2011 Καταλυόµενη από οξύ αντίδραση του L-(+)-τρυγικού οξέος µε αιθανόλη προς τρυγικό διαιθυλεστέρα

Transcript

1 2011 Καταλυόµενη από οξύ αντίδραση του L-(+)-τρυγικού οξέος µε αιθανόλη προς τρυγικό διαιθυλεστέρα O H HO O C C OH OH H OH O O CH C 3 Amberlyst 15 H OH + 2 H 3 C OH + 2 H HO H 2 O C O O CH 3 C 4 H 6 O 6 (150.1) C 2 H 6 O (46.1) C 8 H 14 O 6 (206.2) Ταξινόµηση Τύποι αντιδράσεων και τάξεις ουσιών Αντίδραση του καρβονυλίου στα καρβοξυλικά οξέα, εστεροποίηση, Καρβοξυλικό οξύ, αλκοόλη, εστέρας καρβοξυλικού οξέος,ιοντοανταλλάκτης, όξινος καταλύτης. Μέθοδοι εργασίας Θέρµανση µε επαναρροή, διήθηση, εξάτµιση σε περιστρεφόµενο εξατµιστή,απόσταξη υπό ελαττωµένη πίεση, ανάδευση µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, θέρµανση σε ελαιόλουτρο, χρήση παγόλουτρου. Οδηγία (κλίµακα 100 mmol) Εξοπλισµός Σφαιρική φιάλη 250 ml, ψυκτήρας επαναρροής, σωλήνας ξήρανσης, θερµαινόµενος µαγνητικός αναδευτήρας µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ηλεκτρονικός έλεγχος θερµοκρασίας, περιστρεφόµενος εξατµιστής, γυάλινο χωνί (µεγάλο), συσκευή απόσταξης, αντλία κενού, ελαιόλουτρο, παγόλουτρο. Ουσίες L-(+)-τρυγικό οξύ (mp 170 C) αιθανόλη (bp 78 C) (dry) Amberlyst 15 (ισχυρός όξινος ιοντοεναλλάκτης) 15.0 g (100 mmol) 57.6 g (73.0 ml, 1.25 mol) 1.0 g Αντίδραση Σε µια ξηρή σφαιρική φιάλη των 250 ml εφοδιασµένη µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ψυκτήρα επαναρροής, σωλήνα ξήρανσης, θερµαίνονται υπό ανάδευση και επαναρροή 1.0 g Amberlyst 15, 57.6 g (73.0 ml, 1.25 mol) άνυδρης αιθανόλης και 15.0 g (100 mmol) L-(+)- τρυγικού οξέος για 48 ώρες. Ο αναδευτήρας πρέπει να λειτουργεί σε χαµηλή ταχύτητα έτσι ώστε να εµποδιστεί η καθυστέρηση στο βρασµό; Η ισχυρή ανάδευση µπορεί να προκαλέσει θρυµµατισµό του καταλύτη και να δυσχεράνει την διήθηση. 1

