Rapport om Organisk Kvalitativ Analyse og Spektroskopi

Side 1

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 1 af 14

Organisk kvalitativ analyse med spektroskopi

Formål

Forsøgets formål var at analysere og identificere et ukendt kemisk stof ved hjælp af en række forskellige forsøg. Hvert forsøg ville af- eller bekræfte noget om det ukendte stof. Sammen med diverse spektre af vores stof, vil man kunne komme med et meget kvalificeret bud på, hvilket stof det er, vi har med at gøre, samt hvordan det er bygget op.

1

Teori og hypotese

Indledende prøver

Flammeprøve

Flammeprøven er en indikation på en fuldstændig og ufuldstændig forbrænding. En forbrænding er en reaktion med et bestemt materiale og oxygen. Oxygenet kommer fra luften omkring os. I en forbrænding er der tale om en oxidation af et, i dette tilfælde, ukendt stof. I en fuldstændig forbrænding, bliver stoffets indhold af carbon og hydrogen omdannet til henholdsvis

𝐶𝑂_{2} (𝑔) og 𝐻_{2} 𝑂(𝑔).

Eksempel på fuldstændig forbrænding

𝐶𝐻_{4} (𝑎𝑞) + 2 𝑂_{2} (𝑔) → 𝐶𝑂_{2} (𝑔) + 2 𝐻_{2} 𝑂(𝑔)

Hvis der er svovl i det ukendte stof, vil dette, ved en fuldstændig forbrænding blive til svovldioxid

𝑆𝑂_{2}. Ved en fuldstændig forbrænding, vil der ikke blive dannet sod, hvilket tyder på, at der er

ingen, eller meget få, dobbeltbindinger tilstedet i det ukendte stof. Modsat hvis et ukendt stof soder meget, vil det betyde, at der er mange, ofte konjugerede, dobbeltbindinger tilstede. Et stof der soder, kan også indeholde aromatiske ringe. Stoffer der soder, gennemgår en ufuldstændig forbrænding og danner 𝐶(𝑠) og 𝐶𝑂(𝑔). Ved en ufuldstændig forbrænding er det primært hydrogenet der bliver brændt af, og efterlader carbonet tilbage som sod. Når der bliver dannet sod, er det en indikation på, at der var for lidt oxygen i flammen.

Eksempel på en ufuldstændig forbrænding.

2 𝐶_{6} 𝐻_{6} (𝑎𝑞) + 3 𝑂_{2} (𝑔) → 12 𝐶 (𝑠) + 6 𝐻_{2} 𝑂 (𝑔)

En positiv flammeprøve kan give en indikation af, hvilken type stof man har at gøre med. For at gøre prøven mere præcis, kan der sammenlignes med kendte stoffer, fx cyclohexan, cyclohexen og toluen.

UV-absorption

For at teste UV-absorptionen af det ukendte stof, skal det først opløses i en solvent der ikke

absorberer UV-lys omkring 254 nm. Et sådan solvent knne være 𝐶𝐻_{2} 𝐶𝐿_{2}, 𝐻_{3} 𝑂𝐻, ether, eller

lignende. For at påvise om der er UV-abosorption, skal prøven sættes på kiselgelplader til TLC

(thin-layer chromatography). Sådanne plader er imprægneret med et stof, der fluorescerer grønligt ved en belysing med UV-lys. En positiv UV-prøve vil udslukke den grønlige fluorescens, og i

1

Meget af teorien stammer fra forsøgsvejledningen til diverse prøver – udleveret på DTU.

Side 2

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 2 af 14 stedet vise blåt. Den blå farve kommer fra exciterede molekyler, som flytter sig fra grundtilstanden til en anden tilstand, og på den måde får en synlig bølgelængde. Da blå netop er den synlige farve med den korteste bølgelængde (i forhold til UV) bliver en positiv stofplet blå.

Udslukkes den grønlige fluorescens, og vises blåt, er det tegn på en positiv prøve. Aromatiske og/ eller stærkt konjugerede alifatiske stoffer kan absorbere UV-lys omkring en bølgelænge på 254 nm.

Til gengæld kan alifatiske, ikke-konjugerede stoffer ikke udslukke den grønne fluorescens, og kirselgelpladen vil stadig synes grøn.

Eksempel på stoffer som vil udslukke den grønlige fluorescens, og vise blå i stedet for:

Beilsteins test – indhold af halogen

Beilsteins test er en kvalitativ test for halogenider. Halogenider er salte som er blevet dannet af ioner fra halogener.

Flygtige kobbersalte farver en flamme grøn på grund af dens kobberindhold. Kobberhalogenider

(med undtagelse af F) er flygtige, og kan dermed give en grøn flamme over et par få sekunder.

Dette sker ved, at en kobbertråd opvarmes, og derved danner kobber(II)oxid på overfladen.

