Opinpolku 5 - Aspiriinin valmistaminen ja analysointi

Tässä opinpolussa harjoiteltiin yksikköprosesseja esteröinti, liuotus, kiteytys ja suodatus.

Työn tarkoituksena oli valmistaa salisyylihaposta syntetisoimalla asetosalisyylihappoa eli aspiriinia. Asetosalisyylihapon valmistus on yksinkertainen reaktio, joka voidaan suorittaa pienessä mittakaavassa erlenmeyerpullossa. Kiteinen raakatuote eristetään suodattamalla imun avulla ja puhdistetaan kiteyttämällä.

Työraportti löytyy täältä.

Esteröinti

Esteriä valmistetaan alkoholista ja karboksyylihapoista. Kun alkoholi reagoi hapon kanssa, syntyy esteriä ja vettä. Reaktio on yleensä tavattoman hidas, ja sen nopeuttamiseksi joudutaan usein käyttämään katalyyttiä. Käytännössä estereitä valmistetaan kuumentamalla karboksyylihappoa hapon (katalyytti) läsnä ollessa ja alkoholin ollessa liuottimena. Tätä happokatalysoitua esteröintiä sanotaan myös Fischerin esteröintireaktioksi. Kun etanoli ja etikkahappo reagoivat, syntyy etikkahapon etyyliesteriä eli etyyliasetaattia. Päärynän maun saa aikaan etikkahapon ja pentanolin (amyylialkoholin) esteri, etikkahapon pentyyliesteri eli pentyylietanaatti (amyyliasetaatti). Rommin maun taas saa aikaan muurahaishapon ja etanolin esteri, eli etyylimetanaatti (etyyliformiaatti). Jasmiinin tuoksu on peräisin etikkahapon ja bentsyylialkoholin esteriltä.

Estereitä voidaan valmistaa myös anhydrideistä tai happokloridin kautta, jolloin karboksyylihaposta valmistetaan ensin tionyylikloridin (SOCl2) avulla happokloridi, joka reaktiivisena yhdisteenä reagoi nopeasti alkoholin kanssa muodostaen esterin.

Estereitä syntyy myös alkoholin reagoidessa vastaavalla tavalla epäorgaanisten happojen kanssa. Silloin tosin esterimolekyylissä olevan happisillan toisella puolella ei ole hiili vaan haposta peräisin oleva jonkin toisen alkuaineen atomi. Tällainen esteri on esimerkiksi nitroglyseroli (glyseryylinitraatti), joka syntyy glyserolin reagoidessa typpihapon kanssa:

C3H5(OH)3 + 3 HNO3 → C3H5(ONO2)3 + 3 H2O.

Lukuisia estereitä käytetään elintarviketeollisuudessa aromivahventeina ja makuaine-esansseina. Kemian teollisuudessa niitä käytetään lisäksi liuottimina.

Liuotus

Liuotus tarkoittaa jonkin aineen sekoittamista liuottimeen, eli aineeseen johon liukeneminen tapahtuu. Liukenemisen tulos on homogeeninen, eli tasa-aineinen seos. Vesi on todella hyvä liuotin.

Liuotukseen ja liukoisuuteen vaikuttaa liuottimen lämpötila ja liuotettavien aineiden kemialliset ominaisuudet. Pooliset yhdisteet liukenevat poolisiin liuottimiin, kuten ruokasuola veteen. Poolittomat yhdisteet puolestaan liukenevat poolittomiin yhdisteisiin, kuten rasvat hiilivetyliuottimiin. Liuotusta käytetään mm. lääketeollisuudessa.

Kiteytys

Kiteyttämisellä tai kiteytyksellä (joskus myös kristallisoinnilla) tarkoitetaan jonkin aineen saattamista kiteiseen muotoon. Kiteisellä muodolla tarkoitetaan tässä yhteydessä usein vielä yksittäiskidettä, jossa kappaleen kaikki atomit tai molekyylit kuuluvat yhteen ainoaan kidehilaan.

Kiteyttämisellä saadaan epäpuhtaudet jäämään liuottimeen. Aine liuotetaan sopivaan liuottimeen tai niiden seokseen. Liuosta jäähdytetään, jolloin aineen liukoisuus pienenee ja voidaan myös lisätä pieni kide ainetta, jonka halutaan kiteytyvän. Sitten odotetaan. Liuoksessa alkaa vähän kerrassaan muodostua kiteitä, jotka lopuksi suodatetaan liuoksesta erilleen. Jos halutaan erittäin puhdasta ainetta, on kiteyttäminen tehtävä muutamia kertoja uudestaan.

