• Scanning og bogføring
Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Indholdsfortegnelse Indledning.................................................................................................................................................................................................... 4 Projektbeskrivelse ................................................................................................................................................................................... 5 Problemanalyse ................................................................................................................................................................................... 5 Problemformulering ......................................................................................................................................................................... 5 Projektafgræsning .............................................................................................................................................................................. 6 Litteraturliste........................................................................................................................................................................................ 6 Tidsplan ................................................................................................................................................................................................... 7 Teori og baggrundsstof ......................................................................................................................................................................... 8 Kemisk syntese .................................................................................................................................................................................... 8 Omkrystallisation og rensning..................................................................................................................................................... 9 Smeltepunktsbestemmelse............................................................................................................................................................ 9 Tyndtlagschromatografi (TLC) .................................................................................................................................................... 9 Spektroskopi ...................................................................................................................................................................................... 10 IR ......................................................................................................................................................................................................... 10 HNMR ................................................................................................................................................................................................ 11 MS ....................................................................................................................................................................................................... 11 Acetylsalicylsyre .................................................................................................................................................................................... 12 Industriel fremstilling ................................................................................................................................................................... 12 Flowdiagram til fremstilling ...................................................................................................................................................... 13 Forklaring / flowdiagram 1 ................................................................................................................................................... 14 Forklaring / flowdiagram 2 ................................................................................................................................................... 15 Forklaring / flowdiagram 3 ................................................................................................................................................... 15 Sikkerhedsformular ........................................................................................................................................................................ 16 Beregninger og resultater ................................................................................................................................................................ 17 Udbytte .................................................................................................................................................................................................. 17 TLC........................................................................................................................................................................................................... 17 Smeltepunktsbestemmelse......................................................................................................................................................... 18 IR og HNMR......................................................................................................................................................................................... 19 Dokumentation og argumentation .............................................................................................................................................. 