Kobber(II)oxid, vil, når den varmes op, sammen med det ukendte stof, danne en kobberhalogenid, såfremt der er et halogen til stede. Denne prøve er meget følsom, da urenheder i stoffet nemt kan give en positiv test. Derfor er det kun en negativ test der er 100 % sikker

Opløselighedsprøver

Opløseligheden af forskellige stoffer afhænger af, om de er polære eller upolære. To stoffer med ens polaritet kan godt opløses, men hvis man tager et polært og upolært stof, og blander dem, kan de ikke opløses. Polaritet er en ladningsforskydelse, som gør dele af molekylet enten svagt negativ eller svagt positiv. Grunden til ladningsforskydelsen skyldes elektronegativiteten mellem de atomer molekylet består af. Elektronegativitetsforskellen skal ligge omkring eller over 1, for at et molekyle kan være polært. Et polært molekyle får derved både en positiv og negativ ladet pol. Polære molekyler danner dipol-dipol-bindinger og også gerne hydrogenbindinger. Hydrogenbindingerne

gør også at polære molekyler nemt opløses i vand, da hydrogenbindingerne trænger ind i 𝐻_{2} 𝑂, og

blander sig.

Et upolært molekyle indeholder atomer hvis elektronegativitetsforskel ligger omkring 0. Dette gør at en ladningsforskydning ikke er mulig, og der dermed ikke bliver dannet en positiv og negativ pol.

Upolære molekyler danner gerne Van Der Waalbindinger .

Stoffer bestående af kun C-H atomer er altid upolære, fordi deres elektronnegativitet næsten er ens.

Yderligere er C-H-grupper hydrofobe, hvilket vil sige at de vandafskyende.

Opløseligheden for stoffer kan enten være letopløseligt, tungtopløseligt eller uopløseligt. Et stof der er letopløselig, betyder at alt stoffet bliver opløst i solventen, mens et tungtopløseligt stof betyder at noget af stoffet er blevet opløst i solventen, men der er stadig en smule bundfald tilbage.

Ved opløselighedsprøver kan man få vigtige oplysninger om organiske stoffers funktionelle grupper. Det kræver at man tester opløseligheden i forskellige væsker, fx vand, diethylether, 1M HCl, 1M NaOH og 5 % vandig NaHCO

3

Side 3

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 3 af 14

For at konkludere om stoffet er opløseligt eller ej, må der ikke komme mere end 5 mL opløsningsmiddel i, da koncentrationen af det ukendte stof derfor bliver for lille. Hvis stoffet ikke er opløst i de 5 mL opløsningsmiddel, kan man varme opløsningen med en varmepistol, da varme nemmere opløser stoffer. Når molekyler bliver varmet op, får de mere energi, og derved har de nemmere ved at bryde deres bindinger, og dermed blive opløst.

Vand

Vand er et polært uorganisk stof. Idet det er polært, vil andre polære stoffer også kunne opløses i vand.

Hvis stoffet er opløseligt i vand, uden opvarmning:

• er molekylevægten ofte lav, og indeholder én eller flere hydrofile grupper være til stede.

Disse grupper kan fx være: –OH, C=O. – COOH, -SO H, -NH).

3 2

• Organiske salte, også med en større molekylvægte, som fx RCOO^{-}, Na^{+} eller R^{+} NHCl^{-}, vil

3 også være opløselige i vand.

Diethylether

Har svært ved at blive opløst i vand, da det er et upolært stof. Til gengæld kan upolære stoffer nemt opløses i diethylether.

Hvis stoffet er opløseligt i diethylether (samt vand)

• Er det ikke et salt

• Molekylet er også ofte lavmolekylært

• indeholder få hydrofile funktioner

Hvis stoffet er opløseligt i vand, men ikke i diethylether,

• er det et salt som indeholder mange hydrofile funktioner.

1M HCl

Hvis stoffet er opløseligt i HCl, men uopløseligt i vand

• er det en base (meget svage baser danner ikke salt under disse betingelser, fx diarylaminer) Er stoffet opløseligt i vand, men ikke HCl

• kan det være et salt af en vanduopløselig syre fx 𝐶_{6} 𝐻_{5} 𝐶𝑂𝑂 − 𝑁𝑎^{+}

1 M NaOH

Er stoffet opløseligt i NaOH, men uopløseligt i vand er det

• en syre (fx RCOOH, ArOH). Opløseligheden i 5 % vandig NaHCO bør herefter også

3 undersøges

Er stoffet opløseligt i vand, men uopløseligt i NaOH

• kan det være et ammoniumssalt af en vandopløselig amin

5 % vandig NaHCO

3

Er stoffet opløseligt i 5 % vandig NaHC og under udvikling af 𝐶𝑂_{2}

3

• Er det en svag syre med pK < 6 (dette skelner fx mellem 𝐶_{6} 𝐻_{5} og 𝐶_{6} 𝐻_{5} 𝑂𝐻)

A

Side 4

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 4 af 14

Stoffets forhold over for bromvand

Ved indvirkning af brom på umættede stoffer, altså stoffer med en eller flere dobbeltbindinger, sker der en addition af brom. Det vil sige at brom går ind og bryder dobbeltbindinger, og sætte sig fast på de frie bindinger som opstod på dobbeltbindingen blev brudt.

