Die Substitution von Chloressigsäure zu 2
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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.