21 Anvendelse af acetylsalicylsyre ................................................................................................................................................ 21 2 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Blandingsforhold ........................................................................................................................................................................ 21 Farvevalg ......................................................................................................................................................................................... 22 Dimensioner og vægt ................................................................................................................................................................ 22 Tværfaglighed............................................................................................................................................................................... 23 Konklusion................................................................................................................................................................................................ 24 Perspektivering................................................................................................................................................................................. 24 Besvarelse af problemformulering ......................................................................................................................................... 24 Kvalitet af arbejde ........................................................................................................................................................................... 25 Produkts opfyldelse af krav................................................................................................................................................... 25 Evaluering ................................................................................................................................................................................................. 26 Projektforløb ...................................................................................................................................................................................... 26 Gruppearbejde................................................................................................................................................................................... 26 Synteseprodukt ................................................................................................................................................................................. 26 Slutprodukt ......................................................................................................................................................................................... 26 Litteraturliste .......................................................................................................................................................................................... 27 Bilag ............................................................................................................................................................................................................. 28 IR og HNMR......................................................................................................................................................................................... 28 IR ......................................................................................................................................................................................................... 28 HNMR ................................................................................................................................................................................................ 29 Afsluttet tidsplan.............................................................................................................................................................................. 30 3 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Indledning Hovedpinepiller har i løbet af de sidste 100 år undergået en transformation, der har normaliseret brugen af smertelindrende medikamenter. I dag anvendes hovedpinepiller og -væsker dagligt af tusindvis af mennesker verden over, og kan siges at være redning for både stressramte arbejdere og mennesker med influenza i almindelig forstand (og naturligvis alt i mellem). Verdens første hovedpinepille blev opfundet i slutningen af det nittende århundrede af den tyske kemiker Felix Hoffmann, oprindelig tiltænkt som et middel mod leddegigt. Pillen var revolutionerende: ikke kun i form af de funktioner den medbragte, men selve produktionsmetoden - kemisk syntese - var et gennembrud inden for medicinalindustrien. Produktet blev kaldt Aspirin, og sælges stadigvæk i dag. Rent faktisk er Aspirin en gigantisk indtægtskilde for medicinalfirmaet Bayer, der hvert år producerer 12,5 milliarder Aspirin-tabletter. Felix Hoffmann er imidlertid blevet fejlagtigt krediteret for opfindelsen af det aktive stof, acetylsalicylsyre, selvom det var den franske kemiker Charles Frederic Gerhardt, der i 1853 for første gang i verdenshistorien med succes syntetiserede dette. Hovedpine kan være en stor gene i hverdagen, fordi den med sit