Phasentransferkatalyse - Wirt-Gast-Chemie

Demonstrationsexperiment auf Video

Phasentransferkatalyse - Wirt-Gast-Chemie

Lernziele: Extraktion von Methylenblau und Kaliumpermanganat aus den wässrigen Lösungen
Komplexierung mit Natriumdodecylsulfat und Kronenether, "Wirt-Gast-Komplex"

Peter Keusch

English version

Chemikalien:
Methylenblau
Methylenchlorid
Kronenether 1,4,7,10,13,16-Hexaoxacyclooctadecan (18-Krone-6)
Cyclohexen
Natriumdodecylsulfat
Kaliumpermanganat

Geräte und Glaswaren:
Scheidetrichter mit Stopfen 250 mL
2 Bechergläser 250 mL
2 Reagierkelche 350 mL
Schnappdeckelglas 20 mL
3 Schnappdeckelgläser 50 mL
Glasstab
Pasteurpipette mit Gummihütchen

Gefahren und Sicherheitsmaßnahmen:

Methylenchlorid ist giftig beim Einatmen, Verschlucken und Hautkontakt.Äußerste Vorsicht bei der Handhabung. Wassergefährdender Stoff - nicht in die Kanalisation gelangen lassen.
18-Krone-6 wirkt als Gift beim Verschlucken, Einatmen und Berührung mit der Haut. Brennbar.
Kaliumpermanganat führt zu Verätzungen nach Augen- und Hautkontakt, Übelkeit und Erbrechen nach Verschlucken. Perforationsgefahr für Speiseröhre und Magen. Bei Auftreten von Stäuben kann Inhalation Ödeme im Respirationstrakt bewirken.

Cyclohexen ist leicht entflammbar.

Schutzbrille, Schutzhandschuhe und gut durchlüfteter Raum erforderlich. Der Umgang mit Methylenchlorid hat im Abzug zu erfolgen!

Versuchsdurchführung:

Experiment 1: Extraktion von Methylenblau aus der wässrigen Phase:

In einem 200 mL Becherglas wird eine Spatelspitze Methylenblau in 150 mL dest. Wasser gelöst. Die Lösung gibt man in einen Scheidetrichter und versetzt sie mit Methylenchlorid. Der Scheidetrichter wird vorsichtig geschüttelt. Nachdem sich die beiden Phasen getrennt haben, fügt man eine Spatelspitze Natriumdodecylsulfat hinzu und schüttelt nochmals.

Experiment 2: Extraktion von Kaliumpermanganat aus der wässrigen Phase:

In einem Reagierkelch werden 350 mL Methylenchlorid vorgelegt. Nachdem das Lösungsmittel mit 0.25 g Kaliumpermanganat versetzt wurde, fügt man dem Zweiphasensystem unter Rühren 0.2 g 18-Krone-6 zu. Die Hälfte der Lösung wird in einen zweiten Reagierkelch gegossen und mit Cyclohexen versetzt.

Versuchsergebnis:

Experiment 1: Zunächst zeigt die wässrige obere Phase eine Blaufärbung. Nach Zugabe von Natriumdodecylsulfat ist die untere organische Phase blau gefärbt.

Videoclip (Download RealPlayer .rm Datei)

Experiment 2: Nach Zugabe von 18-Krone-6 geht das Kaliumpermanganat mit rotvioletter Farbe in Lösung. Die Lösung reagiert reagiert mit Cyclohexen unter Bildung eines braunen Niederschlags.

Videoclip (Download RealPlayer .rm Datei)

Deutung des Versuchsergebnisses:

Experiment 1: Wasser und organisches Solvens sind nicht mischbar. Methylenblau löst sich wegen der "harten" negativen Ladung des Chloridions nicht im organischen unpolaren Lösungsmittel. Nach Zugabe von Natriumdodecylsulfat liegt ein lipophiles Gegenion zum lipophilen Kation vor. Das Ausschütteln im Scheidetrichter bewirkt eine gute Durchmischung der wässrigen und organischen Phase. Dadurch wird erreicht, dass das ipophile Ionenpaar schnell in die organische Phase übergehen kann.

Experiment 2: Mit dem Hinzufügen von 18-Krone-6 wird Kaliumpermanganat im organischen Lösungsmittel unter Violettfärbung gelöst. Kronenether sind Polyether, die Kationen komplexieren. Im Hohlraum des vorliegenden 18-Krone-6 Ethers wird ein Kaliumion über elekrostatische Wechselwirkungen mit den freien Elektronenpaaren der Sauerstoffatome fixiert. Ein "Wirt-Gast"-Komplex wird gebildet, wobei der Kronenether als "Wirt" fungiert und die ionische Spezies als "Gast". Das komplexierte Kation ist in der organischen Phase gelöst. Auch das Permanganat-Anion wird in das organische Lösungsmittel gedrängt, wo es mit dem Kaliumion ein Ionenpaar bildet. Somit besteht das im organischen Lösungsmittel vorliegende komplexierte Salz aus einem stark solvatisierten Kation und einem "nackten" Anion, das sich als besonders reaktiv erweist.

Das Substrat Cyclohexen und das Permanganation werden im organischen Lösungsmittel zusammengebracht. Das Permanganation oxidiert Cyclohexen zu Adipinsäure und wird selbst zum Braunstein reduziert.

Vorteile der Phasentranferkatalyse gegenüber Einphasensystemen:
· erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit
· niedrige Reaktionstemperatur
· Vermeidung von teuren wasserfreien oder aprotischen Lösungsmitteln
· Einsatz von Wasser zusammen mit einem organischen Lösungsmittel als Reaktionsmedium

Liste der Experimente