Xác định điểm nóng chảy thực – lý thuyết và phương pháp (True Melting Point Determination)
Xác định điểm nóng chảy thực – lý thuyết và phương pháp (True Melting Point Determination)
Tóm tắt:
Trong khi các hợp chất nguyên chất nóng chảy đẳng nhiệt ở áp suất không đổi, thì điểm nóng chảy của chúng thường được báo cáo là phạm vi giữa các nhiệt độ được ghi lại bởi một phép đo dải nóng chảy kiểu mao quản được gia nhiệt, được xác định thông qua thử nghiệm giao thức dược lý với sự bắt đầu và hoàn thành việc nấu chảy mẫu thử nghiệm bởi một dụng cụ.
Dựa trên việc sử dụng phiên bản đơn giản, chi phí thấp của loại công cụ này, một quy trình được đưa ra và được ví dụ để xác định điểm nóng chảy “nhiệt động” thực của các hợp chất tinh khiết từ sự nóng chảy như phạm vi dữ liệu.
Giới thiệu
Điểm nóng chảy của các hợp chất hóa học thường được xác định và báo cáo, đồng thời chúng có thể đóng vai trò như một chỉ thị nhận dạng và độ tinh khiết của chất. Tuy nhiên ý nghĩa của những dữ liệu được báo cáo này không phải lúc nào cũng rõ ràng.
Tại các tài liệu giáo khoa hóa hữu cơ và sách hướng dẫn sử dụng trong phòng thí nghiệm thường báo cáo rằng các chất tinh khiết tan chảy trong phạm vi hẹp, phạm vi nhiệt độ và chai thuốc thử thường được dán nhãn “M. P.” phạm vi của một số độ, mà Roberts et al. đưa ra lời giải thích sau [1]:
Điểm nóng chảy của một hợp chất tinh khiết là đặc điểm của chất đang được nghiên cứu. Trong thực tế, hầu hết thiết bị đo điểm nóng chảy được thiết kế để dễ sử dụng và không cho phép xác định nhiệt độ chính xác mà tại đó hợp chất nóng chảy, đó là điểm nóng chảy. Thay vào đó là phạm vi nóng chảy (sự nhấn mạnh của tác giả) thực sự được đo và thường được báo cáo là “điểm nóng chảy” đối với hầu hết các hợp chất. Nếu một chất rắn là tinh khiết, nó sẽ tan chảy trong một phạm vi rất hẹp, khoảng 1oC nếu nó được xác định một cách cẩn thận.
Tuy nhiên, chúng ta học được từ sách giáo khoa hóa lý rằng, ngoài sự phụ thuộc nhỏ vào áp suất được xác định bởi mối quan hệ Clapeyron, sự đồng nhất về mặt hóa học và vật lý các chất rắn nóng chảy ở một nhiệt độ cụ thể, không đổi, không trong một “phạm vi hẹp.” Ở một áp suất nhất định, tại đây, nhiệt độ tại đó pha lỏng và pha rắn cân bằng, và chúng không thể đạt được trạng thái cân bằng nếu hệ thống đang được làm nóng ở một tốc độ hữu hạn từ một nguồn bên ngoài, cũng như tình trạng trong các công cụ thông thường nhằm mục đích đo điểm nóng chảy.
Ở cấp độ hạt, trạng thái cân bằng nhiệt độ tương ứng với mức năng lượng dao động duy nhất chỉ đủ để lắc lớp bề mặt rắn nguyên tử hoặc phân tử từ lực hút của chất rắn bên dưới lớp, cho phép chúng đi vào lớp chất lỏng tiếp xúc.
Giả sử tốc độ làm nóng hệ thống hữu hạn, nhiệt độ của pha lỏng tan chảy trước đó sẽ cao hơn, và trong phần bên trong của pha rắn còn lại sẽ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy “nhiệt động” thực của bề mặt mỏng lớp rắn.
