Синтез, очистка и исследование 2-нафтилацетата

Синтез, очистка и исследование 2-нафтилацетата

КУРСОВАЯ РАБОТА

Дисциплина: ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

Тема: СИНТЕЗ, ОЧИСТКА И АНАЛИЗ 2-НАФТИЛАЦЕТАТА

СОДЕРЖАНИЕ

Реферат

Условные обозначения, названия и единицы измерения физических величин

Введение

        Свойства 2-нафтилацетата и исходных веществ

.1     Физические свойства 2-нафтилацетата

.2     Электронное строение

1.3    Способы получения

.4      Свойства исходных веществ

2      Расчет количеств исходных веществ

.2     Расчет количеств исходных веществ по методике

2.3    Расчет количеств исходных веществ по уравнению

3 Главные этапы синтеза

.1 Приготовление исходных и вспомогательных реактивов и собирание приборов

.1.1 Приготовление исходных и вспомогательных реактивов

.1.2Сборка приборов

.2     Отделение вещества от сопутствующих продуктов

3.3    Идентификация

4      Ход синтеза

5       Характеристика синтезированного вещества

5.1 Физико-химические константы и растворимость

.2 Идентификация

.3 Выход продукта

        Выводы и рекомендации

Список использованных источников

Приложения

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, НАЗВАНИЯ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Абсолютная погрешностьδ, %

Относительная погрешность∆

Выход вещества от теоретическогоηт, %

Выход вещества от указанного в методикеηм,%

Индукционный эффектI

Мезомерный эффектM

Количество вещества ν, моль

Избыток количества веществаνизб,моль

Теоретическое количество вещества по уравнениюνт, моль

Избыток количества вещества в % ν(%), %

Масса веществаm, г

Масса раствораmр-ра, г

Теоретическая масса веществаmт, г

Масса вещества по методикеmм, г

Масса полученного веществаmр, г

Молярная масса вещества М, г/моль

Массовая доляω, %

Объем раствораV или Vр-ра,мл

Показатель преломленияn20D

Плотность веществаρ, г/см3 Плотность раствораρр-ра, г/мл

Температура кипенияt, ⁰С

Температура плавленияt, ⁰C

Теоретическое значение температуры плавленияt1, ⁰C

Экспериментальное значение температуры плавленияt2, ⁰C

ВВЕДЕНИЕ

нафтилацетат реактив синтезированный

Целью курсовой работы является синтез 2-нафтилацетата по выбранной методике. Рассчитать исходные количества вещества по методике и по уравнению реакции, выход продукта. Анализ экспериментальных данных: выход продукта реакции, физико-химические константы (определение температуры плавления, проверка растворимости), идентификация. Рассмотреть различные способы получения, строение, химические свойства данного вещества.

Для полученного 2-нафтилацета необходимо провести очистку от сопутствующих веществ и проделать качественные реакции, исследовать растворимость в различных растворителях, определить температуру плавления. Проанализировать экспериментальные данные и сделать выводы по выходу продукта, степени чистоты полученного вещества. Сделать вывод о целесообразности использования данной методики для синтеза 2-нафтилацетата.

-Нафтилацетат - органическое соединение, относится к классу сложных эфиров и имеет формулу:

Структурная формула: Молекулярная формула:

С12Н10О2

Название по систематической номенклатуре:уксуснонафталиновый эфир.

По рациональной: 2-нафтилацетат.

1 СВОЙСТВА 2-НАФТИЛАЦЕТАТА И ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ

.1 Физические свойства 2-нафтилацетата

-Нафтилацетат - бесцветное кристаллическое вещество, кристаллизуется из этанола в виде игл, растворим в этаноле, эфире, хлороформе, нерастворим в воде. Молекулярная масса 186,21 г/моль, температура плавления 68,5⁰С.[3] Сведений о токсичности 2-нафтилацетата не имеется, но данное вещество может быть получено из нафталина, воздействие которогочрезвычайно опасно для здоровья человека, а иногда даже смертельно[5].

