SpM1 2014WS - univie.ac.at · 2018-11-28 · 67 10. Trocknung von Ölen Viele Substanzen fallen nach ihrer Isolierung in Form zäher Öle an, die aus keinem der üblichen Lösungsmittel

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• Konventionelle Destillationsapparatur:für große Mengen Destillat (> 50 ml)+ mit oder ohne Kolonne+ mit oder ohne Spinne

• Brachit-Apparatur:für mittlere Mengen Destillat (10 bis 50 ml) Vorteil: wenig Schliffe => dichtNachteil: Kolbenvolumen fix vorgegeben

• Kurzwegdistillen:für hochsiedende, leichtzersetzliche oder erstarrende VerbindungenNachteil: geringe Trennleistung

• Kugelrohrdestillation:für kleine und kleinste Mengen Destillat (100 mg bis 20 g) Für die Destillation unter Feuchtigkeitsausschluß müssen Kugelrohre mit Septumansatz verwendet werden, damit das Destillationsgut entnommen werden kann. Nachteil: geringe Trennleistung

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• Lösungsmitteldistillen großDestillationsweg für Lösungsmittel bis in den Vorratsbehälter lang (ca. 30-40 cm)=> für niedrigsiedende Lösungsmittel (Kp. 40-110 °C)Vorratsbehäter für abdestilliertes Lösungsmittel faßt etwa 200 ml. Kolbengröße muß diesem Volumen angepaßt sein damit eine Trockenlaufen verhindert wird.=> für 500 ml - 2 l Lösungsmitttel geeignet

• Lösungsmitteldistillen kleinDestillationsweg für Lösungsmittel bis in den Vorratsbehälter lang (ca. 15-20 cm)=> für niedrig und mittelhoch siedende Lösungsmittel (Kp. 40-150 °C)Vorratsbehäter für abdestilliertes Lösungsmittel faßt etwa 30 ml.=> für 100 ml - 500 l Lösungsmitttel geeignet

• Lösungsmitteldistillen für hochsiedende LösungsmittelDestillationsweg für Lösungsmittel bis in den Vorratsbehälter lang (ca. 8-10 cm)=> für hoch siedende Lösungsmittel (Kp. >100 °C)Vorratsbehäter für abdestilliertes Lösungsmittel variabel

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9. Kristallisation:

• Eintopfmethode:1) Die Fällung der Kristalle erfolgt im Reaktionskolben.2) Die überstehende Mutterlauge wird durch das Septum mit einer Spritze abgesaugt. 3) Die Kristalle werden mit einem geeignetem Lösungsmittel gewaschen.4) Das Waschlösungsmittel wird durch das Septum mit einer Spritze abgesaugt.5) Die Kristalle werden durch Evakuieren des Reaktionskolbens getrocknet.

• Mit Hilfe einer Umkehrfritte:1) Die Fällung der Kristalle erfolgt im Kolben 1.2) Die Apparatur wird um 180° gedreht3) Die überstehende Mutterlauge wird durch die Fritte abgesaugt. 4) Die Kristalle werden mit einem geeignetem Lösungsmittel gewaschen.5) Das gesammelte Filtratwird aus dem Kolben 2 mit einer Spritze abgesaugt.6) Die Kristalle werden durch Evakuieren getrocknet.

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• Fällen und Trennen durch Abzentrifugieren:1) Die Fällung erfolgt in einem Zentrifugenglas, das mit einem Septum verschlossen ist. 2) Die Kristalle werden durch Zentrifugieren sedimentiert.3) Die überstehende Mutterlauge wird durch das Septum mit einer Spritze abgesaugt. 4) Die Kristalle werden mit einem geeignetem Lösungsmittel gewaschen. 5) Die Kristalle werden erneut durch Zentrifugieren sedimentiert. 6) Das Waschlösungsmittel wird durch das Septum mit einer Spritze abgesaugt. 7) Die Kristalle werden durch Evakuieren des Zentrifugenglas es getrocknet.

