Gruppenpräparat im Organisch-Chemischen Praktikum II

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1 Gruppenpräparat im rganisch-chemischen Praktikum II WS 2007/2008 Versuch Philipp Bissinger Alexander Damme Yvonne Göbel

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Darstellungsmethoden 2.1 Darstellung von Pivalaldehyd mit Ameisensäuremethylester/ -ethylester und tert-butylmagnesiumchlorid 2.2 Darstellung von Pivalaldehyd mit Dimethylformamid und tert- Butylmagnesiumchlorid 2.3 Darstellung von Pivalaldehyd mit Dimethylformamid und tert-butyllithium 3. Experimentalteil 3.1 V1: Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Ameisensäuremethylester 3.2 V2-V4: Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Dimethylformamid 3.3 V5: Reaktion von tert-butyllithium mit Dimethylformamid 3.4 V6: Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Ameisensäureethylester 4. Gesamtdiskussion und Ausblick 5. Sicherheit 6. Literaturverzeichnis 7. Anhang 2

3 1. Einleitung Pivalaldehyd (2,2-Dimethylpropanal) ist ein einfaches und kleines Molekül, das von großem präparativem Interesse ist. So wird es auch im Rahmen des organischchemischen Praktikums für Studenten nach dem Vordiplom als Edukt für drei Umsetzungen verwendet. Da in den vergangenen Semestern die Darstellung von Pivalaldehyd nur mit extrem schlechten Ausbeuten gelang, war es Aufgabe unserer Gruppe, den Syntheseweg zu verbessern. 2. Darstellungsmethoden 2.1 Darstellung von Pivalaldehyd mit Ameisensäuremethylester/ -ethylester und tert-butylmagnesiumchlorid 2,2-Dimethylpropanal kann über eine Grignardreaktion mit tert- Butylmagnesiumchlorid und Ameisensäuremethylester bzw. ethylester dargestellt werden. Hierfür wird zunächst das Grignardreagenz aus elementarem Magnesium und tert-butylchlorid hergestellt, welches dann die Esterfunktion des Ameisensäuremethylesters bzw. ethylesters nucleophil angreift und Methanolat bzw. Ethanolat als Abgangsgruppe aus dem Molekül verdrängt. Cl + Mg Et 2 MgCl H R=Me, Et -40 C Et 2 R H Abb. 1: Syntheseweg über Grignardreaktion mit Ameisensäureester [1] 3

4 2.2 Darstellung von Pivalaldehyd mit Dimethylformamid und tert- Butylmagnesiumchlorid Das Grignardreagenz tert-butylmagnesiumchlorid kann neben Ameisensäureestern auch mit Dimethylformamid als Elektrophil umgesetzt werden. Nach wässriger Aufarbeitung erhält man auf diese Weise ebenso Pivalaldehyd. Cl + Mg Et 2 MgCl H T<-25 C Et 2 N( ) 2 H Abb. 2: Syntheseweg über Grignardreaktion mit Dimethylformamid [2] 2.3 Darstellung von Pivalaldehyd mit Dimethylformamid und tert-butyllithium Neben Magnesiumorganylen können auch Lithiumorganyle zur Darstellung von Pivalaldehyd verwendet werden. Dabei bildet sich in situ aus Lithium und tert- Butylbromid tert-butyllithium, welches Dimethylformamid nucleophil angreift. Nach wässrig saurer Aufarbeitung wird Dimethylamin aus dem Molekül eliminiert und man erhält Pivalaldehyd. Br + Li THF RT, Ultraschall Li H N( ) 2 THF, Ultraschall H Abb. 3: Syntheseweg über Lithiumorganyle mit Dimethylformamid [3] 4

