Protokoll zum Gruppenpräparat Versuch / 8.5

Transkript

1 Protokoll zum Gruppenpräparat Versuch / 8.5 Organisch-chemisches Praktikum 2 Julius-Maximilians-Universität Würzburg Fakultät für Chemie und Pharmazie Vorgelegt von: Julian Koeller, Carl Schiller, René Fritsch, Eileen Welz Würzburg,

2 Inhalt 1.1 Versuch Versuch Versuch Versuch Versuch Anhang NMR-Spektren IR-Spektren

3 1.1 Versuch Literatur: [1] Mustervorschrift zu 8.5, WS 08/09, Somorowsky Ferdinand, Grundler Verena, Keller Kristina [2] Mustervorschrift zu WS 05/06, Stefan Götzendörfer, Cordula ege [3] Organic Syntheses, Coll. Vol. 5, K. Dimroth, C. Reichardt, and K. Vogel, p.1135 Reaktion Vorgehensweise: Die Reaktion wurde zunächst nach der Mustervorschrift aus dem WS 05/06 WS 08/09 durchgeführt um diese damit auf Fehler und mögliche Verbesserungen zu überprüfen. Analog zu der hier beschriebenen Vorgehensweise wurde ein Ansatz mit dem entsprechendem Perchlorat durchgeführt. Ansatzgröße Ansatz 1 Ansatz 2 Trans-Chalkon: 25.0 g (120 mmol) Acetophenon 7.21 g (60.0 mmol) Tetrafluoroborsäure etherisch 20 ml - Perchlorsäure 70 % - 1,4-Dioxan 75 ml Diethylether 20 ml Gefahrenpotential eingesetzte Stoffe trans-chalkon (Benzylidenacetophenon) Signalwort/ Piktogramme Achtung Nummern der und P Sätze P 280 3

4 Achtung Acetophenon P Tetrafluoroborsäure etherisch Gefahr P Diethylether 2,4,6-Triphenylpyrylium-tetrafluoroborat Gefahr EU P Achtung P 280 1,4-Dioxan Gefahr P Entsorgung trans-chalkon: gelöst in Aceton als halogenfreie organische Lösemittelabfälle geben Acetophenon: gelöst in Aceton als halogenfreie organische Lösemittelabfälle geben Tetrafluoroborsäure etherisch: Nach Neutralisation mit verdünnter Natronlauge und anschließender Trennung der Phasen als saure/basische (je nach p) wässrige Lösemittelabfälle und organisch halogenhaltige Lösemittel entsorgen Diethylether: in halogenfreie organische Lösemittelabfälle geben 1,4-Dioxan: in halogenfreie organische Lösemittelabfälle geben 2,4,6-Triphenylpyrylium-tetrafluoroborat: gelöst in Aceton als halogenhaltige organische Lösemittelabfälle geben Versuchsdurchführung In einem 250ml Dreihalskolben mit Rückflusskühler, Innenthermometer und Tropftrichter wurden 7.21 g (60 mmol) Acetophenon und 25.0 g (120 mmol) Chalkon in 75 ml Dioxan gelöst und auf 70 C erhitzt. Nun wurden 20 ml einer 50%igen etherischen Tetrafluorborsäure-Lösung innerhalb einer 4

5 Stunde hinzugegeben und anschließend 60 min unter Rückfluss erhitzt. In die erkaltete Lösung wurden 20 ml Ether gegeben. Der über Nacht bei Raumtemperatur ausgefallene Feststoff wurde abfiltriert und mit Ether gewaschen. Das Rohprodukt wurde aus Ethanol umkristallisiert. Ausbeute: 12.6 g (31.8 mmol, 53 %) eines leuchtend gelben Feststoffs gewonnen Charakterisierung Schmelzpunkt: C Infrarotspektrum: ν = 3070 cm-1 Schwach Aromatische C--Valenz Mechanismus Zunächst erfolgt säure-katalysiert die Enolbildung. Das Enol greift dem ASB-Konzept folgend als eher weiches Nukleophil die 4er-Position des Micheal-System an. Anschließend erfolgt unter Wasserabspaltung die Cyclisierung. Durch Oxidation des Zwischenprodukts wird das aromatische System erhalten, das Tetrafluoroboratanion wirkt dabei schwach komplexierend. 5