Eksempel på en addition af et umættet stof, med brom

Ved nogle aromatiske stoffer, som fx phenoler og aniliner, kan en substitution af et eller flere hydrogenatomer forekomme. Dette betyder at brom går ind og erstatter noget hydrogen

Eksempel på substitution af aromatiske forbindelser, med brom

I begge ovenstående tilfælde iagttages en affarvning af bromfarven, forudsat at der er underskud af

reagens. Farven af en positiv bromvandsprøve vil syne gul/orange/rød, afhængig af

koncentrationen.

Stoffer indeholdende 𝐻_{2} 𝐶 = 𝐶𝐻_{2} eller HC ≡ CH, phenoler, enoler, aromatiske aminer, anisoler,

samt en række stoffer indeholdende aktive hydrogenatomer vil reagere til en postitiv prøve med bromvand.

Hastigheden for en addition af brom til en ethenbinding er stærkt afhængig af, hvilke grupper der er

knyttet til carbonatomerne. Brom adderes langt hurtigere til syren (𝐶 𝐻 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻 end til stilben
                                                       6 5        2

(𝐶_{6} 𝐻_{5} 𝐶𝐻 = 𝐶𝐻𝐶_{6} 𝐻_{5}). Fumarsyre og maleinsyre adderer brom langsommere end acrylsyre. Nogle

umættede stoffer adderer slet ikke brom.

En langsom reaktion med bromvand kan fremskyndes ved at opvarme reaktionsblandingen til 50-

70° C. Dog kan der sideløbende indtræde en substitution mellem nogle stoffer i reaktionsblandingen; en substitution som normalt ikke ville være fundet sted ved almindelig temperatur.

Stoffets forhold over for permanganat

Ved indvirkning af permanganat ved almindelig temeratur på umættede stoffer, sker der en oxidation, hvor mangan reduceres. Ved en positiv permanganatprøve, vil et farveskfite til en

violoet/lyserød farve forekomme. Denne farve er dog ikke permanent, men forsvinder ganske

hurtigt igen.

Redoxreaktioner skal enten foregå i sure, basiske eller neutrale opløsninger. En redoxreaktion i

                                                                             +2
basisk eller neutral opløsning, vil der blive dannet brunsten og grumset bundfald, i stedet for 𝑀𝑛 ,

som der bliver dannet i en sur redoxreaktion.

Side 5

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 5 af 14

Stoffer indeholdende ethen – eller ethynbindinger affarver i reglen permanganat i løbet af få sekunder. En del mættede stoffer kan også affarve permanganat. Dette gælder let oxiderbare stoffer som fx aldehyder, myresyre, mono- og polyvalente phenoler, nogle aminer, kulhydrater, benzoioner, hydrazinderivater m.m. En permanganatprøve er derfor ikke specifik for umættede stoffer.

Det stof der bliver brugt i en permanganatprøve, er egentlig kaliumpermanganat. Men da kalium ikke går ind og reagerer i reaktionen, kan dette undlades at skrive, og derfor bliver det til permanganat.

Eksempel på en positiv permanganatprøve.

Eksempel på negativ permanganatprøve

DNPH-derivater – 2,4-dinitrophenylhydrazoner

Denne test går også under navnet carbonyltest eller påvisning af oxogrupper. Disse grupper er netop

aldehydgrupper og ketongrupper. Fælles for dem begge, er at de har en C=O binding, som enten
kan være placeret i midten af et molekyle, som aldehyder e: R-C(=O)-H. I et molekyler er ketoner
karakteristiske ved vat være endestilte: R-C(=O)-C-R

Aldehyder og ketoner reagerer med 2,4-dinitrophenylhydrazin under sure betingelser, og laver hydrazoner.

Eksempel på hvordan en hydrazin bliver til en hydrazon

2,4-dinitrophenylhydrazoner har en gul / orange / rød farve, og er tungtopløselige. Et farvet

bundfald i testen indikerer, at den ukendte prøve kan indeholde en aldehyd- eller ketongruppe.

Side 6

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 6 af 14

Smeltepunkt

Ved at bestemme et smeltepunktsinterval, kan man bedre få en idé om hvilket stof man har med at gøre. Nogle organiske stoffer har karateristiske smeltepunkter, så med et smeltepunktsinterval, kan man udelukke nogle bestemte stoffer, ved at slå smeltepunkter op i fx en databog.

