Tiểu luận Hóa hữu cơ - Đề tài: Các phương pháp tách hợp chất hữu cơ

Đề tài: Các phương pháp tách hợp chất hữu cơ như chưng cất, chiết,....

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

BÀI TIỂU LUẬN MÔN HỌC HÓA HỮU CƠ

ĐẾ TÀI: PHƯƠNG PHÁP TÁCH BIỆT CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ

Sinh Viên: HUỲNH THỊ BÍCH VÂN MSSV: 09082441

Lớp: 210405001 Người hướng dẫn: Th.S Nguyễn Văn Bời

TP.HCM, tháng 11, năm 2010

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU - 3

1 Lý do chọn đề tài - 3

2 Mục đích nghiên cứu - 3

3 Phương pháp nghiên cứu - 4

NỘI DUNG - 5

1 PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH - 5

1.1 Chất cần tinh chế tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ cao, tan tồi ở nhiệt độ thường, còn tạp chất thì ngược lại - 5

1.2 Chất cần tinh chế tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ thường, tan tồi ở nhiệt độ nóng, còn tạp chất thì ngược lại - 5

2 PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT - 6

2.1 Phương pháp chưng cất đơn - 6

2.2 Phương pháp cất phân đoạn - 7

2.3 Phương pháp chưng cất chân không (hay giảm áp) - 7

2.4 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước - 8

3 PHƯƠNG PHÁP THĂNG HOA - 8

4 PHƯƠNG PHÁP CHIẾT - 9

4.1 Chiết lỏng – lỏng - 10

4.2 Chiết lỏng - rắn - 11

4.3 Chiết pha rắn - 12

5 PHƯƠNG PHÁP SẮC KÝ - 13

5.1 Sắc ký cột (Sắc ký hấp phụ) - 14

5.2 Sắc ký giấy - 14

5.3 Sắc ký lớp mỏng - 15

5.4 Sắc ký khí lỏng - 15

6 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC DỰA VÀO TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA CÁC CẨU TỬ - 16

6.1 Tách dựa vào khả năng tạo muối - 16

6.2 Tách dựa vào khả năng tạo hợp chất có tính tan khác nhau 17

KẾT LUẬN - 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO - 19

LỜI MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hóa học hữu cơ là ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các hợp chất của cacbon (trừ CO, CO2, H2CO3, muối cacbonat, HCN, muối xianua…) Từ khi ra đời, hóa hữu cơ đã là ngành nghiên cứu đầy thú vị

và thách thức với các nhà hóa học Ngày nay, theo các nghiên cứu những hợp chất của cacbon đã lên đến hàng nghìn hợp chất Những hợp chất hữu cơ có nguồn gốc từ sự sống như thực vật, động vật không chỉ là nguyên liệu quý trong cuộc sống mà còn là nguồn dược liệu quý hiếm nhưng chúng không tồn tại độc lập và riêng rẽ Mặt khác, phản ứng hóa hữu cơ thường xảy ra theo nhiều hướng và không hoàn toàn như hóa vô

cơ vì thế sản phẩm thu được là một hỗn hợp phức tạp Vấn đề đặt ra là làm sao để phân biệt và tách các chất hữu cơ, nhất là các chất trong tự nhiên Vì thế trong giảng đường đại học đã có những môn học làm nền tảng cho sinh viên tiếp xúc với phương pháp tách biệt hợp chất hữu cơ như: phương pháp phân tích hợp chất hữu cơ, phương pháp sắc ký… Không dừng ở đó, tách biệt hợp chất hữu cơ cũng là đề tài nghiên cứu sáng giá của các Thạc sĩ, nghiên cứu sinh và các nhà khoa học…

Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, ngành hóa nói chung và hóa hữu cơ nói riêng cũng không ngừng được cải thiện Các nhà hóa học đã không ngừng tìm tòi nhiều phương pháp tách các chất hữu cơ hiệu quả nhất Những phương pháp từ thô sơ đến hiện đại đều có những ứng dụng quan trọng từ phòng thí nghiệm đến công nghiệp Là sinh viên ngành hóa và là kỹ sư hóa trong tương lai, nắm vững các phương pháp tách biệt các hợp chất hữu cơ là điều cần thiết Vì thế, em chọn đề tài: “ PHƯƠNG PHÁP TÁCH BIỆT CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ” để tìm hiểu, nghiên cứu và giới thiệu với các bạn sinh viên ngành hóa