stramme tag om hovedet, forvolder koncentrationsreducerende smerter, og kan blive ”hængende” i op til flere dage. Særligt børn i aldersgruppen 5 - 15 er hårdt ramt af hovedpine, og en undersøgelse har også vist, at hvert tredje barn i skolealderen klager over hyppigt tilbagevendende hovedpine.1 Hovedpinen kan skyldes flere ting: mest almindeligt er støj, stress, og sygdom. Men udover at børn rammes af hovedpine, hvilket påvirker deres indsatsevne i skolen, har de også problemer med at indtage medicin mod smerterne.2, 3, 4 I dette projekt kaldet ”Kemisk syntese” løser vi - en procesgruppe fra Odense Tekniske Gymnasium - det ukendte men allestedsnærværende problem, at mange børn i aldersgruppen 5 - 15 år ikke har lyst til at indtage medicin (enten i form af piller, tabletter eller væsker). I rapporten redegør vi for, hvordan vi vha. koblingen Kommunikation/it og Proceskemi løser denne problemstilling. I næste kapitel fremgår projektbeskrivelsen, hvori man alle detaljer omkring projektet, herunder f.eks. problemformulering, planlægning og litteratur. God læselyst! 1 http://www.sairaslapsi.com/frame.cfm/cms/id=669/sprog=1/grp=2/menu=1/ http://www.kidsgrowth.com/resources/articledetail.cfm?id=428 3 http://www.rigshospitalet.dk/NR/rdonlyres/E6D1145B-1C67-452A-BFD03DDDDAA8FF2E/0/NaarIskalgivebarnetmedicin.pdf 4 http://www.netsundhedsplejerske.dk/artikler/index.php?option=laes&type=ARTIKLER&id=20 2 4 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Projektbeskrivelse Problemanalyse Vi har valgt at arbejde med det aktive, smertestillende stof, acetylsalicylsyre, set i et formidlingsmæssigt og kommunikativt perspektiv. Mange børn i alderen 5-15 år kan have svært ved at sluge smertestillende tabletter, fordi de føler ubehag ved denne måde at indtage pillerne på. At børnene fra en tidlig alder får negative associationer over for det, at skulle sluge piller, kan medføre, at de får svært ved at indtage andre typer medicin. Der findes dog et alternativ til de almindelige tabletter: brusetabletten. Denne type tablet opløses i væske, og forbrugeren undgår dermed den ubehagelig fornemmelse ved sluge den. Men børn finder det, trods alternativet, stadig ubehageligt, at indtage medicinen. Vi vil forsøge at ændre på opfattelsen af medicin, ved at justere på dets former, farver etc. På den måde kan man muligvis ændre børns vaner i forhold til indtagelse af medicin. Der findes mange alternativer til den almindelige pille, væsker, gele-lignende konsistenser osv., men de har heller ikke haft stor succes blandt børn. Vi vil ikke tage afstand fra den almindelig tablet-form vi vil derimod forsøge en ny tilgangsvinkel, og kombinere tabletten med en grad af barnlighed og underholdning. Problemformulering Vi vil gøre den smertestillende tablet sjov/ tillokkende for børn at indtage. Hvordan fremstiller man en tablet, som børn vil indtage? Hvorfor ønsker nogle børn ikke at indtage tabletter? Hvilke analyser er relevante at bruge på produktet? Hvilke stoffer/kemikalier er godkendt til medicinalbrug (herunder farvestoffer, organiske forbindelser osv.)? Hvordan kan det smertestillende stof acetylsalicylsyre fremstilles? Hvordan oprenses de aktive stoffer i smertestillende produkter? 5 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Projektafgræsning Projektet går ud på at fremstille brusetabletter af acetylsalicylsyre, og desuden farvestoffer, som skal farve væsken og give børn positive associationer til andre læskedrikke. Projektet bliver et samspil mellem proceskemi og kommunikation/it A-faget. Derfor vil vi beskæftige os med emner som: kemisk syntese, medicinalformidling, kommunikativ signalværdi, medicin og sundhed, kemiske metoder og analyser og evt. emballagedesign i tilknytning til Design B-faget. Vi forventer, at bruge følgende analyser på synteseproduktet: TLC Reaktionsproduktets indhold af salicylsyre Reaktionsproduktets indhold af acetyl salicylsyre Måling af syrestyrke og vandopløselighed Smelte- og kogepunktsbestemmelse Spektrofotometrisk bestemmelse af (acetyl) salicylsyre IR og HNMR (analyser foretages på SDU) (Densitetsbestemmelse) Nedenfor fremgår de første krav til synteseproduktet: Produktet skal have smertestillinde virkning (svær at konstatere). Produktets renhedsgrad skal være i overensstemmelse med europæiske standarder. Produktet skal overholde de gældende regler for tilladt indhold af kemiske forbindelser. Produktet skal appellere til børn i alderen 5 - 15 år. Produktet skal være en brusetablet. Produktet kan være formet i forskellige varianter. Litteraturliste www.kidsgrowth.com/resources/articledetail.cfm?id=428 KidsGrowth.com www.rigshospitalet.dk/NR/rdonlyres/E6D1145B-1C67-452A-BFD03DDDDAA8FF2E/0/NaarIskalgivebarnetmedicin.pdf - rigshospitalet.dk www.netsundhedsplejerske.dk/artikler/index.php?option=laes&type=ARTIKLER&id=20 - nedsundhedsplejerske.dk 6 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Tidsplan Nedenfor ses vores planlægning i et Gantt-kort. p = planlagt | u = udført (afsluttes senere i rapporten): 7 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Teori og baggrundsstof Kemisk syntese Ordet ”syntese” kommer af det græske ”synthesis” og betyder sammenstillen. Ordet er senere blevet defineret mere præcist til en ”sammenfatning af forskellige enheder til en helhed.” Og det er nøjagtig, hvad kemisk syntese går ud på: at igangsætte kontrollerede reaktioner for at fremstille kemiske produkter, kemiske ”helheder”. I dag forudsætter en kemisk syntese, at processen er reproducérbar, pålidelig og at den er i stand til at fungere i et hvert laboratorium. Idet man ofte arbejder