BADANIE KINETYKI DIMERYZACJI ACETNU PRZY PMCY CRMATGRAFII GAZWEJ SYNTEZA ALKLU DIACETNWEG (4-YDRKSY-4-METYLPENTAN-2-NU) Bartosz Trzewik i skar Popik ZADANIE 7A Reakcja tworzenia wiązania węgiel-węgiel w reakcji kondensacji aldolowej 1 [1-3] jest jedną z najważniejszych w przyrodzie i, co za tym idzie, również w syntezie organicznej. Kondensacja aldolowa zachodzi w łagodnych warunkach, również w środowisku wodnym. gólny schemat kondensacji aldolowej jest przedstawiony na Schemacie 1. 2 C + C zasada C C Schemat 1. gólny schemat reakcji aldolowej. Pomimo pozornej prostoty przedstawiona reakcja pozwala otrzymać, w zależności od doboru substratów, od jednego do czterech produktów. Ulegają jej związki karbonylowe (aldehydy i ketony). W reakcji powstaje (na ogół) przynajmniej jedno nowe centrum stereogenne, a więc uwzględniając stereoizomerię maksymalna możliwa liczba produktów jeszcze rośnie. Przy udziale odpowiednich enzymów aldolaz, co na ogół ma miejsce w organizmach żywych, możliwe jest uzyskanie produktów w postaci czystych enancjomerów lub diastereoizomerów. Rozważania z powyższego akapitu można zilustrować na podstawie reakcji dwóch aldehydów: octowego i propionowego (etanalu i propanalu). Schemat reakcji z narysowanymi wzorami szkieletowymi wszystkich produktów przedstawia Schemat 2. Nowo powstające wiązania węgiel-węgiel są pogrubione, a powstające centra stereogenne zaznaczone gwiazdkami. Zarówno aldehyd octowy (oznaczony na Schemacie 2 jako substrat A), jak i aldehyd propionowy (substrat B), posiadają atomy wodoru przy atomie węgla sąsiednim do karbonylowego, czyli atomie węgla α. becność przynajmniej jednego atomu wodoru α w cząsteczce przynajmniej jednego substratu jest niezbędna do przebiegu 1 Nazwa kondensacja jest używana ze względów historycznych. W reakcjach kondensacji wydzielają się cząsteczki produktu ubocznego (np. wody), co w tym przypadku nie ma miejsca. 2 Reakcja aldolowa może być również katalizowana przez kwasy. 1
A zasada + * * + * 1 2 + B + * + * * 3 4 Schemat 2. Możliwe produkty kondensacji aldolowej aldehydów octowego i propionowego. kondensacji aldolowej. Jak już wspomniano wcześniej, jeżeli oba substraty posiadają atomy wodoru α mogą powstać cztery różne produkty. Dwa z nich (w omawianym przypadku 1 i 2) to produkty samokondensacji, odpowiednio: aldehydu octowego i aldehydu propionowego, natomiast 3 i 4 stanowią produkty krzyżowej (mieszanej) kondensacji aldolowej. Kiedy tylko jeden z substratów posiada atomy wodoru α, mogą powstać maksymalnie dwa produkty (jeden produkt samokondensacji i jeden produkt krzyżowej kondensacji aldolowej). Kiedy żaden z substratów nie posiada atomów wodoru α reakcja nie zachodzi. (W przypadku aldehydów w obecności stężonej zasady zachodzi inna reakcja reakcja Canizzaro). Cały czas pamiętać należy, że w opisywanych reakcjach na ogół powstają nowe centra stereogenne (jak widać w przypadku produktów 2 i 4 nawet więcej niż jedno), co powoduje, że produkty (w przypadku reakcji optycznie nieczynnych substratów w achiralnym środowisku) występują w postaci mieszanin racemicznych enancjomerów lub diastereoizomerów. Przejdźmy teraz do opisu mechanizmu reakcji kondensacji aldolowej, nadal na przykładzie mieszaniny aldehydu octowego i propionowego poddanej działaniu roztworu zasady (na przykład rozcieńczonego roztworu zasady sodowej). Mechanizm ten jest przedstawiony na Schemacie 3. W pierwszym etapie reakcji jon wodorotlenowy pochodzący z dysocjacji zasady sodowej odrywa jeden z protonów przy atomie węgla α związku karbonylowego. Może się to stać zarówno w przypadku cząsteczek aldehydu octowego, jak i propionowego. Powstają odpowiednie karboaniony (jony enolanowe) A i B, stabilizowane przez rezonans. Ta stabilizacja jest przyczyną dla której związki karbonylowe są zdolne do oddaniu protonu α, a więc zachowywania się jak słabe kwasy (C-kwasy). Trzeba sobie zdawać sprawę, że są to 2
