5004 Acetalização catalisada por ácido de 3-nitrobenzaldeído ao correspondente 1,3-dioxolano com etanodiol

Transcrição

1 5004 Acetalização catalisada por ácido de 3-nitrobenzaldeído ao correspondente 1,3-dioxolano com etanodiol H O O O NO 2 + HO HO 4-toluenesulfonic acid + NO 2 O H 2 C 7 H 5 NO 3 C 2 H 6 O 2 C 7 H 8 O 3 S. H 2 O C 9 H 9 NO 4 (151.1) (62.1) (190.2) (195.2) Classificação Tipos de reações e classes das substâncias reação do grupo carbonila em aldeídos, acetalização aldeído, acetal, álcool, grupo protetor, catalisador ácido Técnicas de trabalho reação assistida por micro-ondas, agitação com barra de agitação magnética, aquecimento sob refluxo, destilação, introdução de gás, agitação, extração, evaporação com rotaevaporador, filtração, recristalização Instruções (escala em batelada de 100 mmol) Materiais sistema de aquecimento com micro-ondas ETHOS 1600, frasco de 100 ml com três bocas sistema de destilação, frasco de 100 ml de fundo redondo, contador de bolhas, adaptador com junta esmerilhada e acoplamento para mangueira, frasco de 250 ml com duas bocas, condensador de refluxo, frasco de 250 ml de fundo redondo, agitador magnético com barra de agitação magnética, rotaevaporador, frasco para sucção, filtro para sucção, funil de separação, dessecador, torre de conexão de vidro (NS 29, 40 cm) Substâncias de Partida 3-Nitrobenzaldeído (pf 58 C; produto de 1003) 15,1 g (100 mmol) Etanodiol (pe 198 C) 9,32 g (4,23 ml, 150 mmol) Ácido p-toluenosulfônico monohidratado (pf C) 1,0 g (5,3 mmol) Éter metil terc-butílico (pe 55 C) 240 ml Éter de petróleo (pe C) 70 ml Sulfato de sódio para secagem 15 g 1

2 Hidrogenossulfito de sódio cerca de 13 g (para 20 ml de solução saturada aquosa de NaHSO 3 ) Reação Para o arranjo do sistema reacional no micro-ondas, observar: Instruções técnicas. Sistemas de refluxo padrão para micro-ondas ( Technical instructions. Standard refluxing apparatus for microwave systems ). O sistema utilizado, comparado ao sistema para refluxo padrão, é ligeiramente modificado: um frasco de fundo redondo com três bocas é usado no lugar de um frasco de fundo redondo com duas bocas, e o condensador de refluxo é substituído por uma torre de destilação com um frasco coletor de fundo redondo. Um sensor de temperatura é colocado em uma das bocas laterais do frasco. Na segunda entrada, um tubo de PTFE é conectado via um adaptador de vidro de junta esmerilhada. Este tubo passa por uma abertura no sistema de micro-ondas e é conectado a um contador de bolhas e a uma válvula interruptora que é conectada a linha para pressão de ar ou de nitrogênio. O fluxo da água de resfriamento na torre de destilação pode ser reduzida a um mínimo durante o curso do experimento. A válvula interruptora é fechado para iniciá-lo. Figura 1: frasco de fundo redondo com três bocas com entrada de gás e sensor de temperatura Figura 2: torre de destilação no tubo de conexão de vidro Em um frasco de 100 ml de fundo redondo com três bocas equipado com uma barra de agitação ou agitador cruzado são colocados 15,1 g (100 mmol) de 3-nitrobenzaldeído, 9,32 g 2

3 (4,23 ml, 150 mmol) de etanodiol e 1,0 g (5,3 mmol) de ácido p-toluenosulfônico monohidratado. A mistura reacional é irradiada por 50 minutos a 900 W na temperatura de 130 C. A válvula interruptora permanece fechado durante os primeiros 25 minutos. Então, um fraco refluxo é estabelecido. Os componentes voláteis da mistura reacional são principalmente água e etanodiol. Como a absorção de micro-ondas em fase gasosa é muito menos que na fase líquida, nem a água nem o etanodiol são destilados fora do sistema. Após 25 minutos de reação sob refluxo enquanto o programa de micro-ondas segue, um fluxo de ar ou nitrogênio é introduzido a um fluxo que não se forme uma bolha única visível no contador (5 L/h se um medidor de fluxo estiver presente). Uma mistura (3-8 ml) de água, etanodiol e pequenas quantidades de produto são coletadas no frasco coletor de fundo redondo. Etapa final Um vez que o programa é completado, o frasco reacional é colocado em um banho de água e o conteúdo oleoso, o qual tende a cristalização, é agitado por 5 minutos. Então, adicionam-se 80 ml de água e agita-se intensivamente por adicionais 15 minutos. A água é separada do produto sólido marfim com um papel filtro dobrado. O produto cristalizado no condensador e no frasco coletor são também lavados com água e filtrados. Rendimento do produto bruto: 18,6 g; pf C; pureza de acordo com GC é de 98% Para remover o aldeído não convertido com hidrogenossulfito de sódio, o produto bruto (o qual pode ainda estar úmido) é dissolvido em 200 ml de éter metil terc-butílico e extraído com 20 ml de solução aquosa saturada de hidrogenossulfito de sódio. A fase orgânica é seca com sulfato de sódio. Após filtração do agente secante, o solvente é completamente evaporado em rotaevaporador com banho a temperatura de 40 C. A temperatura do banho não deve ser maior devido ao baixo ponto de fusão do produto. Um sólido amarelo pálido, finamente cristalino permanece como produto. Rendimento: 17,7 g (90,7 mmol, 91%); pf C; pureza de acordo com GC é de 99,8% O produto pode ser recristalizado a partir de uma mistura de solventes de éter metil tercbutílico/éter de petróleo: o produto é colocado em um frasco de 250 ml de fundo redondo com duas bocas contendo uma barra de agitação magnética. Uma mistura de 40 ml de éter éter metil terc-butílico e 50 ml de éter de petróleo (40-60 C) é adicionada. O frasco é ajustado no micro-ondas, como descrito para o sistema padrão para refluxo, e submetido à agitação por 2 minutos a 500 W e 55 C. A solução é resfriada em banho de água durante os 5 minutos de ventilação no micro-ondas. A suspensão semi-sólida cristalina é então mantida em repouso por 15 minutos a temperatura ambiente e então por 1 hora em refrigerador. Os cristais são filtrados usando um filtro de sucção. O frasco de cristalização é lavado 2 vezes com 10 ml de éter de petróleo após lavando o resíduo no filtro. O produto recristalizado é seco em dessecador sob pressão reduzida. Rendimento do produto recristalizado: 16,4 g (84,0 mmol, 84%); pf C. 3

