Die Substitution von Chloressigsäure zu 2

Katharina Schmidt
26.10.2010
Substitution von Chloressigsäure zu 2-Aminoessigsäure (Glycin) über
das Hexamethylentetrammoniumsalz
2-Aminoessigsäure
Assistentin: Eva-Maria Tanzer
Literatur
(1) Hünig, Kreitmeier, Märkel, Sauer, I.O.C.-Praktikum, Lehmanns Media LOB.de,
Berlin, 2007, S. 48, Versuch 1.3 (CD-Rom).
(2) Datenbank für organische Verbindungen, 26.10.2010, http://www.reaxys.com.
(3) Forum zum Versuch 1.3 von I.O.C.-Praktikum, 26.10.2010,
http://www.chemieonline.de/forum/archive/index.php/t-134510.html.
(4) Organische Reaktionen, http://www.organische-chemie.ch
Reaktionsgleichung:
Chloressigsäure
Hexamethylentetramin
Glycin
Reaktionstyp
Deléphine-Reaktion: Umsetzung von Alkylhalogeniden mit Hexamethylentetramin.
(Aromatische Substitution  SN2)
Arbeitsmethode
Umkristallisation
Ansatz
Chloressigsäure
Hexamethylentetramin
Ethanol
Ammoniak-Lsg. (25%)
Aequivalent
4
1
4
Gewicht (g)
9.45
3.50
-
mmol
100
25
-
Volumen (ml)
90
15
Apparatur
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Klammer
Rückflusskühler
Rundkolben 250ml
Kleine Klammer
Ölbad
Magnetrührer
Hebebühne
Thermometer
Eisbad (zum Abkühlen auf Raumtemperatur)
Dichte (g/ml)
0.79
0.91
Versuchsdurchführung
Synthese (Gemäss Anweisung der Assistenten, Literatur (1) )
In einem 250ml Rundkolben mit Magnetrührstab wurde Chloressigsäure (9.45 g, 0.1
mol) und Hexamethylentetramin (25 mmol, 3.49g) in Ethanol (90 ml) gelöst. Dazu
wurde 25% Ammoniak-Lösung (15 ml) gegeben. Das Gemisch wurde anschliessend im
Oelbad (Start-Temp. 23°C) bei 80-82°C 2 Stunden unter Rückfluss erhitzt.
Die erhaltene Lösung war klar und transparent.
Reinigung/Isolierung
Bei Raumtemperatur fiel kein Feststoff aus, weshalb die Lösung im Kühlfach über Nacht
(ca. 19 Stunden)abgekühlt wurde. Jedoch hat auch das Abkühlen auf 0°C nicht dazu
geführt, dass wie erwünscht ein Feststoff (Glycin) ausfiel. Deshalb wurde die Lösung
am Rotationsverdampfer (40°C und 170mbar) eingeengt. Nach einem ersten Durchlauf
wurden 70ml Ethanol abdestilliert. Trotz weiteren 15 Minuten im Kühlfach fiel kein
Feststoff aus. Worauf weitere 20ml Ethanol mit dem Rotationsverdampfer abdestilliert
wurden. Nachdem noch immer keine Kristallisation einsetzte, wurde die Lösung bis zur
Trocknung eingeengt. Der Druck wurde dabei bis auf 20mbar abgesenkt. Weitere 15ml
Ethanol wurden von der Probe abgetrennt. Gesamt wurden 86ml Ethanol
zurückgewonnen, der Verlust von 4ml Ethanol lässt sich damit erklären, dass zu Beginn
des Rotierens die Lösung in den Auffangkolben überlaufen war.
Die erhaltene Substanz war klar bis leicht gelblich und viskos (bzw. ölig). Kein Feststoff
war ausgefallen. Von dieser öligen Substanz (es handelt sich vermutlich um
Nebenprodukt B) wurde dann das IR gemessen. Der Versuch hatte nicht zum
erwünschten
Produkt
geführt
sondern
zu
2-(7-(chloromethyl)-1,3,5,7tetraazabicyclo[3.3.1]nonan-3-yl)acetic acid ( Nebenprodukt B).