6 Fehlerdiskussion & Verbesserungsvorschläge Insgesamt traten beim Durchführen des Versuches keine großen Probleme auf. In den Mustervorschriften der vergangen Jahren wurde die Lösung zu stark abgekühlt, so dass auch das Lösungsmittel kristallisieren würde, dies hätte ein Ausfallen sämtlicher Verunreinigungen zur Folge und würde sich dementsprechend schlecht auf die Reinheit des Rohprodukts auswirken. Dementsprechend wurde die Reaktionslösung lediglich auf etwa 15 C abgekühlt. Die parallel durchgeführte Reaktion mit dem Perchlorat brachte keine Verbesserung der Ausbeute. Anhang: DC-Kontrolle nach 80 min 6

7 1.2 Versuch Literatur: [1] Mustervorschrift zu 8.5, WS 08/09, Somorowsky Ferdinand, Grundler Verena, Keller Kristina [2] M. S. Kharasch, B. S. Joshi, J. Org. Chem. 1962, 27, Reaktion NO NaNO 2 conc. Cl EtO, -5 C O C O 206,32 g/mol O C NO 2 235,32 g/mol Vorgehensweise: Der Versuch wurde nach der Mustervorschrift aus dem WS 08/09 durchgeführt und diese somit verifiziert. Ansatzgröße 8.56 g (41.5 mmol) 2,6 Di tert butylphenol 3.15 g (45.0 mmol) Natriumnitrit 5.70 ml Salzsäure konz. Gefahrenpotential eingesetzte Stoffe 2,6 Di tert butylphenol Salzsäure konz. Gefahrensymbole Nummern der und P Sätze 302, 412, P , 335, 290, P280, P301+P330+P331, P305+P351+P338 7

8 Natriumnitrit 2,6 Di tert. butylbenzochinon 4 oxim - 272, 301, 400, P220, P273, P301+P310 Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln. Entsorgung Salzsäure: Nach Neutralisation mit verd. Natronlauge mit viel Wasser in den Abfluss. Natriumnitrit: gelöst als wässrige alkalische Lösemittelabfälle 2,6 Di tert butylphenol: gelöst als organisch halogenfreier Lösemittelabfall 2,6 Di tert. butylbenzochinon 4 oxim: gelöst als organisch halogenfreier Lösemittelabfall Versuchsdurchführung In einem 250 ml Dreihalskolben mit Innenthermometer und Tropftrichter wurden 2,6 Di tertbutylphenol 8.56 g (41.5 mmol) in 75 ml Ethanol gelöst und 5.70 ml konz. Salzsäure hinzugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde auf -5 C gekühlt und 3.15 g (45.0 mmol) in 15 ml Wasser gelöstes Natriumnitrit so zugetropft das die Temperatur konstant bleibt. Nach der Zugabe wurde weitere 30 min gerührt, und die Lösung auf Eiswasser gegeben. Der entstandene Niederschlag wurde abfiltriert. Das Rohprodukt wurde aus Petrolether / Ethanol (3:1) umkristallisiert. Ausbeute 7.32 g (31.13 mmol, 75%) eines gelben kristallinen Feststoffes erhalten. Charakterisierung Schmelzpunkt: C Petrolether / Ethanol (3:1) Infrarot-Spekrum: v= 3300 cm -1 O-Valenz v= 2950 cm -1 C--Valenz aromatisch v= 1600 cm -1 C=0-Valenz in α,β-ungesättigten Ketonen 1 -NMR (CDCl 3 ): δ= 1.27 (s, 18, 2 tertylgruppen), δ= 4.03 (s, 1, O-Gruppe), δ= 6.50 (s, 2, aromatische Protonen) Mechanismus Zunächst wird das Nitritanion protoniert, unter Wasserabspaltung erfolgt dann die Bildung des Nitrosylkations. Dieses reagiert in einer elektrophilen aromatischen Substitution mit dem Aromat. Dabei erfolgt die Substitution in para-stellung zur ydroxygruppe. Gründe hierfür sind der +M-Effekt der ydroxygruppe sowie die sterische inderung der beiden meta-positionen durch die beiden tert- Butylreste. Da in saurer Lösung gearbeitet wird stehen die Nitroso- und die Oximform im 8