Roberts và cộng sự tiếp tục đề cập [1]:
Thiết bị đo điểm nóng chảy có sẵn trong hầu hết các phòng thí nghiệm hóa học chất hữu cơ (có lẽ, có nghĩa là Fisher-Johns và các dụng cụ đo khoảng nóng chảy kiểu mao quản) không phải là đủ nhạy để cho phép báo cáo về điểm nhiệt độ của một lần tan chảy duy nhất. Thay vào đó, điểm nóng chảy phải là được biểu thị bằng phạm vi nhiệt độ tại đó chất rắn bắt đầu tan chảy và tại đó nó được chuyển đổi hoàn toàn thành chất lỏng … Trừ các thiết bị đo điểm nóng chảy được sử dụng quá đắt và phức tạp., nghĩa là nó không phù hợp và không chính xác để báo cáo một nhiệt độ duy nhất cho một điểm nóng chảy.
Tuy nhiên, vấn đề không nằm ở sự nhạy cảm. Trong khi chất rắn đang nóng chảy ở nhiệt độ không đổi, những gì quan sát được là nhiệt độ được ghi lại bởi cảm biến nhiệt độ tại đầu và cuối của khoảng thời gian nóng chảy. Thông thường, trong dụng cụ hiện đại, mẫu rắn được đặt trong một ống mao dẫn, ống được đưa vào tiếp xúc với lò khối kim loại có chứa cảm biến nhiệt độ và bộ phận làm nóng nhận với một đầu vào điện được điều chỉnh để duy trì một tốc độ tăng nhiệt độ của lò, cái được gọi là đoạn đường nối tỷ lệ.
Tuy nhiên, nhiệt độ được đo một cách nhạy cảm, với điều này, sắp xếp phạm vi nhiệt độ quan sát được trong quá trình nóng chảy nhất thiết phải nằm hoàn toàn trên sự tan chảy thực sự, bởi giá trị nhiệt độ phụ thuộc vào thiết kế của công cụ cụ thể, tốc độ đoạn đường nối đã chọn và ở một mức độ nhỏ hơn, kích thước của mẫu và diện tích truyền nhiệt phải gần với tỷ lệ thuận.
Không có gì ngạc nhiên khi học sinh của chúng ta bối rối vì điều này, khái niệm sai lầm về phạm vi nóng chảy của một chất tinh khiết và đã được biết là gợi ý rằng “M.P.” phạm vi trên nhãn của một trong những chai axit lauric tinh khiết 44 – 46 oC của chúng ta có thể là do sự suy giảm điểm nóng chảy bởi một tạp chất. Tuy nhiên, hằng số lạnh của hợp chất này chỉ là 1,3 oC molal – 1, có nghĩa là ví dụ, nồng độ 15% w / w của chất gây ô nhiễm có khối lượng mol 100 sẽ được yêu cầu để gây ra sự suy giảm điểm nóng chảy là 2 oC. Độ tinh khiết của thuốc thử này được tuyên bố là 99,5% + và axit lauric tinh khiết được báo cáo là tan chảy ở gần 43,8 oC [2]. Tương tự như vậy, axit benzoic tinh khiết không nóng chảy trong một phạm vi nhiệt độ: điểm nóng chảy của nó ở áp suất khí quyển được báo cáo là 122,383 oC [3].
Mặc dù không trực tiếp chỉ ra giá trị điểm nóng chảy thực, dữ liệu về dải nóng chảy được cung cấp bởi các dụng cụ kiểu mao quản được gia nhiệt đã cung cấp một dấu hiệu nhanh chóng và có ý nghĩa về độ tinh khiết của hợp chất cho các mục đích kiểm tra chất lượng thông thường, miễn là các phép đo được thực hiện theo quy định của điều kiện thiết kế và vận hành hệ thống.
Ở Bắc Mỹ, các thông số kỹ thuật này được cung cấp bởi tiêu chuẩn Dược điển Hoa Kỳ (United States Pharmacopoeia – USP) [4] và thông tin xem xét toàn diện các thông số kỹ thuật này và các vấn đề liên quan đến phạm vi nóng chảy và đo điểm nóng chảy có được báo cáo bởi Stanford Research Systems [5]. Nguồn dữ liệu này cũng trình bày một quy trình tương tự như quy trình mà chúng tôi đề xuất để xác định điểm nóng chảy thực sự từ phạm vi nóng chảy đo được.
