zadania 2a-h – zielona chemia

ZADANIA 2A-H – ZIELONA CHEMIA
Zielona chemia (ang. green chemistry) to powstały blisko dwadzieścia lat temu nurt w chemii
zajmujący się optymalizacją procesów technologicznych, analitycznych itp. mający celu zmniejszenia
ryzyka zmiany stanu środowiska (zanieczyszczenia, bezpieczeństwa ludzi itp.). W odniesieniu do
laboratorium syntezy organicznej postuluje on m. in.:
 ograniczenie zużycia odczynników chemicznych, a w szczególności rozpuszczalników
organicznych;
 zmniejszenie emisji substancji odpadowych, m in. przez dążenie do maksymalizacji wydajności
atomowej procesu;
 wyeliminowanie silnie toksycznych odczynników;
 zmniejszenie energo- i czaso- i pracochłonności procesów;
 optymalizację procedur analitycznych - możliwie szerokie stosowanie instrumentalnych metod
analizy w czasie rzeczywistym
Wprowadzanie zielonych zasad skutkuje np. poszukiwaniem sposobów szerokiego wdrażania
bezpiecznych utleniaczy o wysokiej wydajności atomowej (np. H2O 2, NaClO) zamiast standardowo
używanych
utleniaczy
(np.
soli
chromu
(VI),
podjęciem
prób
wprowadzania
technik
bezrozpuszczalnikowych (np. tzw. syntezy kamienia młyńskiego, czyli mechanochemicznej) lub
prowadzenia syntez organicznych w roztworach wodnych, minimalizowaniem użycia nieodnawialnych
katalizatorów i substancji pomocniczych, tendencją do wbudowywania wszystkich atomów wchodzących
w skład substratów w cząsteczki produktów (np. nawet w reakcjach typu elektrofilowego bromowania
związków aromatycznych), wyeliminowaniem np. cyjanków z procesu kondensacji benzoinowej,
szerokim wprowadzaniem aktywacji mikrofalami zamiast ogrzewania konwencjonalnego i wielu innym
działaniami.
Szczegółowe omówienie tych zagadnień można znaleźć m. in. w artykule Bogdana Burczyka
"ZIELONA CHEMIA: założenia, cele, przykłady osiągnięć" Wiadomości chemiczne 56 (9-10), 709-770
(2002). Najistotniejsze hasła i postulaty zielonej chemii można poznać oglądając prezentację:
www.pg.gda.pl/chem/Dydaktyka/Analityczna/MISC/Zielchem.pdf
Celem ćwiczenia jest praktyczne przybliżenie zagadnień związanych z zieloną chemią. Każde z
zaproponowanych ćwiczeń (2A-H) uwzględnia jeden (lub więcej) z postulatów zielonej chemii, a skala
syntez ma umożliwić wykonującemu zaznajomienie się z techniką pracy z subgramowymi ilościami
substancji organicznych.
1
Sprawozdanie z wykonanego ćwiczenia powinno obejmować:
 precyzyjny opis wykonanego eksperymentu (aparatura, ilości odczynników, sposób oczyszczania
produktu, obliczenie wydajności, dyskusję ewentualnie popełnionych błędów itp.);
 w przypadku ćwiczeń 2D-G mechanizm wykonywanej reakcji (odnaleziony w literaturze, wraz
ze wskazaniem źródła), uwzględniający funkcję wszystkich stosowanych reagentów i
katalizatorów;
 w przypadku ćwiczeń 2D-H: dokładne wyjaśnienie, który z postulatów zielonej chemii spełnia
wykonana synteza w porównaniu z procedurami klasycznymi (np. na podstawie dostępnych
preparatyk lub starszych materiałów źródłowych); wzorem może być wstęp do ćwiczenia 4A/B;
w przypadku ćwiczenia 2A, 2B, 2C oraz 2G: odpowiedzi na pytania zawarte w instrukcji pod
hasłem "Zadania".
ZADANIE 2A i 2B
SYNTEZA 2,4,6-TRIARYLOPIRYDYNY
2,4,6-Trifenylopirydyna została otrzymana po raz pierwszy już ponad sto lat temu.
Wykorzystana wówczas metoda polegała na reakcji soli 2,4,6-trifenylopiryliowej z amoniakiem
[1]. Jest to bardzo prosty sposób syntezy tego typu związków, ale wyjściowe sole piryliowe
otrzymuje się na ogół z niezbyt wysokimi wydajnościami. Kolejna metoda syntezy 2,4,6trifenylopirydyny, metoda Krőhnkego [2], wykorzystuje reakcję bromku fenacylopirydyniowego
z benzylidenoacetofenonem. Bromek fenacylopirydyniowy jest produktem reakcji bromku
fenacylu (α-bromoacetofenonu) z pirydyną. Należy pamiętać, że α-bromoacetofenon jest silnym
lakrymatorem, a jego otrzymanie związane jest z pracą z bromem. Obie metody wymagają użycia
odczynników niebezpiecznych oraz generują duże ilości toksycznych odpadów.
