Fenylazijnzuur syntheses

[G.Patton]

Inleiding

Er zijn twee effectieve routes om fenylazijnzuur te verkrijgen uit benzeenchloride. De eerste manier via benzylcyanide kan een opbrengst tot 77% opleveren. De tweede manier uit benzylchloride via Grignard-reagens beschrijft een theoretische opbrengst van 60%. Beide manieren hebben voor- en nadelen. Zo vergt de synthese van benzylcyanide veel ervaring van een chemicus omdat hij moet werken met natriumcyanide, dat erg giftig is. Aan de andere kant zijn er voor de synthese van benzylchloride via Grignard minder giftige reagentia nodig, maar chemici moeten werken met vast kooldioxide of Kipp's apparaat. Ook geeft deze methode minder opbrengst dan de eerste. Op ons forum kun je andere manieren van fenylazijnzuursynthese vinden, zoals de route vanandelzuur of benzylcyanide via alkalische hydrolyse.

Bovendien kun je in dit onderwerp gedetailleerde benzylchloridesynthese uit benzeen vinden. Tot slot wil ik alle chemici die deze synthese willen herhalen waarschuwen dat ze alle veiligheidsuitrusting moeten gebruiken, zoals chemisch glas, handschoenen, een chemische jas en een ademhalingsmasker. Voer de experimenten uit onder een uittrekbare sonde of onder een afzuigkap in een goed geventileerde ruimte.

Uiterlijk: witte vaste stof met een sterke honingachtige geur.

Kookpunt: 265,5 °C/760 mm Hg; 144,2-144,8 °C/12 mm Hg;
Smeltpunt: 76-77 °C;
Molecuulgewicht: 136,15 g/mol;
Dichtheid: 1,091 g/ml (20 °C).

Benzylchloride uit benzeen

Apparatuur en glaswerk.

• Erlenmeyer van 1 liter met drie hals;
• Laboratoriumthermometer (0 °C tot 200 °C) met kolfadapter;
• Terugvloeikoeler (dubbel oppervlak);
• Mechanische roerder;
• Gasinleidbuis;
• Waterbad;
• Verwarmingsplaat;
• HCl laboratorium generator;
• 1 L scheitrechter;
• destillatieapparatuur;
• Retortstandaard en klem om apparaat vast te zetten;
• Afzuiging met waterstraal;
• Laboratoriumweegschaal (1 - 200 g is geschikt);
• Erlenmeyers van 100 ml x2 en 200 ml x2 met stop;
• 500 ml maatcilinder.

Reagentia.

• 200 g (227 ml) Benzeen;
• 38 g formaline 40 % of 20 g paraformaldehyde;
• 50 g watervrij zinkchloride (ZnCl2);
• 100 g natriumbicarbonaat (NaHCO3);
• 1 L gedestilleerd water;
• 100 g watervrij calciumchloride (CaCl2)/magnesiumsulfaat (MgSO4).

Breng in een driehalskolf van 1 liter, voorzien van een terugvloeikoeler (dubbel oppervlak), een mechanische roerder (bij voorkeur van het type Hershberg) en een gasinleidbuis die tot dichtbij de bodem van de kolf reikt, 200 g (227 ml) droog benzeen, 20 g paraformaldehyde (er kan ook formaline van 40% worden gebruikt; De verhoudingen zijn dan 200 g benzeen, 38 g formaline 40% en 50 g verpulverd zinkchloride) en 20 g fijngemalen watervrij zinkchloride. Zet de erlenmeyer op een waterbad dat zo is geplaatst dat het niveau van het water erin zich ongeveer op dezelfde hoogte bevindt als de reactie. Verwarm het bad tot 60 °C en laat er (via een lege wasfles) een snelle stroom waterstofchloride in lopen tot er geen gas meer wordt geabsorbeerd (ongeveer 20 minuten): laat afkoelen. Breng het reactiemengsel over in een scheitrechter, was het achtereenvolgens met twee porties koud water van 50 ml, twee porties verzadigde natriumbicarbonaatoplossing van 50 ml (het is essentieel om alle zinkzouten tijdens het wassen te verwijderen, anders harsifieert het product grotendeels tijdens de destillatie) en ten slotte met 20 ml water. Droog met watervrij calciumchloride of magnesiumsulfaat en destilleer onder normale druk uit een Claisen-kolf met fractionerende zijarm tot de temperatuur stijgt tot 100-110 °C. Na iets afkoelen destilleer je onder verlaagde druk en vang je het benzylchloride op bij 63-65 °C bij 12 mmHg. De opbrengst is 70 g. Een beetje (ongeveer 4 g) p-xylyleendichloride, m.p. 100 °C, en een kleine hoeveelheid difenylmethaan zijn aanwezig in het residu in de kolf.

Benzylcyanide uit benzylchloride

Apparatuur en glaswerk.

