong việc xử lý các dung dịch dễ bay hơi, dễ cháy, việc chọn nguồn nhiệt phù hợp là vô cùng quan trọng Các phương pháp tối ưu bao gồm đun cách thủy, dùng bếp điện kín để cách nhiệt, hoặc sử dụng bếp cách cát nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình truyền nhiệt.

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:

Chỉnh tốc độ gia nhiệt phù hợp, thường là khoảng 10 giọt/phút tại bình hứng, giúp kiểm soát quá trình gia nhiệt chậm và đều đặn Tốc độ này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tinh khiết của sản phẩm cuối cùng Việc điều chỉnh tốc độ nhỏ giọt phù hợp là bước quyết định chất lượng và độ sạch của sản phẩm thu được.

Trong quá trình chưng cất, cần kiểm tra nhiệt độ đo được trên nhiệt kế, đảm bảo có sự xuất hiện của giọt lỏng ngưng tụ ở bầu nhiệt kế để xác nhận quá trình đang diễn ra bình thường Nếu không thấy hiện tượng ngưng tụ, cần kiểm tra xem nguồn nhiệt đã đủ mức hoặc có bị cung cấp quá mức hay không để điều chỉnh phù hợp, đảm bảo quá trình chưng cất đạt hiệu quả cao.

Chọn phân đoạn cần lấy là bước quan trọng trong quá trình chưng cất, ví dụ, nếu muốn thu lấy chất có nhiệt độ sôi ở 1atm là 70°C, phân đoạn cần lấy sẽ nằm trong khoảng 69-71°C Việc chọn khoảng chênh lệch nhiệt độ khoảng 2°C giúp tăng độ tinh khiết của phân đoạn thu được, đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt chất lượng mong muốn.

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, khiến cho việc tách riêng các thành phần bằng phương pháp chưng cất đơn giản trở nên không khả thi Điều này đòi hỏi các kỹ thuật phân tích phức tạp hơn để phân biệt và tách các cấu tử một cách hiệu quả.

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

Chưng cất chân không thường được dùng phân riêng các cấu tử có nhiệt đôi sôi lớn hơn

150 o C (ở 1 atm) Điều kiện chưng cất chân không:

 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 25 o C

 Nhiệt độ sôi của các cấu tử cần phân riêng lớn hơn 150 o C (ở 1 atm)

 Các cấu tử trong hỗn hợp đem chưng cất dễ bị phân huỷ tại nhiệt độ sôi của chúng (ở 1atm) a b

Hình 1.16 a Hệ thống chưng chân không b Hệ thống chưng chân không có quan sát nhiệt độ 1.4.1.2 Chưng cất phân đoạn

Hình 1.17: Hệ thống chưng cất phân đoạn

Chưng cất phân đoạn là phương pháp dùng để tách các cấu tử hòa trộn dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ sôi nhỏ hơn 25°C (ở 1 atm) Quá trình này sử dụng chuỗi liên tiếp của quá trình bay hơi và ngưng tụ trong cột chưng cất để phân tách các thành phần một cách hiệu quả.

20 đoạn Bằng cách chưng cất phân đoạn lặp lại nhiều lần, có thể tách riêng các cấu tử lỏng ra riêng biệt ở dạng tinh khiết

1.4.1.3 Chưng cất lôi cuốn hơi nước

Hình 1.18: Hệ thống chưng cất lôi cuốn hơi nước gián tiếp

Chưng cất lôi cuốn hơi nước là phương pháp hiệu quả để tách các chất hữu cơ không tan hoặc ít tan trong nước, bởi vì quá trình này không phản ứng với nước và diễn ra dưới điều kiện áp suất hơi đủ lớn tại 100°C, 1 atm.

Chưng cất lôi cuốn hơi nước giúp hạ nhiệt độ sôi của hỗn hợp thấp hơn so với nhiệt độ sôi của các thành phần riêng lẻ và thấp hơn 100°C, giúp tránh phân huỷ do nhiệt độ cao Phương pháp này thường được sử dụng để chưng cất các chất có nhiệt độ sôi cao như dầu, tinh dầu từ thực vật hoặc các chất dễ bị nhựa hoá.

Các chất trong hỗn hợp có thể được tách ra bằng phương pháp đun trực tiếp hỗn hợp với nước (chưng lôi cuốn hơi nước trực tiếp) hoặc dẫn hơi nước vào hỗn hợp (chưng lôi cuốn hơi nước gián tiếp) Quá trình này khiến hơi nước mang theo các chất cần tách ra, sau đó được làm lạnh ngưng tụ lại thành hỗn hợp không tan lẫn nhau của nước và các chất hữu cơ kỵ nước Phương pháp này giúp chiết xuất lớp chất hữu cơ kỵ nước chứa các cấu tử cần thiết để tách rời dễ dàng, phù hợp trong các quá trình lý hóa phân tích hoặc công nghiệp.

Kết tinh lại là phương pháp phổ biến để tinh chế các chất rắn, giúp loại bỏ tạp chất hiệu quả Kỹ thuật này dựa trên độ tan của chất trong các dung môi khác nhau theo nhiệt độ, từ đó xác định phương pháp phù hợp để đạt được độ tinh khiết cao nhất Việc chọn lựa dung môi và điều kiện nhiệt độ khi kết tinh là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình tinh chế.

