Chemische Grundlagen
ORGANISCHE SYNTHESE
ORGANISCHE SYNTHESE 1. Einführung in das Laborinformationssytem iChemLab Am Institut für Angewandte Synthesechemie wird im Rahmen eines geförderten Forschungsprojektes in Kooperation mit dem Institut für Chemische Technologien und Analytik das internet-basierte Laborinformationssystem iChemLab entwickelt. iChemLab wird bei der Abwicklung von organischen, anorganischen und makromolekularen Synthesepraktika durch Studierende und betreuende AssistentInnen verwendet. Es unterstützt die Studierenden bei der Vorbereitung der Experimente durch einfachen und raschen Zugang zu Arbeitsvorschriften, zu physikochemischen Daten, zu labortechnischer Information etc. und bei der Abgabe der Präparate. Um diese Webapplikation von Anfang an kennen lernen und nutzen zu können, wurde für den organischen Syntheseteil der Laborübungen Chemische Grundlagen, welcher Inhalt der Übungstage 4 - 6 ist, das iChemLab junior – Segment entwickelt. Der Zugang zu iChemLab erfolgt von jedem beliebigen mit dem Internet verbundenen Computer mittels eines Webbrowsers (bevorzugt MS Internet Explorer) via www.ichemlab.at mit Username: Gast2 und Password: Gast2.
Nach dem Login wird der iChemLab-Button gedrückt sowie die Präparatenummer 243 und / oder der (Teil)Name „Cannizzaro“ eingegeben:
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iChemLab junior bietet vier verschieden Funktionen, welche in der Menueleiste angeboten werden: die Reaktionsgleichung, die aufbereitete Arbeitsvorschrift, die Dateneingabe von nach der Durchführung des Experimentes erhaltenen und gemessenen Werten sowie den Download dieses Skriptums. Die folgende Bildschirmkopie zeigt die Arbeitsvorschrift und ein Beispiel für die „Flämmchen“-Funktion: markiert man ein Wort oder einen Teil eines Wortes und klickt das „Flämmchen“, erscheinen in einem Thesaurusfenster Links zu weiteren Informationen, sofern solche für den gewählten Begriff vorhanden sind, bspw. die Abbildung eines Laborgerätes (s.u.). Falls man den Namen einer Chemikalie markiert, gelangt man über die Flämmchenfunktion zu den Sicherheitsdaten der Verbindung.
Über den Link „Dateneingabe“ gelangt man zu einem ausführlichen „Operationsschema“ der durchzuführenden Cannizzaro-Reaktion (siehe Punkt 3.3 dieses Skriptums). Alle Mengen, die während der Durchführung der Reaktion erfasst werden müssen (Ansatz der Cannizzaro-Reaktion und der Derivatisierung, Roh- und Zwischenprodukte, Endprodukte), sind daraus ersichtlich und sind im Verlauf des Experiments zu notieren sowie zur elektronisch unterstützten Erstellung des abzugebenden Versuchsdatenblattes in die Website einzugeben. Man gelangt nur bei vollständiger Dateneingabe zur nächsten Seite, wo folgende Werte aus verschiedenen Berechnungen einzugeben sind: 2
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Führen sie nun die folgenden Berechnungen durch und geben sie die Werte ein: Der Reaktionsansatz bestand aus:
2g
mmol Benzaldehyd
2g
mmol Kaliumhydroxid
2 ml
Methanol
2 ml
Wasser
Rf-Wert in PE:EE 5:1
Als Rohprodukte wurden erhalten/Massenbilanz:
Menge in g Menge in mmol Produkt 2g
mmol
Benzylalkohol
=
% der Theorie *
=
% der Theorie *
Brechungsindex bei 20 °C: Rf-Wert in PE:EE 5:1 2g
mmol
Benzoesäure Schmelzpunkt:
°C
Rf-Wert in PE:EE 5:1
mmol
Summe an Produkten
=
% Gesamtausbeute *
Als Reinprodukt wurden erhalten:
2g
mmol
Derivat Schmelzpunkt
°C
Bitte geben Sie hier noch Ihren Namen an: Abschicken
*) WICHTIGER HINWEIS: 1 Mol Benzaldehyd ergibt bei einer Umsetzung mit 100% Theorieausbeute nur je 0.5 Mol der jeweiligen Endprodukte! Die theoretisch mögliche Gesamtausbeute (= Summe der beiden Produkte) beträgt jedoch 1 Mol. Zahleneingabe: für mmol nur ganze Zahlen erlaubt, ansonsten Punktkomma verwenden; Schmelzpunkt: xx-yy erlaubt.
