«Синтез азокрасителя и изучение его свойств»



Скачать 407.16 Kb.
страница1/3
Дата25.07.2014
Размер407.16 Kb.
ТипКурсовая
  1   2   3

СУНЦ МГУ школа им. Колмогорова

Курсовая работа по химии

Тема: «Синтез азокрасителя и изучение его свойств»

Подготовили: Кравченко А. Р.

Сигеев Я. А.

Табачников Э.В.

Научный руководитель: Сигеев А.С.

Москва 2011


Синтез азокрасителя и изучение его свойств.
Введение:
Ароматические азосоединения были открыты в середине XIX века и получили широкое промышленное и лабораторно-практическое применение.

В промышленности главной областью применения ароматических азосоединений является использование их в качестве красителей. Данная область применения азокрасителей развивалась в связи с тем, что это были первые искусственные красящие вещества. До этого времени в качестве красителей применялись только природные и модифицированные природные вещества. Их гамма оттенков была бедна. Применение азокрасителей позволило расширить гамму оттенков и сделать ее непрерывной (возможность смешивания цветов).

Другая область применения азокрасителей – лабораторная практика. В данной области азокрасители используются для окрашивания препаратов. Это внесло вклад в развитие микроскопии и в биологию.

Также азокрасители получили широкое применение и в качества индикаторов. Ранее как индикаторы использовались вещества, полученные из экстрактов цветов и плодов (лакмус). Разработка индикаторов на основе азокрасителей позволила расширить вариации индикатора с различными рН перехода. Это дало возможность управлять количественным анализом кислотности и основности. Так как индикаторные свойства азокрасителей зависят от их кислотно-основных свойств, то в данной работе мы планируем исследовать зависимость кислотно-основных свойств индикаторов, которые проявляются в изменении рН перехода.

Актуальность данной работы состоит в том, что исследование позволит предсказать рН перехода структуры без ее синтеза. Таким образом, как вариант мы можем предсказать индикаторные свойства веществ, пригодных для данных целей.

Для исполнения задач мы проанализировали литературу с целью выбора оптимальных методов синтеза.



1.Синтез.


    1. Классификация синтетических реакций.

Одной из целей работы является описание основных способов синтеза азосоединений.

Для удобства их рассмотрения можно классифицировать их по определенному признаку:


  1. Участок, ответственный за формирование азогруппы полностью находится в одном из реагентов, называемом диазосоставляющей.

  2. Оба реагента имеют часть от будущей азогруппы (т.е. по одному атому азота)

  3. Имеется всего один реагент, при восстановлении или окислении которого образуется азосоединение.


Также стоит отметить, что некоторые из приведенных ниже реакций нельзя отнести конкретно к какому-то определенному типу реакций, если, например, одна из стадий механизма какой-то реакции относится к одному типу, а другая – к иному.


    1. Реакции первого типа.

К реакциям первого типа относятся реакция азосочетания и, как частный, промежуточный с 3-м типом процесс окислительного азосочетания.
1.2.1.Азосочетание.
Общие положения.

Азосочетание – реакция электрофильного замещения в ароматическом ряду, процесс взаимодействия соли диазония с ароматическим субстратом:


Реакция открыта И.П.Гриссом в 1864 г.


Механизм.

Реакция представляет собой электрофильное замещение в ароматическом кольце и протекает в две стадии.

Первая стадия заключается в собственно атаке электрофила-диазония на один из атомов углерода кольца (на рисунке приведен пример с атакой в пара-положение относительно заместителя электродонорного R):

Эта стадия, как правило, является лимитирующей, ввиду медленной скорости атаки электрофила по сравнению со скоростью второй стадии.

Второй стадией является отщепление протона от полученного переходного продукта:


Стадия является быстрой и обычно не определяет хода процесса, однако, если полученный σ-комплекс оказался достаточно устойчивым, то депротонирование можно ускорить введением в реакционную смесь соединений-акцепторов протонов, таких как СО32- или СН3СОО-


Ориентация и общее влияние заместителя в азосоставляющей.

Как правило, субстрат содержит сильный электродонорный заместитель R, отдающий часть электронной плотности в кольцо, благодаря чему активизируются орто- и пара-положения, а сам субстрат приобретает нуклеофильные свойства, необходимые для протекания реакции с диазонием, являющимся слабым электрофилом ввиду распределения положительного заряда по всей делокализованной системе электронов.

