Aalto yliopisto Kemian tekniikan korkeakoulu rgaanisen kemian laboratorio rgaanisen synteesin perusteet Laboratoriotyöohjeet Kevät 2016 CHEM-C2220 2015 Pekka Joensuu, Saara Tiuri
2 Laboratoriotyöt Vastuuopettaja: Pekka Joensuu C308c, p. 050 5760687 Vastuuassistentti: Antonia Högnäsbacka Assistentit: Toni Aaltonen Iiris Hakaste Sami Kulju Mika Asikainen Laboratoriotyöt Kurssiin kuuluu neljä pareittain tehtävää työtä. Töiden tarkoituksena on palauttaa opiskelijoiden mieliin CHEM A1210-kurssilla jo opittu asia ja jatkaa opiskelijoiden tutustuttamista tavallisimpiin orgaanisen kemian työmenetelmiin ja yksikköoperaatioihin. Laboratoriotyöskentelystä pidetään työpäiväkirjaa. Töiden suoritus Työt alkavat Tiistaina 19.1.2015. Kaikki työt tehdään tiistaisin, torstaisin ja perjantaisin klo 12.30-18. Laboratorio on auki viitenä (5) viikkona: 29.1.-19.2. Kaikki neljä laboratoriotyötä on suoritettava tänä aikana. Mikäli opiskelija ei saa töitä valmiiksi em. ajan kuluessa opiskelijasta riippumattomista syistä, järjestetään mahdollisia rästikertoja. Töissä voi edetä oman tahdin mukaan, kuitenkin niin että työt suoritetaan alla esitetyn listan mukaisessa järjestyksessä. Tuotteiden analysointi (NMR, GC, HPLC) tehdään assistenttien avustuksella ja heidän ohjeistuksensa mukaisesti. Laboratoriosta on poistuttava klo 18 mennessä. piskelijat ilmoittautuvat laboratoriotöihin laittamalla nimensä työlistoihin, jotka toimitetaan oppilaslaboratorioiden aulan ilmoitustaululle ti 12.1. klo 12.00. Työt tehdään paritöinä ja oppilaan kannalta paras tilanne olisi tehdä kaikki työt saman parin kanssa. Näin on toimittava vähintäänkin työn 2 osalta (jakautuu välttämättä 2:n työkertaan).
3 Työt Tämän kevään laboratoriotyöt ovat seuraavat: 1. trans-stilbeenin bromaus 2. b-ketoesterin valmistus Dieckmannin kondensaatiolla 3. Metyyli-4-hydroksibentsoaatin nitraus 4. mikroaaltoreaktio: Aniliinin addition 2,4-dinitrobromobentseenin Moodlesta löytyy jokaiseen työhön liittyen esitieto lomake, joka tulee olla täytettynä ENNEN laboratorioon saapumista. Lomakkeen voi omavalintaisesti tulostaa ja liittää laboratoriopäiväkirjaan tai kopioida päiväkirjaan käsin. Arvionti Laboratoriopäiväkirjat kerätään tarkastettaviksi (yleensä työpäivän päättyessä). Työpäiväkirjojen pitämistä tarkkaillaan töiden aikana. Tarvittaessa työpäiväkirjoihin on tehtävä viipymättä assistenttien pyytämät korjaukset ja tarkennukset. Jokaisesta laboratoriotyöstä voi saada 0-2,5 pistettä, jotka sisältyvät kurssin kokonaispistemäärään (skaalattuna). Arvioinnin perusteet ovat seuraavat: 1) laboratoriopäiväkirjan pitäminen kurssilla opetetulla tavalla 2) vaadittuihin kysymyksiin vastaaminen 3) spektrien tulkinta (siirtymät, piikkien paikat ja kytkentävakiot). Kurssilla ei vaadita 1 H NMR-spektrien täydellistä tulkintaa. Työpaikka piskelijat saavat jokaisen laboratoriokerran yhteydessä oman työpisteen käyttöönsä. Työpisteessä olevat lasitavarat kuitataan käyttöön allekirjoittamalla niiden vieressä oleva lista. Listalle viimeksi merkitty pari on vastuussa laatikosta mahdollisesti puuttuvista tavaroista. Työpäivän päättyessä palauta laitteet niille varatuille paikoille ja laita kaikki työpisteen lasitavarat niille tarkoitettuun laatikkoon HYVIN pestyinä. Jotta tavarat eivät menisi sekaisin, huolehdi, että kaikki lasitavarat ovat aina työpäivän päätyttyä paikallaan.