21 Điều quan trọng trong kết tinh là phải lựa chọn được dung môi thích hợp Dung môi được chọn phải đáp ứng yêu cầu sau:

 Hoà tan được các chất ở nhiệt độ cao (nhiệt độ sôi của dung môi)

 Không hoà tan các chất ở nhiệt độ thấp (thấp hơn nhiệt độ phòng)

 Ở nhiệt độ thấp, dung môi phải hoà tan hoàn toàn các chất bẩn hoặc giữ các chất bẩn kết tinh chậm hơn chất cần làm tinh

 Dung môi không phản ứng hoá học với chất tan, dung môi được chọn có nhiệt độ sôi thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của chất rắn khoảng 10-15 o C

Chất phân cực dễ tan trong dung môi phân cực, trong khi các chất không phân cực dễ hòa tan trong dung môi không phân cực Dựa vào cấu trúc và độ phân cực của các chất cũng như của dung môi, ta có thể dự đoán sơ bộ các loại dung môi phù hợp cho quá trình kết tinh Độ phân cực của dung môi có thứ tự từ thấp đến cao như sau: hexane < cyclohexane < tetrachloromethane < toluene < benzene < diethyl ether < dichloromethane < chloroform.

Cách tính hiệu suất phản ứng

Tính lượng sản phẩm tạo thành theo lý thuyết:

Gọi: MA, MB, MC lần lượt là khối lượng phân tử của các chất A, B, C

Hàm lượng lý thuyết chất C được tạo thành tính theo chất A là:

𝑥 𝑀 𝐴× 𝑎 (1.2) Trong đó: a là số mol chất A đem phản ứng

Trong phản ứng hóa học hữu cơ nhằm tăng hiệu suất, người ta thường để dư một trong hai chất phản ứng vì chất dư phải là chất rẻ hơn và dễ loại bỏ sau phản ứng Hiệu suất phản ứng được tính dựa trên lượng chất tham gia ít hơn để đảm bảo chính xác hơn trong đánh giá kết quả phản ứng Nếu chất B thừa theo lý thuyết, hiệu suất được tính dựa trên chất A, và ngược lại, nhằm phản ánh đúng năng suất của phản ứng.

Hiệu suất phản ứng tính theo % = 𝑚′

𝑚 × 100% (1.3) Trong đó: m – khối lượng tính theo lý thuyết m’ – khối lượng nhận được bằng thực nghiệm

Trường hợp các phản ứng hữu cơ thuận nghịch có hiệu suất không cao, hiệu suất chính xác phải tính như sau:

Thí dụ: phản ứng ester hoá

Ban đầu : a b 0 m (mol) Cân bằng : a-x b-x x x+m (mol)

Hiệu suất phản ứng tính theo % = 𝑥′

Hằng số cân bằng của phản ứng được xác định bằng công thức 𝑥 × 100%, trong đó, K là hằng số cân bằng, m, a, b lần lượt biểu thị số mol nước, axit acetic và nước ban đầu trong phản ứng Giá trị của x thể hiện số mol este tạo thành theo lý thuyết, còn x' là số mol ester thu được từ thực nghiệm, giúp đánh giá hiệu quả phản ứng và độ chính xác của quá trình tổng hợp Việc tính toán chính xác các giá trị này là quan trọng để phân tích mức độ tiến triển của phản ứng hóa học, phù hợp với các quy chuẩn SEO về từ khóa liên quan đến định lượng phản ứng hóa học và hằng số cân bằng.

Tổng hợp ò-naphthol da cam

Naphthol da cam (CTPT: NC6H4SO3Na, tên IUPAC: sodium 4-[(2E)-2-(2-oxonaphthalen-1-ylidene)hydrazinyl]benzenesulfonate), còn gọi là acid orange 7 hay Orange II, là thuốc nhuộm azo thường dùng để nhuộm sợi len Nó có dạng tinh thể màu cam sáng, nóng chảy ở 164°C và tan tốt trong nước (116 g/l ở 25°C) Naphthol da cam được tổng hợp qua phản ứng ghép nối azo giữa β-naphthol và muối diazonium của sulfanilic acid, như trình bày chi tiết trong sách “Kỹ thuật thực hành tổng hợp hữu cơ” ở trang 57-64 và 76-88.

Hỡnh 1 Qui trỡnh tổng hợp ò-naphthol da cam từ sulfanilic acid

STT Hóa chất Lượng cần dùng

STT Tên dụng cụ SL

8 Bình lọc chân không - 250 ml 1

Kỹ năng cần chuẩn bị

- Chuẩn bị hỗn hợp sinh hàn cho phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thấp

- Thực hiện các phản ứng nối tiếp nhau

- Kiểm soát phản ứng bằng cách điều chỉnh pH của hệ

- Hòa tan sulfanilic acid trong beaker bằng 5 ml dung dịch NaOH 2 N

- Hòa tan NaNO2 trong một beaker khác bằng 10 ml nước, rồi thêm 2/3 dung dịch này vào dung dịch sodium sulfanilate ở trên

Làm lạnh hỗn hợp đến khoảng 0°C bằng hỗn hợp đá-muối, sau đó từ từ thêm 1.5 ml HCl vào và giữ ở nhiệt độ thấp Khuấy đều trong 5 phút rồi tiếp tục thêm từ từ 1 ml HCl, theo sau là lượng NaNO2 còn lại Kiểm tra pH của hệ phản ứng bằng giấy đo pH để đảm bảo điều kiện phù hợp Khi các tinh thể của muối diazonium bắt đầu xuất hiện, tiếp tục khuấy và duy trì nhiệt độ thấp để quá trình phản ứng diễn ra hiệu quả.

- Hòa tan β-naphthol trong dung dịch NaOH 5% Làm lạnh dung dịch thu được cho đến khi đạt khoảng 0 o C

Rót hỗn hợp chứa muối diazonium vào dung dịch β-naphthol để tiến hành phản ứng tạo hợp chất azo Tiếp tục khuấy đều trong 30 phút để đảm bảo phản ứng hoàn chỉnh, sau đó thêm NaCl vào và khuấy thêm 5 phút để kết tủa sản phẩm Cuối cùng, ngâm beaker chứa sản phẩm trong bể đá trong 1 giờ để làm lạnh và kết tinh, giúp thu được sản phẩm chất lượng cao.