med organiske komponenter kaldes processen ”organisk syntese” af mange kemikere. Acetylsalicylsyre - det aktive stof i brusetabletten - kan syntetiseres ved følgende reaktion mellem salicylsyre og eddikesyreanhydrid: + Salicylsyre C6H4(OH)COOH + Eddikesyreanhydrid (CH3CO)2O Acetylsalicylsyre CH3COO .C 6H4 . COOH Eddikesyre CH3COOH Salicylsyre består af en orto-substitueret cyklisk carbonforbindelse - en aromatisk forbindelse, med to sidegrupper (en carboxylsyregruppe og en hydroxidgruppe) på to nabopositionerede carbon-atomer. Eddikesyreanhydrid kondenseres med phenol-gruppen (C6H5OH i salicylsyre) og danner esteren i acetylsalicylsyre. Acetylsalicylsyre er også en orto-substitueret aromat, hvor OH-gruppen fra salicylsyren er erstattet af en ester: Ester Esteren er i den ene ende forbundet til aromaten og til methylgruppen, CH3, i den anden ende. Hvis man dog glemmer esteren og i stedet betragter CH3CO, som kaldes acetyl, har man forklaringen på stoffets navn, acetylsalicylsyre: en salicylsyre med en acetyl-gruppe på H’s plads. 8 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Omkrystallisation og rensning Når man arbejder med solide produkter som pulver og krystaller, er der typisk en stor risiko for, at produktet er forurenet og indeholder uønskede komponenter. En forurening kan finde sted, hvis en krystallisation forløber for hurtigt, ved for voldsom omrøring eller ved for hurtig nedkøling. Desuden er det vigtigt at sørge for, at det ønskede produkt udvaskes af en opløsning, som forureningerne og andre kemikalier er tungtopløselige i. Selvom man har taget sine forholdsregler, og krystallisationen er forgået under så sterile forhold som muligt, er det meget almindeligt, at man vælger at omkrystallisere produktet for at fjerne alle forureninger. En omkrystallisation igangsættes først ved at opvarme produktet i en opløsning, hvori de uønskede kemikalier ikke kan opløses. Imens opløsningen er varm / lun filtreres den, så forureningen adskilles fra produktet. Herefter kan opløsningen igen langsomt køles ned under rolig omrøring. Nedkølingen nedsætter opløsningens kapacitet, og dermed overmættes den og produktet udfældes som krystaller. Smeltepunktsbestemmelse Sommetider er det ikke nødvendigt, at foretage en eller flere omkrystallisationer, hvis synteseproduktet har en meget høj renhedsgrad efter første krystallisation. Der findes flere metoder til at bestemme et stofs renhedsgrad. Én af dem er ved en smeltepunktsbestemmelse. Hér benytter man den viden, at et stofs smeltepunkt falder, hvis det er forurenet. Dette skyldes, at forureninger kan skabe elektronforstyrrelser og -flytninger i molekylestrukturer, og gøre de intramolekylære bindinger svagere. I praksis påfører man sit synteseprodukt, et 100 % rent produkt og evt. sit enkelt- og/eller dobbeltomkrystalliserede synteseprodukt på meget tynde glasrør. Disse indsættes i smeltepunktsbestemmeren, som opvarmer de tre rør med samme temperatur. Under opvarmningen holdes der øje med, hvornår de enkelte produkter begynder at smelte. Hvis smeltepunktet er lavere end de (aner)kendte tabelværdier er der tale om en forurening og hvis smeltepunktet svarer til værdierne, er der tale om et meget rent produkt. Det kan også ske, at smeltepunktet er meget højere end forventet, og så kan det muligvis skyldes, at forureningen er et iongitter - f.eks. et salt - hvilket ofte har et ekstremt højt smeltepunkt ( ). Tyndtlagschromatografi (TLC) En anden metode til at bestemme renheden af et stof er vha. den meget anvendte TLC-metode. TLC står for tyndtlagschromatografi, hvor ”chromatografi” er navnet på den generelle teknik til at adskille stoffer i en opløsning. I TLC udnytter man stoffers forskellige polaritet (dvs. elektronegativitet) til at adskille dem. Man påfører sit opløste synteseprodukt på en såkaldt TLC-plade - en plade, typisk lavet af plastic, med et adsorberende materielle på (ofte silica-gel eller kiesel-gel) - sammen med en anden opløsning af det 100 % rene stof og evt. flere stoffer, der kan sættes i forbindelse med synteseproduktet. Herefter placeres 9 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium TLC-pladen i et bægerglas eller lignende, hvori der er hældt en solvent (også kaldet ”løbevæske” og ”mobil fase”), som analysestofferne er opløselige i. Jo mere opløseligt et stof er i solventen, jo længere vil det givne stof ”vandre” / bevæge sig op ad TLCpladen, efterhånden som TLC-pladen absorberer solventen (samme fænomen, når køkkenrullepapir rør væske). Når chromatografien er tilendebragt, undersøger man, om ens synteseprodukt har ”vandret” lige så langt som det 100 % rene stof af - forhåbentligt - samme molekylestruktur. Det ville nemlig betyde, at synteseproduktet er lige så opløseligt i solventen som referencestoffet, og dermed kan man tale om en høj renhedsgrad. Spektroskopi Når man har fremstillet et synteseprodukt, hvor man formoder, at indholdet svarer til det ønskede, er der endnu en analyse man kan benytte sig af. Denne analyse, spektroskopi, kan være med til at angive præcist, hvordan stoffet er molekylært opbygget. Begrebet ”spektroskopi” betyder måling og studie af spektre, og kan forklares som fordelingen af intensitet som funktion af energien i de udsendte partikler. I praksis beskyder man analysestoffet med elektromagnetisk stråling (med forskellige bølgelængder), for at observere stoffets respons. Der findes flere typer spektroskopi. Nogle kendte er: IR IR er forkortelsen for ”Infrared” (på dansk: infrarød) og betyder således beskydning med elektromagnetisk stråling i bølgelængdeområdet omkring 700 nm (IR-A) til 1 mm (IR-C). For at forstå, hvorfor man beskyder et stof med infrarød stråling, skal man først forstå, at alle bindinger og led i et molekyle vibrerer. Efter beskydning med infrarødstråling, kan man plotte et såkaldt spektrum, der viser vibrationerne - også kaldet stræk og bøj. Ud fra disse, er man i stand til tilnærmelsesvist at kortlægge molekylets indhold af funktionelle grupper. Dog kan et IR-spektrum umiddelbart ikke fortælle noget om de funktionelle gruppers placering i forhold til hinanden. Nedenfor ses et eksempel på et IR-spektrum. 