.2      Электронное строение

Молекула 2-нафтилацетата состоит из двух конденсированных бензольных колец (нафталина) и кислотного остатка уксусной кислоты - иона. Рассмотрим сначала строение нафталина. Молекула нафталина состоит из двух конденсированных колец в о-положенияхбензольных колец. В нафталине все десять атомов С находятся sp2 - гибридизации. Не гибридизованные р-орбитали образуют сопряженную систему, состоящую из десяти π-электронов. Согласно современным представлениям молекула нафталина имеет плоское строение с менее равномерным, чем в бензоле, распределением π-электронной плотности, что проявляется в различной длине связей С - С:

Ацетат-ион , входящий в состав 2-нафтилацетата, находится в положении 2 (β), он относится к ориентантам второго рода, и за счет отрицательных мезомерного (- М)и индукционного эффекта (- I) снижает электронную плотность в положениях 1, 3, 6, 8, так как α-положение второго кольца обладает большей активностью по сравнению с β-положениями, то замещение происходит в положениях 5 и 8.

Характерные реакции:

реакции электрофильного замещение SE,

реакции нуклеофильного замещения по связи  ,

реакции окисления.

·        Реакции нуклеофильного замещения

Для 2-нафтилацетата характерны реакции гидролиза (а), переэтерификации (б), образования амидов (в). Реакция катализируется кислотами и основаниями, протекает при обычной температуре.

(а)

2-нафтилацетат нафталиновая кислота

В результате реакции гидролиза образуется нафталиновая кислота и этиловый спирт [1].

(б)

2-нафтилацетат этанол2-нафтилпропанат метанол

При взаимодействии со спиртами возможна замена радикала у гидроксильного кислорода, таким образом может образоваться другой эфир, в данном случае образовался 2-нафтилпропанат.

·        Реакции электрофильного замещения

(в)

2-нафтилацетатаммиак 2-нафтилацетатамидметанол

.3      Способы получения

-Нафтилацетат можно получить из органических веществ различных классов несколькими способами: реакцией этерификации, ацилирования спиртовгалогенарилами, ангидридами карбоновых кислот и реакцией ацилирования в щелочной среде из солей карбоновых кислот.

·        Реакция этерификации

нафталиновая кислота этиловый спирт 2-нафтилацетат [1]

Реакция проходит в присутствии минеральных кислот.

·        Реакция ацилированиягалогенангидрида. Эта реакция идет в присутствии катализатора BF3.

хлор-2-нафтилат2-нафтилацетат[2]

·        Реакция ацилирования в щелочной среде:

2-нафтилацетатацетат натрия [3]

Побочные реакции:

-нафтолгидроксид натриянафтолят натрия

Реакция этерификации обратима, чтобы увеличить выход вещества необходимо постоянное выведение эфира или воды из сферы реакции. Ацилированиегалогенангидридами идет в присутствии дорогостоящего катализатора фторида бора.

Для получения 2-нафтилацетата в данном синтезе выбрана реакция ацилирования в щелочной среде[3], так как эта реакция не требует жестких условий проведения, протекает быстро и выход продукта реакции достаточно велик.

.4 Свойства исходных веществ

-Нафтол представляет собой полупрозрачные белые пластинки с фенольным запахом.

Уксусный ангидрид - бесцветная с резким запахом жидкость.

Гидроксид натрия - твердое кристаллическое вещество белого цвета.

Остальные свойства исходных веществ и их физические константы представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Свойства 2-нафтилацетата и исходных веществ

         РАСЧЕТ КОЛИЧЕСТВ ИСХОДНЫХ ВЕЩЕСТВ

Все данные, необходимые для дальнейших расчетов берутся из таблицы 2.

.1 Расчет количеств исходных веществ по методике

Исходные вещества для получения 2-нафтилацетата берутся в следующих количествах:

2-нафтол, 10 г

Уксусный ангидрид, 10,5 мл, ρ=1,082 г/мл

Гидроксид натрия, 50 мл, ω=10%, ρ=1,11 г/см3

·        Рассчитываем массу уксусного ангидрида по формуле:

,(1)

где m-масса вещества,г

ρ - плотность вещества,г/см3

V - объем вещества, мл

m=1,082∙10,5=11,36 г

Количество вещества ν, мольвычисляют по формуле:

, (2)

где ν - количество вещества, моль

ν(С4Н6О3)=11,36/102,09=0,11 моль

·        Рассчитываем массу гидроксида натрия, содержащегося в 50 мл раствора , ω=10%, ρ=1,11 г/см3

Находим массу раствора гидроксида натрия по формуле:

 , (3)

где mр-ра - масса раствора, г

ρр-ра- плотность раствора,г/мл

Vр-ра - объем раствора, мл

mр-ра=1.11∙50=55.50г

Массу самого вещества находим из формулы:

 , (4)

где ω - массовая доля, %

mв-ва - масса растворенного вещества, г

m(NaOH)=55,5∙0,1=5,55 г

Рассчитываем количество вещества гидроксида натрия из формулы (2):

ν(NaOH)=5,55/40=0,14 моль

·        Рассчитываем количество вещества 2-нафтола

По формуле (2):

ν(С10Н7ОН)=10/144=0,07 моль

2.2 Расчет количеств исходных веществ по уравнению

Из уравнения реакций [3] видно,что ν(С10Н7ОН):ν(С4Н6О3):ν(NaOH)=1:1:1, следовательно, 2-нафтолвзят в недостатке. Считаем по недостатку.

ν(С10Н7ОН)=ν(С4Н6О3)=ν(NaOH)=0,07 моль

·        Рассчитываем избыток гидроксида натрия в молях и в % соответственно по формулам:

, (5)

где νизб - избыток количества вещества, моль

νт - теоретическое количество вещества по уравнению.

 ,  (6)

νизб(С4Н6О3)=0,11 - 0,07=0,04 моль

νизб(NaOH)=0,14-0,07=0,07 моль

·        Рассчитываем массы исходных веществ по уравнению

Из формулы (2) находим массу в 100% вещества:

m(С10Н7ОН)=0,07∙144=10,08 г

m(С4Н6О3)=0.07∙102.09=7,15 г

m(NaOH)=0,07∙40=2,8 г

Из формул (2) и (4) рассчитываем массы и объемы веществ данной концентрации:

m(С4Н6О3)=7.15 г

V(С4Н6О3)=7,15∙1,082=7,74 мл

mр-ра(NaOH)=2.8/0.1=28 г

Vр-ра=28/1,11=25,23 мл

Все расчеты сведены в таблице 2.

Таблица 2 - Количества исходных веществ

Реакция ацилированияβ-нафтола уксусным ангидридом протекает в разбавленном растворе щелочи, уксусный ангидирд берется в избытке, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону образования эфира, тем самым увеличивая выход продукта. Гидроксида натрия и уксусного ангидрида по уравнению реакции требуется 0,07 моль, а по методике 0,118 и 0,04 моль соответственно.

3 ГЛАВНЫЕ ЭТАПЫ СИНТЕЗА

.1 Приготовление исходных и вспомогательных реактивов и собирание приборов

·        Прежде чем использовать 2-нафтол в синтезе, его перекристаллизовывают из воды, разбавленного этилового спирта или четыреххлористого углерода. В качестве растворителя удобно использовать воду, в этом случае перекристаллизацию проводят так: круглодонную колбу с навеской 2-нафтола помещают на песчаную баню, добавляют небольшое количество воды (в несколько меньшем количестве, чем требуется для полного растворения) и нагревают колбу. После полного растворения 2-нафтола горячий раствор выливают в плоскодонную колбу или химический стакан через воронку со смоченным бумажным фильтром приспособление для перекристаллизация приведено на рисункеА1 в приложении А. В процессе охлаждения отфильтрованного раствора образуются кристаллы 2-нафтола, которые потом отделяют от воды вакуум-насосом на воронке Бюхнера (рисунок А2 приложения А).

·        В круглодонную колбу на 500 мл наливают 50 мл 10% раствор гидроксида натрия, помещают туда 10 г 2-нафтола, взвешенного на технических весах. Аккуратно перемешивая содержимое колбы, растворяют большую часть 2-нафтола.

·        Добавляют 10,5 мл уксусного ангидрида и колотый лед. Снова встряхивают колбу для большего растворения 2-нафтола.

·        Приготовление раствора гидроксида натрия, ω=10%, 50 мл.

Взвешиваем рассчитанную массу гидроксида натрия (стр. 12).

Рассчитываем объем воды, требующийся для 50 мл раствора:

m(H2O)=mр-ра - m(NaOH)=55.5 - 5.55=50 г

ρ(H2O)=1 г/мл

V(H2O)=50∙1.00=50 мл

Навеску, взвешенную на технических электронных весах, помещают в химический стакан, добавляют 50 мл воды и перемешивают стеклянной палочкой до полного растворения.

.1.2 Сборка приборов

Круглодонную колбу со смесью соединяем с обратным воздушным холодильником. Перемешивают смесь в течении 15 - 20 минут, круговыми движениями колбы, придерживая холодильник (рисунок 1).