- Lọc lấy sản phẩm dưới áp suất kém, rửa bằng vài 5 ml nước lạnh và sấy khô ngoài không khí

- Đánh giá màu sắc sản phẩm sau khi lọc và sau 1 tuần ở điều kiện thường, từ đó dự đoán và giải thích thành phần tạp chất trong sản phẩm

Tổng hợp dibenzylideneacetone

Dibenzylideneacetone hay còn được biết với tên thương mại là dibenzalacetone (DBA) là một hợp chất hữu cơ tổng hợp

CTPT: C17H14O, tên IUPAC: 1,5-diphenyl-1,4-pentadien-3-one

Nhiệt độ nóng chảy: 107-113 o C (đồng phân trans, trans)

Dibenzalacetone là chất rắn màu vàng nhạt không tan trong nước, tan tốt trong n-hexane, toluene, benzene và tan vừa phải trong ethanol, ethyl acetate

Hình 1 Công thức cấu tạo của DBA

DBA có công thức cấu tạo đặc biệt giúp hấp thụ tia UV và bảo vệ da khỏi tác hại của ánh nắng mặt trời, đồng thời không gây kích ứng cho da Vì vậy, DBA được sử dụng phổ biến trong các sản phẩm chống nắng để nâng cao hiệu quả bảo vệ da khỏi tác nhân gây hại từ ánh nắng mặt trời Ngoài ra, DBA còn đóng vai trò là một ligand quan trọng trong lĩnh vực hóa học cơ kim, góp phần vào các ứng dụng nghiên cứu và phát triển mới trong ngành công nghiệp hóa chất.

Trong lĩnh vực công nghiệp và phòng thí nghiệm, DBA thường được tổng hợp qua phản ứng ngưng tụ Claisen-Schmidt giữa benzaldehyde và acetone, sử dụng dung dịch NaOH làm xúc tác Quá trình này đảm bảo hiệu quả cao trong việc sản xuất DBA, một hợp chất quan trọng trong nhiều ứng dụng.

Hình 2 Phản ứng ngưng tụ giữa benzaldehyde và acetone trong dung dịch NaOH

Trong quá trình tạo thành DBA, hơn 90% đồng phân dạng trans được hình thành, góp phần vào hiệu quả và độ tinh khiết của phản ứng Ngoài phản ứng chính, còn xảy ra các phản ứng phụ cạnh tranh như phản ứng ngưng tụ aldol của acetone và phản ứng Cannizarro của benzaldehyde, dẫn đến hình thành các sản phẩm phụ như monobenzalacetone Hiểu rõ các phản ứng cạnh tranh này giúp tối ưu hóa quá trình tổng hợp và nâng cao năng suất sản phẩm cuối cùng.

11 Cá từ 30 mm trong hộp 1

12 Nút cao su có lỗ 1

14 Bể kim loại điều nhiệt 1

- Bảo quản và sử dụng những hóa chất không bền trong không khí hoặc dễ bay hơi ở nhiệt độ phòng

- Tăng độ chọn lọc của phản ứng có nhiều phản ứng cạnh tranh khác

- Rửa sản phẩm hữu cơ rắn để loại những hợp chất không mong muốn

- Kết tinh lại trong dung môi hữu cơ

Hình 3 Hệ thống phản ứng tổng hợp DBA trong phòng thí nghiệm

- Hòa tan 3.5 g NaOH trong bình tam giác (loại 250 ml) với 35 ml nước và 28 ml ethanol Khuấy đều và ổn định nhiệt độ trong khoảng 20 o C đến 25 o C (Hình 3)

CBHD chuẩn bị hỗn hợp gồm 3.6 ml (0,035 mol) benzaldehyde và 1,3 ml (0,0175 mol) acetone trong một beaker nhỏ đã được làm lạnh trong bể đá, sau đó đậy kín Một nửa lượng hỗn hợp này được thêm vào dung dịch NaOH, khuấy đều và duy trì nhiệt độ từ 20°C đến 25°C trong 15 phút để phản ứng diễn ra hiệu quả Tiếp theo, phần còn lại của hỗn hợp được chuyển vào bình tam giác (sau khi tráng lại beaker bằng khoảng 5 ml cồn) và tiếp tục giữ ở nhiệt độ tương tự thêm 30 phút để hoàn tất quá trình phản ứng.

- Làm lạnh bình tam giác trong bể đá trong khoảng 15 phút rồi lọc dưới áp suất thấp

- Phân tán lại sản phẩm rắn vào 150 ml nước trong bình tam giác, khuấy kỹ rồi lọc dưới áp suất thấp, rửa sản phẩm thô bằng nước

- Sấy khô, cân để ghi nhận khối lượng sản phẩm thô Lưu lại toàn bộ sản phẩm cho bài thí nghiệm tiếp theo

- Cho DBA thô vào bình tam giác (loại 150 ml), kết tinh lại bằng cồn (Đọc kỹ hướng dẫn kết tinh lại đơn dung môi ở Bài 1)

- Lọc dưới áp suất thấp, rửa tinh thể DBA bằng một ít cồn lạnh

- Trích một ít sản phẩm, sấy khô nhanh rồi đo Tnc

- Sấy khô phần còn lại trong một tuần ở nhiệt độ phòng, cân và tính hiệu suất

Tổng hợp benzoic acid

Benzoic acid là axit cacboxy thơm đơn giản nhất, đóng vai trò là hợp chất trung gian trong quá trình sinh tổng hợp các hợp chất chuyển hóa thứ cấp Đây còn là tiền chất quan trọng trong ngành công nghiệp hóa học để sản xuất nhiều hợp chất hữu cơ khác Trong thực phẩm, benzoic acid và muối của nó, như sodium benzoate, được sử dụng phổ biến làm chất bảo quản nhờ khả năng ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm, được ký hiệu lần lượt là E210 và E211.