9 Gleichgewicht zueinander. Dieses sollte stark auf der Seite des Oxims liegen, da im Oxim ein ausgedehntes chinoides System vorliegt. NaNO 2 +Cl NaCl + NO O N O NO NO + O O O Fehlerdiskussion und Verbesserungsvorschläge Der Versuch konnte nach der Mustervorschrift gut durchgeführt werden. Das beim Umkristallisieren verwendete Lösemittel bildete zwei Phasen was evtl. zu einer Verschlechterung der Ausbeute führte. ier sollte nach einem geeigneterem Lösungsmittel zur Umkristallisation gesucht werden. Anhang: DC-Kontrolle nach 100 min 9

10 1.3 Versuch Literatur: [1] E. Manda, Bull. Chem. Soc. Japan, 1974, 47, ; [2] Becker,. G. O. et al.; Organikum, 23. Aufl., Wiley-VC, Weinheim, 2009, S. 92ff. Reaktion NO N 3 Cl Zn/Cl, MeO O C NO 2 235,32 g/mol O C ClNO 257,80 g/mol Ansatzgröße 1.40 g (5.95 mmol) 2,6-Di-tert.-butylbenzochinon-4-oxim 1.00 g (15.3 mmol) Zink-Pulver 4.0 ml (48.4 mmol, 1.77 g, d = 1.19 g. ml-1) konz. Salzsäure 30 ml Methanol 50 ml Wasser eingesetzte Stoffe Gefahrensymbole Nummern der und P Sätze 2,6 Di tert. butylbenzochinon 4 oxim - Zinkpulver Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln. 410, P273, P501 Methanol 225,301,311,331,370, P210, P260,P280,P301+P310, P311 Entsorgung 10

11 Salzsäure: Nach Neutralisation mit verd. Natronlauge mit viel Wasser in den Abfluss. Natriumnitrit: gelöst als wässrige alkalische Lösemittelabfälle 2,6 Di tert butylphenol: gelöst als organisch halogenfreier Lösemittelabfall 2,6 Di tert. butylbenzochinon 4 oxim: gelöst als organisch halogenfreier Lösemittelabfall Versuchsdurchführung Für diesen Versuch wurden alle Arbeiten unter Stickstoffatmosphäre durchgeführt. In einem 100-ml-Dreihalskolben mit Tropftrichter, Stickstoffaufsatz, Rückflusskühler, einem darauf aufgesetzten Blasenzähler und einem Magnetrührer werden 1.40 g (5.95 mmol) 2,6-Di-tert.- butylbenzochinon-4-oxim und 1.00 g (15.3 mmol) Zink-Pulver in 30 ml, zuvor mit Stickstoff entgastes, Methanol suspendiert. Die gelbliche Mischung wird zum Sieden erhitzt (Ölbadtemperatur: 90 C). Unter Rückfluss werden innerhalb von 45 Minuten 3.5 ml (42.3 mmol) konzentrierte Salzsäure eingetropft. Danach wird die rötliche Suspension weitere 30 Minuten unter Rückfluss erhitzt. Es werden 0.50 ml (6.05 mmol) konzentrierte Salzsäure zugegeben, wobei eine farblose Mischung mit nicht abreagiertem Zink entsteht. Es werden nochmals 20 Minuten unter Rückfluss erhitzt. Die abgekühlte, farblose Lösung wird im Ölpumpenvakuum mit einer vorgeschalteten Kühlfalle unter Rühren auf ca. 10 ml eingeengt und mit 40 ml eisgekühltem, entgastes Wasser versetzt. Der entstandene, farblose Niederschlag wird über eine Umkehrfritte filtriert, mit 10 ml kaltem, entgasten Wasser gewaschen und im Ölpumpenvakuum 1 Stunde lang getrocknet. Es wird ein fast farbloses, kristallines Produkt erhalten, das unter Stickstoffatmosphäre gelagert werden muss. Ausbeute 1.12 g (4.34 mmol, 73 %) Charakterisierung Schmelzpunkt: C (Methanol/Wasser) (Lit. [1]: C) Infrarot-Spektrum: ν = 3630 cm-1 (m, -O--Valenz, Phenole) ν = 3320 cm-1 (m,b, N3+-Valenz, Aminhydrochloride) ν = 3086 cm-1 (m, =C--Valenz, Aromaten) ν = cm-1 (m, -C--Valenz, gesättigte KW-Reste) ν = 2960, 2870 cm-1 (m, -C3-Valenz, gesättigte KW-Reste) ν = 1590 cm-1 (m, -N--Deform., prim. Amine) ν = 1500 cm-1 (m, Ringschwingung, Aromaten) ν = 1430 cm-1 (s, -C3-Deform., gesättigte KW-Reste) 1 -NMR (CDCl 3 ): δ= 1.42 (s, 18, 2 tertylgruppen), δ= 7.33 (s, 2, aromatische Protonen) δ= (s, 3, N Gruppe) 11