• Rondbodemkolf van 5 liter;
• Laboratoriumthermometer (0 °C tot 200 °C) met kolfadapter;
• Terugvloeikoeler;
• Waterbad;
• Verwarmingsplaat;
• 2 L Druppeltrechter;
• Buchner-kolf van 2 liter en trechter Ø 25 cm (of Shott-filter);
• Destillatieapparatuur;
• Retortstandaard en klem om apparaat vast te zetten;
• Filtreerpapier;
• Conventionele trechter;
• Waterstraalafzuiging;
• Laboratoriumweegschaal (1 - 1000 g is geschikt);
• Magneetroerder;
• 1 L maatcilinder;
• 2 L x2; 500 ml x2 bekerglazen.

Reagentia.

• 500 g (10 mol) Natriumcyanide (NaCN);
• 450 ml Gedestilleerd water;
• 1000 g (8 mol) Benzylchloride;
• 1300 g Alcohol 95 % (EtOH);
• 775 ml Zwavelzuur aq. 50 % (H2SO4);
• 100 g Natriumbicarbonaat (NaHCO3);
• 100 g natriumchloride (NaCl).

In een rondbodemkolf van 5000 ml, voorzien van een stop die een terugvloeikoeler en een scheitrechter vasthoudt, worden 500 g (10 mol) natriumcyanide in poedervorm (96-98% zuiver) en 450 ml water gebracht. Het mengsel wordt verwarmd op een waterbad om het grootste deel van het natriumcyanide op te lossen, en dan wordt 1000 g (8 mol) benzylchloride (bp 170-180 °C) gemengd met 1000 g alcohol 95% in de loop van 30-45 minuten door de druppeltrechter geleid. Het mengsel wordt dan gedurende vier uur onder een refluxkoeler op het stoombad verhit, afgekoeld en met afzuiging gefiltreerd om het meeste natriumchloride te verwijderen. Het is goed om het gefilterde zout te wassen met een kleine hoeveelheid alcohol om eventueel mechanisch vastgehouden benzylcyanide te verwijderen.

De erlenmeyer wordt nu voorzien van een condensor en er wordt zoveel mogelijk alcohol gedestilleerd op het stoombad. De achtergebleven vloeistof wordt afgekoeld, indien nodig gefilterd en de laag benzylcyanide wordt afgescheiden. Dit ruwe benzylcyanide wordt nu in een Claisen-distillatiekolf gedaan en onder verminderde druk gedestilleerd, waarbij eerst het water en de alcohol overvloeien en ten slotte het cyanide (het laatste deel van de oplosmiddelen en het benzylcyanide worden bij voorkeur onder vacuüm gedestilleerd). Het is voordelig om een fractionerende kolom te gebruiken. Het materiaal wordt opgevangen bij 135-140 °C bij 38 mm Hg (115-120 °C bij 10 mm Hg). De opbrengst is 740-830 g (80-90% van de theoretische hoeveelheid). Het eindproduct wordt bij voorkeur gewassen om vies ruikende benzylisocyanide te verwijderen en de houdbaarheid van het product aanzienlijk te verlengen. Het eenmaal gedestilleerde benzylcyanide wordt gedurende vijf minuten krachtig geschud met een gelijke hoeveelheid warm (60 °C) 50% zwavelzuur, bereid door 275 ml geconcentreerd zwavelzuur toe te voegen aan 500 ml water. Het benzylcyanide wordt afgescheiden en gewassen met een gelijk volume verzadigde natriumbicarbonaatoplossing, gevolgd door een gelijk volume halfverzadigde natriumchlorideoplossing. Vervolgens wordt het gedroogd en onder verminderde druk gedestilleerd. Het verlies bij het wassen is verwaarloosbaar.

Fenylazijnzuur uit benzylcyanide

Apparatuur en glaswerk.

• 5 L Rondbodemkolf met drie hals;
• Mechanische roerder;
• Terugvloeikoeler;
• Waterbad;
• Verwarmingsplaat;
• Buchner-kolf van 2 l en trechter Ø 25 cm (of Shott-filter);
• Conventionele trechter;
• filtreerpapier;
• Destillatieapparatuur;
• Retortstandaard en klem om apparaat vast te zetten;
• 1 L Maatcilinder;
• 2 L x2; 500 ml x2 bekerglazen;
• Waterstraalafzuiging;
• Laboratoriumweegschaal (1 - 1000 g is geschikt);
• Laboratoriumthermometer (0 °C tot 200 °C) met kolfadapter;
• 2 l x2; 500 ml x2 bekerglazen.

Reagentia.

• 3500 ml Gedestilleerd water;
• 840 ml Zwavelzuur conc. (H2SO4);
• 700 g (6 mol) benzylcyanide.