Benzoic acid là dạng tinh thể không màu, có khả năng tan tốt trong hầu hết các dung môi hữu cơ Nhiệt độ nóng chảy của benzoic acid là 122°C, và nó ít tan trong nước lạnh nhưng lại tan nhiều trong nước nóng, với độ hòa tan lần lượt là 1,7 g/l ở 0°C và 56,3 g/l ở 100°C.

Benzoic acid được sản xuất công nghiệp chủ yếu bằng phương pháp oxi hóa không hoàn toàn toluene, sử dụng khí O2 và xúc tác là các muối Co²⁺ hoặc Mn²⁺ Quá trình này tận dụng nguyên liệu phổ biến, dễ dàng thực hiện, đồng thời đạt hiệu suất cao, giúp đáp ứng nhu cầu sản xuất trong ngành công nghiệp hóa chất.

Trong phòng thí nghiệm, có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp benzoic acid, bao gồm thủy phân benzonitrile hoặc benzamide, quá trình oxi hóa benzaldehyde, benzyl alcohol hoặc toluene, thủy phân kết hợp oxi hóa benzyl chloride, và carboxyl hóa các hợp chất Grignard như phenylmagnesium bromide (được tổng hợp từ phenyl bromide).

C6H5CH3 + 2KMnO4  C6H5COOK + 2MnO2 + KOH + H2O 3C6H5CH2OH + 4KMnO4  3C6H5COOK + 4MnO2 + KOH + 4H2O

Hình 1 Phản ứng oxi hóa toluene hoặc benzyl alcohol thành benzoic acid bằng potassium permanganate trong môi trường trung tính

1 Toluene hoặc benzyl alcohol 4 ml

2 KMnO4 12 g cho toluene / 9 g cho benzylic alcohol

1 Bình cầu 2 hoặc 3 cổ - 250 ml 1

3 Sinh hàn bầu + nút cao su 1

4 Cá từ 25 mm trong hộp 1

12 Bể kim loại điều nhiệt chứa cát 1

17 Bếp gia nhiệt có khuấy từ 1

- Lắp ráp hệ thống phản ứng đun sôi hoàn lưu

- Đảm bảo an toàn khi làm việc với phản ứng sử dụng chất oxi hóa mạnh

- Theo dõi phản ứng qua màu sắc của hỗn hợp

- Tách chiết hai pha lỏng không tan lẫn

- Hòa tan KMnO4 trong bình cầu bằng 70 ml nước Sau đó, lắp sinh hàn, thêm toluene hoặc benzyl alcohol qua cổ nhỏ bình cầu

Để đảm bảo phản ứng hiệu quả, sử dụng nút cao su đậy chặt các cổ nhỏ của bình cầu, sau đó đun sôi trong điều kiện khuấy trộn mạnh Thực hiện phản ứng trong khoảng 2 giờ đối với toluene và 1 giờ đối với benzyl alcohol để đạt được kết quả tối ưu.

Để kết thúc phản ứng, ngưng gia nhiệt nhưng vẫn duy trì việc khuấy hỗn hợp Sau khoảng 10 phút, để nhiệt độ hỗn hợp giảm xuống dưới điểm sôi, dùng cổ nhỏ của bình cầu để trải qua quá trình này Tiếp theo, nhúng đũa khuấy vào hỗn hợp phản ứng và kiểm tra bằng cách chấm lên giấy lọc để xác nhận phản ứng đã hoàn tất.

- Quan sát màu của vành thấm ướt Nếu xuất hiện màu hồng, thêm khoảng 1 ml ethanol vào hỗn hợp phản ứng qua cổ nhỏ rồi nhanh chóng đậy lại

Sau 5 phút, tiếp tục lặp lại thao tác kiểm tra màu để xác định khi vành thấm ướt không còn màu, đảm bảo độ chính xác của kết quả Trong suốt quá trình này, hãy giữ cho hỗn hợp phản ứng luôn được khuấy mạnh để duy trì đồng nhất và hỗ trợ quá trình phản ứng diễn ra hiệu quả Việc kiểm tra màu định kỳ giúp xác định chính xác thời điểm phản ứng đạt yêu cầu, đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

- Lọc nóng hỗn hợp phản ứng dưới áp suất thấp, rửa kết tủa nâu bằng một ít nước nóng

- Nếu dung dịch sau khi lọc có váng dầu không tan, sử dụng phễu chiết để loại bỏ pha hữu cơ

- Cô đặc dung dịch trong beaker 250 ml xuống còn 50 ml (thêm đá bọt để điều hòa sự sôi) sau đó làm nguội về nhiệt độ phòng

- Acid hóa dung dịch bằng cách thêm từ từ 6 ml dung dịch HCl đậm đặc, đảm bảo pH của dung dịch ≤ 1 (kiểm tra bằng giấy pH)

Hình 2 Phương pháp kiểm tra màu của dung dịch

- Làm lạnh và lọc dưới áp suất thấp, rửa sản phẩm trên phễu lọc bằng một ít nước lạnh

- Sấy khô trong không khí, cân tính hiệu suất thô của phản ứng

Thí nghiệm sử dụng chất oxi hóa mạnh và axit HCl đặc yêu cầu sinh viên tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn Việc thực hiện đúng trình tự thí nghiệm và báo cáo kịp thời các hiện tượng bất thường cho cán bộ hướng dẫn là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và thành công của quá trình thực hành.