Als Filterhilfsmittel kann Celite®, das bei 150 °C getrocknet wurde, verwendet werden.

• Mit Hilfe einer Gaseinleitfritte:1) Die Fällung der Kristalle erfolgt im Reaktionskolben.2) Die überstehende Mutterlauge wird durch die Gaseinleitfritte gedrückt. 3) Die Kristalle werden mit einem geeignetem Lösungsmittel gewaschen.4) Das Waschlösungsmittel durch die Gaseinleitfritte gedrückt. 5) Die Kristalle werden durch Evakuieren des Reaktionskolbens getrocknet.

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10. Trocknung von ÖlenViele Substanzen fallen nach ihrer Isolierung in Form zäher Öle an, die aus keinem der üblichen Lösungsmittel kristallisiert werden können. Sollen diese Substanzen als Edukte für eine Reaktion mit metallorganischen Verbindungen verwendet werden, ergeben sich oft Probleme mit deren Trocknung.

• Trocknen am Rotationsverdampfer:Wesentlich ist, das die Hauptmenge des Lösungsmittels aus der Auffangkugel vor der endgültigen Trocknung entfernt wird, da sonst kein gutes Vakuum erreicht werden kann. Bei richtiger Wahl der Rotationsgeschwindigkeit wird die Oberfläche des Öls immer neu gebildet, wodurch das Abdampfen des Lösungsmittels erleichtert wird. Zur Erreichung eines effektiven Vakuums kann ein Rotationsverdampfer auch mit einer Ölpumpe versorgt werden. So gelingt es auch höhersiedende Lösungsmittelreste (z.B. DMSO oder Xylol) aus zähen Ölen zu entfernen.

• Azeotrope Trocknung:1) Die ölige Substanz wird in Toluol gelöst.2) Toluol bildet mit Wasser ein Azeotrop, sodaß Wasserspuren beim Abdestillieren des

Lösungsmittels entfernt werden. Nachteil: Es verbleiben Reste des Schleppers im zähen Öl.

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• Trocknung im Exsiccator:Meist nicht sehr effektiv, da das Öl nicht erwärmt werden kann und die Oberfläche undurchmischt bleibt.

• Gefriertrocknung:Die Substanz wird in einem Kolben eingebracht der direkt über ein kurzes Rohr mit einer Kühlfalle verbunden ist, die auf -78 °C gekühlt ist. Das System wird mit einer Ölpumpe evakuiert. Die Effektivität kann noch gesteigert werden, indem ein fein verteilter Strom von Stickstoff über das Öl geführt wird. Dabei dient das trockene Schutzgas als Transportmittel für Lösungsmittelreste.

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11. Gehaltsbestimmung:Die exakte Einhaltung der Stöchiometrie ist eine Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Anwendung metallorganischer Reagentien und komplexer Hydride. Daher ist es notwendig den genauen Gehalt der Reagenslösungen zu kennen. Ein grundlegendes Problem ist dabei, daß sich die Elementarzusammensetzung intakter Reagentien von der Zusammensetzung der hydrolysierten Verbindungen meist nur wenig unterscheiden. Es genügt daher nicht allein den Gehalt des Metallions zu bestimmen ! Vielmehr muß ein aussagekräftiges Analyseverfahren zwischen der intakten metallorganischen Verbindung und deren Hydrolyseprodukten unterscheiden können.

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• Titration lithiumorganischer Verbindungen:1) In einem getrockneten und mit Argon befüllten Kolben wird eine genau gewogene Menge

des Urtiters vorgelegt. 2) Der Urtiter wird in trockenem Lösungsmittel gelöst (z.B. THF) und die Lösung mit einem

Magnetrührer gerührt. 3) Die lithiumorganische Verbindung wird mit einer Spritze angesaugt und die Spritze samt

Inhalt auf einer im Abzug befindlichen Waage tariert. Dabei ist auf Luftblasenfreiheit zu achten ! Die Nadelspitze kann mit einem Gummistoppel verschlossen werden.