A' B' A A lub lub B B * 1' * * 2' lub lub * 3' * 4' * + - 2 + 2 - + - 2 + 2 - A B 1 lub 3 2 lub 4 Schemat 3. Mechanizm reakcji aldolowej katalizowanej zasadą (poprzez jon enolanowy). kwasy bardzo słabe, a więc jedynie bardzo niewielki procent cząsteczek związków karbonylowych obecnych w roztworze ulega temu procesowi. Wobec tego, że większość cząsteczek aldehydów obecnych w roztworze nadal pozostaje w postaci obojętnych cząsteczek związków karbonylowych, mogą one ulegać atakowi nukleofilowemu powstałych wcześniej jonów enolanowych. W efekcie powstają cząsteczki produktów w postaci jonów alkoksylowych 1-4. Są to zasady silniejsze od jonów enolanowych, bowiem nie są stabilizowane przez rezonans. drywają one protony od cząsteczek obecnych w roztworze (na przykład cząsteczek wody), tworząc obojętne cząsteczki produktów 1-4 i odtwarzając jony wodorotlenowe, będące katalizatorem reakcji. Wszystkie etapy kondensacji aldolowej są odwracalne. W przypadku aldehydów równowaga reakcji jest przesunięta na stronę produktów. W przypadku ketonów, które są mniej reaktywne, jedynie mała część substratów ulega przemianie do produktów kondensacji. W przypadku acetonu w stanie równowagi reakcji jedynie około 1 % cząsteczek występuje w postaci dimeru. W jaki sposób można przesunąć tę równowagę? W zestawie doświadczalnym w prezentowanym ćwiczeniu reakcja zachodzi wyłącznie w aparacie Soxhleta, podczas kontaktu acetonu z Ca() 2 znajdującym się w gilzie. Jest to przykład reakcji dwufazowej (heterogenicznej) w układzie ciecz-ciało stałe. Jak już powiedziano wcześniej, w stanie równowagi jedynie mała część acetonu ulega przekształceniu do dimeru (alkoholu diacetonowego). W trakcie opróżniania aparatu Soxhleta przez przelew do kolby spływa mieszanina acetonu i alkoholu diacetonowego. Podczas ogrzewania z kolby paruje jednak tylko aceton (różnica t. wrz. substratu i produktu wynosi 3
ok. 100 C). Tak więc przy każdym kolejnym napełnieniu aparatu Soxhleta tylko substrat ma kontakt z katalizatorem, a kolejne porcje produktu gromadzą się w kolbie. W efekcie równowagę reakcji można po odpowiednio długim czasie przesunąć niemal całkowicie na prawo. Innym stosowanym katalizatorem w reakcjach opisywanego typu jest Ba() 2. Jako silniejsza zasada nadaje się do tego celu nawet lepiej niż Ca() 2. Wodorotlenek baru jest jednak silnie trujący i dużo droższy niż wodorotlenek wapnia (wapno gaszone). Reakcja aldolowa nie zawsze kończy się na etapie β-hydroksyaldehydu lub β- hydroksyketonu (aldolu). Możliwa jest ich dehydratacja, która prowadzi do związków α,βnienasyconych. Są one ważnymi substratami w syntezie organicznej, na przykład w reakcjach addycji sprzężonej (Michaela). W przypadku alkoholu diacetonowego dehydratacja zachodzi w pewnym stopniu pod wpływem ogrzewania kolby przyłączonej do aparatu Soxhleta. Powstaje w ten sposób mała ilość tlenku mezytylu (4-metylopent-3-en-2-onu), co jest przedstawione na Schemacie 4., - 2 Schemat 4. Równanie reakcji dehydratacji alkoholu diacetonowego do tlenku mezytylu. Eksperymenty fizykochemiczne określenie rzędu reakcji aldolowej acetonu Istnieje wiele metod określania stopnia postępu reakcji. W preparatyce organicznej najczęściej używa się do tego celu chromatografii cienkowarstwowej (TLC). Chociaż szybka, tania i niekłopotliwa, jest to jednak metoda tylko jakościowa. Jako metoda ilościowa, pozwalająca otrzymać dane potrzebne na przykład do wyliczenia rzędu reakcji może służyć chromatografia gazowa. W chromatografie gazowym mała ilość (rzędu 1 μl) ciekłej mieszaniny odparowuje w komorze nastrzykowej i jest wprowadzana na kolumnę w strumieniu gazu nośnego (helu). Na kolumnie kapilarnej pokrytej fazą ciekłą o bardzo dużej lepkości następuje podział badanej próbki na składniki. Kolejne składniki próbki docierają do analizatora, którym może być na przykład płomieniowy detektor indukcyjny (FID). Poszczególne składniki próbki spalając się w płomieniu wodorowym tworzą niskotemperaturową plazmę o pewnym przewodnictwie elektrycznym. Sygnał na chromatogramie odpowiada przewodnictwu tej plazmy w danym momencie. Sygnał ten nie jest proporcjonalny ani do masy, ani do liczby moli substancji w danej frakcji docierającej do analizatora. Można więc tylko porównywać zmianę sygnału pochodzącego od tej samej substancji wraz z upływem czasu. Może to być alkohol 4