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu về các phương pháp tách biệt các hợp chất hữu cơ

3 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm kiếm, thu thập và tra cứu các nguồn tài liệu từ sách hóa hữu cơ, các bài báo khoa học và thông tin từ các trang web khoa học

uy tính đã nghiên cứu về phương pháp tách biệt các hợp chất hữu cơ Sau đó phân tích, tổng hợp và trình bày một cách hệ thống, sáng tạo về các phương pháp tách biệt các hợp chất hữu cơ

Nội dung của bài tiểu luận là các phương pháp tách biệt hợp chất hữu cơ Bài tiểu luận có 6 nội dung chính:

1 Phương pháp kết tinh

2 Phương pháp chưng cất

3 Phương pháp chiết

4 Phương pháp thăng hoa

5 Phương pháp sắc ký

6 Các phương pháp khác dựa vào tính chất hóa học Sau đây là nội dung của bài tiểu luận

NỘI DUNG

1 PHƯƠNG PHÁP KẾT TINH

Phương pháp này thường dùng để tách và tinh chế các chất hữu cơ rắn, dựa trên nguyên tắc là các chất khác nhau có độ hòa tan khác nhau trong cùng một dung môi

Nguyên tắc chung

Các chất khác nhau có độ hòa tan khác nhau trong cùng một dung môi Dung môi thích hợp thường dùng là dung môi trong đó độ hòa tan của chất rắn cấn tinh chế tăng khá nhanh theo nhiệt độ Bằng cách tạo dung dịch bảo hòa ở nhiệt độ cao, sau đó để nguội dung dịch thu được, chất rắn cần tinh chế sẽ kết tinh xuống đáy bình, các tạp chất sẽ ở lại trong dung dịch Bằng cách kết tinh lại nhiều lần sẽ thu được tinh thể tinh khiết cao

Việc làm sạch các chất rắn bằng kết tinh là dựa vào sự khác nhau

về tính tan của chất cần tinh chế và tạp chất trong cùng một dung môi hay hệ dung môi.[1, trang 25-26]

Các phương pháp kết tinh: 2 phương pháp

1.1 Chất cần tinh chế tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ cao, tan tồi ở nhiệt độ thường, còn tạp chất thì ngược lại

Trường hợp này ta sử dụng kết tinh nóng để làm sạch chất

Lưu ý, dung môi được chọn sao cho có thể tạo được dung dịch bão hòa chất kết tinh ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung môi (khoảng

100C) để thuận tiện cho việc lọc nóng khi cần thiết

1.2 Chất cần tinh chế tan tốt trong dung môi ở nhiệt độ thường, tan tồi ở nhiệt độ nóng, còn tạp chất thì ngược lại

Trường hợp này ta thường sử dụng phương pháp kết tinh lạnh ở nhiệt độ rất thấp (từ - 100C đến – 400C) để làm sạch chất Phương pháp này có thể tinh chế cả chất lỏng

 Nhận xét

Trong phương pháp làm sạch bằng chất kết tinh, ngoài lựa chọn hệ dung môi ( đơn hoặc hỗn hợp) thích hợp, những tạp chất thường có mặt với những lượng nhỏ có thể đuổi khỏi dung dịch kết tinh bằng xử lý với các chất hấp phụ như than hoạt tính, đất chịu lửa, silicagen Lưu ý, tốc độ kết tinh (phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian kết tinh) có một ý nghĩa lớn Kết tinh càng nhanh tinh thể càng bé, càng khó lọc và hấp phụ nhiều chất bẩn; kết tinh càng chậm tinh thể càng to càng dễ lọc và sạch

Để thu được nhiều chất tinh khiết, quá trình kết tinh thường phải lặp lại nhiều lần, tốt nhất trong các dung môi khác nhau