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Abschließend gelangt man, ebenfalls nur nach vollständiger Eingabe aller Daten, zum „Versuchsdatenblatt“, auf welchem die Ergebnisse der Übung „Organische Synthese“ zusammengefasst werden. Dieser Report muss ausgedruckt und bei der Abgabe des Präparates vorgewiesen werden. Die folgende Abbildung zeigt zusammengefasst den Ablauf vom „Operationsschema“ bis zum „Versuchsdatenblatt“ anhand von Bildschirmkopien:
Die Eingabe der Daten sowie der Ausdruck des Versuchsdatenblattes kann sowohl an den PC’s im Hörerlabor als auch in allen Interneträumen der TU Wien oder auf privaten Computern mit einem Anschluss ans Internet erfolgen. Der nächste Internetraum befindet sich am Getreidemarkt im 1. Untergeschoß des Chemiehochhauses in der Nähe zum Audimax-Eingang. Abschließend soll erwähnt werden, dass mit diesem Zugang zu iChemLab bei Interesse bereits auch die Vorschriften jener Experimente, die später einmal in den anorganischen und organischen Laborübungen durchgeführt werden, eingesehen werden können.
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THEORETISCHER UND EXPERIMENTELLER TEIL
Einfache Synthese zweier organischer Verbindungen – Die Cannizzaro - Reaktion
2. Theorie Während Aldehyde mit α-CH-Bindungen unter basischen Bedingungen Aldolprodukte liefern, geben solche ohne α-CH-Bindungen mit konzentriertem Alkali ein l:l - Gemisch des zugrunde liegenden primären Alkohols und der entsprechenden Carbonsäure als Alkalisalz. Bei diesem als Cannizzaro Reaktion bezeichneten Prozess findet also eine Redox-Disproportionierung zwischen zwei Aldehyd Molekülen statt, d.h. ein Aldehydmolekül wird oxidiert zur Säure und das andere reduziert zum primären Alkohol. Aromatische Aldehyde und Formaldehyd sind Verbindungen, die diese Reaktion zeigen:
O 2 Ar
O
NaOH +1 H
H2O
Ar
+3 + O Na
+
HO H -1 Ar H
Die Oxidationszahl ändert sich dabei von +1 beim Aldehyd auf -1 für den primären Alkohol und +3 für die Carbonsäure. Die Oxidationszahl ist die Formalladung des betrachteten Kohlenstoffs und ergibt sich, indem man die Bindungselektronen immer dem jeweiligen elektronegativeren Element zuordnet (C-O-Bindung: Elektronen kommen zum Sauerstoff; C-H-Bindung: Elektronen werden dem Kohlenstoff zugeordnet). Bei Bindungen zwischen zwei gleichen Atomen (C-C-Bindung) erhält jedes Atom ein Elektron. Die nach dieser Rechnung dem Kohlenstoff zugeordnete Zahl an Elektronen wird bestimmt und von der Zahl der Valenzelektronen (= Elektronen in der äußersten Schale) des Elements abgezogen. Das Ergebnis liefert die Oxidationszahl. Als Mechanismus der Cannizzaro - Reaktion ist plausibel, dass zunächst ein Hydroxid - Ion nucleophil an die Carbonyl - Funktion des Aldehyds angelagert wird. Das Addukt stabilisiert sich durch Hydrid-Transfer an die Carbonylgruppe eines zweiten Aldehyd-Moleküls unter Bildung des primären Alkoholats und der Carbonsäure, die die Produkt-Bildung unter Protonen-Transfer (Alkoholat zu Alkohol, Carbonsäure zu Carboxylat) abschließen
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O Ar
O
NaOH H2O
H
+
Ar
HO H
+
O Na
Ar
H
-
HO
OO H Ar
O
H Ar
H
Da Formaldehyd eine höhere Carbonyl - Elektrophilie und damit höhere Reduktionskraft als aromatische Aldehyde besitzt, kann Formaldehyd aromatische Aldehyde in Gegenwart konzentrierter Alkalilauge im Zuge einer "gekreuzten" Cannizzaro - Reaktion zu Benzylalkoholen reduzieren:
O
O +
H
H
Ar
H2O
H
HO H
O
NaOH H
O Na
+
+ Ar
H
Auch intramolekulare Cannizzaro-Disproportionierungen sind bekannt, so die Umwandlung von Glyoxal in das Na-Salz der Glykolsäure durch konz. Natronlauge.