5 3. Experimentalteil Alle Edukte wurden vor ihrer Verwendung mittels Destillation gereinigt. Dimethylformamid (DMF) wurde vor der Verwendung über Calciumhydrid getrocknet und anschließend destilliert. Tetrahydrofuran (THF) wurde vor der Verwendung über Natriumdraht getrocknet und anschließend destilliert. 3.1 V1:Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Ameisensäuremethylester In einem 500 ml Dreihalskolben mit Metallrückflusskühler und zwei Tropftrichtern wurden unter Stickstoffatmosphäre g (540 mmol) Magnesiumspäne mit etwas Iod vorgelegt. Es wurde mit wenig trockenem Diethylether überschichtet und die Grignard-Reaktion durch Zugabe von wenig reinem, frisch destilliertem tert- Butylchlorid gestartet, wobei sich der Ansatz grau verfärbte. Der Rest der 50 g (540 mmol) tert-butylchlorid wurde innerhalb von einer Stunde tropfenweise zugegeben, wobei der Reaktionsansatz zu sieden begann. Gleichzeitig wurden 190 ml trockener Diethylether zugetropft. Nachdem fast das ganze Magnesium reagiert hatte, wurde das Grignardreagenz mit Hilfe einer Spritze über ein Septum in den Tropftrichter einer zweiten Apparatur, bestehend aus 500 ml Dreihalskolben und dem Tropftrichter, überführt. Unter Stickstoffatmosphäre wurden in dem Kolben g (1.08 mol) Ameisensäuremethylester vorgelegt und auf 40 C abgekühlt (Aceton- Trockeneis-Bad). Das Grignardreagenz wurde so zugetropft, dass die Temperatur nicht über 40 C anstieg. Der so erhaltene Grignardkomplex wurde mit Eis und verdünnter Schwefelsäure versetzt, die etherische Schicht abgetrennt und die wässrige Phase dreimal mit je 30 ml Diethylether gewaschen. Die vereinigten etherischen Phasen wurden über Natriumsulfat getrocknet und mit 250 mg Hydrochinon versetzt. Der Diethylether wurde am Rotationsverdampfer entfernt, und der Rückstand über eine 10 cm Vigreux-Kolonne unter Stickstoffatmosphäre fraktionierend destilliert. [1] 5

6 Tabelle 1 Siedeprotokoll V1 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Ausbeute: Aus Fraktion 3 und 4 erhält man 0.92 g (10.7mmol, 2%) Pivalaldehyd. Charakterisierung: n 20 D : siehe Siedeprotokoll ([4]: ) IR: ν [cm -1 ]= 2980 (vgl. [5]) V2-V4: Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Dimethylformamid V2: In einem 500 ml Dreihalskolben mit Metallrückflusskühler, Thermometer und Tropftrichter wurden unter Stickstoffatmosphäre 7.63 g (314 mmol) Magnesiumspäne mit etwas Iod vorgelegt. Es wurde mit wenig trockenem Diethylether überschichtet und die Grignard-Reaktion durch Zugabe von wenig reinem, frisch destilliertem tert- Butylchlorid gestartet, wobei sich der Ansatz grau verfärbte. Der Rest der g (314 mmol) tert-butylchlorid wurde innerhalb von einer Stunde tropfenweise 6

7 zugegeben, wobei der Reaktionsansatz zu sieden begann. Gleichzeitig wurden 300 ml trockener Diethylether zugetropft. Nach einer Stunde wurde der Reaktionsansatz auf 25 C gekühlt (Aceton-Trockeneis-Bad). Eine Lösung von g (314 mmol) getrocknetem und frisch destilliertem Dimethylformamid in 28 ml trockenem Diethylether wurde so zugetropft, dass die Temperatur nicht über 25 C stieg. Anschließend wurden g (314 mmol) trockenes Dimethylformamid in 28 ml trockenem Diethylether bei 8 C schnell zugetropft. Es bildete sich ein feiner Niederschlag. Nach fünf Minuten wurden 0.2 g Hydrochinon zugegeben. Das Kühlbad wurde entfernt und der Reaktionsansatz über Nacht unter Stickstoffatmosphäre gelagert. Der so erhaltene Grignardkomplex wurde auf 0 C gekühlt und mit 4 N Salzsäure auf ph 1 eingestellt. Die etherische Schicht wurde abgetrennt und die wässrige Phase viermal mit je 25 ml Diethylether gewaschen. Die vereinigten etherischen Phasen wurden über Magnesiumsulfat getrocknet. Der Diethylether wurde am Rotationsverdampfer entfernt, und der Rückstand unter Stickstoffatmosphäre über eine 20 cm Vigreux-Kolonne fraktionierend destilliert. [2] Tabelle 2 Siedeprotokoll V2 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Ausbeute: Die IR-Spektren lassen darauf schließen, dass in den Fraktionen 2-5 Pivalaldehyd vorhanden ist, dieser jedoch wahrscheinlich mit Diethylether verunreinigt ist. Insgesamt wurden 7.11 g (maximal 82.5 mmol, 26 %) von stark verunreinigtem Pivalaldehyd erhalten. 7

