Synteza oran u β-naftolu

Laboratorium Chemii Organicznej, Synteza oranżu β-naftolu, 1-5
Synteza oranżu β-naftolu
Wydział Chemii
UMCS w Lublinie
1. Właściwości fizyczne i chemiczne oranżu β-naftolu
N
N
SO3Na
Oranż β-naftolu; C16H10N2Na2O4S, M = 372,32 g/mol; proszek lub
krystaliczna substancja stała barwy pomarańczowej. Przedstawiciel
barwników diazowych (zawierających w swojej cząsteczce grupę
chromoforową –N=N–) otrzymywanych w reakcji sprzęgania.
ONa
2. Wykonanie ćwiczenia
2.1. Odczynniki
Kwas sulfanilowy – C6H4(NH2)SO3H = 5,2 g (0,03 mola)
Bezwodny węglan sodu – Na2CO3 = 1,8 g + 7,0 g
Stężony kwas solny – HCl = 8,4 ml (10 g)
β-naftol – C10H7OH = 4,3 g (0,03 mola)
Wodorotlenek sodu – NaOH = 1,3 g
Azotan(III) sodu – NaNO2 = 2,1 g
Chlorek sodu – NaCl = 10 g
2.2. Sprzęt
Zlewki (50 ml, 250 ml, 1000 ml)
Kolba stożkowa (50 ml)
Cylinder miarowy (100 ml)
Bagietka
Palnik gazowy, wąż gumowy, siatka i trójnóg
Łaźnia lodowa
Wkraplacz (100 ml)
Termometr
Zestaw do sączenia pod zmniejszonym ciśnieniem
2.3. Metoda syntezy (równania reakcji)
Przygotowanie zawiesiny kwasu sulfanilowego:
NH2
NH2
+ Na2CO3
2
+ H2O +
2
R.1
SO3Na
SO3H
+
NH3
NH2
+ HCl
SO3Na
CO2
+
SO3-
NaCl
R.2
-1-
Laboratorium Chemii Organicznej, Synteza oranżu β-naftolu, 1-5
+
NH3
NH2
R.3
SO3-
SO3H
Mechanizm diazowania:
1. Wytworzenie kwasu azotowego(III):
5oC
NaNO2 + HCl
R.4
HNO2 + NaCl
2. Wytworzenie kationu nitrozoniowego:
H O N O
+ H
+
H2O
H O N O
+
+
+
+
N O
R.5
H
3. Atak pary elektronowej atomu azotu aminy aromatycznej na kation nitrozoniowy:
H
+
NH2
H N N O
+
+
N O
R.6
SO 3H
SO 3H
4. Zerwanie wiązania N-H i odejście protonu (kationu wodorowego). Odbudowanie niewiążącej
pary elektronowej na atomie azotu:
H
H
+
H N N O
N N O
+ H
SO3H
+
R.7
SO3H
5. Protonowanie atomu tlenu:
H
H
N N O
N N O+ H
+
+ H
SO3H
+
R.8
SO3H
-2-
Laboratorium Chemii Organicznej, Synteza oranżu β-naftolu, 1-5
6. Przeniesienie elektronów π na atom tlenu i odbudowanie niewiążącej pary elektronowej:
H
H
N N O+ H
+
+
N N O H
R.9
SO3H
SO3H
7. Zerwanie wiązania N-H i odejście protonu (kationu wodorowego). Utworzenie wiązania
podwójnego między atomami azotu:
H
+
N N O H
N N O H
+ H
SO3H
+
R.10
SO3H
8. Protonowanie atomu tlenu:
N N O H
N N O H
+
H
+
+ H
+
R.11
SO3H
SO3H
9. Zerwanie wiązania N-O i odejście cząsteczki wody (jako grupy odchodzącej). Powstanie kationu
diazoniowego:
+
N N O H
+
H
+
N N
+ H2O
SO3H
R.12
SO3H
+
N N
+
N N
+
R.13
SO3H
SO3H
-3-
Laboratorium Chemii Organicznej, Synteza oranżu β-naftolu, 1-5
Mechanizm sprzęgania:
Reakcja sprzęgania przebiega według mechanizmu aromatycznej substytucji elektrofilowej:
+
N N
+
+
NaOH
+
N
SO3H
ONa
N
H2O
+
H
+
R.14
SO3Na
ONa
2.4. Wydajność teoretyczna procesu
Wydajność syntezy oranżu β-naftolu jest często zawyżona przez obecność w krystalicznym barwniku
znacznej ilości chlorku sodu użytego do wysolenia
(B)
NaNO2
H2O
2.5. Schemat syntezy
r
po
(6)
iu
zen
szc
pu
oz
5 oC
'
roztwor
(8)
po
H2O
ro
zp
us
(7)
zc
ze
niu
po
(A’ )
oc
hl
od
ze
ni
u
(A’’ )
wytracenie zawiesiny
kwasu sulfanilowego
,
gaz
diazowanie
(3)
(2)
(1)
5 oC
5oC
5 oC
(C )
(9)
5oC
β2-naftol
NaOH
Na2CO3
Skrócony schemat syntezy:
iu
zczen
zpus
po ro
H2O
A + HCl →
B + A’ →
C + A’’ →
A’
A’’
C’
doda ,
c cie
nkim
strum
ienie
m
kwas sulfanilowy
Na2CO3
wkroplic,
lnego
kwasu so
(A)
(4)
(C’ )
(5)
NaCl
po
5 oC
oc
hl
od
ze
ni
u
sprzeganie
,
.
