Synteza luminolu
Pożądana substancja
Reakcje chemiluminescencji zawsze cieszą się zainteresowaniem, ponieważ w ciekawy sposób wprowadzają w problem przemian energetycznych zachodzących podczas reakcji chemicznych.
Wiele substancji wykazuje zdolność do chemiluminescencji, między innymi lucyferyna z lucyferazą, biały fosfor, singletowa odmiana tlenu czy układ pirogalol-formaldehyd. Innym przykładem jest lofina, która podczas utleniana w środowisku alkalicznym wydziela zielonkawożółte światło. Dosyć prostą metodę jej syntezy opisałem tutaj.
Dużo wyraźniejszy efekt zapewnia 3-aminohydrazyd ftalowy zwyczajowo nazywany luminolem. Związek ten podczas utleniania emituje silne niebieskie światło, dlatego jest najczęściej wykorzystywany w trakcie pokazów. Istnieją też inne, bardziej poważne zastosowania chemiluminescencyjnych właściwości luminolu, między innymi oznaczenia ilości DNA oraz próbek krwi.
Oczywiście luminol można kupić w specjalizowanym sklepie chemicznym, jeśli tylko będzie dostępny. Trzeba jednak pamiętać, że jest to substancja stosunkowo trudnoda do zdobycia i droga. O wiele większą satysfakcję daje własnoręczna synteza związku.
Poniżej przedstawiam wypróbowaną przeze mnie metodę otrzymywania luminolu. Nie jest to metoda najefektywniejsza, jednak jej wielką zaletą jest to, że nie wymaga ona dużych ilości specjalistycznego sprzętu. Dodatkową zachętą może być fakt, że w przeciwieństwie do innych metod nie jest wymagane tutaj użycie dużych ilości stosunkowo drogiego chlorku cyny(II) SnCl2, ani silnie trujących wielosiarczków o odrażającej woni. Synteza jest etapowa i pozwala na otrzymanie luminolu w takiej ilości, jaka z łatwością wystarczy do wielu interesujących pokazów.
Czego potrzebujemy?
By przeprowadzić tę syntezę potrzebujemy:
- aceton C3H6O,
- azotan(V) sodu NaNO3,
- bezwodnik ftalowy C8H4O3,
- glikol polietylenowy C2nH4n+2On+1 (M≈300, ciekły w temperaturze pokojowej),
- glin Al (folia aluminiowa),
- kwas siarkowy(VI) stężony H2SO4,
- octan sodu trójwodny CH3COONa·3H2O,
- pirosiarczyn sodu Na2S2O5,
- siarczan hydrazyny N2H4·H2SO4,
- wodorotlenek sodu NaOH.
Ostrzeżenie: Wszystkie czynności należy wykonywać pod dygestorium lub na świeżym powietrzu! Podczas przeprowadzanych reakcji mogą powstawać drażniące i trujące gazy; szczególnie podczas nitrowania ulatniają się silnie trujące tlenki azotu! Mieszanina nitrująca i stężony kwas siarkowy(VI) są silnie żrące, podobnie wodorotlenek sodu NaOH. Siarczan hydrazyny N2H4·H2SO4 jest silnie toksyczny! Przy operowaniu resztą substancji i roztworów także należy zachować daleko idącą ostrożność - konieczne są środki ochrony osobistej! Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
By synteza się powiodła należy bezwzględnie przestrzegać zadanych temperatur!
Nie można tu zlekceważyć żadnego ostrzeżenia! Jakakolwiek niedbałość może skończyć się poważnymi obrażeniami lub zatruciem.
Od bezwodnika ftalowego do kwasu 3-nitroftalowego
Pierwszym etapem na drodze do tak pożądnego luminolu jest nitrowanie bezwodnika lub kwasu ftalowego. Z racji dostępności w moich zasobach wybrałem tę pierwszą możliwość.
Mieszaninę nitrującą, inaczej zwaną nitrozą, moża przygotowywać na różne sposoby. Jednym z nich jest przygotowanie mieszaniny stężonych kwasów: siarkowego(VI) i azotowego(V). Ja wykorzystałem inną metodę, jaką jest roztworzenie azotanu(V) sodu lub potasu w stężonym kwasie siarkowym(VI).
W kolbie Erlenmeyera odmierzamy 50cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI), następnie dodajemy 13g bezwodnika ftalowego C8H4O3 oraz 20g azotanu(V) sodu. Ciecz należy ciągle mieszać, na przykład na mieszadle magnetycznym z płytą grzejną. Reakcja jest egzotermiczna; wraz z jej rozpoczęciem zaczyna rosnąć temperatura mieszaniny. Początkowo mętna ciecz po chwili klaruje się. Gdy temperatura zbliży się do 110°C zaczynają się obficie wydzielać brunatne tlenki azotu.