diacetonowy. Na podstawie przyrostu jego stężenia w kolbie można w przybliżeniu określić rząd reakcji dimeryzacji acetonu [4-5]. Wychodząc z ogólnego równania kinetycznego (1) dc n kc (1) dt gdzie dc oznacza przyrost stężenia c produktu w czasie dt, k oznacza stałą szybkości reakcji, a n rząd reakcji, otrzymany po scałkowaniu dla najprostszych przypadków n = 0, 1, 2: c 2 c 1 = k(t 2 t 1 ) dla n = 0 (2a) ln c 2 ln c 1 = k(t 2 t 1 ) dla n = 1 (2b) c 1 1 c 2 1 = k(t 2 t 1 ) dla n = 2 (2c) gdzie c 1 i c 2 oznaczają stężenia produktu w chwili t 1 i t 2. Wykorzystując równania (2a-c) można, pod pewnymi warunkami, wyznaczyć rząd reakcji, rysując zależności c(t), ln c (t) i c 1 (t). Jeśli zależność c(t) jest liniowa, reakcja jest rzędu 0 (zerowego); jeżeli zależność ln c (t) okaże się liniowa reakcja jest rzędu pierwszego; a w przypadku liniowej zależności c 1 (t) rzędu drugiego. Założenia i uwagi: 1. Na ogół rząd reakcji określa się na podstawie ubytku substratu. W naszym przypadku jest to niemożliwe z dwóch względów: a. reakcja zachodzi tylko w gilzie aparatu Soxhleta, gdzie przez cały czas trafia czysty aceton to, ile acetonu znajduje się jeszcze w dolnej kolbie i jakie jest jego stężenie, nie ma znaczenia dla przebiegu reakcji; b. stężenie acetonu w dolnej kolbie przez długi czas jest zbyt duże dla dokonania pomiaru wielkość sygnału przekracza zakres rejestracji aparatu. 2. Zaniedbujemy różnice w gęstościach substratu i produktu oraz zmianę objętości całej mieszaniny, wywołaną przebiegiem reakcji, co wpływa na stężenie produktu. Część doświadczalna 2 Ca() 2 (kat.), Schemat 5. Schemat reakcji aldolowej acetonu. dczynniki: wodorotlenek wapnia (wapno gaszone) Ca() 2 30 g aceton 250 cm 3 5
1) Alkohol diacetonowy (4-hydroksy-4-metylopentan-2-on) Przed rozpoczęciem wykonywania ćwiczenia student powinien się zapoznać z rozdziałami Ekstrakcja i Destylacja [6]. peracje z Ca() 2 należy wykonywać w rękawicach ochronnych. Schemat układu reakcyjnego jest przedstawiony na rysunku obok [7,8]. Gilzę należy wypełnić 30 g suchego Ca() 2 3 i zatkać kłębkiem waty szklanej. Wypełnioną gilzę należy ostrożnie umieścić w aparacie Soxhleta (należy uniknąć przedostania się Ca() 2 do kolby reakcyjnej). Kolbę dwuszyjną o pojemności 500 cm 3 napełnia się 250 cm 3 czystego acetonu i ogrzewa do wrzenia z taką intensywnością, aby aceton z chłodnicy spływał małym strumieniem do aparatu Soxhleta. Należy zanotować, z jaką częstotliwością następuje opróżnianie aparatu Soxhleta. grzewanie kontynuuje się przez 11 h 4. woda gniazdo ze ściemniaczem gilza z Ca() 2 aceton pary acetonu odpływ mieszanina reakcyjna płaszcz grzejny Po zakończeniu ogrzewania otrzymuje się ok. 170 cm 3 jasnożółtej mieszaniny reakcyjnej (cześć acetonu znajduje się w Ca() 2 wypełniającym gilzę). Po rozebraniu zestawu reakcyjnego gilzę należy ostrożnie wyjąć z aparatu Sohxleta po wysuszeniu może ona być przechowywana przez czas nieograniczony i użyta ponownie do reakcji dowolną liczbę razy. Mieszanina reakcyjna zawiera niezmieniony aceton, alkohol diacetonowy oraz nieco tlenku mezytylu (pent-3-en-2-onu) i wody. Poddaje się ją oczyszczeniu przez dwukrotną destylację. Pierwszą destylację (frakcyjną) przeprowadza się pod normalnym ciśnieniem, z użyciem kolumny Vigreux. Zestaw należy zaizolować poprzez owinięcie folią aluminiową. Zawartość można destylować wprost z kolby reakcyjnej, ogrzewając ją na łaźni olejowej (kolbę należy okryć tkaniną z włókna szklanego). Destylacja rozpoczyna się, gdy temperatura łaźni osiągnie ok. 100 C. Temperaturę łaźni należy stopniowo podnosić. Destylację uznaje 3 Można wziąć większą ilość Ca() 2 gilza mieści około 60 g. W każdym przypadku należy zanotować użytą do reakcji ilość. 4 W razie potrzeby ogrzewanie można przerwać w dowolnym momencie i kontynuować po dowolnym czasie. Krótszy czas ogrzewania powoduje spadek wydajności alkoholu diacetonowego. 6
