Karel Kolář

Přírodovědecká fakulta UHK

Hradec Králové

V soudobé organické syntéze je kladen důraz na ekologický aspekt vlastních chemických reakcí, separačních operací a dalších laboratorních činností.Jedná  se o praktické aplikace zásad tzv. Zelené chemie (Green Chemistry), které jsou spojeny s minimální ekologickou zátěží chemických procesů.

Syntetické postupy směřují k:Syntetické postupy směřují k: •  úspoře materiálu a energií, •  eliminaci toxických a ekologicky závadných reaktantů,•  omezování tvorby vedlejších produktů a odpadů, •  zkrácení doby reakcí. 

S těmito trendy souvisí provádění organických reakcí v přítomnosti mikrovlnného záření (microwave assisted), které umožňuje např. zvýšení výtěžku a zkrácení doby reakce. Jiný přístup představují reakce prováděné bez použití rozpouštědla, označované jako solvent- free, které umožňují např. omezení rozsahu separačních operací a snížení materiálových nákladů .  Vzhledem ke snadné dostupnosti zařízení, které umožňuje provádět fyzikální a chemické operace v přítomnosti mikrovln – mikrovlnné trouby se vytváří široký prostor pro různé typy výukových experimentů. Mezi pokusy se objevují také experimentální úlohy z organické syntézy (např. syntéza acetylsalicylové kyseliny). V této souvislosti jsme navrhli jako vhodný experiment z oblasti organické syntézy přípravu amidů  bez rozpouštědla v přítomnosti mikrovlnného záření.

Amidy se většinou připravují reakcí halogenidů nebo anhydridů kyselin s amoniakem nebo aminy. Tato reakce je vzhledem k jednoduchému  provedení  syntézy a vysokému výtěžku běžně používána. R-CO-Cl   +    R´-NH2   →   R-CO- NH-R´   + HCl     Z hlediska ekologického vyznívá její hodnocení méně příznivě, protože  je při syntéze využíváno agresivních sloučenin – chloridů a anhydridů kyselin.  Pro náš záměr byla zvolena přímá reakce karboxylové kyseliny s aminem, směs obou látek byla zahřívána v mikrovlnné troubě. 

Přímá reakce probíhá dvoustupňově. Nejdříve reaguje kyselina s amoniakem (aminem) za vzniku amoniové soli, která zahříváním dehydratuje na amid.   R-CO-OH   +   R´-NH2  →   R-CO-O– H3N+-R´   R-CO-O– H3N+-R´      →      R-CO- NH-R´   +   H2O

V našem případě bylo použito kyseliny benzoové a oktylaminu.  

Vlastní pokus byl realizován v porcelánovém kelímku, který byl umístěn do mikrovlnné trouby (700 W, 2450 MHz). 

1. V kelímku bylo smícháno ekvimolární množství kyseliny a aminu (0,003 mol). 2.Obsah kelímku po promíchání se stal tuhým v důsledku vzniku  amoniové soli.3.Reakční směs byla zahřívána po dobu 20 min.4.Po ukončení reakce byl surový produkt rozpuštěn v chloroformu.5.Roztok byl protřepán zředěnou kyselinou chlorovodíkovou(odstranění nezreagovaného aminu) a zředěným roztokem  hydrogenuhličitanu sodného (odstranění nezreagované kyseliny).6.Po zahuštění roztoku,  filtrací přes sloupec silikagelu a následném odpaření rozpouštědla byl izolován čistý produkt.7. Průběh reakce byl kontrolován chromatografií na tenké vrstvě silikagelu (obr. č.1, obr.č. 2) s luminiscenčním indikátorem (λ=254 nm).    

CHROMATOGRAFICKÁ ANALÝZA PRODUKTUCHROMATOGRAFICKÁ ANALÝZA PRODUKTUREAKCE KYSELINY BENZOOVÉ S OKTYLAMINEMREAKCE KYSELINY BENZOOVÉ S OKTYLAMINEM

                

1 2

A

B

A

1 2 3

Obr. 1 Produkt reakce kyseliny     benzoové a oktylaminu

1 – standard

2 – reakční směs

A – benzoová kyselina

B – N-oktylbenzamid

Obr. 2 Produkt reakce kyseliny benzoové a oktylaminu – separace nečistot

1 – standard

2 – reakční směs

3 – reakční směs po promytí roztokem

      hydrogenuhličitanu sodného

12 principů Zelené chemie: 1) Prevence vzniku odpadů     - omezení tvorby odpadů na minimum2) Atomová ekonomie     - návrh takových syntetických postupů, při kterých by sloučení všech        použitých  komponent ve finální produkt bylo maximální3) Chemické syntézy s minimem rizika     - použití látek, které  nejsou škodlivé  pro člověka a životní prostředí4) Netoxické produkty     -  produkty reakcí by měly být netoxické5) Bezpečná rozpouštědla     -  použití rozpouštědel a dalších pomocných látek  pouze, je-li to      nezbytné, použitá rozpouštědla by měla mít minimální toxicitu6) Efektivní využití energie     -  stanovení energetických požadavků vzhledem k jejich      ekonomickému dopadu a dopadu na životní prostředí (reakce za      normálního tlaku a teploty)7) Využití obnovitelných zdrojů energie     - volba obnovitelných zdrojů odpovídající možnostem pracoviště

12 principů Zelené chemie:

 8) Omezení vzniku vedlejších produktů     - návrhy syntéz, při kterých vzniká hlavní produkt, vedlejší produkty        se netvoří 9) Využívání katalyzátorů     - maximální zastoupení katalyzátorů při syntézách 10) Odbouratelné látky     - manipulace s látkami-reaktanty a produkty, které jsou snadno        odbouratelné 11) Analýza škodlivin     - rozvoj  metod pro analýzu toxických látek a jejich monitoring 12) Prevence havárií      - opatření, směřující k minimalizaci nehod