10 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium HNMR HNMR er forkortelsen for ”Hydrogen Nuclear Magnetic Resonance” (på dansk: kernemagnetisk resonans for protoner / H-atomer). Med HNMR er man i stand til at formgive det ukendte molekyle. I et HNMR-spektrum vises alle de typer H-atomer, der er til stede i molekylet, hvor mange der er af dem, og hvor mange ”naboer” de har. Inden man bruger HNMR er det vigtigt at forstå, hvordan det virker. Omkring enhver atomkerne bevæger der sig et vist antal elektroner, der alle er negativt ladet. Deres negative ladning kombineret med atomkernens positive ladning, samt elektronernes hastige rotation skaber små spændinger og magnetfelter. Magnetfelterne er både med til at holde atomerne i et molekyle sammen OG separere dem fra hinanden. Et molekyle har således et helt unikt magnetfelt. Når man påvirker dette magnetfelt med et andet kan man måle, hvor stor modstanden er. Dér, hvor modstanden er stor er der ingen elektronmæssig asymmetri omkring et atom, og således er magnetfeltet stærkt. Når modstanden er lille, er elektronfordelingen ulige, asymmetrisk og påvirket af andre magnetiske kræfter, og resultatet er et svagt magnetfelt. Alt dette kan måles og plottes i et HNMR-spektrum, hvor det er muligt at aflæse, hvordan magnetfelterne er i det givne stof optræder. Analysen gør det muligt at vurdere, hvor mange H-atomer, der er til stede, i hvilke funktionelle grupper de sidder, og hvordan de sidder i forhold til hinanden. Hvis man forener resultaterne fra HNMR og IR kan man således med næsten 100 % nøjagtighed bestemme et stofs indhold. MS MS er forkortelsen for ”Mass Spectrometry”. Idéen er, at et stof udsættes for et elektronbombardement, hvorved nogle af molekylerne spaltes til ioner. Ionerne accelereres ind i et magnetfelt, som inddeler ionerne efter deres masse-til-ladning forhold (m/e). Hvis der er nogle ioner, der ikke afbøjes i magnetfeltet, bliver disse registreret af en tællende detektor. Et MS-spektrum kan bruges til at beregne, hvor stort stoffet er. 11 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Acetylsalicylsyre Industriel fremstilling I industrien fremstilles acetylsalicylsyre ved reaktionen mellem salicylsyre og eddikesyreanhydrid reaktionen er også mulig med eddikesyre, men den forløber langsommere og udbyttet er mindre. Eddikesyreanhydrid kan fremstilles enten ved en reaktion mellem carbonmonoxid og methylacetat: + Methylacetat Carbonmonoxid Eddikesyreanhydrid CH3COOCH3 CO (CH3CO)2O Eller ved reaktionen mellem ethenone (ketene) og eddikesyre ved ca. 50 °C og lavtryk (0,05 - 0,2 bar): + Ethenone Eddikesyre Eddikesyreanhydrid H2C=C=O CH3COOH (CH3CO)2O Man diskuterer stadigvæk i dag, om det kan betale sig at benytte sig af det væsentligt dyrere eddikesyreanhydrid i stedet for eddikesyre. Fordelene ved eddikesyreanhydrid er: Stort udbytte Hurtig reaktion Intet behov for yderligere katalysatorer, som f.eks. svovlsyre. Ulempen er naturligvis prisforskellen. Baseret på priser fundet på internet-butikker, er literprisen på eddikesyreanhydrid ca. 5 - 7 gange højere. Salicylsyre kan f.eks. fremstilles ved at lade carbondioxid reagere med natriumphenolat ved 125 °C og et carbondioxidtryk på mindst 5 atm eller ved biosyntese fra aminosyren phenylalanin. 12 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Flowdiagram til fremstilling 13 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Forklaring / flowdiagram 1 I flowdiagrammet på forrige side, tager vi udgangspunkt i den udleverede øvelsesvejledning for fremstilling af acetylsalicylsyre. Først blandes salicylsyre, eddikesyreanhydrid og konc. svovlsyre i et 60˚C vandbad. Vandbadet muliggør blanding uden overmætning af opløsningen, og dermed undgår vi for tidlig krystallisation. Efter blandingen igangsættes krystallisationen ved mild nedkølning. Når udfældningen er fuldent vaskes stoffet med vand, og filtreres herefter. Produktet er acetylsalicylsyre. I tilfælde af, at vi ønsker at omkrystallisere synteseproduktet, kan det foregå i henhold til følgende flowdiagram: 14 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Forklaring / flowdiagram 2 Acetylsalicylsyre blandes med ethanol i et vandbad på 75˚C. Ethanolens funktion er, at rense acetylsalicylsyren for urenheder, så det endelige produkt er så rent som muligt. Efter blandingen afkøles opløsningen så acetylsalicylsyre udfældes. Til sidst tørres produktet for væske. Vores færdige synteseprodukt skal anvendes i en brusetablet, og denne fremstilling kan foregå i henhold til følgende flowdiagram: Forklaring / flowdiagram 3 Når NaHCO3 (natron) og acetylsalicylsyre opløses i vand, reagerer de med hinanden med en brusende effekt. Reaktionsskemaet ser sådan ud: CH3COO·C6H4·COOH + NaHCO3 CH3COO·C6H4·COO- + H+ + Na+ + HCO3og CH3COO·C6H4·COO- + Na+ + H2CO3 Da H2CO3-molekylet er meget ustabilt pga. dets lave bindingsenergi spaltes det hurtigt til: H2CO3 H2O + CO2 hvor CO2 skaber den brusende effekt. 