W połowie XX wieku została opublikowana prosta, jednoetapowa metoda syntezy 2,4,6trifenylopirydyny zwana metodą Weissa [3]. Polega ona na ogrzewaniu mieszaniny
benzaldehydu, acetofenonu i octanu amonu w lodowatym kwasie octowym. Przejściowo tworzy
się 2,4,6-trifenylo-1,4-dihydropirydyna, która ulega utlenieniu do 2,4,6-trifenylopirydyny. W
wyniku badań okazało się, że utlenianie zachodzi dzięki „przeniesieniu wodoru” od
dihydropirydyny do benzylidenoacetofenonu – następuje uwodornienie wiązania podwójnego
C=C. tak więc metoda ta generuje znaczną ilość odpadów – w tym przypadku 1,3difenylopropan-1-onu.
2
Formalnie, etap utleniający występuje także w metodzie „piryliowej” oraz w metodzie
Krőhnkego. W tej pierwszej ma on miejsce w trakcie otrzymywania soli piryliowej – anion
wodorkowy jest odbierany przez różne czynniki, zależnie od warunków syntezy. W metodzie
Krőhnkego utlenianie występuje na etapie bromowania acetofenonu, a utleniaczem jest brom.
Przez kilkadziesiąt lat otrzymywanie 2,4,6-trifenylopirydyny i różnych jej pochodnych
miało wyłącznie charakter poznawczy. Dopiero pod koniec XX wieku zauważono, że związki te
mogą być świetnym materiałem badawczym w chemii supramolekularnej, a także mającym
zastosowanie jako ciekłe kryształy, fotosensybilizatory oraz w elektronice molekularnej. Duża
trwałość termiczna układu 2,4,6-triarylopirydyny pozwala wykorzystać go w roli monomeru przy
konstruowaniu polimerów o specjalnym znaczeniu. Wprowadzenie w pozycje 2 i 6 pierścieni 2pirydynowych otwiera możliwości tworzenia ligandów kompleksujących najróżniejsze jony.
Kompleksy takie są badane między innymi w terapii antynowotworowej. Gwałtowny rozwój
metod pozwalających na łatwe tworzenie wiązań Ar-Ar (głównie reakcja Suzuki) pozwala na
budowę wielkich układów poliarylowych zawierających pierścienie pirydynowe.
W tej sytuacji zaistniała pilna konieczność rozwinięcia metod syntezy 2,4,6triarylopirydyn – tanich, prostych i co najważniejsze spełniających warunki ochrony środowiska
czyli zgodne z założeniami tzw. „green chemistry”. Najogólniej chodzi tu o ograniczenie zużycia
energii, ograniczenie ilości powstających odpadów, możliwość recyklingu użytych materiałów
oraz wykorzystanie surowców ze źródeł odnawialnych.
Jedynie metoda Weissa rokuje nadzieję na spełnienie tych warunków. Ostatnio ukazała
się praca [4], w której autorzy zastąpili używany oryginalnie kwas octowy przez wodę oraz
wprowadzili ogrzewanie mieszaniny reakcyjnej przez promieniowanie mikrofalowe. Uzyskali w
ten sposób całą serię 2,4,6-triarylopirydyn z wydajnościami w granicach 85 – 90%, nie unikając
jednak odpadów w postaci 1,3-diarylopropan-1-onu. Inną wadą tej metody jest konieczność
występowania tak samo podstawionych pierścieni w pozycjach 2 i 6.
Jak dotychczas, najbardziej zaawansowana modyfikacja została opisana w roku 2001 [5].
Jest to wprawdzie procedura dwuetapowa, ale niezwykle prosta do wykonania i spełniająca
wymogi „chemii przyjaznej dla środowiska”. Pierwszy etap polega na ucieraniu acetofenonu,
benzaldehydu i stałego wodorotlenku sodu w moździerzu przez kilkanaście minut. Jako
ciekawostkę można podać fakt, że dla tego typu sposobu prowadzenia reakcji używa się niekiedy
terminu „Grindstone chemistry” czyli „chemia kamienia młyńskiego”. W wyniku tego procesu
otrzymuje się najpierw benzylidenoacetofenon, a przy użyciu nadmiaru acetofenonu
bezpośrednio 1,3,5-trifenylopentano-1,5-dion, który bez oczyszczania poddaje się ogrzewaniu w
3
kwasie octowym w obecności octanu amonu. Przejściowo tworzy się 2,4,6-trifenylo-1,4dihydropirydyna (podobnie jak w klasycznej metodzie Weissa), ale tym razem jest ona utleniana
do produktu końcowego tlenem z powietrza. Unika się więc powstawania ketonu jako produktu
ubocznego. Czyli z 1 mola benzaldehydu i 2 moli acetofenonu można otrzymać prawie 1 mol
2,4,6-trifenylopirydyny (!). Przy syntezie na dużą skalę użyty kwas octowy można poddać
recyklingowi i wykorzystać w kolejnej reakcji, co więcej rozpuszczalnik ten jest produkowany z
surowców odnawialnych (rośliny). Autorzy przebadali reakcję na przykładzie różnych
aromatycznych aldehydów i ketonów, opisali też sposób otrzymania pochodnych 2,4,6triarylopirydyny o zróżnicowanych podstawnikach w pierścieniach 2 i 6. Wśród opisanych
związków jest też otrzymana z 2-acetylopirydyny i benzaldehydu 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’terpirydyna – związek o znakomitych właściwościach kompleksotwórczych. Autorzy wyliczyli,
że przy syntezie 1 kg tego związku powstaje zaledwie 2,9 kg odpadów, podczas gdy jedna z
wcześniejszych metod daje ich aż 84 kg.