Рисунок 1 - Прибор для синтеза 2-нафтилацетата. 1 - обратный холодильник, 2 - круглодонная колба.

.2 Отделение вещества от сопутствующих продуктов

·        Полученные кристаллы 2-нафтилацетата отфильтровывают на воронке Бюхнера.

·        Кристаллы 2-нафтилацетата промывают на воронке водой, сушат на воздухе.

·        Очищают высушенный продукт перекристаллизацией из разбавленного этилового спирта или из бензина с температурой кипения 60 - 80°С, так как 2-нафтилацетат растворим в этих веществах. Процесс перекристаллизации можно проводить в химическом стакане. Для этого в разбавленный этиловый спирт помещают 2-нафтилацетат и перемешивают стекляннойпалочой до растворения вещества. Очищаемое вещество переходит в раствор, а нерастворимые примеси будут оседать на дне стакана. Отделяют верхний слой, аккуратно сливая его в химический стакан.

·        Полученный очищенный 2-нафтилацетат отсасывают на воронке Бюхнера и сушат.

·        При необходимости повторяют очистку.

·        Выход 2-нафтилацетата по методике составляет 13 г.

.3      Идентификация

Для идентификации полученного вещества проводят качественную реакцию, проверяют растворимость в растворителях, определяют температуру плавления.

        
ХОД СИНТЕЗА

В качестве исходного вещества по методике используют перекристаллизованный 2-нафтол, но для синтеза брали обычный реактив, то есть перекристаллизацию не проводили. Сначала смешивали 2-нафтол и 10%-ный раствор гидроксид натрия. Смесь этих веществ в колбе приобрела бежевый оттенок , произошло частичное растворение пластинок 2-нафтола. Затем добавили колотый лед. В последнюю очередь добавляли уксусный ангидрид. Колбу соединили с воздушным обратным холодильником. Перемешиваем смесь, встряхивая колбу. В процессе реакциинаблюдается выпадение белых кристаллических пластинок 2-нафтилацетата. Через 15 минут содержимое колбы отфильтровали на воронке Бюхнера (рисунок 2) и промыли водой. Полученное вещество высушили на воздухе. Высушенный 2-нафтилацетат представлял собой темно-бежевое кристаллическое вещество, имеющее слабый фенольный запах.

Произвели очистку вещества из разбавленного этанола, при этом изменился цвет вещества - от темно-бежевого до светло-бежевого. Продолжительность синтеза составила около 1,5 часа, не учитывая время высушивания вещества.

Выход 2-нафтилацетата составил 6.3 г .

5 ХАРАКТЕРИСТИКА СИНТЕЗИРОВАННОГО ВЕЩЕСТВА

Синтезированный 2-нафтилацетат представляет собой кристаллическое вещество светло-бежевого цвета, имеющие вкрапления бесцветных кристаллов, со слабым фенольным запахом. Для характеристики данного вещества следует установить его температуру плавления, провести идентификацию и проверить растворимость в различных растворителях.

5.1 Физико-химические константы и растворимость

Для определения температуры плавления использовался прибор, изображенный на рисунке 3А приложения А. В стеклянный капилляр плотно набиваем 2 - 3 мм полученного 2-нафтилацетата, капилляр присоединяем резиновым кольцом к термометру и помещаем в прибор для определения температуры плавления. В процессе нагревания столбик уплотняется, появляются пузырьки воздуха, в момент появления которых отмечаем температуру на термометре. Была установлена температура плавления равная 68,5 °С. Теоретическое значение составляет 71°С. Рассчитываем абсолютную погрешность:

t1 - теоретическое значение температуры плавления,

t2 - значение, определенное экспериментально.

Δ=|t1 - t2|=|71 - 68.5|=2.5

Рассчитываем относительную погрешность:

δ=Δ/t1∙100%=2.5/71∙100=3.52%

Достаточно высокую погрешность можно объяснить присутствием примесей, которые трудно отделить обычной перекристаллизацией.

Проверили растворимость 2-нафтилацетата в четырех разных растворителях: воде, ацетоне, диэтиловом эфире и этаноле. В четыре пробирки поместили небольшое количество вещества и добавили растворители. Полное растворение было отмечено в эфире, ацетоне, этаноле. Растворения в горячей и холодной воде не произошло.

