SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET KEMIJSKOG INŽENJERSTVA I TEHNOLOGIJE ZAVOD ZA ORGANSKU KEMIJU PRAKTIKUM PREPARATIVNE ORGANSKE KEMIJE INTERNA SKRIPTA Akademska godina 2014. / 2015.
SADRŽAJ 1. OPĆE UPUTE I MJERE OPREZA TIJEKOM RADA U ORGANSKOM LABORATORIJU... 2 1.1. Opća pravila ponašanja u laboratoriju... 2 1.2. Mjere opreza i zaštita... 2 1.3. Simbolika opasnih tvari... 3 2. PRIPREMA ZA RAD, VOĐENJE LABORATORIJSKOG DNEVNIKA I RAČUN ISKORIŠTENJA... 4 3. OSNOVNO LABORATORIJSKO POSUĐE I PRIBOR... 6 3.1. Stakleno posuđe i pribor... 6 3.2. Porculansko posuđe... 7 3.3. Metalni pribor... 7 3.4. Ostali pribor... 8 3.5. Pranje i sušenje laboratorijskog posuđa... 9 4. IZOLACIJA, ČIŠĆENJE I IDENTIFIKACIJA ORGANSKIH SPOJEVA... 10 4.1. FILTRIRANJE... 10 4.2. PREKRISTALIZACIJA... 12 4.2.1. Izvođenje prekristalizacije... 14 4.2.2. Određivanje temperature taljenja... 15 4.3. EKSTRAKCIJA... 19 4.3.1. Primjena ekstrakcije pri izolaciji spojeva... 20 4.3.2. Izvođenje ekstrakcije... 20 4.4. DESTILACIJA... 23 4.4.1. Jednostavna destilacija pri normalnom tlaku... 24 4.4.2. Frakcijska destilacija... 25 4.4.3. Destilacija vodenom parom... 26 4.4.4. Destilacija pri sniženom tlaku (vakuum destilacija)... 27 4.5. SUBLIMACIJA... 28 4.6. KROMATOGRAFIJA... 29 4.6.1. Tankoslojna kromatografija... 29 4.6.2. Kolonska kromatografija... 32 5. ORGANSKE REAKCIJE I PRIPRAVA SPOJEVA... 34 5.1. ELEKTROFILNE REAKCIJE... 34 p-nitroacetanilid... 41 5.2. DIAZONIJEVE SOLI I AZO-SPOJEVI... 42 β-naftoloranž... 45 5.3. ADICIJSKE REAKCIJE NA KARBONILNE SPOJEVE... 47 CIMETNA KISELINA... 50 BENZILNI ALKOHOL I BENZOJEVA KISELINA... 51 5.4. NUKLEOFILNA SUPSTITUCIJA NA ZASIĆENOM UGLJIKOVODIKU... 53 tert-butil-klorid... 55 n-butil-bromid... 56 5.5. DERIVATI KARBOKSILNIH KISELINA... 57 5.5.1. Esteri... 58 ETIL-ACETAT... 61
1. OPĆE UPUTE I MJERE OPREZA TIJEKOM RADA U ORGANSKOM LABORATORIJU Tijekom rada u organskom laboratoriju student se susreće s raznim organskim i anorganskim kemikalijama, više ili manje opasnim (zapaljivim, eksplozivnim, otrovnim), a često tijekom rada koristi otvoreni plamen ili neki drugi izvor topline. Korištenje opasnih kemikalija u ovom laboratoriju svedeno je na najmanju moguću mjeru, a one koje su neophodne koriste se u minimalnim količinama. Ukoliko se tijekom laboratorijskog rada događa nešto nepredviđeno ili smatrate da bi se to moglo dogoditi odmah obavijestite voditelja vježbi. 1.1. Opća pravila ponašanja u laboratoriju u laboratoriju treba biti red i tišina u laboratoriju je zabranjeno pušenje i konzumiranje hrane i pića tijekom rada student treba nositi zaštitnu kutu, rukavice i naočale duga kosa mora biti uredno skupljena zbog otvorenog plamena tijekom eksperimenta reakcija se ne smije ostavljati bez nadzora potrebno je za vrijeme rada održavati urednost i čistoću radne plohe nakon vaganja potrebno je očistiti vagu otpadne tvari i tekućine ne smiju se izlijevati u izljev, već u za to predviđene boce u laboratoriju produkti sinteza se ne bacaju, već predaju voditelju vježbi po završetku eksperimenta na kraju radnog dana potrebno je očistiti radno mjesto 1.2. Mjere opreza i zaštita sa svim kemikalijama treba rukovati pažljivo i oprezno kemikalije ne smiju doći u dodir s kožom ili očima, u tom slučaju mjesto izlaganja potrebno je isprati obilnim mlazom vode s lako zapaljivim kemikalijama ne smije se rukovati u blizini otvorenog plamena potrebno je izbjegavati udisanje para kemikalija ako je potrebno ispitati miris kemikalije, boca se odmakne od lica i pare približe do nosa dlanom ruke eksperimenti kod kojih se razvija otrovan plin izvode se u digestoru 2
otvore laboratorijskog posuđa u kojima su kemikalije nikada ne okretati prema sebi ili drugima zbog opasnosti od prskanja uređaje treba dobro učvrstiti, ali bez nepotrebnog zatezanja hvataljki, što je vrlo čest uzrok pucanja staklenih dijelova uređaja nikada ne dodavati vodu u kiselinu (NE VUK!), već kiselinu u vodu uz neprekidno miješanje plinske plamenike valja paliti upaljačima gumene cijevi spojene na aparature moraju biti dovoljno udaljene od plamenika i ostalih grijaćih tijela pri napuštanju radnog mjesta ne ostavljati zapaljeni plamenik manji požari u laboratoriju gase se vlažnim krpama, a veći aparatima za gašenje požara svaku ozljedu treba odmah prijaviti asistentu 1.3. Simbolika opasnih tvari 3
2. PRIPREMA ZA RAD, VOĐENJE LABORATORIJSKOG DNEVNIKA I RAČUN ISKORIŠTENJA Cilj rada u ovom praktikumu je upoznavanje osnovnih laboratorijskih postupaka i njihove primjene za sintezu i izolaciju organskih spojeva. Tijekom rada u organskom laboratoriju piše se laboratorijski dnevnik, u koji se bilježe sva zapažanja tijekom izvođenja vježbe, masa upotrijebljenih kemikalija, moguća odstupanja od propisa, učinjene pogreške, neočekivana zbivanja, kao i izgled i boja dobivenih produkata. Također je potrebno zabilježiti izmjerena tališta i vrelišta dobivenih produkata. Nakon završene vježbe preparat se stavlja u prethodno izvaganu bočicu, na kojoj se nalazi naljepnica sa sljedećim podacima: datum završetka vježbe, naziv vježbe, t v odnosno t t, broj radnog stola i masa. ETIL-ACETAT t v = 75-79 ºC br.stola: 15 m = 4,2 g O završenoj vježbi potrebno je napisati kratki referat (koristeći podatke iz dnevnika) koji obuhvaća: 1. Jednadžbu kemijske reakcije sinteze spoja: CH 3 COOH + C 2 H 5 OH H 2 SO 4 CH 3 COOC 2 H 5 + H 2 O 2. Opis vježbe prema načinjenim bilješkama, koji se odnosi na vlastitu izvedbu pokusa. 3. Račun iskorištenja. Organske reakcije najčešće nisu kvantitativne pa nastaje manje produkta od stehiometrijski izračunate količine. Zbog toga se na kraju svake sinteze određuje iskorištenje reakcije, definirano omjerom stvarnog i teorijski izračunatog prinosa (najčešće mase) produkta. Za one reakcije pri kojima se reaktanti dodaju u stehiometrijskom odnosu sasvim je svejedno prema kojem se reaktantu izračunava iskorištenje. Međutim, pri višku 4
jednog od reaktanta iskorištenje se računa prema mjerodavnom reaktantu, a to je onaj koji je u manjku s obzirom na stehiometrijski omjer. Primjer: Koliko je iskorištenje reakcije ako je iz 100 ml oksalne kiseline (M r = 90,03 g/mol, g/ml) i 150 ml etanola (M r = 46,07 g/mol, = 0,785 g/ml) dobiveno 80 g dietil-oksalata (M r = 146,14 g/mol). HOOC-COOH + 2 C 2 H 5 OH C 2 H 5 OOC-COOC 2 H 5 + 2 H 2 O Potrebno je odrediti mjerodavni reaktant odnosno izračunati broj molova pojedinih reaktanata: m (C 2 H 2 O 4 ) = ρ V = 1,9 g/ml 100 ml = 190 g n (C 2 H 2 O 4 ) = M m = 190g 90,03g / mol = 2,11 mol m (C 2 H 5 OH) = ρ V φ = 0,785 g/ml 150 ml 0,96 = 113,04 g n (C 2 H 5 OH) = M m = 113,04g 46,07g / mol = 2,45 mol n (C 2 H 2 O 4 ) : n (C 6 H 10 O 4 ) = 1 : 1 n (C 6 H 10 O 4 ) = n (C 2 H 2 O 4 ) = 2,11 mol n (C 2 H 5 OH) : n (C 6 H 10 O 4 ) = 2 : 1 n (C 6 H 10 O 4 ) = 2 1 n (C2 H 5 OH) = 1,225 mol mjerodavni reaktant = C 2 H 5 OH m (C 6 H 10 O 4 ) = 1,225 mol 146,14 g/mol = 179,02 g η = m( st var na) m( teorijska) 100 % = 80g 179,02g 100 % = 44,7 % 5
3. OSNOVNO LABORATORIJSKO POSUĐE I PRIBOR Prije bilo kakvog rada u organskom laboratoriju treba se upoznati s osnovnim laboratorijskim posuđem i priborom, koje se dijeli na stakleno posuđe i pribor, porculansko posuđe te metalni i ostali pribor. 3.1. Stakleno posuđe i pribor U laboratoriju za organsku sintezu najčešće se upotrebljava stakleno posuđe i pribor. S obzirom na namjenu stakleno je posuđe izrađeno od običnog ili kemijskog stakla. Posuđe od običnog stakla ne smije se zagrijavati jer nije otporno na visoke temperature (menzura, pipeta, lijevak), dok je kemijsko staklo čvršće i ima veću postojanost prema kemikalijama i temperaturnim promjenama (tikvice, epruvete). Također razlikujemo stakleno posuđe s nebrušenim i brušenim dijelovima (normirani ili normalni brus, NB). Staklo s brušenim dijelovima ima niz prednosti za spajanje pred "klasičnim" staklenim posuđem u kojima se pojedini dijelovi spajaju preko probušenih plutenih ili gumenih čepova (ušteda vremena pri sastavljanju, mogućnost rada s korozivnim tvarima, dobro brtvljenje). Brušeno posuđe je znatno skuplje od običnoga, pa s njime treba postupati posebno oprezno. menzura lijevak čaša Erlenmeyer boca sisaljka tikvica za tikvica destilaciju tikvica s nastavak za lula adapter Petrijeva zdjelica satno stakalce okruglim dnom destilaciju 6