O NaOH
H
H O
HO H
+
Na O
H2O
H O
Lässt man anstelle von konzentrierter Alkalilauge Aluminiumalkoholat in Alkohol auf Aldehyde ohne α-CH-Bindung einwirken, so erfolgt analog dem Cannizzaro - Prozess Disproportionierung unter Bildung von primärem Alkohol und Carbonsäureester (Claisen - Tischtschenko - Reaktion):
O 2 Ar
H
HO H
O
Al(OR)3 ROH
Ar
6
O
R
+ Ar
H
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3. Theoretische Vorbereitung 3.1.
Reaktionsgleichung
3.2.
Erstellung von Betriebsanweisungen zum Umgang mit Benzaldehyd, Benzylalkohol und Benzoesäure, sowie Kaliumhydroxid und Methanol
Informationen zum Auffinden der Daten sollten bereits am vermittelt worden sein.
Benzaldehyd
Benzylalkohol
Benzoesäure
Kaliumhydroxid
Methanol
Allgemeine Sicherheitskriterien Gefahrensymbol
Xn
Xn
Xn
C
F,T
Schmelzpunkt [°C]
-56
-15
122
360
-98
Siedepunkt [°C]
179
205
249
1327
65
Flammpunkt [°C]
64
94
Explosionsgrenze [v%]
1.4
11 5.5-44
Grenzwert [mg/m³]
MAK 260
Schwangerschaftsgruppe
D
R- und S-Sätze
R22
R20/22
R22,36
R35
R11,23/25
S24
S26
S24
S26,37/39,45
S7,16,24,25
Besonderheiten
Hautresorbierend
Schutzmaßnahmen Allgemein
ADLKF
DF
DTKF
ADTLKF
ADLKF
Körperschutz
BKH
BK
BKH
BKH
BKH
Störfälle/Unfälle
PCWF
PCW
PCWF
PCF
PCF
für Haut
WA
W
WV
KWVA
KWA
für Auge
WVA
W
WVA
WVA
WVA
bei Inhalation
LBDA
L
LBD
LBDA
LBDA
bei Verschlucken
WC
W
WCA
WCA
WCA
Entsorgung
1
1
2
3
1
Erste Hilfe Maßnahmen
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Erläuterungen zu den Abkürzungen: Gefahrensymbol:
Xn .............. Gesundheitsschädlich C................. Ätzend F ................. Leichtendzündlich T................. Giftig
R- und S-Sätze:
R11............. Leichtendzündlich R22............. Gesundheitsschädlich beim Verschlucken R20/22........ Gesundheitsschädlich beim Einatmen und beim Verschlucken R23/25........ Giftig beim Einatmen und beim Verschlucken R35............. Verursacht schwere Verätzungen R36............. Reizt die Augen S7 ............... Behälter dicht verschlossen halten S16 ............. Von Zündquellen fernhalten – Nicht rauchen S24 ............. Berührung mit der Haut vermeiden S25 ............. Berührung mit den Augen vermeiden S26 ............. Bei Berührung mit den Augen gründlich mit Wasser abspülen und Arzt konsultieren S37/39 ........ Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe und Schutzbrille/Gesichtsschutz tragen S45 ............. Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt zuziehen (wenn möglich, dieses Etikett vorzeigen
Schutzmaßnahmen: allgemein
A ................ Im Abzug mit Stoff arbeiten D ................ Behälter dicht halten F ................. Nicht mit brandfördernden oder selbstentzündlichen Stoffen lagern K ................ Kühl (nicht >20°C) lagern L................. Behälter luftig (im Abzug) lagern T................. Behälter trocken lagern