4 Após evaporação do solvente do líquido mãe da recristalização é obtido um resíduo de 1,2 g, que consiste 95 % em produto. Comentários Se a reação é feita somente sob refluxo, mas sem destilar as substâncias voláteis, menos de 90% do 3-nitrobenzaldeído é convertido ao acetal. Junto com a água de condensação também uma parcela de etanodiol é destilada como azeótropo. Agitando a mistura reacional com água são removidos possíveis resíduos de etanodiol e ácido p-tolueno-sulfônico. Durante a recristalização o banho de resfriamento com água previne a liberação de vapores quentes de solvente da solução do produto, quando o frasco é removido do forno de microondas. Gerenciamento dos resíduos Reciclagem O éter metil terc-butílico evaporado durante a etapa final do produto bruto pode ser usado para recristalização. O éter é coletado e redestilado. Disposição dos resíduos Resíduo fases aquosas líquido mãe da recristalização sulfato de sódio Disposição misturas de solvente e água, livre de halogênios solventes orgânicos, livre de halogênios resíduo sólido, livre de mercúrio Tempo isolamento do produto: 2 horas etapa final para o produto puro: 1 hora recristalização com secagem: aproximadamente 2 horas Possível Intervalo após agitação da mistura reacional com água Grau de dificuldade médio 4

5 Caracterização Relação entre temperatura e tempo na síntese com micro-ondas Temperatura ( C) Potência (W) Temperatura [ C] Potência [W] Tempo [s] Relação entre temperatura e tempo na recristalização com micro-ondas Temperatura [ C] Temperatura ( C) Potência (W) Tempo [s] 5

6 Monitoramento da reação por CG Preparo da amostra: de cada amostra, são dissolvidos 20 mg em 0,5 ml de acetato de etila. São injetados 3 µl desta solução. para a análise do produto extraído, podem ser injetados 3 µl da solução de éter metil terc-butílico. Condições (CG): Coluna: HP-5; comprimento 30 m, diâmetro 0,32 mm, filme 0,25 µm (Phenomenex) Injetor: injeção split 194:1 Gás de arraste: H 2, pressão pré-coluna 31 kpa Forno: 50 C, 8 C/min 320 C Detector: 300 C A concentração percentual foi calculada a partir das áreas de pico. CG do produto bruto Tempo de retenção (min) Substância Área de pico % 1,7 reagente (etanodiol) 0,7 13,5 reagente (3-nitrobenzaldeído) 1,0 18,5 produto (1,3-dioxolano) 98,3 CG do produto (após extração com solução de hidrogenossulfito de sódio) Área de pico %: 99,8 % (produto) 6

7 CG do produto puro (após recristalização) Área de pico %: 100 % (produto) CG do resíduo do líquido mãe (da recristalização) Área de pico %: 95 % (produto) e 5 % (não identificado) Espectro de RMN 1 H do produto (200 MHz, CDCl 3 ) (ppm) δ (ppm) Multiplicidade Número de H Atribuição 8,37 8,35 m 1 2-H 8,25 8,20 m 1 4-H 7,83 7,79 m 1 6-H 7,60 7,54 m 1 5-H 5,90 s 1 7-H 4,18 4,05 m 4 8-H 1,55 água 7,26 solvente O O NO 2 7

8 Espectro de RMN 13 C do produto (300 MHz, CDCl 3 ) (ppm) δ (ppm) Atribuição 65,5 O CH 2 CH 2 O 102,3 O CH O 121,7 CH areno 124,0 CH areno 129,4 CH areno CH areno 140,4 C CH(dioxolano) areno 148,3 C NO 2 areno 76,5-77,5 solvente 8

9 Espectro de Infravermelho do produto (KBr) 17, %T ,4 4000, ,0 cm-1 (cm -1 ) Atribuição 3093 estiramento C H, areno 2978, 2905, 2862 estiramento C H, alcano 2769 estiramento C H, O CH O 1621, 1588 estiramento C = C, areno 1532, 1359 estiramento N = O, assim. e sim. 9