Kiteytys on taloudellisuutensa ja tehokkuutensa vuoksi yleisesti käytetty erotus- ja puhdistusmenetelmä kemianteollisuudessa, lääketeollisuudessa sekä elintarviketeollisuudessa.

Suodatus

Suodatusta käytetään kemiassa erottamaan liuoksesta epäpuhtauksia tai erottamaan aineet toisistaan.
Suodatus voidaan suorittaa käyttämällä Büchnersuppiloa. Büchner-suppiloon laitetaan sopiva suodatinpaperi, liuos suodatetaan sen läpi imussa.

Myös tavallinen suppilo soveltuu suodatukseen. Siihen voidaan laittaa suodatinpaperi, jonka läpi nesteen annetaan valua. Suodatinpaperin asemasta voidaan käyttää myös pumpulia. Mikäli kiinteä aine ei liukene nesteeseen, muodostuu heterogeeninen seos, josta liukenematon aine voidaan erottaa suodattamalla. Suodatuksessa hyödynnetään hiukkasten kokoeroja. Suodatusta käytetään mm. jätevesilaitoksilla jäteveden käsittelyssä.

1. Reaktio-, eristys-, ja puhdistusvaihe kiteyttämällä

Salisyylihapon (C7H6O3) punnitsemista

Punnitsimme salisyylihappoa n. 8 g ja laitoimme sen kuivumaan petrimaljassa lämpökaappiin n. tunniksi. Valmistimme myös 250 ml 0,1 mol/L NaOH-liuosta punnitsemalla NaOH:a 1,0005 g ja liuottamalla sen 250 ml mittapulloon.

Asetanhydridin (C4H6O3) pipetointia

Sekoitimme vetokaapissa 100 ml:n erlenmeyeriin 5 g aikaisemmin kuivaamamme salisyylihappoa, 7 ml tislattua aseanhydridiä ja 3 tippaa väkevää rikkihappoa.

Salisyylihapon, aseanhydridin ja väkevän rikkihapon seos

Seoksen hauduttelua

Kiinnitimme erlenmeyerin statiiviin. Otimme hanasta n. 53 asteista vettä ja haudutimme statiivissa olevaa erlenmeyeriä siinä n. 15 min välillä lasisauvalla sekoittaen.

Seoksen suodatusta bühnersuppilolla

Suodatimme seoksen imun avulla suodatinpaperille käyttämällä bühnersuppiloa.

Etanolin ja tislatun veden lämmittelyä

Lämmitimme lämpölevyllä 15 ml etanolia ja n. 40 ml tislattua vettä.

Suodatetut kiteet petrimaljassa

Laitoimme suodattamamme kiteet suodatinpaperin kanssa pieneen petrimaljaan

Etanolin ja kiteiden liuottelua

Kaadoimme kuuman etanolin sekaan ja liuotimme kiteet siihen. Tämän jälkeen kaadoimme seoksen dekantteriin jossa oli n. 40 ml kuumaa tislattua vettä.

Toistimme vielä eristysvaiheen ja puhdistusvaiheen bühnersuppiloon jääneillä kiteillä toiseen dekantteriin, jotta saisimme mahdollisimman hyvän aspiriinin saantoprosentin.

Aspiriinikiteitä

Jätimme aspiriinin kiteytymään dekanttereihin.

Kuivatetut aspiriinikiteet

Kiteytymisen jälkeen punnitsimme uuden suodatinpaperin ja asetimme sen bühnersuppiloon. Suodatimme kiteet imun avulla ja laitoimme ne kuivumaan eksikaattoriin petrimaljassa.

Kuivan aspiriinin massaksi saimme 2,7796 g.

2. Tuotteen puhtauden tutkiminen

Aspiriinimme punnitsemista

Aspiriinimme liuotusta kuumaan veteen

Punnitsimme valmistamaamme aspiriinia 0,3335 g ja liuotimme sen 25 ml:an kuumaa vettä (koska aspiriini liukenee huonosti kylmään veteen). Suodatimme liuoksen pieneen erlenmeyeriin ja otimme siitä 2 ml ja 4 ml erät mäntäpipetillä 100 ml:n mittapulloihin. Lisäsimme molempiin pulloihin 1 ml 0,1 M NaOH:a ja täytimme tislatulla vedellä merkkiin. Näin saimme kaksi näyteliuosta spektrofotometristä mittausta varten.

