ANALIZA SPEKTRALNA IR, 1 H NMR (jednowymiarowe i dwuwymiarowe COSY), 13 C NMR EUGENOLU I JEGO POCHODNEJ BENZOESANU EUGENOLU Celem ćwiczenie jest wyodrębnienie z materiału biologicznego (suszone goździki) olejku eterycznego jakim jest olejek goździkowy, przeprowadzenie olejku eterycznego w jego pochodną benzoesan eugenolu, a następnie identyfikacja otrzymanych produktów z zastosowaniem wybranych metod spektralnych. Głównym składnikiem olejku goździkowego jest eugenol. Jest to związek z grupy terpenów o wzorze ogólnym C 10 H 12 O 2 i nazwie systematycznej 2-metoksy-4-allilofenol lub 2-metoksy-4- (2-propenylo)fenol. OH OCH 3 Eugenol Eugenol jest pochodną gwajakolu (2-metoksyfenolu, orto hydroksyanizolu): OH OCH 3 Gwajakol stosowanego powszechnie w leczeniu nieprzewlekłych zapaleń dróg oddechowych w postaci syropów jako środek wykrztuśny i odkażający drogi oddechowe. Olejek goździkowy wykorzystywany jest w przemyśle do produkcji waniliny na drodze utleniania. Olejki eteryczne wyodrębniane z materiałów roślinnych stanowią zazwyczaj złożone mieszaniny różnorakich substancji (węglowodorów, ketonów, aldehydów, alkoholi, estrów). W przypadku goździków mamy jednak do czynienia z materiałem, który jest szczególnie bogaty w jeden określony składnik, w tym przypadku eugenol. Eugenol ma przyjemny, dosyć ostry zapach goździkowy i jest sprawcą charakterystycznego aromatu cynamonu, gałki muszkatołowej, i liści laurowych. Olejek ten wykorzystywany jest w przemyśle spożywczym, perfumeryjnym, a także ze względu na działanie antyseptyczne anestezjologiczne oraz przeciwbólowe w przemyśle farmaceutycznym. W postaci mieszaniny tlenku cynku oraz soli cynkowej eugenolu używany jest w stomatologii do wyrobu cementu dentystycznego, a także do odkażania kanałów
zębowych. Ponadto pochodne eugenolu, podobnie jak gwajakolu, wykorzystywane są do produkcji repelentów i kosmetyków z filtrami UV. Preparaty z eugenolem zdobywają też coraz większą popularność jako środki odkażające do akwariów. Eugenol jest związkiem o niskiej toksyczności. Jednak jego nadużycie może prowadzić do nudności, wymiotów, konwulsji, utraty przytomności, zawrotów głowy i palpitacji serca. PRZEBIEG ĆWICZENIA: IZOLACJA EUGENOLU Z GOŹDZIKÓW SPOŻYWCZYCH NA DRODZE DESTYLACJI Z PARĄ WODNĄ WYKONANIE ĆWICZENIA: SPRZĘT: Kolba okrągłodenna 250 ml Kolba stożkowa 300 ml Rozdzielacz 300 ml Cylinder miarowy 100 ml Kolba stożkowa z korkiem 100 ml Zestaw do destylacji z parą wodną Fiolka ODCZYNNIKI: Goździki 10 g Chlorek metylenu 60 ml Siarczan sodu bezw. DESTYLACJA Z PARĄ WODNĄ: W kolbie okrągłodennej na 250 ml umieść 10 gramów starannie zmiażdżonych goździków oraz około 80 ml wody. Korzystając z aparatury do destylacji z parą wodną przeprowadź destylację zbierając do kolby stożkowej o pojemności 300 ml około 200 ml destylatu.