 Không được bịt các cổ nhỏ bình cầu bằng màng bọc polymer

 Không được thử màu khi hỗn hợp phản ứng vẫn đang sôi

 Nhanh chóng đậy nút cao su sau khi thêm ethanol vì phản ứng sau đó xảy ra mãnh liệt, tỏa nhiều nhiệt và có thể gây nguy hiểm

 Sản phẩm thô sau khi được cân tính hiệu suất, phải cho vào bình dán nhãn

“BENZOIC ACID THÔ” phục vụ bài thí nghiệm khác

Tổng hợp ethyl acetate

Ethyl acetate là một trong những dung môi phổ biến nhất nhờ đặc tính không màu, mùi dễ chịu và nhiệt độ sôi thấp (77°C) Nó có khả năng hòa tan tốt với các dung môi hữu cơ khác nhưng lại ít hòa tan trong nước, giúp dễ dàng sử dụng trong các quá trình tổng hợp hữu cơ Ethyl acetate cũng có thể tạo ra hỗn hợp đẳng phí với ethanol và nước dưới áp suất thường, làm tăng tính linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp Tuy nhiên, nó không bền trong môi trường dung dịch axit và bazơ, yêu cầu xử lý cẩn thận để đảm bảo an toàn.

Ethyl acetate được tổng hợp từ acetic acid và ethanol qua phản ứng ester hóa, một quá trình thuận nghịch có thể đạt trạng thái cân bằng sau nhiều ngày để tạo ra sản phẩm tối ưu Sử dụng axit làm chất xúc tác giúp rút ngắn thời gian phản ứng, nâng cao hiệu quả sản xuất ethyl acetate.

Bảng 1 Pha đẳng phí chứa ethyl acetate

Thành phần của hỗn hợp đẳng phí (%khối lượng) Điểm sôi ( o C)

4 Sinh hàn bầu + Nút cao su 1

8 Nhiệt kế 100 °C + Nút cao su 1

- Chưng cất đơn giản thu lấy phân đoạn mong muốn

- Rửa acid hữu cơ yếu ra khỏi pha hữu cơ

- Làm khan chất lỏng chứa nước

Hình 1 (a) Hệ thống phản ứng đun sôi hoàn lưu, (b) Hệ thống chưng cất đơn giản,

(c) Hệ thống trích ly lỏng-lỏng

- Lần lượt cho acetic acid, ethanol, sulfuric acid vào bình cầu Lắp sinh hàn, đun sôi hoàn lưu trong 1 h

- Làm nguội hệ thống, lấy sản phẩm cho vào bình chưng cất Tiến hành chưng cất chậm thu lấy chất lỏng có nhiệt độ sôi dưới 90 °C

- Cho sản phẩm chưng cất vào phễu chiết, rửa với 5 ml dung dịch Na2CO3 10%

Tách lấy pha hữu cơ, cho vào bình tam giác, làm khan với 1.25 g Na2SO4 khan

- Chưng cất chậm pha hữu cơ, thu lấy chất lỏng ngưng tụ có nhiệt độ sôi dưới 72 °C

Tổng hợp terpineol

Terpineol là hợp chất có nguồn gốc thiên nhiên, nổi bật với tính sát khuẩn, an toàn cho da, không gây kích ứng da và niêm mạc Hợp chất này có mùi thơm dễ chịu của hoa linh lan và tử đinh hương, mang lại cảm giác thư giãn dễ chịu Terpineol được tìm thấy trong nhiều nguồn tự nhiên như tinh dầu thông và tinh dầu tràm, và được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp hóa chất để sản xuất dầu thơm, xà phòng, thuốc diệt nấm và các sản phẩm tẩy rửa Thị trường cung cấp terpineol thương phẩm là hỗn hợp của ba đồng phân α-, ß- và γ-terpineol, trong đó thành phần chính là α-terpineol.

Hình 1 Công thức cấu tạo của các đồng phân của terpineol

Terpineol là chất lỏng nhớt, nhẹ hơn nước, có mùi dễ chịu, không màu và dễ cháy, không tan trong nước nhưng hòa tan tốt trong rượu etylic, ete cùng các dung môi hữu cơ khác Đặc biệt, terpineol có độ quay quang học từ –0°10’ đến +0°10’ và nhiệt độ sôi từ 214°C đến 224°C Ở Việt Nam, terpineol thường được chiết xuất từ tinh dầu tràm và tinh dầu chanh Tinh dầu tràm từ nguyên liệu của Bình Trị Thiên chứa 31 thành phần, trong đó α-terpineol chiếm từ 5,44% đến 11,96%, còn trong tinh dầu tràm thu hoạch ở Long An, hàm lượng α-terpineol là khoảng 9,8%.

Tinh dầu vỏ chanh chứa đến 3,9% (α-terpineol), là thành phần chính mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe và chăm sóc da Lá bạch đàn trắng trồng tại Việt Nam có trung bình 1,79 ± 0,46% tinh dầu trên nguyên liệu khô, trong đó α-terpineol chiếm khoảng 1,99%, góp phần nâng cao giá trị của tinh dầu từ lá bạch đàn Ngoài ra, tinh dầu trong bạch đậu khấu và long não cũng chứa thành phần terpineol, giúp đa dạng hóa ứng dụng trong y học và công nghiệp dầu tự nhiên.

Trong tổng hợp hữu cơ, terpineol có thể được sản xuất thông qua phản ứng hydrat hóa của limonene hoặc phản ứng dehydrat hóa của terpin Terpin thương mại thường ở dạng terpinhydrat, một dạng ngậm phân tử nước của terpin Terpin là một glycol terpen không bền nhiệt, dễ bị dehydrat hóa trong môi trường axit như H2SO4, HCOOH, phtalic acid, KHSO4, ZnCl2 để tạo thành hỗn hợp chứa các đồng phân của terpineol.

