Giáo trình thuốc thử hữu cơ - Chương 10

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

160
lượt xem 30
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khả năng chiệt TBP có thể được cải thiện bằng cách dùng nồng độ TBP cao hơn và nồng độ ion nitrat cao hơn, quá trình được thực hiện ở tướng lỏng. Các muối nitrate như NaNO3 hoặc Al( NO3) thường được dùng để làm tăng khả năng chiết các muối này hoạt động như là các tác nhân gây kết tủa

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình thuốc thử hữu cơ - Chương 10

pH 3.0, – – 545 1:2 50% nước Au(III) alcohol, pH 15,0 không sai số với EDTA 545 1:2 3,0 pH 3,2, 20- EDTA được sử dụng Hg(II) 60% 1:3 560 11,7 nước như là tác nhân bảo vệ alcohol 0,007–1,5ppm, độ chọn pH 5,8, lọc cao với Hg, Ag, Hg(II) 30% n– 1:1 560 15,1 nước Au(III), Pb(II), và propanol Sn(II) ảnh hưởng Iso– Hg(II) pH 3,2 1:3 550 8,8 – AmOH Pd(II) pH 3,0 1:4 520 21,2 nước – Iso– EDTA được sử dụng Pd(II) pH 3,0 1:4 520 16,0 AmOH như là tác nhân bảo vệ n– Ag, Au, Hg, Pt, Rh, Ru, Pd(II) pH 2,8 520 13,0 BuOH và TI ảnh hưởng CHƯƠNG X: THUỐC THỬ KHÔNG VÒNG X.1. TRI-N-BULTYL PHOSPHATE CH3(CH2)3O CTPT: C12H27O4 P CH3(CH2)3O PO KLPT: 266,32 CH3(CH2)3O 1.Danh pháp TBP. 2.Nguồn gốc và phương pháp tổng hợp Trong công nghiệp, TBP là chất dễ tìm. TBP được tổng hợp từ các phản ứng giữa n–butanol với POCl3. 3. Ứng dụng trong phân tích TBP được sử dụng rộng rãi như là một thuốc thử dung môi để chiết tách các ion kim loại đa hoá trị. 4.Tính chất của thuốc thử Thuốc thử organophosphorous có thể được xem như là các dẫn xuất của acid H3PO4. TBP lần đầu tiên được biết đến vào năm 1949 như là thuốc thử dung môi để chiết các ion kim loại Ce, Th, và U từ dung dịch acid nitric, một số loại thuốc thử organophosphorous còn được dùng để sử dụng như là tác nhân chiết. Việc chiết các ion kim loại với thuốc thử phosphorous dựa trên việc tạo thành muối solvate như 241 http://www.ebook.edu.vn
UO2(NO3)2(TBP)2 thông qua nhóm P=O. Cấu trúc TBP thay đổi từ (1) đến (4) là kết quả gia tăng sự phân cực của nhóm P=O, làm gia tăng khả năng chiết. TOPO (4) là thuốc thử rất ảnh hưởng đến việc chiết trong nhóm này. Sự thuỷ phân trialkylphosphate (1) cho ra monobasic diester (5) và dibasic monoester (6), những chất này có nhiều ứng dụng quan trọng trong hoá phân tích.Ví dụ: di(2–ethylhexyl) phosphoric acid (HDEHP) được dùng nhiều làm thuốc thử để chiết các cation. Theo đó, TBP, HDEHP và TOPO sẽ được xử lý tách riêng. Tính chất vật lý của TBP: TBP là chất lỏng, sệt, không màu; nhiệt độ sôi: 152oC – 154oC; d4: 0,975;nD = 1,4215; tan ít trong nước (4,2 g/100 ml, 16oC) và trộn lẫn hầu hết với các dung môi hữu cơ. Dung môi phân cực không thích hợp để pha loãng TBP khi chiết bởi vì nó gây ảnh hưởng mạnh giữa các phân tử trong dung môi và làm giảm khả năng chiết của TBP. Những dung môi không phân cực như CCl4, kerosene, iso–octane và benzene thường được dung pha loãng TBP để điều khiển khả năng chiết và độ nhớt của tướng hữu cơ. Tỷ số D (CCl4/H2O)=2.10-3,102oC (tại HNO3 1M đến 12M và 0,00732 M TBP). 