Ćwiczenie 8. Otrzymywanie propionianu n-butylu – syntetycznego związku zapachowego.

Odczynniki:

kwas propionowy, n-butanol, H₂SO₄ 95%, NaHCO₃ 5%, NaOH 0,2M, porcelanka

Sprzęt laboratoryjny:

kolby okrągłodenne jednoszyjne o poj. 100 (2 szt.), 50 cm³

rozdzielacz o poj. 100 cm³

zlewka o poj. 100 cm³ (2 szt.), 50 cm³ (2 szt.)

chłodnica zwrotna

chłodnica destylacyjna

termometr ze szlifem 0-200°C

cylindry miarowe 25 cm³ (2szt.), 10 cm³ (2szt.)

pipety wielomiarowe o poj. 25, 10, 1 cm³

lejek szklany

kosz grzejny

biureta

papierki wskaźnikowe do określania pH

mieszadło magnetyczne

Wykonanie ćwiczenia:

1. Synteza estru

Synteza estru (propionianu n-butylu) przebiega zgodnie z równaniem reakcji:

CH₃CH₂COOH + CH₃CH₂CH₂CH₂OHCH₃CH₂COOCH₂CH₂CH₂CH3 + H₂O

Jest to reakcja odwracalna i aby osiągnąć zadowalającą wydajność, usuwa się ze środowiska reakcyjnego wodę lub stosuje się nadmiar jednego z substratów (w wykonywanym ćwiczeniu stosuje się nadmiar alkoholu). Ilość moli kwasu propionowego i stosunek molowy reagentów podaje prowadzący ćwiczenia. Na tej podstawie należy obliczyć objętości kwasu i alkoholu potrzebnych do reakcji. Do jednej kolby okrągłodennej o poj. 100 cm³ odmierzyć za pomocą pipet wielomiarowych obliczone objętości reagentów i 0,4 cm³ stężonego, 95% kwasu siarkowego jako katalizatora. Do drugiej kolby okrągłodennej o poj. 100 cm³ dodać te same objętości reagentów, ale jako katalizator zastosować amberlit (0,4 cm³). Zawartość obu kolb starannie wymieszać, pobrać z nich pipetą jednomiarową po 1 cm³ mieszaniny i zmiareczkować 0,2M NaOH (pkt 2).

Do kolb reakcyjnych wrzucić kilka kawałków porcelanki, podłączyć chłodnicę zwrotną i włączyć przepływ wody, włączyć ogrzewanie. Zawartość kolb utrzymywać w temperaturze wrzenia przez 1,5 godziny. Po zakończeniu ogrzewania i schłodzeniu zawartości kolb oznaczyć w mieszaninie poreakcyjnej zawartość kwasu propionowego (pkt 2).

1. Oznaczanie zawartości kwasu propionowego w mieszaninie reakcyjnej

Pobrany z kolby reakcyjnej 1 cm³ mieszaniny (przed/po reakcji) przenieść do zlewki o poj. 100 cm³ i dodać 50 cm³ wody destylowanej. Następnie ustawić zlewkę na mieszadle magnetycznym, włożyć element mieszający, włączyć mieszadło i miareczkować 0,2M roztworem NaOH do pH ok. 11,5 (dodawać po 1 cm³ titranta).

1. Usuwanie z mieszaniny poreakcyjnej kwasów

Aby usunąć z mieszaniny poreakcyjnej kwasy (siarkowy i nieprzereagowany propionowy), przemywa się ją wodą i neutralizuje kwas siarkowy za pomocą wodorowęglanu sodu. W tym celu ochłodzoną mieszaninę poreakcyjną należy przenieść do rozdzielacza, dodać 25 cm³ wody destylowanej, wytrząsać przez chwilę i odstawić do rozdzielenia faz. Następnie usunąć z rozdzielacza fazę wodną, a do fazy organicznej dodać 25 cm³ 5% NaHCO₃. Mieszaninę najpierw delikatnie wymieszać w otwartym rozdzielaczu (będzie się intensywnie wydzielał CO₂), a następnie zakorkować, wytrząsać przez chwilę i odstawić do rozdzielenia faz. Usunąć z rozdzielacza fazę wodną, a do fazy organicznej dodać kolejną porcję (25 cm³) 5% NaHCO₃ i postępować jak uprzednio. Po rozdzieleniu faz oddzielić fazę wodną, a do fazy organicznej dodać 25 cm³ wody destylowanej, wytrząsać przez chwilę i pozostawić do rozdzielenia faz. Fazę wodną odrzucić, a fazę organiczną przelać do cylindra miarowego o poj. 25 cm³ i odczytać jej objętość.

1. Wydzielenie estru przez destylację

Zawartość cylindra przelać do kolby okrągłodennej o poj. 50 cm³ i zmontować zestaw do destylacji prostej (rys. 1). Włączyć przepływ wody w chłodnicy i kosz grzejny ogrzewający kolbę destylacyjną. Oddestylować z mieszaniny resztki wody i nieprzereagowany alkohol (odbierać frakcję do temperatury ok. 130°C). Pozostałość podestylacyjną (ester) ochłodzić, przelać do uprzednio zważonego cylindra miarowego o poj. 10 cm³, zmierzyć jej objętość i zważyć.

Rys. 1. Zestaw do destylacji prostej

Nazwa związku	Masa cząsteczkowa, g/mol	Gęstość, g/cm^3	Temperatura wrzenia, °C	Rozpuszczalność w wodzie, cm^3/dm^3
Kwas propionowy	74	0,993	141-142	mieszalny
Alkohol n-butylowy	74	0,810	116-118	90
Propionian n-butylu	130	0,883	146,8	1,7

TABELA 1. Wybrane właściwości substratów i produktu reakcji estryfikacji

Opracowanie wyników:

W sprawozdaniu należy podać:

- obliczenia ilości substratów, w g, w cm³,

- wykresy miareczkowania mieszaniny przed i po reakcji,

- stopień przereagowania kwasu propionowego (na podstawie wyników miareczkowań),

- wydajność procesu estryfikacji na podstawie ilości produktu (estru) i substratu (kwasu), w % obliczoną wg wzoru:

,

gdzie: n_e – ilość moli estru

n_k – ilość moli kwasu propionowego wzięta do reakcji