Realismus im organisch-chemischen Praktikum

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Das Chemiestudium beginnt in Vorlesungen, Übungen und Praktika mit den grundlegenden Konzepten und Arbeitsweisen der Chemie. Die im organisch-chemischen Grundpraktikum durchgeführten Synthesen sollen den Studierenden die wichtigsten Reaktionen demonstrieren und liefern in der Regel ein einziges Produkt; ein klassisches Beispiel dafür ist die Synthese von Aspirin aus Salicylsäure. Während solche Übungssynthesen eine gute Einführung in die organische Synthese bieten, erlauben sie keinen Einblick in das, was die Studierenden in ihren Abschlussarbeiten oder nach dem Chemiestudium im Forschungslabor erwartet. Denn außerhalb des OC-Grundpraktikums führen durchgeführte Reaktioen häufig zu Produktmischungen. Die im organisch-chemischen Fortgeschrittenen-Praktikum durchgeführten Synthesen sind zwar bereits komplexer stellen Studierende aber nicht vor die Herausvorderung ein „unbekanntes“ Produktgemisch zu trennen und zu analysieren.

Didaktische Ansätze

Um Studierenden den Forschungsalltag näher zu bringen existieren verschiedene didaktische Ansätze. Im Folgenden wollen wir Dir den Vorschlag von Miao et al. näher bringen (später – also im Laufe des Aufbaus dieses Wikis – sollen dann noch weitere Konzepte folgen).

Miao et al. suchten nach einer Reaktion, die Chemiestudierende im organisch-chemsichen Praktikum näher an den „echten“ bzw. „wahren“ Laboralltag heranführt. Es wurde eine Reaktion gewählt, die drei Produkte hervorbringt, die durch Säulenchromatographie getrennt und dann durch die Studierenden mittels NMR-Spektroskopie charakterisiert werden können. [a]

Da in silico die Modellierung ein alltägliches Arbeitsmittel in der (organischen) Chemie ist, besteht zudem die Möglichkeit im Anschluss an die Synthese die Möglichkeit die Spektren rechnerisch zu simulieren, um die strukturellen Zuordnungen zu bestätigen. [a]

Miao et al. wählten für ihre Chemiestudierenden die Aryl-Aryl-Kupplung zwischen Pyridin und einem Aryldiazoniumsalz. [1, a] Diese Reaktion wurde bereits 1893 beschrieben: Pyridin reagiert durch die Zugabe von festem Benzoldiazoniumchlorid (vgl. [3]) in einer exothermen Reaktion zu einem Gemisch isomerer Arylpyridine in „guter“ Ausbeute. [b]

Syntheseschema von 2-(4-Methoxyphenyl)pyridin (2-MPP), 3-(4-Methoxyphenyl)pyridin (3-MPP), and 4-(4-Methoxyphenyl)pyridin (4-MPP) .
Syntheseschema von 2-(4-Methoxyphenyl)pyridin (2-MPP), 3-(4-Methoxyphenyl)pyridin (3-MPP), and 4-(4-Methoxyphenyl)pyridin (4-MPP) . [a]

Haworth et al. publizierten 1940 einen Mechanismus der Reaktion. [c]

Durchführung

Die Reaktion von diazotiertem p-Anisidin mit Pyridin

Zu den allgemeinen Sicherheitshinweisen vgl. [2]. [a]

  1. 0,30 g (2,7 mmol) p-Anisidin werden vorgelegt.
  2. Eine Mischung aus 1 mL konzentrierter Salzsäure und 2 mL Wasser werden unter Rühren zugegeben, bis sich der Feststoff aufgelöst hat.
  3. 0,18 g (2,6 mmol) Natriumnitrit wird in 1 mL Wasser gelöst, die Lösung wird anschließend im Eisbad gekühlt.
  4. Die kalte Natriumnitritlösung wird langsam und unter Rühren in die kalte p-Anisidinlösung getropft, anschließend wird noch 5 Minuten gerührt.
  5. Das entstandene Diazoniumsalz wird innerhalb von 15 Minuten in 10 mL Pyridin eingetropft. Die Reaktionslösung ist währenddessen auf einer Temperatur von 80 °C zu halten.
  6. Die Reaktionsmischung wird weitere 20 Minuten bei 80°C gerührt und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt.
  7. 20 ml 1 M NaOH Lösung wird dem Reaktionsgemisch zugegeben.
  8. Das Produkt wird drei Mal mit 20 ml Ether extrahiert.
  9. Die organische Pahse wurd mit Wasser gewaschen und über Natriumsulfat getrocknet und anschließend filtriert. (Das Trockenmittel sollte ebenfalls mit trockenem Ether gewaschen werden)
  10. Die Reaktionslösung wird im Rotationsverdampfer bis zur Trockne einrotieren.
  11. Rohproduktausbeute bestimmen.

Dünnschichtchromatographie

Dünnschichtchromatographie
Dünnschichtchromatographie.

Eine kleine Spatelspitze des Rohprodukts (ca. 5 mg) wird in 0,1 ml Toluol gelöst. Die

entstandene Lösung wird auf eine Kieselgel-DC-Platte aufgetragen und die Platte unter Verwendung von Ethylacetat als Elutionsmittel entwickelt. [a]

Die Produkte absorbieren stark unter UV-Licht und zeigen unterschiedliche Fluoreszenzgrade. Bei diesem Experiment könnten ebenfalls die UV-Absorptions- als auch die Fluoreszenzspektren gemessen werden. [a]

Säulenchromatographie

Eine Chromatographiesäule wird mit ca. 50 g Kieselgel gepackt, Essigsäureethylester (EE) dient als Laufmittel. Das Rohprodukt muss in einem kleinen Volumen des Laufmittels gelöst werden, anschließend kann die Säulenchromatographie durchgeführt werden. [a]

Am Ende können die einzelnen Produkte durch Eindampfen der Fraktionen erhalten werden.