5. Quá trình chiết với TBP Việc chiết các ion kim loại với TBP thường thực hiện trong môi trường acid mạnh với acid HCl hoặc HNO3. Ví dụ, Fe(III) được chiết lần lượt dưới dạng H[FeCl4(TBP)2 và FeCl3(TBP)3 từ HCl 6 và 2 M tương ứng. Do đó, sự thay đổi môi trường acid ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chiết. Việc gia tăng môi trường acid cũng có thể làm giảm sự thuỷ phân của các ion kim loại đa hoá trị, kết quả là khả năng chiết cao hơn. Trong việc chiết UO2+ từ dung dịch acid nitric, phản ứng có thể viết như sau: UO 2 ( NO3 )2 ( TBP )2org 2UO 2+ + 2NO3 + 2TBPorg − ⎡ UO 2 ( NO3 )2 ( TBP )2 ⎤ ⎣ ⎦ org K ex = ⎡ UO 2+ ⎤ ⎡ NO3 ⎤ [ TBP ]org 2 2 2 − ⎣ ⎦⎣ ⎦ Hằng số phân ly của U(VI) có thể được viết như sau: ⎡ UO 2 ( NO3 ) ( TBP ) ⎤ − ⎣ 2 ⎦ org = K ex ⎡ NO3 ⎤ [ TBP ]org 2 2 2 − D= ⎣ ⎦ 2 ⎡ UO ⎤ 2+ ⎣ ⎦ Khả năng chiết TBP có thể được cải thiện bằng cách dùng nồng độ TBP cao hơn và nồng độ ion nitrat cao hơn, quá trình chiết được thực hiện ở tướng lỏng. Các muối nitrate như NaNO3 hoặc Al(NO3)3 thường được dùng để làm tăng khả năng chiết. Các muối này hoạt động như là các tác nhân gây kết tủa. Hằng số phân ly của các nguyên tố trong quá trình chiết TBP không pha loãng từ dung dịch HCl hoặc HNO3 trong môi trường acid khác nhau được tổng hợp trong bảng XI.1.1. Khi chiết từ dung dịch HNO3, TBP cộng gộp với acid nitric tạo thành (TBP 242 http://www.ebook.edu.vn
HNO3), kết quả là làm giảm khả năng chiết vì nồng độ TBP giảm. Việc tiếp xúc lâu dài của TBP với các dung dịch acid làm cho một phần TBP bị thuỷ phân, đó là nguyên nhân làm thay đổi tính chất chiết của TBP. Trong dung dịch HNO3 70%, khả năng cộng gộp của TBP bị chậm lại ở nhiệt độ phòng. TBP cũng dùng làm tương trợ cho sự chiết phức kim loại vòng càng bão hoà phối trí không mang điện tích, ví dụ bằng phản ứng dưới đây: Ln ( L )3 ( TBP )2org + 3H + Ln 3+ + 3HL + 2TBPorg Ln3+ và HL đại diện cho ion lantanic và β–diketone tương ứng. Giá trị của Kex đối với một vài β–diketone được tổng hợp trong bảng XI.1.2. TBP cũng được dùng làm pha tĩnh trong phương pháp sắc ký pha đảo xác định các ion kim loại. 6. Tinh chế thuốc thử Các chất gây nhiễm chính trong sản phẩm là các chất hữu cơ pyrophosphates, mono– và dibutylphosphates và butanol, có thể xử lý bằng cách cho phản ứng với HCl 8N sau đó phản ứng với dung dịch NaOH 0,4% nóng hoặc Na2CO3 5%, cuối cùng lặp lại với nước nhiều lần. Mẫu