2 Επεξεργασία Το µίγµα της αντίδρασης ψύχεται σε παγόλουτρο, τελικά χωρίς ανάδευση έτσι ώστε ο Αmberlyst να κατακαθίσει πλήρως. Το διάλυµα διηθείται σε µια σφαιρική φιάλη µε ένα µεγάλο πτυχωτό ηθµό. Η περίσσεια της αιθανόλης αποµακρύνεται σε περιστρεφόµενο εξατµιστή γρήγορα και όσο πληρέστερα γίνεται, και τελικά ολοκληρώνεται σε πίεση περίπου 20 hpa. Το ακάθαρτο προϊόν παραµένει σαν ένα ελαιώδες άχροο υγρό υπόλειµµα. Απόδοση 19.1 g. Το ακάθαρτο προϊόν µεταφέρεται σε σφαιρική φιάλη των 50 ml και αποστάζεται κλασµατικά περίπου στα 10-1 hpa µε µια µικρή αποστακτική συσκευή. Κανονικά το προϊόν αποστάζει σε σταθερή θερµοκρασία βρασµού, µε το δείκτη διάθλασης να ποικίλει πολύ λίγο στα απλά κλάσµατα. Η πίεση πρέπει να είναι χαµηλή για να αποφεύγεται θερµοκρασία στο ελαιόλουτρο υπεράνω των C. Πάνω από τη θερµοκρασία αυτή λαµβάνουν χώρα διασπάσεις και σχηµατίζονται πτητικά παραπροϊόντα. Απόδοση: 15.7 g (76.1 mmol, 76%); bp C ( hpa), άχροο υγρό; Καθαρότητα GC- 98.4%; [α] D 20 = (µη αραιωµένο) Παραµένουν στον αποστακτήρα 3.30 g ενός ιξώδους ανοικτού κίτρινου υπολείµµατος, το οποίο στερεοποιείται κατά την ψύξη σε ένα υαλώδες στερεό διαλυτό σε θερµό νερό. Σχόλια Παρουσία οξέων από το τρυγικό οξύ µπορεί να αποσπαστεί νερό και εν συνεχεία CO 2 µετατρεπόµενο σε πυροσταφυλικό οξύ. Με διαλύµα υδροξειδίου του βαρίου σε ένα µετρητή φυσαλίδων στον ψυκτήρα δεν πρέπει να ανιχνεύεται CO 2. ιαχείριση αποβλήτων Ανακύκλωση Η εξατµιζόµενη αιθανόλη συλλέγεται και επαναποστάζεται. Απόρριψη αποβλήτων Απόβλητο Υπόλειµµα απόσταξης Amberlyst 15 Απόρριψη ιάλυση σε θερµό νερό και µετά µίγµατα διαλύτη νερού ελεύθερα αλογόνου Στερεό απόβλητο, ελεύθερο υδραργύρου Χρόνος 4-5 ώρες χωρίς να υπολογίζεται ο χρόνος βρασµού µε επαναρροή (η διήθηση του amberlyst πιθανόν να απαιτήσει πολύ χρόνο) ιακοπή Μετά την εξάτµιση της αιθανόλης. Βαθµός δυσκολίας Εύκολη. 2