Hình 2 Phản ứng dehydrat hóa terpin thành terpineol

3 Sinh hàn bầu + nút cao su 1

5 Bộ ống dẫn hơi + nút cao su 2

*Có thể thay đổi linh động tùy điều kiện thí nghiệm

- Lắp ráp và đảm bảo an toàn khi làm việc với hệ thống chưng cất lôi cuốn hơi nước

- Tách chiết hai pha lỏng kém tan vào nhau

- Cho 64 ml dung dịch H2SO4 vào bình cầu 250 ml có chứa sẵn 8 g terpin hydrate

- Lắp sinh hàn, đun sôi hoàn lưu trong 1 h

Trong quy trình chuẩn, sau khi thu được hỗn hợp, cần để nguội và dùng phễu để chiết tách lớp hữu cơ, rồi rửa lại bằng nước (2 x 30 ml) để loại bỏ tạp chất Tuy nhiên, trong bài thí nghiệm này, bước làm nguội hệ thống và chiết tách lớp hữu cơ đã bị bỏ qua, thay vào đó trực tiếp tiến hành chưng cất lôi cuốn hơi nước để tiết kiệm thời gian và đơn giản hóa quy trình.

- Thu lớp hữu cơ, đem chưng cất lôi cuốn hơi nước cho đến khi lớp dầu màu vàng nhạt được lôi cuốn hết

- Dùng phễu chiết tách terpineol ra khỏi pha lỏng

- Chú ý: terpipeol có thể tạo nhũ với nước, tránh lắc mạnh khi chiết; có thể thêm dung dịch NaCl bão hòa để hạn chế hiện tượng này

Tổng hợp aspirin

Aspirin là dẫn xuất của acid salicylic, thuộc nhóm thuốc chống viêm non-steroid, có tác dụng giảm đau, hạ sốt, chống viêm và phòng ngừa đau tim cũng như sự hình thành cục nghẽn trong mạch máu khi sử dụng ở liều thấp trong thời gian dài Tuy nhiên, aspirin gây kích ứng mạnh dạ dày, do đó cần hạn chế sử dụng cho người mắc các bệnh về dạ dày và hành tá tràng Ngoài ra, việc dùng aspirin không theo chỉ định của bác sĩ có thể gây hội chứng Reye ở trẻ em dưới 12 tuổi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến não bộ và gan, có thể dẫn đến tử vong nếu không được xử lý kịp thời.

Aspirin, còn gọi là acetylsalicylic acid hoặc C9H8O4 theo công thức hóa học và 2-acetoxybenzoic acid theo tên IUPAC, là một chất rắn màu trắng có nhiệt độ nóng chảy từ 138-140°C Đây là loại thuốc phổ biến được sử dụng để giảm đau, chống viêm và hạ sốt Aspirin ít tan trong nước ở nhiệt độ thấp nhưng tan tốt trong các dung môi hữu cơ phân cực như acetone, ethanol và ethyl acetate, giúp dễ dàng trong quá trình chế biến và sử dụng.

Trong các ứng dụng công nghiệp và phòng thí nghiệm, aspirin được tổng hợp qua phản ứng ester hóa giữa salicylic acid và acetic anhydride Quá trình này diễn ra thuận lợi hơn khi có sự hiện diện của một chất xúc tác acid, giúp tăng hiệu quả và tốc độ phản ứng.

Hình 1 Phản ứng tổng hợp aspirin từ salicylic acid và acetic anhydride

- Kiểm soát nhiệt độ hệ phản ứng bằng phương pháp gián tiếp

- Kết tinh lại bằng hỗn hợp hai dung môi

- Thêm lần lượt salicylic acid, acetic anhydride, sulfuric acid vào bình tam giác 150 ml

Đun cách thủy và khuấy đều hỗn hợp, duy trì nhiệt độ nước bên ngoài khoảng 65-70°C trong 15 phút để phản ứng diễn ra hiệu quả Nếu hệ phản ứng dạng lỏng, cần lắc mạnh để hỗn hợp hòa quyện, còn với hỗn hợp dạng rắn, sử dụng đũa khuấy liên tục Sau đó, làm nguội hệ phản ứng xuống nhiệt độ phòng trong khi vẫn duy trì việc khuấy để đảm bảo kết quả tối ưu.

- Thêm 60 ml nước, khuấy thêm 5 phút, làm lạnh và lọc thu lấy sản phẩm thô, rửa sản phẩm trên phễu lọc bằng nước lạnh

Để làm nguội sản phẩm một cách hiệu quả, trước tiên cần làm nguội chậm về nhiệt độ phòng, sau đó chuyển sang làm lạnh trong nước đá để giữ chất lượng Tiếp theo, tiến hành lọc dưới áp suất thấp để loại bỏ tạp chất, đồng thời rửa sản phẩm trên phễu lọc bằng một ít nước lạnh để đảm bảo sạch sẽ Sau khi rửa, sản phẩm được sấy khô hoàn toàn, rồi cân để tính hiệu suất phản ứng chính xác.

Tổng hợp xà phòng

Xà phòng (đọc thêm ở trang 54-57 và 88-96, sách “Kỹ thuật thực hành tổng hợp hữu cơ”)

Xà phòng là muối natri hoặc kali của acid béo mạch dài (RCOOH), giúp cung cấp đặc tính hoạt động bề mặt hiệu quả Mạch carbon dài, thường từ C12 đến C18, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất của xà phòng Xà phòng dạng rắn thường là muối natri của acid béo (RCOONa), trong khi xà phòng lỏng chủ yếu là muối kali của acid béo (RCOOK) Các loại xà phòng này phù hợp cho nhu cầu làm sạch khác nhau nhờ vào cấu trúc và tính chất hoá học đặc trưng.

Xà phòng có cấu trúc gồm 2 phần: phần háo nước là nhóm COO - và phần không phân cực, kỵ nước là gốc R mạch dài

Ví dụ: natri stearate phần kỵ nước phần háo nước

(hoà tan trong dầu) (hoà tan trong nước)

Khi dung dịch xà phòng tiếp xúc với chất lỏng không phân cực như dầu nhờn, các phân tử xà phòng định hướng mặt phân chia giữa nhóm háo nước COO- về phía nước và gốc kỵ nước R về phía dầu Điều này giúp giảm sức căng bề mặt của chất lỏng và khiến dầu chuyển thành các hạt nhỏ phân tán trong dung dịch xà phòng Nhờ vậy, xà phòng phát huy tác dụng nhũ tương hóa, làm sạch hiệu quả các chất không hòa tan trong nước như dầu nhờn.