Được sử dụng cùng với giao diện A / D “LabPro” của Vernier và chương trình phân tích và trình bày dữ liệu “Logger Pro”, thiết bị đo phạm vi nóng chảy “Trạm tan chảy” của nhà sản xuất [6] minh họa trong Hình 1 rất dễ vận hành và không phức tạp, cũng không đắt: chi phí hiện tại của công cụ này là khoảng một phần ba báo giá cuối cùng mà chúng tôi nhận được so với bộ máy nung chảy Fisher-Johns lỗi thời trước khi dừng sản xuất. Chúng tôi sẽ chỉ ra cách “Trạm Tan chảy” và các thiết bị đo dải nóng chảy kiểu mao quản khác có thể được sử dụng để xác định điểm nóng chảy thực sự của chất tinh khiết.
Quá trình nóng chảy
Tại bất kỳ thời điểm nhất định nào trong quá trình nóng chảy, nhiệt lượng dq đầu vào mẫu trong một khoảng thời gian dθ được tính bằng công thức:
dq = U A (t – tmp) dθ = UA (t – tmp) dt / R
trong đó:
*R = dt / dθ là tốc độ dốc tại thời điểm θ,
*t là nhiệt độ lò nung nóng,
*tmp là nhiệt độ nóng chảy thực của hợp chất,
*U là hệ số truyền nhiệt giữa lò và ống mao dẫn và,
*A là diện tích tiếp xúc giữa bề mặt lò và phần của ống mao dẫn chứa mẫu thử.
Tổng nhiệt lượng đầu vào trong quá trình nóng chảy của một mẫu có khối lượng m và nhiệt tiềm ẩn của phản ứng tổng hợp Lf
q = m Lf = U A ∫toptcp (t-tmp) dt/R
trong đó :
top trên cùng là nhiệt độ điểm ban đầu, tại đó sự tan chảy bắt đầu được quan sát và tcp là điểm rõ ràng nhiệt độ tại đó dấu vết cuối cùng của chất rắn tan chảy
và từ đó khi tích hợp và sắp xếp lại tạo ra mối quan hệ:
(tcp–tmp)2 – (top–tmp)2 = 2 (m Lf/(U A)) R = a constant * R
giả định một cách hợp lý rằng tốc độ đoạn đường nối R không thay đổi đáng kể trong khoảng thời gian nóng chảy.
Trong các công cụ tinh vi cao cấp hơn, nhiệt đầu vào lò được điều chỉnh để duy trì tốc độ tăng liên tục khi nhiệt thất thoát từ lò ra môi trường xung quanh sẽ tăng dần khi nhiệt độ của lò tăng lên.
Trong trường hợp của “Trạm nóng chảy”, một nhiệt không đổi đã chọn, tỷ lệ đầu vào được áp dụng cho lò, có nghĩa là đoạn đường nối tốc độ sẽ giảm phần nào trong khoảng thời gian nóng chảy. Tuy nhiên, tác động ảnh hưởng này là nhỏ và có thể được điều chỉnh bởi tính toán tốc độ dốc trung bình trong khoảng thời gian nóng chảy dưới dạng R = (tcp – top) / (θcp – θop) hoặc xác định nó từ độ dốc của hồi quy tuyến tính phù hợp với dữ liệu nhiệt độ so với thời gian thu được trong khoảng thời gian θop đến θcp.