15 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Sikkerhedsformular Kemikalier Fareklasser Risikosætninger Konc. svovlsyre, 98 % H2SO4 35: Alvorlig ætsningsfare Salicylsyre 22: Farlig ved indtagelse 41: Risiko for alvorlig øjenskade Eddikesyreanhydrid 10: Brandfarlig 20/22: Farlig ved indånding og ved indtagelse 34: Ætsningsfare Ethanol 11: Brandfarlig NaHCO3 (Natron) -- -- Arbejdspraksis Sikkerhedsbriller Kittel Handsker Støvmaske Stinkskab Ansigtsskærm 16 af 30 Sikkerhedssætninger 26: Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand og læge kontaktes 30: Hæld aldrig vand på eller i produktet 45: Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig, vis etikken, hvis det er muligt. 22: Undgå indånding af støv 24: Undgå kontakt med huden 26: Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand og læge kontaktes 39: Brug beskyttelsesbriller/ansigtsskærm under arbejdet 26: Kommer stoffet i øjnene, skylles straks grundigt med vand og læge kontaktes 36/37/39: Brug særligt arbejdstøj, egnede beskyttelseshandsker og -briller/ansigtsskærm. 45: Ved ulykkestilfælde eller ved ildebefindende er omgående lægebehandling nødvendig, vis etikken, hvis det er muligt. 7: Emballagen skal holdes tæt lukket 16: Holdes væk fra antændelseskilder - Rygning forbudt -- Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Beregninger og resultater Udbytte Vi udførte sammenlagt to produktioner af acetylsalicylsyre, hvor den første var en minutiøs replikation af øvelsesvejledningen og den anden var en opskaleret produktion. I dette afsnit tages der udgangspunkt i den første produktion. Af 10,0g salicylsyre og 15ml eddikesyreanhydrid opnåede vi et udbytte på 10,08g acetylsalicylsyre (uden ydereligere omkrystallisation). For at bestemme det maksimale (teoretiske) udbytte kan man bruge mængdeberegning: ( og ) og Idet reaktanter og produkter er ækvivalente (og har molforholdet 1:1) bliver beregningerne således: n (mol) m (g) M ( ⁄ ) Salicylsyre 0,072 10,00 138,12 + 1:1 Eddikesyreanhydrid 0,072 1:1 1:1 Acetylsalicylsyre 0,072 1:1 12,97 1:1 180,16 1:1 + 1:1 Eddikesyre 0,072 1:1 1:1 Altså et maksimalt udbytte 12,97g. Dermed har vi opnået et udbytte på: TLC Vi udførte flere TLC-analyser for at sammenligne renhedsgraden af synteseproduktet både før og efter hhv. én og to omkrystallisationer. Konklusionen var, at en omkrystallisation i virkeligheden ikke var nødvendig, fordi produktet var meget rent umiddelbart efter produktionen. Nedenfor fremgår dokumentation af TLC-analyserne (R = Råstof, 2 = 2. omkrystallisation, A = acetylsalicylsyre, S =salicylsyre): 17 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Som det kan ses på TLC-pladerne, er vores synteseprodukt næsten lige så rent som det 100 % rene acetylsalicylsyre, skolen udleverede. Og flere omkrystallisationer gjorde desuden ikke produktet renere. Smeltepunktsbestemmelse Udover TLC-analyserne, der kunne påpege at vores synteseprodukt havde en høj renhedsgrad, forsøgte vi også at lave en smeltepunktsbestemmelse. Stofferne, der blev målt på, var skolens 100 % rene acetylsalicylsyre, vores råprodukt både før og efter hhv. én og to omkrystallisationer. Forsøget endte med disse resultater: Acetylsalicylsyre (100 %) (°C) (°C) 135°C 133°C Råprodukt f. 1. 2. omkrystallisation omkrystallisation omkrystallisation Ca. 115°C 127°C Ca. 120°C 134°C 135°C 134°C Med udgangspunkt i Merck Index antog vi, at 100 % rent acetylsalicylsyre smelter ved 135°C. Det viste sig imidlertid, at de stoffer, der kom tættest på denne værdi var vores synteseprodukt efter første og anden omkrystallisation - de smeltede begge ved 134°C. Nedenfor ses et billede af smeltepunktsbestemmelsen (man kan se de tre milimetertynde glasrør, der indeholder forskellige varianter af acetylsalicylsyre): 18 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium IR og HNMR For at undersøge nøjagtig, hvad vores synteseprodukt indeholdte, sendte vi to prøver af stoffet til Syddansk Universitet, hvor man brugte tidligere omtalte IR (Infrared) og HNMR (Proton Nuclear Magnetic Resonance). Vha. af spektrene fra disse analyser, var vi i stand til tilnærmelsesvist at kortlægge vores producerede stof indhold, samt vurderer mængden af evt. forurening. Nedenfor fremgår spektre for IR og HNMR (større udgaver med bedre detajleklarhed findes i bilag): Nedenfor har vi analyseret IR-spektret: 19 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium IR-spektret kan hjælpe os med, at afklare hvilke funktionelle grupper, der befinder sig i vores synteseprodukt. Vi er kun i stand til at foretage en approksimerende konklusion, idet nogle af de såkaldte ”stræk og bøj” i spekret kan være tvetydige. Overordnet ser det dog ud til, at vores stof indeholder de funktionelle grupper, som acetylsalicylsyre bør indeholde. Vi har fundet tegn på en carboxylsyre, som sidder i forbindelse med en orthosubstitueret aromat, hvorpå der er forbundet en ester og en alkylgruppe: Carboxylsyre Alkylgruppe Ester Ortho-substitueret aromat Desuden påpegede HNMR-analysen også, at der befandt sig tre ”forskellige” H-atomer i molekylet. Der var tale om: H-atomerne i alkylgruppen H-atomerne i aromaten H-atomet i carboxylsyren HNMR-spektret skildrede desuden H-atomerne i aromaten forskelligt, idet to af dem var påvirket af ét nabo H-atom (blev afbilledet som dupletter), mens de to andre var påvirket af op til to nabo H-atomer (afbilledet som tripletter). Disse søjler lå i området 7,1 - 8,1, mens tripletten ved δ-værdien 2,348 repræsenterer H-atomerne i alkylgruppen (integralet er beregnet til 3,0). Carboxylsyren er afbilledet ved δ-værdien 7,915. Søjlen ved 7,259 repræsenterer opløsningsmidlet, og er derfor uinteressant i denne sammenhæng. 