Rohausbeute
ca. 5ml des Nebenproduktes B.
Gesamtausbeute
keine, Produkt entstand nicht
Charakterisierung
IR
Banden (cm-1)
3388
2960, 2899
1012, 1147, 1205, 1261, 1306
1724
1589
1464
Interpretation
O-H (stretching)
C-H
C-N
C=O
N-H
C-H (Alkanes-CH2, bending)
Bei dem tatsächlich entstandenen Reaktionsprodukt handelt es sich um folgendes
Nebenprodukt B
2-(7-(chloromethyl)-1,3,5,7-tetraazabicyclo[3.3.1]nonan-3-yl)acetic acid
Fehlerdiskussion
Die Substitution von Chloressigsäure zu 2-Aminoessigsäure (Glycin) über das
Hexamethylentetrammoniumsalz benötigt eine genug hohe Konzentration von
Ammoniak, damit dieses die OH-Gruppe der Chloressigsäure deprotonieren und somit
das freiwerdende Chlor abfangen kann. Wird das Chlor nicht abgefangen, reagiert dieses
zusammen mit dem Carboxy-Rest und einem Hexamethylentetramin zu einer starken
Säure. Die Synthese von Glycin setzt voraus, dass das Urotropin zu 6 Formaldehyden
degradiert. Dieser Mechanismus findet aber nicht statt, wenn sich die Substanz B bildet.
Für eine korrekt ablaufende Synthese muss die Ammoniakkonzentration stark
eingehalten werden. Dies war hier nicht der Fall. Bei der verwendeten AmmoniakLösung handelte es sich mit grosser Wahrscheinlichkeit um eine alte, oder nicht
vorschriftsmässig gelagerte Flasche, welche viel weniger als 25% (wie auf dem Etikett
vermerkt) Ammoniak enthielt. Dies hätte man bereits bei der Vorbereitung der Synthese
bemerken müssen, da Ammoniak normalerweise einen stechenden Geruch hat und die
Augen und Nase reizt. Das Fehlen dieser charakteristischen Anzeichen wurde aber nicht
wahrgenommen.
Mechanismus
1. Reaktion führt zu 2-Aminoessigsäure (Glycin)
SN2-Reaktion: Nucleophiler Angriff von
freiem Elektronenpaar von StickstoffAtom im Hexamethylentetramin an das CAtom der Chloressigsäure. Chlor fungiert
als Abgangsgruppe.
Gleichzeitig wird OH-Gruppe der
Chloressigsäure durch Ammoniak (NH3)
deprotoniert. Das entstandene Ammonium
wird benötigt um negativ geladenen Chlor
abzufangen und zu neutralisieren.
Umlagerung der positiven Ladung
Durch Hydrolyse (H2O aus AmmoniakLsg.(aq) ) oder Ethanolyse bilden sich
zuerst Halbanimale – Amino -und
Hydroxygruppe befinden sich am selben
C-Atmon- welche weiter zu Formaldehyd
und einem Ammoniumsalz abgebaut
werden.
 insgesamt zerfällt ein Urotropin zu 6 eq.
Formaldehyde, 4 eq. 2-Aminoessigsäuren
und 4 eq. Ammoniumsalze
2. Reaktion führt zu Nebenprodukt B
SN2-Reaktion: Nucleophiler Angriff von
freiem Elektronenpaar von StickstoffAtom im Hexamethylentetramin an das CAtom der Chloressigsäure. Chlor fungiert
als Abgangsgruppe.
OH-Gruppe bleibt protoniert.
Umlagerung der positiven Ladung
Da das Chlor-Ion nicht neutralisiert d.h.
nukleophil ist, greift nun, an Stelle des
freien Elektronenpaars vom O-Atom des
Wasser, das Chloratom an.
Durch diese C-Cl- Bindung ist das Molekül
für eine weitere Umlagerung blockiert.