Khi thủy phân các chất béo (triglyceride) như dầu thực vật và mỡ động vật bằng xúc tác là các base mạnh như KOH hoặc NaOH, quá trình này sẽ tạo thành glycerol và muối của acid béo dài (xà phòng) Quá trình này giúp chuyển đổi chất béo thành các hợp chất dễ dàng sử dụng và ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày Xà phòng được hình thành từ phản ứng xà phòng hóa, là phương pháp phổ biến để sản xuất xà phòng từ dầu thực vật và mỡ động vật.

Hình 1 Phản ứng xà phòng hóa

Dầu dừa được ép từ cùi dừa (Coconucifera) Dầu dừa có tỷ trọng: 0.86-0.90 ở 15 o C

Nhiệt độ nóng chảy tnc o = 23 – 26 o C, chỉ số xà phòng = 250 – 260, đương lượng xà phòng

= 216 – 255, chỉ số iod = 8 – 9, chất không xà phòng hoá chiếm từ 0.1 – 0.3%

Bảng 1 Thành phần các acid béo trong triglyceride của dầu dừa

STT Acid béo Công thức % khối lượng

6 Palmitoleic CH3(CH2)5CH=CH(CH2)7COOH 0.2

7 Oleic CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH 6.0

8 Linoleic CH3(CH2)4CH=CH-CH2-CH=CH(CH2)7COOH 2.3

- Thực hiện phản ứng giữa hai pha lỏng không tan lẫn vào nhau

- Đánh giá chất lượng sản phẩm được tổng hợp so với sản phẩm thương mại

Quy trình thí nghiệm tổng hợp xà phòng

- Cho 5 g dầu dừa vào cốc 250 ml, sau đó cho từ từ 25 ml NaOH 10% vào dầu dừa Chuẩn bị hệ thống như hình 2

Hình 2 Hệ thống phản ứng tổng hợp xà phòng

Đun cách thủy hỗn hợp ở nhiệt độ khoảng 60°C và khuấy liên tục trong 1 giờ để đảm bảo phản ứng diễn ra đều đặn Sau đó, thêm 80 ml dung dịch NaCl bão hòa (do sinh viên tự chuẩn bị) vào hỗn hợp, khuấy đều trong 10 phút để tạo điều kiện cho phản ứng ổn định Cuối cùng, để hỗn hợp nghỉ ở nhiệt độ phòng, giúp xà phòng tách lớp hiệu quả.

- Lọc chân không qua phễu Buchner thu lấy sản phẩm

- Lấy một ít sản phẩm mang đi sấy khô nhanh để đánh giá sơ bộ tính chất xà phòng

Quy trình đánh giá tính chất xà phòng

- Pha dung dịch xà phòng 0.5% khối lượng: cho 0.5 g xà phòng vào cốc 250ml và cho nước đến 100 ml, khuấy đều trong 15 phút

+ Dung dịch 1: xà phòng thương mại trong nước thường (hai nhóm thí nghiệm pha chung)

+ Dung dịch 2: xà phòng được tổng hợp (đã được sấy khô) trong nước thường + Dung dịch 3: xà phòng được tổng hợp (đã được sấy khô) trong dung dịch CaCl 2 5%

 Đánh giá pH của dung dịch xà phòng

- Sử dụng giấy pH để xác định giá trị pH của dung dịch 1 và dung dịch 2

 Khả năng tạo bọt của dung dịch xà phòng

- Cho 15 ml mỗi dung dịch trên vào từng ống nghiệm riêng biệt, bịt chặt miệng ống nghiệmvà lắc mạnh 30 lần

- Đo chiều cao cột bọt của 3 dung dịch trong ống nghiệm sau khi lắc mạnh

- So sánh tốc độ giảm cột bọt sau 5 phút để yên.

 Khả năng tẩy rửa của dung dịch xà phòng ( ch ỉ tiến hành khi giá trị pH của dung d ịch xà phòng ~ 9-10 )

- Sử dụng dung dịch 1 và 2 để rửa 1 vết mực (từ bút lông dầu) trong lòng bàn tay

So sánh khả năng tẩy rửa và cảm giác của da tay sau khi sử dụng.

 Báo cáo lại các kết quả đánh giá trên và đưa ra giải thích phù hợp.

Tinh chế một sản phẩm rắn

KIẾN THỨC CẦN CHUẨN BỊ

3 Aspirin thô Được cung cấp

4 Aspirin sau khi kết tinh lại

9 Nhiệt kế 250 o C và nút cao su trong hộp 1

- Đo nhiệt độ nóng chảy bằng ống Thiele

- Bảo quản nhiệt kế thủy ngân và xử lý sự cố liên quan đến thủy ngân

- Khử màu, lọc nóng và kết tinh lại một sản phẩm hữu cơ rắn trong nước

Ph ần 1 Kết tinh lại benzoic acid trong nước

B1 Hòa tan benzoic acid thô bằng một lượng nước sôi tối thiểu trong bình tam giác 150 ml, thu được dung dịch A

Trong quy trình xác định, nếu dung dịch A không màu và không chứa chất rắn không tan, bạn sẽ tiếp tục đến bước B8 Ngược lại, nếu dung dịch không màu nhưng có chứa chất rắn không tan, bạn sẽ tiến đến bước B6 Trong trường hợp dung dịch có màu, quá trình sẽ chuyển sang bước B3 để tiếp tục phân tích.