Obok jest reprodukowany oryginalny rysunek z
publikacji [4], przedstawiający strukturę cząsteczki 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’-terpirydyny w monokrysztale. Zwraca uwagę optymalna konformacja, w której atomy azotu są ułożone względem
siebie w sposób transoidalny. Podczas tworzenia
kompleksu następuje reorientacja przez obrót
pierścieni – atomy azotu są wówczas ułożone
cisoidalnie.
Poniższy schemat przedstawia przebieg reakcji w zmodyfikowanej metodzie Weissa:
4
Ph
O
O
+
Ph
CH3
Ph
H
NaOH
_
H2O
Ph
O
+
Ph
Ph
O
NaOH
CH3
Ph
Ph
O O
NH3
(CH3COONH4)
Ph
Ph
O O
NH3
Ph
Ph
Ph
Ph
N
Ph
Ph
metoda
Weissa
Ph
N
+ PhCOCH=CHPh
_
PhCOCH2CH2Ph
Ph
Ph
powietrze
_
H2O
Ph
Ph
O
Ph
_
N
H
Ph
2 H2O
HO
Ph
N
H
OH
H2 N Ph
Ph
OH
O
Ph
Ph
OH
N
H
Ph
H
Rysunek poniżej pochodzi z publikacji [6] i przedstawia tzw. kapsułę molekularną,
zbudowaną z dwóch cząsteczek kaliksarenu oraz 4 cząsteczek pochodnej 4’-arylo-4,2’:6’,4’’terpirydyny. Kaliksareny i terpirydyny są powiązane ze sobą ośmioma wiązaniami
wodorowymi. W tym przypadku w kapsule zamknięte mogą być 4 cząsteczki toluenu lub 2
cząsteczki tego związku i 2 eteru dietylowego. Kapsuły molekularne znajdują coraz szersze
zastosowania w czystej syntezie chemicznej oraz w naukach biologicznych. Należy
nadmienić, że kaliksaren został także otrzymany zgodnie z wymogami „green chemistry”.
5
Celem ćwiczenia jest otrzymanie w sposób zgodny z zasadami chemii przyjaznej dla
środowiska 2,4,6-trifenylopirydyny lub 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’-terpirydyny.
Część doświadczalna
2A) 2,4,6-Trifenylopirydyna
N
Odczynniki:
acetofenon
2,3 cm3 (2,40 g, 20 mmol)
benzaldehyd
1,0 cm3 (1,06 g, 10 mmol)
wodorotlenek sodu
0,8 g (20 mmol)
octan amonu
5 g (duży nadmiar)
kwas octowy lod.
25 cm3
etanol
UWAGA: Praca z substancjami toksycznymi wyłącznie pod wyciągiem, obowiązują rękawice
ochronne!
6
W moździerzu rozciera się dokładnie wodorotlenek sodu, a następnie dodaje acetofenon.
Po dwóch minutach ucierania dodaje się benzaldehyd. W trakcie dalszego ucierania mieszanina
zmienia swą barwę, staje się bardziej lepka i ostatecznie zaczyna krystalizować. Zwykle cały
proces trwa 10 – 15 minut. Po zakończeniu ucierania zeskrobuje się produkt ze ścianek
moździerza1 do kolby stożkowej o pojemności 50 cm3, zawierającej octan amonu i lodowaty
kwas octowy. Kolbę zaopatruje się w chłodnicę zwrotną i jej zawartość ogrzewa do wrzenia na
mieszadle magnetycznym przez 2 godziny. Następuje zmiana barwy roztworu na niebieski lub
zielony, która świadczy o zachodzeniu procesu utlenienia. Po ochłodzeniu dodaje się 10 cm3
wody i odsącza na lejku Büchnera wydzielony produkt. Osad przemywa się wodą i etanolem2, a
w razie potrzeby oczyszcza przez krystalizację z etanolu3. Otrzymuje się bezbarwny produkt o
temperaturze topnienia 138 – 139 ºC.
2B) 4’-Fenylo-2,2’:6’,2’’-terpirydyna
4'
2
2''
2' N 6'
1'
N
N
1
1''
Odczynniki:
2-acetylopirydyna
2,2 cm3 (2,40 g, 20 mmol)
benzaldehyd
1,0 cm3 (1,06 g, 10 mmol)
wodorotlenek sodu
0,8 g (20 mmol)
octan amonu
5 g (duży nadmiar)
kwas octowy lod.