4) Nun wird die lithiumorganische Verbindung zugesetzt, bis der Äqivalenzpunkterreicht ist.

5) Jetzt wird die Spritze mit der verbliebenen lithiumorganische Verbindung erneut abgewogen. Die Massendifferenz entspricht dem Verbrauch.

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Urtiter Diphenylessigsäure:

Ph

Ph

O

OH RLiPh

Ph

O

O- Li+ RLi

Ph

Ph

O- Li+

O- Li+

farblos gelb

OH

gelb

O- Li+

violett-rot

N

N

N

N

LiN

N

RLi2

RLi

Urtiter Menthol: Indikator o-Phenanthrolin (wasserfrei !)

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Berechnungsbeispiel:Titration von n-Butyllithium (c ≈ 1.6 M in Hexan; d = 0.680 g/ml)Urtiter = Menthol (MG = 156.27)

2.367 mMol/g2.398 mMol/g2.323 mMol/gGehalt1.326 g1.244 g1.295 gVerbrauch n-BuLi3.139 mMol2.983 mMol3.009 mMolStoffmenge490.6 mg466.2 mg470.3 mgEinwaage MentholBestimmung 3Bestimmung 2Bestimmung 1

Mittelwert = 2.363 mMol/g

Dies entspricht einer molaren Konzentration c ≈ 1.607 M

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• Titration magnesiumorganischer VerbindungenDie Bestimmung magnesiumorganischer Verbindungen entspricht der Bestimmung lithiumorganischer Verbindungen mit dem Urtiter Menthol, allerdings wird als Indikator 2,2'-Bichinolyl verwendet.

NN 2,2'-Bichinolyl (= Cuproin)

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• Bestimmung komplexer Hydride durch gasvolumetrische Analyse:In einem Reaktionskolben wird eine Lösung des komplexen Hydrides mit einer geeigneten Hydrolyselösung zur Reaktion gebracht. Der dabei freiwerdende Wasserstoff wird in einer Gasbürette aufgefangen. Pro Mol Hydrid-Ion wird so ein Mol Wasserstoff (22.4 ml bei 0 °C bzw. 24 ml bei 20 °C) gebildet.

Anforderungen an die Hydrolyseflüssigkeit:+ Die Hydrollyse des komplexen Hydrides sollte vollständig verlaufen. + Es sollten alle Hydrolyseprodukte in der Hydrolyseflüssigkeit löslich sein.

Reaktionsführung:+ Die Reaktionsapparatur sollte mit Schutzgas gefüllt sein (sonst Knallgasbildung !)+ Die Reaktionswärme sollte durch ein Kühlbad abgefangen werden, damit es zu keiner

Erwärmung des Schutzgases in der Hydrolyseapparatur kommt.+ Dämpfe leicht flüchtiger Lösungsmittel sollten durch einen aufgesetzten Kühler zurück-

gehalten werden (sonst Fehlinterpretation der Ergebnisse !)

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Spezielle Methoden der pharmazeutischen Chemie 1Handhabung von Metallorganika(für Diplomanden und Dissertanten im Fach Pharmazeutischen Chemie/Synthese)

Kapiteleinteilung:1. Geräte und Arbeitstechniken2. Lösungsmittel und Metallierungshilfsmittel3. Lithiumorganische Verbindungen4. Magnesiumorganische Verbindungen5. Kupferorganische Verbindungen6. Komplexe Hydride7. Palladiumorganische Verbindungen

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Lösungsmittel, Hilfsstoffe und Reagentien:1. Trockenmittel2. Lösungsmittel, Hilfsstoffe und Reagentien3. Anwendungen

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1. Trockenmittel:Calciumchlorid (CaCl2)CaCl2 + 6 H2O → CaCl2 ⋅ 6 H2O

