28 Αντίδραση του κυκλοεξυλο µαγνησιο βρωµιδίου µε διοξείδιο του άνθρακα προς κυκλοεξανοκαρβοξυλικό οξύ Br + Mg διαιθυλο αιθέρας MgBr 1. CO 2 2. H 3 O O OH C 6 H 11 Br CO 2 C 7 H 12 O 2 (163.1) (24.3) (44.) (128.2) Ταξινόµηση Τύποι αντιδράσεων και τάξεις ουσιών Αντίδραση Grignard, αντίδραση του καρβονυλίου του διοξειδίου του άνθρακα. Οργανοµεταλλική ένωση, βρωµοαλκάνιο, καρβοξυλικό οξύ. Μέθοδοι εργασίας Εργασία µε αποκλεισµό υγρασίας, σταγονοµετρική προσθήκη µε χωνί προσθήκης, θέρµανση µε επαναρροή, ανάδευση µε µαγνητική ράβδο ανάδευσης, θέρµανση σε ελαιόλουτρο, θέρµανση σε υδρόλουτρο, χρήση παγόλουτρου, εργασία µε ξηρό πάγο, ανατάραξη, εκχύλιση, διήθηση, εξάτµιση σε περιστρεφόµενο εξατµιστή, απόσταξη υπό ελαττωµένη πίεση, Οδηγία (κλίµακα 1 mmol) Εξοπλισµός Τρίλαιµη φιάλη 5 ml (πλευρικό στόµιο NS 29), ψυκτήρας επαναρροής µε σωλήνα ξήρανσης, θερµαινόµενος µαγνητικός αναδευτήρας, µαγνητική ράβδος ανάδευσης, συσκευή παροχής θερµού αέρα, σταγονοµετρικό χωνί προσθήκης µε σύστηµα εξισορρόπησης της πίεσης, διαχωριστικό χωνί, συσκευή απόσταξης, παγόλουτρο, ελαιόλουτρο, αντλία κενού. Ουσίες βρωµοκυκλοεξάνιο (bp 163-165 C) διαιθυλο αιθέρας (bp 35 C) άνυδρος διαιθυλο αιθέρας (bp 35 C) ρινίσµατα µαγνησίου ιώδιο ξηρός πάγος υδατικό διάλυµα NaOH (%) πυκνό υδροχλωρικό οξύ (32%) πάγος θειϊκό νάτριο 16.3 g (1.3 ml, 1 mmol) 7 ml 5 ml 2.67 g (11 mmol) 4-5 mg 44 g (1. mol) 5 ml περίπου 6 ml περίπου 5 g Αντίδραση Σε µια τρίλαιµη φιάλη των 5 ml µε σταγονοµετρικό χωνί προσθήκης των 1 ml µε πλευρικό σωλήνα εξισορρόπησης της πίεσης και ψυκτήρα επαναρροής µε σωλήνα ξήρανσης 1
φέρονται 4-5 mg ιωδίου. Στη συνέχεια επί των κρυστάλλων του ιωδίου τοποθετούνται 2.67 g (11 mmol) ρινισµάτων µαγνησίου και η φιάλη θερµαίνεται µε θερµό ρεύµα αέρα στο σηµείο όπου βρίσκονται οι κρύσταλλοι του ιωδίου, µέχρις ότου σχηµατιστούν ιώδεις ατµοί. Η φιάλη ψύχεται σε θερµοκρασία δωµατίου και προστίθεται τόσος άνυδρος αιθέρας ώστε µόλις να καλυφθούν τα ρινίσµατα µαγνησίου (περίπου 6 ml) Από το χωνί προσθήκης προστίθενται χωρίς ανάδευση.6 ml από τα 1.3 ml του βρωµοκυκλοεξανίου. Εάν η αντίδραση δεν αρχίσει σε µερικά λεπτά (αυτό γίνεται ορατό µε το βρασµό του αιθέρα και το γκρι θόλωµα του διαλύµατος), το µίγµα θερµαίνεται για λίγο πάλι χωρίς ανάδευση µε θερµό ρεύµα αέρα, µέχρις ότου να συνεχίζεται ο βρασµός χωρίς θέρµανση. Τότε αµέσως προστίθεται υπό ανάδευση και η αποµένουσα ποσότητα του βρωµοκυκλοεξανίου µε τέτοιο ρυθµό ώστε να διατηρείται ένας οµαλός βρασµός. Με κάθε τρόπο δεν πρέπει η αντίδραση να «αποκοιµηθεί» (χρόνος προσθήκης περίπου 3 λεπτά). Όταν τελειώσει η αντίδραση το άχροο διάλυµα θερµαίνεται για µια ώρα σε ένα υδρόλουτρο µε επαναρροή, µέχρις ότου το