lijevak za odjeljivanje hladilo 3.2. Porculansko posuđe 1 - Büchnerov lijevak 2- tarionik s tučkom 3- porculanska zdjelica 3.3. Metalni pribor stalak tronog klema mufa prsten 7
hvataljke stezaljke pincete, žlice, špatule 3.4. Ostali pribor materijala. U ostali laboratorijski pribor ubraja se pribor načinjen od drva, plastike, gume ili od više stalak za epruvete mrežica s keramičkim gumeni čepovi zaštitne naočale uloškom plamenik boce štrcaljke U organskom laboratoriju za miješanje reakcijske smjese koristi se magnetska miješalica. To je rotirajući magnet smješten ispod reakcijske tikvice, a u tikvicu je ubačen magnetski štapić (mješač) presvučen nekom nereaktivnom tvari (teflon). Miješanje je potrebno kod mnogih reakcija zbog homogeniziranja i što jednoličnijeg zagrijavanja reakcijske smjese. Za izbjegavanje lokalnog pregrijavanja i održavanje konstantne temperature reakcijske smjese služimo se vodenim, uljnim i pješčanim kupeljima kao sredstvima za prijenos topline. 8
Vodena kupelj služi za održavanje temperature do 85 C. Najjednostavnija vodena kupelj može biti obična čaša ili posuda napunjena vodom koja se izvana zagrijava plamenikom ili električnim grijačem (ako se radi o zapaljivoj tekućini, npr. dietil-eter). Za održavanje temperature od 85 do 200 C koriste se uljne kupelji, a to su posude napunjene parafinskim, motornim ili silikonskim uljem, koje se također zagrijavaju plamenikom ili električnim grijačem. Za postizanje temperatura > 200 C zagrijava se izravno plamenikom preko keramičke mrežice ili pomoću pješčane kupelji. Ako je za izvođenje reakcije potrebna niska temperatura, za hlađenje sustava upotrebljavaju se rashladne smjese. Uroni li se reakcijska tikvica u smjesu leda i vode ona se ohladi na 0 C. Dodavanjem neke soli (NaCl, CaCl 2 ) u smjesu leda i vode, sol se otapa i ledište vode se snižava pa se može održavati stalna temperatura kupelji ispod 0 C. Ovisno o količini i vrsti dodane soli ovisi kolika će biti temperatura tako pripravljene kupelji. Temperatura do 78 C postiže se dodatkom krutog CO 2 (suhog leda) u aceton. 3.5. Pranje i sušenje laboratorijskog posuđa Nečistoće se najlakše uklanjaju pranjem odmah nakon upotrebe. Stakleno posuđe pere se detergentom pomoću četke za pranje. Ako je posuđe masno koriste se organska otapala, alkoholna otopina kalijevog hidroksida i kromsumporna kiselina. Ako je posuđe zaprljano anorganskim tvarima za čišćenje se koriste klorovodična, nitratna i sumporna kiselina, te zlatotopka. Nakon čišćenja bilo kojim od spomenutih sredstava posuđe treba isprati vodovodnom vodom, a zatim destiliranom te osušiti u sušioniku. U sušionik se posuđe stavlja s otvorom prema gore. Plastični pribor ne smije se sušiti u sušioniku, već na zraku. 9
4. IZOLACIJA, ČIŠĆENJE I IDENTIFIKACIJA ORGANSKIH SPOJEVA Mnoge tvari izolirane iz prirode, kao i produkti organskih sinteza nisu čisti. Razlog tome su popratne reakcije, koje u manjoj ili većoj mjeri stvaraju nusprodukte, a također su prisutni i reaktanti, otapala, katalizator, razgradni produkti i druge nečistoće koje treba ukloniti. Za izolaciju spoja u čistom stanju iz heterogenih ili homogenih smjesa postoji niz metoda kao što su filtriranje, prekristalizacija, sublimacija, razne vrste destilacije, ekstrakcija i danas gotovo nezamjenjive kromatografske metode. Ne manje važna je identifikacija čistih spojeva. Ako su dobiveni spojevi već ranije opisani u literaturi potrebno im je odrediti fizikalna svojstva, talište ili vrelište (ovisno o agregatnom stanju tvari) i usporediti ih s podacima iz literature. Uz fizikalne konstante korisno je odrediti sastav tvari te kemijskim reakcijama na maloj količini uzorka dokazati funkcionalne skupine. Mnogo više truda i znanja potrebno je za određivanje strukture nepoznatih spojeva. Danas se moderna organska kemija ne može zamisliti bez upotrebe spektroskopskih metoda (infracrvena spektroskopija IR, ultraljubičasta i vidljiva spektroskopija UV/Vis, nuklearna magnetska rezonancija NMR, spektrometrija masa MS) čijom se interpretacijom spektara može dokazati i potvrditi predviđena struktura spoja. 4.1. FILTRIRANJE Filtriranje je postupak odvajanja krute od tekuće faze neke heterogene smjese preko filter papira. Heterogena smjesa filtrira se zbog dva razloga, kako bi se izdvojio kruti produkt iz neke otopine ili kako bi se iz tekuće faze uklonila kruta onečišćenja. Najjednostavnije filtriranje je pomoću gravitacije, a izvodi se ulijevanjem heterogene smjese u stakleni lijevak s filter papirom, pri čemu filtrat zbog gravitacije otječe u predložak. Filter papir može se saviti u obliku stošca ili se može nabrati. Stožasti filter papir koristi se za odjeljivanje krutina, a nabrani za uklanjanje onečišćenja iz tekuće faze. 10
Slika 1. Priprema nabranog filter papira. Slika 2. Pravilno filtriranje. Da bi se ubrzao postupak filtriranja u laboratoriju se koristi filtriranje pri sniženom tlaku koje se još naziva i odsisavanje. Aparatura koja se pritom upotrebljava sastoji se od Büchnerova lijevka koji je gumenim čepom ili kolutom pričvršćen na bocu sisaljku (slika 3). Filter papir mora biti izrezan tako da pokrije čitavu perforaciju lijevka, uz uvjet da njegov promjer bude nešto manji od promjera lijevka. Kristali čistog spoja filtriraju se nakon što je voda u vakuum sisaljci (s gumenom vakuum cijevi) puštena u snažnom mlazu, a na gumenu vakuum cijev 11
priključena boca sisaljka. Pri tome se u boci sisaljci stvara podtlak koji povlači filtrat, pa je filtracija ubrzana. Filtriranje se prekida izjednačavanjem tlaka sustava s vanjskim tlakom skidanjem gumene vakuum cijevi s boce sisaljke, a tek na kraju se prekida mlaz vode u vakuum sisaljci. Ukoliko se odsisani kristali peru malom količinom čistog otapala ili matičnicom, prije svakog dodavanja nove količine otapala u lijevak potrebno je izjednačiti tlak sustava s vanjskim tlakom. Slika 3. Odsisavanje kristala pri sniženom tlaku. 4.2. PREKRISTALIZACIJA Prekristalizacija je postupak za pročišćavanje tvari u krutom agregatnom stanju. Kristalinična ili amorfna tvari otopi se u vrućem otapalu ili smjesi otapala, te polaganim hlađenjem dobivene otopine tvar ponovno kristalizira zbog smanjene topljivosti na nižoj temperaturi. Prekristalizacija je postupak koji se temelji na fenomenu kristalizacije, a uključuje i postupak filtriranja. Za uspješnu prekristalizaciju vrlo je važan izbor otapala. Topljivost je funkcija polarnosti otapala i otopljene tvari te veličine molekule. Postoji općenito, neprecizno pravilo po kojem "slično otapa slično", što znači da će polarna otapala (voda, metanol, etanol i sl.) bolje otapati ionske i polarne tvari, a nepolarne tvari će se bolje otapati u nepolarnim otapalima (petroleter, heksan, benzen i sl.). Otapalo za prekristalizaciju ne smije kemijski reagirati sa spojem koji se otapa. Poželjno je da se spoj koji se prekristalizira u odabranom otapalu pri sobnoj temperaturi slabo otapa, a povišenjem temperature otapala topljivost mu značajno raste. Drugim riječima, otapalo za prekristalizaciju je bolje što je veća razlika topljivosti tvari u hladnom i vrućem otapalu (obično temperatura vrenja). 12
Slika 4. Ovisnost topljivosti neke tvari o temperaturi u otapalima a, b i c. Na slici 4 prikazana je ovisnost topljivosti neke tvari (u g/100 ml otapala) o temperaturi u tri različita otapala. Na temperaturi vrenja otapala a topljivost tvari je 5,0 g, a na temperaturi od 20 ºC 0,3 g. Dakle, hlađenjem zasićene otopine na temperaturu od 20 ºC iskristalizira 4,7 g tvari, odnosno 94% od ukupne tvari: % kristalizacije = (5,0 g - 0,3 g) / 5,0 g 100 = 94% Analogno, topljivost tvari u vrijućem otapalu b je 8,0 g, a na temperaturi od 20 ºC 3,4 g. Hlađenjem zasićene otopine do temperature od 20 ºC iskristalizira 4,6 g tvari, odnosno 57,5% od ukupne tvari: % kristalizacije = (8,0 g - 3,4 g) / 8,0 g 100 = 57,5% Otapalo a je bolje za prekristalizaciju od otapala b jer je topljivost tvari u otapalu a na sobnoj temperaturi (20 ºC) znatno manja. Otapalo c nije prikladno za prekristalizaciju zbog male razlike topljivosti tvari u vrućem i hladnom otapalu. Ukoliko se ne može pronaći otapalo koje zadovoljava zahtjeve o topljivosti tvari koja se pročišćava, prekristalizacija se provodi iz dva otapala. Najčešći parovi otapala koji se upotrebljavaju jesu metanol-voda, etanol-voda, aceton-voda, dietil-eter-metanol, dietil-eteraceton. 13