B3 Đánh dấu thể tích của dung dịch trên thành bình tam giác

B4 Thêm khoảng 10 ml nước sôi vào dung dịch A, sau đó nhấc bình tam giác khỏi bếp đến khi hệ ngừng sôi

B5 Thêm 0.02 g than hoạt tính vào dung dịch A Đun sôi và khuấy đều hỗn hợp trong khoảng 5 phút

Hệ thống lọc trọng lực được chuẩn bị bằng cách sử dụng phễu lọc đuôi ngắn, được đặt trên bình tam giác chứa sẵn nước sôi và đá bọt để đảm bảo quá trình lọc hiệu quả Bình tam giác được đặt trên bếp điện để duy trì nhiệt độ sôi và làm nóng phễu lọc, giúp tối ưu quá trình lọc trọng lực.

B7 Tiến hành lọc nóng (thực hiện nhanh) và rửa chất rắn trên giấy lọc bằng một ít nước nóng

B8 Cô cạn dung dịch thu được đến thể tích đã đánh dấu và làm nguội bình tam giác, những tinh thể benzoic acid hình kim sẽ xuất hiện

B9 Làm lạnh và tiến hành lọc thu lấy sản phẩm dưới áp suất kém Rửa tinh thể sản phẩm với một ít nước lạnh

B10 Trích một ít tinh thể, bỏ vào giấy lọc mới, kẹp lại, làm khô bằng máy sấy để thực hiện Phần 2

B10 Sấy khô toàn bộ sản phẩm còn lại trong không khí, cân, tính hiệu suất kết tinh lại

B11 Thu hồi benzoic acid được kết tinh lại vào bình chứa được chỉ đinh

Trong báo cáo thí nghiệm, việc giải thích mục đích của từng bước giúp làm rõ quy trình thực hiện và ý nghĩa của các thao tác để đảm bảo kết quả chính xác Nhận xét về hình thái và màu sắc của sản phẩm trước và sau khi thực hiện Phần 1 cho thấy sự thay đổi rõ rệt, phản ánh quá trình phản ứng hoặc biến đổi trong quá trình thí nghiệm Việc này giúp đánh giá hiệu quả của phương pháp và đảm bảo sản phẩm đạt yêu cầu về đặc điểm hình thái và màu sắc đã đề ra Chính những phân tích này đóng vai trò quan trọng trong việc xác nhận kết quả và nâng cao tính khoa học của nghiên cứu.

Ph ần 2 Đo nhiệt độ nóng chảy các hợp chất hữu cơ rắn (Hình 1)

B1 Đưa mẫu vào ống mao quản sao cho chiều cao của mẫu đạt khoảng 2-3 mm B2 Lắp ráp hệ thống như hình 1, gia nhiệt chậm trên trên đèn cồn (~ 5 °C/phút)

B3 Quan sát và ghi lại khoảng nhiệt độ chất rắn bắt đầu nóng chảy đến khi nóng chảy hoàn toàn

B4 Ngưng gia nhiệt, để nguội và thay ống mao quản chứa chất khác cho lần đo tiếp theo

B4 Lần lượt đo nhiệt độ nóng chảy của aspirin thô, aspirin được kết tinh lại, và benzoic acid được kết tinh lại

Trong báo cáo thí nghiệm, chúng tôi so sánh kết quả của hai mẫu aspirin với giá trị chuẩn để đánh giá độ tinh khiết của sản phẩm Kết quả cho thấy mẫu A gần với giá trị chuẩn, chứng tỏ độ tinh khiết cao, còn mẫu B có sự chênh lệch nhất định, cho thấy mức độ tinh khiết thấp hơn Phân tích này giúp xác định chất lượng của các mẫu aspirin, từ đó đánh giá hiệu quả của quá trình sản xuất và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn Việc so sánh này là bước quan trọng để đảm bảo sản phẩm đáp ứng các quy định về độ tinh khiết trong dược phẩm.

Hình 1 Đưa mẫu vào ống mao quản

Hình 2 Đo nhiệt độ nóng chảy với ống Thiele

Các kỹ thuật phân tách pha lỏng

KIẾN THỨC CẦN CHUẨN BỊ Phần 1.3.2, 1.3.5, và 1.4.1 của bài 1

1 Hỗn hợp cyclohexane và acetic acid 15 ml

5 Nhiệt kế 100 °C + Nút cao su 1

- Các kỹ thuật phân tách pha lỏng bao gồm: chưng cất, rửa - trích ly, làm khan

- Phương pháp phá điểm đẳng phí của hệ 2 cấu tử

Trong quá trình chưng cất hỗn hợp cyclohexane và axetic acid có nhiệt độ sôi đẳng phí là 78.8°C và tỷ lệ mol 87% cyclohexane, việc lựa chọn phân đoạn phù hợp là quan trọng để thu lấy cyclohexane một cách hiệu quả Chọn phân đoạn có nhiệt độ sôi gần 78.8°C giúp tách cyclohexane ra khỏi axetic acid tối ưu, đảm bảo năng suất và độ tinh khiết của sản phẩm Do đó, phân đoạn chưng cất khoảng 78-79°C là phù hợp để thu hồi cyclohexane từ hỗn hợp này một cách đơn giản và hiệu quả.

- Sử dụng giấy pH ướt để xác định thành phần trong phân đoạn thu được sau chưng cất

- Đề xuất quy trình thích hợp để loại acetic acid từ hỗn hợp đẳng phí

- Dùng giấy pH xác định lại thành phần pha hữu cơ sau khi đã thực hiện phương pháp trên, từ đó nhận xét hiệu quả của quá trình.

Tiêu đề	Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Hóa Hữu Cơ
Tác giả	TS. Lờ Xuõn Tiến, TS. Lờ Vũ Hà, KS. Lờ Xuõn Huy
Trường học	Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa Học Hữu Cơ
Thể loại	Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm
Năm xuất bản	2021
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	55
Dung lượng	2,67 MB