.2 Идентификация

Для определения 2-нафтилацетата нужно провести качественную реакцию. Уравнения реакции:

В пробирку вносим небольшое количество полученного вещества, добавляем 3 мл воды, немного раствора щелочи и кипятим жидкость 1 - 2 минуты. Затем раствор охлаждаем, добавляем соляной кислоты и несколько капель раствора хлорида железа (III). Появляется зеленоватая окраска (реакция на 2-нафтол).

.3 Выход продукта

Вычислим теоретический выход. Как уже было сказано ранее, 2-нафтол взят в недостатке, в количестве 0,07 моль, следовательно ν(2-нафтилацетат) = 0,07 моль.

Рассчитываем теоретический выход 2-нафтилацетата , используя формулу 3:

mт(С6Н5NH2) = 0,07∙186,21 =13,03 г.

Выход вещества от теоретического (по уравнению)ηт,%:

,(3)

где mp - масса полученного вещества,

mТ - теоретическая масса вещества.

ηт=6,3/13,03∙100=48,35 %

Выход вещества от указанного в методикеηм:

,(4)

гдеmp - масса полученного вещества,

mМ -масса вещества, указанная в методике.

ηм=6,3/13∙100=48,46%

Все данные, полученные в ходе работы сводим в таблицу 4.

Таблица 3 - Выход и физико-химические константы

6 ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

·        В ходе синтеза был получен 2-нафтилацетат, представляющий собой кристаллическое вещество темно бежевого цвета. Была проведена очистка вещества. Качественная реакция дала положительный эффект. Также для 2-нафтилацетата определена экспериментальным путем температура плавления, которая отличается от теоретического показателя на 3,52%. При исследовании вещества на растворимость в воде, ацетоне, эфире и этаноле, полученные результаты совпадают со справочными, 2-нафтилацетат растворился в диэтиловом эфире, ацетоне и этаноле.

·        Выход продукта равен 6,3 г, что составляет 48,35 и 48,36% от выхода по уравнению реакции и от выхода по методике соответственно. Причины небольшого выхода продукта: потери при проведении синтеза, в процессе очистки часть вещества удалялась вместе с примесями, по методике исходный 2-нафтол следует подвергать очистке методом перекристаллизации, но в данном синтезе использовался неперекристаллизованный реактив, что могло помешать большему образованию 2-нафтилацетата. Чтобы увеличить выход продукта следует проводить очистку исходного 2-нафтола.

·        Так как вещество получилось более темного цвета, чем описано в методике, а температура плавления отличается оттеоретической на 3,5%, можно предположить, что в нем еще осталось некоторое количество примесей.

·        Данная методика получения 2-нрафтилацетата вполне приемлема для проведения синтеза в лабораторных условиях, так как не требует особенных условий реакции и протекает достаточно быстро. Выбранный синтез 2-нафтилацетата практически безвреден для экологии, но может оказывать вредное воздействие на человека в силу токсичности 2-нафтола, уксусного ангидрида и гидроксида натрия.

·        Полученное вещество применяется в парфюмерии, в качестве отдушек в мыловарении.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.      Артеменко А.И. Органическая химия: Учеб.для строит. спец. вузов - 5-е изд., испр. - М.: Высш. Шк., 2002. - 559 с.: ил.

.        Ким А.М. Органическая химия: учеб.пособие. - 2-е изд., испр. и доп. - Новосибирск: Сиб. унив. Изд-во, 2001. - 814 с.

.        Практикум по органическому синтезу. Учеб.пособие для студентов пед. ин-тов.М., «Просвещение», 1974, 240 стр.

.        Храмкина М.Н. Практикум по органическому синтезу. Изд. 3-е, испр., Л., «Химия», 1974, 320 стр.

5.      Интернет энциклопедия «Википедия»:<#"528864.files/image032.gif">

Рисунок А1 - Приспособление для горячего фильтрования (перекристаллизации): 1 - электроплитка, 2 - растворитель, 3 - химический стакан, 4 - воронка с фильтром, 5 часовое стекло

Рисунок А2 - Установка для фильтрования под вакуумом: 1 - воронка Бюхнера с бумажным фильтром, 2 - резиновая пробка, 3 - колба Бунзена, 4 -резиновая трубка к вакуум-насосу

Рисунок 3 - Прибор для определения температуры плавления: а - термометр с капилляром помещенный в пробирку, б - крепление на термометре капилляра с веществом.