4.2.1. Izvođenje prekristalizacije Nakon odabira pogodnog otapala ili smjese otapala pristupa se prekristalizaciji tvari: 1. Otapanje tvari; kristali se otapaju u minimalnoj količini otapala kako bi se priredila vruća zasićena otopina. Na početku se tvar zagrijava s malom količinom otapala, a zatim se otapalo dodaje u obrocima i zagrijava dok se krutina ne otopi. Ovisno o vrsti otapala koristi se odgovarajuća aparatura. Slika 5. Aparatura za prekristalizaciju iz vode Slika 6. Aparatura za prekristalizaciju iz organskog otapala. Ako je otapalo voda otapanje se izvodi u Erlenmeyerovoj tikvici, a zagrijavanje se provodi pomoću plamenika. Da bi se postiglo jednolično vrenje u tikvicu se prije početka zagrijavanja ubacuju kamenčići za vrenje. Otapanje u organskim otapalima, koja su uglavnom hlapljiva, zapaljiva i otrovna, izvodi se u okrugloj tikvici s povratnim hladilom (aparatura za refluksiranje). Refluksiranje je postupak prevođenja otapala u paru i ponovnog kondenziranja nastalih para u tekućinu koja se vraća u reakcijsku smjesu. Pare se hlade pomoću hladila na vodu ili zrak, ovisno o vrelištu otapala. Zbog jednoličnog vrenja pri refluksiranju, u okruglu tikvicu se prije početka zagrijavanja ubacuju kamenčići za vrenje. Zagrijavanje se provodi pomoću vodene kupelji, a obroci otapala dodaju se u tikvicu kroz hladilo. Ukoliko je otopina obojena zbog prisutnih nečistoća, potrebno ju je obezbojiti. 14
2. Obezbojenje zasićene otopine postiže se dodatkom male količine aktivnog ugljena u reakcijsku smjesu (na vrh špatule), odmah nakon što je tvar otopljena. Obojene tvari (nečistoće) su obično molekule velike molekulske mase, a aktivni ugljen ima svojstvo adsorbiranja velikih molekula. Nakon nekoliko minuta zagrijavanja s aktivnim ugljenom, vruća otopina se filtrira. 3. Filtriranje vruće otopine izvodi se preko staklenog lijevka i nabranog filter papira koji je predhodno navlažen otapalom (slika 2). Kako bi se spriječili veliki gubici uslijed naglog hlađenja otopine i kristalizacije željene tvari u lijevku (na filter papiru), lijevak i filter papir koji se koristi potrebno je prethodno zagrijati parama otapala. Filtriranjem vruće otopine uklanjaju se neotopljena onečišćenja i aktivni ugljen s adsorbiranim nečistoćama. 4. Hlađenje filtrata; polaganim hlađenjem filtrata, na sobnoj temperaturi, izlučuju se kristali. Ako kristalizacija izostane, potrebno je staklenim štapićem protrljati stijenke tikvice i/ili matičnicu ohladiti na temperaturu nižu od sobne temperature. Kristalizaciju je moguće potaknuti i ubacivanjem kristalića čiste tvari u matičnicu ( cijepljenje ) koji onda postaje jezgra kristalizacije. 5. Odsisavanje kristala izvodi se filtriranjem pri sniženom tlaku (slika 3). 6. Sušenje kristala; kristali s filter papira prebace se pomoću špatule na satno stakalce ili petrijevu zdjelicu. Najčešće se suše na zraku ili u sušioniku ako se radi o termostabilnoj tvari. Kod tvari koje su osjetljive na zrak ili povišenu temperaturu, upotrebljavaju se vakuumsušionici, a kod higroskopnih tvari i onih s neugodnim mirisom, eksikatori. 4.2.2. Određivanje temperature taljenja Važno fizikalno svojstvo krute tvari koje služi kao kriterij čistoće, ali i za identifikaciju kristalnog spoja je njegova temperatura taljenja, odnosno talište. Talište je ona temperatura pri kojoj su kruta i tekuća faza neke tvari u ravnoteži. U praksi, pod talištem se podrazumijeva temperaturni interval od početka stvaranja prvih kapljica oko kristala do potpune pretvorbe u bistru tekućinu. Kod čistih tvari taj raspon je vrlo mali (oko 0,5 ºC), dok je kod nečistih tvari taj raspon širi i ovisi o udjelu onečišćenja. Osim što povećavaju interval tališta, onečišćenja u krutoj tvari i snizuju talište. Temperatura taljenja u organskom laboratoriju najčešće se određuje električnim uređajem za postupno zagrijavanje, koji sadrži mikroskop pomoću kojega se prati taljenje kristala. Usitnjeni kristali krute tvari unesu se u staklenu kapilaru zataljenu na jednom kraju, tako da visina kristala u kapilari iznosi 3-4 mm. Aparat se postepeno zagrijava te se promatra 15
taljenje kristala u kapilari i zabilježi temperatura početka taljenja i temperatura pri kojoj sva krutina prijeđe u tekuću fazu. Dobiveni temperaturni interval predstavlja temperaturu taljenja. 16
VJEŽBA 1. PREKRISTALIZACIJA TVARI 1 a. PREKRISTALIZACIJA TVARI IZ VODE Postupak: Prije prekristalizacije treba izdvojiti ~ 20 mg tvari (na vrh špatule) za određivanje tališta. Sastavi se aparatura za prekristalizaciju iz vode (slika 7). U Erlenmeyerovu tikvicu stavi se 5 g nepoznatog uzorka, kamenčići za vrenje i doda mala količina vode. Tikvica se zagrijava plamenikom preko keramičke mrežice do vrenja uz povremeno potresanje. Ako se tvar nije otopila, voda se dodaje u obrocima, a tikvica se svaki put zagrije do vrenja, sve dok se tvar ne otopi (uz mogućnost zaostatka male količine netopljivih primjesa). Ukoliko je potrebno, u tikvicu se nakon što se otopina malo ohladila doda na vrh špatule aktivnog ugljena i kuha 2-3 minute. Nabrani filter papir se navlaži otapalom te se sa staklenim lijevom kratko stavi na tikvicu kako bi se zagrijao parama otapala. Zatim se prenese na drugu pripremljenu Erlenmeyerovu tikvicu u koju se filtrira vruća otopina. Nakon hlađenja, nastali kristali odfiltriraju se preko Bücherovog lijevka, prebace na satno stakalce i suše. Prekristalizirani uzorak potrebno je izvagati, usitniti, odrediti mu interval tališta i predati u bočici na kojoj pišu svi potrebni podaci. Slika 7. Izvođenje prekristalizacije iz vode. 17
1b. PREKRISTALIZACIJA TVARI IZ ETANOLA Postupak: Prije prekristalizacije treba izdvojiti ~ 20 mg tvari (na vrh špatule) za određivanje tališta (4.2.2.). Sastavi se aparatura za prekristalizaciju iz organskog otapala (slika 6). U okruglu tikvicu stavi se 5 g nepoznatog uzorka te se ubace kamenčići za vrenje. Obrok otapala dodaje se kroz hladilo. Tikvica se zagrije preko vodene kupelji na plameniku do vrenja. Ako se tvar nije otopila, postupno se dodaje još otapala i zagrijava sve dok se tvar ne otopi. Po potrebi se dodaje aktivni ugljen. Filtrira se vruće kroz nabrani filter papir u Erlenmeyerovu tikvicu. Nakon hlađenja, nastali kristali odfiltriraju se preko Bücherovog lijevka, prebace na satno stakalce i suše. Prekristalizirani uzorak potrebno je izvagati, usitniti, odrediti mu interval tališta i predati u bočici na kojoj pišu svi potrebni podaci. 18
4.3. EKSTRAKCIJA Ekstrakcija je jedna od metoda za pročišćavanje i izolaciju neke tvari iz otopine, suspenzije, emulzije ili krute smjese pomoću drugog otapala koje se s otopinom ne miješa. Bilo da se radi o ekstrakciji iz tekuće (ekstrakcija tekuće-tekuće) ili iz čvrste faze (ekstrakcija čvrsto-tekuće), organsko otapalo koje se primjenjuje za ekstrakciju treba zadovoljiti sljedeće uvjete: otapalo mora biti kemijski inertno prema prisutnim tvarima tvar koju ekstrahiramo mora imati što bolju topljivost u tom otapalu otopina iz koje ekstrahiramo željenu tvar i otapalo moraju se što više razlikovati u gustoći otapalo ne smije imati previsoko vrelište kako bi se nakon ekstrakcije moglo lako ukloniti otapalo mora biti što manje zapaljivo i otrovno te jeftino. Fenomen ekstrakcije temelji se na različitoj topljivosti tvari koju želimo izdvojiti iz otopine i primjesa koje prate tvar, u dva otapala koja se ne miješaju. Pri tom dolazi do razdjeljenja tvari između dva otapala. Najčešće su to voda (odnosno vodena otopina tvari) i neko organsko otapalo koje se ne miješa s vodom (diklormetan, dietil-eter, kloroform, etil-acetat). Ekstrakcija je opisana Nernstovim zakonom razdjeljenja: K = c 1 / c 2 pri čemu je K = koeficijent razdjeljenja c 1, c 2 = ravnotežne koncentracije (množinske ili masene) tvari u dva otapala. Brojnik se odnosi na otapalo manje gustoće, a nazivnik na otapalo veće gustoće. Koeficijent razdjeljenja K jednak je omjeru topljivosti tvari u oba otapala, konstantan je pri određenoj temperaturi i ovisi o prirodi tvari. Učinak ekstrakcije je bolji ako se postupak ponovi više puta, odnosno ako se ekstrakcija provede više puta s manjom količinom otapala nego jedanput upotrebom cijele količine otapala. Nepisano pravilo ekstrakcije kaže da se ekstrakcija ponavlja tri puta. 19