Kaupallisen 500 mg:n aspiriinitabletin murskausta

Punnitsimme kaupallisen 500 mg:n aspiriinitabletin (0,6017 g). Jauhoimme sen huhmareessa ja lisäsimme siihen 20 ml 0,1 M NaOH:a. Poistimme liukenemattoman osuuden suodattamalla liuoksen 250 ml:n mittapulloon käyttäen suppiloa ja suodatinpaperia. Pesimme huhmareen kuudella 10 ml:n erällä 0,1 NaOH:a ja valutimme myös sen suodatinpaperin läpi mittapulloon. Lopuksi täytimme pullon NaOH:lla merkkiin. Sekoitimme pullon sisällön hyvin. Pipetoimme liuosta 2, 3 ja 4 ml:n erät 100 ml:n mittapulloihin ja täytimme ne tislatulla vedellä.

Liukenemattoman aspiriinin suodatusta

Valmistimme kantavakioliuoksen punnitsemalla ja liuottamalla 0,1008 g salisyylihappoa tislattuun veteen 100 ml:n mittapullossa. Lämmitimme seosta lämpimässä vedessä kattilassa, jotta salisyylihappo liukeni veteen. Täytimme mittapullon tislatulla vedellä merkkiin.

Valmistamamme liuokset

Standardiliuokset valmistimme pipetoimalla kantavakioliuosta viiteen 100 ml:n mittapulloon 1, 2, 3, 4 ja ml. Lisäsimme kuhunkin pulloon 1 ml 0,1 M NaOH:a käyttäen mäntäpipettiä ja täytimme pullot tislatulla vedellä merkkiin. Valmistimme vielä nollaliuoksen ottamalla 1 ml 0,1 M NaOH:a 100 ml:n mittapulloon ja täyttämällä sen tislatulla vedellä merkkiin.

Näin saimme käyttöön mittausta varten liuossarjat: 0-liuos, 10 mg/L, 20 mg/L, 30 mg/L, 40 mg/L ja 50 mg/L sekä kaksi laimennusta valmistamamme aspiriinin vesiliuoksesta.

Spektrofotometrillä mittailua

Seuraavaksi mittasimme liuosten absorbanssit spektrofotometrillä käyttäen 297 nm:n aallonpituutta. Kyvettinä käytimme kvartsikyvettiä (UV-kyvetti), joka läpäisee ultraviolettivalioa. Laskimme konsentraatiot valmistamillemme standardiliuoksille ja syötimme ne ohjelmaan.

Mittaus valmis

Syötimme spektrofotometrin tietokoneohjelmaan nollaliuoksen ja valmistamamme standardiluokset ja niille laskemamme konsentraatiot ja suoritimme mittaukset. Tämän jälkeen mittasimme omasta ja kaupallisesta aspiriinista valmistamiemme liuossarjojen absorbanssit.

Sulamispisteen mittausta

Määritimme valmistamamme aspiriinin sulamispisteen käyttämällä sulamispisteen mittauslaitetta. Tällä saimme selville valmistamamme aspiriinin puhtauden. Aspiriinin sulamispiste on 135 °C.

Aspiriini kapilaarissa (keskellä) mittauslaitteessa

Otimme kapilaariin aspiriiniamme ja pudotimme sen suljettu pää alaspäin lasiputkessa, jolloin aspiriinijauhe meni kapilaarin pohjalle. Laitoimme kapilaarin mittauslaitteeseen. Asetimme mittauslaitteeseen lämpötilaksi 125 °C (johon laite nousi nopeasti) ja kun saavuimme siihen, laitoimme laitteen nostamaan lämpöä hitaasti ja seurasimme muutoksia aspiriinissa. Otimme lämpötilat ylös kun muutos rakenteessa tapahtui sekä aspiriinin ollessa kokonaan sulanut.

Meidän aspiriinin vesiliuoksen pH-arvon mittausta

Mittasimme vielä lopuksi valmistamamme aspiriinin vesiliuoksen pH-arvon.

Lopputulokset

Spektrofotometrisen mittauksen tulokset täältä.

Teoreettinen/meidän saanto

M(aspiriini(C9H8O4) = 180,154 g/mol

n(C7H6O3) = 5,0010 g / 138,121 g/mol = 0,0362 mol

n(C9H8O4) = 0,0362 mol 

Teoreettinen saanto = 0,0362 mol * 180,154 g/mol = 6,5229 g

Meidän saanto: 2,7796 g

Saantoprosentti: (2,7796 g / 6,5229 g) * 100 % = 42,61 %

Sulamispiste

Aspiriinin sulamispiste: 135 °C

Muutos aspiriinin rakenteessa tapahtui: 132,6 °C

Aspiriini oli kokonaan sulanut: 136,6 °C

Ensimmäisen muutoksen perusteella sulamispisteemme erosi 2,4 °C kirjallisuusarvosta. Eli aspiriinimme oli melko puhdasta.

pH-arvo: 2,71