EKSTRAKCJA: Przeprowadź trzykrotną ekstrakcję destylatu 60 ml chlorku metylenu. W tym celu destylat przenieś do rozdzielacza. Dodaj 20 ml chlorku metylenu. Wymieszaj, a następnie starannie rozdziel wydzielone warstwy. Zlej warstwę chlorku metylenu (dolną) do kolby stożkowej na 100 ml zaopatrzonej w korek. Pozostałą w rozdzielaczu warstwę wodną wytrząsaj jeszcze dwukrotnie z dwoma porcjami 20 ml chlorku metylenu. Połącz ekstrakty chlorku metylenu. Warstwę wodną odrzuć. Do roztworu chlorku metylenu zgromadzonego w kolbie stożkowej dodaj środek suszący (bezwodny siarczan magnezu), zamknij kolbę korkiem. Po upływie około 15 minut zdekantuj roztwór znad środka suszącego do suchej, zważonej kolby okrągłodennej na 250 ml. WYODRĘBNIENIE EUGENOLU: Korzystając z wyparki, zabezpieczonej płuczką z ciekłym azotem i podłączonej do pompy próżniowej, odparuj chlorek metylenu. Pozostały w kolbie olejek goździkowy zważ i policz procentową zawartość wyizolowanego eugenolu w użytych do ćwiczenia goździkach (załóż 100% zawartość eugenolu w olejku
goździkowym). Przeprowadź identyfikację produktu za pomocą analizy spektralnej zlecając wykonanie widma IR, 1 H NMR, 1 H- 1 H COSY, 13 C NMR. Przeprowadź interpretację otrzymanych widm. SYNTEZA BENZOESANU EUGENOLU SPRZĘT: Probówka Pipeta Pasteura Pipeta wielomiarowa 2 ml Zlewka 250 ml 2 Płyta grzejna Bagietka Lejek Büchnera Fiolka ODCZYNNIKI: Eugenol (olejek goździkowy) 1 g (0.006 M) NaOH 3M 2 ml (0.006 M) Chlorek benzoilu 0.84 g (0.006 M) Metanol 2 ml + 5 ml REAKCJA OTRZYMYWANIA: W suchej, wytarowanej probówce, umieszczonej na wadze technicznej, odważ, korzystając z pipety Pasteura 1 gram (0.006 M) olejku goździkowego. Do probówki dodaj za pomocą pipety wielomiarowej równomolowy roztwór NaOH (np. 2 ml 3M roztworu NaOH). Roztwór może pozostać mętny, ale nie powinien zawierać śladów substancji oleistych. Następnie do tej samej probówki pipetą dodaj, odważając dokładnie, 0.84 g chlorku benzoilu. (UWAGA! Nadmiar chlorku benzoilu utrudnia krystalizację produktu). Całość, starannie mieszaj i ogrzewaj we wrzącej łaźni wodnej przez około 5 minut (zlewka 250 ml z wodą). Po zakończeniu reakcji, w celu wydzielenia bezpostaciowego benzoesanu eugenolu, pocierając bagietką wewnętrzne ścianki probówki ochłodź probówkę z mieszaniną reakcyjną w łaźni wodnej z kawałkami lodu. Następnie starannie zdekantuj wodę znad wydzielonej stałej substancji oleistej. Ilość pozostałej wody musi być jak najmniejsza. W trakcie dekantacji ważne jest, żeby roztwór pozostawał silnie schłodzony. Jeśli masa się upłynnia, należy mieszaninę ponownie schłodzić w wodzie z lodem. KRYSTALIZACJA: Probówkę z powstałym surowym benzoesanem eugenolu umieść w gorącej łaźni wodnej i rozpuść jej zawartość w minimalnej ilości metanolu (około 2 ml). Wyjmij probówkę z łaźni wodnej i cierpliwie pocieraj bagietką wewnętrzne ścianki probówki do momentu wydzielenia drobnokrystalicznego osadu. W przypadku trudności z wypadaniem osadu, odparuj nadmiar metanolu w łaźni wodnej, a następnie ochłodź probówkę z
