Syntézy kyseliny fenyloctové

[G.Patton]

Úvod

Existují dvě účinné cesty k získání kyseliny fenyloctové z benzenchloridu. První cesta přes benzylkyanid umožňuje získat až 77% výtěžek. Druhý způsob z benzylchloridu přes Grignardovo činidlo popisuje až 60% výtěžek z teoretického. Oba způsoby mají určité výhody a nevýhody. Například syntéza benzylkyanidu vyžaduje od chemika mnoho zkušeností, protože musí pracovat s kyanidem sodným, který je velmi toxický. Na druhé straně cesta z benzylchloridu přes Grignardovo činidlo vyžaduje méně toxická činidla, ale chemik musí pracovat s pevným oxidem uhličitým nebo Kippovým přístrojem. Tato metoda také poskytuje menší výtěžek než první metoda. Na našem fóru najdete další způsoby syntézy kyseliny fenyloctové, jako je cesta z kyseliny mandlové nebo benzylkyanidu přes alkalickou hydrolýzu.

V tomto tématu navíc najdete podrobnou syntézu benzylchloridu z benzenu. Na závěr chci upozornit všechny chemiky, kteří si chtějí tuto syntézu zopakovat, že je třeba používat veškeré bezpečnostní pomůcky, jako je chemické sklo, rukavice, chemický plášť a dýchací maska. Pokusy provádějte pod vytahovací sondou nebo pod digestoří v dobře větraných prostorách.

Vzhled: bílá pevná látka se silným medovým zápachem.

Bod varu: 265,5 °C/760 mm Hg; 144,2-144,8 °C/12 mm Hg;
Bod tání: 76-77 °C;
Molekulová hmotnost: 136,15 g/mol;
Hustota: 1,091 g/ml (20 °C).

Benzylchlorid z benzenu

Vybavení a sklo.

• Tříhrdlá baňka o objemu 1 l;
• Laboratorní teploměr (0 °C až 200 °C) s adaptérem na baňku;
• zpětný chladič (s dvojitým povrchem);
• Mechanické míchadlo;
• Přívodní trubice plynu;
• Vodní lázeň;
• topná deska;
• Laboratorní generátor HCl;
• 1 l oddělovací nálevka;
• Destilační přístroj;
• Retortový stojan a svorka pro upevnění přístroje;
• Aspirátor s vodním paprskem;
• Laboratorní váhy (vhodné 1 - 200 g);
• 100 ml x2 a 200 ml x2 Erlenmeyerovy baňky s uzávěrem;
• 500 ml odměrný válec.

Reagencie.

• 200 g (227 ml) benzenu;
• 38 g 40 % formalinu nebo 20 g paraformaldehydu;
• 50 g bezvodého chloridu zinečnatého (ZnCl2);
• 100 g hydrogenuhličitanu sodného (NaHCO3);
• 1 l destilované vody;
• 100 g bezvodého chloridu vápenatého (CaCl2)/síranu hořečnatého (MgSO4).

Do tříhrdlé baňky o objemu 1 litr, vybavené zpětným chladičem (s dvojitým povrchem), mechanickým míchadlem (nejlépe Hershbergova typu) a přívodní trubicí plynu sahající až ke dnu baňky, se vloží 200 g (227 ml) suchého benzenu, 20 g paraformaldehydu (lze použít také 40% formalin; Poměr je pak 200 g benzenu, 38 g 40% formalinu a 50 g práškového chloridu zinečnatého) a 20 g jemně mletého bezvodého chloridu zinečnatého. Baňku postavte na vodní lázeň tak, aby hladina vody v ní byla přibližně ve stejné výšce jako reakce. Zahřejte lázeň na 60 °C a vpusťte do ní (přes prázdnou promývací láhev) rychlý proud chlorovodíku, dokud se již neabsorbuje žádný plyn (asi 20 minut): nechte vychladnout. Reakční směs přeneste do dělící nálevky, promyjte ji postupně dvěma 50 ml dávkami studené vody, dvěma 50 ml dávkami nasyceného roztoku hydrogenuhličitanu sodného (při promývání je nutné odstranit všechny zinečnaté soli, jinak se produkt během destilace z velké části resinfikuje) a nakonec 20 ml vody. Vysušte bezvodým chloridem vápenatým nebo síranem hořečnatým a destilujte za normálního tlaku z Claisenovy baňky s frakcionačním postranním ramenem, dokud teplota nestoupne na 100-110 °C. Po mírném ochlazení destilujte za sníženého tlaku a sbírejte benzylchlorid při 63-65 °C a 12 mmHg. Výtěžek je 70 g. Vezbytku v baňce je přítomno trochu (asi 4 g) p-xylylen dichloridu, m.p. 100 °C, a malé množství difenylmethanu.

Benzylkyanid z benzylchloridu

Zařízení a sklo.

• 5l baňka s kulatým dnem;
• laboratorní teploměr (0 °C až 200 °C) s nástavcem na baňku;
• zpětný chladič;
• Vodní lázeň;
• Topná deska;
• 2 l odkapávací nálevka;
• 2 L Buchnerova baňka a nálevka Ø 25 cm (nebo Shottův filtr);
• Destilační přístroj;
• Retortový stojan a svorka pro upevnění přístroje;
• Filtrační papír;
• Běžná nálevka;
• Aspirátor s vodním paprskem;
• Laboratorní váhy (vhodné 1 - 1000 g);
• Magnetické míchadlo;
• Odměrný válec o objemu 1 l;
• 2 L x2; 500 ml x2 Kádinky.

Reagencie.

• 500 g (10 molů) kyanidu sodného (NaCN);
• 450 ml destilované vody;
• 1000 g (8 molů) benzylchloridu;
• 1300 g 95 % alkoholu (EtOH);
• 775 ml kyselina sírová aq. 50 % (H2SO4);
• 100 g hydrogenuhličitan sodný (NaHCO3);
• 100 g chloridu sodného (NaCl).

Do 5000 ml baňky s kulatým dnem, opatřené zátkou držící zpětný chladič a dělicí nálevkou, se umístí 500 g (10 molů) práškového kyanidu sodného (96-98 % čistoty) a 450 ml vody. Směs se zahřívá na vodní lázni, aby se většina kyanidu sodného rozpustila, a poté se v průběhu 30-45 minut přes odkapávací nálevku přivede 1000 g (8 molů) benzylchloridu (bp 170-180 °C) smíchaného s 1000 g 95% alkoholu. Směs se pak zahřívá pod zpětným chladičem na parní lázni po dobu čtyř hodin, ochladí se a filtruje odsáváním, aby se odstranila většina chloridu sodného. Filtrovanou sůl je vhodné propláchnout malou dávkou alkoholu, aby se odstranil případný mechanicky zadržený benzylkyanid.

Baňka se nyní opatří kondenzátorem a na parní lázni se vydestiluje co nejvíce alkoholu. Zbytková kapalina se ochladí, v případě potřeby přefiltruje a oddělí se vrstva benzylkyanidu. Tento surový benzylkyanid se nyní vloží do Claisenovy destilační baňky a destiluje se za sníženého tlaku, přičemž se nejprve přečerpá voda a alkohol a nakonec kyanid (poslední část rozpouštědel a benzylkyanid se raději destiluje ve vakuu). Je výhodné použít frakcionační kolonu. Materiál se sbírá při 135-140 °C a 38 mm Hg (115-120 °C při 10 mm Hg). Výtěžek je 740-830 g (80-90 % teoretického množství). Konečný produkt je vhodné promývat, aby se odstranil zapáchající benzylisokyanid a aby se výrazně prodloužila doba skladovatelnosti produktu. Jednou vydestilovaný benzylkyanid se po dobu pěti minut silně protřepává se stejným objemem teplé (60 °C) 50% kyseliny sírové, která se připraví přidáním 275 ml koncentrované kyseliny sírové do 500 ml vody. Benzylkyanid se oddělí a promyje stejným objemem nasyceného roztoku hydrogenuhličitanu sodného a následně stejným objemem polovičního nasyceného roztoku chloridu sodného. Poté se suší a destiluje za sníženého tlaku. Ztráty při promývání jsou zanedbatelné.

Kyselina fenyloctová z benzylkyanidu

Zařízení a sklo.

• Tříhrdlá baňka s kulatým dnem o objemu 5 l;
• mechanické míchadlo;
• zpětný chladič;
• Vodní lázeň;
• Topná deska;
• 2 l Buchnerova baňka a nálevka Ø 25 cm (nebo Shottův filtr);
• Běžná nálevka;
• Filtrační papír;
• Destilační přístroj;
• Retortový stojan a svorka pro upevnění přístroje;
• Odměrný válec o objemu 1 l;
• 2 L x2; 500 ml x2 kádinky;
• Aspirátor s vodním paprskem;
• Laboratorní váhy (vhodné 1 - 1000 g);
• Laboratorní teploměr (0 °C až 200 °C) s adaptérem na baňku;
• 2 l x2; 500 ml x2 kádinky.

Reagencie.

• 3500 ml destilované vody;
• 840 ml kyseliny sírové (H2SO4);
• 700 g (6 mol) benzylkyanidu.

V pětilitrové tříhrdlé baňce vybavené mechanickým míchadlem se smíchá 1150 ml vody, 840 ml technické kyseliny sírové a 700 g (6 mol) benzylkyanidu. Baňka se připojí ke zpětnému chladiči a zahřívá se 3 hodiny s běžícím míchadlem. Poté se obsah baňky ochladí na teplotu r.t. a následně se přelije do 2 litrů studené vody. V tomto případě se musí hmota míchat, aby se zabránilo vzniku pevného koláče. Získaná kyselina fenyloctová se odfiltruje na Buchnerově nálevce. Reakční produkt se rozpustí pod vodou a několikrát se promyje dekantací horkou vodou. Po ochlazení výplachů se získá malé množství kyseliny fenyloctové, které se odfiltruje a přidá k hlavnímu podílu látky. Horká voda z posledního proplachu se vypustí, dokud je produkt ještě roztavený. Kapalná kyselina se nalije do dvoulitrové Claisenovy baňky a destiluje se ve vakuu. Nejprve se vydestiluje malé množství vody, které se vyhodí. Poté projde asi 20 ml řezu se znatelným množstvím benzylkyanidu. Tato frakce se použije pro další syntézu. Další (třetí) frakce se destiluje při teplotě 176-189 °C (50 mm Hg); sbírá se odděleně. Po určité době stání frakce ztuhne.

Takto získaný produkt je poměrně čistá kyselina fenyloctová s m.p. 76-76,5 °C; výtěžek je 630 g (77,5 % teorie). Jelikož druhá frakce, která se použije v následné syntéze, obsahuje značné množství kyseliny fenyloctové, je celkový výtěžek produktu nejméně 80 % teoretického. Kyselina fenyloctová má nepříjemný zápach.

Kyselina fenyloctová z benzylchloridu pomocí Grignardova činidla

Zařízení a sklo.

• 250 ml baňka s kulatým dnem a třemi hrdly;
• Retortový stojan a svorka pro upevnění aparatury;
• Mechanické míchadlo s kloubem;
• 500 ml kapací nálevka s obtokem;
• zpětný chladič;
• Zkumavka na chlorid vápenatý;
• Topná deska;
• Vodní lázeň;
• ledová solná lázeň (-10 °C);
• Wolfeho baňka x2;
• Kippův přístroj nebo pevný oxid uhličitý;
• 500 ml oddělovací nálevka
• Aspirátor s vodním paprskem;
• Laboratorní váhy (vhodné 1 - 100 g);
• Filtrační papír;
• 100 ml odměrný válec;
• 500 ml x2; 100 ml x2 Kádinky;
• 1 l Buchnerova baňka a nálevka (nebo Shottův filtr).

Reagencie.

• 2,4 g hořčíkových hoblin (Mg).
• 120 ml diethyletheru.
• 12,7 g benzylchloridu.
• 200 ml kyseliny sírové (H2SO4).
• 10 g HCl (d 1,19) ve 20 ml destilované vody a 100 ml 10% kyseliny chlorovodíkové.
• 1 l destilované vody.

Do trojhrdlé baňky s kulatým dnem o objemu 250 ml, vybavené mechanickým míchadlem s kloubem, odkapávací nálevkou a zpětným chladičem s trubicí na chlorid vápenatý, se vloží 2,4 g hořčíkových hoblin, přidá se 30 ml absolutního etheru a přidají se 3-4 ml roztoku 12,7 g benzylchloridu v 50 ml absolutního etheru. Po zahájení reakce se éter zakalí a začne vřít (v případě potřeby se baňka pro zahájení reakce ponoří do lázně s teplou vodou), éterický roztok benzylchloridu se přidává po kapkách takovou rychlostí, aby éter po celou dobu klidně a rovnoměrně vřel. Po přidání veškerého benzylchloridu se směs zahřívá ve vodní lázni po dobu 1-1,5 h, dokud se hořčík zcela nerozpustí.

Baňka se silně ochladí směsí ledu a soli (-10 °C), odkapávací nálevka se nahradí plynovou trubicí a po dobu 3-4 hodin se propouští nepříliš silný proud suchého oxidu uhličitého z válce nebo Kippova přístroje, přičemž se plyn vysuší průchodem přes dvě Wolfeovy baňky s koncentrovanou kyselinou sírovou (vyšší výtěžek kyseliny fenyloctové lze získat zavedením pevného oxidu uhličitého do reakce).

Poté vyměňte plynovou trubku za odkapávací nálevku a za silného chlazení a míchání přidejte po kapkách roztok 10 g HCl (d 1,19) ve 20 ml vody. Když se reakční směs rozdělí na dvě průhledné vrstvy, přenese se obsah baňky do dělicí nálevky, dobře se protřepe a po usazení se oddělí vodná vrstva. Ta se dvakrát extrahuje etherem (po 20 ml). Spojené éterové roztoky kyseliny fenyloctové se znovu protřepou zředěným roztokem hydroxidu sodného, alkalický roztok se oddělí, okyselí 10% kyselinou chlorovodíkovou a ochladí. Získaná kyselina fenyloctová se filtruje ve vakuu, promyje studenou vodou, dobře vyždímá a rekrystalizuje z horké vody. m.p. 75 °C, výtěžek 8 g (teoreticky60 %).