3-methyl-3-pentanol d.m.v. Grignard additie

Alleen uitgevoerde en volledig uitgewerkte experimenten mogen hier geplaatst worden. Voor de discussies over de betreffende experimenten, zie "Discussies over experimenten".
Forum rules
Voordat je een experiment plaatst, lees dan de regels voor dit forum.
Post Reply
User avatar
Pyrochemistry
Zwavel
Posts: 547
Joined: 09 Feb 2009, 17:23
Chemistry interests: Organic
Location: Randstedelijk en toch landelijk gelegen.

3-methyl-3-pentanol d.m.v. Grignard additie

Post by Pyrochemistry » 05 Nov 2012, 22:15

3-methyl-3-propanol.jpg
Reactieschema
Deelgebied
Organische synthese, Organometaalchemie

Moeilijkheid
Gelijk op het niveau van 2e-jaars HLO of 3e-jaars MLO studenten, hoewel het experiment goed te doen is door een ervaren hobbychemicus. Dit experiment vereist een redelijke vaardigheid in het uitvoeren van destillatie en extractie. Ook kennis en inzicht in organisch chemische reacties is belangrijk.

Tijdsbestek
Meerdere dagdelen

Chemicaliën
  • Ethanol, gedenatureerd (96%, tech.)
  • Kaliumbromide (tech.)
  • Zwavelzuur (geconcentreerd 96%, tech.)
  • Magnesiumkrullen/poeder (lab kwaliteit, droog)
  • Tetrahydrofuran (droog, vrij van peroxiden, p.a.)
  • Jodium (99%)
  • Natriumsulfaat, watervrij of ander droogmiddel (lab kwaliteit)
  • Diethylether (vrij van peroxiden, tech.)
  • Butanon (droog, tech.)
Veiligheid
Doe voor de uitvoering van het experiment research over de eigenschappen van de gebruikte stoffen en hun reacties!

Ether en tetrahydrofuran kunnen ontplofbare peroxiden vormen, het gebruik van peroxidevrije ethers is daarom aan te raden. Beide oplosmiddelen zijn zeer licht ontvlambaar. Diethylether/lucht mengsel kan in contact met warme oppervlakten ontploffingen of heftige branden veroorzaken.

Magnesium is licht ontvlambaar. Zwavelzuur is etsend en veroorzaakt ernstige brandwonden, bij huidcontact direct afspoelen met water. Jodium is giftig bij inslikken. Ethanol en butanon zijn licht ontvlambaar. Kaliumbromide is schadelijk bij inslikken.

Tijdens het experiment wordt broomethaan gevormd en gebruikt, dit is een sterk alkylerend reagens (dus potentieel carcinogeen), vermijdt huidcontact en inademing van grote hoeveelheden damp.

Werk het gehele experiment in een goed geventileerde ruimte of zuurkast, houd blusmiddelen beschikbaar en vermijdt het gebruik van bunsenbranders. Draag een laboratoriumjas en veiligheidsbril. Afval geproduceerd tijdens het experiment dient verzameld te worden bij het organisch halogeenrijke afval.

Introductie
Bij dit experiment wordt 3-methyl-3-pentanol, een tertair alcohol bereid doormiddel van een grignard-additie. Broomethaan wordt eerst gesynthetiseerd uit ethanol en zure bromide oplossing via een Sn2 reactie. Het mooie aan dit experiment is dat de precursoren voor de synthese gemakkelijk verkrijgbaar zijn.

Broomethaan wordt hierna gereageerd met magnesium waarbij ethylmagnesiumbromide (EtMgBr) ontstaat, een Grignard reagens. De stof is een krachtig nucleofiel. Dit wordt verklaard door het volgende; de C-Mg binding is covalent maar echter sterk gepolariseerd, er ligt een partieel negatieve lading op het koolstofatoom dankzij het het grote verschil in elektronegativiteit. Ethers zijn essentieel als oplosmiddel; de ether moleculen coordineren met het magnesium waardoor het Mg complex veel stabieler word.