się za zakończoną, gdy temperatura na szczycie kolumny osiągnie 61 C temperatura łaźni olejowej wynosi wtedy ok. 135 C. W zakresie 57-61 C oddestylowuje ok. 70 cm 3 niezmienionego acetonu 5. Pozostałość po pierwszej destylacji należy po ochłodzeniu do temp. pokojowej przenieść do mniejszej kolby i destylować pod zmniejszonym ciśnieniem (10 mmg) z użyciem pompki wodnej z łaźni olejowej o temperaturze 70 C. UWAGA: W temperaturze 26 C - 27 C raptownie destyluje niewielka ilość wody w razie gwałtownego kipienia zawartości należy ostrożnie podnieść nieco na chwilę ciśnienie w układzie destylacyjnym. Aż do temperatury 65 C destyluje mieszanina wody, tlenku mezytylu i alkoholu diacetonowego. Gdy temperatura osiągnie tę wartość, należy ostrożnie wpuścić powietrze do układu i zmienić odbieralnik na nowy, po czym kontynuować destylację. W zakresie 66 C - 70 C zbiera się czysty alkohol diacetonowy (ok. 55 g). Jego czystość należy zbadać, określając współczynnik załamania światła i porównać jego wartość z danymi tablicowymi. Eksperymenty fizykochemiczne określenie rzędu reakcji samokondensacji acetonu 1. Pobieranie próbek Z dolnej kolby układu reakcyjnego należy przez boczną szyję pobierać strzykawką porcje mieszaniny reakcyjnej o objętościach 0,5 cm 3 po upływie 30, 60, 90, 120 i 240 min od rozpoczęcia reakcji (od momentu, w którym Ca() 2 w gilzie będzie po raz pierwszy całkowicie zanurzony w acetonie). Próbki należy umieścić w czystych, szczelnie zamykanych fiolkach. Próbki pobrane po 120 i 240 min należy rozcieńczyć w fiolce w stosunku 1:4, dodając w każdym przypadku 2 cm 3 czystego acetonu. 2. Wykonywanie chromatografii gazowej Z poszczególnych fiolek należy pod kontrolą asystenta pobrać strzykawką po 1 μl zawartości i przeprowadzić chromatografię gazową, wykorzystując program aceton : 80 C (1 min), 15 C/min 160 C, 160 C (1 min). Dla czasu retencji R t = 1,94 min pojawia się sygnał pochodzący od acetonu (znacznie wykraczający ponad skalę), dla R t = 2,74 min interesujący nas sygnał pochodzący od alkoholu diacetonowego, zaś dla R t = 3,01 min sygnał pochodzący od tlenku mezytylu. Przy nierównomiernym nastrzyknięciu próbki sygnały mogą być podwojone. 3. pracowanie wyników W poniższej tabeli należy zanotować powierzchnie sygnałów p [μv s], pochodzących od alkoholu diacetonowego (po uwzględnieniu rozcieńczenia pięciokrotnego rozcieńczenia 5 Krótszy czas reakcji powoduje odzyskanie większej ilości nieprzereagowanego acetonu. 7
próbek pobranych po 120 min i 240 min) i wyliczyć wartości ln p i 1/p. Współczynniki 10 3 i 10 3 zostały użyte, aby uniknąć bardzo małych i bardzo dużych liczb. Czas reakcji [min] 30 60 90 120 240 Powierzchnia p sygnału alkoholu diacetonowego ln (10 3 p [μv s]) 10 3 1/ (10 3 p [μv s]) [μv s] 10 3 trzymane wartości należy umieścić na poniższych wykresach i w każdym wypadku wyliczyć współczynnik korelacji regresji liniowej r. Dla liczby pomiarów n = 5 możemy podejrzewać zależność liniową y(x) tylko dla r 0,99. Zależność pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. Zależność ln pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. 6000 9 5000 8,5 p [ V * s] / 1000 4000 3000 2000 ln {p [ V * s] / 1000} 8 7,5 7 1000 0 0 100 200 300 t [min] r = 6,5 6 0 100 200 300 t [min] r = 1,8 Zależność odwrotności pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. 1000 / {p [ V * s] / 1000} 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 100 200 300 t [min] r = 8
Zastanówmy się teraz, co właściwie oznacza otrzymany wynik? Czy wynikający z wykresów rząd reakcji określa rząd reakcji sumarycznej (rząd zewnętrzny), czy rząd wewnętrzny którejś z reakcji elementarnych? Analizując Schemat 3 można dojść do wniosku, że omawiana reakcja składa się z trzech etapów: 1. Deprotonacji substratu 2. Ataku nukleofilowego jonu enolanowego na karbonylowy atom węgla innej cząsteczki acetonu 3. Protonacji produktu Etapy 1 i 3 to ustalanie się równowag kwasowo-zasadowych, polegających na przekazywaniu protonów pomiędzy cząsteczkami. Są one szybkie w porównaniu z etapem 2. Najwolniejszy etap 2 determinuje szybkość całej reakcji. W etapie 2 reaguje jon enolanowy z