Körperschutz
B................. Schutzbrille tragen H ................ Geeignete Schutzhandschuhe tragen K ................ Labormantel tragen
Störfälle/Unfälle:
C................. Im Brandfall Kohlendioxidlöscher verwenden F ................. Verschütteten Stoff mit geeignetem Adsorber aufnehmen P ................. Im Brandfall Trocken(Pulver-)löscher verwenden W................ Mit Wasser löschen bzw. nach Verschütten mit Wasser verdünnen
Erste-HilfeMaßnahmen: A ................ Arzt/Augenarzt kontaktieren B................. Atmung kontrollieren und ggf. künstliche Beatmung C................. Wiederholt Aktivkohleschlämmung trinken D ................ Dexamethason-/Auxilosonspray verwenden (vorzugsweise Arzt) K ................ Eiligst kontaminierte Kleidung entfernen L................. Frischluft zuführen V ................ Als Infektionsschutz Verband anlegen W................ Mit Wasser und Seife waschen bzw. nach Verschlucken Wasser trinken Entsorgung:
1 ................. Organische halogenfreie Lösungsmittel 2 ................. Wässrige Lösungen 3 ................. Konzentrierte Lösungen werden verdünnt, neutralisiert, und über die Kanalisation entsorgt
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Benzaldehyd Kaliumhydroxid Methanol Wasser
Benzylalkohol Kaliumbenzoat Kaliumhydroxid Methanol, Wasser Abkühlen Eingießen in Eiswasser Extraktion mit Diethylether
Organische Phase
Aufarbeitung
Reaktions ansatz
Erstellung eines Operationsschemas
Versuchs durchführung
3.3.
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Wäßrige Phase
Trocknen Trockenmittel Filter
Derivatisierung
Lösungsmittel Diethylether
Derivatisierung Lösungsmittel Mutterlauge
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1. Ansäuern mit verd. HCl 2. Absaugen 3. Waschen mit Wasser
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4. Praktische Vorbereitungsarbeiten 4.1.
Destillative Reinigung des Benzaldehyds
Benzaldehyd sollte, wie jeder Aldehyd, stets frisch destilliert eingesetzt werden (Autooxidation zu Benzoesäure). Die Reinigung erfolgt durch fraktionierende Destillation im Vakuum; Sdp.12 = 64-65°C, nD20 = 1.5448.
Thermometer Quickfit oder Schliff
Heizquelle
Kühlwasser aus
Kühlwasser ein
Vakuumpumpe
Vakuumvorstoß mit Euter
Allgemeine Informationen zur Destillation finden Sie im Kapitel „Destillation“ des ersten Blocks. Um den zeitlichen Rahmen der Übung nicht zu überschreiten, wird der Aldehyd bereits in gereinigter Form zur Verfügung gestellt.
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Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Druck
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4.2.
