Химия биологически активных соединений (Теория и практика). Учебное пособие

гонки), источника вакуума, манометра и крана регулирования остаточного вакуума.

При перегонке объем разделяемой жидкости не должен превышать 50 % объема перегонной колбы.

Рис. 6. Установка для перегонки при пониженном давлении:

1 – колба Кляйзена; 2 – капилляр с регулировкой подачи воздуха; 3 – термометр; 4 – холодильник; 5 – алонж; 6 – манометр; 7 – кран отключения манометра; 8 – поглотительная трубка; 9 – вакуумный шланг; 10

– вакуум-насос; 11 – кран впуска воздуха; 12 – кран отключения системы от насоса; 13 – приемник

В центральное горло колбы Кляйзена(или насадки Кляйзена) вставляют оттянутый стеклянный капилляр, доходящий почти до дна колбы, для регулирования скорости подачи воздуха(или другого газа), обеспечивающего перемешивание жидкости в процессе перегонки и равномерность нагрева.

Перегонную колбу нагревают обычно на силиконовой или глицериновой бане. Температуру нагрева бани контролируют термометром.

Для конденсации паров жидкости с температурой кипения до 150°С используют холодильник Либиха с водяным охлаждением, а выше – воздушный.

21

При необходимости отбора нескольких фракций дистиллята во время перегонки используют специальный аллонж – «паук». К отводам «паука» для дистиллята подсоединяют приемники достаточного объема для сбора соответствующей фракции. Технология сбора фракций дистиллята аналогична фракционной перегонке при атмосферном давлении, а с помощью«паука» регулируют отбор дистиллята в соответствующий приемник.

После сбора установки перед началом вакуумной перегонки её проверяют на герметичность и только после этого проводят перегонку вещества.

Перед началом вакуумной перегонки из разделяемой жидкости удаляют примеси при её перегонке под атмосферным давлением. После этого жидкость охлаждают и заливают через воронку и центральное горло в колбу Кляйзена, включают вакуум-насос при открытом кране связи с атмосферой (кран 11), этим же краном в

установке вакуумной перегонки создают необходимый вакуум контролируемый по манометру с включенным краном перед ним (кран 7), включают баню для подогрева перегонной колбы.

Процесс перегонки под вакуумом проводят аналогично перегонке под атмосферным давлением, регулируя зажимом на шланге капилляра скорость прохождения газа через разделяемую жидкость.

Во время перегонки кран7 перед манометром рекомендуется закрывать для предотвращения повреждения стеклянной трубки манометра из-за резкого перемещения ртути.

По окончании перегонки прекращают нагрев колбы Кляйзена, отключают манометр, отключают установку от вакуумнасоса (закрывают кран 12), соединяют связь вакуум-насоса с атмосферой медленным открытием крана 11 и отключают вакуумнасос. После охлаждения колбы Кляйзена установку соединяют с атмосферой медленным открытием крана 12 и разбирают.

Контрольные вопросы

1. Что такое «вакуумная перегонка» и в каких случаях она применяется?

22

2.Изобразите схему установки для вакуумной перегонки и укажите назначение фрагментов установки.

3.Какова методика сбора фракций при перегонке смеси двух веществ?

4.В каких случаях используют холодильник для конденсации паров перегоняемой жидкости с водяным и воздушным -ох лаждением?

5.Почему вакуум-насос выключают при наличии связи вакуумной линии с атмосферой?

6.Что такое аллонж типа «паук» и зачем он применяется?

7.Почему во время работы вакуумной установки рекомендуют перекрывать кран перед ртутным манометром?

8.Почему в вакуумной линии перед входом воздуха в ваку- ум-насос рекомендуют ставить абсорбент (поглотитель)?

2.3.4. Перегонка с водяным паром

Жидкость закипает только в том случае, когда давление её паров равняется атмосферному, а смесь двух несмешивающихся и химически не взаимодействующих жидкостей с различными температурами кипения закипает при температуре, при которой сумма давлений паров каждой жидкости равняется атмосферному. Из этого следует, что смесь указанных жидкостей начинает кипеть при температуре более низкой по сравнению с температурой кипения низкокипящего компонента.

Если перегонке подвергают смесь воды и несмешивающейся с ней органической жидкости, то такой процесс называют перегонкой с водяным паром. Обязательным условием применения перегонки с водяным паром является взаимная низкая растворимость жидкости и воды и значительная упругость пара органической жидкости при температуре перегонки.