Carbonylverbindingen zoals ketonen en aldehyden maar ook esters, zijn prima elektrofielen en ondergaan gemakkelijk additiereacties met Grignard reagentia. Een andere veel toegepaste reactie van grignard reagentia, is de Kumada koppeling, dit is overgangsmetaal (Ni, of Pd) gekatalyseerde "cross coupling", dit was een van de eerste synthetisch bruikbare koppelingsreacties.

In THF of andere ethers, bestaat het schlenck-evenwicht: (andere liganden zijn voor simpliciteit weggelaten)

2 RMgX <--> R-Mg-R + Mg2X

De vorming van grignardverbindingen verloopt volgens "enkele elektron reductie" (SET --> single electron transfer), dit is in wezen niets anders dan een type oxidatieve additie van een metaal aan een sigma-binding. De nucleofiele additie van het grignard reagens verloopt via een radicaal of anionisch mechanisme, het anionische mechanisme verloopt via een cyclische overgangstoestand (Transition State: TS).

Alvorens de reactie begint, wordt een kristal jodium aan de magnesiumkrullen toegevoegd, dit dient ervoor om het magnesium oppervlakte te activeren. Inplaats van jodium, kan ook een druppeltje broom worden toegevoegd.
Mechanism.jpg
Reactiemechanisme, aangepast van J.J. Li; Name Reactions, 4th ed. 2009 pg. 266, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
Indien water of andere “zuren” aanwezig zijn, ontstaat een alkaan met een magnesiumhydroxyhalide zout. Droge reactiemedia zijn dus vereist! Vanuit synthetisch oogpunt hebben Grignard reacties hebben een breede toepasbaarhied maar een lage functionele groep tolerantie, –OH, -NH2 deprotoneren omdat zij zuur zijn en -CO2R groepen zijn elektrofiel. In veel gevallen worden deze groepen afgeschermd met beschermende groepen die gemakkelijk te verwijderen zijn. Aminen en alcoholen worden vaak afgeschermd met alkyl of benzylgroepen. Of er word een dubbele equivalent aan Grignard reagens gebruikt wanneer deprotonering niet voor nevenreacties kan zorgen. Carboxylaten laten zich wat moeilijker afschermen, esters blijven elektrofiel en dus reactief, tenzij bij zeer lage temperatuur word gewerkt. Wanneer meerdere carbonyl centra in het substraat aanwezig zijn, kunnen deze tijdelijk, soms selectief, beschermt worden met een ketal/acetal groep, ketalen en acetalen zijn stabiel onder neutrale omstandigheden en bestendigd tegen organometaal nucleofielen. Na de reactie worden ketalen en acetalen verwijderd door zure hydrolyse.

In dit experiment wordt een reactie uitgevoerd met butanon en EtMgBr. Het adduct is het magnesium 3-methyl-3-propoxide bromide complex. Zure opwerking levert uiteindelijk een alcohol op.

Experimenteel

Algemeen THF en andere chemicalien werden gebruikt zoals gekocht, Butanon was van technische kwaliteit en werd overnacht gedroogd over CaSO4. Al het glaswerk werd grondig gedroogd door te spoelen met aceton en te blazen met perslucht.

Broomethaan 1 Uit 44 ml EtOH, 44 ml zwavelzuur, 40 g KBr en 30 ml ijswater werd volgens bekende procedure ethylbromide bereid. Het ruwe product werd gekoeld in ijs en gedroogd over 20 ml zwavelzuur. Het mengsel werd gescheiden, de organische laag werd gedestilleerd om verbinding 1, te winnen als een kleurloze vloeistof, b.p. 40 b.p. Co, (34,6 g, 95%)

Ethylmagnesiumbromide in THF 2 In een 100 ml rondbodemkolf, voorzien van roervlo, Claissen-opzet, reflux condensor en druppeltrechter werd ethylmagnesiumbromide bereid. Door langzame additie (in 30 min) van broomethaan in droge THF (67 mmol, in 30 ml) aan magnesiumkrullen (70 mmol), gevolgd door 60 min reflux. Alvorens de additie van het THF/EtBr mengsel werd een kristal jood aan de magnesium toegevoegd.

