Синтез изоамилацетата

 

 

                                           МИНОБРНАУКИ РОССИИ

                              Федеральное государственное

                      бюджетное образовательное учреждение

                     высшего профессионального образования

                 «Оренбургский государственный  университет»

                                                   (ОГУ)

                             Химико-биологический факультет

                                            Кафедра химии

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Органическая  химия»

“Синтез изоамилацетата”

ГОУ ОГУ 020101.65.5311.01 ОО

 

 

 

 

Руководитель работы

Е.А.Строганова  _______________________ "____"_________________2012г.

                                                                            Исполнитель

студент группы 09 Химия 

Алимгузина Л.Р _____________

"____"_________________2012г.

 

                                                 

 

Оренбург 2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Брутто-формула: СН₃СОО(СН₂)₂СН(СН₃)

Название соединения: Изоамилацетат (изоамиловый эфир уксусной кислоты)

изопентиловый эфир уксусной кислоты, грушевая эссенция.

 

Структурная формула: 

Уксусноизоамиловый эфир относится к классу сложных эфиров карбоновых кислот. Изоамилацетат широко применяется в качестве растворителя для нитроцеллюлозы в лакокрасочной, кожевенной и других отраслях промышленности, в производстве кинопленки, целлулоида и так далее. Изоамилацетат является компонентом фруктовых эссенций. Очень часто в пищевой промышленности его называют грушевой эссенцией. Такое название изоамилацетат получил из-за характерного запаха груши. Широкое использование изоамилацетат получил в пищевой промышленности при производстве карамели, ликеров, фруктовых вод, различного рода кондитерских изделий.

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические  свойства соединения

 

 

Изоамилацетат , молекулярная масса 130,18; бесцветная жидкость с резким фруктовым запахом, напоминающим запах груш (порог запаха 6.10-7 г/л); температура плавления –78,5°С, температура кипения 142°С;d420=0,8719г/мл n_d 20=1,4053; давление пара 733,3 Па (20°С); Cp=250,27 кДж/моль (20 °С); растворим в органических растворителях, растворимость в воде 2% по массе (25 °С). Обладает всеми химическая свойствами эфиров сложных. Смешивается со спиртом, эфиром и хлороформом. Получают взаимодействия изоамилового спирта с уксусной кислотой в присутствии концентрированной H ₂SO₄. Температура вспышки 36 °С, температура самовоспламенения 430 °С, КПВ 0,2-4,4%, температурные пределы взрываемости 3-57°С. Оказывает вредное действие на центр. нервную систему; ПДК 100 мг/м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Спектральные характеристики соединения и их связь со строением

 

В ИК-спектрах сложных эфиров наблюдаются две сильные полосы поглощения, относящиеся к валентным колебаниям С=О и С-О

Валентные колебания связи  С=О сложноэфирной группировки проявляются в области  1750-1735 см^-1 :

-алифатические сложные эфиры (за исключением формиатов) – 1750-1735 см^-1;

-формиаты, α,β-ненасыщенные сложные эфиры и бензоаты – 1730-1715 см^-1;

Электроноакцепторные группировки  приводят к увеличению частоты поглощения валентного колебания С=О:

-винилацетат – 1776 см^-1, фенилацетат – 1771 см^-1; этиловый эфир трихлоруксусной кислоты – 1770 см^-1.

«Валентные колебания связи  С-О» в сложных эфирах фактически состоят из двух взаимодействующих антисимметричных колебаний: С-С(=О)-О и О-С-С, причем первое намного важнее. Эти полосы наблюдаются в области 1300-1000 см^-1, часто в литературе носят название «эфирная полоса».

Как отличить сложноэфирную группировку  от карбоксильной и карбонильной группы кетонов?

В ИК-спектрах сложных эфиров валентные колебания С-О проявляются в виде полосы, интенсивность которой больше, чем интенсивность полосы колебания связи С-О в кетонах. При этом в ИК-спектрах сложных эфиров отсутствуют полосы валентных и деформационных колебаний связи О-Н карбоксильной группы, кроме того, сложные эфиры не образуют солей при взаимодействии с аминами.

 

Колебания:

1736 см^-1- ν_C=O

1235 см^-1-колебания, включающие связь С-О

Другие колебания:

2940  см^-1 – ν_C-H

1460, 1380 см^-1-ϭ_СН3

Масс-спектр изоамилацетата

 

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектральный анализ), метод анализа вещества путем определения массы (чаще, отношения массы к заряду m/z) и относит. кол-ва ионов, получаемых при ионизации исследуемого вещества или уже присутствующих в изучаемой смеси.