25 cm3
etanol
UWAGA: Praca z substancjami toksycznymi wyłącznie pod wyciągiem, obowiązują rękawice
ochronne! 2-Acetylopirydyna posiada niezwykle przykry zapach4.
1
Moździerz należy spłukać wodą pod dygestorium, a następnie umyć acetonem.
Przesącz należy umieścić w pojemniku WK (wodne roztwory kwasów).
3
Przesącz należy umieścić w pojemniku O (ciekłe, palne bez fluorowców).
4
Używane naczynia (pipety, moździerz) należy wymyć 5% roztworem kwasu chlorowodorowego, który potem
umieszcza się w pojemniku WK (wodne roztwory kwasów).
2
7
Należy postępować według przepisu na 2,4,6-trifenylopirydynę, zastępując acetofenon
przez 2-acetylopirydynę. Oczyszczona przez krystalizację z etanolu 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’terpirydyna posiada temperaturę topnienia 206 – 208 ºC.
Zadania
1) Napisz mechanizmy reakcji prowadzących do 1,3,5-trifenylopentano-1,5-dionu. Podaj nazwy
tych reakcji.
2) W oparciu o rozwiązanie zadania 1 zaprojektuj syntezę 4,6-difenylo-2,3’-bipirydyny.
3) Zarejestrowano widmo 1HNMR 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’-terpirydyny [4]:
1
HNMR (δ[ppm]; DMSO-d6): 8,82 (d, 2H, J = 4,8 Hz), 8,72 (s, 2H), 8,68 (d, 2H, J = 8,0 Hz), 8,04
(dd, 2H, J1 = 8,0 Hz, J2 = 6,4 Hz), 7,93 (dd, 2H, J1 = 6,4 Hz, J2 = 4,8 Hz), 7,63 - 7,52 (m, 5H)
Podaj pełną interpretację widma, przypisując sygnały poszczególnym grupom protonów.
Literatura
1) J. A. Joule, G. F. Smith, Chemia związków heterocyklicznych (tłum. z ang.), PWN,
Warszawa 1984 (rozdziały 12 – 14)
2) F. Krőhnke, Synthesis, 1976, 1
3) M. Weiss, J. Am. Chem. Soc., 74, 200 (1952); L. Amoros-Martin, R. B. Carlin, J. Am.
Chem. Soc. 81, 733 (1959)
4) S. Tu, R. Jia, B. Jiang, J. Zhang, Y. Zhang, C. Yao, S. Ji, Tetrahedron, 63, 381 (2007)
5) G. W. V. Cave, C. L. Raston, J. Chem. Soc., Perkin Trans. I, 2001, 3258; G. W. V. Cave,
C. L. Raston, J. Chem. Educ. 82, 468 (2005)
6) G. W. V. Cave, C. L. Raston, J. L. Scott, Chem. Commun. 2001, 2159
8
ZADANIE 2C
SYNTEZA N-FENYLOGUANIDYNY
SYNTEZA W FAZIE STAŁEJ W SKALI MIKRO
Bartosz Trzewik, Oskar Popik
Wśród związków zawierających ugrupowanie guanidynowe 1 można wymienić
aminokwas argininę 2, która bierze udział między innymi w cyklu mocznikowym, oraz
chlorheksydynę (Rysunek 1), syntetyczny środek antyseptyczny, stosowany w postaci glukonianu
lub octanu jako środek odkażający skórę, błony śluzowe, rany oraz narzędzia chirurgiczne.
N
N
C
HN
N
NH
HN
NH
HN
NH
NH
1
HN
HN
NH
NH
H2N
COOH
N
H
2
H2N H
Cl
Cl
3
Rysunek 1. Struktura ugrupowania guanidynowego i przykłady związków, które je zawierają.
Interesującą z punktu widzenia chemicznego właściwością pochodnych guanidyny jest
ich wyjątkowa jak na aminy zasadowość, wynosząca dla samej guanidyny pKb = 0,4 [1]
(pKb = 14 – pKa dla sprzężonego kwasu). Dla N-fenyloguanidyny wyliczona wartość wynosi
pK b = 2,94 ± 0.14 [2], co dobrze zgadza się z wartością eksperymentalną pKb = 3,23 [3]. Jest to
wartość dwa rzędy wielkości większa niż dla amoniaku (pKb = 4,74).
Wyjątkowa zasadowość ugrupowania guanidynowego wynika z bardzo dobrej stabilizacji
rezonansowej ładunku dodatniego w kationie guanidyniowym, co pokazano na przykładzie
niepodstawionej guanidyny (Schemat 1) [4].
NH
H2N
C
H+
NH2
NH2
H 2N
H 2N
C
NH2
H2N
C
NH2
NH2
H2N
C
NH2
NH2
+
H 2N
NH2
Schemat 1. Stabilizacja rezonansowa kationu guanidyniowego.
9
Układ guanidyny można otrzymać w reakcji cyjanamidu z aminą. W cząsteczce
cyjanamidu atom węgla jest związany z dwoma silnie elektroujemnymi atomami azotu.