3 Οδηγία (κλίµακα 500 mmol) Εξοπλισµός Σφαιρική φιάλη 1 L, ψυκτήρας επαναρροής, σωλήνας ξήρανσης, θερµαινόµενος µαγνητικός αναδευτήρας µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ηλεκτρονικός έλεγχος θερµοκρασίας, περιστρεφόµενος εξατµιστής, γυάλινο χωνί (µεγάλο), συσκευή απόσταξης, αντλία κενού, ελαιόλουτρο, παγόλουτρο. Ουσίες L-(+)-τρυγικό οξύ (mp 170 C) αιθανόλη (bp 78 C) (dry) Amberlyst 15 (ισχυρός όξινος ιοντοεναλλάκτης) 75.0 g (500 mmol) 288 g (365 ml, 6.25 mol) 5.0 g Αντίδραση Σε µια ξηρή σφαιρική φιάλη του 1 L εφοδιασµένη µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ψυκτήρα επαναρροής, σωλήνα ξήρανσης, θερµαίνονται υπό ανάδευση και επαναρροή 5.0 g Amberlyst g (365 ml, 6.25 mol) άνυδρης αιθανόλης και 75.0 g (500 mmol) L-(+)-τρυγικού οξέος για 48 ώρες. Ο αναδευτήρας πρέπει να λειτουργεί σε χαµηλή ταχύτητα έτσι ώστε να εµποδιστεί η καθυστέρηση στο βρασµό; Πολύ ισχυρή ανάδευση µπορεί να προκαλέσει θρυµµατισµό του καταλύτη και να δυσχεράνει την διήθηση. Επεξεργασία Το µίγµα της αντίδρασης ψύχεται σε παγόλουτρο, τελικά χωρίς ανάδευση έτσι ώστε ο Αmberlyst να κατακαθίσει πλήρως. Το διάλυµα διηθείται σε µια σφαιρική φιάλη µε ένα µεγάλο πτυχωτό ηθµό. Η περίσσεια της αιθανόλης αποµακρύνεται σε περιστρεφόµενο εξατµιστή γρήγορα και όσο πληρέστερα γίνεται, και τελικά ολοκληρώνεται σε πίεση περίπου 20 hpa. Το ακάθαρτο προϊόν παραµένει σαν ένα ελαιώδες άχροο υγρό υπόλειµµα. Απόδοση 19.1 g. Το ακάθαρτο προϊόν µεταφέρεται σε σφαιρική φιάλη των 250mL και αποστάζεται κλασµατικά περίπου στα 10-1 hpa. Κανονικά το προϊόν αποστάζει σε σταθερή θερµοκρασία βρασµού, µε το δείκτη διάθλασης να ποικίλει πού λίγο στα απλά κλάσµατα. Η πίεση πρέπει να είναι χαµηλή για να αποφεύγεται θερµοκρασία στο ελαιόλουτρο υπεράνω των 165 ο C. Πάνω από τη θερµοκρασία αυτή λαµβάνουν χώρα διασπάσεις και σχηµατίζονται πτητικά παραπροϊόντα. Απόδοση: 78.5 g (381 mmol, 76%); bp C ( hpa), άχροο υγρό; Καθαρότητα GC- 98.4%; [α] D 20 = (µη αραιωµένο) Παραµένουν στον αποστακτήρα 16.5 g ενός ιξώδους ανοικτού κίτρινου υπολείµµατος, το οποίο στερεοποιείται κατά την ψύξη σε ένα υαλώδες στερεό διαλυτό σε θερµό νερό. Σχόλια Παρουσία οξέων από το τρυγικό οξύ µπορεί να αποσπαστεί νερό και εν συνεχεία CO 2 µετατρεπόµενο σε πυροσταφυλικό οξύ. Με διάλυµα υδροξειδίου του βαρίου σε ένα µετρητή φυσαλίδων στον ψυκτήρα δεν πρέπει να ανιχνεύεται CO 2. 3

4 ιαχείριση αποβλήτων Ανακύκλωση Η εξατµιζόµενη αιθανόλη συλλέγεται και επαναποστάζεται. Απόρριψη αποβλήτων Απόβλητο Υπόλειµµα απόσταξης Amberlyst 15 Απόρριψη ιάλυση σε θερµό νερό και µετά: µίγµατα νερού διαλύτη, ελεύθερα αλογόνου Στερεό απόβλητο, ελεύθερο υδραργύρου Χρόνος 4-5 ώρες χωρίς να υπολογίζεται ο χρόνος βρασµού µε επαναρροή (η διήθηση του amberlyst πιθανόν να απαιτήσει πολύ χρόνο). ιακοπή Μετά την εξάτµιση της αιθανόλης. Βαθµός δυσκολίας Εύκολη. Οδηγία (κλίµακα 20 mmol) Εξοπλισµός Σφαιρική φιάλη 50 ml, ψυκτήρας επαναρροής, σωλήνας ξήρανσης, θερµαινόµενος µαγνητικός αναδευτήρας µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ηλεκτρονικός έλεγχος θερµοκρασίας, περιστρεφόµενος εξατµιστής, γυάλινο χωνί, συσκευή µικροαπόσταξης, αντλία κενού, ελαιόλουτρο, παγόλουτρο. Ουσίες L-(+)-τρυγικό οξύ (mp 170 C) Αιθανόλη (bp 78 C) (dry) Amberlyst 15 (ισχυρός όξινος ιοντοεναλλάκτης) 3.0 g (20 mmol) 11.5 g (14.6 ml, mol) 0.2 g Αντίδραση Σε µια ξηρή σφαιρική φιάλη του 50 ml εφοδιασµένη µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, ψυκτήρα επαναρροής, σωλήνα ξήρανσης, θερµαίνονται υπό ανάδευση και επαναρροή 0.2 g Amberlyst 15, 11.5 g (14.6 ml, mol) άνυδρης αιθανόλης και 3.0 g (20 mmol) L-(+)- τρυγικού οξέος για 48 ώρες. Ο αναδευτήρας πρέπει να λειτουργεί σε χαµηλή ταχύτητα έτσι ώστε να εµποδιστεί η καθυστέρηση στο βρασµό; Πολύ ισχυρή ανάδευση µπορεί να προκαλέσει θρυµµατισµό του καταλύτη και να δυσχεράνει την διήθηση. Επεξεργασία Το µίγµα της αντίδρασης ψύχεται σε παγόλουτρο, τελικά χωρίς ανάδευση έτσι ώστε ο Αmberlyst να κατακαθίσει πλήρως. Το διάλυµα διηθείται σε µια σφαιρική φιάλη µε ένα µεγάλο πτυχωτό ηθµό. Η περίσσεια της αιθανόλης αποµακρύνεται σε περιστρεφόµενο 4