4.3.1. Primjena ekstrakcije pri izolaciji spojeva Organski spojevi zbog bolje topljivosti u organskim otapalima nego u vodi, mogu se iz vodenih otopina ili suspenzija ekstrahirati u organsku fazu. Isto tako, ako se organski ekstrakt izmućkava vodom, organska tvar i dalje ostaje otopljena u organskom otapalu. Zbog navedenog se nečistoće, nusprodukti i neizreagirani reaktanti mogu iz otopine spoja u organskom otapalu ukloniti ekstrakcijom, koja se prema tipu otapala kojim se ekstrahira može podijeliti u tri skupine: 1. ekstrakcija vodom; izmućkavanjem organske otopine sirovog produkta vodom uklanjaju se anorganske kiseline, baze i soli, kao i male polarne organske molekule (kiseline, alkoholi, amini). 2. izmućkavanje organske faze razrijeđenom vodenom otopinom kiseline (5% HCl); uklanjanje bazičnih nusprodukata koji s kiselinom tvore sol, dobro topljivu u vodi, koja se na taj način ekstrahira u vodu i uklanja iz organskog sloja. 3. izmućkavanje organske faze razrijeđenom vodenom otopinom baze (NaHCO 3 ); organske kiseline s bazom tvore sol i prelaze u vodeni sloj. 4.3.2. Izvođenje ekstrakcije 1. Ekstrakcija tekuće-tekuće, koju nazivamo i izmućkavanje, izvodi se u lijevku za odjeljivanje. Prema volumenu otopine iz koje ekstrahiramo željenu tvar i volumenu otapala odabire se veličina lijevka za odjeljivanje. Lijevak se puni, preko običnog staklenog lijevka, do najviše 2/3 volumena. Začepljeni lijevak se energično protrese (izmućka), a tlak nastao u lijevku izjednači se s vanjskim tlakom otvaranjem pipca (slika 9). Zatim se lijevak stavi na željezni prsten i odčepi kako bi se slojevi odijelili. Preporučuju se najmanje tri uzastopna izmućkavanja sa svakim obrokom otapala. Ako je topljivost organske tvari, koju je potrebno ekstrahirati, u vodi relativno velika moguće je provesti isoljavanje. Dodatkom neke anorganske soli (NaCl), čija je topljivost u vodi veća, vodenoj otopini organske tvari, povećava se ionska jakost vodenog sloja, sol istiskuje slabo topljivu organsku tvar, mijenja se koeficijent razdjeljenja i postiže uspješnija ekstrakcija. 2. Odvajanje slojeva provodi se otvaranjem pipca lijevka (lijevak odčepljen!) i ispuštanjem donjeg sloja, dok se gornji sloj izlijeva kroz gornji otvor lijevka. Organski ekstrakt se obavezno izlijeva u suhu Erlenmeyerovu tikvicu. Sloj iz kojeg se ekstrahira željena tvar vrati se u lijevak 20
i ekstrakcija se ponovi s novom količinom organskog otapala. Organski ekstrakti dobiveni višestrukom ekstrakcijom sakupljaju se u istu Erlenmeyerovu tikvicu. Slika 8. Koraci pri izvođenju ekstrakcije. Slika 9. Rad s lijevkom za odjeljivanje: a) izmućkavanje, b) izjednačavanje tlakova, c) odjeljivanje slojeva. 3. Sušenje organskog ekstrakta; tijekom ekstrakcije organskih tvari iz vodene otopine, određena količina vode otopi se u organskom otapalu. Uklanjanje vode iz organskog ekstrakta izvodi se dodatkom nekog sredstva za sušenje. Sredstvo za sušenje ne smije biti topljivo u 21
organskom otapalu i ne smije reagirati ni s otapalom, a ni s otopljenom tvari. Sredstva za sušenje mogu se podijeliti u tri skupine: bezvodne anorganske soli koje kristaliziraju s molekulama vode (Na 2 SO 4 7H 2 O, MgSO 4 7H 2 O te CaCl 2 2H 2 O čija je upotreba ograničena jer stvara stabilne komplekse s alkoholima i aminima, pa ne može poslužiti za sušenje spojeva koji imaju hidroksilne i aminoskupine). vrlo higroskopne tvari koje adsorbiraju vodu iz organskog ekstrakta (NaOH i KOH upotrebljavaju se uglavnom za sušenje amina). Danas se vrlo često koriste i molekulska sita (sintetski natrijevi i kalcijevi aluminosilikati) koja vežu molekule vode u šupljine svoje kristalne rešetke. sredstva za sušenje koja reagiraju s vodom i alkoholima, ireverzibilno ih uklanjajući iz otapala (natrij i kalij koji s vodom tvore hidrokside), ali se zbog svoje reaktivnosti koriste samo za sušenje organskih otapala, a ne i ekstrakata. U združene organske ekstrakte doda se sredstvo za sušenje i ostavi pola sata, nakon čega se ukloni iz suhe, bistre otopine filtriranjem preko nabranog filter papira. 4. Otparavanje otapala završna je faza izolacije spoja ekstrakcijom, a izvodi se destilacijom ili otparavanjem pri normalnom ili sniženom tlaku. 22
4.4. DESTILACIJA Destilacija je postupak kod kojeg se tekućina zagrijavanjem prevodi u paru, koja se odvodi i hlađenjem kondenzira, a destilat se sakuplja u drugoj posudi. Svaka je tekućina u ravnoteži s parom koja se nalazi iznad tekućine. Tlak para tekućine ovisan je o vrsti tvari i temperaturi. Povećanjem temperature tlak para tekućine raste. Kada se tlak para tekućine izjednači s vanjskim tlakom tekućina vrije, a daljnje dovođenje topline troši se na isparavanje tvari, a ne na povišenje temperature. Ta temperatura, pri kojoj se uspostavlja ravnoteža između plinske i tekuće faze je temperatura vrenja ili vrelište. Vrelište je funkcija vanjskog tlaka i zato treba naznačiti tlak pri kojem je vrelište određeno. Ako je tlak u sustavu manji od atmosferskog temperatura vrenja tekućine je snižena. Slika 10. Ovisnost tlaka para o temperaturi tekućine. Određivanje vrelišta neke tekućine obično se provodi metodom destilacije. Zagrijavanjem tekućine temperatura naglo raste do blizine vrelišta, a zatim polagano do konstantne vrijednosti. Ta konstantna vrijednost temperature je temperatura vrenja ispitivane tekućine. Najčešće vrste destilacija koje se primjenjuju u organskom laboratoriju su destilacije pri normalnom tlaku: jednostavna destilacija, frakcijska destilacija i destilacija s vodenom parom te destilacija pri sniženom tlaku (vakuum-destilacija: jednostavna i frakcijska). 23
4.4.1. Jednostavna destilacija pri normalnom tlaku Za pročišćavanje tekućina čije je vrelište do 200 C, kao i za razdvajanje smjesa tekućina čija se vrelišta razlikuju za > 80-100 C koristi se jednostavna destilacija pri normalnom tlaku. Aparatura se sastoji od tikvice s okruglim dnom, nastavka za destilaciju, termometra, Liebigovog hladila, lule za destilaciju i predloška za sakupljanje destilata (tikvica) te izvora topline; plamenika ili magnetske miješalice s grijačem. Pomoćni pribor koji se koristi pri sastavljanju aparature čine stalci, kleme s mufama i gumene cijevi za dovod i odvod vode. Slika 11. Aparatura za destilaciju pri normalnom tlaku. Tikvica s okruglim dnom se puni kroz lijevak, najviše do 2/3 svog volumena, a radi ravnomjernog vrenja obavezno se dodaju kamenčići za vrenje. Na tikvicu se stavi nastavak za destilaciju, a termometar se postavi tako da rezervoar žive bude ~ 0,5 cm niže od otvora bočne cijevi nastavka. Hladilo se odabere prema vrelištu tekućine; za tekućine vrelišta < 120 C koristi se vodeno hladilo, a ako je vrelište tekućine >150 C koristi se zračno hladilo (zbog velike razlike temperatura para i vodovodne vode došlo bi do pucanja hladila na vodu!). Hladilo se priključuje na vodu tako da voda struji prema gore (u suprotnom smjeru od kondenzata). Destilat se hvata na donjem otvoru hladila pomoću lule. Kada je aparatura za destilaciju potpuno sastavljena i voda puštena kroz hladilo (ako se koristi vodeno hladilo), tikvica se počinje zagrijavati. Zagrijavanje se provodi izravno plamenikom preko mrežice ili pomoću vodene, uljne ili pješčane kupelji. Kao izvor topline također može služiti magnetska miješalica s grijačem. Početak destilacije označava prva kap destilata koja padne u predložak. Brzina destilacije ne smije prijeći 1-2 kapi u sekundi. Tikvica se nikada ne zagrijava do suha, 24