Powoduje to, że posiada on cząstkowy ładunek dodatni i jest podatny na reakcje z nukleofilami,
np. aminami. Mechanizm reakcji na przykładzie reakcji cyjanamidu z chlorowodorkiem aniliny
jest przedstawiony na Schemacie 2 [4].
NH
NH2 . HCl
NH
NH2
- HCl
N
NH2
HN
NH2
+ HCl
HN
NH2
przeniesienie
H+
. HCl
Schemat 2. Mechanizm reakcji chlorowodorku aniliny i cyjanamidu, prowadzącej do chlorowodorku Nfenyloguanidyny.
W mieszaninie reakcyjnej pewien procent cząsteczek chlorowodorku aniliny jest
zdysocjowanych na wolną aminę i HCl. Ilość wolnej aniliny jest wystarczająca do zapewnienia
szybkiej reakcji. Z powodu dużej elektrofilowości atomu węgla cyjanamidu użycie wolnej
aniliny spowodowałoby zbyt gwałtowny przebieg reakcji. Po reakcji addycji nukleofilowej
powstałe cząsteczki N-fenyloguanidyny natychmiast przyłączają chlorowodór, pochodzący z
dysocjacji chlorowodorku aniliny. Wolną N-fenyloguanidynę wyodrębnia się działaniem
stężonego roztworu KOH.
Opisywana reakcja jest przykładem reakcji w fazie stałej. Podczas reakcji substraty
ulegają stopieniu i wymieszaniu. Nie jest konieczne użycie rozpuszczalnika, a więc również jego
późniejsze oddzielanie od produktu. Wyodrębnianie produktu po reakcji prowadzi się w fazie
wodnej, a rozpuszczalnik organiczny potrzebny jest jedynie do oczyszczenia produktu podczas
krystalizacji. Podsumowując, przedstawiana reakcja spełnia wiele założeń tak zwanej zielonej
chemii, m. in. ograniczenie użycia rozpuszczalników organicznych oraz zużycia energii podczas
prowadzonych procesów.
Dodatkową modyfikacją reakcji jest jej przystosowanie do małej skali. Pozwala to na
przeprowadzenie jej w próbówce, a liczba naczyń laboratoryjnych, używanych w trakcie
otrzymywania i oczyszczania produktu zostaje w ten sposób ograniczona.
10
Część doświadczalna
NH
NH2 .HCl
NH2
HCl
1. H2N
N
2. KOH
HN
NH2
Schemat 3. Schemat reakcji otrzymywania N-fenyloguanidyny z aniliny i cyjanamidu.
Odczynniki:
anilina
2,8 cm3 (2,8 g, 30 mmol)
kwas solny stężony
5,2 cm3, (60 mmol)
cyjanamid
1,3 g, (30 mmol)
KOH(aq) (nasycony)
około 30 cm3
1. Chlorowodorek aniliny
Szeroką próbówkę umocować na statywie i umieścić w łaźni lodowej na mieszadle
magnetycznym. W próbówce umieścić odpowiedni mieszalnik i wprowadzić anilinę (2,8 cm3;
2,8 g; 30 mmol). Po włączeniu mieszadła przy intensywnym mieszaniu dodać powoli kroplami
stężony kwas solny. W razie zbyt gwałtownego przebiegu reakcji przerwać na chwilę wkraplanie.
Niemal od razu obserwuje się wytrącanie gęstego białego osadu chlorowodorku aniliny.
Po zakończeniu dodawania kwasu pozostawić próbówkę w łaźni lodowej przez 15 min przy
włączonym mieszadle. Produkt odsączyć pod zmniejszonym ciśnieniem na lejku ze spiekiem
szklanym o niezbyt małych porach (użyć np. lejka ze spiekiem G2). Osad chlorowodorku aniliny
przemyć na lejku dwoma porcjami (po 5 cm3) eteru dietylowego i suszyć w suszarce próżniowej
w temperaturze 120 °C w przeciągu 30 min.
2. N-Fenyloguanidyna [5]
Czystą i suchą szeroką próbówkę umocować na statywie i umieścić w łaźni olejowej o
temperaturze 100 °C na mieszadle magnetycznym. Wysuszony chlorowodorek aniliny (2,6 g;
20 mmol) utrzeć w małym moździerzu i przenieść do próbówki. Należy to zrobić szybko,
ponieważ chlorowodorek aniliny jest higroskopijny. W próbówce umieścić odpowiedni
mieszalnik. W małym moździerzu (czystym i suchym – nie używać bezpośrednio moździerza
użytego do ucierania chlorowodorku aniliny!) utrzeć cyjanamid (1,3 g; 30 mmol) i przenieść go
11
do próbówki zawierającej chlorowodorek aniliny. Zatkać wylot próbówki kłaczkiem waty i
intensywnie mieszać zawartość przez okres 15 min (nie dłużej!). Po chwili od zmieszania
składników stała mieszanina zamienia się w nieco zabarwioną gęstą ciecz i wydziela się trochę
dymu.