5 εξατµιστή γρήγορα και όσο πληρέστερα γίνεται, και τελικά ολοκληρώνεται σε πίεση περίπου 20 hpa. Το ακάθαρτο προϊόν παραµένει σαν ένα ελαιώδες άχροο υγρό υπόλειµµα. Απόδοση 3.82 g. Το ακάθαρτο προϊόν µεταφέρεται σε σφαιρική φιάλη των 10 ml και αποστάζεται κλασµατικά περίπου στα 10-1 hpa σε µια συκευή µικροαποστάξεων. Κανονικά το προϊόν αποστάζει σε σταθερή θερµοκρασία βρασµού, µε το δείκτη διάθλασης να ποικίλει πολύ λίγο στα απλά κλάσµατα. Η πίεση πρέπει να είναι χαµηλή για να αποφεύγεται θερµοκρασία στο ελαιόλουτρο υπεράνω των C. Πάνω από τη θερµοκρασία αυτή λαµβάνουν χώρα διασπάσεις και σχηµατίζονται πτητικά παραπροϊόντα. Απόδοση: 2.85 g (13.8 mmol, 69%); bp C ( hpa), άχροο υγρό; καθαρότητα GC- 98.4%; [α] D 20 = (µη αραιωµένο) Παραµένουν στον αποστακτήρα g ενός ιξώδους ανοικτοκίτρινου υπολείµµατος, το οποίο στερεοποιείται κατά την ψύξη σε ένα υαλώδες στερεό διαλυτό σε θερµό νερό. Σχόλια Παρουσία οξέων από το τρυγικό οξύ µπορεί να αποσπαστεί νερό και εν συνεχεία CO 2 µετατρεπόµενο σε πυροσταφυλικό οξύ. Με διαλύµα υδροξειδίου του βαρίου σε ένα µετρητή φυσαλίδων στον ψυκτήρα, δεν πρέπει να ανιχνεύεται CO 2. ιαχείριση αποβλήτων Ανακύκλωση Η εξατµιζόµενη αιθανόλη συλλέγεται και επαναποστάζεται. Απόρριψη αποβλήτων Απόβλητο Υπόλειµµα απόταξης Amberlyst 15 Απόρριψη ιάλυση σε θερµό νερό και µετά: µίγµατα νερού διαλύτη, ελεύθερα αλογόνου Στερεό απόβλητο, ελεύθερο υδραργύρου Χρόνος 3 ώρες χωρίς να υπολογίζεται ο χρόνος βρασµού µε επαναρροή. ιακοπή Μετά την εξάτµιση της αιθανόλης. Βαθµός δυσκολίας Εύκολη Αναλυτικά δεδοµένα Έλεγχος πορείας της αντίδρασης µε HPLC Το τρυγικό οξύ δεν µπορεί να αναλυθεί παρουσία τρυγικού αιθυλεστέρα µε τις εφαρµοζόµενες συνθήκες HPLC. 5

