Nationaler Wettbewerb vom 13. bis 16. Juli 1999 am Institut Dr. Flad, Stuttgart (07/99)
1. Wettbewerbstag: Präparative Aufgabe
2. Wettbewerbstag: Analytische Aufgabe
1. Wettbewerbstag: Präparative Aufgabe
1. Darstellung und Reinigung einer aromatischen Carbonsäure
2. Dünnschichtchromatographische Untersuchung des Produkts
1. Darstellung und Reinigung einer aromatischen Carbonsäure
Reaktionsprinzip:
Die Darstellung erfolgt durch Oxidation des entsprechenden Methylaromaten in exothermer Reaktion:
R-CH3 + 2 KMnO4 
R-COOK + KOH + 2 MnO2 + H2O
R-COOK + HCl R-COOH + KCl
Synthese
In einer geeigneten Mehrhalskolbenrührapparatur werden 250 ml demin. Wasser vorgelegt. Unter Rühren werden 8,0 g Magnesiumsulfat-Heptahydrat, 40,0 g Kaliumpermanganat und 12,0 g des Methylaromaten in der angegebenen Reihenfolge eingetragen und anschließend langsam erwärmt. Sobald 50 o erreicht sind, wird die Heizquelle entfernt. Die Reaktionsmischung erwärmt sich weiter und wird bei einer Temperatur zwischen 75 und 80 o gehalten. Nach Abklingen der exothermen Reaktion erhitzt man für 30 Minuten zum Sieden und filtriert dann den entstandenen Niederschlag heiß ab. Filtrat und Filterrückstand werden getrennt aufgearbeitet.
Aufarbeitung
Das Filtrat wird auf ca. 20 o abgekühlt, das hierbei ausfallende Kristallisat abgesaugt, mehrmals mit wenigen Millilitern demin. Wasser gewaschen, bei ca. 80 o getrocknet und in dem hierfür vorgesehenen Präparateglas (1. Kristallisation) gesammelt. Die angefallene Mutterlauge wird zur weiteren Verarbeitung aufbewahrt.
Der Filterrückstand wird mit etwa 100 ml demin. Wasser versetzt, für einige Minuten auf ca. 90 o erwärmt und dann heiß filtriert. Der verbleibende Rückstand wird in den dafür bereitgestellten Behälter verworfen. Das Filtrat wird aufbewahrt.
Isolierung
In einer Becherglasrührapparatur wird bei 20 o zu den vereinigten Filtraten solange Salzsäure w(HCl) =~ 0,2 (aus konz. Salzsäure selbst herzustellen) getropft, bis ein pH-Wert von ca. 2 erreicht ist. Die entstehende Suspension wird 30 Minuten bei 20 o nachgerührt und danach abgesaugt. Der Nutschkuchen wird mit ca. 50 ml demin. Wasser gewaschen und scharf abgepresst. Das Filtrat wird in den bereitgestellten Behälter verworfen.
Reinigung
Das feuchte Rohprodukt wird aus einer Wasser/Ethanol-Mischung mit einem Volumenanteil von (C2H5OH) = 0,2 unter Zusatz von Aktivkohle in einer geeigneten Apparatur umkristallisiert. Die Menge an Lösemittel-Gemisch ist selbst zu ermitteln. Die Aktivkohle wird durch Heißfiltration entfernt. Die Mutterlauge wird auf Raumtemperatur
abgekühlt, das entstandene Kristallisat abgesaugt, mit ca. 20 ml der Wasser/Ethanol-Mischung gewaschen und bei ca. 80 o getrocknet. Das Filtrat wird in den bereitgestellten Behälter verworfen.
Nachdem Sie das Präparat gewogen haben, übergeben Sie es bitte in der dafür vorgesehenen Präparateflasche (Reinprodukt) zusammen mit dem Protokoll einem Ihrer Juroren.
2. Dünnschichtchromatographische Untersuchung des Produkts
Von dem bei der Herstellung des Präparates eingesetzten Methylaromaten, dem aus dem ersten Filtrat angefallenen Produkt (1. Kristallisat) und der umkristallisierten Carbonsäure (Reinprodukt) ist ein Dünnschichtchromatogramm anzufertigen. Zur Verfügung stehen Ihnen hierfür Kieselgel- und Aluminiumoxidplatten (jeweils mit Fluoreszenzindikator). Entscheiden Sie selbst, welche Schicht für diesen Fall geeignet ist. Die zu untersuchenden Substanzen werden in Aceton gelöst. Die aufzutragenden Lösungen sollen ca. 5 mg Substanz pro ml Aceton enthalten. DC-Trennkammern und das Fließmittel (Toluol : Eisessig = 80 : 20) stehen im Abzug auf. Die Visualisierung erfolgt unter der UV-Lampe. Das Laufmittel verbleibt in der Trennkammer. Übergeben Sie Ihr Dünnschichtchromatogramm mit einer schriftlichen Interpretation bitte einem Ihrer Juroren.