Po zakończonej reakcji szybko przenieść (wylać, a resztki wygrzebać szpatułką)
zawartość próbówki do małej parowniczki i rozpuścić masę w 15 cm3 wrzącej wody. Niewielką
ilością (około 5cm3) wrzącej wody wymyć również resztki mieszaniny reakcyjnej z próbówki.
Połączone roztwory, zawierające chlorowodorek N-fenyloguanidyny, umieścić w zlewce o
pojemności 100 cm3 na mieszadle magnetycznym. Po ochłodzeniu zawartości do t.p. włączyć
mieszadło i stopniowo dodawać sporządzony wcześniej nasycony wodny roztwór KOH. W
miarę dodawania roztworu wypada szary osad surowej N-fenyloguanidyny, który należy
odsączyć, starannie odcisnąć, dobrze rozdrobnić i wysuszyć w temperaturze pokojowej w
eksykatorze nad pastylkami NaOH. Podany sposób suszenia jest konieczny, bowiem Nfenyloguanidyna jest związkiem niskotopliwym, higroskopijnym i, jako silna zasada,
pochłaniającym dwutlenek węgla z powietrza.
Wysuszoną surową N-fenyloguanidynę należy przekrystalizować z toluenu. Czysty
produkt należy dobrze odcisnąć podczas sączenia i wysuszyć w suszarce próżniowej w niskiej
temperaturze (maksimum 40 °C) i przechowywać w naczyniu zabezpieczonym przed dostępem
wilgoci i dwutlenku węgla. Można z toluenu krystalizować surową wilgotną N-fenyloguanidynę
(bez suszenia), ale trzeba wówczas użyć nasadkę Deana-Starka (i odpowiednio większą ilość
toluenu, aby wypełnić nasadkę podczas ogrzewania). Roztwór należy przesączyć dopiero wtedy,
kiedy w nasadce przestanie zbierać się woda obecna w surowym produkcie po reakcji.
Zadania
1) Przyporządkuj sygnały w widmie NMR wykonanym w DMSO-d6 do odpowiednich atomów
wodoru w cząsteczce N-fenyloguanidyny [6].
2) Liczba atomów wodoru w cząsteczce N-fenyloguanidyny wynosi 9. W widmie NMR,
wykonanym w DMSO-d6, integracja sygnałów wynosi 10.
– skąd pochodzi dodatkowy atom wodoru, którego sygnał pojawia się w widmie?
– w jaki sposób przyłącza się do cząsteczki N-fenyloguanidyny?
– na jaką właściwość N-fenyloguanidyny to wskazuje?
– Dlaczego w widmie wykonanym w CD3OD brakuje sygnałów, które w widmie wykonanym w
DMSO-d6 są położone przy wartości przesunięć chemicznych δ = 10,07 oraz δ = 7,61 [7]?
12
H4
H1
H2
H
N
NH2 H6
NH
H3
H5
Atom
…………
…………
…………
…………
…………
δ [ppm]
(400 MHz, DMSO-d 6) [6]
7,24 (d; J =
7,4 Hz; 2 H)
7,29 (t; J =
7,4 Hz; 1 H)
7,45 (t; J =
7,9 Hz; 2 H)
7,61 (szeroki
s; 4 H)
10,07
(szeroki s, 1
H).
δ [ppm]
(400 MHz, CD3OD) [7]
7,25 – 7,32
(m, 2H)
7,32 – 7,38
(m, 1 H)
7,45 – 7,52
(m, 2 H)
3) Na Schemacie 1 narysowane są tylko niektóre struktury rezonansowe kationu
guanidyniowego. Narysuj strukturę, w której ładunek dodatni jest zgromadzony na atomie węgla.
Dlaczego ma ona bardzo mały udział w hybrydzie rezonansowej jonu guanidyniowego?
4) W trakcie reakcji opisywanej w tym ćwiczeniu zachodzi reakcja addycji do wiązania
potrójnego C≡N. Jakie inne przykłady addycji do wiązania wielokrotnego węgiel-heteroatom są
Ci znane i do jakich związków prowadzą?
5) Czy możliwa jest reakcja, w której atom azotu grupy NH2 cyjanamidu działa jak nukleofil,
który atakuje któryś z atomów węgla pierścienia aromatycznego w cząsteczce aniliny? Dlaczego?
Literatura
1. Y. Cheng, X. Li, Q. Wang, L. Wang Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 7756-7760.
2. Advanced Chemistry Development (ACD/Labs) Software V8.14 for Solaris.
3. (a) T. L. Davis, R. C. Elderfield J. Am. Chem. Soc. 1932, 54, 1499-1503; (b) T. L. Davis,
R. C. Elderfield J. Am. Chem. Soc. 1933, 55, 731-740.
4. J. March Chemia organiczna. Reakcje, mechanizmy, budowa., Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa, 1975: Str. 25-28, 30-32, 192-203 (Rozdz. 8), 570-572 (reakcja 619), str. 588.