4 Kukin pöytäkunta vastaa pöytiensä sekä vetokaappiensa siisteydestä riippumatta siitä, kuka sitä on käyttänyt. Muista aina merkitä käyttämiesi laitteiden vieressä oleviin käyttövihkoihin nimesi. Se, jonka nimi on viimeisenä, vastaa laitteen kunnosta. Tavarat ja laitteet Suojakäsineet saa paikan päältä laboratoriosta. Suojakäsineiden turhaa vaihtamista tulee välttää. Työpaikan lasitavaralaatikossa on lista sen sisältämistä tavaroista. Tarkista, että saat kaikki listalla olevat tavarat. Jos tarvitset töissäsi muita lasitavaroita, ota yhteyttä assistentteihin. Merkitse kaikkiin lasitavaroihin nimikirjaimesi ja paikan numero; näin eksyneet tavarat löytävät oikeille omistajilleen. Mikäli tussi ei tartu lasiin, lasin pinnassa on öljyä; sen saa pois käyttämällä joko etyyliasetaattia (vetokaapissa!!!) tai sopivaa liotusliuosta. Jokaisessa työpisteessä on oma magneettisekoittimensa. Jokainen opiskelija vastaa oman paikkansa magneettisekoittimen puhtaudesta. Synteeseissä tarvittavat öljyhauteet ovat myös työpistekohtaisia. Niihin ei saa päästää vettä eikä niitä myöskään saa lämmittää yli 220 C:seen. Öljyhauteen lämpötilaa on tarkkailtava statiiviin kiinnitetyn lämpömittarin avulla. Laboratoriossa olevat muut kattilat on tarkoitettu yksinomaan vesihauteiksi. Kylmähaudeastioina (jää/suola) voi käyttää muovisia pieniä pesuvateja. Käytännön vihjeitä suunnittele työpäiväsi etukäteen tule ajoissa, työn alussa annetaan tärkeimmät ohjeet säilytä järjestys, älä kasaa ylimääräisiä tavaroita vetokaappiin tai pöydille siivoa kemikaali- ja muut roiskeet välittömästi. Noudata siivouksessa assistenttien ohjeita älä levitä likaisilla tai öljyisillä suojakäsineillä kemikaaleja tai öljyä joka paikkaan. Jos käsineet ovat likaiset, vaihda ne! Pidä erityistä huolta pesuvetokaapin ja pesupullojen siisteydestä täytä pesupullot ajoissa, älä viime tingassa tee valmiiksi TLC-kapillaareja ja TLC-levyjä
5 Reagenssit ja kemikaalit Synteeseissä tarvittavat kemikaalit löytyvät laboratoriosta kemikaalijätevetokaapin viereisestä vetokaapista. Tarvittavat epäorgaaniset aineet löytyvät vetokaapin alakaapeista. Kiinteät lähtöaineet punnitaan vetokaapissa olevalla vaa alla ja nestemäiset mitataan kullekin reagenssille varattuun korkilliseen kuljetuserlenmeyeriin, jossa se kuljetetaan omaan vetokaappiin. Älä kuljeta nesteitä avonaisissa astioissa. Älä vie reagenssipurkkeja pois vetokaapista! Hidastat kaikkien muiden töitä! piskelijat ovat yhdessä vastuussa reagenssivetokaapin ja vaakojen siisteydestä. Jos vetokaappi tai vaa at ovat epäsiistissä kunnossa, määrää assistentti ensimmäisen vastaantulevan opiskelijan siivoamaan ne. Tuotteiden karakterisointi Synteesin kulkua voi seurata seuraavan kaavion avulla. Tässä kurssissa perehdytään tarkemmin eri karakterisointi- ja seurantamenetelmiin.