Arbeitssicherheit:
| Methylaromat | R: - | S: - | |
| aromatische Carbonsäure | R: - | S: - | |
| Magnesiumsulfat-Heptahydrat | R: - | S: - | |
| Kaliumpermanganat | O, Xn | R: 8 - 22 | S: - |
| Salzsäure w(HCl) = 0,37 | C | R: 34 - 37 | S: 26 - 36 / 37 / 39 - 45 |
| Ethanol | F | R: 11 | S: 7 - 16 |
| Toluol | F, Xn | R: 11 - 20 | S: 16 - 25 - 29 - 33 |
| Eisessig | C | R: 10 - 35 | S: 23.2 - 26 - 36 / 37 / 39 - 45 |
2. Wettbewerbstag: Analytische Aufgabe
1. Potentiometrische Titration: Bestimmung der Molaren Masse der präparativ hergestellten aromatischen Carbonsäure
2. vis-Spektralphotometrie: Gehaltsbestimmung einer Methylrot-Lösung
1. Potentiometrische Titration: Bestimmung der Molaren Masse der präparativ hergestellten aromatischen Carbonsäure
Anmerkungen: Für diese Aufgabe steht das von Ihnen gestern hergestellte und gereinigte Präparat zu Verfügung. Es handelt sich um eine Monocarbonsäure, die nach folgender Reaktionsgleichung neutralisiert wird:
R-COO + NaOH R-COONa + H2O
Die zur Titration erforderliche Natronlauge-Maßlösung c(NaOH) = 0,1 mol/L ist aus Natriumhydroxid selbst her- und einzustellen.
Die Indikation erfolgt potentiometrisch mit einem pH-Meter. Das pH-Meter wird auf den Messbereich mV eingestellt. Die Geräte wurden vorab bereits kalibriert.
Der Äquivalenzpunkt wird graphisch (als Wendepunkt aus der Titrationskurve) bestimmt.
Für die Titerbestimmung werden ca. 100 mg Amidoschwefelsäure (H2NSO3H) genau eingewogen, in ca. 50 ml demin. Wasser gelöst und mit der einzustellenden Natronlauge titriert.
Für die Titration des Präparates werden ca. 150 bis 200 mg Carbonsäure genau eingewogen und mit 50 ml 2-Propanol sowie 5 ml demin. Wasser versetzt. Anschließend wird mit der eingestellten Natronlauge c(NaOH) = 0,1 mol/L in gleicher Weise titriert.
Nachdem Sie das Präparat gewogen haben, übergeben Sie es bitte in der dafür vorgesehenen Präparateflasche (Reinprodukt) zusammen mit dem Protokoll einem Ihrer Juroren.
Die austitrierten Proben werden in die bereitgestellte Lösemittelabfallflasche gegeben.
Übergeben Sie Ihr Protokoll mit Messwerten, Diagrammen, Berechnungen und Ergebnissen bitte einem Ihrer Juroren.
2. vis-Spektralphotometrie: Gehaltsbestimmung einer Methylrot-Lösung
Anmerkung: Bei allen Messungen wird als Blindprobe demin. Wasser eingesetzt.
Es steht Ihnen eine Stammlösung mit (Methylrot) = 5,0 mg/L zur Verfügung.
Da es sich um einen Säure7Base-Indikator handelt, ist das Absorptionsvermögen vom pH-Wert abhängig. Vergleicht man die Absorptionsspektren von Lösungen mit unterschiedlichen pH-Werten zeigt sich, dass alle Spektren einen Schnittpunkt aufweisen (Isosbestischer Punkt). Bei dieser Wellenlänge ist eine Gehaltsbestimmung unabhängig vom pH-Wert der Lösung möglich.
Zur Bestimmung des Isosbestischen Punktes werden die Spektren einer sauren und einer basischen Methylrot-Lösung aufgenommen. Hierfür wird jeweils eine Probe der Stammlösung mit wenigen Tropfen verdünnter Salzsäure bzw. Natronlauge versetzt, die Absorptionsspektren bei einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 600 nm erstellt und daraus der Schnittpunkt beider Spektren ermittelt.
Zur Gehaltsbestimmung ist eine Verdünnungsreihe aus der aufstehenden Stammlösung hergestellt. Für die Kalibrierkurve werden die Standardproben bei der Wellenlänge des Isosbestischen Punktes gemessen. Die Gehaltsbestimmung der Ihnen übergebenen Analysenprobe erfolgt über die Kalibrierkurve.
Das Ergebnis wird in (Methylrot) in mg/L angegeben.
Übergeben Sie Ihr Protokoll mit Messwerten, Diagrammen, Berechnungen und Ergebnissen bitte einem Ihrer Juroren.
Arbeitssicherheit:
| Natriumhydroxid | C | R: 35 | S: 26 - 37 / 39 - 45 |
| Amidoschwefelsäure | Xi | R: 36 / 38 | S: 26 - 28.1 |
| 2-Propanol | F | R: 11 | S: 7 - 16 |