Nicht vergessen: Ausbeute bestimmen 😉

Weiteres Vorgehen

1H-NMR-Zuordnungen (rot) und die Differenz der chemischen Verschiebung der Produkt-Signale im Vergleich zum Pyridin (blau).
Spoiler Alarm: 1H-NMR-Zuordnungen (rot) und die Differenz der chemischen Verschiebung der Produkt-Signale im Vergleich zum Pyridin (blau). [a]

Die Produkte können mittels NMR-Spektroskopie analysiert werden. [a]

DIe Verifizierung der Zuordnung kann durch theoretische Berechnungen erfolgen. Dazu werden die möglichen Strukturen auf B3LYP-Niveau mit dem Basissatz 6-31+G(d, p) optimiert. Anschließend erfolgt die Berechnung des theoretischen NMR-Spektrums in Chloroform (MPW1PW91, 6-311+G(2d,p), Chloroform). [a]

Für die theoretischen Berechnungen kann kommerzielle Software verwendet werden (z. B. Gaussian-09), aber auch das kostenfreie Programm GAMESS (General Atomic and Molecular Electronic Structure System) ermöglicht die Berechnungen. [a]


Die Reaktion ist nicht katalysiert und zeigt eine geringe Selektivität, was zur Produktion aller drei Regioisomere führt. Obwohl dies aus synthetischer Sicht nachteilig ist, kann dies zu demonstrationszwecken ideal sein. Das experimentelle Vorgehen ist unkompliziert und die drei Produkte können durch Kieselgel getrennt werden.

Anmerkungen und weitere Informationen

[1] Die Verwendung von p-Anisidinderivate liefert Produkte mit starken UV-Signaturen.

[2] Beim Umgang mit allen Chemikalien sind die üblichen Vorsichtsmaßnahmen zu beachten. Die Studierenden müssen ihre PSA (persönliche Schutzausrüstung) tragen, einschließlich Laborkittel, Handschuhe und Schutzbrille. Alle Arbeiten sollten in einem Abzug durchgeführt werden. Pyridin ist entflammbar und weißt einen unangenehmen Geruch auf. p-Anisidin ist giftig. Salzsäure ist flüchtig und ätzend. Ether und Ethylacetat sind brennbar. CDCl3 ist flüchtig, giftig und krebserregend. [a]
Die Arylpyridinprodukte sind kristalline Feststoffe, die nicht auf Sicherheitsrisiken untersucht wurden, aber als potentiell gefährlich behandelt werden sollten. [a]

[3] Diese Reaktion ist unter dem Namen Diazotierung bekannt: Es reagieren z.B. Anilin mit Natriumnitrit in Gegenwart von zum Beispiel Salzsäure oder mit Salpetriger Säure zum Benzoldiazoniumchlorid:

Diazotierung: Es reagiert Anilin mit Natriumnitrit in Gegenwart von zum Beispiel Salzsäure oder mit Salpetriger Säure zum Benzoldiazoniumchlorid
Diazotierung: Es reagiert Anilin mit Natriumnitrit in Gegenwart von zum Beispiel Salzsäure oder mit Salpetriger Säure zum Benzoldiazoniumchlorid. Abb. ist gemeinfrei.

NMR-Daten der Produkte

2-(4-Methoxyphenyl)pyridine(2-MPP)

1H-NMR (600 MHz, CDCl3) δ 8.64 (d, J= 4.8Hz, 1H), 7.95 (d, J= 8.2Hz, 2H), 7.68 (dd, J= 7.6, 7.3Hz, 1H), 7.64 (d, J= 8.0Hz, 1H), 7.15 (dd, J= 6.8, 5.4Hz, 1H), 6.99 (d, J= 8.5Hz, 2H), 3.84 (s, 3H).

3-(4-Methoxyphenyl)pyridine (3-MPP)

1H-NMR (600 MHz, CDCl3) δ 8.81 (s, 1H), 8.54 (d, J= 4.6 Hz, 1H), 7.82 (d, J= 7.8 Hz, 1H), 7.51 (d, J= 8.6 Hz, 2H), 7.32 (dd, J= 7.8, 4.8 Hz, 1H), 7.01 (d, J= 8.6 Hz, 2H), 3.85 (s, 3H).

4-(4-Methoxyphenyl)pyridine (4-MPP)

1H-NMR (600 MHz, CDCl3) δ 8.61 (d, J= 5.1 Hz, 2H), 7.60 (d, J= 8.6 Hz, 2H), 7.47 (d, J= 5.4 Hz, 2H), 7.01 (d, J= 8.6 Hz, 2H), 3.86 (s, 3H).

Verweise

Anweisungen für die Laborpraktikanten.

Anweisungen für die Lehrenden.

Einzelnachweise

[a] Haoqian Miao, Andrew L. Otsuki, Joseph O. Beckett, and Mark Mascal. Demonstrating More Realistic Research Outcomes to Undergraduates in the Organic Teaching Lab: Separation of Product Mixtures, Structure Analysis, and Mechanistic Inquiry. Journal of Chemical Education. Article ASAP. DOI: 10.1021/acs.jchemed.9b00760

[b] Möhlau, R.; Berger, R. Über die Einführung der Phenylgruppe in cyclische Verbindungen mittels Diazobenzol. Ber. Dtsch. Chem. Ges.1893, 26, 1994−2004

[c] Haworth, J. W.; Heilbron, I. M.; Hey, D. H. Arylpyridines. PartI. Phenylpyridines and Nitrophenylpyridines. J. Chem. Soc.1940, 349−355.