IR-spektre

IR-spektroskopi star for InfraRød, og kan fortælle hvilke funktionelle grupper og stofklasser det på gældende stof indeholder, samt fortælle noget om, hvilke bindinger der er i stoffet.

IR-området har et bølgeinterval fra 700 nm < 𝜆 < 1 mm. Fotonenergierne for dette interval er meget små, så der sker ikke overgange mellem elektroniske tilstande, men energien findes i stedet mellem vibrationstilstandene [2]. Der findes to slags vibrationer som man kan måle på. Den første er en strækninger i bindingernes længderetning. Den anden er bøjninger, hvor bindingsvinklerne ændres.

Fælles for begge typer er, at de kan deles op i symmetrisk og asymmetrisk vibrationer.

Vibrationsfrekvensen i molekyler er stort set den samme for forskellige atomgrupper. Disse frekvensintervaller for atomgrupperne betegnes i et IR-spektrum som gruppefrekvenser. Hver atomgruppe har et bestemt bølgetal, som er karakteristisk for atomgruppen.

Et IR-spektre vil ud af første-aksen have bølgetallet. Dog er det ikke målt i nm, som bølgelængde jo

       1
                          -1                                 -1        -1
er, men , og enheden bliver cm . Bølgeintervallet går normalt fra 4000 cm til 500 cm . Op ad
       𝜆

anden-aksen har man transmittansen (t), målt i procent. Transmittansen er forholdet mellem intensiteten af strålingen efter absorption af infrarød, divideret med intensen af strålingen for

          3
absorptionen :

𝑡 = 0 ≤ 𝑡 ≤ 100 %

𝐼

𝐼_{0}

Udslagene på grafen, kalder man bånd. Hvert bånd er karakteristisk for et specielt stof.

Når man aflæser et IR-spektre, kan man tilordne de forskellige bånd og deres intensitet. Først

nummererer man båndene, og dernæst aflæser man deres bølgetal / gruppefrekvens i cm^{-1}. Ud fra

bølgetallet kan man komme et klassificeret bud på, hvilken stofgruppe og binding man har med at

gøre. Normalt tager bruger man kun gruppefrekvensen over 1000 cm^{-1}, da det er der, hvor man kan

                                                              -1
se de forskellige atomgrupper, fx alkohol. Gruppefrekvensen under 1000 cm fortæller mere

præcist om, hvilken stofklasse man har med at gøre; det kunne være en uddybelse af, hvilken slags alkohol man har med at gøre.

Eksempel på tilordning af et IR-spektrum, for stoffet 𝐶 𝐻 𝑂
                                           6  6

Nummer Bølgetal Stofgruppe / binding
1 1600 – 1500 cm^{-1} C=C – aromatisk ring
2 3100 – 3000 cm^{-1} C-H – aromatisk ring
3 3640 – 3160 cm^{-1} OH gruppe – monomer
alkohol + phenol

2

ISIS A, kapitler om IR-spektrofotometri

3

ISIS A, kapitler om IR-spektrofotometri

Side 7

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 7 af 14

Ved hjælp af IR-spektret, er det nu muligt at give et eksempel på, hvordan dette stof ser ud, samt at navngive det.

1

H NMR-spektre^{4}

NMR står for Nuclear Magnetic Resonance – kernemagnetisk resonans.

Følgende kan aflæses på et [1] H NMR spektrum:

• Det kemiske skift, som fortæller noget om omgivelserne til H-atomet. Det fortæller den relative placering af et [1]

H atom i forhold til et [1]

H atom i stoffet tetramethylsilan, også kaldet

TMS. Det kemiske skift fortæller også noget om, hvor mange forskellige slags H-atomer der er i det pågældende stof.

• Opsplitningen – om det er en singlet, dublet, triplet osv.

• Integralet af opsplitningen. Dette angiver det relative antal af én slags H-atomer.

I et [1] H NMR spektrum er det vekselvirkningen mellem stråling og atomkernerne der undersøges.

Vekselvirkningen resulterer i, at kernen får et spin, når de placeres i et homogent magnetfelt. Både protoner og neutroner bidrager til kernens spin. Den simpleste kerne man kan få, er [1] H. [1] H består af én proton, og har derfor et spin på ½. Hvis både proton- og neutrontallet er lige, medfører det til, at kernen har et spin på 0, og hvis både proton- og neutrontallet er ulige, får kernen et spin på 1.

I et homogent magnetfelt vil kernernes spin vende sig parallelt enten med eller mod den retning magnetfeltet har. Kerne der har et spin der er parallelt med magnetfeltet har en lavere energi end dem der peger mod magnetfeltet. Dog kan kerner der har et spin med lav energi, få vendt deres spin til at blive modsat magnetfeltet, ved blot at få tilført en passende mængde energi. Derved rykker de op i gruppen for atomkerner med høj energi. Den energimængde der skal bruges for at flytte en kerne med lav energi til en gruppe med høj energi, er proportional med styrken for magnetfeltet.