8 Charakterisierung: n 20 D : siehe Siedeprotokoll ([4]: ) IR: ν [cm -1 ]= 2980 (vgl. [5]) > Diethylether 890 V3: Der Versuch wurde analog V2 durchgeführt. [2] Tabelle 3 Siedeprotokoll V3 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Ausbeute: Die IR-Spektren lassen darauf schließen, dass in den Fraktionen 2-6 Pivalaldehyd vorhanden ist, dieser eventuell aber mit Diethylether verunreinigt ist. Insgesamt wurden 2.83 g (maximal 32.9 mmol, 10 %) von verunreinigtem Pivalaldehyd erhalten. 8

9 Charakterisierung: n 20 D : siehe Siedeprotokoll ([4]: ) IR: ν [cm -1 ]= 2980 (vgl. [5]) NMR: Im NMR Spektrum konnte neben Pivalaldehyd als Verunreinigung noch Diethylether identifiziert werden: 1 H-NMR Pivalaldehyd: (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.07 (s, 12H; C( ) 3 ), 9.47 (s, 1H; CH). Diethylether: (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.20 (t, 3H; ), 3.47 (q, 2H; CH 2 ). V4: Der Versuch wurde analog V2, jedoch bei 45 C durchgeführt. [2] Tabelle 4 Siedeprotokoll V4 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Ausbeute: Die IR-Spektren lassen darauf schließen, dass in den Fraktionen 3 und 4 Pivalaldehyd vorhanden ist, dieser wahrscheinlich aber mit Diethylether verunreinigt 9

10 ist. Insgesamt wurden 0.23 g (maximal 2.67 mmol, 1 %) von verunreinigtem Pivalaldehyd erhalten. Charakterisierung: n 20 D : siehe Siedeprotokoll ([4]: ) IR: ν [cm -1 ]= 2930 (vgl. [5]) > Diethylether V5: Reaktion von tert-butyllithium mit Dimethylformamid V5: In einen 500 ml Dreihalskolben mit Stickstoffaufsatz wurden unter Argonatmosphäre 250 ml trockenes THF, 7.96 g (58.1 mmol) tert-butylbromid, 4.25 g (58.1 mmol) trockenes Dimethylformamid und 0.81 g (116 mmol) Lithium gegeben. Die Reaktion wurde bei Raumtemperatur in einem Ultraschallbad (35 khz) durchgeführt. Nach zwei Stunden ging sämtliches Lithium in Lösung. Anschließend wurde der Reaktionsansatz mit 4 N Salzsäure angesäuert und mit Natriumchlorid gesättigt. Die wässrige Phase wurde abgetrennt und fünfmal mit je 25 ml Diethylether extrahiert. Die gesammelten organischen Phasen wurden über Natriumsulfat getrocknet und über eine 20 cm Vigreux-Kolonne unter Argonatmosphäre fraktionierend destilliert. [3] 10

11 Tabelle 5 Siedeprotokoll V5 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Aus den IR-Spektren lässt sich nicht eindeutig erkennen, ob Pivalaldehyd entstanden ist. Die Temperatur stieg stetig an, sodass keine erfolgreiche Destillation möglich war. Charakterisierung: IR: ν [cm -1 ]= 2980 (vgl. Lit. 5) > Diethylether V6: Reaktion von tert-butylmagnesiumchlorid mit Ameisensäureethylester V6: In einem 500 ml Dreihalskolben mit Metallrückflusskühler und zwei Tropftrichtern wurden unter Argonatmosphäre g (540 mmol) Magnesiumspäne mit etwas Iod vorgelegt. Es wurde mit wenig trockenem Diethylether überschichtet und die Grignard-Reaktion durch Zugabe von wenig reinem, frisch destilliertem tert-butylchlorid gestartet, wobei sich der Ansatz grau verfärbte. Der Rest der 50.0 g (540 mmol) tert-butylchlorid wurde innerhalb einer Stunde tropfenweise zugegeben, 11