5. K. Palát, Jr., M. Čeladník, J. Daněk, Š. Varkondac Collect. Czech. Chem. Commun. 1992,
57, 1127-1133.
6. O. Guisado, S. Martínez, J. Pastor Tetrahedron Lett. 2002, 43, 7105-7109.
7. M. Xian, N. Fujiwara, Z. Wen, T. Cai, S. Kazuma, A. J. Janczuk, X. Tang, V. V.
Telyatnikov, Y. Zhang, X. Chen, Y. Miyamoto, N. Taniguchib, P. G. Wang Bioorg. Med.
Chem. 2002, 10, 3049-3055.
13
ZADANIE 2D
SYNTEZA KWASU ADYPINOWEGO
K. Sato, M. Aoki and R. Noyori. Science 281, 1646-1648 (1998)
Odczynniki:
cykloheksen
wolframian sodu (dihydrat)
Aliquat 336
wodorosiarczan(VI) potasu
nadtlenek wodoru (30 %)
2,0 cm3 (1,62g, 20 mmol)
0,33 g (1 mmol) *)
0,40 g (1 mmol) *)
0,27 g (2 mmol) *)
12,0 ml (0,12 mol)
W kolbie okrągłodennej o poj. 50 cm3 umieszcza się mieszalnik magnetyczny, wolframian sodu,
Aliquat 336, nadtlenek wodoru i wodorosiarczan potasu. Zawartość kolby miesza się przez kilka minut
w temperaturze pokojowej, a następnie dodaje ze strzykawki cykloheksen. Kolbę zaopatruje się w
chłodnicę zwrotną, umieszcza w płaszczu grzejnym (bez obudowy) nad mieszadłem magnetycznym
i podczas intensywnego mieszania ogrzewa do wrzenia przez ok. 1,5 godz. Gorący roztwór dekantuje się
do zlewki, oddzielając katalizator przeniesienia międzyfazowego, który pozostaje w postaci mazistej
substancji przylepionej do ścianki kolby, zawartość zlewki oziębia się w lodzie przez ok. 15 minut
i inicjuje krystalizację kwasu adypinowego. Produkt odsącza się, a następnie rekrystalizuje z bardzo małej
ilości wody, uzyskując bezbarwne kryształy kwasu adypinowego o tt. = 152-153 oC.
*) Ilość katalizatora jest znacznie większa niż w oryginalnym przepisie (cykloheksen : kat. = 100 : 1), aby
było możliwe skrócenie czasu reakcji z 8 godzin do ok. 90 minut.
14
ZADANIE 2E
SYNTEZA KWASU BENZOESOWEGO
Odczynniki:
alkohol benzylowy
1,0 g
kwas solny, stężony
30 cm3
ok. 5 % roztwór chloranu(I) sodu w ok. 2 % r-rze wodorotlenku sodu (komercyjny wybielacz)
W kolbie okrągłodennej o poj. 100 cm3 zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się
alkohol i 30 cm3 komercyjnego wybielacza. Zawartość kolby doprowadza się do intensywnego
wrzenia i utrzymuje w tym stanie przez ok. 40 minut. Roztwór przenosi się następnie na
parownicę i odparowuje ostrożnie ok. 15 cm3 wody. Po ostudzeniu, roztwór zakwasza się
stężonym kwasem solnym (pod wyciągiem - może wydzielać się niewielka ilość chloru!).
Wydzielony kwas benzoesowy odsącza się, przemywa niewielką ilością zimnej wody i dokładnie
odciska. Czysty produkt o tt. 121 oC otrzymuje się po przeprowadzeniu krystalizacji z wody.
ZADANIE 2F
SYNTEZA 4-BROMOACETANILIDU
B. M. Choudary, Y. Sudha, P. N. Reddy Synlett 1994, 450
Odczynniki:
acetanilid
1,00 g (7,4 mmol)
molibdenian amonu
bromek potasu
kwas octowy, lodowaty
nadtlenek wodoru (r-r 30 %)
0,13 g (0,1 mmol)
0,95 g (8,0 mmol)
8 – 10 ml
0,90 ml (1,00g, 8,8 mmol)
W kolbie okrągłodennej o poj. 25 cm3 znajdującej się nad mieszadłem magnetycznym
umieszcza się roztwór acetanilidu w kwasie octowym. Podczas mieszania wprowadza kolejno
odważone ilości bromku potasu oraz molibdenianu amonu, a następnie powoli wkrapla roztwór
nadtlenku wodoru. Całość miesza się intensywnie przez 40 minut, po czym zawartość kolbki
wylewa do zlewki z wodą. Wydzielony 4-bromoacetanilid odsącza się, przemywa niewielką
ilością zimnej wody i dokładnie odciska. Czysty produkt o tt. 167-168 oC otrzymuje się po
przeprowadzeniu krystalizacji z etanolu.
15
ZADANIE 2G
SYNTEZA 7-HYDROKSY-4-METYLOKUMARYNY
T. Sugino and K. Tanaka, Chem. Lett., 110, 2001
Odczynniki:
rezorcyna
acetylooctan etylu
TsOH
etanol (do krystalizacji)
1,1 g
1,3 g
0,3 g
Syntezę należy wykonać w oparciu o oryginalny przepis zamieszczony poniżej.