For et molekyle indeholdende^{1} H-kerner, skal der bruges en energi på 6,63 ∗ 10^{−26} J for at vende

spinnet. Dette gælder så længe af magnetfeltet har en styrke på 2,35 T (fluxtætheden målt i tesla).

Denne lille energimængde der skulle til, svarer til en frekvens 100 MHz. Dette kaldes også resonansfrekvensen.

Den energimængde der skal til for at vende spinnet, afhænger også af, om andre [1] H-kerner tæt på, har samme eller modsatte spin. Denne afhængighed betegnes som en spin-spin kobling. Det er denne afhængighed der giver mulighed for opsplitning.

Når en [1]

H-kerne spin-spin kobler med n [1]

H-kerner på nabocarbonatomet, sker der en opsplitning på

𝑛 + 1 linjer.

Resonansfrekvenser afhænger af, hvad et H-atom er omgivet af, da [1]

H-atomer selv dannet et svagt

magnetfelt. Dette gør, at der er forskel på resonansfrekvensen for fx 𝐶𝐻 og 𝐶𝐻 grupper. Da
                                                         2      3

resonansfrekvensen kræver mange cifre for at skelne forskellen på de forskellige stofgrupper, bruger man i stedet for den relative forskydning i forhold til resonansfrekvensen for TMS. Dette kaldes det kemiske skift. Det kemiske skift betegnes med δ og har enheden ppm.

4

ISIS A, kapitler om^{1} H NMR spektroskopi.

O H

Phenol

Side 8

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 8 af 14

                                                 1
Størrelsen på det kemiske skift, afhænger af omgivelserne til

H kernen. Det kan fx forskellige funktionelle grupper. De kurver der ses ved bestemte kemiske skift kaldes resonanslinjerne, og har

                                                                             1
et areal, som betegnes integralet. Det er forholdet mellem integralerne der er lig med antallet af H-

kerner som giver resonanslinjerne.

Forholdet mellem integraler og opsplitning passer de enkelte linjers integrale med tallene som findes i Pascals trekant. Øverste talrække (1), kan man se integralet for en singlet. I anden talrække (1,1), kan man se forholdet i integralet for en dublet: 1:1. I tredje talrække (1,2,1) kan man se forholdet i en triplet: 1:2:1. Sådan fortsætter det.

Når man skal tilordne et^{1} H NMR spektrum, skal man starte med nummerere de forskellige kemiske

skift, samt aflæse deres værdi. Integralet aflæses også, samt deres opstilling. Ud fra dette kan man nu komme med et bud på den mulige tilordning.

Eksempel på tilordning af ethanol.

Nr. Kemisk skift Integralet Opstilling Mulig tilordning

1 ~ 4,8 ppm 1 Singlet – ingen H på nabo C OH

2 ~ 3,5ppm 2 = rødt H Kvartet – 3 H på nabo C 𝐶𝐻_{2} − 𝐶𝐻_{3}
3 ~ 1,1 ppm 3 = blåt H Triplet – 2 H på nabo C Blå H’er

13

C- NMR-spektre

Et^{13} C NMR spektrum fungerer på samme måde som et^{1} H NMR spektrum. Derfor vil jeg ikke gå

ind i teorien.

               13                                  1            12
Forskellen er, at et C-atom har et spin på netop en ½, ligesom H har, modsat C, som intet spin

har, da der er et lige antal protoner og neutroner.

Med et^{13} C NMR-spektrum kan man få oplysninger om carbonskellet i organiske molekyler, da

                                                            13
antallet af resonanslinjer er den samme som antallet af de forskellige typer C-kerner i stoffet.

Til forskel fra et^{1} H NMR-spektrum er værdierne for det kemiske skift meget højere, og integralet

giver ikke oplysninger om antallet af carbonatomer. Der sker heller ikke nogen opsplitning, da der ikke kan forekomme spin-spin koblinger.

Massespektroskopi

Massespektroskopi er en måde hvorved man kan bestemme ukendte stoffers molarmasse. Dette kan yderligere give et hint til, hvilke atomer et stof består af. På en graf med massespektroskopi, findes

der ud af første-aksen massen og ladningen: m/z. Op ad anden-aksen findes intensiteten. Der hvor

intensiteten er størst, kan man aflæse molarmassen. Derved har man fået en idé om, hvor meget

molekylet vejer i g/mol.

Materialer

Til alle prøver, er det obligatorisk, at det ukendte stof skal bruges, der er det ikke at finde i de nedenstående materialer. Nogle prøver krævede dog, at stoffet skulle opløses eller fortyndes. Disse materialer brugt der til, vil dog være at finde.