već se destilacija prekida kada u tikvici zaostane 2-3 ml tekućine. Potrebno je zabilježiti temperaturni interval u kojem destilira glavna frakcija. 4.4.2. Frakcijska destilacija Smjese tekućina čija su vrelišta bliska (razlikuju se za < 80 C) ne mogu se odvojiti jednostavnom destilacijom, jer uz tekućinu nižeg vrelišta već na početku destilacije destilira i tekućina višeg vrelišta. Za odvajanje takvih smjesa tekućina primjenjuje se frakcijska destilacija. Frakcijska destilacija je postupak u kojem se dio kondenzata (tzv. refluks) pomoću posebne kolone, postavljene okomito između tikvice s okruglim dnom i nastavka za destilaciju, vraća u tikvicu, pri čemu dolazi u dodir s uzlazećim parama. Površina u koloni mora biti što veća radi veće dodirne površine kondenzata i uzlazeće pare, pa se kolone za frakcijsku destilaciju pune inertnim materijalom poput komadića staklenih cjevčica ili kuglica, komadića porculana ili posebno dizajniranim pliticama (Vigreuxova kolona). Prolaženjem pare kroz kolonu dolazi do uspostavljanja niza uzastopnih ciklusa isparavanje - kondenzacija i para se postupno obogaćuje komponentom nižeg vrelišta, koja prva destilira i sakuplja se u tikvici za destilat. Efikasnost frakcijske destilacije ovisi o duljini kolone i površini u koloni gdje se dodiruju kondenzat i nadolazeća para, a izražava se brojem teorijskih tavana. Što je manja razlika u vrelištima tekućina, to kolona mora sadržavati više teorijskih tavana da bi odvajanje bilo potpunije. Frakcijska destilacija izvodi se isto kao i jednostavna destilacija (opisano u prethodnom poglavlju). Slika 12. Aparatura i kolone za frakcijsku destilaciju. 25
4.4.3. Destilacija vodenom parom Destilacija vodenom parom primjenjuje se za izolaciju neke tvari iz smjese i za čišćenje organskih tvari visokog vrelišta (> 200 ºC) koje bi se termički razgradile jednostavnom destilacijom kod atmosferskog tlaka. Organske tvari koje se s vodom ne miješaju, imaju svojstvo da isparavaju zajedno s vodenom parom, pri temperaturi nižoj od njihova vrelišta odnosno < 100 C. Tlak para heterogene smjese (smjesa dviju tekućina koje se ne miješaju) jednak je zbroju parcijalnih tlakova obiju komponenti za danu temperaturu, bez obzira na sastav smjese (Daltonov zakon parcijalnih tlakova; puk = pa + pb ). Dakle, svaka komponenta u takvoj smjesi ponaša se kao čista tekućina. Kako je tlak para iznad takve smjese veći od parcijalnih tlakova pojedinih komponenti, on će se izjednačiti s vanjskim tlakom pri nižoj temperaturi, odnosno vrelište heterogene smjese biti će niže od vrelišta bilo koje od komponenti. Aparatura za destilaciju vodenom parom sastoji se od kotlića za vodenu paru koji se zagrijava plamenikom, tikvice za destilaciju, vodenog hladila i tikvice za sakupljanje destilata. Slika 13. Aparatura za destilaciju vodenom parom. Kotlić za razvijanje vodene pare puni se destiliranom vodom do 1/2 volumena, a staklena cijev koja je kroz pluteni čep postavljena gotovo do dna kotlića služi za izjednačavanje tlaka u sustavu ("sigurnosni ventil"). Tikvica za destilaciju ima dva otvora, jedan za dovod vodene pare, a drugi za odvod para. Dovod pare priključuje se na aparaturu tek kada para počne izlaziti iz kotlića. Okruglu tikvicu najčešće nije potrebno dodatno zagrijavati, već treba pripaziti da vodena para koja zagrijava smjesu dolazi u tikvicu u dovoljno velikom mlazu. Kada se destilacija zaustavlja, također se prvo prekida dovod pare, jer u suprotnom može nastati podtlak 26
koji povlači smjesu iz okrugle tikvice za destilaciju u kotlić. Destilacija je gotova kada nakon kondenzacije željene tvari u smjesi s vodom destilira oko 50 ml čiste vode. 4.4.4. Destilacija pri sniženom tlaku (vakuum destilacija) Destilacija pri sniženom tlaku primjenjuje se za destilaciju tvari koje imaju vrelišta > 200 C ili su termolabilne i zagrijavanjem se raspadaju na temperaturama nižim od vrelišta. Snižavanjem tlaka sustava u kojem se tekućina zagrijava snižava se i temperatura vrenja, a provodi se priključivanjem aparature na vakuum sisaljku. Najčešće se koristi vakuum sisaljka na vodeni mlaz, a za postizanje još nižih tlakova upotrebljava se pumpa na ulje. Aparatura za vakuum destilaciju sastoji se od Claisenove tikvice ili okrugle tikvice s Claisenovim nastavkom, kapilare, termometra, Liebigovog hladila, lule za destilaciju spojene na vakuum sisaljku na vodeni mlaz i tikvice za sakupljanje destilata, te plamenika ili magnetske miješalice s grijačem. Kapilara koja je postavljena u vertikalni odvod Claisenova nastavka ide gotovo do dna tikvice i služi za reguliranje vrenja. Zbog razlike tlakova sustava i okoline zrak struji kroz kapilaru i miješa tekućinu. Slika 14. Aparatura za destilaciju pri sniženom tlaku. 27
4.5. SUBLIMACIJA Pojava prijelaza nekih tvari zagrijavanjem iz čvrste faze u plinovitu, bez pojave tekuće faze naziva se sublimacija. Ponovnim hlađenjem pare kristalizira čista tvar. Ova pojava se uspješno primjenjuje kao jedna od metoda za pročišćavanje krutih tvari. Sublimacijom se odjeljuju ili pročišćavaju hlapljive krute tvari koje zagrijavanjem sublimiraju od nehlapljivih tvari. Kada se smjesa krutih spojeva koji primjerice sadrže hlapljive spojeve (naftalen, benzojeva kiselina, amonijev klorid, antracen, kamfor, indigo, jod) i nehlapljive spojeve, zagrijava u porculanskoj zdjelici, hlapljivi spojevi sublimiraju i hlađenjem se sakupljaju na stijenkama lijevka kojim je pokrivena zdjelica, dok nehlapljivi spojevi ostaju u zdjelici. Slika 15. Aparatura za sublimaciju. 28
4.6. KROMATOGRAFIJA Kromatografija je metoda odjeljivanja koja se temelji na različitoj razdiobi tvari između pokretne (mobilne) i nepokretne (stacionarne) faze sustava. Stacionarna faza može biti krutina ili kapljevina, a mobilna kapljevina ili plin, pa tako razlikujemo nekoliko vrsta kromatografije. VRSTA KROMATOGRAFIJE STACIONARNA FAZA SUSTAVA MOBILNA kromatografija na papiru čvrsto tekuće tankoslojna kromatografija čvrsto tekuće kolonska kromatografija čvrsto tekuće plinska kromatografija (GLC) tekuće plin visokoučinkovita tekućinska kromatografija (HPLC) čvrsto tekuće 4.6.1. Tankoslojna kromatografija Tankoslojna kromatografija (TLC, engl. Thin Layer Chromatography) temelji se na razdiobi tvari između stacionarne faze, koju čini staklena ili aluminijska pločica prevučena tankim slojem krutog adsorbensa (silikagel, aluminijev oksid) i otapala/smjese otapala kao tekuće mobilne faze. Mala količina otopljenog uzorka u odgovarajućem otapalu točkasto se kapilarom nanese na startnu liniju udaljenu 1 cm od ruba pločice i osuši. Pločica se zatim stavi u kadu za kromatografiju s pogodnim razvijačem (mobilna faza) pazeći pritom da startna linija nije uronjena u razvijač. Kapilarnim silama mobilna faza putuje prema vrhu pločice i različitim brzinama eluira sastojke nanesene smjese; ova faza naziva se razvijanje kromatograma. Kromatogram se razvija u zatvorenoj posudi tako da atmosfera uvijek bude zasićena parama otapala. 29
Slika 16. Razvijanje kromatograma. Kada se otapalo približi gornjem rubu pločice, ona se izvadi iz kade, olovkom se označi položaj otapala (fronta) te se pločica osuši. Mrlje obojenih tvari razdijeljene duž pločice se mogu vidjeti na dnevnom svjetlu. Bezbojne tvari se promatraju pod ultraljubičastim svjetlom ili se detektiraju pomoću određenih reagensa. Pojedini spoj se može identificirati na temelju njegove pokretljivosti na tankome sloju, što se izražava pomoću R f vrijednosti, definirane omjerom prijeđenog puta tvari (x) i prijeđenog puta otapala (y): R f = x / y R f vrijednost je karakteristika pojedinog spoja kod određenih uvjeta eksperimenta. Budući da uvjeti, kao što je temperatura, variraju od eksperimenta do eksperimenta, R f vrijednost nije uvijek reproducibilna, te je potrebno istovremeno kromatografirati standardnu otopinu i direktno usporediti. 30
