ZADAIA 2A-H ZIELOA 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. H 2 O 2, aclo) 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 "ZIELOA CHEMIA: założenia, cele, przykłady osiągnięć" Wiadomości chemiczne 56 (9-10), 709-770 (2002). ajistotniejsze 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". ZADAIE 2A i 2B SYTEZA 2,4,6-TRIARYLOPIRYDYY 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 2,4,6- trifenylopirydyny, metoda Krőhnkego [2], wykorzystuje reakcję bromku fenacylopirydyniowego z benzylidenoacetofenonem. Bromek fenacylopirydyniowy jest produktem reakcji bromku fenacylu (α-bromoacetofenonu) z pirydyną. ależy 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 2,4,6- trifenylopirydyny 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 1,3- difenylopropan-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 2- pirydynowych 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 2,4,6- triarylopirydyn tanich, prostych i co najważniejsze spełniających warunki ochrony środowiska czyli zgodne z założeniami tzw. green chemistry. ajogólniej 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-1,4- dihydropirydyna (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 2,4,6- triarylopirydyny 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
O CH 3 + O H aoh _ H2 O O + O CH 3 aoh O O H 3 (CH 3 COOH 4 ) O O H 3 metoda Weissa + COCH=CH _ COCH 2 CH 2 O H2 OH powietrze _ H2 O H _ 2 H2 O HO H OH O H H OH 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. ależy 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. 2A) 2,4,6-Trifenylopirydyna Część doświadczalna Odczynniki: acetofenon 2,3 cm 3 (2,40 g, 20 mmol) benzaldehyd 1,0 cm 3 (1,06 g, 10 mmol) wodorotlenek sodu 0,8 g (20 mmol) octan amonu 5 g (duży nadmiar) kwas octowy lod. 25 cm 3 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 moździerza 1 do kolby stożkowej o pojemności 50 cm 3, 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. astępuje zmiana barwy roztworu na niebieski lub zielony, która świadczy o zachodzeniu procesu utlenienia. Po ochłodzeniu dodaje się 10 cm 3 wody i odsącza na lejku Büchnera wydzielony produkt. Osad przemywa się wodą i etanolem 2, a w razie potrzeby oczyszcza przez krystalizację z etanolu 3. Otrzymuje się bezbarwny produkt o temperaturze topnienia 138 139 ºC. 2B) 4 -Fenylo-2,2 :6,2 -terpirydyna 4' 2 1 2' 1' 2'' 6' 1'' Odczynniki: 2-acetylopirydyna 2,2 cm 3 (2,40 g, 20 mmol) benzaldehyd 1,0 cm 3 (1,06 g, 10 mmol) wodorotlenek sodu 0,8 g (20 mmol) octan amonu 5 g (duży nadmiar) kwas octowy lod. 25 cm 3 etanol UWAGA: Praca z substancjami toksycznymi wyłącznie pod wyciągiem, obowiązują rękawice ochronne! 2-Acetylopirydyna posiada niezwykle przykry zapach 4. 1 Moździerz należy spłukać wodą pod dygestorium, a następnie umyć acetonem. 2 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). 7
ależy 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) apisz 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 1 HMR 4 -fenylo-2,2 :6,2 -terpirydyny [4]: 1 HMR (δ[ppm]; DMSO-d 6 ): 8,82 (d, 2H, J = 4,8 Hz), 8,72 (s, 2H), 8,68 (d, 2H, J = 8,0 Hz), 8,04 (dd, 2H, J 1 = 8,0 Hz, J 2 = 6,4 Hz), 7,93 (dd, 2H, J 1 = 6,4 Hz, J 2 = 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.), PW, 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
SYTEZA -FEYLOGUAIDYY SYTEZA W FAZIE STAŁEJ W SKALI MIKRO Bartosz Trzewik, Oskar Popik ZADAIE 2C 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. C 1 H H H H H H H H H H H H 2 H COOH H 2 H Cl 2 3 Cl 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 pk b = 0,4 [1] (pk b = 14 pk a dla sprzężonego kwasu). Dla -fenyloguanidyny wyliczona wartość wynosi pk b = 2,94 ± 0.14 [2], co dobrze zgadza się z wartością eksperymentalną pk b = 3,23 [3]. Jest to wartość dwa rzędy wielkości większa niż dla amoniaku (pk b = 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]. H 2 H C H + H 2 C H 2 H 2 C H 2 C H 2 + 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]. H. HCl - HCl H + HCl H przeniesienie H + H. HCl Schemat 2. Mechanizm reakcji chlorowodorku aniliny i cyjanamidu, prowadzącej do chlorowodorku - fenyloguanidyny. 