ẩm được làm khô ở 30oC dưới chân không. Bảng XI.1.2: SỰ TRỢ CHIẾT OF CÁC NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM VỚI β–DIKETONE VÀ TBP TRONG CYCLOHEXANE Thuốc thử chiếta HFA–TBP TAA–TBP FHD–TBP Ion kim log β2 log Kex log β2 log Kex log β2 log Kex loại Eu 10,84 5,05 – -2,22 10,00 10,06 Nd 10,50 4,35 – -2,77 9,96 9,95 Tm 10,76 4,63 – -2,62 10,20 10,47 a: chủ yếu cho β–diketone; HFA: Hexafluoroacetylacetone; TAA: Trifluoroacetylacetone; FHD: Decafluoroheptanedione ⎡ ML3 . ( TBP )2 ⎤ ⎡ ML 2 . ( TBP )2 ⎤ ⎡ H + ⎤ 3 ⎣ ⎦ org ⎣ ⎦ org ⎣ ⎦ β2 = K ex = [ ML]org [TBP ] ⎡ M 3+ ⎤ [ HL ] [ TBP ]org 3 2 3 2 ⎣ ⎦ X.2. TRI–n–OCTYLPHOSPHINE OXIDE CTCT n C 8H 7 n C 8H 7 PO n C 8H 7 CTPT: C14H51OP 243 http://www.ebook.edu.vn
KLPT: 386,65 1. Danh pháp TOPO 2. Nguồn gốc và phương pháp tổng hợp Thuốc thử này có giá trị về mặt kinh tế. Nó được điều chế từ sự oxy hóa trioctyl phosphine với acid nitric (HNO3) hoặc từ phản ứng Grignard của octyl bromide với POCL3 3. Ứng dụng trong phân tích TOPO được dùng phổ biến như là một phối tử không mang điện cho quá trình chiết các dạng phức kim loại không bão hoà phối trí. 4. Tính chất của thuốc thử Thuốc thử này ở dạng tinh thể không màu, nhiệt độ nóng chảy 59,5 – 60oC. Nó bền trong không khí và có thể được cất giữ nhiều tháng ở nhiệt độ trong phòng mà không bị hư hỏng. TOPO dễ dàng hòa tan trong cyclohexane (35,6 g/100ml, 25oC) và những dung môi hữu cơ khác. Nó có thể được tinh chế dựa vào quá trình kết tinh lại từ cyclohexane. 5. Sự phản ứng với các ion kim loại Các trạng thái oxy hóa của những ion kim loại hóa trị III, IV, V và VI có thể được chiết từ hydrochloric (HCl) hoặc acid nitric (HNO3)với dung dịch TOPO trong dung môi trơ như là Hexane (C6H14), Cyclohexane hoặc Toluene (C6H8). Phần dung dịch chiết ra được xem như là quá trình solvat hóa chloride (Cl-) hoặc nitrate (NO3-), và phạm vi chiết thì phụ thuộc nhiều vào môi truờng trung tính hay acid. Hệ số chiết của nhiều kim loại trong quá trình chiết bằng thuốc thử TOPO từ HCl và HNO3 thì được tóm tắt trong bảng XI.2.1. Khi nồng độ acid cao hơn, thì TOPO trong dung môi hữu cơ cũng chiết acid từ TOPO. HA hoặc TOPO.2HA, do đó hệ số chiết của kim loại giảm dựa vào nồng độ acid. Khi nồng độ các acid là 2M thì khả năng chiết của các acid sẽ giảm dần từ HNO3 > HClO4 > HCl. Tuy nhiên, việc thêm vào những muối kim loại (ví dụ, KNO3 trong quá trình chiết từ HNO3) để nâng cao hiệu quả chiết kim loại bằng những phản ứng muối–kim loại, như được ví dụ ở hình 1. 244 http://www.ebook.edu.vn