Slika 17. Tankoslojna kromatografija. Upotreba tankoslojne kromatografije je raznovrsna. Koristi se za utvrđivanje identičnosti tvari na osnovi istih R f vrijednosti. Tankoslojnom kromatografijom može se odrediti broj komponenata neke smjese, a također može poslužiti i za praćenje tijeka reakcije (nestajanje reaktanata i stvaranje produkata). Tankoslojnom kromatografijom može se pronaći otapalo optimalne polarnosti za razdvajanje komponenata smjese kromatografijom na koloni, a može se koristiti i u preparativne svrhe. 31
VJEŽBA 2. ODJELJIVANJE SMJESE TANKOSLOJNOM KROMATOGRAFIJOM Postupak: TLC pločica priredi se tako da se 1 cm od kraja pločice olovkom povuče tanka linija pri čemu treba paziti da se ne ošteti sloj adsorbensa. Uzorak boje kapilarom se nanese na označeno mjesto na pločicu pazeći da promjer točke ne bude veći od 2-3 mm. Pločica se zatim vertikalno uroni u čašu u kojoj se nalazi otapalo/smjesa otapala (razina otapala je ~ 0,5 cm) i poklopi satnim stakalcem. Kada otapalo prevali 3/4 puta pločica se izvadi i označi se fronta otapala. Potrebno je izračunati R f vrijednosti pojedinih komponenata smjese. Postupak s istim uzorkom boje ponoviti te kromatogram razviti u još dva različita sustava otapala. Na temelju dobivenih kromatograma zaključiti koliko komponenata sadrži ispitivani uzorak te koji je sustav otapala najpogodniji za razdvajanje komponenata uzorka. 4.6.2. Kolonska kromatografija Dok se tankoslojna kromatografija koristi uglavnom za identifikaciju sastojaka smjese, kolonska kromatografija (CC, engl. Column Chromatography) koristi se za njihovo odjeljivanje. Izvodi se u staklenoj koloni ispunjenoj krutim adsorbensom, najčešće silikagelom, kao stacionarnom fazom. Mobilna faza, otapalo/smjesa otapala, protječe kolonom pod utjecajem gravitacije. Upravo zbog toga se može reći da je kolonska kromatografija obrnuta tankoslojna kromatografija. Smjesa spojeva iz koje se trebaju izdvojiti čiste komponente nanosi se na stacionarnu fazu na vrh stupca u koloni, a zatim se dodaje mobilna faza (eluens) koji se propušta određenom brzinom kroz pipac na dnu kolone. Tvari se adsorbiraju na stacionarnu fazu (adsorbens), a mobilna faza (eluens) otapa tvari i ispire ih (eluira) sa stupca adsorbensa. Kapljevina koja izlazi iz kolone naziva se eluat. Tvar se raspodjeljuje između eluensa i adsorbensa, što znači da se dio tvari otopi u mobilnoj fazi, a dio tvari ostane adsorbiran na stupcu. Kako se mobilna faza kreće, odnosi otopljenu tvar, ravnoteža se poremeti, i kako bi se ponovno uspostavila otapa se nova količina tvari u svježe pristiglom otapalu. S druge strane, mobilna faza odnosi tvar u dio stupca adsorbensa na kojem još nema adsorbirane tvari, pa se ravnoteža uspostavlja adsorbiranjem dijela tvari na stacionarnu fazu. Različite tvari imaju različite koeficijente razdiobe, putuju različitim brzinama stupcem i na tome se temelji razdvajanje komponenti. Brzina putovanja ovisi o jakosti vezivanja tvari na adsorbens i topljivosti te tvari u mobilnoj fazi. 32
Slika 18. Kolonska kromatografija; odvajanje komponenata a, b i c iz smjese. Kruti adsorbens je obično polaran (silikagel) i zato utjecajem nepolarne mobilne faze, nepolarne tvari putuju brže, dok će polarne ostati vezane za stacionarnu fazu. Dakle, sa stupca polarnog asorbensa redovito se uklanjaju najprije nepolarne tvari, tako da eluiranje obično kreće s nepolarnim otapalom, a zatim se postepeno povećanjem polarnosti eluiraju polarne tvari. Tablica 1. Otapala po rastućoj polarnosti. Tablica 2. Brzina eluiranja nekih tvari. 33
5. ORGANSKE REAKCIJE I PRIPRAVA SPOJEVA Kemijske reakcije prikladno je promatrati kao napad reagensa na supstrat, pri čemu nastaju produkti: reagens + supstrat produkt. Često je proizvoljno koji se od reaktanata smatra reagensom, a koji supstratom. Obično su reagensi anorganske tvari ili manje organske molekule. Reagensi se dijele na elektrofile, čestice s afinitetom prema elektronima, odnosno prema negativnom naboju, i nukleofile, čestice s afinitetom prema jezgri, odnosno prema pozitivnom naboju. Elektrofili (E) imaju manjak elektrona i često, ali ne i uvijek, su kationi. Za nukleofile (Nu:) karakterističan je slobodni elektronski par. Oni su pak često, ali ne uvijek, anioni. Elektrofili su Lewisove kiseline, dok su nukleofili Lewisove baze. Tipični elektrofili, odnosno nukleofili jesu ovi ioni i molekule: E H +, Br +, NO + 2, SO 3, BF 3, AlCl 3, FeBr 3, Nu: OH -, RO -, CN -, Br -, ROH, H 2 O, RNH 2. 5.1. ELEKTROFILNE REAKCIJE Elektrofilna adicija na dvostruku vezu Tipična reakcija alkena je adicija na dvostruku vezu. Pri toj reakciji kida se π-veza između ugljikovih atoma i nastaju dvije nove σ-veze, jedna ugljik-nukleofil, a druga ugljikelektrofil: Reakcija se odvija u dva stupnja. U prvom, polaganom stupnju, elektrofili napadaju π-elektrone dvostruke veze, pri čemu nastaje kationski međuprodukt, koji u sljedećem brzom stupnju reagira s nukleofilom dajući produkt adicije. Primjer ove reakcije je adicija broma na dvostruku vezu: U ovom je primjeru formalno elektrofil bromonijev ion (Br + ), dok je nukleofil bromidni ion (Br - ). Bromidni ion (Br - ) napada međuprodukt sa suprotne strane od one na koju je vezan 34
bromonijev ion (Br + ). To se zove anti-adicija. Ovakav mehanizam kod cikličkih alkena uzrokuje nastajanje produkata trans-konfiguracije. Međutim, valja naglasiti da elektrofilne adicije nisu uvijek i u svakom slučaju anti-adicije. Gornja reakcija je energetski povoljna jer se po jedna π-veza (C = C, 260 kjmol -1 ) i σ-veza (Br Br, 194 kjmol -1 ) pretvaraju u dvije σ-veze (C Br, po 284 kjmol -1 ). Prema tome, produkt je za oko 114 kjmol -1 stabilniji od reaktanata (2 x 284 194-260 = 114). Elektrofilna supstitucija na aromatskim spojevima U benzenu se formalno nalaze tri dvostruke ugljik-ugljik veze, a usprkos tome, benzen ne reagira s bromom uz iste uvjete kao alkeni. Dodatkom katalizatora u smjesu benzena i broma, npr. željezova(iii) bromida (FeBr 3 ), dolazi do reakcije, ali to nije adicija već supstitucija, tj. zamjena jednog vodika bromom, pri čemu aromatska jezgra ostaje nepromijenjena. Razlog ovoj razlici reaktivnosti je u velikoj stabilizaciji aromatske jezgre. Jednostavan račun pokazuje da je reakcija adicije kod benzena energetski manje povoljna nego kod alkena. Produkt adicije broma na benzen, naime, više ne bi bio aromatski spoj, tj. gubila bi se energija rezonancije benzenske jezgre koja iznosi oko 151 kjmol -1, a preostala bi samo energija rezonancije 1,3-butadienskog sustava, koja iznosi oko 35 kjmol -1, dakle ukupan gubitak energije iznosio bi 116 kjmol -1 (115 35 = 116). Drugim riječima, adicijski produkt ne bi bio stabilniji od reaktanata, jer bi energija koja bi se oslobodila adicijom (114 kjmol -1 ) kompenzirala gubitkom aromatičnosti benzenske jezgre. Prema tome, izračunanu stabilizaciju dobivenu adicijom broma na dvostruku ugljik-ugljik vezu (~ 114 kjmol -1 ) valja umanjiti za 116 kjmol -1 (151 35 = 116). Međutim, pri supstituciji i supstrat (benzen) i produkt (brombenzen) su aromatski spojevi, pa račun energetske bilance daje sasvim druge rezultate. Naime, kida se po jedna Br Br veza (194 kjmol -1 ) i veza C H (414 kjmol -1 ), a nastaje jedna H Br (365 kjmol -1 ) i jedna veza C Br (284 kjmol -1 ). Produkti su, prema tome, za oko 41 kjmol -1 35
stabilniji od reaktanata (365 + 284 194 414 = 41), pa su kod aromatskih supstrata supstitucije obično energetski povoljnije, dok adicije to nisu. Tipične reakcije elektrofilne supstitucije jesu: nitriranje aciliranje (Friedel-Crafts) alkiliranje (Friedel-Crafts) sulfoniranje halogeniranje Kao što se vidi iz jednadžbi, za ove je reakcije karakteristična upotreba kiselog katalizatora. Tako je za nitriranje potrebna kiselina jača od dušične, pri halogeniranju i aciliranju upotrebljavaju se najčešće Lewisove kiseline, dok se sulfoniranje obično provodi pomoću dimeće sumporne kiseline (oleuma). Supstitucije na aromatskoj jezgri su reakcije u dva stupnja, analogno elektrofilnim reakcijama na alkene. Prvi, obično polagani stupanj je u oba slučaja isti napad elektrofila na π- elektronski sustav pri čemu nastaje kationski međuprodukt (arenium ion): 36
