Nitrowanie

Transkrypt

Nitrowanie

UJ - Collegium Medicum,
KChO, Pracownia chemii organicznej
Nitrowanie
Symbol
Nazwa otrzymywanego preparatu
strona
Nitrowanie – część teoretyczna
2
N1
p-nitroacetanilid
4
N2
p-bromonitrobenzen
5
N3
m- i p-nitro-N,N-dimetyloanilina
6
N4
o- i p-nitrofenol
8
N5
p-nitrozofenol
10
1
S
Nitrowanie
Nitrowanie związków aromatycznych jest jedną z najstarszych i najlepiej poznanych reakcji
substytucji elektrofilowej, a aromatyczne związki nitrowe znajdują szereg zastosowań jako materiały
wybuchowe (2,4,6-trinitrotoluen - TNT; 2,4,6-trinitrofenol – kwas pikrynowy), czy też barwniki (2,4dinitronaft-1-ol, żółcień naftolowa II – kwas 5,7-dinitro-8-hydroksynaftaleno-2-sulfonowy). Z punktu
widzenia studiów farmaceutycznych, najistotniejsze jest jednak zastosowanie aromatycznych
nitrozwiązków jako antybiotyków i środków przeciwdrobnoustrojowych, jak na przykład pochodne
nitroimidazolu – metronidazol, ornidazol, megazol, nimorazol, czy też występujący naturalnie (!)
chloramfenikol, będący pochodną nitrobenzenu. Metronidazol i chloramfenikol znajdują się na
Modelowej Liście Niezbędnych Leków, publikowanej co dwa lata od 1977 przez Światową Organizację
Zdrowia (WHO).
Przebieg reakcji nitrowania
Nitrowanie związków aromatycznych jest reakcją substytucji elektrofilowej w pierścieniu
aromatycznym. Czynnikiem elektrofilowym w tej reakcji jest jon nitroniowy NO2+, który powstaje z
kwasu azotowego(V) pod działaniem silniejszego kwasu, jak np. H2SO4. W pierwszym etapie reakcji
nitrowania, jon NO2+ ulega przyłączeniu do pierścienia aromatycznego, po czym następuje oderwanie
protonu od atomu węgla do którego jon się przyłączył i odtworzenie układu aromatycznego. Reakcje te
opisane są na schemacie poniżej.
Grupa nitrowa jest podstawnikiem elektronoakceptorowym, silnie dezaktywującym pierścień
aromatyczny (kierującym w pozycję meta-), dlatego wprowadzanie kolejnych grup nitrowych jest coraz
2
trudniejsze. Trudne jest również prowadzenie innych reakcji substytucji elektrofilowej na nitrozwiązkach
aromatycznych, o czym należy pamiętać przy projektowaniu dróg syntezy.
W praktyce laboratoryjnej, do reakcji nitrowania używa się tzw. mieszaniny nitrującej, czyli mieszanki
stężonych kwasów azotowego(V) i siarkowego(VI). Mieszaniny nitrujące mogą mieć różne składy,
dobierane zależnie od reaktywności nitrowanego związku. Do nitrowania związków bardzo reaktywnych
(np. fenole) można używać również samego kwasu azotowego(V) lub różnych jego soli w środowisku
mocnych kwasów, a reakcje zwykle przebiegają swobodnie w niskich temperaturach, nawet poniżej 0°C.
W przypadku wielokrotnego nitrowania, czy reakcji z niereaktywnymi substratami – konieczne może być
długotrwałe ogrzewanie i stosowanie w mieszaninach nitrujących tzw. dymiącego kwasu azotowego –
kwasu azotowego o stężeniu 90% lub bezwodnego kwasu azotowego (99% HNO3). Kwas azotowy o tak
wysokim stężeniu jest niestabilny i łatwo ulega rozkładowi z wydzieleniem tlenku azotu(IV).
Ze względu na silnie utleniający charakter mieszaniny nitrującej oraz tworzących się w niej tlenków
azotu, w trakcie reakcji może dochodzić do niekontrolowanego utleniania substratów, zarówno w niskich,
jak i w wysokich temperaturach. Dlatego opracowano również szereg procedur wykorzystujących trwałe
sole jonu NO2+ jak np. NO2BF4.
Uwagi bezpieczeństwa
Prowadząc reakcje nitrowania należy pamiętać, że stężony kwas siarkowy(VI) i azotowy(V) są
silnie żrące i mogą łatwo spowodować poważne oparzenia lub uszkodzenie wzroku. Należy zachować