Przystępując do ćwiczenia należy przedstawić mechanizm reakcji prowadzących do pochodnej
kumaryny, tłumaczenie tekstu oryginalnego oraz zaprezentować swoją wiedzę na temat
występowania kumaryny i jej pochodnych w naturze, znaczenia tych związków we
współczesnym przemyśle, medycynie i technice.
Experimental procedure:
To an equivalent mixture of resorcinol (1.1 g, 10.0 mmol) and ethyl acetoacetate
(1.3 g, 10.0 mmol) was added TsOH (0.3 g, 1.5 mmol) in a mortar and ground well with
a pestle at room temperature. The mixture was heated at 60 ºC for 10 min under
atmosphere. After cooling, water was added to the reaction mixture and the crystalline
products were collected by filtration to give 7-hydroxy-4-methylcoumarin (1.73 g) in 98%
yield.* The crude crystals thus obtained were recrystallized from EtOH to give pure
product as colorless prisms (mp 185–187 ºC).
*
produkt często nie chce krystalizować z mieszaniny poreakcyjnej. Pomaga pozostawienie mieszaniny
na dłuższy czas w otwartym naczyniu, np. do następnych zajęć. Kryształy produktu do szczepień
dostępne są na sali w szafie z odczynnikami i sprzętem.
Zadania
1) Napisz mechanizmy reakcji prowadzących do 1,3,5-trifenylopentano-1,5-dionu. Podaj nazwy
tych reakcji.
2) W oparciu o rozwiązanie zadania 1 zaprojektuj syntezę 4,6-difenylo-2,3’-bipirydyny.
3) Zarejestrowano widmo 1HNMR 4’-fenylo-2,2’:6’,2’’-terpirydyny [4]:
1
HNMR (δ[ppm]; DMSO-d6 ): 8,82 (d, 2H, J = 4,8 Hz), 8,72 (s, 2H), 8,68 (d, 2H, J = 8,0 Hz),
8,04 (dd, 2H, J1 = 8,0 Hz, J2 = 6,4 Hz), 7,93 (dd, 2H, J1 = 6,4 Hz, J2 = 4,8 Hz), 7,63 – 7,52 (m,
5H)
16
ZADANIE 2H
UTLENIANIE ALKOHOLI W UKŁADZIE HETEROGENICZNYM
Przekształcanie alkoholi w związki karbonylowe to jedna z podstawowych reakcji w chemii
organicznej, bardzo istotna z praktycznego punktu widzenia. Wiele aldehydów, ketonów oraz kwasów
karboksylowych otrzymywanych jest w ten sposób, zarówno w skali laboratoryjnej jak i przemysłowej. Z
tego powodu wciąż rozwijane są nowe metody realizacji takich przemian i poszukiwane są nowe
substancje utleniające. Stosowanym utleniaczom stawianych jest wiele wymagań, nie powinny stanowić
zagrożenia dla środowiska, powinny być bezpieczne w użyciu, umożliwiać przeprowadzenie reakcji w
stosunkowo łagodnych warunkach, wykazywać się chemoselektywnością, pozwalać na ich łatwe
usunięcie z mieszaniny reakcyjnej. Jednym z utleniaczy spełniających większość takich wymagań jest
tlenek manganu(IV), który w określonych warunkach utlenia niektóre alkohole pierwszorzędowe do
aldehydów a drugorzędowe do ketonów. Reakcję można prowadzić bez udziału rozpuszczalnika.1
Celem ćwiczenia jest uzyskanie aldehydu lub ketonu z zadanego alkoholu, w oparciu o metodę
utleniania wykorzystującą MnO 2.
Ćwiczenie obejmuje dwa etapy: preparatykę aktywnej formy utleniacza (MnO2) oraz samą reakcję
utleniania. Należy odszukać, wskazaną w odnośniku, oryginalną publikację opisującą metodę utleniania z
użyciem MnO2, jak również publikację opisującą przygotowanie utleniacza, następnie zaprojektować
wykonanie ćwiczenia. Przystępując do wykonania ćwiczenia należy m.in. krótko zreferować
prowadzącemu zajęcia treść odnalezionych publikacji i przedstawić propozycję realizacji zadania.
Przygotowanie aktywnej formy MnO2
Odczynniki:
MnSO4 (aq), 28,8% , KMnO4 (aq), 13,8% , NaOH (aq), 40,0% - roztwory należy przygotować samemu
Utlenianie alkoholu:
Wartości ilości reagentów (wyrażone w gramach i mililitrach) potrzebne do przygotowania tlenku
manganu(IV) należy podzielić przez 800. Reakcję utleniania przeprowadzić w mikroskali, biorąc 0,5 g
geraniolu. Zaproponować sposób identyfikacji produktu i jego oczyszczenia.
1
Ji-Dong Lou, Zhi-Nan Xu Tetrahedron Letters 43, 2002, 6149–6150
17