Međutim, za razliku od adicije, kationski međuprodukt u drugom brzom stupnju reakcije ne napada nukleofil, već se stabilizira otcjepljenjem jednog protona, pri čemu se ponovo uspostavlja aromatski sustav. Elektrofilna supstitucija na aromatskoj jezgri je, dakle, dvostepena reakcija, od kojih je prvi stupanj adicija elektrofila na aromatsku jezgru, nakon koje slijedi eliminacija protona. Elektrofilna supstitucija kod derivata benzena Već postojeći supstituenti na benzenskoj jezgri uvelike utječu na tijek elektrofilne supstitucije, pa ih je prikladno razvrstati u tri kategirije: 1. Supstituenti prvog reda aktiviraju benzensku jezgru u reakcijama elektrofilne supstitucije. Zato je supstrat sa supstituentom prvog reda reaktivniji od samog benzena, što znači da je reakcija ubrzana i odvija se uz blaže uvjete. Supstituenti prvog reda usmjeravaju ulazak drugog supstituenta u orhto- i para-položaj. Ovoj skupini pripadaju NR 2, NH 2, OH, O -, NHCOR, OR, R. 2. Supstituenti drugog reda dezaktiviraju benzensku jezgru u reakcijama elektrofilne supstitucije, tj. čine je manje reaktivnom od samog benzena. Ti supstituenti usmjeravaju ulazak drugog supstituenta u meta-položaj. Ovoj skupini pripadaju: NO 2, CHO, SO 3 H, CONH 2, CN, CCl 3, COOR, COR, NH + 3. 3. Halogeni kao supstituenti predstavljaju posebnu skupinu, dezaktiviraju benzensku jezgru, ali usmjeravaju supstituciju u ortho- i para-položaj. Supstituenti prvog reda jesu elektron-donori, dok su supstituenti drugog reda elektronakceptori. Prvi čine benzensku jezgru bogatijom elektronima, pa tako i osjetljivijom na napad elektrofila, dok je kod supstituenata drugog reda upravo obrnuto. Efekt usmjeravanja ulaska drugog supstituenta može se razumjeti razmatranjem strukture cikloheksadienskog kationa, međuprodukta koji nastaje u prvom sporom stupnju reakcije: 37
Kao što se vidi sva tri kationa, nastala orhto-, meta- ili para-napadom elektrofila, rezonantno su stabilizirana. Rezonantni hibridi nastali ortho- i para-napadom elektrofila uključuju po jednu graničnu strukturu kod koje se pozitivni naboj nalazi na ugljiku koji nosi već postojeći supstituent S (I). Ako je supstituent S elektron-donor, granična struktura I bit će dodatno stabilizirana, što dovodi do povećane stabilnosti odgovarajućeg rezonantnog hibrida. Takve granične strukture nema kod kationa nastalog meta-napadom. Znači, kationi nastali ortho- i para-napadom elektrofila stabilniji su od kationa, nastalog meta-napadom, pa se zato i brže stvaraju. Naprotiv, ako je supstituent S elektron-akceptor, onda su granične strukture I i odgovarajući rezonantni hibridi destabilizirani. Prema tome, supstituenti drugog reda dezaktiviraju supstrat prema elektrofilnom napadu u orhto- i para-položaj, pa će produkti takvog napada biti metadisupstituirani benzeni, a reakcija će teći sporije. Supstituenti mogu davati ili odvlačiti elektrone induktivnim i rezonancijskim efektom. Može se dogoditi da ta dva efekta djeluju i u suprotnim smjerovima. U takvim slučajevima rezonancijski efekt je obično važniji od induktivnog. Tako je npr. induktivno elektron-akceptorsko djelovanje hidroksilne skupine kod fenola slabije od rezonantnog elektron-donorskog djelovanja: kod halogenbenzena ta su dva efekta približno jednako važna, induktivno odvlačenje elektrona čini ove supstrate manje reaktivnim od benzena. Rezonantni efekt, međutim, čini ortho- i parapoložaj bogatijim elektronima od meta-položaja, pa zato supstitucija i ide u ortho- i parapoložaj. 38
Naposljetku, valja spomenuti da odnos ortho- i para-supstitucije ovisi o prostornim zahtjevima supstituenata prvog reda. Što je takav supstituent veći, to su veće i prostorne smetnje za napad na susjedni ortho-položaj, pa udio para-produkata raste. Sastavi produkata u reakciji nitriranja raznih alkilbenzena dobro ilustriraju utjecaj steričkih efekata na supstituciju: Nitriranje aromatskih spojeva Aromatski nitro-spojevi dobivaju se nitriranjem koje se može provoditi na različite načine: s razrijeđenom, s koncentriranom, kao i dimećom dušičnom kiselinom, sa smjesom za nitriranje (koncentrirana H 2 SO 4 i HNO 3 ) te sa solima nitronijevih iona, npr. s nitronijevim tetrafluorboratom (NO + 2 BF - 4 ). Koji će se način upotrijebiti, ovisi o reaktivnosti supstrata kao i o željenom produktu (mono-, odnosno polinitrospoju). Uvođenje više od jedne nitro-skupine zahtijeva energičnije reakcijske uvjete. Razlog tome je što je nitro-skupina supstituent drugog reda, pa ulaskom prve nitro-skupine dolazi do dezaktiviranja supstrata za daljnje nitriranje. Opiše li se nitrobenzen kao rezonancijski hibrid, vidi se da nitro-skupina odvlači elektrone iz benzenske jezgre, i to iz ortho- i para-položaja pa destabilizira kationski međuprodukt. Sljedeći elektrofilni napad je dakle nepovoljniji, a uslijedit će u najmanje dezaktiviranom metapoložaju: Elektrofilni reagens pri nitriranju je nitronijev ion, NO 2 +. U smjesi sumporne i dušične kiseline dolazi do protoniranja dušične kiseline i do naknadne ravnoteže kod kojih je jedan od produkata nitronijev ion. 39
Nitriranje benzena dakle teče ovako: Sama dušična kiselina može generirati nitronijev ion, ali je ravnoteža pomaknuta ulijevo: Ipak i mala koncentracija nitronijevih iona dovoljna je za nitriranje jako aktiviranih supstituiranih benzena. Za nitriranje fenola dovoljna je čak razrijeđena dušična kiselina s kojom nastaje smjesa o-nitrofenola i p-nitrofenola. Aromatski nitro-spojevi obično su žuto obojene ili bezbojne krutine, a samo neki mononitro-derivati su na sobnoj temperaturi tekućine. Svi imaju veću gustoću od vode, u kojoj nisu topljivi. Dobro se otapaju u organskim otapalima. Važne su industrijske sirovine i služe za pripravljanje mnogih boja, lijekova, eksploziva i ostalih spojeva. Zagrijavanjem mnogi od njih postaju eksplozivni. Eksplozivnost raste s brojem nitro-skupina u molekuli, tj. s porastom vlastitog kisika, pa se 2,4,6-trinitrotoluen (TNT) često upotrebljava kao eksploziv. 40
p-nitroacetanilid Svojstva p-nitroacetanilid (N-(4-nitrofenil)-acetamid): Mr = 180,18; t t = 216 C. Netopljiv je u hladnoj vodi, slabo topljiv u hladnom alkoholu i eteru. Kemijska reakcija Kemikalije acetanilid CH 3 COOH (ledena) H 2 SO 4 (konc.) HNO 3 (konc.) 8,3 g (0,06 mol) 8,3 ml 19,0 ml 4,0 ml Postupak U Erlenmeyerovu tikvicu od 250 ml u kojoj se nalazi octena kiselina doda se usitnjeni acetanilid. Smjesa se dobro promiješa, u tikvicu se stavi magnetić i nastavi miješati na magnetskoj miješalici. Doda se 16,5 ml koncentrirane sumporne kiseline pri čemu se reakcijska smjesa sama zagrije i razbistri. Ukoliko se ne razbistri, reakcijsku smjesu je potrebno lagano zagrijati. Reakcijska smjesa se zatim uroni u ledenu kupelj i ohladi na 0 2 C. Ohlađenoj reakcijskoj smjesi se uz stalno miješanje iz lijevka za dokapavanje, koji je smješten iznad Erlenmeyerove tikvice, dokapava ohlađena smjesa 4 ml koncentrirane dušične i 2,5 ml koncentrirane sumporne kiseline. Temperatura reakcijske smjese se tijekom dokapavanja održava do 20 C. Kada je sva kiselina dodana, reakcijska smjesa se ostavi na sobnoj temperaturi jedan sat. Zatim se izlije u 80 ml hladne vode, pri čemu taloži sirovi produkt, i ostavi kristalizirati 10 minuta. Talog se odsiše pomoću Büchnerovog lijevka i dobro ispere hladnom vodom da se ukloni kiselina. 41
5.2. DIAZONIJEVE SOLI I AZO-SPOJEVI Primarni amini reagiraju s dušikastom kiselinom dajući diazonijeve soli, RN + 2 X -,a reakcija se zove diazotiranje. Dušikasta kiselina, reagens za diazotiranje, nije stabilna i raspada se na dušikove okside. Zbog toga se umjesto nje upotrebljava sol dušikaste kiseline, obično natrijev nitrit, koji se dodaje kiseloj otopini primarnog amina. Od H + iona mineralne kiseline, u kojoj je amin otopljen, i od soli nitritnog iona stvara se nedisocirana dušikasta kiselina (slaba kiselina). Prije raspadanja ona reagira s primarnim aminom prevodeći ga u diazonijevu sol. Anion nastale diazonijeve soli ovisi o vrsti mineralne kiseline u kojoj se primarni amin otopio prije dodavanja nitritnog iona. Najčešće se upotrebljava klorovodična kiselina, pa tako nastaju diazonijevi kloridi. Imena diazonijevih soli dobivaju se od imena odgovarajućih ugljikovodika, sufiksa diazonijev i imena aniona. Tako diazotacijom anilina (aminobenzena) u prisutnosti klorovodične kiseline nastaje sol koja se zove benzendiazonijev klorid, a diazotacijom α-aminonaftalena dobiva se α- naftalendiazonijev klorid. Mehanizam diazotiranja obuhvaća nekoliko stupnjeva. Dušikasta kiselina, koja se stvara u kiseloj otopini natrijeva nitrita, u ravnoteži je s dušikovim(iii) oksidom (N 2 O 3 ), koji je zapravo nitrozirajuće sredstvo i s primarnim aminima daje N-nitrozoamine: Zatim slijedi protoniranje tautomera N-nitrozoamina, a nastala konjugirana kiselina eliminacijom vode daje diazonijevu sol: 42