12 wobei der Reaktionsansatz zu sieden begann. Gleichzeitig wurden 190 ml trockener Diethylether zugetropft. Nachdem fast das ganze Magnesium reagiert hatte, wurde das Grignardreagenz mit Hilfe einer Spritze über ein Septum in den Tropftrichter einer zweiten Apparatur, bestehend aus 500 ml Dreihalskolben und dem Tropftrichter, überführt. In dem Kolben wurden 80.0 g (1.08 mol) getrockneter Ameisensäureethylester (24 h über MgS 4 gerührt und anschließend auf Phosphorpentoxid (10 g/l) destilliert) vorgelegt und unter Stickstoffatmosphäre auf 40 C gekühlt (Aceton-Trockeneis-Bad). Das Grignardreagenz wurde so zugetropft, dass die Temperatur nicht über 40 C anstieg. Der so erhaltene Grignardkomplex wurde mit Eis und verdünnter Schwefelsäure versetzt, die etherische Schicht abgetrennt und die wässrige Phase dreimal mit je 30 ml Diethylether extrahiert. Die vereinigten etherischen Phasen wurden über Natriumsulfat getrocknet. Der Diethylether wurde am Rotationsverdampfer entfernt, und der Rückstand über einen 20 cm Vigreux-Kolonne unter Argonatmosphäre fraktionierend destilliert. [1] Tabelle 6 Siedeprotokoll V6 Fraktion Siedetemperatur [ C] Brechungsindex Masse [g] IR-Nr Die Fraktionen 3-5 zeigen deutlich die erwarteten Banden im IR Spektrum. Insgesamt wurden g (252 mmol, 47 %) von verunreinigtem Pivalaldehyd erhalten. 12

13 Charakterisierung: n 20 D : siehe Siedeprotokoll ([4]: ) IR: ν [cm -1 ]= 2980 (vgl. [5]) NMR: Die Fraktionen 3 und 4 enthalten Pivalaldehyd. 1 H-NMR (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.01 (s, 12H; C( ) 3 ), 9.41 (s, 1H; CH). In Fraktion 3 befand sich zusätzlich Ethanol 1 H-NMR (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.25 (t, 3H; ), 2.55 (s, 1H; H), 3.41 (q, 2H; CH 2 ). und Diethylether. 1 H-NMR (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.22 (t, 3H; ), 3.63 (q, 2H; CH 2 ). In Fraktion 4 findet man Ethanol. 1 H-NMR (250.0 MHz, CDCl 3, CDCl 3 ): δ = 1.20 (t, 3H; ), 2.14 (s, 1H; H), 3.68 (q, 2H; CH 2 ). 13

14 4. Gesamtdiskussion und Ausblick Der erste Versuch, der nach der angegebenen Versuchsvorschrift [1] durchgeführt wurde sollte einen Einblick in die Problematik dieses Versuches liefern. Wie in den Semestern zuvor konnten auch wir keine zufriedenstellende Ausbeute an Pivalaldehyd erzielen. Bei diesem ersten Versuch zeigte sich auch, dass sich die Destillation schwierig gestaltet, da keine der Fraktionen bei der eigentlichen Siedetemperatur von Pivalaldehyd überging. Zudem wird in weiteren veröffentlichten Arbeiten, die sich mit der Substanz Pivalaldehyd beschäftigen, deutlich, dass der hier gegangene Syntheseweg keineswegs zu optimalen Ausbeuten führt. So konnten Cox et. al., die sich mit den spektroskopischen Parametern dieser Verbindung beschäftigten, Pivalaldehyd nach dieser Vorschrift nur in Ausbeuten von 15 % synthetisieren. [6] Die Umsetzung des tert-butylmagnesiumchlorids mit Dimethylformamid stellt eine Alternative zur ersten Umsetzung dar. Vorteil hierbei ist, dass nach dem ersten Angriff der Grignardverbindung auf die Carbonylfunktion des Dimethylformamids kein zweiter Angriff zu erwarten ist, da das Amin eine schlechte Abgangsgruppe darstellt, die erst bei saurer Aufarbeitung aus dem Molekül verdrängt wird. Im Gegensatz dazu könnte bei der Reaktion mit Ameisensäureester dieser zweifach angegriffen werden und so zum Alkohol reagieren. So ließen sich zwar die Ausbeuten steigern, jedoch konnte das Produkt durch die Destillation nicht vollständig gereinigt und isoliert werden. Auch die Erniedrigung der Reaktionstemperatur führte nicht zur erhofften Steigerung der Ausbeute. Die Verwendung von in situ hergestelltem tert-butyllithium stellt eine einfache Alternative zu den bisher verwendeten Grignardverbindungen dar. Die Umsetzung verläuft schnell und ohne großen Arbeitsaufwand. Als Problem stellte sich jedoch die Isolierung des gewünschten Produktes heraus. Durch Verwendung von THF als Lösemittel, dessen Siedepunkt von 64 C sehr nahe dem von Pivalaldehyd (71-74 C) liegt, konnte das Produktgemisch destillativ leider nicht getrennt werden. Allerdings stellt die Verwendung von tiefer siedendem Diethylether statt THF eine Alternative dar, die zu einem besseren Ergebnis führen sollte. 14