6 rgaanisen synteesin ainetase Puhdas aine Karakterisointi: TLC R f, sp., kp., [a] D, n D 20, UV, IR, NMR ( 1 H, 13 C) Alkuaineanalyysi Tarkka massa (HRMS) Reagenssit Reaktio! Reaktion seuranta: TLC, GC, HPLC, NMR Reaktioseos Reaktion sammutusliuos Sivutuotteet Puhdistus: tislaus, kiteytys tai kromatografia Eristys uuttamalla liukoisuuden ja/tai pk a :n perusteella (erotuskaavio) -emäliuokset -tislausjäännökset -liuotinjäte Raakatuote (epäpuhdas tuote) suolat Saanto lasketaan aina puhtaan tuotteen ainemäärästä. Uudet aineet karakterisoidaan täydellisesti. Raakatuotteen perusteella laskettu raakasaanto kuvaa eristyksen tehokkuutta. Kaikkia reaktioita ei tarvitse sammuttaa eikä uuttaa! Jos tuote voidaan kiteyttää tai tislata suoraan reaktioseoksesta, sammutusta ja uuttoa ei tarvita. Kaikki uudet aineet eli aineet, joita ei ole aikaisemmin kuvattu kirjallisuudessa, karakterisoidaan täydellisesti. Tämä tarkoittaa, että niistä määritetään riittävä määrä spektridataa, jotta tuotteet voidaan identifioida. Tyypillisesti tarvitaan vähintään 1 H, 13 C ja IR-spektrit, usein myös 2D-NMR-spektrejä tulkinnan varmistamiseksi, lisäksi usein tarvitaan korkean erotuskyvyn massaspektri molekyylikaavan varmistamiseksi. Lisäksi varmistetaan aina aineen puhtaus esim. HPLC:n, GC:n tai 1 H NMR:n avulla. Paras keino aineen puhtauden ja koostumuksen varmistamiseksi on alkuaineanalyysi, joka kertoo samalla sekä aineen puhtauden että massaprosenttisen koostumuksen. Tällöin ei tarvita edes korkean erotuskyvyn massaspektriä molekyylikaavan varmistamiseksi. Alkuaineanalyysin voi tehdä kaikille ei-haihtuville yhdisteille. Tunnetuille aineille riittää usein, että aineen identiteetistä ja puhtaudesta varmistutaan esim. 1 H NMR:n ja HPLC:n tai GC:n avulla. Paras tapa varmistua siitä, että synteesituotteiden karakterisointi on tehty huolella, on koota kunkin synteesituotteen data yhteen omaan taulukkoonsa (characterization data sheet). Tällainen taulukko löytyy tämän monisteen loppuosan liiteosasta.
7 Työn palautus Valmis, puhdas synteesituote purkitetaan assistenttien osoittamaan astiaan. Laboratoriopäiväkirja kaikkine tarvittavine kuvineen ja kaavioineen (erotuskaavio, kuvat TLC-levyistä 1:1 mittakaavassa suhteessa alkuperäisiin) sekä analyysitietoinen (saanto, sulamispiste) palautetaan assistentille, joka tarkistaa merkinnät ja kuittaa työn suoritetuksi allekirjoituksellaan. Päiväkirjan merkinnät tehdään jatkuvasti synteesiä tehdessä, jolloin päiväkirja on valmis tarkistettavaksi heti synteesin valmistuttua. Laboratoriotyöpäiväkirjan pitämisestä löytyy ohje kurssin CHEM-A1210 (Kemiallinen reaktio) kurssimonisteesta.
8 Laboratory experiments You must read through and analyze each experiment before arriving in the lab. Make sure you understand every stage in the process thoroughly. When in doubt, ask! The assistants are in the lab to help and guide you. General notes Most of the procedures have been adapted from literature sources, tested, and modified to suit the equipment available to you. For each experiment, an estimate is given for the time required. These times are approximate and are based on the time required by the testers to complete experiments. Some allowances have been made for delays caused by students waiting for equipment to become available (e.g. vacuum sources, rotary evaporators etc). In general, in any synthetic work you get a lot more done in a full 6-hour day. Don t be late on your lab day! A 15-minute delay in the morning can translate to more than an hour in the afternoon.