6 Για το λόγο αυτό ο τρυγικός διαιθυλεστέρας αναλύεται ποσοτικά χρησιµοποιώντας στα δείγµατα σαν εσωτερικό πρότυπο (ιχνηθέτη) ακετανιλίδιο. HPLC του δείγµατος µετά από 6 ώρες χρόνο αντίδρασης mau min HPLC του δείγµατος µετά από 96 ώρες χρόνο αντίδρασης mau min Χρόνος Ουσία συγκρατήσεως (min) 16.2 Τρυγικός διαιθυλεστέρας 18.0 Ακτανιλίδιο (ιχνηθέτης) Παρασκευή δείγµατος για αντίδραση κλίµακας 100 mmol: Αντί της φιάλης των 250 ml για την αντίδραση χρησιµοποιείται δίλαιµη ή τρίλαιµη φιάλη έτσι ώστε να µπορούν να ληφθούν δείγµατα από το δεύτερο άνοιγµα. Για τη λήψη κάθε δείγµατος το υποστήριγµα του ελαιόλουτρου χαµηλώνει. Όταν σταµατήσει ο βρασµός κλείνει ο αναδευτήρας και µετά από αναµονή 1 λεπτού για να κατακαθίσει ο amberlist µε ένα σιφώνιο λαµβάνονται 5 ml από το διάλυµα. Τούτο µεταφέρεται σε 6

7 δοκιµαστικό σωλήνα, πωµατίζεται αµέσως και ψύχεται σε παγόλουτρο. Μέχρι την µέτρηση φυλάσσεται σε ψυγείο. Σαν ιχνηθέτης χρησιµοποιείται ένα διάλυµα από 1.11 mg ακετανιλιδίου σε 10 ml άνυδρης αιθανόλης. Λίγο πρίν από την µέτρηση το διάλυµα του δείγµατος αραιώνεται 1:20 µε αιθανόλη και 1 ml από το αραιωµένο αυτό δείγµα αναµιγνύεται µε 1 ml από το διάλυµα του ιχνηθέτη. Στη στήλη εισάγονται 15 µl από το διάλυµα αυτό. Συνθήκες HPLC: στήλη: Phenomenex Luna C18; Particle size 3 µm, length 150 mm, internal diameter 4.6 mm θερµοκρασία στήλης: 25 C εισαχθείς όγκος: 15 µl Βαθµωτό µίγµα 0 min 3% MeOH + 97% H 2 O διαλυτών: 30 min 98% MeOH + 2% H 2 O 40 min 98% MeOH + 2% H 2 O ροή: 0.6 ml/min µήκος κύµατος: 220 nm Συγκέντρωση του τρυγικού διαθυλεστέρα στα διαλύµατα δείγµατος για HPLC σε σχέση µε το χρόνο αντίδρασης 250 ester concentration [mg/ml] time [h] Έλεγχος πορείας της αντίδρασης µέσω της παρασκευαστικής διαδικασίας µετά από διαφορετικούς χρόνους αντίδρασης Χρόνος αντίδρασης (h) Κλίµακα αντίδρασης (mmol) Αποµονωθείσα απόδοση (%)