Side 9

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 9 af 14

Indledende prøver

Flammeprøve

• Forbrændingsske – stålspatel

• Bunsenbrænder

UV-absorption

• Solvent der ikke absorberer UV-lys nær 254 nm, fx 𝐶𝐻_{2} 𝐶𝑙_{2} eller 𝐻_{3} 𝑂𝐻

• TLC-plade imprægneret med et stof der fluorescerer grønligt ved UV-belysning.

• UV-belysning

• Præparatglas med skruelåg.

• Kapillarrør

Beilsteins test – indhold af halogen

• Kobbertråd

• Bunsenbrænder

Opløselighedsprøver

• Varmepistol

• Reagensglas

• Pipetter

Vand

• Demineraliseret vand

• pH-papir

Diethylether

• Diethylether

1M HCl

• 1 M HCl

• Demineraliseret vand

1 M NaOH

• 1 M NaOH

• Demineraliseret vand

5 % vandig NaHCO

3

• 5 % vandig NaHCO

3

• Demineraliseret vand

Stoffets forhold over for bromvand

• Demineraliseret vand

• Varmepistol

• pH-papir

• 2 M HCl

Side 10

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 10 af 14

• Mættet bromvand

• Evt. cyclohexen til at lave en kontrolprøve på

Stoffets forhold over for permanganat

• Ethanol som opløsningsmiddel

• 0,1 M kaliumpermanganat, 𝐾𝑀𝑛𝑂_{4}

• Reagensglas

DNPH-derivater – 2,4-dinitrophenylhydrazoner

• DNPH-opløsning

• Reagensglas

• Varmepistol

• Evt. acetone

Smeltepunkt

• Smeltepunktsapperat

Opstilling og fremgangsmåde

Indledende prøver

Flammeprøve

Ca. 50 mg af det ukendte stof, anbringes på spisen af en stålspatel. Prøven antændes med en lille, blød gasflamme. Antænd prøve og lad den brænde selv (ikke i gasflammen). Observer om der dannes sod.

UV-absorption

40-50 mg ukendt stof afmåles i et lille præparatglas med skruelåg, som fyldes ca. 2/3 op med et

solvent som ikke absorberer UV-lys omkring 254 nm. En stofplet anbringes nu på TLC-pladen med kapillarrør. Pladen tørres og betragtes i UV-lys

Beilsteins test – indhold af halogen

Bunsenbrænderen skal have fuldt luftindtag, så flammen er næsten farveløs. Kobbertråden bøjes så der kommer et lille ”øje” i enden. Derefter udglødes den, luftafkøles og derefter dyppes i prøven, og føres sidelæns ind midt i flammens yderste zone. Hvis stoffet antændes og brænder, lader man det brænde uden for flammen. Tråden føres atter ind i flammen og kort før glødningen, ses den grønne farve over få sekunder.

Opløselighedsprøver

Vand

Til ca. 100 mg stof i et reagensglas tilsættes med pipette, vand i små portioner indtil stoffet er opløst. Dog højest 5 mL. Ryst godt efter hver tilsætning. Er stoffet ikke opløst i 5 mL vand, varmes

1-2 minutter med varmepistol. Er stoffet herefter ikke i opløsning, er det uopløseligt i vand.

Er stoffet opløseligt i vand, undersøges opløsningen pH med indikatorpapir.

Diethylether

Samme fremgangsmåde som ved vand, dog uden opvarmning.

Side 11

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 11 af 14

1M HCl

1 M HCl

Til 100 mg stof sættes 2 mL 1 M HCl. Det observeres om stoffet går klart i opløsning, evt. efter 20-

30 sekunders opvarmning med varmepistol. Evt. fortyndes med 2 mL vand. Dersom stoffer er opløseligt i både vand og 1 M HCl, giver denne prøve ikke nye oplysninger. Visse stoffer kan gå i

opløsning under hydrolyse til vand- og/eller syreopløselige komponenter.

1 M NaOH

Fremgangsmåde som for 1 M HCl. Visse stoffer kan gå i opløsening ved hydrolyse til vand-

og/eller baseopløselige komponenter.

5 % vandig NaHCO

3

Til 100 mg stof sættes 2 mL 5 % vandig NaHCO

3

. Det observeres om stoffet går i opløsning under

udvikling af 𝐶𝑂_{2}. Evt. fortyndes med 2 mL vand. Af og til tager opløsningsprocessen lang tid (fx 5
minutter) og udviklingen af 𝐶𝑂_{2} kan være svær at se.

Stoffets forhold over for bromvand

Ca. 0,1 g af det ukendte stof tilsættes i et reagensglas sammen med 2-3 mL vand. Er stoffet tungopløseligt i vand, opvarmes blandingen til kogning og afkøles straks. Blandingens reaktion prøves med pH-papir- Hvis reaktionen er neutral eller basisk, tilsættes nogle dråber 2 M HCl indtil svagt sur reaktion. Med pipette tildryppes mættet bromvand og blandingen iagttages efter tilsætning af hver dråbe. Ved positiv prøve forsvinder bromfarven hurtigt, og der skal forbruges flere dråber, inden bromfarver holder sog, som et tegn på, at der nu er overskud af reagens.