Như được chỉ ra bởi mối quan hệ trên, phạm vi nóng chảy mở rộng khi tốc độ đoạn đường nối được tăng lên. Ngược lại, nhiệt độ điểm khởi đầu và nhiệt độ điểm rõ ràng phải hội tụ với nhau và cũng nằm trên giá trị điểm nóng chảy thực trong giới hạn khi R tiến gần đến 0, tương ứng với trạng thái cân bằng liên quan đến tốc độ gia nhiệt chậm vô hạn. Mối quan hệ này thỏa mãn yêu cầu rằng tcp = top = tmp tại R = 0. Nó cũng thỏa mãn các mối quan hệ dạng tcp = tmp + ccp R0.5 và top = tmp + cop R0.5 trong đó ccp và cop là các hằng số.
Sử dụng các mối quan hệ này:
(tcp–tmp)2 – (top – tmp)2 = (ccp 2 – cop 2) R = 2 (m Lf / (U A)) R
Từ mối quan hệ giữa nhiệt độ điểm rõ ràng so với tốc độ đoạn đường nối tcp = tmp + ccp R0,5, theo đó ước tính giá trị của điểm nóng chảy thực tmp có thể nhận được từ giao điểm của một hồi quy tuyến tính phù hợp với đồ thị tcp trên căn bậc hai của R.
Ước tính thứ hai về giá trị này có thể là thu được bằng cách áp dụng quy trình tương tự cho bộ dữ liệu nhiệt độ bắt đầu.
Nhiệt độ điểm bắt đầu và nhiệt độ điểm rõ ràng được yêu cầu trong Quy trình USP [4] thu được bằng cách chèn giá trị R = 1 oC trên mỗi phút vào các mối quan hệ này giữa nhiệt độ và tỷ lệ căn bậc hai của đoạn đường nối. Tuy nhiên, điểm nhiệt độ bắt đầu hơi khó phát hiện hơn so với nhiệt độ điểm rõ ràng và mối quan hệ hồi quy của nó với R thường biểu hiện sai số lớn hơn bình phương căn bậc hai. Do đó để xác định phạm vi USP, thực tiễn của chúng tôi là áp dụng bất kỳ hiệu chỉnh cần thiết để thay đổi mối quan hệ hồi quy nhiệt độ điểm khởi đầu lên hoặc xuống khi cần thiết để làm cho điểm chặn của nó trùng với điểm của biểu đồ dữ liệu của điểm nhiệt độ rõ ràng.
Đơn giản để xác định điểm nóng chảy thực, dữ liệu nhiệt độ điểm bắt đầu có thể được bỏ qua. Để xác định điểm nóng chảy thực sự, nhiệt độ điểm rõ ràng phải được quan sát ít nhất là ở hai tốc độ dốc khác nhau, hoặc tốc độ đầu vào nhiệt trong trường hợp ở “Trạm nóng chảy.”
Thực nghiệm
Việc lấy dữ liệu khoảng nóng chảy từ các mẫu đã được nóng chảy trước đó đôi khi không được khuyến khích [5] vì lý do có thể có sự phân hủy mẫu hoặc có sự thay đổi vật lý hoặc hóa học khác. Tuy nhiên, chúng tôi vẫn chưa gặp phải loại vấn đề này dựa trên việc thử nghiệm lặp lại cùng một mẫu. Nếu nó xảy ra, sự suy giảm nhiệt độ ở mẫu cao hơn một chút so với điểm rõ ràng kèm theo một lần nóng chảy duy nhất có lẽ sẽ làm cho bất kỳ dữ liệu điểm nóng chảy nào thu được có ý nghĩa đáng ngờ. Trong bất kỳ trường hợp nào, nếu xảy ra hiện tượng hư hỏng mẫu, có thể dễ dàng phát hiện được bằng cách lặp lại thử nghiệm và có thể phải sử dụng mẫu mới.
Chúng tôi thường xuyên cho các mẫu của mình tiếp xúc với chu kỳ đông lạnh tan chảy lặp đi lặp lại ở các tốc độ đoạn đường dốc khác nhau. Chúng tôi thường bắt đầu bằng cách làm tan chảy một mẫu của một hợp chất chưa biết trong ống mao dẫn ở tốc độ gia nhiệt tối đa được cung cấp bởi công cụ “Trạm nóng chảy” để có được chỉ số gần đúng về độ nóng chảy của mẫu và loại bỏ không khí ra khỏi mẫu.