8 Προσδιορισµός του τρυγικού διαιθυλεστέρα στο αποµονωθέν ακάθαρτο προϊόν µε HPLC (επεξεργασία µετά από 48 ώρες) Η συγκέντρωση του τρυγικού διαιθυλεστέρα στο ακάθαρτο προϊόν αναλύθηκε ποσοτικά. Για εσωτερικό πρότυπο χρησιµοποιήθηκε ακετανιλίδιο. Παρασκευή δείγµατος: Για το διάλυµα του ιχνηθέτη διαλύονται 1 mg ακετανιλιδιου σε 10 ml αιθανόλης. Από το ακάθαρτο προϊόν παρασκευάζεται ένα διάλυµα 2 mg ανά ml διαλύµατος σε µεθανόλη. Για τη µέτρηση αναµιγνύονται 1 ml από το διάλυµα του ιχνηθέτη και 1 ml από το διάλυµα του δείγµατος. Από το διάλυµα αυτό εισάγονται στη στήλη 15 µl Οι συνθήκες HPLC- όπως περιγράφησαν για τον έλεγχο της πορείας της αντίδρασης µε HPLC HPLC του αποµονωθέντος ακάθαρτου προϊόντος mau min Χρόνοςσυγκρατήσεως Ουσία (min) 16.3 Τρυγικός διαιθυλεστέρας 17.9 Ακετανιλιδιο (ιχνηθέτης) Αποτελέσµατα ποσοτικής αξιολόγησης από διάφορες κλίµακες αντίδρασης: Το ποσό του τρυγικού διαιθυλεστέρα που βρίσκεται στο ακάθαρτο προίόν είναι ισοδύναµο κατά µέσο όρο µε 75 % απόδοση (απόκλιση +/- 7 %) Αέρια χρωµατογραφία (GC) Παρασκευή δείγµατος: 11.4 mg ουσίας διαλύονται σε 0.5 ml διχλωροµεθανίου. Εισαγόµενη ποσότητα στη στήλη 0.2 µl. Συνθήκες GC: στήλη: Zebron ZB-1, length 15 m, internal diameter 0.25 mm, film 0.25 µm, (Phenomenex, Torrance, CA, USA) είσοδος: injector temperature 250 C; split injection, injected volume 0.2 µl φέρον αέριο: He, pre-column pressure 90 kpa φούρνος: start temperature 30 C (4 min), 20 C/min to 240 C (7 min),. ανιχνευτής: FID, 230 C, H ml/min; synth. air 361 ml/min; make-up-gas N 2 flow 14.9 ml/min 8

9 ολοκληρωτής: (59 kpa) integrator 4290 (Thermo Separation Products) Η επί τοις % συγκέντρωση υπολογίστηκε από το εµβαδόν των κορυφών GC of the pure product 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Χρόνος συγκρατήσεως Ουσία Εµβαδόν κορυφών % (min) 19.8 Τρυγικός 98.4 διαθυλεστέραςr 28.8 αταυτοποίητα 1.6 Φάσµα 1 H NMR καθαρού προϊόντος (250 MHz, CDCl 3 ) (ppm) δ (ppm) πολλαπλότητα Αριθµός H Απόδοση 1.33 t 6 CH q 4 CH 2 9

10 4.54 s 2 CH OH 4.62 s OH 7.26 ιαλύτης Φάσµα 1 H NMR καθαρού προίόντος (250 MHz, CDCl 3 ) (µετά από ανάδευση µε D 2 O) (ppm) δ (ppm) Πολλαπλότητα Αριθµός H Απόδοση 1.33 t 6 CH q 4 CH s 2 CH OH 7.26 ιαλύτηςt Φάσµα 1 H NMR καθαρού προϊόντος (250 MHz, DMSO-D 6 ) (ppm) δ (ppm) Πολλαπλότητα Αριθµός H Απόδοση 1.19 t 6 CH m DMSO 10

11 3.32 s H 2 O 4.31 q 4 CH d 2 CH OH 5.47 d 2 CH OH Φάσµα 13 C NMR καθαρού προϊόντος (62.5 MHz, CDCl 3 ) (ppm) δ (ppm) Απόδοση CH CH CH OH CO O διαλύτηςt Φάσµα IR καθαρού προϊόντος (film) 80 Transmission [%] Wellenzahl [cm -1 ] (cm -1 ) Assignment 11

12 3500 δεσµός O H 2985, 2940, 2910, δεσµός C H, αλκάνιο 1745 δεσµός C = O Το φάσµα IR του ακάθαρτου προϊόντος δεν διαφέρει από εκείνο του καθαρού προϊόντος 12