Предпочтительным при этом является пара-положение ввиду объемности ароматического заместителя, т.е. по стерическим причинам. Тем не менее, если оно уже занято, то возможно протекание реакции и через орто-положение, но с меньшей скоростью.

В качестве искомого заместителя чаще всего используют –ОН, –О-, NR2; если диазониевое производное достаточно активно, можно использовать –ОR и , в частности, –ОCH3.


Влияние pH на скорость реакции.

Зависимость скорости реакции от pH более сложная из-за протекания побочных процессов. В кислой среде происходит протонирование заместителя:


О- OH OH2+
NR2 NR2H+

Если гидрокси-группа еще обладает необходимыми свойствами, то аммоний и гидроксоний-ионы – электроноакцепторные заместители, и реакция сильно тормозится. В сильнощелочной среде с гидроксил-ионами начинает взаимодействовать сам ион диазония с образованием достаточно устойчивых диазогидрата и, затем, диазотат-иона:


-N=N-O- -N=N-OH -N=N+
Эти промежуточные продукты не вступают в реакцию азотирования, т.е. уменьшается концентрация реагента, а вместе с ним и скорость реакции.
Влияние заместителя в диазосоставляющей.

Аналогично, на скорость протекания реакции могут оказать влияние заместители в ароматическом кольце диазосоставляющей. Однако влияние будет строго противоположным, чем выше электроакцепторные свойства заместителей, тем более электрофильные свойства проявляет соль диазония и тем легче протекает реакция азосочетания.


Прочие факторы, влияющие на реакцию.

Одним из факторов, оказывающих значимое влияние на процесс, является температура. Для проведения в слабощелочной/нейтральной среде реакции используется температура 0-200С. В кислой среде реакция замедляется по сравнению со слабощелочной, поэтому требуется более высокая температура (15-250С). Данные цифры в реальности очень приблизительны, и оптимальная температура проведения сильно зависит от природы реагентов, так в случае использования устойчивых реагентов, трудно вступающих в реакцию, может потребоваться температура до 40-500С даже в щелочной среде, поэтому фактор температуры отнесен на второй план, как относительно малозначимый.




Побочные реакции.

Кроме протекания собственно нормального прямого процесса возможны побочные реакции, часть которых уже была рассмотрена выше (например, образование диазотат-аниона в сильнощелочной среде).


Одним из таких нерассмотренных процессов является распад азосоединения на арилпроизводное и азот, который протекает достаточно легко в зависимости от природы арила и противоиона:


Ar-N2+X-  Ar-X +N2


В случае нестабильности соли диазония возможно подкисление среды, но это сильно замедлит реакцию, поэтому приходится искать «золотую середину» между pH, потерями от побочных процессов и температурой.
Другая побочная реакция проявляется при попытке азосочетания аминов. Если в качестве одного из реагентов взять первичный или вторичный амин, то в оптимальных условиях реакции начинает образовываться соответствующее диазоаминопроизводное, т.к. в щелочной среде атака электрофила по азоту может оказаться более предпочтительной, чем по углероду.
Ar-N=N+ + NHR-Ar  Ar-N=N-NR-Ar
Избавиться после реакции от нежелательного продукта, и, более того, превратить его в требуемое вещество можно подкислением среды, т.к. в подобных условиях триазен распадается и по механизму азотирования превращается в конечный продукт:
Ar-N=N-NR-Ar Ar-N=N+ + NHR-Ar  Ar-N=N-Ar-NHR
Аналогичная реакция протекает и с фенолятами, однако получаемый побочный продукт так же быстро распадается в кислой среде:
Ar-N=N+ + -O-Ar  Ar-N=N-O-Ar
Выводы.

Таким образом, эта реакция представляет наибольший практический интерес, поскольку ее достаточно легко провести без специальных условий, температура протекания реакции практически соответствует стандартным условиям. Основное требование к реакции – проведение в нейтральной или слабокислой среде для сочетания с первичными и вторичными аминами и в слабощелочной для сочетаниями с иными реагентами, а также третичными аминами.