Phương pháp làm sạch chất bằng phương pháp kết tinh thường phải lặp lại nhiều lần, tốt nhất trong các dung môi khác nhau

Phương pháp làm sạch chất bằng phương pháp kết tinh không áp dụng được nếu chất cần kết tinh tạo được tinh thể trộn lẫn với các tạp chất.[2, trang 29-30]

2 PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT

Phương pháp chưng cất

được sử dụng rộng rãi để tách và

làm sạch các chất lỏng và những

chất rắn có điểm chảy không quá

cao

Các phương pháp chưng

cất: 4 phương pháp

2.1 Phương pháp chưng

cất đơn

Phương pháp cất đơn có

thể sử dụng để tách và làm sạch

những chất lỏng trong những

trường hợp khi tạp chất không bay hơi hoặc bay hơi có điểm sôi cao hoặc thấp đáng kể (khoảng 800C) so với chất phân tích

Hình 1 Chưng cất

2.2 Phương pháp cất phân đoạn

Phương pháp cất phân đoạn (dưới áp suất khí quyển đối với những chất bền nhiệt và dưới áp suất giảm đối với những chất kém bền nhiệt) cho phép tách những chất có điểm sôi gần nhau tùy thuộc vào số đĩa lý thuyết của cột phân đoạn có và vào tốc độ cất ta có thể tách riêng được những chất lỏng có điểm cách nhau vài độ (chẳng hạn cột có số đĩa lý thuyết là 12 có thể tách được hỗn hợp hai chất lỏng có điểm sôi cách nhau 300C, cột có số đĩa lý thuyết là 100 có thể tách được hỗn hợp hai chất lỏng có điểm sôi cách nhau 30

C)

 Nhận xét

Phương pháp chưng cất đơn hay chưng cất phân đoạn dưới áp suất giảm ngày nay được sử dụng khá phổ biến Để đuổi nhanh những lượng dung môi lớn mà không gây mất mát và ảnh hưởng tới chất phân tích, nhất là khi phân tích lượng vết và chất kém bền nhiệt, người ta sử dụng

kĩ thuật chưng cất quay dưới áp suất giảm, trong đó bình cất được quay tròn nhờ một môtơ lắp vào ống nối giữa bình cất và ống sinh hàn

2.3 Phương pháp chưng cất chân không (hay giảm áp)

Phương pháp chưng cất trong chân không cao (10-5

– 10-8 mmHg) hay phương pháp chưng cất phân tử là sự chưng cất mà trong đó khoảng cách giữa bề mặt bốc hơi của chất lỏng và bề mặt ngưng lạnh nhỏ hơn đoạn đường tự do trung bình của phân tử, nghĩa là đoạn đường mà phân

tử tự do di chuyển mà không gặp một phân tử khác Chẳng hạn đoạn đường tự do tự do trung bình của áp suất khác nhau là như nhau :

Áp suất (mmHg) 1,0 0,1 0,01 0,001 Đoạn đường tự do trung bình 0,0056 0,0562 0,562 5,62

Đoạn đường tự do trung bình của các phân tử hữu cơ ngắn hơn, vì vậy bề mặt ngưng lạnh phải bố trí rất gần với bề mặt chất lỏng bốc hơi Điều đó có thể thực hiện được khi ta giảm áp suất dư xuống đủ thấp hơn nữa Đối với những chất sôi cao nằm trong khoảng 1500C < Đs < 3000C

cần tiến hành cất dưới áp suất giảm để tránh phân hủy (thông thường khi

áp suất hơi bên ngoài giảm một nửa thì nhiệt độ sôi giảm 150

C) Khái niệm thông thường, về điểm sôi không còn ý nghĩa trong trường hợp này, vì không có cân bằng lỏng – hơi kéo dài, phân tử bốc hơi và được ngưng lại ngay Điều thuận lợi của phương pháp chưng cất trong chân không cao là “ điểm sôi” được giảm đáng kể, trong một số trường hợp có thể tới 2000

C – 3000C; nhờ vậy có thể chưng cất bị phân hủy ở nhiệt độ cao, những chất rất nhạy cảm với nhiệt cũng như các chất có nhiệt độ sôi rất cao và có phân tử khối lớn như các chất béo, hoocmon, vitamin…