Sau đó đóng băng, chúng tôi tăng tốc nó bằng cách tạm thời đặt nước đá trong ống nghiệm tiếp xúc với tủ sấy, mẫu tạo thành khối không có không khí kết dính với bề mặt trên được xác định rõ ràng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát hiện trực quan nhiệt độ điểm bắt đầu bởi vì sự nóng chảy có thể phát hiện được thường bắt đầu ở bề mặt mẫu tiếp giáp với thành của ống mao dẫn.
Các mẫu siêu lạnh thường thấp hơn điểm nóng chảy đến 30 oC và quy trình gia nhiệt của chúng tôi thường bắt đầu ở 40 oC thấp hơn giá trị gần đúng của điểm nóng chảy. Từ điểm này, chúng tôi gia nhiệt mẫu ở tốc độ tối đa có thể đạt được nhiệt độ mục tiêu cố định thấp hơn khoảng 20 oC so với điểm nóng chảy dự đoán, tại đó chúng tôi quay ở tốc độ gia nhiệt thấp hơn để cung cấp cho chúng ta tốc độ tăng xấp xỉ mong muốn trong quá trình nóng chảy.
Các quan sát về nhiệt độ điểm bắt đầu và nhiệt độ điểm rõ ràng được nhập thủ công trên đồ thị thời gian thực của nhiệt độ lò so với thời gian bằng cách nhấp chuột. Sau đó, mẫu được làm lạnh trở lại nhiệt độ bắt đầu gia nhiệt, được làm nóng ở tốc độ tối đa đến cùng nhiệt độ mục tiêu cố định tại đó giá trị mới của tốc độ gia nhiệt được quay số để thu được dữ liệu về nhiệt độ nóng chảy và thời gian ở tốc độ tăng mới như được ví dụ trong Hình 2.
Việc hiệu chuẩn dụng cụ đo điểm nóng chảy có thể được thực hiện bằng cách quan sát đặc tính nóng chảy của hợp chất đối chứng nóng chảy tiêu chuẩn mà điểm nóng chảy được biết chính xác.
Với mục đích này, ban đầu chúng tôi chọn tiêu chuẩn điểm nóng chảy của phenacetin (N- (4-ethoxyphenyl) axetamit), cho nhiệt độ điểm rõ ràng là 135,3 + 0,13 oC và 135,7 + 0,13 oC được nhà cung cấp báo cáo [7] cho tốc độ tăng lần lượt là 0,2 và 0,5 oC mỗi phút, cho thấy điểm nóng chảy thực sự là 134,6 + 0,13 oC, dựa trên điểm giao nhau của hồi quy tuyến tính cho đồ thị của dữ liệu nhiệt độ này so với căn bậc hai của tốc độ tăng và phạm vi nóng chảy USP là 135,5 ~136,1 oC ở tốc độ tăng 1oC mỗi phút.
Chúng tôi lặp lại quy trình hiệu chuẩn dựa trên tham chiếu axit benzoic tiêu chuẩn [8], một hợp chất có điểm nóng chảy là 122,383oC đã được báo cáo [3].
Thực hiện theo các quy trình hiệu chuẩn này, chúng tôi xác định điểm nóng chảy và khoảng nóng chảy USP của các mẫu axit lauric, myristic và salicylic.
Kết quả và thảo luận
Dữ liệu nhiệt độ điểm bắt đầu và điểm rõ ràng mà chúng tôi thu được từ một mẫu chuẩn đối chiếu điểm nóng chảy của phenacetin được thể hiện trong Hình 2.
Đồ thị của những dữ liệu này so với căn bậc hai của tốc độ đường dốc được thể hiện trong Hình 3. Các mối quan hệ này chỉ ra điểm nóng chảy thực sự là 134,4 oC và khoảng nóng chảy USP là 135,2 ~136,4 oC phù hợp hợp lý với các giá trị mà chúng tôi thu được ở trên từ dữ liệu được cung cấp với hợp chất tham chiếu phenacetin, cụ thể là 134,6 +0,13 oC và 135,5 ~ 136,1 oC tương ứng.