12 Mechanismus Bei dieser Reaktion handelt es sich evtl. um eine Abfolge von zwei Redoxreaktionen. a) b) In der ersten Reaktion wird Zink durch Salzsäure oxidiert. Es entsteht in der Reduktionsreaktion vorerst sehr reaktiver, naszierender Wasserstoff und insgesamt noch Zink(II)-chlorid. Der naszierende Wasserstoff reagiert im Weiteren Reaktionsverlauf mit dem Edukt nach folgendem, radikalischen Mechanismus. Ein Elektron der N-O-Bindung greift ein Wasserstoffradikal an und verbindet sich mit diesem unter Bildung von Wasser. Es entsteht eine Stickstoffradikal-Spezies. Diese addiert sich an ein weiteres Wasserstoffradikal und bildet die Benzochinon-Imin-Spezies. Nun erfolgt der radikalische Angriff eines Wasserstoffradikals an der C-O-Doppelbindung des chinoiden Systems. Es bildet sich unter Aromatisierung das Phenol-Derivat aus. Der Stickstoff liegt als Radikal vor und kann im nächsten Schritt ein weiteres Wasserstoffradikal addieren. Es bildet sich die 4-Aminophenol-Spezies aus. Im letzten Schritt reagiert das Amin in einer Säure-Base-Reaktion mit der Salzsäure und bildet im sauren Milieu das Produkt, 4 Amino 2,6 di tert. butylphenol hydrochlorid, aus. 12

13 N O N N t Bu t Bu - 2 O t Bu t Bu t Bu t Bu O O O Cl N + Cl - N N t Bu t Bu t Bu t Bu t Bu t Bu O O O Fehlerdiskussion & Verbesserungsvorschläge Der Versuch hat bezüglich der Ausbeute und Reinheit des Produkts hervorragend funktioniert. Die Ausbeute liegt nur 11 % unter der Literaturausbeute. Die längere Reaktionszeit, als auch der Überschuss an Salzsäure, der zum Auflösen des Zinks verwendet wurde, könnten auf die Ausbeute positiv gewirkt haben. Die weitere Umsetzung sollte möglichst rasch erfolgen. Anhang: DC-Kontrolle nach Isolierung des Produkts mit NaO 13