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Aufbau der Reaktionsapparatur
Heizbad
Magnetrührstäbc hen Magnetrührer mit Heizplatte
5. Durchführung der Reaktion 5.1.
Arbeitsvorschrift
In einem 100 ml-Dreihalskolben mit Magnetrührer, Tropftrichter, Rückflusskühler und Innenthermometer werden 10.0 g (94 mmol) frisch destillierter Benzaldehyd in 20 ml Methanol auf 65°C erwärmt und nach Entfernen des Heizbades 5.7 g (102 mmol) Kaliumhydroxid in 7.5 ml Wasser so zugetropft, dass die Temperatur nicht über 75°C ansteigt, wobei gegebenenfalls mit einem Wasserbad gekühlt wird. Nach der Zugabe wird noch 1 h bei 70 - 75°C gehalten. a) Reaktions-Dünnschichtchromatogramm (DC): Am Ende des ersten Arbeitstages dieser Übung wird noch ein DC angefertigt, um auf Vollständigkeit der Reaktion zu prüfen. Dazu werden 2 Tropfen der Reaktionslösung mit einer Pasteurpipette aus der noch heißen Lösung entnommen und zu 0.5 ml kalter verdünnter Salzsäure in einem Reagensglas gegeben. Dabei bildet sich im Allgemeinen ein Niederschlag. Diese Mischung wird dann mit Ether versetzt und geschüttelt, wobei sich ein allenfalls gebildeter Niederschlag wieder löst. Die Etherphase (Oberphase) wird dann mit einer Kapillare auf das DC-Plättchen aufgetragen. Gleichzeitig soll auf dem DC auch eine etherische Lösung des Edukts Benzaldehyd aufgetragen werden und dazwischen beide Lösungen auf ein und demselben Punkt („Co-spot“) übereinander. Das Anfertigen eines DCs sollte aus der Übung Chromatographie bereits bekannte sein. Als Laufmittel ist eine Mischung Petrolether:Ethylacetat = 5:1 zu verwenden. Die Laufmittelfront ist nach fertig stellen des DCs einzuzeichnen. Zur Erinnerung: Auf einem DC darf nur mit Bleistift markiert werden. 12
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b) Sichtbarmachung der Substanzflecken: Die Sichtbarmachung der Substanzflecken erfolgt zuerst unter der UV Lampe und anschließend, nachdem die Substanzflecke mit Bleistift eingezeichnet wurden, mittels eines Färbereagenz, das zur Verfügung steht. Das DC-Plättchen wird dazu in die Lösung getaucht, herausgezogen, man lässt die überschüssige Flüssigkeit über dem Gefäß mit der Färbelösung abtropfen, streift das DC an der Kante ab, und erhitzt das DC vorsichtig auf einer Heizplatte, bis eine Dunkelfärbung der Flecke eintritt. Vorsicht: Nicht alle Flecke lassen sich anfärben. Die Rf-Werte für die drei Substanzflecken sind zu bestimmen und im Protokoll anzugeben. Man lässt die Reaktion bis zum nächsten Tag stehen, kühlt mit einem Eisbad ab, und gießt das Reaktionsgemisch auf eine Mischung aus 35 ml Eiswasser und 25 ml Ether. Der Reaktionskolben wird mit jeweils 5 ml Wasser und Ether nachgewaschen und alle Lösungen werden vereinigt. c) Isolierung des Benzylalkohols aus der Mutterlauge: Das Gemisch wird im Scheidetrichter getrennt, noch zweimal mit je 25 ml Ether extrahiert und die vereinigten Etherphasen werden über Na2SO4 getrocknet. Nach Abfiltrieren des Trocknungsmittels, das mit Ether nachgewaschen wird, Abdestillieren des Lösungsmittels bei Normaldruck und 10 Minuten Absaugen am Membranvakuum unter Erwärmen mit einem Wasserbad auf 50 °C wird der rohe Benzylalkohol isoliert. Ausbeute: 4.7 g (92% d.Th.); nD20 = 1.5380 Der Benzylalkohol wird am folgenden Tag als Derivat charakterisiert. d) Isolierung der Benzoesäure: Die wässrige Phase aus der Isolierung des Benzylalkohols wird mit verdünnter Salzsäure angesäuert (Kontrolle mit pH – Papier) und der Niederschlag an Benzoesäure wird abgesaugt, mit Wasser gewaschen und über Nacht im Exsikkator über Calciumchlorid getrocknet. Ausbeute: 4.1 g (72% d.Th.); Fp = 118 - 122 °C.