15 Letztendlich führte die Umsetzung des Grignardreagenzes mit getrocknetem Ameisensäureethylester unter Argon zur größten Produktausbeute. Der nicht getrocknete Ester scheint so viel Wasser zu enthalten, dass ein Großteil der Grignardverbindung zersetzt und somit die Ausbeute geschmälert wird. Als weitere Möglichkeit, die Ausbeute weiter zu steigern, sollte tert-butylchlorid vor Verwendung nicht nur destillativ gereinigt werden, sondern ebenfalls getrocknet werden, um letztendlich vollständigen Wasserausschluss zu gewährleisten. Sollten die hier beschriebenen Vorschläge nicht zur Verbesserung führen, so könnte ein anderer Syntheseweg beschritten werden, bei dem keine Metallorganyle verwendet werden. So könnte zum Beispiel Pivalinsäure ins entsprechende Säurechlorid überführt werden [7] und mit Ameisensäure zum Aldehyd reduziert werden: [8] H 2 92 % Cl Cl NH 4 H H RT, min 85 % Abb. 4: Reaktion von Pivalinsäure mit Benzoylchlorid und anschließende Reduktion zum Aldehyd mit Ameisensäure. Die Ameisensäure dient in dieser Reaktion als Hydridüberträger. Die verwendeten Chemikalien sind günstig und leicht zugänglich, zudem verlaufen alle Reaktionen in kurzer Zeit und die Aufarbeitung kann schnell und einfach erfolgen. 15

16 5. Sicherheit Ameisensäureethylester Ameisensäuremethylester 2-Brom-2-methylpropan 2-Chlor-2-methylpropan Diethylether N,N-Dimethylformamid Hydrochinon Lithium Magnesium Tetrahydrofuran F, Xn F+, Xn F F F+, Xn T Xn F, C F F, Xi R 11-20/22-36/37 S R 12-20/22-36/37 S R 11 S R 11 S 9-16 R S R 61-20/21-36 S R S 26-36/37/39-61 R 14/15-34 S R S 7/ R /37 S

17 6. Literaturverzeichnis [1] Müller, E. Methoden rg. Chem.(Houben-Weyl), 4. Aufl., Thieme Verlag, 1958, Bd. VII/1, S. 68. [2] Nazarski, R. B.; Tasz, M. K.; Skowronski, R. Bull. Soc. Chim. Belg. 1992, 101, [3] Pétrier, C.; Gemal, A. L.; Luche, J.-L. Tetrahedron Lett. 1982, 23, [4] Campbell, K. N. J. Am. Chem. Soc. 1937, 59, [5] Spectral Database for rganic Compounds (SDBS) (SDBS No. 5412). [6] Cox, P. A.; Couch, A. D.; Hillig, K. W.; LaBarge, M. S.; Kuczkowski, R. L. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1991, 87, [7] Brown, H. C. J. Am. Chem. Soc. 1938, 60, [8] Shamsuddin K. M.; mair Zobairi, M..; Musharraf, M. A. Tetrahedron Lett. 1998, 39,