Stoffets forhold over for permanganat

Ca. 0,05 g eller 1-2 dråber af stoffet opløses i 2 ml ethanol. Der tilsættes dråbevis 0,1 M kaliumpermanganat, og blandingen iagttages efter tilsætning af hver dråbe. Ved positiv prøve forsvinder permanganatfarven hurtigt, og der udskilles i reglen brunsten. Der skal forbruges mindst nogle dråber reagens, idet eventuelle urenheder kan forbruge lidt permanganat. Der bør udføres en blindprøve på ethanol, da ethanol langsomt oxideres af permanganat.

DNPH-derivater – 2,4-dinitrophenylhydrazoner

Tilsæt 1-2 dråber ukendt prøve til 5-7 mL DNPH-opløsning i et reagensglas. Ryst blandingen og vent

1-2 minutter, om nødvendigt kan prøven varmes let med varmepistol, mens der rystes forsigtigt.

Hvis der er tvivl om prøven er positiv, kan forsøget gentages med 1 dråbe acetone.

Smeltepunkt

For faste stoffer kan man måle et smeltepunkt, som er karakteristisk for det ukendte stof. Dette gøres ved hjælp af et smeltepunktsapperat, hvor nogle krystaller af det ukendte stof, placeres i et lukket hårrør eller smeltepunktsrør. Gennem et forstørrelsesglas, kan man nu observere hvornår stoffet smelter. Så snart krystallerne af det ukendte stof begynder at falde sammen og smelte, aflæses temperaturen. Når hele stoffet er smeltet og blevet flydende, aflæses temperaturen igen.

Dette er smeltepunktsintervallet.

Side 12

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 12 af 14

Resultater

Flammeprøve: soder 🡪 mættet

UV-absorption: stofpletten bliver blå 🡪 ikke alifatisk og ikke-konjugeret stof. Ikke simple alkaner Beilsteins test: negativ (100 % sikker) 🡪 ingen halogener

Opløselighed i vand: efter 5 mL vand + varmepistol 🡪 meget tungt opløseligt. pH = 8

Opløselighed i diethylether: opløst 🡪 ikke et salt, lavmolekylær, indeholder hydrofile funktioner Opløselighed i 1 M HCl: uopløselig

Opløselighed i 1 M NaOH: opløst 🡪 syre

Opløselighed i 5 % NaHCO: uopløselig

3

Forhold over for bromvand: positiv 🡪 dobbelt- og tripplebindinger, samt/eller aromatiske

forbindelser.

Forhold over for permanganat: negativ 🡪 ingen dobbeltbindinger.

DNPH-derivater: gult bundfald 🡪 aldehyd / carbonylgruppe

Smeltepunkt:

Databehandling

Ud fra de ovenstående resultater, kan man nu konkludere på disse, og få en fornemmelse af, hvilke stofklasser det ukendte stof består af.

Flammeprøven sodede lidt, hvilket er en indikation på, at der enten er alkaner eller simple alkener tilstede i vores stof.

UV-absorptionstesten var også positiv, hvilket indikerer at der er stærkt konjugerede alifatiske stoffer eller aromatiske forbindelser tilstede. Eksempler på disse stoffer kan ses under teoriafsnittet.

Eftersom Beilsteins test var negativ, er vi 100 % sikre på, at vores stof ikke indeholder nogen halogener.

Vores stof var tungtopløseligt i vand, derfor kan vi med stor sandsynlighed sige, at det ikke er et salt. Yderligere er der også stor chance for, at stoffet ikke indeholder hydrofile grupper. Men da stoffet også er opløseligt i diethylether, indikerer det, at vores stof netop indeholder hydrofile grupper, dog ikke mange. En positiv diethyletherprøve påviser endnu en gang, at det ikke er et salt vi har at gøre med.

Da vores ukendte stof var uopløseligt i 1 M HCl, er der ingen grund til at lave databehandling på denne.

Side 13

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 13 af 14

Opløselighedsprøven for 1 NaOH var positiv, hvilket vil føre til, at det ukendte stof var en syre.

Dog var stoffet uopløseligt i 5 % NaHCO

3

. Det indikerer dog, at stoffet ikke er en syre.

Prøven med bromvand gav os en indikation på, at der er umættede stoffer tilstede i vores ukendte stof. Det kan være phenoler, enoler, aromatiske ringe m.m.

Prøven med permanganat var også positiv, hvilket igen indikerer at der er en umættet forbindelse til stede. Aldehyder vil også give en positiv permanganatprøve.