szczególną ostrożność podczas sporządzania mieszanin nitrujących (proces silnie egzotermiczny), a także
podczas ogrzewania mieszaniny reakcyjnej, z której mogą wydzielać się tlenki azotu. Związki nitrowe
mają również charakter drażniący oraz mogą silnie i trwale barwić skórę oraz tkaniny.
Komentarz do preparatów
Pierwszy z preparatów, p-nitroacetanilid (N1) pokazuje możliwość uzyskania p-nitropochodnej z
lekko aktywowanego związku aromatycznego w łagodnych warunkach, a zastosowanie lodowatego
kwasu octowego jako rozpuszczalnika pozwala na odtwarzanie wiązania amidowego, które ulega
rozerwaniu pod wpływem mieszaniny nitrującej. Drugi preparat, p-bromonitrobenzen (N2), to klasyczna
reakcja nitrowania, w której z bromopochodnej powstaje pojedynczy produkt, zgody z wpływem
skierowującym podstawnika i jego rozmiarami (duży atom Br utrudnia reakcję nitrowania w pozycji
orto-). Trzeci z preparatów (N3) pokazuje szczególne właściwości grupy aminowej, która może
funkcjonować jako podstawnik silnie aktywujący, lub lekko dezaktywujący (po przyłączeniu protonu do
atomu azotu), dlatego otrzymuje się produkty nitrowania w pozycji para- (powstaje z minimalnych ilości
nieproponowanej aminy) oraz meta- (powstaje z przeważającej w obecności kwasu formy
sprotonowanej). Czwarty preparat (N4) to synteza orto- i para-nitrofenolu, kolejna reakcja wymagająca
łagodnych warunków ze względu na dużą reaktywność substratu. W przypadku preparatów N3 i N4
warto zwrócić uwagę na możliwość łatwego rozdziału powstających regioizomerów. Ostatnim
preparatem w tej sekcji jest p-nitrozofenol, który nie jest nitrozwiązkiem sensu stricto, lecz reakcja
nitrozowania jest analogiczna do procesu nitrowania, wykorzystując jon NO+ jako czynnik elektrofilowy.
Preparat ten pokazuje też możliwość zastosowania soli kwasów azotowych w reakcji substytucji
elektrofilowej.
3
S
Nitrowanie
p-nitroacetanilid
[wg IUPC - N-(4-nitrofenylo)acetamid]
N1
O
HN
O
CH3
HN
CH3
H2SO4
+
HNO3
NO 2
Odczynniki do reakcji
Oczyszczanie
Acetanilid
2,3 g
Kwas azotowy(V) stężony
1,1 cm3
Kwas octowy lodowaty
1,8 cm3
Kwas siarkowy(VI) stężony
10,2 cm3
 Wodorowęglan sodu 1,5 g
 Etanol
Zalecenia
Dla otrzymanego produktu po dokładnym wysuszeniu należy zmierzyć temperaturę topnienia.
Dla otrzymanego związku należy zinterpretować widma spektroskopowe otrzymane od asystenta.
BHP
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kwas azotowy(V) stężony powoduje poważne oparzenia.
Kwas octowy lodowaty - substancja łatwopalna, powoduje poważne oparzenia.
Kwas siarkowy(VI) jest żrący; powoduje poważne oparzenia.
Etanol jest substancją wysoce palną.
Przesącz po krystalizacji zlać do butelki z napisem „Zlewki etanolowe”.
Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem!
Synteza
Do kolby okrągłodennej, dwuszyjnej, o pojemności 100 cm3, zaopatrzonej w mieszadło,
termometr i wkraplacz wlewa się 7,5 cm3 stężonego H2SO4 i 1,8 cm3 lodowatego kwasu octowego.
Mieszaninę kwasów chłodzi się do temperatury pokojowej i wprowadza porcjami, ciągle mieszając 2,3 g
drobno sproszkowanego suchego acetanilidu. Zawartość kolby chłodzi się do temperatury 0°C i wkrapla,
silnie mieszając, zimną mieszaninę nitrującą złożoną z 1,1 cm3 stężonego kwasu azotowego(V) i 2,7 cm3
stężonego kwasu siarkowego(VI). Temperatura reakcji nie powinna przekroczyć 5°C (UWAGA: należy
intensywnie mieszać oraz bardzo powoli wkraplać mieszaninę nitrującą). Po zakończeniu wkraplania
mieszaninę pozostawia się bez mieszania przez l godzinę w temperaturze od 3 do 5°C, po czym wlewa się