cząsteczką acetonu. Stężenie acetonu jest stałe (do gilzy cały czas dociera czysty aceton) i bardzo duże w porównaniu ze stężeniem jonów enolanowych. Nasz problem, polegający na określeniu rzędu reakcji, sprowadziliśmy do rozpatrzenia etapu 2. reakcji, odbywającego się w warunkach metody izolacyjnej stwalda, w której stężenie jednego z reagentów (w naszym przypadku acetonu) jest praktycznie niezmienione w czasie reakcji (w pojedynczym cyklu napełnienia i opróżnienia gilzy jedynie bardzo niewielka część acetonu przereagowuje). kreślony rząd reakcji to rząd wewnętrzny względny (względem jonów enolanowych). stateczne pytanie brzmi więc: Jak zależy stężenie jonów enolanowych od czasu? Jony enolanowe powstają w kontakcie acetonu z wodorotlenkiem wapnia gilzie (etap 1 reakcji). Jest to reakcja heterogeniczna (na granicy faz ciało stałe/ciecz). Nawet w momencie opróżnienia zbiornika aparatu Soxhleta gilza z Ca() 2 pozostaje zwilżona acetonem. Ponieważ cały czas dopływa świeży aceton, w gilzie ustala się stan równowagi dynamicznej, w którym stężenie jonów enolanowych jest stałe. Jeśli stężenie obu substratów w etapie określającym szybkość reakcji (etap 2) jest stałe, musi mieć ona rząd taki, jak właśnie wyliczony. Taki rząd reakcji jest możliwy tylko w przypadku reakcji heterogenicznych. Etap ten, jako najwolniejszy, określa prędkość całej reakcji i bez powyższych rozważań mogłoby się wydawać, że jest to rząd całej reakcji, co byłoby niezrozumiałe. Ponieważ z pomiarów powierzchni sygnałów na chromatogramie jesteśmy w stanie odczytać jedynie względne stężenia alkoholu diacetonowego w próbce, nie jesteśmy w stanie wyznaczyć bezwzględnej wartości stałej k. Można ją oszacować jedynie na podstawie wydajności otrzymanego produktu. 9
Pytania: 1. Dlaczego reakcje heterogeniczne są na ogół wolniejsze niż reakcje homogeniczne? 2. Jakie inne katalizatory (homogeniczne lub heterogeniczne) można zastosować w reakcjach kondensacji aldolowej? 3. Jaka reguła pozwala przesunąć równowagę reakcji dimeryzacji acetonu na prawą stronę? Jaki konkretny przykład tej reguły ma zastosowanie w omawianym przypadku? 4. Zapisz struktury rezonansowe anionów A i B. 5. Zapisz wzory możliwych produktów reakcji aldolowej butan-2-onu i aldehydu benzoesowego oraz wzory związków powstałych w wyniku dehydratacji produktów reakcji. Literatura 1. J. McMurry Chemia rganiczna (wydanie trzecie), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005, tom 4: rozdz. 22.1-2, 5-6; 23.1-7,11,14 + podsumowanie i zadania (str. 822-824, 828-833, 854-864, 871-874, 878-891). 2. L. G. Wade, Jr. rganic Chemistry 5 th Ed., Prentice all, Upper Saddle River, 2003: rozdz. 22.1-2, 7-11, 18 + podsumowanie i zadania (str. 1003-1007, 1017-1027, 1042-1045, 1049-1056). 3. J. March Chemia organiczna. Reakcje, mechanizmy, budowa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1975: str. 603-611 (opis reakcji 6.39-6.42). 4. K. Pigoń, Z. Ruziewicz Chemia fizyczna (wydanie szóste), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007, tom 1: rozdz. 7.1-7.2.1, 7.3 (str. 468-474, 481-493). 5. P.W. Atkins Chemia fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001: rozdz. 25.1a, 2-3, 6 (str. 735-737, 738-746, 752-753). 6. A. Czarny, B. Kawałek, A. Kolasa, P. Milart, B. Rys, J. Wilamowski Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 2008 (online: www.skryptoszafa.pl). 7. (a) J. B. Conant, N. Tuttle rg. Synth. Coll. Vol. 1, 199 (1941); Vol. 1, 4 (1921). (b) P. L. Kyriakides J. Am. Chem. Soc. 36, 530 (1914). 8. A. I. Vogel Preparatyka organiczna (wydanie trzecie), Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa, 2006: rozdz. 5.18.2 i przepis 5.213 (str. 765-767 i 769). DDATEK ln (10 3 p [μv s]) 10 3 1/ (10 3 p [μv s]) Zależność powierzchni sygnałów p [μv s], pochodzących od alkoholu diacetonowego (po uwzględnieniu rozcieńczenia próbek) od czasu prowadzenia reakcji i wyliczone wartości ln p i 1/p dla reakcji prowadzonej przez 11 h i masy Ca() 2 w gilzie m = 30 g. Współczynniki 10 3 i 10 3 zostały użyte, aby uniknąć bardzo małych i bardzo dużych liczb. Powierzchnia p sygnału Czas reakcji [min] alkoholu diacetonowego [μv s] 10 3 30 628,9 6,44 1,59 60 1191,2 7,08 0,839 150 4164,4 8,33 0,240 577 11550 9,35 0,0866 660 15196 9,63 0,0658 10