14 1.4 Versuch Literatur: [1] K. Dimroth, C. Reinhard, T. Siegmann, F. Bohlmann, Liebigs Ann. Chem. 1963, 661, Reaktion Cl Ph N 3 Ph + Ph O Ph NaOAc EtO, 2.5 h Ph N Ph BF 4 O BF 4 O C ClNO g/mol C O + BF g/mol C NO + BF g/mol Ansatzgröße 1.28 g (3.23 mmol) 2,4,6-Triphenyl-pyrilium-Bortrifluorid 1.00 g (3.87 mmol) 2,6-Di-tert.-butyl-4-amino-phenol 40 ml Ethanol 0.40 g (4.88 mmol) Natriumacetat 10 ml 50%ige BF4-Lösung Gefahrenpotential eingesetzte Stoffe 4 Amino 2,6 di tert. butylphenol hydrochlorid 2,4,6-Triphenylpyrylium-tetrafluoroborat Gefahrensymbole Nummern der und P Sätze Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln. 302, 312, 332 P 280 Natriumacetat - Ethanol 225, P210 14

15 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxyphenyl] pyridinium tetrafluorborat Tetrafluoroborsäure Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln 314, 290 P 280, , Entsorgung 4 Amino 2,6 di tert. butylphenol hydrochlorid: gelöst in Aceton als organisch halogenhaltiger Lösemittelabfall 2,4,6-Triphenylpyrylium-tetrafluoroborat: gelöst in Aceton als organisch halogenhaltiger Lösemittelabfall Natriumacetat: gelöst in Wasser als wässrig alkalische Lösemittelabfall Ethanol: organisch halogenfreier Lösemittelabfall 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxy phenyl] pyridinium tetrafluorborat: gelöst in Aceton als organisch halogenhaltiger Lösemittelabfall Tetrafluoroborsäure etherisch: Nach Neutralisation mit verdünnter Natronlauge und anschließender Trennung der Phasen als saure/basische (je nach p) wässrige Lösemittelabfälle und organisch halogenhaltige Lösemittel entsorgen Versuchsdurchführung Sämtliche Reaktionsschritte bis zur Isolation wurden unter Stickstoff-Schutzgas-Atmosphäre durchgeführt, die verwendeten Lösemittel wurden nach den herkömmlichen Methoden getrocknet. In einem 100 ml Rundkolben mit Rückflusskühler wurden g (mmol) 2,4,6-Triphenyl-pyrilium- Bortrifluorid und g (mmol) 2,6-Di-tert.-butyl-4-amino-phenol vorgelegt. Anschließend fügt man ml Ethanol und g Natriumacetat hinzu und erhitzt für 2.5 h unter Rückfluss. Der Reaktionslösung wurden g Aktivkohle zugefügt und anschließend wurde heiß filtriert. Nach dem Abkühlen fügte man 50%ige BF4-Lösung zu und filtrierte den entstandenen Feststoff ab. Die Umkristallisation erfolgte aus Ethanol. Ausbeute: 802 mg (1.33 mmol / 41%) eines gelbgrünen Feststoffes. Lit.: 49% Charakterisierung Infrarotspektrum: ʋ = 1623 cm-1 C=C (aromatische Ringschwingung) ʋ = 2958 cm-1 -C3-Valenzschwingung ʋ = 3375 cm-1 -O-- Valemzschwingung (breit) Mechanismus 15

16 Duch Zugabe einer schwachen Base wird das Ammoniumsalz deprotoniert und somit ein nuclephiles Stickstoffatom generiert. Dieses greift anschließend nucleophil an dem Ring an, dabei erfolgt zunächst die Ringöffnung. Durch einen weiteren nucleophilen Angriff des Stickatoms an die Carbonylfunktion erfolgt der erneute Ringschluss unter Ausbildung des eigentlichen Produkts. Fehlerdiskussion und Verbesserungsvorschläge Da die Umsetzung des ydrochlorides erst am Folgetag erfolgen konnte, kann nicht ausgeschlossen werden, dass eine teilweise Oxidation des Eduktes stattgefunden hatte. Dies würde zwangsweise zu Ausbeuteverlusten führen. Daher sollte die Umsetzung möglichst am selben Tag erfolgen. Anhang: DC-Kontrolle nach 2.5 h 16