ją do ok. 60 cm3 wody z lodem. Wytrącony, prawie bezbarwny osad odsącza się na lejku Büchnera,
przemywa kilkakrotnie wodą spod lodu.
Izolacja produktu reakcji i oczyszczanie
Osad na sączku przemywa się 3% roztworem wodorowęglanu sodu. Surowy p-nitroacetanilid krystalizuje
się z etanolu.
4
S
Nitrowanie
p-bromonitrobenzen
[wg IUPC - 1-bromo-4-nitrobenzen]
N2
Br
Br
H2SO4
+
HNO3
NO 2
Oczyszczanie
Bromobenzen
1,9 cm3
3,7 cm3
3,7 cm3
 Etanol
Zalecenia
Dla otrzymanego produktu po dokładnym wysuszeniu należy zmierzyć temperaturę topnienia.
BHP
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Kwas azotowy(V) stężony jest żrący; powoduje poważne oparzenia.
Bromobenzen jest substancją łatwopalną. Działa szkodliwie przez drogi oddechowe.
Etanol jest substancją lotną i wysoce palną.
Przesącz po krystalizacji zlać do butelki z napisem „Zlewki etanolowe”.
Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem!
Synteza
Do dwuszyjnej kolby okrągłodennej o pojemności 250 cm3, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i
termometr, ustawionej w łaźni wodnej na mieszadle magnetycznym, odmierza się 3,7 cm3 stężonego
HNO3 i dodaje do niego powoli, delikatnie mieszając i ziębiąc wodą z lodem, 3,7 cm3 stężonego H2SO4.
W czasie powstawania mieszaniny nitrującej zachodzi reakcja egzotermiczna. Do lekko ciepłej
mieszaniny (temperatura pokojowa) wkrapla się porcjami (po ok. 0,5 – 1 cm3) 1,9 cm3 bromobenzenu,
delikatnie mieszając i pilnując, żeby temperatura nie przekraczała 50 – 60°C (w razie potrzeby chłodzić
łaźnią z zimną wodą). Po zakończeniu wkraplania całość miesza się, aż temperatura przestanie wzrastać,
a następnie ogrzewa się przez 0,5 godziny na wrzącej łaźni wodnej. Po ostygnięciu zawartość kolby
wlewa się, mieszając do 100 cm3 zimnej wody. p-bromonitrobenzen odsącza się na lejku Büchnera,
przemywając zimną wodą.
Surowy produkt krystalizuje się z etanolu.
5
S
Nitrowanie
m- i p- nitroanilina
[wg IUPC - N,N-dimetylo-3-nitroanilina i N,N-dimetylo-4-nitroanilina]
N3
H3C
N
CH3
H3C
N
CH3
1. H2SO4
H3C
N
CH3
+
2. HNO3, H2SO4
NO 2
NO 2
Oczyszczanie
N,N-dimetyloanilina
4 cm3
2 cm3
15 cm3
 Amoniak stężony 45 cm3
 Etanol
Zalecenia
Dla otrzymanych produktów po dokładnym wysuszeniu należy zmierzyć temperaturę topnienia.
Wyjaśnić, dlaczego w reakcji powstają izomery para- i meta-, biorąc pod uwagę jonizację N,Ndimetyloaniliny i wpływy skierowujące podstawników.
BHP
1. Kwas azotowy(V) stężony powoduje poważne oparzenia.
2. N,N-dimetyloanilina działa toksycznie przez drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po
połknięciu.
3. Kwas siarkowy(VI) jest żrący; powoduje poważne oparzenia.
4. Etanol jest substancją wysoce palną.
5. Przesącz po krystalizacji zlać do butelki z napisem „Zlewki etanolowe”.
6. Amoniak działa toksycznie przez drogi oddechowe. Powoduje oparzenia.
7. Reakcję należy prowadzić pod wyciągiem!
.
Synteza
Pod digestorium montuje się zestaw złożony z kolby dwuszyjnej o pojemności 100 cm3
chłodzonej mieszaniną wody z lodem, zaopatrzonej we wkraplacz, termometr z długą nóżką oraz
mieszadło. Do kolby zawierającej 13 cm3 stężonego H2SO4 wkrapla się za pomocą wkraplacza 4 cm3
N,N-dimetyloaniliny, mieszając i utrzymując temperaturę poniżej 25°C. Powstały roztwór siarczanu N,Ndimetyloaniliny chłodzi się w mieszaninie oziębiającej (lód + NaCl), nadal mieszając, do temperatury
5°C i w tej temperaturze powoli wkrapla (po jednej kropli) za pomocą wkraplacza mieszaninę nitrującą
sporządzoną w następujący sposób: w małej zlewce chłodzonej zimną wodą zawierającej 2 cm3 stężonego