oranz β -naftolu
wysole
do pompki
wodnej
nie ba
rw
(10)
nika
gaz
(13)
(12)
(11)
-4-
Laboratorium Chemii Organicznej, Synteza oranżu β-naftolu, 1-5
2.6. Sposób wykonania
W zlewce (A) o poj. 250 ml przygotowano roztwór 1,8 g bezwodnego węglanu sodu w 50 ml
wody, a następnie dodano 5,2 g kwasu sulfanilowego (R.1); zawartość zlewki ogrzano do
całkowitego rozpuszczenia osadu (1), po czym schłodzono w łaźni lodowej (2). Do oziębionego
roztworu powoli dodawano (mieszając zawartość zlewki bagietką) przygotowany wcześniej
rozcieńczony (1:1 v/v) roztwór kwasu solnego (2.7.1.). Temperaturę wytrąconej (R.2, R.3)
drobnokrystalicznej zawiesiny kwasu sulfanilowego (3) utrzymywano poniżej 5ºC (A’).
W zlewce o poj. 1000 ml sporządzono roztwór 4,3 g β-naftolu, 1,3 g wodorotlenku sodu i 7 g
węglanu sodu w 70 ml wody (4). Zlewkę umieszczono w łaźni lodowej (5) w celu schłodzenia jej
zawartości do temperatury poniżej 5ºC (C).
W zlewce o poj. 50 ml (B) rozpuszczono 2,1 g azotanu(III) sodu w 10 ml wody (6), po czym
zawartość zlewki schłodzono w łaźni lodowej (7) do temperatury poniżej 5ºC (R.4, R.5). Otrzymany
roztwór wkroplono powoli do ochłodzonej mieszaniny kwasu sulfanilowego (8). Temperatura
przebiegającej reakcji (R.6-R.13) diazowania (9) nie powinna przekraczać 5ºC (A’’).
Zawartość zlewki o poj. 250 ml (A’’) dodano, wlewając ją cienkim strumieniem, do roztworu (C)
w zlewce o poj. 1000 ml. Otrzymaną mieszaninę (C’) umieszczono w łaźni lodowej (10).
Temperatura reakcji sprzęgania (R.14) nie powinna przekraczać 5-7ºC.
Po upływie 1 godziny mieszaninę w zlewce (C’) ogrzano do rozpuszczenia wydzielonego osadu
i wysolono barwnik przez dodanie 10 g chlorku sodu (11). Zawartość zlewki ogrzano ponownie do
uzyskania klarownego roztworu, po czym mieszaninę pozostawiono w temperaturze pokojowej na
czas 12 godzin, a następnie wydzielony osad barwnika odsączono (12) pod zmniejszonym ciśnieniem
(2.7.2, 2.8.1), przeniesiono na szalkę Petriego (13), wysuszono i zważono.
Obliczono wydajność syntezy.
2.7. Uwagi
Przed rozpoczęciem pracy każdy student zobowiązany jest do zapoznania się
z informacjami zawartymi w kartach charakterystyk substancji, z którymi będzie miał
styczność w trakcie wykonywania preparatu.
2.7.1. Stężony kwas solny jest silnie żrący i wywołuje oparzenia skóry. Jego pary są silnie drażniące,
dlatego należy unikać ich wdychania – wszystkie czynności wykonywać pod włączonym
wyciągiem
2.7.2. Ze względu na niebezpieczeństwo pęknięcia kolby ssawkowej, sączenie pod zmniejszonym
ciśnieniem wykonywać obowiązkowo w okularach ochronnych
2.8. Gromadzenie i utylizacja odpadów poreakcyjnych
2.8.1. Przesącz po wysoleniu barwnika zawierający śladowe ilości tej substancji po rozcieńczeniu wodą
odprowadzić do sieci kanalizacyjnej
Wersja z dnia 11.03.2008
-5-