Bindet Wasser nur physikalisch; daher muß das Trockenmittel vor der Destillation abfiltriert werden, sonst destilliert feuchtes Lösungsmittel ab.Anwendungsgebiet:Zum Vortrocknen der Lösungsmittel Vorteile: billigNachteile: langsam, nicht sehr effizientgeeignet für: RX, Ether; KWST, zur Gastrocknung: HCl, CO, CO2, SO2, N2, CH4, O2

ungeeignet für: ROH, Amine, RCOOH, Amide, AS, Ketone, Aldehyde, Phenole

Calciumhydrid (CaH2)CaH2 + H2O → CaO + H2

Vorteile: sehr effizientNachteile: feuergefährlich, da Wasserstoff freigesetzt wirdgeeignet für: Ether; KWST, zur Gastrocknung: H2, Ar, He, N2, CH4, O2

ungeeignet für: enolisierbare Verbindungen

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Calciumoxid (CaO)

CaO + H2O → Ca(OH)2

Vorteile: sehr effizientNachteile: stark basichgeeignet für: Amine, Alkoholeungeeignet für: RCOOH, Ester, Amide, Phenole

Calciumsulfat (CaSO4 ⋅ 0.5 H2O)

CaSO4 ⋅ 0.5 H2O + 1.5 H2O → CaSO4 ⋅ 2 H2O

Bindet Wasser nur physikalisch; daher muß das Trockenmittel vor der Destillation abfiltriert werden, sonst destilliert feuchtes Lösungsmittel ab.Anwendungsgebiet: Zum Vortrocknen der Lösungsmittel Vorteile: billig, inertNachteile: langsam, nicht sehr effizient, Kapazität geringgeeignet für: nahezu alle Lösungsmittel

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Lithiumaluminiumhydrid (LiAlH4)

2 LiAlH4 + 4 H2O → 8 H2 + Li2O + Al2O3

Vorteile: sehr effizient, reduziert auch Etherperoxide !Nachteile: stark basich, feuergefährlich da Wasserstoff freigesetzt wirdgeeignet für: Ether; THF, KWST (Mittel der Wahl)ungeeignet für: reduzierbare und enolisierbare Verbindungen: Aldehyde, Ketone, RCOOH, Anhydride, Ester, Amide, Nitrile, R-NO2; Alkohole, Amine

Magnesium (Mg)

Mg + CH3OH → Mg(OCH3)2 Mg(OCH3)2 + H2O → MgO + CH3OH

Anwendungsgebiet: Zur Trocknung von AlkoholenVorteile: sehr effizientgeeignet für: für niedrige Alkoholeungeeignet für: für höhere Alkohole (Mg-Alkoholatbildung zu langsam)

Magneriumperchlorat (Mg(ClO4)2)

Mg(ClO4)2 + 6 H2O → Mg(ClO4)2 ⋅ 6 H2O

Anwendungsgebiet: Trockenmittel nur für ExsiccatorenNachteile:teuer, starkes Oxidationsmittel bei Kontakt mit organishen Verbindungen Explosionsgefahr !

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Magnesiumsulfat (MgSO4)

MgSO4 + 7 H2O → MgSO4 ⋅ 7 H2O

Bindet Wasser nur physikalisch; daher muß das Trockenmittel vor der Destillation abfiltriert werden, sonst destilliert feuchtes Lösungsmittel ab.Anwendungsgebiet: Zum Vortrocknen der Lösungsmittel Vorteile: billig, schneller und effizienter als Natriumsulfatgeeignet für: nahezu alle Lösungsmittel

Molekularsieb• Molekularsiebe sind Ca bzw. Na-Aluminium-Silikate vom Zeolith-Typ. • Diese Silikate enthalten Hohlräume, die mit Hydratwasser gefüllt sind.• Aus den Hohlräumen kann das Hydratwasser durch Erhitzen entfernt werden.• Die entstehenden Hohlräume haben einheitliche Größe (Größe abhängig vom Kation).• Kleine Moleküle können in diese Hohlräume diffundieren (Siebeffekt). • In Abhängigkeit von der Polarität der Molküle erfolgt eine Bindung.• Besonders Wasser wird stark gebunden (stark exotherme Reaktion !).