20 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Dokumentation og argumentation Anvendelse af acetylsalicylsyre Efter fremstillingen af acetylsalicylsyre og med vished om, at vi havde opnået en høj renhedsgrad, begyndte vi at eksperimentere med, hvordan synteseproduktet kunne inkorporeres i et helstøbt, afsætteligt produkt. Som en del af vores projektbeskrivelse ønskede vi at fremstille en brusetablet. Under fremstillingen sammenlignede vi vores brusetablet med en Treo® brusetablet. Primært ønskede vi at finde et optimalt blandingsforhold, dvs. en tilpas balance mellem opløsningshastighed og opløsningskvalitet (dvs. skum og uopløste tabletrester). Blandingsforhold Vi afprøvede et utal af kombinationer, hvoraf mange ingen effekt havde. Nedenfor fremgår et udpluk af disse kombinationer: Acetylsalicylsyre Natron Sprængmiddel (stivelse / agar) Glittemiddel Bindemiddel (stivelse) 0,5g 1,3g 0,3g -- 0,15g 0,5g 1,3g 0,3g -- 0,0g Resultat (tid vs. kvalitet) 20 sek. Lav kvalitet 45 sek. Høj kvalitet Som det fremgår af disse blandingsforhold, eksperimenterede vi meget med bindemidlet (stivelse). Det viste sig at have afgørende betydning for, hvor hurtigt tabletten blev opløst. Problematikken lå i, at bindemidlet tilsyneladende også fungerede som sprængmiddel. Eftersom kvalitet var højere prioriteret end hastighed, valgte vi løsningen uden bindemiddel. Se billeder nedenfor: Med bindemiddel Uden bindemiddel 21 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Farvevalg Brusetablettens målgruppe er børn i aldersgruppen 5 - 15 år, og dermed er der særlige designmæssige og udformningsmæssige krav, der gør sig gældende. Børn har som udgangspunkt et andet forhold til begreber som ”kemi”, ”medicin” osv., og det er typisk emner, der overdrives inden tegnefilmsmediet. Mange børn forbinder således kemiske reaktioner med farver, lyde, bevægelser og energi. Af den grund var det vigtigt for os, at produktet var designet i overensstemmelse med børns associationer til kemi og medicin. Vi udpegede tre farver, som vi mente aktiverer særlige, positive og barnlige minder hos børn: Den gule farve repræsenterer dog et naturligt advarselssignal, hvilket er det modsatte af, hvad vores produkt skal udtrykke. Den blå farve var dermed et godt alternativ, men hvis opløsningen skulle minde om en læskedrik, var farven ikke optimal. Således vandt rød over blå og gul. Dimensioner og vægt Hvad angik brusetablettens form, størrelse og vægt var det en svær balancegang mellem de nødvendige ingredienser i det altafgørende blandingsforhold og det ergonomiske, komfortable og brugervenlige. Brusetabletten skulle være indbydende, intuitiv og sjov - men ikke på bekostning af funktion. Derfor tog vi udgangspunkt i en Treo® brusetablet, som indeholder 500mg acetylsalicylsyre og som vejer ca. 2,3g. Vores brusetablet har en slutvægt på 2,2g. 22 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Tværfaglighed Fremstillingen af brusetabletten var en disciplin på tværs af forskellige fag. Der har indgået faglige elementer fra både proceskemi, kommunikation/it og design.Proceskemi har naturligvis bidraget med kemisk viden, laboratoriske teknikker og problemløsning på et naturvidenskabeligt grundlag, mens kommunikation/it og design har indgået i udformningen af tabletten, æstetik, målgruppeanalyse og -bevidsthed og farvers signalværdi. Sammenlagt har vi skabt et produkt, der er velovervejet i flere dimensioner - i det indre såvel som i det ydre. Fagenes diversitet er således årsagen til, at brusetabletten er et helstøbt og realistisk produkt, som sagtens kunne sælges kommercielt. Samarbejdet på tværs af fagene har desuden eksemplificeret, hvordan problemstillinger i ”virkeligheden” bliver løst, og at et produkt sjældent kun undergår én fagekspert. Der er, kort sagt, mange eksperter bag selv de mest enkle produkter. Den færdige brusetablet m. farvestof Vores fremstillede acetylsalicylsyre 23 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Konklusion Perspektivering Siden begyndelsen af december 2010 og frem til begyndelsen af januar 2011 har vi arbejdet på at udvikle et medicinalprodukt, der forener funktion og design. Efter en længere optimeringsfase på projektets nerve - acetylsalicylsyre - har vi formået at fremstille en velfungerende brusetablet, som eksploderer i en smuk, rød farve når det kommer i kontakt med vand. Hvis man forestiller sig, at projektet skal realiseres og udføres på samme måde, som man producerer medicinalprodukter i dag, er der generelt ikke mange ting, der skulle revideres. Vi har fulgt en øvelsesvejledning, der er identisk med den, man bruger i virksomheder i hele verden. Og til trods for laboratoriernes og produktionens ringere sterilitet i forhold til mange virksomheders, har vi opnået et udbytte på næsten 80 % af det teoretisk maksimale. Derudover er vores synteseprodukt meget rent, hvilket er et tegn på, at procedurerne bag fremstillingen er optimale. Besvarelse af problemformulering I projektbeskrivelsen, som De også finder i denne rapport, opstillede vores gruppe en række spørgsmål, som var vigtige at få besvaret i forbindelse med projektet. Hvordan fremstiller man en tablet, som børn vil indtage? Der er mange måder hvorpå man kan appellere til børn, især fordi denne målgruppe er ekstremt påvirkelig og antiskeptisk over for nye, ukendte produkter. Vi besluttede at kommunikere med børn via et barnligt, tiltrækkende og ikke mindst opsigtsvækkende design. Det basale i vores produkt er - bortset fra det aktive stof - farvevalget, som er central i produktets markedsføring. Brusetablettens