Graficzne przedstawienie zależność powierzchni sygnałów p [μv s], ln p i 1/p, pochodzących od alkoholu diacetonowego (po uwzględnieniu rozcieńczenia próbek pobranych po upływie 120 min i więcej od momentu rozpoczęcia reakcji) i od czasu dla reakcji prowadzonej przez 11 h i masy Ca() 2 w gilzie m = 30 g. Współczynniki 10 3 i 10 3 zostały użyte, aby uniknąć bardzo małych i bardzo dużych liczb. Wyliczono również współczynniki regresji liniowej r dla każdej z zależności. 16000 Zależność pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. 14000 12000 p [ V * s] / 1000 10000 8000 6000 4000 2000 r = 0,9927 0 0 100 200 300 400 500 600 700 t [min] ln {p [ V * s] / 1000} 10,5 10 9,5 9 8,5 8 7,5 7 6,5 6 Zależność logarytmu pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. 0 200 400 600 t [min] r = 0,9344 1000 / {p [ V * s] / 1000} 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Zależność odwrotności pola powierzchni p sygnału pochodzącego od alkoholu diacetonowego od czasu reakcji t. 0 200 400 600 t [min] r = 0,7733 11
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego SYNTEZA TLENKU MEZYTYLU (4-METYLPENT-3-EN-2-NU) ZADANIE 7B Aldole (związki β-hydrokykarbonylowe), otrzymane na przykład w wyniku reakcji kondensacji aldolowej, są często związkami nietrwałymi. Pod wpływem śladów kwasów 6 (nawet tak słabych jak woda lub alkohol) mogą one ulegać reakcji odwodnienia, czyli dehydratacji do związków α, β-nienasyconych [1, 3]. Zwykle dehydratacja zachodzi w podwyższonej temperaturze, ale nie jest to regułą. gólny schemat odwodnienia aldolu jest przedstawiony na Schemacie 1. Schemat 1. gólny schemat reakcji odwodnienia enolu. W reakcji powstaje przynajmniej jedno nowe wiązanie podwójne. Jego konfiguracja (E lub Z) zależy od rodzaju podstawników przy wiązaniu podwójnym na ogół powstaje tylko jeden stereoizomer. pisywaną reakcję można zilustrować na podstawie odwodnienia alkoholu diacetonowego (4- metylo-4-hydroksypentan-2-onu) 1 do tlenku mezytylu (4-metylopent-3-en-2-onu) 2 (Schemat 2). W omawianym przypadku reakcja jest katalizowana jodem. Schemat 2. Schemat reakcji odwodnienia alkoholu diacetonowego do tlenku mezytylu. Nowopowstające wiązanie podwójne węgiel-węgiel jest pogrubione. 6 Reakcja odwodnienia aldolu może być również katalizowana przez zasadę. Zwiększenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentów kierunków ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego UDA-PKL.04.01.02-00-097/09-00 www.zamawiane.uj.edu.pl
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego becność przynajmniej jednego atomu wodoru α w cząsteczce substratu jest niezbędna do przebiegu dehydratacji. Przejdźmy teraz do opisu mechanizmu reakcji odwodnienia aldolu, nadal na przykładzie alkoholu diacetonowego, poddanego ogrzewaniu w obecności katalitycznej ilości jodu. Mechanizm ten jest przedstawiony na Schemacie 3. Schemat 3. Mechanizm reakcji odwodnienia alkoholu diacetonowego do tlenku mezytylu przy użyciu jodu jako katalizatora. W pierwszym etapie cząsteczka jodu działa jako nukleofil w stosunku do atomu węgla z grupą hydroksylową w cząsteczce alkoholu diacetonowego. Jest to możliwe, ponieważ cząsteczka I 2 może ulegać polaryzacji i rozpadowi heterolitycznemu na jony I i I +. Jon I przyłącza się na miejsce grupy hydroksylowej, która z kolei reaguje z jonem I +, dając kwas jodowy(i) I. Jego cząsteczka działa znowu jak nukleofil na inną cząsteczkę alkoholu diacetonowego, ponieważ może się rozpadać (dysocjować) na jony I i +. Jon I zastępuje w cząsteczce alkoholu diacetonowego grupę, która łączy się natychmiast z jonem +, dając cząsteczkę wody. Utworzone cząsteczki jodku i jodanu(i) odszczepiają odpowiednio I i I, dając cząsteczki tlenku mezytylu. (Jest to odwrotność reakcji przyłączenia I i I do wiązania podwójnego, katalizowanej kwasem.) statecznie cząsteczki I i I reagują ze sobą, dając cząsteczkę wody i odtwarzając cząsteczkę katalizatora (I 2 ). Zwiększenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentów kierunków ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego UDA-PKL.04.01.02-00-097/09-00 www.zamawiane.uj.edu.pl