µαγνήσιο να διαλυθεί σχεδόν ολοσχερώς. Στη συνέχεια το µίγµα ψύχεται σε παγόλουτρο. Στη συνέχεια από το στόµιο NS 29 της φιάλης προστίθενται περίπου 44 g (1. mol) ξηρού πάγου σε µικρά τεµάχια (το µέγεθος τους πρέπει να επιτρέπει την δίοδο από το στόµιο της φιάλης); Κάθε τεµάχιο πριν από την προσθήκη πρέπει να ξηραθεί µε µια χαρτοπετσέτα. Το µίγµα παραµένει για µια ώρα περίπου µέχρις ότου όλος ο ξηρός πάγος εξατµιστεί και το περιεχόµενο της φιάλης να έχει θερµοκρασία περίπου C. Εάν είναι αναγκαίο η απόψυξη επιταχύνεται χρησιµοποιώντας ένα ψυχρό υδατόλουτρο. Επεξεργασία Στο µίγµα της αντίδρασης προστίθενται 1 ml αιθέρα και το περιεχόµενο της φιάλης ανακινείται µε µια γυάλινη ράβδο. Στη συνέχεια υπό ανάδευση µε ένα µαγνητικό αναδευτήρα προστίθενται µε χωνί στερεών βραδέως 15 ml πυκνού υδροχλωρικού οξέος (32%) και 1 g πάγου. Ελέγχεται η τιµή ph του µίγµατος και αν είναι αναγκαίο προστίθεται περισσότερο υδροχλωρικό οξύ µέχρι σαφούς όξινης αντίδρασης. Το µίγµα αναδεύεται έως ότου διαλυθεί όλο το µαγνήσιο που απέµεινε και το περιεχόµενο της φιάλης είναι πλήρως διαυγές (περίπου 1 ώρα). Το περιεχόµενο της φιάλης µεταφέρεται σε διαχωριστικό χωνί, αναταράσσεται ισχυρά και οι δύο φάσεις διαχωρίζονται. Η υδατική φάση αναταράσσεται δυο φορές, µε 5 ml διαιθυλο αιθέρα κάθε φορά. Οι τρείς οργανικές φάσεις ενώνονται και η υδατική φάση απορρίπτεται. Τα ενωµένα αιθερικά εκχυλίσµατα αναταράσσονται ισχυρά µε 5 ml ένός υδατικού διαλύµατος NaOH %. Η αιθερική φάση απορρίπτεται. Το αλκαλικό διάλυµα της υδατικής φάσης που περιέχει εκτός από το άλας του κυκλοεξανοκαρβοξυλικού οξέος και την κυκλοεξανόλη σαν παραπροϊόν, αναταράσσεται τρείς φορές µε 3 ml αιθέρα κάθε φορά, για να αποµακρυνθεί το µεγαλύτερο ποσό του παραπροϊόντος. Οι τρεις αιθερικές φάσεις ενώνονται και αποβάλλονται (βλέπε σχόλια). 2
Τότε η αλκαλική υδατική φάση οξινίζεται µε 65 ml µετρίως πυκνού υδροχλωρικού όξέος (έλεγχος τιµής ph) και ανακινείται µια φορά µε 1 ml διαιθυλαιθέρα και δύο φορές µε 5 ml διαιθυλο αιθέρα κάθε φορά. Η υδατική φάση απορρίπτεται. Τα αιθερικά εκχυλίσµατα ενώνονται και ξηραίνονται υπεράνω θειϊκού νατρίου. Μετά την διήθηση του ξηραντικού την πλύση του µε 1 ml αιθέρα, ο αιθέρας εξατµίζεται σε περιστρεφόµενο εξατµιστή σε κανονική πίεση. Το ακάθαρτο προϊόν παραµέναι σαν ένα άχροο υγρό. Απόδοση ακάθαρτου προϊόντος 8.7 g; καθαρότητα (GC) > 99.5% (βλεπε αναλυτικά δεδοµένα) Το ακάθαρτο προϊόν αποστάζεται κλασµατικά υπό ελαττωµένη πίεση. Απόδοση: 7.77 g (6.6 mmol, 61%); bp 99-1 C (2.9-3.1 hpa); άχροο υγρό. Όλα τα κλάσµατα έχουν το ίδιο σηµείο ζέσεως κα η καθαρότητά τους (GC) είναι > 99.5 %. Υπόλειµµα απόσταξης: 93 mg. Σχόλια Εάν η έναρξη της αντίδρασης Grignard έχει προβλήµατα τότε το µίγµα της αντίδρασης µπορεί να βυθιστεί σε ένα λουτρό υπερήχων αντί της θέρµανσης σε ρεύµα θερµού αέρα. Ανάµεσα στους άλλους παράγοντες είναι σηµαντικό για την απόδοση το µέγεθος των τεµαχίων του ξηρού πάγου. Εάν ο ξηρός πάγος είναι τελείως θρυµµατισµένος η αντίστοιχα µεγαλύτερη επιφάνειά του συµπυκνώνει µεγαλύτερο ποσοστό υγρασίας µε αποτέλεσµα να αποσυντίθεται µεγαλύτερο ποσοστό του αντιδραστηρίου Grignard. Μετά την όξινη υδρόλυση του µίγµατος της αντίδρασης το αεριοχρωµατογράφηµα (GC) της αιθερικής φάσης δείχνει κάποιες ουσίες, οι οποίες αντιστοιχούν στα παραπροϊόντα τα οποία συνήθως περιγράφονται για τις αντιδράσεις Grignard (βλέπε αναλυτικά δεδοµένα). Το παραπροϊόν κυκλοεξανόλη διαλύεται τόσο στον αιθέρα όσο και στο νερό. Για το λόγο αυτό κατά τη διάρκεια της ανακίνησης της αιθερικής φάσης µε το υδατικό διάλυµα NaOH, µεταφέρεται κατά ένα µέρος στην υδατική φάση µαζύ µε το άλας του κυκλοεξανο καρβοξυλικού οξέος. Είναι σκόπιµο για την αποµάκρυνση της µεγαλύτερης ποσότητας της κυκλοεξανόλης από την υδατική φάση (όπως προαναφέρθηκε στην «επεξεργασία» µέσω επανειληµµένων πλύσεων της υδατικής φάσης µε διαιθυλο αιθέρα. Στην αντίθετη περίπτωση η κυκλοεξανόλη µπορεί να καταλήξει τελικά κατά την επεξεργασία στο ακάθαρτο προϊόν και να µεταφερθεί στα πρώτα κλάσµατα της απόσταξης. ιαχείριση αποβλήτων Ανακύκλωση Ο διαιθυλαιθέρας των πλύσεων του αλκαλικού διαλύµατος συλλέγεται και επαναποστάζεται. Περιέχει µια µικρή ποσότητα κυκλοεξανόλης (bp 161 C) σαν πρόσµιξη. Ο διαιθυλαιθέρας που προέρχεται από την εξάτµιση στο ακάθαρτο προϊόν συλλέγεται επίσης και επαναποστάζεται. Απόρριψη αποβλήτων Απόβλητο Απόρριψη 3
Υδατική φάση µετά την ανακίνηση µε διαιθυλο αιθέρα του οξινισθέντος διαλύµατος της αντίδρασης Υδατική φάση µετά την ανακίνηση µε διαιθυλο αιθέρα της οξινισθείσης υδατικής φάσης ιαιθυλο αιθέρας µετά την ανακίνηση µε υδατικό διάλυµα NaOH (περιέχει επίσης και άλλες πττικές ουσίες) Υπόλειµµα απόσταξης Θειϊκό νάτριο Μίγµατα νερού διαλύτη, περιέχοντα αλογόνο Μίγµατα νερού διαλύτη, περιέχοντα αλογόνο Οργανικοί διαλύτες ελεύθεροι αλογόνου Στερεό απόβλητο, ελεύθερο υδραργύρου Στερεό απόβλητο, ελεύθερο υδραργύρου Χρόνος Όλα µαζί 8 ώρες. ιακοπή Μετά την οξίνιση του διαλύµατος της αντίδρασης (5 ώρες), στη συνέχεια µεταξύ των απλών σταδίων επεξεργασίας. Βαθµός δυσκολίας Μέτρια Αναλυτικά δεδοµένα Αέρια χρωµατογραφία (GC) Συνθήκες GC: στήλη: Zebron ZB-1, length 15 m, internal diameter.25 mm, film.25 µm (Phenomenex, Torrance, CA, USA) είσοδος: injector temperature 25 C; split injection; injected volume.1 µl φέρον αέριο: H 2, pre-column pressure 25 kpa (necessary for cyclohexane/cyclohexene-separation) φούρνος: start temperature 3 C (3.5 min), 4 C/min to 18 C (5 min) ανιχνευτής: FID, 3 C, H 2 25.1 ml/min; synth air 393 ml/min ολοκληρωτής: integrator 429 (Thermo Separation Products) Παρασκευή δείγµατος: Περίπου 25 mg ουσίας διαλύονται σε.5 ml διχλωροµεθανίου. Το αιθερικό διάλυµα για ανάλυση εισάγεται χωρίς αραίωση. Η επί τοις % συγκέντρωση υπολογίστηκε από το εµβαδόν των κορυφών 4