kwasu azotowego(V) dodaje się ostrożnie, mieszając pręcikiem, 2 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI).
Powstanie mieszaniny nitrującej jest reakcją egzotermiczną, więc zawartość zlewki należy schłodzić, tym
bardziej że reakcję nitrowania należy dalej prowadzić w temp. 5-10°C.
6
Po zakończeniu wkraplania całość miesza się jeszcze przez 1 godzinę, utrzymując temp. 5-10°C, a
następnie przelewa do zlewki i dodaje ok. 25 g drobno potłuczonego lodu. Następnie chłodząc zawartość
(umieszczając zlewkę w misce wypełnionej mieszanina lodu z wodą), równocześnie mieszając, wkrapla
się (za pomocą wkraplacza) bardzo ostrożnie stężony amoniak tak, aby temperatura mieszaniny nie
przekroczyła 25°C, do chwili, gdy powstający żółty osad zacznie zmieniać barwę na żółtopomarańczową
(następuje to po dodaniu ok. 22,5 cm3 amoniaku). Powstały osad p-nitro-N,N-dimetyloaniliny odsącza się
na lejku Büchnera, przemywa ok. 4 cm3 wody, a następnie krystalizuje z etanolu (Uwaga: nie używać
wody do wytrącenia większej ilości związku w przypadku użycia zbyt dużej ilości etanolu). Do
przesączu, przelanego do zlewki (chłodzonej wodą z lodem w celu utrzymania temperatury 25°C),
mieszając, dodaje się następną porcję stężonego amoniaku (ok. 22,5 cm3) do zaniku niebieskiego
zabarwienia papierka Kongo. W czasie alkalizowania z roztworu wydziela się osad m-nitro-N,Ndimetyloaniliny. Mieszaninę należy pozostawić do następnego dnia w lodówce w celu rekrystalizacji.
Surowy produkt sączy się przez lejek Büchnera, przemywa ok. 10 cm3 wody i oczyszcza przez
krystalizację z etanolu.
Obydwa wydzielone izomery oczyszcza się przez krystalizację z etanolu. Uwaga: W przypadku
użycia zbyt dużej ilości etanolu, należy odparować nadmiarową ilość pod obniżonym ciśnieniem, nie
należy natomiast dodawać wody w celu wytrącenia produktu.
7
S
Nitrowanie
o- i p-nitrofenol
[wg IUPC - 2-nitrofenol i 4-nitrofenol]
N4
OH
OH
OH
NO 2
HNO3, H2SO4
+
H2O
NO 2
Oczyszczanie
Fenol
12 g
Azotan(V) sodu
20 g
13,5 cm3
 Kwas chlorowodorowy 2% 150 cm3
 Woda destylowana
Zalecenia
Dla otrzymanych produktów po dokładnym wysuszeniu należy zmierzyć temperaturę topnienia.
BHP
1.
2.
3.
4.
Fenol działa toksycznie w kontakcie ze skórą i po połknięciu. Powoduje oparzenia.
o-Nitrofenol działa drażniąco na skórę.
p-Nitrofenol działa szkodliwie przez drogi oddechowe, w kontakcie ze skórą i po połknięciu.
Niebezpieczeństwo kumulacji w organizmie.
Synteza
W dwuszyjnej kolbie okrągłodennej o pojemności 500 cm3, zaopatrzonej w mieszadło i termometr
z długą nóżką, rozpuszcza się 20 g azotanu(V) sodu w 50 cm3 wody. Do otrzymanego roztworu dodaje
się, mieszając, 13,5 cm3 stężonego H2SO4 i tak sporządzoną mieszaninę nitrującą oziębia się do
temperatury 20°C. Do oziębionej zawartości kolby wkrapla się nadal, delikatnie mieszając i utrzymując
temperaturę 20-25°C upłynnione wcześniej przez podgrzanie 12 g fenolu w 2 cm3 wody (fenol upłynnia
się, podgrzewając go wraz z wodą w malutkiej zlewce na palniku). Temperaturę 20-25°C należy
koniecznie utrzymywać przez cały czas reakcji nitrowania fenolu, bowiem przekroczenie jej powoduje
powstawanie polinitrowych oleistych produktów ubocznych utrudniających wydzielanie zwłaszcza pnitrofenolu (w razie potrzeby należy kolbę reakcyjną zanurzać w przygotowanym wcześniej naczyniu
napełnionym wodą i lodem). Po zakończeniu wkraplania zawartość kolby miesza się jeszcze przez
godzinę, po czym wlewa się do niej ok. 200 cm3 wody i czeka, aż oleisty produkt reakcji oddzieli się od