Po pewnym czasie temperatura zacznie spadać; wtedy ciągle kontrolując temperaturę rozpoczynamy delikatne ogrzewanie ciągle mieszanej cieczy. Temperaturę 110°C trzeba następnie utrzymywać w przeciągu godziny. Układu reakcyjnego nie wolno przegrzewać powyżej tej temperatury!
Po upływie godziny należy przerwać ogrzewanie i schłodzić mieszaninę. Tężeje ona wtedy do postaci woskowatej. Ostudzoną mieszaninę należy przenieść porcjami do 150cm3 lodowatej wody, za każdym razem dokładnie mieszając. Podczas rozpuszczania dochodzi do uwodnienia powstałych bezwodników 3-nitroftalowego i 4-nitroftalowego do odpowiednich kwasów, co powoduje wydzielenie dużych ilości ciepła.
Do dalszych etapów syntezy potrzebujemy jedynie kwasu 3-nitroftalowego, dlatego musimy go oddzielić od kwasu 4-nitroftalowego. Na szczęście nie jest to zbyt skomplikowane, ponieważ oba izomery różnią się wyraźnie rozpuszczalnością. Kwas 4-nitroftalowy łatwo rozpuszcza się w wodzie, podczas gdy 3-nitroftalowy jest w niej praktycznie nierozpuszczalny. Tak więc wystarczy pozostawić powstałą mieszaninę na 24 godziny, by doszło do wytrącenia osadu potrzebnego nam kwasu.
Po tym czasie osad należy odsączyć od pozostałości mieszaniny nitrującej i kwasu 4-nitroftalowego. W tym celu skorzystamy z sączenia próżniowego na lejku Büchnera ze spiekiem szklanym.
Lejek musi być ze spiekiem - nie można tu korzystać z sączka bibułowego, ponieważ uległby on zniszczeniu przez pozostałości kwasów.
Osad przemywamy na sączku jeszcze dwukrotnie, każdorazowo za pomocą porcji 30cm3 wody destylowanej. Produkt potem suszymy w temperaturze pokojowej. Otrzymany kwas 3-nitroftalowy ma postać białego proszku.
Otrzymałem 3,4g kwasu 3-nitroftalowego, przy wydajności około 20% w przeliczeniu na użyty bezwodnik ftalowy.
Od kwasu 3-nitroftalowego do hydrazydu 3-nitroftalowego
Odważamy 1g kwasu 3-nitroftalowego O2NC6H3(COOH)2, następnie 0,62g siarczanu hydrazyny N2H4·H2SO4 i 1,4g octanu sodu CH3COONa·3H2O. Wszystkie substancje mieszamy razem i rozprowadzamy w minimalnej ilości wody destylowanej; tak powstałą masę umieszczamy w niewielkiej kolbie Erlenmeyera. Wodę trzeba następnie delikatnie odparować do sucha, tak by temperatura mieszaniny w tym czasie nie przekraczała 150°C.
Do kolby ze spieczoną masą reagentów wlewamy 4-5cm3 glikolu polietylenowego C2nH4n+2On+1 i rozpoczynamy ogrzewanie do temperatury 220°C. Początkowo może dochodzić do silnego pienienia się cieczy z racji odparowywania pozostałości wody. Mieszanina wyraźnie ciemnieje. W tym czasie dochodzi do kondensacji kwasu 3-nitroftalowego z uwolnioną hydrazyną N2H4, co prowadzi do powstania hydrazydu 3-nitroftalowego. Zadaną temperaturę utrzymujemy 15 minut. Potem kolbkę wraz z zawartością pozostawiamy do ochłodzenia.
W międzyczasie przygotowujemy roztwór 13g pirosiarczynu sodu Na2S2O5 i 10g wodorotlenku sodu NaOH w 100cm3 wody destylowanej.
Następnie łączymy oba roztwory i dokładnie mieszamy do rozpuszczenia ewentualnych stałych pozostałości; powstały roztwór przyjmuje głęboki bordowy kolor.
Bezpośrednio potem możemy przystąpić do kolejnego etapu.
Od hydrazydu 3-nitroftalowego do luminolu
Do przygotowanego uprzednio roztworu wrzucamy fragmenty spożywczej folii aluminiowej w ilości około 7g, co stanowi nadmiar w stosunku do pozostałych reagentów. Dochodzi do reakcji roztwarzania glinu, czemu towarzyszy silne rozgrzewanie się roztworu oraz wydzielanie dużych ilości wodoru. Dlatego folię należy dodawać porcjami. Przebieg reakcji można zobaczyć na poniższej animacji.