GC της αιθερικής φάσης του οξινισθέντος µίγµατος της αντίδρασης 3, 2,5 2, 1,5 1,,5, 5 1 15 25 3 35 Χρόνος συγκρατήσεως (min) Ουσία Εµβαδόν κορυφών % 2. κυκλοεξάνιο 6.4 2.2 κυκλοεξένιο 4.6 7.8 κυκλοεξάνολη 9.4 18.4 κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ 68.2 24.5 δικυκλοεξύλιο 11.4 GC του ακάθαρτου προϊόντος Στην περιπτωση αυτή η υδατική αλκαλική φάση δεν ανακινήθηκε µε αιθέρα πρίν την οξίνιση. 25 15 1 5 5 1 15 25 3 35 Χρόνος συγκρατήσεως (min) Ουσία Εµβαδόν κορυφών % < 2 διαλύτης 7.8 κυκλοεξανόλη 1.8.5 κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ 97.8 24.5 δικυκλοεξύλιο.2 5
GC του ακάθαρτου προϊόντος Στην περιπτωση αυτή η υδατική αλκαλική φάση ανακινήθηκε µε αιθέρα πρίν την οξίνιση. 4 3 1 5 1 15 25 3 35 Χρόνος Ουσία Εµβαδόν κορυφών % συγκρατήσεως (min) < 2 διαλύτης 7.8 κυκλοεξανόλη.1 21.1 κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ 99.9 GC του ακάθαρτου προϊόντος, αρχικό κλάσµα απόσταξης (1% του συνολικού όγκου προϊόντος) Στην περίπτωση αυτή η αλκαλική υδατική φάση ανακινήθηκε µε αιθέρα πριν από την οξίνιση. 3 1 5 1 15 25 3 35 Χρόνος Ουσία Εµβαδόν κορυφών % συγκρατήσεως(min) 7.4 κυκλοεξανόλη.4.8 κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ 99.6 6
GC του καθαρού προϊόντος, κύριο κλάσµα απόσταξης (9% του συνολικού όγκου προϊόντος) Στην περίπτωση αυτή η αλκαλική υδατική φάση ανακινήθηκε µε αιθέρα πριν από την οξίνιση. 5 4 3 1 5 1 15 25 3 35 Χρόνος Ουσία Εµβαδόν κορυφών % συγκρατήσεως(min) 7.4 κυκλοεξανόλη.4 21.3 κυκλοεξανο καρβοξυλικό οξύ 99.9 Φάσµα 1 H NMR καθαρού προϊόντος (3 MHz, CDCl 3 ) 2.35 (ppm) 2.3 2.25 13 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 (ppm) δ (ppm) Πολλαπλότητα Αριθµός H Απόδοση 1.1-2. m 1 CH 2 2.33 m (tt) 1 CH COOH 11. wide s 1 OH 7.26 διαλύτης 7
Φάσµα 13 C NMR καθαρού προϊότος(75 MHz, CDCl 3 ) 18 16 14 1 1 8 6 4 (ppm) δ (ppm) Απόδοση 25.31 C-4, C-6 25.67 C-5 28.53 C-3, C-7 42.92 C-2 182.77 C-1 76.5-77.5 διαλύτης 7 6 1 COOH 2 5 3 4 Φάσµα IR καθαρού προϊόντος (film) 8 Transmission [%] 6 4 4 35 3 25 15 1 Wellenzahl [cm -1 ] (cm -1 ) Απόδοση 33-25 εσµός O H, καρβοξυλικά οξέα 2935, 2855 εσµός C H, αλκάνια, επικαλυπτόµενη από Ο-Η 175 εσµός C = O, καρβοξυλικό οξύ 8
Τα φάσµατα IR, 1 H NMR and 13 C NMR του ακάθαρτου προϊόντος είναι απολύτως όµοια µε εκείνα του καθαρού προϊόντος. 9