warstwy wodnej i osiądzie na dnie kolby. Wówczas zlewa się ostrożnie i możliwie dokładnie warstwę
wodną znad oleju.
Pozostały olej przenosi do kolby z długą szyją, popłukując resztki wodą destylowaną i destyluje
się go z parą wodną. Destylacja z parą wodną pozwala na oddzielenie lotnego z parą żółtego o-nitrofenolu
od nielotnego p-nitrofenolu, który pozostaje w kolbie. Destylacja jest ukończona, gdy z kilku cm3
8
destylatu, odebranych na szkiełko zegarkowe, nie wydziela się po oziębieniu krystaliczny osad onitrofenolu. Wówczas odbieralnik oziębia się, a wydzieloną krystaliczną masę odsącza na lejku Büchnera
i suszy. Jeśli osad o-nitrofenolu odznacza się ładną formą krystaliczną, można próbować oznaczyć jego
temperaturę topnienia, która dla czystego związku wynosi 45°C. W razie potrzeby o-nitrofenol można
oczyścić, przeprowadzając jego krystalizację z rozcieńczonego alkoholu etylowego lub przeprowadzając
ponowną destylację z parą wodną.
W kolbie destylacyjnej pozostaje nielotny z parą wodną p-nitrofenol. Zawartość kolby przesącza się do
zlewki, którą umieszcza się w misce wypełnionej wodą i lodem, i chłodzi przez ok. l godzinę.
Wydzielony osad odsącza się na lejku Büchnera. Odsączony p-nitrofenol przenosi się do zlewki, zadaje
się ok. 20 cm3 2% HCl, ogrzewa delikatnie palnikiem, a następnie oddziela się roztwór wraz z osadem od
powstałego oleju, który należy odrzucić. Roztwór wraz z osadem ogrzewa się teraz do wrzenia z taką
ilością 2% HCl, aby cały osad się rozpuścił. Następnie po doprowadzeniu roztworu do wrzenia dodaje się
węgla aktywnego, ogrzewa całość 1-2 min i sączy na gorąco przez karbowany sączek.
9
S
Nitrowanie
p-nitrozofenol
[wg IUPC - 4-nitrozofenol]
N5
OH
OH
1. NaOH, NaNO2
2. H2SO4
NO
Oczyszczanie
Fenol
3,13 g
Wodorotlenek sodu
1,4 g
Azotan(III) sodu
2,8 g
4,3 cm3
 Woda destylowana
Zalecenia
Temperatury topnienia nie oznacza się ze względu na gwałtowny rozkład i zwęglenie produktu.
BHP
1.
2.
3.
4.
Fenol działa toksycznie w kontakcie ze skórą i po połknięciu. Powoduje oparzenia.
Wodorotlenek sodu powoduje poważne oparzenia.
Reakcję należy wykonać pod wyciągiem!
Synteza
W kolbie dwuszyjnej o pojemności 250 cm3, zaopatrzonej we wkraplacz, termometr i mieszadło,
rozpuszcza się 3,13 g fenolu w roztworze l,4 g wodorotlenku sodu w 78 cm3 wody. Następnie, ciągle
mieszając, dodaje się 2,8 g azotanu(III) sodu. Mieszaninę reakcyjną oziębia się do temperatury 5°C
lodem z solą i powoli wkrapla się rozcieńczony kwas siarkowy(VI) otrzymany przez zmieszanie 4,3 cm3
stężonego H2SO4 z 21 cm3 wody (wlewa się kwas do wody!). Kwas siarkowy(VI) wkrapla się powoli (ok.
1 godziny), tak aby temperatura mieszaniny reakcyjnej nie przekroczyła 50°C. Już w czasie wkraplania
kwasu roztwór brązowieje i zaczyna się wydzielać brązowy osad. Po skończonym wkraplaniu zostawia
się roztwór na 1 godzinę, a następnie wyjmuje z mieszaniny chłodzącej i pozostawia w temperaturze
pokojowej na 30 minut. Osad odsącza na lejku Büchnera i przemywa 5-6 razy 5 cm3 zimnej wody.
W celu oczyszczenia należy związek umieścić w zlewce, do której dolewa się porcjami wrzącą
wodę aż do całkowitego rozpuszczenia związku. Rozpuszczanie to musi odbywać się bardzo szybko i bez
ogrzewania, gdyż może nastąpić zesmolenie produktu. Następnie otrzymany roztwór sączy się przez
sączek karbowany, chłodzi, a otrzymany osad odsącza się na lejku Büchnera.
10

Nitrowanie

Transkrypt

Podobne dokumenty

Kilometrówka - służbowa podróż Stawki Samochód Do 900 cm3

Skutery. Motocykle. Quady BOD

SZKŁO I SPRZĘT MIAROWY

W-0.8 CZ/2kr osłonka PL/1kr