Перегонку с водяным паром применяютдля разделения смеси органических веществ, из которых только одно улетучивается с парами воды. Перегонка при 100°С позволяет отогнать из разделяемой смеси наиболее легколетучий компонент с высокой собственной температурой кипения. Схема установки представлена на рис. 7.

23

В качестве парообразователя удобно использовать металлический бачок с отводной трубкой в верхней части. Парообразователь должен быть обязательно снабжен водомерным стеклом 2 для постоянного контроля уровня воды, и предохранительной трубкой 3, которая фактически является водяным манометром и показывает давление в приборе. В нормально работающей установке уровень воды в предохранительной трубке должен находиться на 10-15 см выше пробки. Если вода поднимается выше этого уровня, а тем более выливается и нее, это чаще всего означает, что где-то установка забилась. Для этого случая в ней предусмотрен тройник 4 и зажим 5: нужно срочно открыть зажим, чтобы сбросить давление, а затем спокойно разобраться в причинах и устранить их.

Рис. 7. Установка для перегонки с водяным паром:

1 – парообразователь; 2 – водомерное стекло; 3 – предохранительная трубка; 4 – тройник; 5 – зажим; 6 – пароподводящая трубка; 7 – перегонная колба; 8 – отводная трубка; 9 – холодильник; 10 – приемник

Работают на установке в следующем порядке. Заполняют парообразователь водой на 2/3 объема, а перегонную колбу – перегоняемой смесью не более чем наполовину. Собирают установ-

24

ку, следя, чтобы пароподводящая трубка 6 не уперлась в дно колбы и находилась от него на расстоянии5-10 мм. Снимают зажим 5, включают нагрев под парообразователем. Когда из тройника пойдет струя пара, закрывают тройник зажимом и регулируют нагрев парообразователя так, чтобы уровень воды в предохранительной трубке был в допустимых пределах. Перегонную колбу необходимо слабо нагревать, чтобы в ней не возрастал уровень жидкости из-за конденсации водяного пара. Первоначально перегоняется мутная эмульсия воды с перегоняемым продуктом. Когда перегоняемое вещество заканчивается, гонится чистая прозрачная жидкость – вода, перегонку заканчивают в следующем порядке. Снимают зажим с тройника, выключают нагрев под парообразователем и перегонной колбой и разбирают далее установку в обычном порядке.

Контрольные вопросы

1.Какова физическую сущность метода перегонки с водяным паром?

2.В каких случаях можно использовать перегонку с водяным паром для разделения органических соединений?

3.Изобразите схему установки для перегонки с водяным паром и укажите назначение фрагментов установки.

4.Каков порядок запуска и остановки установки перегонки

сводяным паром?

2.4.Возгонка

Возгонкой (или сублимацией) называют процесс, при котором твердое вещество при нагревании сразу переходит в пар (минуя жидкое состояние), который при охлаждении образует твердое вещество.

Возгонке подвергаются соединения, имеющие высокую упругость пара в твердом состоянии при температуре ниже температуры плавления.

25

Сублимация твердых веществ лучше всего происходит для неполярных и малополярных соединений, обладающих большей летучестью по сравнению с полярными веществами при одинаковой молекулярной массе молекулы.

Температурой возгонки считают ту температуру, при которой упругость пара твердого вещества равна внешнему давлению . Практически возгонку проводят при температуре ниже температуры возгонки.

Если твердое вещество при обычном давлении возгоняется медленно из-за низкого давления паров, то скорость возгонки можно увеличить, проводя её при пониженном давлении.

Для увеличения скорости возгонки целесообразно увеличить поверхность возгоняемого соединения.

Установки для проведения возгонки показаны на рис. 8. Для возгонки малых количеств веществ используют прибор рис. 8, а. В чашку для выпаривания помещают вещество, сверху плотно прижимают лист фильтровальной бумаги со множеством маленьких отверстий, чтобы пар свободно проникал через них, а

образующиеся кристаллы не просыпались обратно в .чашку Сверху плотно ставят перевернутую воронку, которая является холодильником. Отверстие в воронке неплотно закрывают тампоном ваты. Прибор ставят на песчаную баню и постепенно нагревают. Когда возгонка заканчивается, или кристаллы начинают осыпаться, чашку отставляют, охлаждают, снимают воронку и соскребают кристаллы. Если в чашке осталось вещество, возгонку продолжают.