Điểm bắt đầu và dữ liệu nhiệt độ điểm rõ ràng mà chúng tôi thu được từ một mẫu hợp chất đối chứng axit benzoic của chúng tôi được thể hiện trong Hình 4.
Đồ thị của những dữ liệu này so với căn bậc hai của tốc độ đoạn đường nối được thể hiện trong Hình 5. Các biểu đồ dữ liệu này chỉ ra điểm nóng chảy thực sự là 122,3 oC và phạm vi nóng chảy USP là 123,4 ~124,5 oC. Điểm nóng chảy của axit benzoic được báo cáo ở những nơi khác là 122,383 oC [3].
Do đó, hiệu suất cảm biến nhiệt độ của hệ thống dường như có thể chấp nhận được, và tiếp theo chúng tôi chuyển sang áp dụng nó cho nghiên cứu hành vi nóng chảy của axit lauric (dodecanoic), axit myristic (tetradecanoic) và salicylic (2-hydroxybenzoic) axit.
Dữ liệu nhiệt độ điểm bắt đầu và điểm rõ ràng được hiển thị trong Hình 6 thu được từ một mẫu axit lauric [9] được dán nhãn là tinh khiết 99,5% với “MP” là 44 ~46 oC, là thỏa thuận hợp lý với phạm vi nhiệt độ USP 44,8 ~ 45,9 oC được chỉ ra bởi dữ liệu của chúng tôi. Dữ liệu của chúng tôi cũng mang lại một giá trị điểm nóng chảy 43,5 oC nằm giữa các giá trị được báo cáo là 43,2 oC [10] và 43,8 oC [2].
Dữ liệu nhiệt độ điểm bắt đầu và điểm rõ ràng được hiển thị trong Hình 7 thu được từ một mẫu axit myristic [11] được gắn nhãn là 99,5+% tinh khiết với “m.p.” của 55,1 oC. Dữ liệu của chúng tôi chỉ ra điểm nóng chảy thực sự là 53,8 oC và khoảng nóng chảy USP là 55,3 ~ 56,3 oC. Giá trị điểm nóng chảy 54,2 oC (2) và 54,4 oC (10) đã được báo cáo cho hợp chất này.
Dữ liệu nhiệt độ điểm bắt đầu và điểm rõ ràng được hiển thị trong Hình 8 thu được từ một mẫu axit salicylic [12] được dán nhãn là có “Điểm nóng chảy” là 159 oC đến 161 oC. Dữ liệu của chúng tôi mang lại điểm nóng chảy thực sự là 158,5 oC và khoảng nóng chảy USP là 159,6 ~160,6 oC. Điểm nóng chảy là 159,0 oC đã được báo cáo cho hợp chất này (2, 10).
Kết luận
Quy trình chúng tôi đã mô tả để xác định điểm nóng chảy và phạm vi nóng chảy USP của các hợp chất tinh khiết từ các biểu đồ về điểm bắt đầu và nhiệt độ điểm rõ ràng so với giá trị tương ứng của căn bậc hai của tốc độ đoạn đường nối được áp dụng dường như mang lại kết quả có thể chấp nhận được.
Trích dẫn tổng hợp và đánh giá của bộ phận R&D Services Công ty TNHH Thiết bị Ngày Nay., Trong lĩnh vực tìm hiểu nghiên cứu và phát triển dữ liệu thông tin khoa học tham chiếu về điểm nóng chảy, dẫn giải lý thuyết và phương pháp đo lường cũng như đánh giá hiệu quả của các công cụ đo điểm nóng chảy nhằm xác định tính chất, đại lượng vật lý ảnh hưởng tới chất lượng đo lường điểm nhiệt độ nóng chảy thực của mẫu chất
(*Cần ghi rõ nguồn “https://thietbingaynay.com/” khi phát hành lại thông tin từ website này)