 

 

Масс-спектр (в скобках интенсивность в % от базового пика):

131(4,2), 70(61), 61(15), 55(54), 43(100)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методы синтеза соединения

Способ 1 (исходя из уксусной кислоты)

Реактивы:

Уксусная кислота ледяная  ……….............7мл

Изоамиловый спирт....................................14 мл

Серная кислота (d 1,84). Сода 10%-ный раствор. Сернокислый натрий

Виды приборов для синтезов с азеотропной отгонкой воды: а  – с холодильником Либиха, б – с шариковым холодильником, 1 – реакционная колба, 2 – двурогий форштосс, 3 – капельная воронка, 4 – «ловушка» для воды, 5 – обратный холодильник.

Синтез проводят в приборе, изображенном на рисунке. В круглодонную колбу емкостью 100 мл помещают смесь из 7 мл ледяной уксусной кислоты (или соответствующее количество 80%-ной кислоты) и 14мл изоамилового спирта, прибавляют 2 мл концентрированной серной кислоты (катализатор). Колбу соединяют посредством двурогого форштоса с обратным холодильником, между ними помещают «ловушку» для воды, образующейся при реакции. Смесь нагревают на песчаной бане. В «ловушке» собираются вода и спирт, которые образуют два слоя. Верхний спиртовый слой должен свободно переливаться через края ловушки, возвращаясь в сферу реакции. Когда воды в ловушке накопится столько, что появится опасность ее попадания в реакционную колбу, воду сливают в мерный цилиндр и измеряют ее объем. Реакция считается законченной, когда количество воды в «ловушке» перестанет увеличиваться. Полученный эфир охлаждают до комнатной температуры и промывают (в делительной воронке) сначала водой, затем раствором соды до нейтральной реакции по лакмусу и вновь водой. Отделив эфир от водного слоя, высушивают его прокаленным сернокислым натрием и перегоняют из колбы с дефлегматором. Главную фракцию собирают при 138° С.

Выход (70% теоретического). Чистый уксусноизоамиловый эфир имеет т. кип. 142°С,  .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Способ 2 (исходя из уксуснокислого натрия)

Реактивы:

Изоамиловый спирт .................25 г (0,28 г-мол)

Уксуснокислый натрий безводный...........25 г (0,30 г-мол)

Серная кислота (d 1,84) Сода 10%-ный раствор. Хлористый кальций.

Рис.1 1 — баня; 2 — реакционная колба; 3 — термометр; 4 — капельная воронка; 5—холодильник; 6 — алонж; 7 — приемник.

Синтез проводят в приборе, изображенном на рис1. В колбу Вюрца емкостью 150 мл, снабженную капельной воронкой и соединенную с нисходящим холодильником, помещают 25 г растертого в порошок безводного уксуснокислого натрия (примечание 1). Из капельной воронки понемногу приливают смесь из 25 г изоамилового спирта и 25 г (13,5 мл) концентрированной серной кислоты (примечание 2). При этом колбу непрерывно нагревают на масляной бане при 150°С (термометр опущен в баню). По окончании реакции и прекращении отгонки дистиллята верхний слой (смесь уксусноизоамилового эфира и изоамилового спирта) отделяют в делительной воронке, промывают раствором соды, затем два раза водой, высушивают хлористым кальцием и перегоняют из колбы с дефлегматором, отбирая фракции: 1) до 138°С, 2) 138—142°С. 2-я Фракция представляет собой уксусноизоамиловый эфир. Выход 24 г (67% теоретического). Чистый уксусноизоамиловый эфир имеет т. кип. 142°С, .

Химические свойства соединения.

Реакция этерификации и гидролиз сложных эфиров

 

Реакцией этерификации называется взаимодействие спиртов с карбоновыми  кислотами, приводящее к образованию  сложных эфиров:

В этой реакции молекула спирта выступает в роли нуклеофильного агента, атакующего бедный электронами  углеродный атом карбонильной группы.

Реакции этерификации обратимы и, следовательно, ограничены состоянием равновесия. Превращение эквимолекулярных количеств кислоты и спирта в теоретически вычисленное количество сложного эфира по причине обратимости реакции невозможно. В результате реакции образуется некоторое максимальное количество эфира (которое всегда ниже теоретического) и остаются непрореагировавшие спирт и кислота. Например, при нагревании с обратным холодильником эквимолекулярных количеств уксусной кислоты и этилового спирта в реакцию вступает лишь 2/3 г-мол каждого компонента, поэтому максимальный выход эфира в этих условиях составляет лишь 2/3 теоретического, т. е. 66,7%.