Hình1: Chiết kim loại với TOPO từ dung dịch HNO3 ở nồng độ NO3- khác nhau. 2 3 4 1 Thuốc thử TOPO cũng được dùng như một loại phối tử phụ không tích điện để cải thiện quá trình chiết thì được gọi là “phức kim loại không mang điện chưa bão hoà phối trí”. Như vậy hiệu quả (synergistic) của TOPO có thể được tìm thấy thường xuyên trong việc chiết các ion kim loại đa hóa trị, các nguyên tố đất hiếm, các ion quang hóa. Có một vài ví dụ được trình bày trong bảng XI.2.2 5. Những thuốc thử khác có quan hệ về cấu trúc với TOPO Tri–n–butylphosphine oxide , TBPO: Công thức phân tử: (n–C4H9)3Po hay C12H27OP Khối lượng phân tử: 218,33 Nó là chất rắn ngậm nước không màu, nóng chảy 62 tới 64oC; điểm sôi từ 127 tới 133oC tương ứng với (1 torr), và độ hòa tan trong nước khoảng (5,6g/100ml, 25oC, nhưng độ hoà tan này tăng hay giảm tùy thuộc vào nhiệt độ) và trong cùng dung môi hữu cơ. Độ hoà tan của nước trong TBPO là 37,5g/100 ml ở 25oC. Còn độ hoà tan của toluene trong nước là 3,8 khi HCl 0,5N và bằng 3,0 khi HCl 1,04N, bằng 1,92 khi HCl 2,07N. Nói chung, TBPO cũng có những tính chất giống như TOPO và dùng trong việc chiết kim loại. Việc chiết nhiều ion kim loại từ HCl với dung dịch TBPO 1% trong toluene thì đã được nghiên cứu. Bảng XI.2.2: MỘT VÀI VÍ DỤ CHIẾT TRỢ PHỨC VỚI TOPO Ion kim loại Điều kiện Dung môi chiết Chú ý Actinides HNO3 0,1-0,5M, Benzene hoặc chiết Am, Bk,Cf, BMPB 0,05M cyclohexan Cm[Ac(PMBP)3.(TOPO) ] Co(II) pH 5-9, BPA hoặc Hexane hoặc Chiết như là Co(β- β-diketone cyclohexane diketone)2.TOPO;Cu, Fe, Mn, Ni, citrate, EDTA ảnh hưởng Cu(II) LIX 54®(RH), Toluene chiết như là NO3- CuR2(TOPO) 245 http://www.ebook.edu.vn
Li 4-Perfluoroacyl-5- Cyclohexane Tách từ Na pyrazolone Benzene Chiết như là Lu 1-Phenyl-3- LuR3(TOPO) và methyl-4-aroly-5- pyrazolone LuR3(TOPO)2 Mn(II) pH 4,75, HFA Cyclohexane Chiết như là 0,07M Mn(HFA)2.(TOPO)2 Mo(VI) HCl, HNO3, TBP(X) Chiết như là H2SO4 MoO2X2(TOPO)2 Ra(II) pH 4,6-8,5, TTA Hexane hoặc Chiết như là hoặc PMBP 0,1M cyclohexane Ra(TTA)2.(TOPO)2 Cl- Re(VII) – chiết như là ReO3Cln(TOPO) Kex = 3,6.103 Pt(IV) HCl Toluene Ti(IV) HCl 7–10N, TTA 1,2– Chiết như là dichloroethane Ti(TTA)(TBPO) CCl4 Zn HClO4 1M, AA, TOPO hình thành sản TTA hoặc HFA phẩm cộng ổn định hơn 0,1M TBP TBPO thì được ứng dụng Chủ yếu cho các tác nhân phức ⎯ BPA : n–benzoyl–n–phenylhydroxylamine ⎯ HFA : Hexafluoroacetylacetone ⎯ PMBP : 1–phenyl–3–methyl–4–benzoyl–5–pyrazolone ⎯ TAA : Trifluoproacetylacetone ⎯ TTA : Thenoyltrifluoroacetone Tris(2–ethylhexy)phosphine oxide, TEHPO, (CH3(CH2)3CH(C2H5)–CH2)3PO C24H51OP: Khối lượng phân tử : 386,65 TEHPO là một dung dịch nhớt không màu, có điểm sôi từ 205 tới 213oC (2 tới 3 Torr); d = 0,88 và là một chất dễ hòa tan trong tất cả các dung môi hữu cơ. TEHPO có những đặc tính tương tự như TOPO và nó cũng được dùng vào việc chiết kim loại. 6. Những đặc tính khác của thuốc thử Những cấu trúc chung thường thấy của diphosphine oxides thì đã được nghiên cứu như là một chất chiết kim loại. n = 2–6 P (CH2)n P O O Những phối tử có liên kết đôi thì có ảnh hưởng nhiều trong quá trình chiết kim loại hơn là việc dùng phosphine oxide đơn chất. 246 http://www.ebook.edu.vn