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego W przypadku alkoholu diacetonowego dehydratacja zachodzi w pewnym stopniu już pod wpływem ogrzewania kolby przyłączonej do aparatu Soxhleta, ale dysocjacja jodku lub jodanu do tlenku mezytylu jest dużo łatwiejsza niż dysocjacja alkoholu, więc w danej temperaturze zachodzi znacznie szybciej. Jest to ilustracja znanej zasady, że katalizator zwiększa szybkość reakcji na drodze obniżenia bariery aktywacji reakcji [4,5]. trzymany tlenek mezytylu może służyć jako substrat w szeregu reakcji różnego typu. Jako związek α, β-nienasycony może reagować między innymi jako: 1. Akceptor w reakcjach addycji sprzężonej (Michaela). 2. Alken (w reakcjach z udziałem wiązania podwójnego). 3. Związek karbonylowy (w reakcjach z udziałem grupy karbonylowej). Poniżej podane są przykłady odnoszące się do punktów 1. 3. 1. Tlenek mezytylu jako akceptor w reakcji Michaela (Schemat 4): Schemat 4. Tlenek mezytylu jako akceptor w reakcji Michaela. Zwiększenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentów kierunków ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego UDA-PKL.04.01.02-00-097/09-00 www.zamawiane.uj.edu.pl
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego W pierwszym etapie reakcji pod wpływem eteratu trifluorku boru pomiędzy tlenkiem mezytylu a acetyloacetonem zachodzi reakcja addycji Michaela (inne nazwy: addycja sprzężona, addycja 1,4). Donorem Michaela jest anion enolanowy powstający z acetyloacetonu. Nowopowstające wiązanie węgiel-węgiel jest zaznaczone na czerwono. Produkt addycji Michaela ulega natychmiast wewnątrzcząsteczkowej reakcji kondensacji aldolowej, prowadzącej do zamknięcia sześcioczłonowego pierścienia (powstaje nowe wiązanie C C, zaznaczone na niebiesko). W ostatnim etapie związek przejściowy traci wodę dając produkt z całkowitą wydajnością 50%. Cały ten ciąg reakcji określa się nazwą cyklizacji (annelacji) Robinsona. Produkt tej reakcji posłużył do uzyskania, po kolejnych pięciu etapach, związku 3, który wykazuje działanie owadobójcze, zakłócając normalne zachowania owadów podczas odżywiania się [6]. 2. Tlenek mezytylu jako alken (Schemat 5) Schemat 5. Tlenek mezytylu reagujący jak alken. Zwiększenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentów kierunków ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego UDA-PKL.04.01.02-00-097/09-00 www.zamawiane.uj.edu.pl
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego W pierwszym etapie reakcji, przedstawionej na Schemacie 5, wiązanie podwójne węgiel-węgiel w tlenku mezytylu ulega utlenieniu pod wpływem nadtlenku wodoru w środowisku zasadowym. Powstały z wydajnością 87% epoksyd 4 po następnych dziewięciu etapach daje niebiałkowy aminokwas 5 (zabezpieczony grupa Boc), który wchodzi w skład naturalnie występującej Cyklomaryny A, która jest potencjalnym czynnikiem przeciwzapalnym [7]. Możliwe są również inne reakcje tlenku mezytylu, charakterystyczne dla alkenów, na przykład jego redukcja do ketonu izobutylowo-metylowego (4-metylopentan-2-onu). 3. Tlenek mezytylu jako związek karbonylowy (Schemat 6) Schemat 6. Tlenek mezytylu reagujący jako związek karbonylowy. Grupa karbonylowa w tlenku mezytylu może reagować z nukleofilami w reakcji substytucji nukleofilowej w grupie karbonylowej. W powyższym przykładzie powstaje tiosemikarbazyd 6 [8]. Wśród innych typów reakcji z udziałem grupy karbonylowej, którym może ulegać tlenek mezytylu, wymienić można reakcje ze związkami Grignarda i reakcje kondensacji Knövenagla. Zwiększenie liczby wysoko wykwalifikowanych absolwentów kierunków ścisłych Uniwersytetu Jagiellońskiego UDA-PKL.04.01.02-00-097/09-00 www.zamawiane.uj.edu.pl