Alifatske diazonijeve soli su nestabilne, raspadaju se kako nastaju, dajući dušik i vrlo reaktivne karbokatione, koji odmah reagiraju s nukleofilima iz otopine u kojima su nastali, dajući konačne produkte: Nasuprot tomu, vodene otopine aromatskih diazonijevih soli su relativno stabilne ispod 0 C, pa se uvelike primjenjuju u organskoj sintezi. Aromatske diazonijeve soli mogu djelovati kao elektrofili. Reagiraju s aktiviranim aromatskim supstratima (fenolima, aminima), dajući elektrofilnom supstitucijom azo-spojeve. to su reakcije kondenzacije koje se često zovu kopulacije. Do supstitucije dolazi uglavnom u para-položaju, no ako je ovaj zauzet, onda dolazi do ortho-supstitucije. Reakcije kopulacije se obično provode u vodenom mediju, jer se diazonijeve soli otapaju u vodi. Zbog toga se kondenzacija diazonijevih soli s aminima izvodi u slabo kiselom mediju, da bi i primarni amin bio otopljen, odnosno preveden u topljivu sol. Reakcija kopulacije s fenolima obično najčešće se provodi u lužnatom mediju, jer nastaje fenoksidni anion koji je, osim što je topljiv u vodi, i reaktivniji od samog fenola. Aromatski azo-spojevi su obojeni zbog proširene konjugacije dvostrukih veza. Mnogi se upotrebljavaju u industriji boja. To su tzv. azo-boje i zajednička strukturna značajka im je: Ar N = N Ar. Mnogi su azo-spojevi, a među njima metiloranž, β-naftoloranž i metilcrveno kiselo-bazični indikatori, što znači da su različito obojeni u kiselom i bazičnom mediju. Tako, npr. metiloranž je pri ph > 4,4 žut, dok je pri ph < 3,2 crven. U žutom obliku (ph > 4,4) metiloranž je anion, dok protoniranjem (ph < 3,2) u kiselom mediju anion prelazi u oblik dipolarnog iona koji je crven. 43
Promotri li se struktura žutog oblika metiloranža, vidi se da su sve dvostruke veze konjugirane. Međutim, protoniranjem te strukture dolazi do skraćenja konjugiranog sustava dvostrukih veza, pa aromatski prsten na kojem je sulfonatni anion nije više u konjugaciji s dvostrukim vezama ostalog dijela molekule. Kako svaka dodatna konjugirana veza pomiče apsorpcijski maksimum u vidljivom dijelu spektra prema većim valnim duljinama, jasno je zašto protonirani oblik metiloranža apsorbira pri λ max = 460 nm, a neprotonirani pri λ max = 520 nm, odnosno zašto su različito obojeni. Svi ostali navedeni indikatori mijenjaju boju zbog istih razloga, tj. zbog protoniranja jednog dušika azo-skupine u kiselom mediju, te skraćivanja konjugiranog sustava dvostrukih veza. Razlikuju se samo u ph području, u kojem se mijenja boja. Aromatske diazonijeve soli, osim reakcijama kopulacije, podliježu i reakcijama nukleofilne supstitucije, pri čemu je dušik (N 2 ) odlazeća skupina. To je dvostepena reakcija kod koje najprije nastaje kratkoživući aromatski karbokation, koji potom reagira s nukleofilom. 44
β-naftoloranž Svojstva β-naftoloranž (natrijev hidroksinaftalen-1-azo-4'-benzensulfonat, oranž II): Mr = 550,32. Spoj kristalizira s dvije molekule vode. Upotrebljava se za bojenje svile, vune, papira i za pripravljanje lakova. Čista tvar je intenzivno crvene boje. Kemijska reakcija Kemikalije sulfanilna kiselina NaOH (w = 10 %) NaNO 2 HCl (konc.) β-naftol 2,5 g (0,0145 mol) 37,5 ml 1,0 g (0,0145 mol) 6,0 ml 2,0 g (0,0135 mol) Postupak Diazotacija U Erlanmeyerovu tikvicu stavi se 12,5 ml vodene otopine NaOH (w = 10 %) i smrvljena sulfanilna kiselina. Reakcijska smjesa miješa se na magnetskoj miješalici uz blago zagrijavanje sve dok se sulfanilna kiselina ne otopi, pri čemu se prevodi u natrijevu sol. Tikvica se uroni u ledenu kupelj, reakcijska smjesa se ohladi na 15 C i doda joj se 1 g NaNO 2 otopljenog u 10 ml vode. Smjesa se ohladi na 5 C pa se uz neprestano miješanje dokapava 6 ml koncentrirane klorovodične kiseline. Za vrijeme dokapavanja temperatura se mora održavati na 5 10 C tako da se dodaje led (~ 5 g) u reakcijsku smjesu. Nakon toga, reakcijska smjesa ostavi se stajati u ledenoj kupelji oko pola sata, pri čemu se izlučuju kristali nastale diazonijeve soli (1). Kondenzacija (kopulacija) U Erlenmeyerovoj tikvici od 250 ml otopi se β-naftol u 25 ml vodene otopine NaOH (w = 10 %). U otopinu ohlađenu na 5 C u ledenoj kupelji dodaje se suspenzija diazotirane sulfanilne kiseline uz miješanje pri čemu temperatura reakcijskle smjese ne smije biti viša od 8 C. Reakcijska smjesa se miješa pola sata uz održavanje temperature na 5 C. Pritom dolazi do 45
izlučivanja tamnocrvenog produkta u obliku paste. Nastali produkt se odsiše pomoću Büchnerovog lijevka i suši na zraku. Primjedbe 1. Kristalni talog se ne izolira ni ne suši jer je suh eksplozivan. Diazonijeva sol nastala diazotacijom sulfanilne kiseline stabilnija je od mnogih drugih, pa se može čuvati u ledenoj vodi nekoliko sati. 46
5.3. ADICIJSKE REAKCIJE NA KARBONILNE SPOJEVE Aldehidi i ketoni, spojevi s karbonilnom skupinom (C=O) podliježu reakcijama nukleofilne adicije na dvostruku vezu karbonilne skupine. Uočljiva je razlika u reaktivnosti dvostruke veze karbonilne skupine prema onoj između dva ugljikova atoma, pri kojoj dolazi do elektrofilne adicije. Razlog tome je neuravnotežen raspored π-elektrona dvostruke veze karbonila. Elektronegativniji kisik dijelom odvlači elektrone s ugljikova atoma, pa tako ugljik nosi parcijalni pozitivni, a kisik parcijalni negativni naboj, što jasno ilustriraju dvije granične rezonantne strukture karbonilne skupine: Nukleofil napada ugljik karbonilne skupine zbog parcijalnog pozitivnog naboja, pri čemu puca C = O dvostruka veza i nastaje tetraedarski intermedijer, a elektrofil, koji je najčešće proton, veže se na kisikov atom. Zbog navedenih svojstava karbonilna skupina reagira s brojnim nukleofilima, među kojima su najvažnije reakcije s organometalnim spojevima i karbanionima, jer se pritom stvaraju nove ugljik-ugljik veze. Reakcije kondenzacije Aldehidi i neki drugi karbonilni spojevi koji u svojoj strukturi imaju -vodik (vodik vezan na ugljik u neposrednom susjedstvu karbonilne skupine) daju u alkalnom mediju enolat-ion: Ravnoteža je pomaknuta ulijevo, jer su aldehidi s -vodikom relativno slabe kiseline (pk a ~ 20; ugljikovodici imaju pk a ~ 40 45). Kiselost -vodika uzrokuje rezonantna stabilizacija konjugirane baze, enolat-iona. Enolat-ion protoniranjem može dati i početni aldehid i odgovarajući enol (en zbog dvostruke veze, ol zbog hidroksilne skupine). 47
Enolat-ioni su vrlo reaktivni kao nukleofilni reagensi, te iako je njihova koncentracija u ravnotežnoj smjesi mala, oni ipak napadaju karbonilnu skupinu. Pri tome nastaje nova veza ugljik-ugljik, tj. dolazi do kondenzacije dviju molekula karbonilnog spoja: Perkinova kondenzacija Aldehidi koji nemaju -vodik mogu reagirati i sa enolat-anionima koji ne potječu samo od aldehida ili ketona. Reakcije tog tipa imaju različita imena, obično po prezimenu autora (Perkin, Darzens, Koevenagel itd.). Osnova svih tih reakcija je da stvoreni enolat-ion nukleofilno napada karbonilnu skupinu aldehida koji nema -vodik, pri čemu eliminacijom vode nastaje hidroksilna skupina, odnosno dvostruka veza. U Perkinovoj reakciji aromatski aldehid reagira s anhidridom koji ima -vodik, dok se ako baza obično koristi sol odgovarajuće kiseline. Kao produkt te reakcije nastaje, -nezasićeni karboksilat-anion, koji zakiseljavanjem daje odgovarajuću, -nezasićenu karboksilnu kiselinu. Tako se cimetna kiselina dobiva zagrijavanjem benzaldehida i acetanhidrida u prisutnosti kalijeva acetata. 48