17 17

18 Versuch Literatur [1] K. Dimroth, C. Reinhard, T. Siegmann, F. Bohlmann, Liebigs Ann. Chem. 1963, 661, Reaktion Ph Ph Ph N Ph BF 4 NaOEt EtO, 5 min Ph N Ph O O C NO + BF g/mol C NO g/mol Ansatzgröße 700 mg (1.17 mmol) 2,4,6-Triphenyl-N-(3,5-di-tert.-butyl-4-hydroxyphenyl)-pyridinium-tetrafluorborat 40 ml Ethanol 0.20 g (8.70 mmol) Natrium 100 ml 2 N Natronlauge Gefahrenpotential eingesetzte Stoffe 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxyphenyl] pyridinium tetrafluorborat Ethanol Gefahrensymbole Nummern der und P Sätze Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln 225, P210 Natrium 260, 314, P280, P301+P330P+331,P305+P351+P338,P309+P310, P370+P378, P422 18

19 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxyphenyl] pyridinium betain Keine Einstufung nach Ghs vorhanden. Als giftig zu behandeln Entsorgung Natrium: Kleine Reste in Petrolether vorlegen und vorsichtig iso-propanol oder Ethanol zugeben, danach mit Wasser versetzen und neutralisieren. Das Gemisch wird im Sammelbehälter für neutrale wässrige Lösungen entsorgt. Größere Mengen als Sondermüll entsorgen. Ethanol: als organisch halogenfreier Lösemittelabfall 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxy phenyl] pyridinium tetrafluorborat: gelöst in Aceton als organisch halogenhaltiger Lösemittelabfall 2,4,6 Triphenyl N [3,5 di tert. butyl 4 hydroxy phenyl] pyridinium betain: gelöst in Aceton als organisch halogenhaltiger Lösemittelabfall Versuchsdurchführung In einem 100 ml Rundkolben wurden ml trockenes Ethanol vorgelegt und unter Stickstoffatmosphäre g (mmol) Natrium zugefügt. Anschließend wurden g (mmol) 2,4,6-Triphenyl-N-(3,5-di-tert.-butyl-4- hydroxyphenyl)-pyridinium-tetrafluorborat hinzugegeben. Es wurde 15 min unter Rückfluss erhitzt. Zu der erkalteten Reaktionsmischung wurden ml 2 M Natronlauge gegeben, der entstandene Niederschlag wurde abfiltriert, mit Wasser gewaschen und aus einem Ethanol/Wasser-Gemisch (3:2) umkristallisiert Ausbeute: 250 mg (0.48 mmol, 42%; Lit: 94%) eines schwarzen, grünlich schimmernden kristallinen Feststoffs Charakterisierung Schmp.: 260 C Lit: 266 C Infrarotspektrum: ʋ = 2924 cm-1 ʋ = 1600 cm-1 =C--Valenzschwingung arom. Ringschwingung Mechanismus Durch Zugabe von metallischen Natrium zu Ethanol wird das Ethanolat gebildet, dieses deprotoniert die ydroxyfunktion. 19

20 Fehlerdiskussion und Verbesserungsvorschläge Die schlechte Ausbeute ist hier hauptsächlich auf Überführungsverluste zurückzuführen. Auch beim Abfiltrieren des ausgefallenen Feststoffs blieben Reste des Produkts im Filter zurück. Diese Verluste wirken sich bei kleinen Ansätzen besonders stark aus, so dass die Ausbeute hier deutlich unter dem Literaturwert liegt. Der abweichende Schmelzpunkt ist wahrscheinlich noch auf Wasserreste im Produkt zurückzuführen. 20

21 2. Anhang 2.1 NMR Spektren 21

22 2.2 IR Spektren Abbildung 1 IR Abbildung 2 IR

23 Abbildung 3 IR Abbildung 4 IR

24 Abbildung 5 IR