По мере того как кислота  и спирт реагируют друг с другом и происходит накопление продуктов их взаимодействия (эфира и воды), скорость обратной реакции, вначале незначительная, возрастает. При этом скорость прямой реакции постепенно уменьшается. Наконец, наступает динамическое равновесие, когда в единицу времени в сложный эфир превращается столько же молекул кислоты и спирта, сколько молекул сложного эфира распадается на кислоту и спирт. Одинаковой скоростью этих противоположно протекающих процессов обусловлен постоянный состав системы. Поскольку скорость бимолекулярной реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ, мы можем для скоростей прямой и обратной реакций написать уравнения:

где v1 — скорость реакции  этерификации; v2 — скорость реакции  гидролиза; К1 и К2 — константы  скорости обеих реакций; Ск, Сс, Сэ и Св — концентрации реагирующих и получающихся веществ (кислоты, спирта, эфира, воды).

В состоянии равновесия скорости реакций, протекающих в противоположных направлениях, равны, т. е. V1 = V2. Тогда:

Частное К2/К1 является константой равновесия и обозначается буквой К.

Из полученного уравнения  следует, что в состоянии равновесия отношение произведений концентраций реагирующих веществ обратно  отношению констант скоростей реакций. В случае реакции образования уксусноэтилового эфира в состоянии равновесия, как упомянуто выше, в реакционной смеси содержится по 1/3 моля кислоты и спирта и по 2/3 моля эфира и воды. Поэтому

Однако можно изменить состояние равновесия и повысить выход сложного эфира, увеличивая концентрацию спирта (или кислоты). Например, если взять уксусную кислоту и спирт  в молярном отношении, равном 1:2, выход  эфира (из расчета на кислоту) повышается до 85%. Действительно, пусть концентрация эфира в состоянии равновесия (в молях) будет равна х, т. е. Сэ = х. Тогда и Св = х. Концентрация кислоты Ск = 1—х, концентрация спирта Сс = 2 — х. Следовательно,

После решения этого уравнения  находим, что х = 0,85 моля, то есть выход эфира равен 85% теоретического.

Часто применяется и другой способ смещения равновесия в сторону  большего выхода сложного эфира — удаление сложного эфира или воды из сферы реакции. Легко можно видеть, что уменьшение концентраций эфира или воды влечет уменьшение концентраций спирта и кислоты, поскольку величина константы равновесия К при данной температуре неизменна. Так, в случае получения низкокипящих сложных эфиров (например, уксусно-этилового с температурой кипения 77°С) в ходе реакции отгоняют эфир из реакционной колбы. При получении высококипящих сложных эфиров (например, уксуснобутилового с температурой кипения 125°С или уксусноизоамилового с температурой кипения 142°С) удобнее отгонять воду в процессе реакции. Вода в этом случае отгоняется в виде азеотропа с парами соответствующего спирта. При конденсации паров в холодильнике происходит расслоение этих ограниченно смешивающихся жидкостей и вода, как более тяжелая, собирается на дне поставленной на пути конденсата «ловушки». Азеотропную отгонку воды можно использовать и в случае этерификации кислот этиловым или пропиловым спиртом, которые в жидкой фазе смешиваются с водой во всех отношениях. В этом случае для отделения воды от сконденсировавшегося в холодильнике спирта в реакционную смесь приходится добавлять третий компонент, образующий с водой и спиртом нераздельно кипящую смесь, но в жидкой фазе с водой не смешивающийся. Его роль состоит в том, что он экстрагирует из конденсата спирт и возвращает его в реакционный сосуд. В качестве такого компонента могут использоваться бензол, хлороформ, четыреххлористый углерод и некоторые другие жидкости, но из перечисленных только бензол можно использовать в «ловушках». Хлороформ и четыреххлористый углерод обладают большей плотностью, чем вода, и для отделения воды от реакционной смеси в случае использования этих жидкостей требуется «ловушка» другой конструкции.

При комнатной температуре  реакция протекает очень медленно. При смешении эквимолярных количеств спирта и кислоты для достижения равновесных концентраций требуется до 16 лет. Повышение температуры ускоряет реакцию (так, в случае взаимодействия этилового спирта с уксусной кислотой при 110° С равновесие достигается через 10 дней, а при (155° С — через несколько часов).

Особенно сильное ускорение  реакции этерификации достигается  применением катализаторов — водородных ионов, получающихся при диссоциации сильных минеральных кислот. В качестве катализаторов чаще всего используются концентрированная серная кислота или сухой хлористый водород, ток которого пропускается через реакционную смесь. Найдено, что скорость реакции возрастает с увеличением количества катализатора; однако известно также, что добавка 0,01% серной кислоты достаточна для образования этилацетата из спирта и уксусной кислоты. Следует иметь в виду, что катализаторы повышают скорость реакции этерификации, но не могут вызывать сдвига равновесия.