1.2.2.Окислительное азосочетание.
Общие положения.

По всем основным параметрам процесс схож с обычным азосочетанием с некоторыми незначительными отличиями.

Окислительное азосочетание – формально реакция гидразинов с ароматическими соединениями, приводящая к азосоединениям.
Ar-NH-NH2+X-Ar + [O]Ar-N=N-Ar
Механизм.

На первом этапе происходит окисление гидразин-производного с образованием диазония, который затем вступает в реакцию азосочетания по уже рассмотренному выше механизму.

Первая стадия, как правило, является радикальным процессом, и в зависимости от выбора окислителя может оказывать влияние на общую кинетику процесса. Само уравнение в аналитическом виде зависит, в первую очередь, от окислителя, а значит, можно регулировать скорость процесса, используя различные окислители.
Влияние заместителей и среды на процесс.

Так как основной стадией образования азосоединения является вторая (атака электрофила), то все, описанное выше для классического азосочетания, остается верным и для данного процесса.



Побочные реакции.

Часть побочных реакций уже рассмотрена выше, однако у этого процесса существует отличительная особенность – наличие окислителя в реакционной смеси. В результате, могут проявляться различные процессы окисления, одним из которых является, например, возможное окисление гидразина до ароматического радикала и азота.


Выводы.

По сравнению с классическим азосочетанием эта реакция, как правило, менее удобна при практически тех же условиях, однако остается практически единственным приемлемым вариантом в случае неустойчивости предполагаемого исходного диазониевого иона. В остальном, обычно проще использовать обычное азосочетание.


1.3.Реакции второго типа.
К реакциям этого типа можно отнести взаимодействие первичных аминов с нитрозосоединениями.

Несимметричные азосоединения также можно получить реакцией первичных аминов с нитрозосоединениями:


Ar-N=O+H2N-Ar Ar-N=N-Ar
Аналогично, подобным сочетанием с нитратами можно получить азоксисоединения, которые затем восстанавливаются до соответствующих азосоединений.
1.4.Реакции третьего типа.
В данном подразделе описаны общие реакции, связанные с окислением и восстановлением однотипных реагентов, в частности, некоторые процессы, промежуточные со 2-м типом реакций по нашей классификации.
1.4.1.Восстановление и окисление азокси-, нитрозо-, нитросоединений, окисление N,N’-диарилгидразинов.
Общие положения.

Восстановление азоксисоединений происходит в щелочной среде действием сильного восстановителя:



Выход реакции составляет порядка 80% (в случае Ar=C6H5) в лучшем случае, т.к. полученное азосоединение легко претерпевает последующее восстановление.

На практике, как правило, в качестве восстановителя используются триалкилфосфиты.

Также легко возможен обратный процесс в присутствии H2O2 и уксусной кислоты.
Аналогичные процессы возможны и с самими азосоединениями: восстановление гидразином на Pd/C и окисление кислородом или гипохлоритами.

В сумме можно получить следующую систему окисительно-восстановительных процессов:



Два из этих процессов ведут к получению азосоединений – окисление диарилгидразинов и восстановление азоксисоединений.
До азосоединений также можно восстановить нитросоединения несколькими путями. Первый состоит в восстановлении их до нитрозосоединений, до азоксисоединений, и только затем до азосоединений, а второй в прямом восстановлении до симметричных азосоединений с помощью LiAlH4 в эфирном растворе с высоким выходом.
Это вторая по практической значимости группа реакций, т.к. для их осуществления доступен широкий ряд реагентов, окислителей и восстановителей, которые можно подобрать для получения с наилучшим выходом определенных продуктов.
1.4.2.Окисление аминов.
Азосоединения можно получать окислением аминов косвенным путем: сначала амины окисляются надкислотами до соответствующих нитрозопроизводных, а затем, до требуемых азосоединений.
Вывод.

Таким образом, наиболее предпочтительным методом синтеза является азосочетание, которое мы будем применять в дальнейшем для достижения поставленных задач.


2.Применение азосоединений.
2.1.Природа возникновения окраски.