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5.2.
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Sammeln/Recycling und Entsorgung
Alle Ether – Fraktionen werden gesammelt, damit sie am Ende des Labors redestilliert und der Ether wieder verwendet werden kann. Die wässrigen Phasen, aus denen die Benzoesäure gefällt wurde, können nach Neutralisieren über die Kanalisation entsorgt werden. Natriumsulfat und Calciumchlorid wird in der Sammeltonne „Kieselgel und Trocknungsmittel“ entsorgt. Filterpapier und kontaminiertes Reinigungspapier wird in der Sammeltonne „Kontaminierte feste Abfälle“ entsorgt. Der Destillations-Vorlauf und -Rückstand aus der Benzaldehyd-Destillation wird in den Sammelkanister „Nicht halogeniert“ entsorgt.
6. Kontrollfragen zur Cannizzaro-Reaktion 6.1. Warum geben Ketone keine Cannizzaro – Reaktion ? 6.2. Was passiert mit Aldehyden die in der α-Position Wasserstoffatome tragen bei der Behandlung mit Base ? 6.3. Skizzieren Sie die Vakuumdestillationsapparatur. 6.4. Skizzieren Sie die Reaktionsapparatur. 6.5. Berechnen Sie die notwendige Menge an Benzaldehyd, wenn Sie 5g Benzylalkohol als Produkt erhalten wollen und die Ausbeute 90% der Theorie beträgt.
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Umkristallisieren und Derivatisierung
Die durch eine Cannizzaro-Reaktion aus Benzaldehyd erhaltenen Produkte, Benzoesäure und Benzylalkohol, wurden durch Extraktion getrennt und als Rohprodukte isoliert. Nun soll die Benzoesäure mittels Umkristallisieren gereinigt werden, der flüssige Benzylakohol durch Umsetzung mit Phenylisocyanat als kristalliner Carbaminsäureester = Urethan derivatisiert werden.
7. Umkristallisieren der Benzoesäure Das Umkristallisieren ist eine der wichtigsten Reinigungsoperationen für Feststoffe. Dabei wird im Allgemeinen das Rohprodukt in einem geeigneten Lösungsmittel in der Siedehitze gelöst, wobei eine heiß gesättigte Lösung hergestellt wird. Beim nachfolgenden, langsamen Auskühlen kristallisiert das Produkt in reinerer Form aus, da dessen Löslichkeit in der Kälte herabgesetzt wird, die in geringerer Menge vorhandenen Verunreinigungen aber immer noch gelöst bleiben. Es kann aber auch vorkommen, dass sich die Verunreinigungen schlechter lösen und daher als unlöslicher Rückstand in der heißen Lösung überbleiben. In diesem Fall müssen diese durch Abgießen oder Heiß-Filtrieren abgetrennt werden und erst dann wird das Filtrat langsam abgekühlt. Nach Erreichen der Raumtemperatur wird das Gemisch zur Vervollständigung der Kristallisation noch in den Eiskasten gestellt. Die abgeschiedenen Kristalle werden dann durch Saugfiltration von der „Mutterlauge“ abgetrennt, mit wenig vorgekühltem Lösungsmittel nachgewaschen und nach Überführen in eine Kristallisierschale im Exsiccator getrocknet. Aus der Mutterlauge kann nach dem Einengen noch eine 2. Fraktion gewonnen werden, die meist weniger rein ist, als die erste. Die Reinheit der beiden Fraktionen kann mittels Dünnschichtchromatographie und Schmelzpunktsbestimmung überprüft werden. Die beiden Fraktionen dürfen erst nach Feststellung der Gleichwertigkeit vereinigt werden !