DNPH-derivatprøven var også positiv. Dette indikerer at der er en enten aldehyd eller ketongruppe til stede i det ukendte stof.

For databehandling af spektre – se bilag

Fejlkilder og måleusikkerhed

For vores forsøg, findes de generelle fejlkilder som urenheder i materialer. Dog har jeg valgt at fremhæve et par af prøver, hvori der kan være store fejlkilder.

Flammeprøve

En ret upræcis prøve, som kun kan give en indikation på hvilket stof man har med at gøre.

Forskellige funktionelle grupper kan gå ind og forvrænge resultatet, og dermed give en endnu mere upræcist indikation af, hvilket stof type man har med at gøre.

Beilsteins test – indhold af halogen

Da kobberhalider er meget flygtige, er testen meget følsom. Derfor er det kun en negativ test, som kan give et 100 % sikkert svar. En positiv test giver en høj grad af sandsynlighed for halogenindhold. Dog kan dette nemt stamme fra urenheder i stoffet.

Smeltepunkt

Hvis der er mange urenheder i et stof, vil det sænke smeltepunktet. Derved kan det give en forkert indikation af, hvilket stof man har med at gøre.

Diskussion / vurdering

Mange af de kvalitative analyser, som vi startede med at udføre, kunne i sig selv, ikke fortælle os, hvilket stof vi havde med at gøre. Dog kan de give en indikation af, hvilke stofgrupper vi har at gøre med. Det er stofgrupper som fx aromater, phenoler, aldehyder, ketoner, (u)mættede forbindelser osv. Der kan også nemt være usikkerhed i resultaterne af de kvalitative prøver, da der nemt kan være fejlkilder, og urenheder i både stoffet og på materialer, kan spille en vigtig rolle, i forhold til resultaterne af de forskellige tests. Derfor kan man ikke udelukkende ud fra disse tests, konkludere noget 100 % om stoffet.

                1       13
Spektre så som IR, H-NMR, C-NMR, og massespektroskopi kan i modsætning til de kvalitative

analyser, være meget gavnlige for identifikationen af et ukendt stof, da man, i et IR-spektrum, også kan se hvilke stofgrupper det ukendte stof indeholder. Ved hjælp af et IR-spektrum og de kvalitative analyser, kan man få et meget præcist resultat. Når så man har fundet ud af, hvilke stofgrupper det

Side 14

Kemi 20. januar 2011

Forsøg på DTU

Side 14 af 14

ukendte stof indeholder, kan man kigge på henholdsvis^{13} C-NMR og^{1} H-NMR. Til sidst burde det

være muligt at komme med et kvalificeret bud på, hvilket stof man har med at gøre.

Ud fra IR-spektrummet blev det hurtigt klart, at vi i hvert fald havde en OH gruppe, en C=O
binding, en eller flere C=C bindinger, en carboxylsyre, og en alkan i vores stof. Nu sammenlignede
vi så med vores resultater fra de kvalitative analyser, og fandt frem til, at vores C=C bindinger
måtte være en aromatisk ring. Dette kunne^{13} C-NMR-spektret verificere. Ud fra^{13} C-NMR fandt vi

også ud af, at vi havde R-CH

2 3 og R-CH

, samt en keton eller aldehyd. Så småt kunne vi nu danne os

                                                                  1
et billede af, hvordan molekyler ville se ud, men vi blev nødt til at analysere vores H-NMR-

spektre, for at finde ud af, hvor de forskellige stofgrupper skulle stå i forhold til hinanden. Se bilag for flere detaljer.

Ud fra vores analyser af spektrene, og efter sammenligninger med de kvalitative
                                                                  CH
                                                                     3

analyser, fandt vi frem til en struktur for vores ukendte stof. Vi skulle også
                                                          O

navngive vores stof:

4-hydroxypropiophenol

1-(4-phenol)propan-1-on

Konklusion

Vi kan, ud fra forsøget, konkludere, at det er muligt at analysere og identificere et ukendt stof, ved hjælp af en række forskellige forsøg og prøver. Gennem de kvalitative analyser, kunne vi få af- eller bekræftet noget om vores stof. Fx om det havde syre-base egenskaber, indeholdt halogener osv.

Intet af de to nævnte var positive. Dog viste det sig, gennem en test med bromvand, at vores stof indeholdt enten dobbelt eller trippelbindinger, samt aromatiske forbindelser. Ved hjælp fra spektre

        1        13
såsom IR, H-NMR,  C-NMR, og massespektroskopi kunne vi konkludere, at de fleste af vores

kvalitative forsøg holdt stik, og vi kunne nu komme med et kvalificeret (og rigtigt) bud på, hvilket ukendt stof vi havde med at gøre, og hvordan det var bygget op.

Ukendt stof nummer 8 = 4-hydroxypropiophenol

CH CH

CH CH

C

C

O H

C

CH_{2}