Основное применение азокрасителей связано с их цветом. Появление цвета обязано взаимодействием соединения с солнечным светом. Световой луч — это поток фотонов, т. е. отдельных порций (квантов) электромагнитной энергии. Дневной солнечный свет, а также свет от источника вызывает при попадании на сетчатку здорового глаза человека ощущение белого цвета. При взаимодействии белого света с веществом фотоны поглощаются и если они находятся в видимом диапазоне, то вещество приобретает цвет. Глаз человека способен воспринимать лишь лучи, относящиеся к видимой области спектра. Им соответствуют длины волн от 760 нм до 400 нм. Свет с длиной волны менее 400 нм называют ультрафиолетовым, а с длиной волны более 760 нм — инфракрасным. Световые лучи с длиной волны ме­нее 400 и более 760 нм не вызывают зрительных ощущений, т. е. невидимы для человека. При действии на зрительный аппарат всех световых лучей с длинами волн от 400 до 760 нм возникает ощущение белого света. Раздельное действие световых лучей в более узких интерва­лах длин волн производит ощущение окрашенного света характер которого зависит от длин волн лучей, входящих в эти узкие интервалы.


2.2.Цветовой круг.

Предсказать окраску можно по цветовому кругу. Если максимум поглощения приходится на какой-то из секторов круга, то вещество приобретает цвет ему противоположный. Положение максимума поглощения зависит от строения молекулы. Обязательным условием является наличие сопряженной π-системы и высокого дипольного момента (то есть полярных групп – сочетание в молекуле сильноакцепторного и сильнодонорного заместителя).




2.3. Хромофоры.
Изменение цвета молекулы связано с существенным изме­нением ее структуры. В соответствии с хромо­форной теорией окраска соединения связана с наличием в его молекуле хромофорных и ауксохромных групп. Хромофоры – особая группировка атомов, обуславливающая ту или иную окраску, тот или другой цвет вещества. Ауксохромные группы в присутствии хромофорных влияют на интенсивность окраски.


Хромофоры

Ауксохромы

азогруппа



аминогруппа



нитрозогруппа



диметиламиногруппа



нитрогруппа



гидроксильная группа



карбонильная группа



сульфогруппа



этенильная группа



карбоксильная группа




2.4. Азокрасители в промышленности.
Как уже упоминалось ранее, одной из основных областей применения ароматических азосоединений является использование их в качестве красителей в текстильной и типографической промышленности. Мы рассмотрим их применение в текстильной промышленности.
  1   2   3

Похожие:

«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconИзучение свойств последовательного и параллельного колебательных lc – контуров
Цель работы: Изучение резонансных и фильтрующих свойств параллельного и последовательного контуров, измерение их основных параметров,...
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconУрок № хим 9 тема «Аммиак и его свойства»
Цель урока: изучение строения молекулы аммиака, его физических и химических свойств, роли аммиака и его производных в жизни человека...
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconГлава Литературный обзор
Изучение свойств SnCl2*nH2O и его фторирования гидродифторидом аммония
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconЛабораторная работа №5 изучение электрических свойств сегнетоэлектриков цель работы. Изучение поляризации сегнетоэлектриков
Совокупность всех построенных таким образом элементарных ячеек, образующих кристалл, делает его макроскопически поляризованным в...
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconПрямой синтез диметилового эфира из синтез-газа и его превращение в углеводороды (бензин)

«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconМой любимый индикатор Стохастик
Лишь только детальное изучение сигналов и свойств стохастика позволит вам правильно использовать данный индикатор и адаптировать...
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconСинтез двоичных и троичных последовательностей с заданной совокупностью свойств или ограничений на их характеристики
Специальность 05. 13. 18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconБакр изучение пищевой ценности и потребительских свойств консервов для детского питания с применением со 2 -экстрактов 05. 18. 15 Товароведение пищевых продуктов и технология продуктов общественного питания
Изучение пищевой ценности и потребительских свойств консервов для детского питания с применением со2-экстрактов
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconНаучно-педагогическая деятельность в Казанском университете
Термография, восстановил научную работу по давней специализации кафедры – синтез минералов и исследование их свойств. Были получены...
«Синтез азокрасителя и изучение его свойств» iconПрактическая работа №5 Получение аммиака и изучение его свойств
Цель работы: овладеть одним из способов получения аммиака; совершенствовать умение собирать прибор для получения газов; познакомиться...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org