mieszaniną reakcyjną w łaźni z lodem, gdy roztwór zmętnieje dodaj otrzymany od laboranta zarodek krystalizacyjny. Wydzielone kryształy benzoesanu eugenolu odsącz na lejku Büchnera podłączonym do kolbki ssawkowej. Osad na lejku przemyj niewielką ilością zimnej wody, a następnie małą ilością mieszaniny woda: metanol w stosunku objętościowym 1:1. Otrzymane kryształy benzoesanu eugenolu pozostaw do wysuszenia. ZAGADNIENIA DO ROZWIĄZANIA: 1. Oblicz ilość olejku goździkowego w goździkach. 2. Oblicz wydajność procesu otrzymywania benzoesanu eugenolu z olejku goździkowego. 3. Zmierz temperaturę topnienia benzoesanu eugenolu Wynik porównaj z danymi literaturowymi. Sformułuj odpowiednie wnioski. 4. Przeprowadź identyfikację eugenolu zlecając wykonanie widma IR, 1 H NMR, dwuwymiarowego COSY, 13 C NMR. 5. Przeprowadź identyfikację benzoesanu eugenolu zlecając wykonanie widma IR, 1 H NMR, dwuwymiarowego COSY, 13 C NMR. 6. Przeprowadź interpretację widma 1 H NMR eugenolu i benzoesanu eugenolu: a. Jakie elementy struktury obecne w cząsteczce eugenolu i benzoesanu eugenolu możesz zidentyfikować korzystając z widma protonowego NMR? b. Zaznacz na widmie sygnały obce, nie pochodzące od cząsteczki eugenolu lub benzoesanu eugenolu: sygnały wzorca, rozpuszczalnika itd. c. Korzystając z tablic wartości przesunięć chemicznych przypisz otrzymane grupy sygnałów do odpowiednich fragmentów struktury. d. Zanotuj wyraźnie widoczne rozszczepienia pasm ( np. dublet, tryplet, kwartet). e. Korzystając z linii integracyjnej wskaż ilość protonów tworzących odpowiednie pasmo. f. W możliwych przypadkach oblicz wartość stałej sprzężenia J H,H g. Porównaj otrzymane widmo eugenolu z widmem katalogowym np. Aldrich. 7. Przeprowadź interpretację widma 1 H- 1 H COSY 2D eugenolu i benzoesanu eugenolu. a. Omów korelacje pomiędzy sprzęgającymi się protonami w dwuwymiarowym widmie COSY. 8. Przeprowadź interpretację widma IR eugenolu i benzoesanu eugenolu.
a. Jakie elementy struktury, obecne w cząsteczce eugenolu i benzoesanu eugenolu możesz zidentyfikować korzystając z widma IR? b. Zaznacz na widmie pasma pochodzące od użytego rozpuszczalnika lub środka dyspergującego. c. Dokonaj identyfikacji pasm, przypisując je do odpowiednich grup atomów. i. Ustal które pasma występujące w zakresie drgań rozciągających C H pochodzą od wiązań układu alifatycznego, aromatycznego i olefinowego. ii. Sprawdź obszar widma o najwyższych częstotliwościach tzn. 3000-4000 cm -1 w celu ustalenia obecności pasma świadczącego o występowaniu wiązania O H. iii. Na podstawie odpowiednio intensywnych pasm absorpcyjnych z zakresu 2500-1600 cm -1 wnioskuj o występowaniu ugrupowania C=O. iv. Przeglądnij obszar daktyloskopowy, w celu potwierdzenia analizowanej struktury. Potwierdzenia występowania układu aromatycznego szukaj w zakresach 1600, 1580, 1500 i 1450 cm -1. Informacji o liczbie i rodzaju podstawników w pierścieniu aromatycznym szukaj w zakresie 850-650 cm -1. W zakresie nadtonów sprawdź charakter grupy karbonylowej i sposób jej podstawienia. d. Porównaj otrzymane widmo eugenolu z widmem katalogowym np. Aldrich. 9. Przeprowadź interpretację widma 13 C NMR eugenolu i benzoesanu eugenolu. ZAGADNIENIA TEORETYCZNE: Spektrofotometria w podczerwieni, IR, Spektrofotometry IR, Techniki pomiarowe w spektrofotometrii w podczerwieni, Zastosowanie spektrofotometrii IR, Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego NMR, Metodyka pomiarów NMR, Zastosowanie spektrometrii 1 H NMR, Spektrometria dwuwymiarowa 1 H- 1 H COSY. Rezonans magnetyczny jąder 13 C.