1150 ml water, 840 ml technisch zwavelzuur en 700 g (6 mol) benzylcyanide worden gemengd in een 5-liter erlenmeyer met drie hals, voorzien van een mechanische roerder. De erlenmeyer wordt aangesloten op een terugvloeikoeler en gedurende 3 uur verwarmd terwijl de roerder draait. Daarna wordt de inhoud van de erlenmeyer afgekoeld tot kamertemperatuur en vervolgens in 2 liter koud water gegoten. In dit geval moet de massa geroerd worden om de vorming van een vaste koek te voorkomen. Het verkregen fenylazijnzuur wordt afgefiltreerd op een Buchnertrechter. Het reactieproduct wordt onder water gesmolten en door decanteren verschillende keren met heet water gewassen. Na afkoeling van de spoelingen wordt een kleine hoeveelheid fenylazijnzuur verkregen, die wordt afgefiltreerd en toegevoegd aan de hoofdmassa van de stof. Het hete water van de laatste spoeling wordt afgetapt terwijl het product nog gesmolten is. Het vloeibare zuur wordt in een 2-liter Claisen-kolf gegoten en onder vacuüm gedestilleerd. Eerst wordt een kleine hoeveelheid water gedestilleerd en weggegooid. Vervolgens komt er ongeveer 20 ml snede langs met een merkbare hoeveelheid benzylcyanide. Deze fractie wordt gebruikt voor de volgende synthese. De volgende (derde) fractie wordt gedestilleerd bij een temperatuur van 176-189 °C (50 mm Hg); deze wordt apart opgevangen. Na enige tijd stolt de fractie.

Het verkregen product is dus een vrij zuiver fenylazijnzuur met een m.p. van 76-76,5 °C; de opbrengst is 630 g (77,5% van de theorie). Aangezien de tweede fractie, die in de daaropvolgende synthese wordt gebruikt, een aanzienlijke hoeveelheid fenylazijnzuur bevat, is de totale productopbrengst ten minste 80% van de theoretische. Fenylazijnzuur heeft een onaangename geur.

Fenylazijnzuur uit benzylchloride via Grignard-reagens

Apparatuur en glaswerk.

• Rondbodemkolf van 250 ml met drie hals;
• Retortstandaard en klem om apparaat vast te zetten;
• Mechanische roerder met scharnier;
• 500 ml druppeltrechter met bypass;
• Terugvloeikoeler;
• Calciumchloridebuis;
• Verwarmingsplaat;
• Waterbad;
• Ijszoutbad (-10 °C);
• Wolfe's kolf x2;
• Kipp's apparaat of vast kooldioxide;
• 500 ml scheitrechter
• Afzuiging met waterstraal;
• Laboratoriumweegschaal (1 - 100 g is geschikt);
• Filtreerpapier;
• 100 ml Maatcilinder;
• 500 ml x2; 100 ml x2 Bekerglazen;
• Buchner-kolf van 1 L en trechter (of Shott-filter).

Reagentia.

• 2,4 g Magnesiumschaafsel (Mg).
• 120 ml Diethylether.
• 12,7 g Benzylchloride.
• 200 ml zwavelzuur conc. (H2SO4).
• 10 g HCl (d 1.19) in 20 ml gedestilleerd water en 100 ml 10% zoutzuur.
• 1 L gedestilleerd water.

Doe in een rondbodemkolf van 250 ml met drie hals, voorzien van een mechanische roerder met een scharnier, een druppeltrechter en een refluxkoeler met een calciumchloridebuis, 2,4 g magnesiumschilfers, voeg 30 ml absolute ether toe en voeg 3-4 ml van een oplossing van 12,7 g benzylchloride in 50 ml absolute ether toe. Nadat de reactie is begonnen, de ether troebel wordt en kookt (indien nodig, om de reactie op gang te brengen, wordt de kolf in een bad met warm water gedompeld), wordt druppelsgewijs een etherische oplossing van benzylchloride toegevoegd met een zodanige snelheid dat de ether de hele tijd rustig en gelijkmatig kookt. Nadat al het benzylchloride is toegevoegd, wordt het mengsel gedurende 1-1,5 uur in een waterbad verwarmd totdat het magnesium volledig is opgelost.

Koel de kolf sterk af met een mengsel van ijs en zout (-10 °C), vervang de druppeltrechter door een gaspijp en laat gedurende 3-4 uur een niet te sterke stroom droog kooldioxide uit een cilinder of Kipp's apparaat lopen, waarbij het gas wordt gedroogd door het door twee Wolfe's Flasks met geconcentreerd zwavelzuur te leiden (je kunt een hogere opbrengst aan fenylazijnzuur krijgen door vast kooldioxide in de reactie te brengen).

Vervang vervolgens de gasleiding door een druppeltrechter en voeg onder sterk koelen en roeren druppelsgewijs een oplossing van 10 g HCl (d 1.19) in 20 ml water toe. Wanneer het reactiemengsel in twee transparante lagen is verdeeld, wordt de inhoud van de kolf overgebracht in een scheitrechter, goed geschud en na bezinken de waterige laag gescheiden. Deze wordt tweemaal geëxtraheerd met ether (porties van 20 ml). De gecombineerde etheroplossingen van fenylazijnzuur worden opnieuw geschud met een verdunde natriumhydroxideoplossing, de alkalische oplossing wordt afgescheiden, aangezuurd met 10% zoutzuur en afgekoeld. Het verkregen fenylazijnzuur wordt gefiltreerd onder vacuüm, gewassen met koud water, goed uitgewrongen en geherkristalliseerd uit heet water. m.p. 75 °C, opbrengst 8 g (60% theoretisch).