26

Рис. 8. Установки для возгонки:

а и б – при атмосферном давлении; в – в вакууме

При большом количестве вещества удобнее использовать прибор рис.8, б, где пары вещества, помещенного в стакан, конденсируются на поверхности колбы, которая охлаждается проточной водой. Для возгонки в вакууме используют прибор рис. 8, в, в котором вещество конденсируется на пальце, охлаждаемом проточной водой.

Контрольные вопросы

1.Какой процесс называют возгонкой?

2.Какие органические вещества подвергаются возгонке?

3.Как влияет строение молекулы органического соединения на процесс возгонки?

4.Что такое температура возгонки?

5.Как можно увеличить скорость возгонки?

6.Расскажите об установках, используемых в лаборатории для проведения возгонки.

2.5. Кристаллизация

Сущность процесса кристаллизации заключается в том, что растворимость твердых соединений в горячих растворителях значительно выше, чем в холодных.

27

Очистка твердого вещества от примесей с использованием процесса кристаллизации основана на различной растворимости очищаемого соединения и примесей.

Для очистки твердого соединения от примесей приготавливают горячий насыщенный раствор очищаемого соединения, который далее охлаждают. В этом случае для очищаемого соединения он станет пересыщенным, и основное вещество выделится в виде кристаллов. Присутствующие в растворе примеси при его охлаждении не образуют пересыщенного раствора из-за значительно меньшей их концентрации и поэтому не выпадают в осадок. Образующийся осадок отфильтровывают, а примеси остаются в фильтрате (называемом маточным раствором).

Для проведения кристаллизации необходимо выполнить следующие стадии:

1)растворить твердое вещество в минимальном объеме кипящего растворителя;

2)отфильтровать горячий раствор для удаления нерастворимых примесей;

3)максимально очистить фильтрат от растворимых примесей с использованием абсорбентов(например, активированного угля) и отфильтровать раствор от абсорбента методом горячего фильтрования);

4)охладить раствор и выдержать его до полной кристаллизации растворенного соединения;

5)отделить кристаллы от маточного раствора фильтрованием и промыть их небольшим количеством соответствующего растворителя для удаления с поверхности кристаллов примесей;

6)высушить полученные кристаллы.

28

Эффективность процесса кристаллизации во многом зависит от правильности выбора растворителя, который должен легко растворять очищаемое соединение и примеси при нагревании, а при охлаждении не растворять только очищаемое соединение.

При выборе растворителя пользуются правилом растворимости «подобное растворяется в подобном», т.е. соединение хорошо растворяется в растворителях со схожим химическим строением. Полярные вещества лучше растворяются в полярных растворителях (вода, спирты, кислоты и др.) и значительно хуже в неполярных растворителях(бензоле, толуоле, сероуглероде и других неполярных растворителях). Растворитель (а иногда и смесь растворителей) для проведения кристаллизации соединений известного строения выбирают из справочной литературы, а неизвестного строения – по специальной методике.

Контрольные вопросы

1.В чем заключается сущность процесса кристаллизации?

2.Что такое насыщенный раствор?

3.Что такое пересыщенный раствор?

4.Какова взаимосвязь растворимости и температуры

раствора?

5.Каков порядок проведения процесса кристаллизации для очистки вещества от примесей?

6.Каков порядок выбора растворителя для проведения кристаллизации?

29

Лабораторная работа № 1.

Получение бензойной кислоты из бензилового спирта

Цель работы: изучить способы получения бензойной кислоты, освоить методики ее выделения, очистки и ознакомиться с основными физическими свойствами.

Реактивы:

бензиловый спирт - 3 г; перманганат калия - 4 г; вода - 80 см3

Посуда:

круглодонная колба на250 см3, водяной холодильник, колба Бунзена, воронка Бюхнера, чашка для выпаривания, стакан.

Теоретические сведения

Бензойная кислота С6Н5СООН – наиболее важный представитель одноосновных ароматических кислот. Белое кристаллическое вещество. Распространена в природе в свободном -со стоянии и в виде производных. Получается в промышленности окислением толуола кислородом воздуха при 140 °С (катализатор – соли кобальта).

Степень диссоциации ароматических кислот выше, чем кислот алифатического ряда; бензойная кислота сильнее, чем уксусная. Она вступает в те же реакции, что и уксусная, а кроме того – в реакции, характерные для аренов.

Бензойная кислота применяется в производстве красителей,

Впищевой промышленности бензойная кислота(Е210) и

еесоли – бензоат натрия (Е211), бензоат калия (Е212), бензоат кальция (Е213) применяются в качестве пищевой добавки для консервирования плодово-ягодных продуктов, мармелада, конди-

30