2.4 Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước

Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước tách và làm sạch chất hữu cơ dựa vào sự bốc hơi chất phân tích nhờ sục hơi nước vào hỗn hợp của chất và nước Các chất hữu cơ lỏng hoặc rắn tan và không tan trong nước nếu có áp suất hơi phù hợp (ít nhất là 5 – 10mmHg ở 1000C) sẽ được chưng cất cùng với hơi nước Sự cất lôi cuốn hơi nước xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của nước Điều đó cho khả năng tách và làm sạch nhiều chất có điểm sôi cao bằng cất ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt

độ sôi của nước Điều đó cho khả năng tách và làm sạch nhiều chất có điểm sôi cao bằng chưng cất ở nhiệt độ thấp, và đặc biệt có giá trị đối với những chất bị phân hủy khi cất một mình ở áp suất khí quyển

 Nhận xét

Phương pháp chiết lỏng – lỏng lôi cuốn hơi nước như đã đề cập ở trên là phương pháp kết hợp cất chiết và được tiến hành trong một thiết

bị riêng thừa hưởng những ưu điểm của phương pháp cất lôi cuốn hơi nước và phương pháp chiết dung môi đang được phát triển và ứng dụng mạnh mẽ trong những năm gần đây [1, trang 26-30]

3 PHƯƠNG PHÁP THĂNG HOA

Trong sự thăng hoa chất được chuyển hóa từ pha rắn này sang pha rắn khác trực tiếp bằng sự bốc hơi mà không đòi hỏi phải qua pha lỏng theo sơ đồ chung:

Rắn  Hơi Rắn

Về lý thuyết, một hợp chất hữu cơ rắn bất kỳ nào khi chưng cất ở

áp suất thường hoặc trong chân không mà không bị phân hủy có thể thăng hoa được Điều kiện để một chất rắn thăng hoa là áp suất hơi của

nó phải đạt tới môi trường ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của

nó Do đó đối với những chất có áp suất môi trường ở nhiệt độ nóng chảy của chúng sự thăng hoa có thể xảy ra dưới áp suất khí quyển, còn đối với những chất có nhiệt độ nóng chảy

Ví dụ, một số chất như long não… có khả năng thăng hoa (chuyển

trực tiêpa từ thể rắn sang thể hơi) Người ta dùng phương pháp thăng hoa

ở áp suất thường hay áp suất thấp để tinh chế chúng Phương pháp thăng hoa dùng để tinh chế một lượng nhỏ chất và thu được sản phẩm khá tinh khiết [2, trang30-31]

4 PHƯƠNG PHÁP CHIẾT

Chiết là dùng một dung môi thích hợp có khả năng hòa tan chất đang cần tách và tinh chế để tách chất đó ra khỏi môi trường rắn hoặc lỏng khác Thường người ta dùng một dung môi sôi thấp và ít tan trong nước như ete, clorofom để tách chiết chất hữu cơ từ môi trường nước (các chất hữu cơ cần tinh chế này thường tan ít trong nước hoặc ở dạng nhũ tương lẫn với nước) Sau khi lắc dung môi này với hỗn hợp chất cần tinh chế và nước, chất đó sẽ chuyển phần lớn lên dung môi và ta có thể dùng phiễu chiết để tách riêng dung dịch thu được khỏi nước

Bằng cách lặp lại việc chiết một số lần, ta có thể tách được hoàn toàn chất cần tinh chế vào dung môi đã chọn, sau đó cất loại dung môi và cất lấy chất tinh khiết ở nhiệt độ và áp suất thích hợp

Người ta cũng thường chiết một chất từ hỗn hợp rắn bằng một dung môi [1, trang 30]