Alkohole und andere polaren Moleküle aber auch Olefine werden ebenfalls gebunden, sofern diese in die Hohlräume passen.

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3 Å-Typ:+ nur Wasser kann eindringen+ geeignet für die Trocknung von Methanol und Acetonitril und anderer kleiner Moleküle

4 Å-Typ:+ H2O, Ethan, CO2, H2S, SO2, NH3, MeOH, EtOH, Acetylen, Ethylenoxid, N2, O2, CH4

können eindringen. + polaren Moleküle und Olefine werden gebunden

5 Å-Typ:+ auch mittelgroße Moleküle können eindringen z.B. nBuOH, Hexan, CCl4, BF3

13X-Typ: Hohlraumgröße 10Å

Anwendungsgebiete:+ Zur schoneneden und effektiven Trocknung von Lösungsmitteln + Zur Trocknung und Trennung von Gasen auch bei hoher TemperaturVorteile: hohe Kapazität mit geringer Temperaturabhängigkeit18 Gewichts-% bei 25 °C, 15 Gewichts-% bei 100 °CNachteile:+ optisch ist nicht ersichtlich, ob die Kapazität erschöpft ist+ durch Rührmagnet werden die Perlen zerschlagen

=> feiner Staub ! schlecht abtrennbar

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geeignet für: nahezu alle organischen Lösungsmittelfür empfindliche Lösungsmittel Mittel der Wahlungeeignet für: starke Säuren (z.B. Trifluoessigsäure)Regeneration:durch Erhitzen auf 150 - 300 °C; Wasserdampf kann durch einen Strom trockener Luft oder Vakuum entfernt werden, dann Abkühlen im Exsiccator

Anwendung von Molekularsieb zur Adsorption von Reaktionswasser/Reaktionsmethanol:Klassisch erfolgt die Entfernung von Reaktionswasser mithilfe von Schleppern durch azeotrope Destillation. Der Schlepper wird dann vom Reaktionswasser mithilfe von einem Wasserabscheider getrennt. Bei kleinen Ansätzen kann aber die Menge des Reaktionswassers so gering werden, daß keine effektive Abtrennung im Wasserabscheider stattfindet.Wird bei einer Reaktion Methanol oder Ethanol gebildet, können diese Moleküle zwar azetrop abdestilliert werden im Wasserabscheider ist aber keine Trennung vom Schlepper möglich.Statt eines Wassserabscheiders kann ein Soxlett-Extraktor verwendet werden, indem eine Hülse, die mit Molekularsieb gefüllt ist, eingebracht wurdeSomit kann nicht nur Wasser abgetrennt werden, sondern es können auch andere, polare, kleine Moleküle (z.B. MeOH, EtOH, ..) aus Gleichgewichtsreaktionen entfernt werden, indem diese an Molekularsieb gebunden werden.

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Schlepper: • CH2Cl2 (Kp. 40 °C) für empfindliche Substanzen, wenig effizient• CHCl3 (Kp. 60 °C) wesentlich effizienter, Vorsicht! Enthält EtOH als Stabilisator• CCl4 (Kp. 76-77 °C) sehr effizient, löst aber organische Verbindungenschlecht , toxisch !• n-Hexan (Kp. 69 °C) löst aber organische Verbindungen schlecht• Benzol (Kp. 80 °C) sehr effizient, hoch toxisch !• Toluol (Kp. 111 °C) sehr effizient, nur für thermisch stabile Substanzen

Beispiele:

R OMe

O

+ ROHH+

R OR

O

+ MeOH

R OH

O

+ ROHH+

R OR

O

+ H2O

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O

O R

R

R

R

R

ROH

OHR

R

+H+

+

O

O R

R

R

RMeO

MeO R

ROH

OHR

R

+H+

+ 2 MeOH

H2OO

mCPBS (technisch):

O

OO

H

Cl

+

O

OH

Cl

+ H2O

mClPBS H+ / H2OOOH

HO