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7.1. Apparatur
Heizbad
Magnetrührstäbc hen Magnetrührer mit Heizplatte
7.2 Praktische Durchführung des Umkristallisierens Die rohe, trockene Benzoesäure wird in einem 50 ml Rundkolben mit ca. 10 ml Ligroin (Siedebereich 80100°C) vorgelegt und das Gemisch am Ölbad (Magnetrührerheizung gleich auf 200°C stellen !) zum Sieden erhitzt. Das siedende Gemisch wird durch den Dimrothkühler portionsweise mit weiterem Lösungsmittel versetzt, bis sich der Feststoff vollständig gelöst hat. (in kleinen Portionen aus dem Messzylinder zugeben und Gesamtmenge des verwendeten Ligroins notieren!) Die Lösung wird in einen auf einen Korkring gestellten, im Trockenschrank vorgewärmten Erlenmeyerkolben gegossen, wobei ein ev. auftretender, schwer löslicher Rückstand im Kolben verbleibt! Wenn die abkühlende Lösung Raumtemperatur erreicht hat, wird der Kolben noch für 30 min in den Eiskasten gestellt. Die gebildeten Kristalle werden abgesaugt, mit wenig gekühltem Petrolether (Siedebereich 40-60°C, im Eiskasten vorkühlen!) nachgewaschen und in der Glassinternutsche trocken gesaugt. Um das Wegsaugen des Lösungsmittels in die Membranpumpe zu vermeiden, soll das Filtrat vorher aus der Saugflasche entfernt werden). Die Kristalle werden in eine gewogene Kristallisierschale übergeführt, ausgewogen und der Schmelzpunkt bestimmt. Schmp. der Literatur: 120-122°C. Die „Mutterlauge“=Filtrat sollte bis zum Auswägen der Kristalle aufgehoben werden! Wenn genügend Reinprodukt erhalten wurde, kann das Filtrat in den Behälter für halogenfreie Rückstände geleert werden.
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8. Derivatisierung des Benzylalkohols Eine im Zuge einer Synthese hergestellte Substanz wird üblicherweise zunächst durch verschiedene Trennungsoperationen (Fällung, Filtration, Extraktion usw.) während der Aufarbeitung als Rohprodukt isoliert und dann durch Einsatz diverser Reinigungsmethoden (Destillation, Umkristallisieren, Säulenchromatographie usw.) gereinigt. Eine Substanz gilt als rein, wenn sich die physikalischen Kenndaten auch nach wiederholter Reinigung nicht mehr ändern. Zur Identifizierung einer bekannten oder unbekannten Substanz werden verschiedene Methoden eingesetzt: 1) Bestimmung physikalischer Konstanten (Schmelzpunkt, Siedepunkt, Dichte, Brechungsindex, Spezifische Drehung, Molekulargewicht usw.) und bei bekannten Substanzen Vergleich mit tabellierten Literaturdaten. 2) Bestimmung und Auswertung von Spektraldaten (NMR-, IR-, UV-Spektren, MS usw.) Während Schmelzpunkte relativ genau bestimmt werden können (bei Reinsubstanzen wird ein Schmelzintervall von ≤1-2°C erwartet), ist bei flüssigen Produkten die genaue Bestimmung von Siedepunkten schwieriger, der Brechungsindex reagiert dagegen sehr empfindlich auf Verunreinigungen und ist auch von der Temperatur abhängig. Daher hat es sich eingebürgert von flüssigen Substanzen kristalline Derivate herzustellen, um nach deren Schmelzpunktsbestimmung und Vergleich mit in Handbüchern tabellierten Werten ihre Identität zu bestimmen. Durch die rasante Entwicklung der spektroskopischen Methoden sind die Derivatisierungen heute vielfach in den Hintergrund gedrängt worden, wichtig ist die Darstellung kristalliner Produkte jedoch weiterhin für die Röntgen-Strukturanalyse.
8.1. Anforderungen an ein geeignetes Derivatisierungs-Reagens Es soll die rasche Bildung stabiler, gut kristallisierender Produkte mit definiertem, nicht zu niedrigem Schmelzpunkt ermöglichen, die sich aus dem Reaktionsgemisch leicht isolieren und auch gut umkristallisieren lassen.