Tri–n–butylphosphine sulfide và triphenylarsine oxide đã được nghiên cứu như là một thuốc thử phân tích. X.3. DI (2–ETHYLHEXYL)PHOSPHORIC ACID CTPT: C16H33O4P KLPT: 322,42 CH2CH3 O CH3(CH2)2 C CH2 O P OH H 2 1. Danh pháp DEHP, D2EHPA, HDEHP. 2. Nguồn gốc và phương pháp tổng hợp Được sử dụng trong thương mại 3. Sử dụng phân tích Thuốc thử được dùng như là một chất trao đổi cation lỏng để chiết tách cation. Nó được dùng như là pha tĩnh trong sắc ký phân bố pha đảo. 4. Thuộc tính của thuốc thử Nó là một chất lỏng nhớt, d = 0,975, điểm sôi = 155oC, nó tan ít trong nước nhưng tan nhiều trong dung môi hữu cơ. Thuốc thử này được coi như là một acid đơn chức yếu pKa = 1,4. Nó tồn tại như là chất nhị hợp trong dung môi hữu cơ không phân cực, logK = 4,7 trong n–octane, nhưng là một chất đơn hợp trong rượu, log KD(n– octane/nước) = 3,3. 5. Chiết với HDEHP Dung dịch HDEHP trong dung môi không phân cực như là heptan, octan, toluene và CCl4 được dùng để chiết Ce(IV), Hf, Mo(IV), Nb, Sc, Th, Ti, U(IV), Zr và các nguyên tố thuộc họ Lantan và Actini trong dung dịch HCl, HNO3 và HClO4. Tóm lại HEDHP tồn tại như là một chất nhị hợp trong dung môi không phân cực và được sử dụng rộng rãi để chiết tách các ion kim loại ở nồng độ thấp theo phản ứng: M n + + n ( HL )2org M ( HL 2 )org + nH + Do đó khả năng chiết phụ thuộc khá cao vào tính acid của pha nước. Tuy nhiên tính chất chỉ tồn tại ngay lúc đó. Ví dụ như kim loại kiềm thổ được chiết dưới dạng M(HL2)2(HL)2 trong dung dịch benzene bởi thuốc thử HDEHP, các kim loại thuộc họ Lantan được chiết dưới dạng ML3(HL)3 bởi dung dịch acid trong dung dịch acid đơn giản trong dung dịch benzene hay heptan và Th được chiết dưới dạng ThL2(HL2) bởi dung dịch HClO4 hay HCl của acid trung bình trong dung dịch toluene. Khi ion kim loại được chiết với HDEHP trong dung dịch rượu được cho bởi phản ứng sau: 247 http://www.ebook.edu.vn
M n + + nHLorg ML n org + nH + HDEHP tồn tại như là chất đơn hợp. Trong một vài trường hợp, HDEHP không kết hợp với tác nhân solvat TBP để chiết tách các ion kim loại dưới dạng MXn(HL)2. Sự chiết của Sc, Ti và Zr trong dung dịch acid mạnh như (Cl-, NO3- hay ClO4- ) ví dụ như Ga cũng được chiết dưới dạng HGaCl4(HL)2 trong dung dịch HCl xấp xỉ 1M chứa 50% CaCl2. Hằng số phân ly của ion kim loại trong quá trình chiết với dung dịch HDEHP 50% trong toluene từ dung dịch HCl với những nồng độ khác nhau được cho trong bảng XI.3.1. Tỷ số phân bố cũng phụ thuộc vào ion kim loại