Dla nas najważniejsze jest jednak to, że w toku reakcji zachodzi także redukcja hydrazydu 3-nitroftalowego do 3-aminoftalowego (luminolu). Towarzyszy temu rozjaśnienie barwy roztworu. Proces trwa około jednej godziny.
Wydzielenie i oczyszczenie luminolu
Mieszanina poreakcyjna obok luminolu zawiera niestety mnóstwo zanieczyszczeń w postaci pozostałości substratów, produktów ubocznych, a także nieprzereagowanego glinu.
Zanieczyszczeń stałych pozbywamy się w prosty sposób za pomocą sączenia, teraz już na zwykłym sączku bibułowym. Zbieramy klarowny przesącz barwy jasnobrązowej.
W razie pojawienia się na powierzchni cieczy zanieczyszczeń oleistych musimy je usunąć, najlepiej w rozdzielaczu. Przesącz uzupełniamy 50cm3 wody destylowanej.
Teraz trzeba się pozbyć rozpuszczalnych zanieczyszczeń, głównie związków glinu. W tym celu przygotowujemy roztwór 25g pirosiarczynu sodu Na2S2O5 i 100cm3 acetonu C3H6O w 200cm3 wody destylowanej. Po połączeniu obu roztworów wytrącają się zanieczyszczenia.
Osad należy oczywiście odsączyć. Zbieramy przesącz zawierający rozpuszczony luminol.
Uzyskaną ciecz wylewamy do krystalizatora i pozostawiamy do całkowitego odparowania acetonu C3H6O i wody.
Po odparowaniu kruszymy powstałą masę i przemywamy dwukrotnie, po 50cm3 wody. W ten sposób oczyścimy nierozpuszczalny w wodzie luminol z ewentualnych zanieczyszczeń pozostałych soli.
Otrzymany w ten sposób związek można oczyszczać dalej, ale nie jest to konieczne - minimalne ilości zanieczyszczeń nie przeszkadzają w zdecydowanej większości zastosowań.
Gotowy luminol może mieć barwę od białej, przez żółtą do jasnobrązowej, a jego ilość wynosi poniżej 1g.
Finał!
Przyszedł czas na sprawdzenie chemiluminescencyjnych zdolności otrzymanego przez nas luminolu. Reakcja może być katalizowana heksacyjanożelazianem(III) potasu K3[Fe(CN)6], co dokładnie opisałem tutaj. Poniższe zdjęcia przedstawiają efekt tej właśnie reakcji.
Smugi światła ciągną się za niewielkimi kryształkami katalizatora wrzuconymi do alkalicznego roztworu luminolu i nadtlenku wodoru. Po zamieszaniu płyn świeci już w całej objętości.
Chemiluminescencja trwa dłużej w polarnych rozpuszczalnikach aprotycznych, na przykład w dimetylosulfotlenku DMSO. Zmienia się wtedy nieco barwa powstającego światła.
Myślę, że uzyskany efekt z nawiązką wynagradza czas spędzony w laboratorium.
Aktywacja świecenia luminolu jest też możliwa do zainicjowania kompleksami miedzi oraz hemem, co jest podstawą stosowanej w kryminalistyce metody wykrywania krwi.
Pozostaje mi już tylko życzyć szanownym czytelnikom w pełni udanych syntez.
Chciałbym podziękować Agacie za pomoc w dokumentacji procesu:)
Materiały dodatkowe:
- Film w serwisie Youtube opisujący modelową syntezę (na niej opierałem się przy własnych doświadczeniach) przeprowadzoną przez użytkownika Nurdrage: www.youtube.com/watch?v=58Ve69s0qD0
- Huntress E. H., Stanley L. N., Parker A. S., The oxidation of 3-aminophthalhydrazide ("luminol") as a lecture demonstration of chemiluminescence, Journal of Chemical Education, 11 (3), 1934, str. 142-145,
- Huntress E. H., Stanley L. N., Parker A. S., The preparation of 3-aminophthalhydrazide for use in the demonstration of chemiluminescence, Journal of the American Chemical Society, 56 (1), 1934, str. 241–242,
- Pluciński T., Doświadczenia chemiczne, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 1997, str. 21-22,
- Schmitz A. J., Ueber das Hydrazid der Trimesinsäure und der Hemimellithsäure, Inaugural Dissertation, Heidelberg University, 1902, str. 17, 39-43.
Marek Ples