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8.2. Carbonylverbindungen (Aldehyde, Ketone) Die gebräuchlichsten Derivate sind 2,4-Dinitrophenylhydrazone, Semicarbazone und Oxime. NO2
H
H N
H
NH2
N
O2N
O
NO2
H N
2,4-Dinitrophenylhydrazin H N
H2N
NO2 2,4-Dinitrophenylhydrazon
NH2 O
O
N
Semicarbazid
H N
NH2 O
Semicarbazon
NH2OH O
Hydroxylamin
N
OH Oxim
8.3. Carbonsäuren Als Amide, N-Benzylamide, Anilide oder 4-Bromphenacylester derivatisiert.
O
O OH
SOCl2
O Cl
NH3
NH2
Thionylchlorid Carbonsäurechlorid
O
Carbonsäureamid
O OH
SOCl2
O
NH2
Cl
Thionylchlorid
N H
Anilin Carbonsäurechlorid
O
OH
Br
O
Br
O
Carbonsäureanilid
O
Br
4-Bromphenacylbromid
O 4-Bromphenacylester
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8.4. Alkohole Zur Charakterisierung dienen Ester der 3,5-Dinitro- bzw. 4-Nitrobenzoesäure oder die N-Phenyl- bzw. NNaphthylurethane. COCl
O2 N
O
OH
NO2
O
NO2
3,5-Dinitrobenzoylchlorid 3,5-Dinitrobenzoesäureester N
NO2
O
C
O OH
N H
O
Phenylisocyanat
N-Phenylurethan N
C
O
O OH
O
Naphthylisocyanat
N H
N-Naphthylurethan
8.5. Phenole Phenole sind durch Umsetzung mit 3,5-Dinitrobenzoylchlorid oder 4-Nitrobenzoylchorid bzw. Phenylisocyanat gut charakterisierbar.
O
COCl
OH
O2N
O
4-Nitrobenzoylchlorid
NO2 4-Nitrobenzoesäurephenylester
Cl H3C
OH
N
C
H3C
O
O
Cl
Phenylisocyanat
O
N H
N-Phenylurethan
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8.6. Amine Diese werden als Benzamide, Benzen- bzw. 4-Toluensulfonamide (Tosylamide), Phenylthioharnstoffe oder Pikrate derivatisiert. O Cl
H N
NH2
Benzamid
Benzoylchlorid O O
O S
Cl
O
H3 C
NH
N
O S Tosylamid
Tosylchlorid CH3
N
NH2
C
H N
S
H N Phenylthioharnstoff S
Phenylisothiocyanat NO2 OH
NH CH3
O2 N
H
NO2
+
N
Pikrinsäure
NO2 O
H
CH3
O 2N
Pikrat
NO2
8.7. Arbeitsvorschrift für die Derivatisierung des Benzylalkohols mittels Phenylisocyanat In einem 25 ml Rundkolben wird eine Lösung von 0.5 g des rohen Benzylalkohols in 14 ml Ligroin (Siedebereich 80-100°C) mit 0.6g Phenylisocyanat versetzt, der Kolben auf einen Dimrothkühler mit aufgesetztem Trockenrohr montiert und eine Stunde am Wasserbad (90°C) erhitzt. Das noch heiße Reaktionsgemisch wird von eventuell vorhandenem, schwer löslichen Produkt in einen vorgewärmten Erlenmeyerkolben abdekantiert, abkühlen gelassen, nach weiteren 15 min im Eisbad der gebildete Feststoff abgesaugt und sofort aus Ligroin umkristallisiert. Die erhaltenen Kristalle werden abgesaugt, mit wenig kaltem Petrolether nachgewaschen, auf der Nutsche getrocknet (vorher das Filtrat aus der Saugflasche ausleeren!) und ausgewogen. Schmp. der Literatur: 76-77°C. Die Filtrate werden in den Sammelbehälter für halogenfreie Rückstände geleert.
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