røde farve, samt dens fascinerende egenskab i vand, gør den sjov og interessant for medicin-angste børn. Hvorfor ønsker nogle børn ikke at indtage tabletter? Det kan være genetiske tilfældigheder eller en éngangstraume, der gør at nogle børn har store problemer med at indtage tabletter. Det er som regel en ubegrundet, men ikke desto mindre ægte, angst for at sluge piller eller drikke opløste brusetabletter. Andre børn finder det ganske enkelt ubehageligt og usmageligt, hvilket muligvis kan skyldes, at der er for stor fokus på produktets (f.eks. Treo®) smag i stedet for dets egentlige funktion: smertelindring. Hvilke analyser er relevante at bruge på produktet? Som det fremgår af vores projektbeskrivelse kan man benytte mange analyser. Vi har dog erfaret, at det tilstrækkeligt med TLC, smeltepunktsbestemmelse, IR, HNMR, 24 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Hvilke stoffer/kemikalier er godkendt til medicinalbrug (herunder farvestoffer, organiske forbindelser osv.)? Som udgangspunkt er reglerne for medicin de samme som for almindelige levnedsmidler og fødevarer. Der er naturligvis undtagelser hvad angår mineraler, vitaminer, enzymer osv., som ofte kun doseres i meget små mængder. Det er sjældent, at man finder brug af farvestoffer i medicin, men der er en lang liste over tilladte farvestoffer, hvori vores selvfølgelig indgår. Hvordan kan det smertestillende stof acetylsalicylsyre fremstilles? Acetylsalicylsyre kan fremstilles ved reaktionen mellem salicylsyre og eddikesyreanhydrid. Det er endvidere muligt at erstatte eddikesyreanhydrid med eddikesyre, men reaktionen er både langsommere og mindre effektiv - af denne grund også billigere. Hvordan oprenses de aktive stoffer i smertestillende produkter? Som omtalt i teoriafsnittet renser man faste stoffer ved omkrystallisation. Ved en omkrystallisation opløser man stoffet i en solvent, som de eventuelle forureninger ikke er opløselige i. Man filtrerer opløsningen, så forureninger efterlades, hvorefter man igen kan lade det aktive stof udfældes og blive til fast stof. Kvalitet af arbejde Som det fremgår af vores analyser for renheden af acetylsalicylsyre er vores synteseprodukt af meget høj kvalitet. Både TLC, smeltepunktsbestemmelse, IR og HNMR (som i øvrigt er meget nøjagtige analyser) viste, at vores produkt i nogle tilfælde var renere end skolens referencestof 5. Produkts opfyldelse af krav Produktet skal have smertestillinde virkning (svær at konstatere). Produktets renhedsgrad skal være i overensstemmelse med europæiske standarder. Produktet skal overholde de gældende regler for tilladt indhold af kemiske forbindelser. Produktet skal appellere til børn i alderen 5 - 15 år. Produktet skal være en brusetablet. Produktet kan være formet i forskellige varianter. 5 OBS: Der vil altid være usikkerhed forbundet med analyser, og i vores tilfælde, hvor vi har behandlet de involverede stoffer med forholdsvist lav sterilitet, er der en risiko for, at analyseresultaterne er upræcise. 25 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Evaluering Projektforløb Projektforløbet har i høj grad været tilrettelagt så der har været rig mulighed for at eksperimentere i praksis. Muligheden for at lave kvalitetssikre optimeringer har bevirket, at slutproduktet er af generel høj kvalitet, og desuden at vi i gruppen har fået stor indsigt i, hvad det vil sige at optimere på et kemisk produkt. Undervejs i projektet skulle alle forberede en fremlæggelse omkring faget proceskemi samt udforme en poster, der redegør for projektet ”Kemisk syntese”. Denne indskudte ekstraopgave trænede vores formidlingsevner, men forringede desværre laboratoriearbejdet pga. en reduktion i tiden. Tidsmæssigt forsøgte vi at følge vores individuelle planlægning (De kan se en afsluttet tidsplan i bilag), men den generelle erfaring er, at teknikfagsfremlæggelserne i uge 1 forsinkede alle senere aktiviteter. Gruppearbejde I dette projekt afprøvede vi en ny gruppearbejdsform, hvor vi traf de overordnede beslutninger i én samlet gruppe på fire mand, mens de mindre opgaver blev afsluttet individuelt. Gruppearbejdet var en succes, og takket være en god rollesammensætning, varetog vi hver især de opgaver, der passede til vores styrker. Synteseprodukt Det fremstillede synteseprodukt, acetylsalicylsyre var ligeledes en succes. Vi opnåede et udbytte på næsten 80 % af det teoretisk maksimale, og renhedsgraden var uovertruffen. Dette viste både TLC, smeltepunktsbestemmelse, IR og HNMR. Slutprodukt Takket være muligheden for at arbejde meget praktisk, havde vi rigelig med tid til at optimere på vores slutprodukt: en rød brusetablet. Adskillige afprøvninger, forskellige blandingsforhold, optimeringer m.h.t. til pillepresning osv. gjorde os klogere, og betød at det endelige produkt var velafprøvet, velfungerende og udført i høj kvalitet. 26 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Litteraturliste www.kidsgrowth.com/resources/articledetail.cfm?id=428 KidsGrowth.com www.rigshospitalet.dk/NR/rdonlyres/E6D1145B-1C67-452A-BFD03DDDDAA8FF2E/0/NaarIskalgivebarnetmedicin.pdf - rigshospitalet.dk www.netsundhedsplejerske.dk/artikler/index.php?option=laes&type=ARTIKLER&id=20 - nedsundhedsplejerske.dk www.en.wikipedia.org - adskillige sider herfra Merck Index www.denstoredanske.dk Gyldendals åbne encyklopædi 27 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Bilag IR og HNMR IR 28 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium HNMR 29 af 30 Simon Traberg-Larsen Proceskemi v. SUH og CHB januar 2011 Odense Tekniske Gymnasium Afsluttet tidsplan 30 af 30
© Copyright 2024