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Część doświadczalna Schemat 7. Schemat reakcji odwodnienia alkoholu diacetonowego do tlenku mezytylu. dczynniki: Alkohol diacetonowy 20 cm 3 (18,6 g; 0,16 mol) Jod I 2 0,01 g Przed rozpoczęciem wykonywania ćwiczenia student powinien się zapoznać z rozdziałem Destylacja [9]. Do kolby okrągłodennej o pojemności 50 cm 3 dołączyć kolumnę Vigreux i chłodnicę destylacyjną. Kolumnę Vigreux zaizolować przez owinięcie folią aluminiową. W kolbie umieścić 20 cm 3 (18,6 g; 0,16 mol) alkoholu diacetonowego, 10 mg (kilka małych kryształków) jodu i kilka małych kamyczków wrzennych. Kolbę okryć tkaniną z włókna szklanego i prowadzić powolną destylację, ogrzewając zawartość na płaszczu grzejnym. Należy na bieżąco kontrolować temperaturę na szczycie kolumny Vigreux i zebrać trzy frakcje, wrzące w następujących zakresach temperatur: 1. 56 80 C (zawiera aceton i trochę tlenku mezytylu) 2. 80 126 C (rozdziela się na dwie warstwy: wodę i tlenek mezytylu) 3. 126 131 C (zawiera prawie czysty tlenek mezytylu) Frakcję 1. należy odrzucić 7, a frakcję 2. rozdzielić na wodę i tlenek mezytylu. Tlenek mezytylu z frakcji 2. należy wysuszyć bezw. K 2 C 3 lub bezw. Na 2 S 4 i przedestylować z małej kolbki okrągłodennej w układzie użytym wcześniej do przeprowadzenia reakcji. trzymaną dodatkową porcję tlenku mezytylu połączyć z frakcją 3. W sumie powinno się otrzymać 17,4 cm 3 (14,9 g; 0,15 mol) tlenku mezytylu (wydajność 95 %) [10,11]. Jego czystość należy zbadać, określając współczynnik załamania światła i porównać jego wartość z danymi tablicowymi. 7 Frakcja ta składa się głównie z acetonu i należy ją usunąć do pojemnika ze zlewkami acetonu (A). 17
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Pytania: 1. Dlaczego w reakcji odwodnienia aldolu wiązanie podwójne prawie zawsze tworzy się pomiędzy atomami węgla α i β w stosunku do grupy karbonylowej (a nie β i γ)? 2. W trakcie reakcji opisywanej w tym ćwiczeniu część alkoholu diacetonowego rozkłada się do acetonu. Jest to odwrócenie pewnej reakcji. Co to za reakcja? 3. Reakcja odwodnienia aldolu do związku α, β-nienasyconego może być również katalizowana przez zasadę (dlatego może zachodzić in situ podczas reakcji aldolowej). Zapisz ten mechanizm na przykładzie alkoholu diacetonowego. 4. W pewnych warunkach jest możliwa reakcja tlenku mezytylu i alkoholu diacetonowego, prowadząca do produktu annelacji Robinsona. Podaj wzór tego produktu. Literatura 1. J. McMurry Chemia rganiczna (wydanie trzecie), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2005, tom 4: rozdz. 23.4 7, 11, 13 + podsumowanie i zadania (str. 859 864, 871 874, 876 877, 880 891). 2. L. G. Wade, Jr. rganic Chemistry 6 th Ed., Prentice all, Upper Saddle River, 2006: rozdz. 8.1, 2, 4A; 22.8, 18, 19 + podsumowanie i zadania (str. 321 324, 330 332, 1060 1061, 1081 1096). 3. J. March Chemia organiczna. Reakcje, mechanizmy, budowa., Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1975: str. 496 498, 603 606, 608 609 (reakcje 6-39 i 6-41), 528 530 (reakcja 5-15), 658 659 (reakcja 7-1). 4. K. Pigoń, Z. Ruziewicz Chemia fizyczna (wydanie szóste), Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2007, tom 1: rozdz. 7.7 7.7.2 (str. 559 564). 5. P.W. Atkins Chemia fizyczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2001: rozdz. 26.6 (str. 780 781). A. Fernández Mateos, E. M. Martín de la Nava, G. P. Coca, R. R. González, A. I. Ramos Silvo, M. S. J. Simmonds, W. M. Blanek J. rg. Chem. 63, 9440 9447 (1998). 6. J. E. Tarver, Jr., M. M. Joullie J. rg. Chem. 69, 815 820 (2004). 7. J. Liu, R. Cao, W. Yi, C. Ma, Y. Wan, B. Zhou, L. Ma,. Song Eur. J. Med. Chem. 44, 1773 1778 (2009). 8. A. Czarny, B. Kawałek, A. Kolasa, P. Milart, B. Rys, J. Wilamowski Ćwiczenia laboratoryjne z chemii organicznej, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 2008 (on-line: www.skryptoszafa.pl). 9. (a) J. B. Conant, N. Tuttle rg. Synth. Coll. Vol. 1, 345 (1941); Vol. 1, 53 (1921). (b). ibbert J. Am. Chem. Soc. 37, 1748 1763 (1915). 10. A. I. Vogel Preparatyka organiczna (wydanie trzecie), Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2006: rozdz. 5.18.2 i przepis 5.213 (str. 765 767 i 769). 18