3-methyl-3-pentanol 3 Na reflux werd het mengsel gekoeld in NaCl/ijs/water. Via de druppeltrechter werd voorzichtig een mengsel van butanon en THF toegevoegd (67 mmol in 20 ml) aan de oplossing van 2. Een heftige reactie trad in, het mengsel werd daarom druppelsgewijs toegevoegd, additie van dit mengsel duurde circa 10 min. Nog twee uur werd het mengsel geroerd bij kamertemperatuur. Waarna het in een mengsel van water/ijs/zwavelzuur (80/10/10) werd gegoten. Het mengsel werd geëxtraheerd met drie porties ether (50 ml). De organische lagen werden gecombineerd, gedroogd over natriumsulfaat en vervolgens geconcentreerd middels destillatie in een waterbad. Het residu werd onder vacuüm verder geconcentreerd en daarna gedestilleerd bij atmosferische druk, om verbinding 3 te geven als een kleurloze vloeistof, b.p. 120 oC (2,7 g, 40%)

Opmerkingen:

- THF kan ook volledig worden vervangen door gedroogde ether, dit heeft echter wel een lager kookpunt.

- De reactie met het alkylbromide met de magnesium was zeer heftig, initiatie van de reactie kon enkele minuten op zich laten wachten. Een indicatie voor het starten van de reactie was het verkleuren van het reactiemengsel van bruin naar groen naar kleurloos. Verwarmen kan de initiatie versnellen.

De vorming van het Grignard reagens:
- Drogen van glaswerk in een oven bij 100 graden, vergroot de kans op slagen.
- Gebruik alleen droge reagentia en oplosmiddelen.
- De reflux condensor word beschermt met een droogbuisje gevuld met watervrij calciumsulfaat of ander hygroscopisch middel.
- Drogen van EtBr over zwavelzuur is essentieel voor het verwijderen van zowel water en ether. Zonder deze droogstap zal de reactie niet op gang komen. Voeg zwavelzuur toe aan de ruwe ethylbromide, net zo lang tot er duidelijk 2 lagen ontstaan. Zonder destilatie van de organische laag, gaat de vervolgstap niet werken. Ook drogen met een zout zoals MgSO4 zal niet voldoende zijn.
- Gebruik een kolf met VOLDOENDE volume, kies een reactievat zodat het volume niet groter is dan 1/5 tot 2/5 van de kolf!
- Houd een water/ijsbad gereed, Grignard reacties en de generatiereactie kunnen erg heftig verlopen onder afgifte van veel warmte waardoor het reactiemengsel zogezecht "de pot uit kan koken". Dit is gevaarlijk, dus dat willen we niet!
- Indien het bovenstaande toch gebeurt, quench het reactiemengsel met verdunt waterig zuur (voorzichtig!!), neutraliseer het mengsel en lever dit in bij het halogeenrijke afval.
- Het experiment kan opgeschaald worden, doe dit niet bij onvoldoende ervaring!

Conclusie/discussie
- Het is mogelijk om met weinig middelen droge ethylbromide te synthetiseren, welke gebruikt kan worden in Grignard reacties.
- Vanuit de theorie [1,2] kan gesteld worden dat de verbinding met grote kans gevormd en geïsoleerd, in acht dient te hier te worden genomen dat geen spectra zijn opgenomen van het geïsoleerde product, het definitieve bewijs ontbreekt dus.

Literatuur
[1] - J.S. Fessenen, R.J. Fessenden, M.W. Logue; Organic Chemistry, 6th ed., pg. 280-287, Brooks/Cole
[2] - R. Bruckner, M. Harmata; Addition of Hydride donors and Organometallic Compounds to Carbonyl compounds; Organic Mechanisms, Reactions, Stereochemistry and Synthesis, 2010, Springer

Discussie onderwerp: http://www.amateurchemie.nl/viewtopic. ... urn false;
Will it work? You only know after the experiment!

Student (M.Sc) Scheikunde

Post Reply

Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest