Síntesis del ácido fenilacético

[G.Patton]

Introducción

Existen dos rutas eficaces para obtener ácido fenilacético a partir de cloruro de benceno. La primera vía a partir de cianuro de bencilo permite obtener hasta un 77% de rendimiento. La segunda vía a partir de cloruro de bencilo mediante el reactivo de Grignard describe un rendimiento teórico del 60%. Ambas formas tienen algunas ventajas y desventajas. Por ejemplo, la síntesis del cianuro de bencilo requiere mucha experiencia por parte del químico, ya que tiene que trabajar con cianuro de sodio, que es muy tóxico. Por otro lado, la síntesis a partir de cloruro de bencilo mediante el reactivo de Grignard requiere menos reactivos tóxicos, pero el químico tiene que trabajar con dióxido de carbono sólido o con el aparato de Kipp. Además, este método da menos rendimiento que el primero. En nuestro foro puedes encontrar otras formas de síntesis del ácido fenilacético como la ruta a partir del ácido mandélico o elcianuro de bencilo mediante hidrólisis alcalina.

Además, en este tema puedes encontrar detallada la síntesis del cloruro de bencilo a partir del benceno. Al final, quiero advertir a cualquier químico, que quiera repetir esta síntesis, que tiene que usar todo el equipo de seguridad como cristal químico, guantes, bata química y máscara respiratoria. Realice los experimentos bajo sonda de extracción o bajo campana extractora en locales bien ventilados.

Aspecto: sólido blanco con un fuerte olor a miel.

Punto de ebullición: 265,5 °C/760 mm Hg; 144,2-144,8 °C/12 mm Hg;
Punto de fusión: 76-77 °C;
Peso molecular: 136,15 g/mol;
Densidad: 1,091 g/ml (20 °C).

Cloruro de bencilo a partir de benceno

Equipo y cristalería.

• Matraz de tres bocas de 1 L;
• Termómetro de laboratorio (0 °C a 200 °C) con adaptador de matraz;
• Condensador de reflujo (doble superficie);
• Agitador mecánico;
• Tubo de entrada de gas;
• Baño maría;
• Placa calefactora;
• Generador de laboratorio deHCl;
• Embudo separador de 1 L;
• Aparatode destilación;
• Soporte de retorta y abrazadera para fijar el aparato;
• Aspirador de chorro de agua;
• Balanza de laboratorio (adecuada de 1 a 200 g);
• Matraces Erlenmeyer de 100 ml x2 y 200 ml x2 con tapón;
• Cilindro graduado de 500 ml.

Reactivos.

• 200 g (227 ml) de benceno;
• 38 g de Formalina al 40 % o 20 g de paraformaldehído;
• 50 g de cloruro de cinc anhidro (ZnCl2);
• 100 g de Bicarbonato sódico (NaHCO3);
• 1 L de agua destilada;
• 100 g de cloruro de calcio anhidro (CaCl2)/sulfato de magnesio (MgSO4).

En un matraz de tres bocas de 1 litro, equipado con un condensador de reflujo (de doble superficie), un agitador mecánico (preferiblemente del tipo Hershberg) y un tubo de entrada de gas que se extienda hasta cerca del fondo del matraz, se introducen 200 g (227 ml) de benceno seco, 20 g de paraformaldehído (también puede utilizarse formalina al 40%; las proporciones son entonces 200 g de benceno, 38 g de formol al 40% y 50 g de cloruro de cinc pulverizado) y 20 g de cloruro de cinc anhidro finamente pulverizado. Apoyar el matraz sobre un baño de agua dispuesto de tal manera que el nivel del agua en su interior esté aproximadamente a la misma altura que la reacción. Calentar el baño a 60 °C y hacer pasar (a través de un frasco lavador vacío) una corriente rápida de cloruro de hidrógeno hasta que no se absorba más gas (unos 20 minutos): dejar enfriar. Pasar la mezcla de reacción a un embudo de decantación, lavarla sucesivamente con dos porciones de 50 ml de agua fría, dos porciones de 50 ml de solución saturada de bicarbonato sódico (es esencial eliminar todas las sales de cinc en el proceso de lavado, de lo contrario el producto se resinifica en gran medida durante la destilación) y finalmente con 20 ml de agua. Secar con cloruro cálcico anhidro o sulfato magnésico y destilar a presión normal en un matraz de Claisen con brazo lateral fraccionador hasta que la temperatura alcance los 100-110 °C. Después de enfriar un poco, destilar a presión reducida y recoger el cloruro de bencilo a 63-65 °C a 12 mmHg. Elrendimiento es de 70 g. En el residuo del matraz hay algo (unos 4 g) de dicloruro de p-xilileno, p.m. 100 °C, y una pequeña cantidad de difenilmetano.

Cianuro de bencilo a partir de cloruro de bencilo

Equipo y material de vidrio

• Matraz de fondo redondo de 5 L;
• Termómetro de laboratorio (0 °C a 200 °C) con adaptador de matraz;
• Condensador de reflujo;
• Baño maría;
• Placa calefactora;
• Embudo de goteo de 2 L;
• Matraz Buchner de 2 L y embudo Ø 25 cm (o filtro Shott);
• Aparato de destilación;
• Soporte de retorta y abrazadera para fijar el aparato;
• Papel de filtro;
• Embudo convencional;
• Aspirador de chorro de agua;
• Balanza de laboratorio (1 - 1000 g es adecuada);
• Agitador magnético;
• Cilindro de medición de 1 L;
• Vasos de precipitados de 2 L x2; 500 ml x2.

Reactivos.

• 500 g (10 moles) de cianuro sódico (NaCN);
• 450 ml Agua destilada;
• 1000 g (8 moles) Cloruro de bencilo;
• 1300 g Alcohol 95 % (EtOH);
• 775 ml Ácido sulfúrico al 50 % (H2SO4);
• 100 g Bicarbonato sódico (NaHCO3);
• 100 g de cloruro sódico (NaCl).

En un matraz de fondo redondo de 5000 ml, provisto de un tapón que sujeta un refrigerante de reflujo y un embudo de decantación, se colocan 500 g (10 moles) de cianuro sódico en polvo (96-98% de pureza) y 450 ml de agua. La mezcla se calienta en un baño de agua para disolver la mayor parte del cianuro sódico y, a continuación, se pasan por el embudo de goteo 1000 g (8 moles) de cloruro de bencilo (pb 170-180 °C) mezclado con 1000 g de alcohol al 95% en el transcurso de 30-45 minutos. A continuación, la mezcla se calienta bajo un condensador de reflujo en el baño de vapor durante cuatro horas, se enfría y se filtra con succión para eliminar la mayor parte del cloruro sódico. Es conveniente lavar la sal filtrada con una pequeña porción de alcohol para eliminar el cianuro de bencilo que pueda haber quedado retenido mecánicamente.

Ahora se coloca un condensador en el matraz y se destila todo el alcohol posible en el baño de vapor. El líquido residual se enfría, se filtra si es necesario y se separa la capa de cianuro de bencilo. Este cianuro de bencilo en bruto se coloca ahora en un matraz de destilación de Claisen y se destila a presión reducida, pasando primero el agua y el alcohol y, por último, el cianuro (es preferible destilar la última parte de los disolventes y el cianuro de bencilo al vacío). Es ventajoso utilizar una columna de fraccionamiento. El material se recoge a 135-140 °C a 38 mm Hg (115-120 °C a 10 mm Hg). El rendimiento es de 740-830 g (80-90% de la cantidad teórica). Es preferible lavar el producto final para eliminar el isocianuro de bencilo maloliente y alargar significativamente la vida útil del producto. El cianuro de bencilo una vez destilado se agita enérgicamente durante cinco minutos con un volumen igual de ácido sulfúrico al 50% caliente (60 °C), preparado añadiendo 275 ml de ácido sulfúrico concentrado a 500 ml de agua. El cianuro de bencilo se separa y se lava con un volumen igual de solución saturada de bicarbonato sódico seguida de un volumen igual de solución semisaturada de cloruro sódico. A continuación se seca y se destila a presión reducida. La pérdida en los lavados es insignificante.

Ácido fenilacético a partir de cianuro de bencilo

Equipo y material de vidrio

• Matraz de fondo redondo de tres bocas de 5 L;
• Agitador mecánico;
• Condensador de reflujo;
• Baño de agua;
• Placa calefactora;
• Matraz Buchner de 2 l y embudo Ø 25 cm (o filtro de Shott);
• Embudo convencional;
• Papel de filtro;
• Aparato de destilación;
• Soporte de retorta y abrazadera para fijar el aparato;
• Cilindro graduado de 1 L;
• Vasos de precipitados de 2 L x2; 500 ml x2;
• Aspirador de chorro de agua;
• Balanza de laboratorio (1 - 1000 g es adecuada);
• Termómetro de laboratorio (0 °C a 200 °C) con adaptador para matraz;
• Vasos de precipitados de 2 l x2; 500 ml x2.

Reactivos.

• 3500 ml Agua destilada;
• 840 ml Ácido sulfúrico conc. (H2SO4);
• 700 g (6 mol) de cianuro de bencilo.

Se mezclan 1150 ml de agua, 840 ml de ácido sulfúrico técnico y 700 g (6 mol) de cianuro de bencilo en un matraz de tres bocas de 5 litros equipado con un agitador mecánico. El matraz se conecta a un refrigerante de reflujo y se calienta durante 3 horas con el agitador en marcha. A continuación, el contenido del matraz se enfría a temperatura ambiente y se vierte en 2 litros de agua fría. En este caso, hay que agitar la masa para evitar la formación de una torta sólida. El ácido fenilacético obtenido se filtra en un embudo Buchner. El producto de reacción se funde bajo el agua y se lava por decantación varias veces con agua caliente. Tras enfriar los lavados, se obtiene una pequeña cantidad de ácido fenilacético, que se filtra y se añade a la parte principal de la sustancia. El agua caliente del último lavado se escurre mientras el producto aún está fundido. El ácido líquido se vierte en un matraz de Claisen de 2 litros y se destila al vacío. En primer lugar, se destila una pequeña cantidad de agua y se desecha. A continuación, pasan unos 20 ml de corte con una cantidad apreciable de cianuro de bencilo. Esta fracción se utiliza para la siguiente síntesis. La siguiente (tercera) fracción se destila a una temperatura de 176-189 °C (50 mm Hg); se recoge por separado. Tras un tiempo de reposo, la fracción se solidifica.

Así, el producto obtenido es un ácido fenilacético bastante puro con p.m. 76-76,5 °C; el rendimiento es de 630 g (77,5% de la teoría). Dado que la segunda fracción, que se utiliza en la síntesis posterior, contiene una cantidad significativa de ácido fenilacético, el rendimiento global del producto es de al menos el 80% del teórico. El ácido fenilacéticotiene un olor desagradable.

Ácidofenilacético a partir de cloruro de bencilo mediante el reactivo de Grignard

Equipo y material de vidrio

• Matraz de fondo redondo de tres bocas de 250 ml;
• Soporte de retorta y abrazadera para fijar el aparato;
• Agitador mecánico con articulación;
• Embudo de goteo de 500 ml con derivación;
• Condensador de reflujo;
• Tubo de cloruro cálcico;
• Placa calefactora;
• Baño de agua;
• Baño de sal helada (-10 °C);
• Matraz de Wolfe x2;
• Aparato de Kipp o dióxido de carbono sólido;
• Embudo de decantación de 500 ml
• Aspirador de chorro de agua;
• Balanza de laboratorio (1 - 100 g es adecuada);
• Papel de filtro;
• Cilindro graduado de 100 ml;
• 500 ml x2; 100 ml x2 Vasos de precipitados;
• Matraz Buchner de 1 L y embudo (o filtro de Shott).

Reactivos.

• 2,4 g Virutas de magnesio (Mg).
• 120 ml Éter dietílico.
• 12,7 g de cloruro de bencilo.
• 200 mlÁcido sulfúrico conc. (H2SO4).
• 10 g deHCl (d 1,19) en 20 ml de agua destilada y 100 ml de ácido clorhídrico al 10%.
• 1 L de agua destilada.

En un matraz de tres bocas y fondo redondo de 250 ml, equipado con un agitador mecánico con articulación, un embudo de goteo y un refrigerante de reflujo con un tubo de cloruro cálcico, se colocan 2,4 g de virutas de magnesio, se añaden 30 ml de éter absoluto y se añaden 3-4 ml de una solución de 12,7 g de cloruro de bencilo en 50 ml de éter absoluto. Una vez iniciada la reacción, el éter se enturbia y hierve (si es necesario, para iniciar la reacción, se sumerge el matraz en un baño con agua caliente), se añade gota a gota una solución etérea de cloruro de bencilo a un ritmo tal que el éter hierva todo el tiempo de forma tranquila y uniforme. Unavez añadido todo el cloruro de bencilo, se calienta la mezcla en un baño de agua durante 1-1,5 h hasta que el magnesio se disuelva por completo.

Enfriar fuertemente el matraz con una mezcla de hielo y sal (-10 °C), sustituir el embudo de goteo por un tubo de gas y pasar durante 3-4 horas una corriente no demasiado fuerte de dióxido de carbono seco procedente de una botella o del aparato de Kipp, secando el gas pasándolo por dos matraces de Wolfe con ácido sulfúrico concentrado (se puede obtener un mayor rendimiento de ácido fenilacético introduciendo dióxido de carbono sólido en la reacción).

A continuación, sustituya el tubo de gas por un embudo de goteo y, con fuerte enfriamiento y agitación, añada gota a gota una solución de 10 g de HCl (d 1,19) en 20 ml de agua. Cuando la mezcla de reacción se divide en dos capas transparentes, el contenido del matraz se transfiere a un embudo de decantación, se agita bien y, tras sedimentar, se separa la capa acuosa. Esta última se extrae dos veces con éter (porciones de 20 ml). Las soluciones combinadas de éter de ácido fenilacético se agitan de nuevo con una solución diluida de hidróxido sódico, se separa la solución alcalina, se acidifica con ácido clorhídrico al 10% y se enfría. El ácidofenilacético obtenido se filtra al vacío, se lava con agua fría, se escurre bien y se recristaliza a partir de agua caliente. p.m. 75 °C, rendimiento 8 g (60% teórico).