4.1 Chiết lỏng – lỏng

Chiết lỏng – lỏng là một kỹ thuật tách đơn giản nhất và trung thực nhất Nó thường được sử dụng để làm sạch hoặc để tách một cấu tử riêng hoặc một loại các cấu tử khỏi mẫu mẹ Mẫu rắn hoặc lỏng được chiết bằng dung môi hữu cơ thích hợp Đối với các mẫu nước dung môi chiết phải không tan trong nước Độ phân cực của dung môi nằm trong một khoảng rộng từ các ankan như pentan, hexan hoặc xiclohexan đến nitrobenzen và n-butanol, cũng như các dung môi cơ clo (đặc biệt là ddiclometan, clorofom) là một thuận lợi cho việc tách Sự lựa chọn dung môi chiết phụ thuộc vào tính tan của chất phân tích ở trong dung môi đó

và vào sự dễ dàng tách được chất cần tách ra khỏi mẫu

Có hai quá trình chiết lỏng – lỏng khác nhau: chiết không liên tục (chiết đoạn) và chiết liên tục

 Chiết đoạn

Chiết đoạn được thực hiện bằng cách lắc mẫu cùng với dung môi chiết trong phễu chiết và được sử dụng trong những trường hợp có hệ số phân bố lớn và có thể bỏ qua sự mất mát chất nào đó

Để thu hồi chất cần chiết có độ tinh khiết cao cần dùng phương pháp chiết đoạn lặp

 Chiết liên tục

Quá trình chiết liên tục được áp dụng cho những trường hợp có hệ

số phân bố nhỏ, buộc phải chiết đoạn lặp nhiều lần, nên tốt hơn là ta tiến hành chiết liên tục, cũng như trường hợp không bỏ qua sự mất mát chất (chiết phân tích)

Trong quá trình chiết liên tục dòng dung môi chiết liên tục dòng mẫu trong các thiết bị riêng

 Chiết lỏng – lỏng trên cột

Một phương pháp khác được sử dụng gần đấy là chiết lỏng – lỏng trên cột, cũng dựa vào định luật phân bố của chất tan giữa hai pha không trộn lẫn vào nhau Trong phân tích các chất ưa dầu (kị nước) ở trong các mẫu phức tạp như các dịch cơ thể, các mẫu môi trường, phân tích tồn lượng, việc chuẩn bị mẫu bằng phương pháp thông thường (dùng phễu chiết) thường gặp những điều bất lợi: sự hình thành nhũ, sự tách pha tồi, tiêu tốn nhiều dung môi và thời gian Phương pháp chiết lỏng-lỏng trên cột trong trường hợp ở đây tỏ ra hiệu quả hơn, tránh được những bất lợi

đã nêu, không cần làm khô dung dịch thu được và độ thu hồi cao

Nguyên tắc làm việc của phương pháp chiết lỏng-lỏng trên cột (hiện trên thị trường có bán sẵn các cột nhồi có thể tích 1-20 ml) như sau:

Cột (polietilen hoặc thủy tinh) được nhồi đất chịu lửa có lỗ rộng (thể tích lỗ cao), trơ hóa học, làm việc được trong khoản pH=1-13 (thí dụ như Kizengua) Mẫu nước chứa chất phân tích khi đưa vào cột tự nó sẽ được phân bố trong dạng phim mỏng trên bề mặt chất nhồi và đóng vai trò như một pha tĩnh Sau đó sự rửa giải xảy ra khi sử dụng chất dung môi hữu cơ không trộn lẫn với nước như đietyl ete, etyl axetat hoặc các dung môi hydrocacbon clo hóa Tất cả các chất ưa dầu sẽ được chiết từ pha nước vào pha hữu cơ Trong quá trình này pha nước nằm lại trên pha tĩnh Dịch rửa giải thu được không bị nhũ hóa và có thể đem bốc hơi dung môi để tiến hành phân tích tiếp mà không cần làm khô

Chiết đối dòng (chiết phân đoạn)

Chiết phân đoạn cho phép tách các chất có hệ số phân bố gần nhau, tuy nhiên hiện nay ít dùng vì đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng đắt tiền và không cho phép tách những hỗn hợp phức tạp

4.2 Chiết lỏng - rắn

Chiết lỏng - rắn được áp dụng để tách các chất phân tích ra khỏi mẫu vật rắn (thực vật, đất, các mẫu sinh học, v.v ) bằng dung môi thích hợp Chất phân tích trong mẫu vật rắn thường nằm ở thành nang nhỏ