trong tự nhiên như (kích thước và tác động ion), HDEHP và các đồng dạng khác của diakyl phosphat cũng được ứng dụng rộng rãi làm pha tĩnh trong sắc ký phân bố pha đảo trong việc tách các nguyên tố La và Ac. Bảng XI.3.1: HỆ SỐ PHÂN BỐ CHIẾT ION KIM LOẠI VỚI 50% HDEHP TRONG TOLUENE Log D Log D HCl (M) HCl (M) Ion Kim loại 0,01 0,1 1 Ion Kim loại 0,01 0,1 1 Ac 2,3 -0,8 -3,7 Pb 1,3 -0,7 -2,9 Ag 0 -1,0 -2,5 Pm 4 1,5 -1,5 Am 4 1,0 -2,0 Sb – 1,2 0,3 Bi – 2,2 -2,7 Sc 4 >4 >4 Cu 0 -1,8 -3,9 Sn – 0.5 -0,1 Fe 4 3,2 0,2 Th 4 >4 >4 La 4 1,0 -2,8 Tm 4 >4 1,2 Mo – 1,2 1,4 U – >4 3,1 Ni – -1,8 -3,0 Y – >4 1,3 Np – >4 3,3 Zn 2 0,3 -1,7 Os 1 0,9 0,6 Zr >2 >2 >2 Pa 4 >4 >4 6. Sự tinh chế và độ tinh khiết của thuốc thử Nhiều mẫu thương mại thường nhiễm bẩn với ester đơn, polyphotphat, pyrophosphate, 2–ethyhexanol và một số chất bẩn mang tính kim loại và nó được làm sạch lại trước khi dùng làm thuốc thử phân tích. Thuốc thử HDEHP thô có thể được làm sạch bằng việc khuấy với dung dịch HCl 16M ở 60oC. Khi một chất không màu được dùng để chiết, nó có thể được làm sạch qua muối đồng bằng cách sau . Lắc dung dịch HDEHP 0,5M trong toluene với một lượng dư dung dịch NaOH 10% hòa tan trong dung dịch Na2SO4 bão hòa trong 5 phút. Sau khi tách pha, lắc phần hữu cơ với lượng dư dung dịch CuSO4 0,5M trong 5 phút để chuyển NaL thành CuL2. Làm cô đặc phần hữu cơ bằng thiết bị cô chân không kiểu quay đến khi còn 0,6 của thể tích ban đầu, sau đó xử lý phần còn lại với lượng dư aceton để được kết tủa CuL2. Sau đó rửa kết tủa với acetone và sấy tủa. Xử lý nó với toluene và dung dịch H2SO4 4M để được dung dịch toluene của HL. Rửa lớp hữu cơ này bằng dung dịch H2SO4 4M trong 248 http://www.ebook.edu.vn
vài lần để loại đồng, sau đó rửa sạch bằng nước. Cuối cùng làm bay hơi toluene và phần nước dư thừa trong chân không. Độ tinh khiết của HDEHP được xác định bằng cách chuẩn độ điện thế với dung dịch kiềm chuẩn. 7. Quan hệ cấu trúc với thuốc thử khác Dialkylphotphate (CnH2n)2PO4: Phần lớn các (CnH2n)2PO4 được ứng dụng để làm thuốc thử để chiết những ion kim loại và bằng những máy cảm biến trong thế điện cực ion chọn lọc. Một số thuốc thử được diễn tả sau đây: ⎯ Di(n–alkylphenyl)phosphate. ⎯ Aminoalkylphosphate acid. ⎯ α–Hydroxy–α–dibutylphosphonylpropionic acid. Sulfur trong thuốc thử của Organophosphorous: Monothio– và dithio–alkylphosphate được ứng dụng nhiều trong thuốc thử để chiết chọn lọc. Một vài ví dụ sau : RO S R = n–butyl ether. P Dialkylphosphoro–thioic acid RO OH RO S R = n-butyl ether. P Dialkylphosphoro-dithioic acid RO SH R = iso–octyl ether. RO RO P S Trialkyl thio–phosphate RO R = n–octyl, ether. R R P S Trialkylphosphine sulfide R (sulfur analogue of TOPO) 249 http://www.ebook.edu.vn