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 -fenyloguanidyny natychmiast przyłączają chlorowodór, pochodzący z dysocjacji chlorowodorku aniliny. Wolną -fenyloguanidynę wyodrębnia się działaniem stężonego roztworu KOH. Opisywana reakcja jest przykładem reakcji w fazie stałej. Podczas reakcji substraty ulegają stopieniu i wymieszaniu. ie 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 HCl. HCl 1. H 2 2. KOH H H Schemat 3. Schemat reakcji otrzymywania -fenyloguanidyny z aniliny i cyjanamidu. Odczynniki: anilina 2,8 cm 3 (2,8 g, 30 mmol) kwas solny stężony 5,2 cm 3, (60 mmol) cyjanamid 1,3 g, (30 mmol) KOH (aq) (nasycony) około 30 cm 3 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 cm 3 ; 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. iemal 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 cm 3 ) eteru dietylowego i suszyć w suszarce próżniowej w temperaturze 120 C w przeciągu 30 min. 2. -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. ależy 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 cm 3 wrzącej wody. iewielką ilością (około 5cm 3 ) wrzącej wody wymyć również resztki mieszaniny reakcyjnej z próbówki. Połączone roztwory, zawierające chlorowodorek -fenyloguanidyny, umieścić w zlewce o pojemności 100 cm 3 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 -fenyloguanidyny, który należy odsączyć, starannie odcisnąć, dobrze rozdrobnić i wysuszyć w temperaturze pokojowej w eksykatorze nad pastylkami aoh. Podany sposób suszenia jest konieczny, bowiem - fenyloguanidyna jest związkiem niskotopliwym, higroskopijnym i, jako silna zasada, pochłaniającym dwutlenek węgla z powietrza. Wysuszoną surową -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 -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 MR wykonanym w DMSO-d 6 do odpowiednich atomów wodoru w cząsteczce -fenyloguanidyny [6]. 2) Liczba atomów wodoru w cząsteczce -fenyloguanidyny wynosi 9. W widmie MR, wykonanym w DMSO-d 6, integracja sygnałów wynosi 10. skąd pochodzi dodatkowy atom wodoru, którego sygnał pojawia się w widmie? w jaki sposób przyłącza się do cząsteczki -fenyloguanidyny? na jaką właściwość -fenyloguanidyny to wskazuje? Dlaczego w widmie wykonanym w CD 3 OD brakuje sygnałów, które w widmie wykonanym w DMSO-d 6 są położone przy wartości przesunięć chemicznych δ = 10,07 oraz δ = 7,61 [7]? 12
Atom δ [ppm] (400 MHz, DMSO-d 6 ) [6] δ [ppm] (400 MHz, CD 3 OD) [7] H2 H3 H1 H4 H H H5 H6 7,24 (d; J = 7,29 (t; J = 7,45 (t; J = 7,61 (szeroki 7,4 Hz; 2 H) 7,4 Hz; 1 H) 7,9 Hz; 2 H) s; 4 H) 7,25 7,32 (m, 2H) 7,32 7,38 (m, 1 H) 7,45 7,52 (m, 2 H) 10,07 (szeroki s, 1 H). 3) a Schemacie 1 narysowane są tylko niektóre struktury rezonansowe kationu guanidyniowego. arysuj 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. 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 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 aukowo- Techniczne, Warszawa, 1975: Str. 25-28, 30-32, 192-203 (Rozdz. 8), 570-572 (reakcja 6-19), 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,. Fujiwara, Z. Wen, T. Cai, S. Kazuma, A. J. Janczuk, X. Tang, V. V. Telyatnikov, Y. Zhang, X. Chen, Y. Miyamoto,. Taniguchib, P. G. Wang Bioorg. Med. Chem. 2002, 10, 3049-3055. 13
SYTEZA KWASU ADYPIOWEGO K. Sato, M. Aoki and R. oyori. Science 281, 1646-1648 (1998) ZADAIE 2D Odczynniki: cykloheksen 2,0 cm 3 (1,62g, 20 mmol) wolframian sodu (dihydrat) 0,33 g (1 mmol) * ) Aliquat 336 0,40 g (1 mmol) * ) wodorosiarczan(vi) potasu 0,27 g (2 mmol) * ) nadtlenek wodoru (30 %) 12,0 ml (0,12 mol) W kolbie okrągłodennej o poj. 50 cm 3 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 o C. * ) 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
ZADAIE 2E SYTEZA KWASU BEZOESOWEGO Odczynniki: alkohol benzylowy 1,0 g kwas solny, stężony 30 cm 3 ok. 5 % roztwór chloranu(i) sodu w ok. 2 % r-rze wodorotlenku sodu (komercyjny wybielacz) W kolbie okrągłodennej o poj. 100 cm 3 zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną, umieszcza się alkohol i 30 cm 3 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 cm 3 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 o C otrzymuje się po przeprowadzeniu krystalizacji z wody. SYTEZA 4-BROMOACETAILIDU B. M. Choudary, Y. Sudha, P.. Reddy Synlett 1994, 450 ZADAIE 2F Odczynniki: acetanilid molibdenian amonu bromek potasu kwas octowy, lodowaty nadtlenek wodoru (r-r 30 %) 1,00 g (7,4 mmol) 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 cm 3 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 o C otrzymuje się po przeprowadzeniu krystalizacji z etanolu. 15
SYTEZA 7-HYDROKSY-4-METYLOKUMARYY T. Sugino and K. Tanaka, Chem. Lett., 110, 2001 ZADAIE 2G 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) apisz 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 1 HMR 4 -fenylo-2,2 :6,2 -terpirydyny [4]: 1 HMR (δ[ppm]; DMSO-d 6 ): 8,82 (d, 2H, J = 4,8 Hz), 8,72 (s, 2H), 8,68 (d, 2H, J = 8,0 Hz), 8,04 (dd, 2H, J 1 = 8,0 Hz, J 2 = 6,4 Hz), 7,93 (dd, 2H, J 1 = 6,4 Hz, J 2 = 4,8 Hz), 7,63 7,52 (m, 5H) 16
ZADAIE 2H UTLEIAIE ALKOHOLI W UKŁADZIE HETEROGEICZYM 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 (MnO 2 ) oraz samą reakcję utleniania. ależy odszukać, wskazaną w odnośniku, oryginalną publikację opisującą metodę utleniania z użyciem MnO 2, 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 MnO 2 Odczynniki: MnSO 4 (aq), 28,8%, KMnO 4 (aq), 13,8%, aoh (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-an Xu Tetrahedron Letters 43, 2002, 6149 6150 17