9 1. Bromination of trans-stilbene with pyridinium tribromide Pyridinium tribromide (E)-Stilbene Product MW = 319,82 g/mol MW = 180.25 g/mol MW = 340.06 g/mol HUM! 85 W-% m.p. 241-243 C To a mixture of (E)-stilbene (11 mmol, 100mol%) and Ethanol (40ml) was added pyridinium tribromide (110 mol%, Make sure that your starting material is dissolved before the addition). Heat the reaction mixture but do not let it reflux. Follow your reaction by TLC. When your reaction is completed let the mixture cool down to precipitate the product out of the solution (Use ice bath if necessary). Filtrate the precipitate and wash it carefully with amounts of ice-cold ethanol. Record the melting point and IR of your product. Characterize the product by its 1 H NMR (DMS). Questions: - Why is it better to use pyridinium tribromide than Br 2? - How is the atom economy of the reaction compared to one using Br2? - What is the stereochemistry in the product? Why?
10 2. Synthesis of 2-oxo-cyclopentanecarboxylic acid ethyl ester The purpose of this experiment is to learn how to conduct a practical and useful variant of the Claisen condensation, the Dieckmann condensation. The base used is sensitive to moisture (why?). The container should be kept tightly closed at all times and the reagent should be quickly weighed. K t Bu toluene, rfx. Diethyl adipate tbuk Product MW = 202.25 g/mol MW = 112.21 g/mol MW = 156.18 g/mol = 1.009 g/ml bp = 251 C = 1.054 g/ml bp = 100 C/10 mmhg Procedure: To a mixture of t-buk (150 mol%) and dry toluene (60 ml) was added diethyl adipate (20 mmol, 100 mol%). The reaction mixture was refluxed until TLC or NMR analysis showed that all starting material had been consumed. (You need to do a miniworkup to prepare a sample for NMR: Transfer a small sample (~1.0 ml) of your reaction mixture into a test tube and add sat. aq. NH 4Cl (1.0 ml). Using a pipette carefully transfer the organic layer through anhydrous Na 2S 4 into a flask and evaporate the solvent.) The mixture was allowed to cool to rt. Glacial acetic acid (3.5 ml) was added to the flask followed by distilled water (30-40 ml). The aqueous layer was extracted with EtAc (40 + 20 ml), the combined organic layers were washed with brine, dried (Na 2S 4), filtered, and concentrated in vacuo. The crude product was purified by vacuum distillation to afford the product (2.25 g) as a colourless oil (bp. 100 C/10 mmhg). Characterize the product by its 1 H and 13 C NMR spectrum as well as an IR spectrum. Assign the peaks and analyze the spectra in groups. Questions: - What drives the reaction to completion? Work out the complete mechanism. - Could the reaction be catalytic in base? Why or why not? - How much of the product is in the enol form?
11 3. Nitration of methyl-4-hydroxybenzoate Nitrations of aromatic compounds are exothermic reactions, and the reaction vessel must be cooled to prevent overheating of the reaction mixture. Nitration is strongly assisted by electron donating groups in the aromatic ring. CAUTIN: Nitric acid is highly corrosive. H Me HN 3 /AcH H N 2 Me methyl-4-hydroxy-benzoate HN 3 methyl-4-hydroxy-3-nitrobenzoate MW = 152.15 g/mol MW = 63.01 g/mol MW = 197.14 g/mol = 1.39 g/ml Mp = 73-76 C Procedure: To a solution of acetic acid (8.3 ml) at room temperature was added nitric acid (65 w-%, 400 mol-%) and resulting mixture was stirred for couple of minutes. This solution was then added carefully in smaller portions (50-100 mol-%) (CAUTIN - exothermic reaction!) to a mixture of methyl-4-hydroxybenzoate (30 mmol, 100 mol-%) in acetic acid (15 ml) at 50ºC (water bath), so that the reaction was followed by TLC (CH 2Cl 2) after each addition. This resulted immediate colour change of the reaction mixture to dark yellow/ brownish. When the reaction was complete, the reaction mixture was poured onto water (100 ml) and then CH 2Cl 2 (100 ml) was added. The layers were separated and the organic phase was washed with H 2 (2 x 50 ml) and brine (50 ml), dried (Na 2S 4) and filtered. The resulting solution was concentrated in vacuo and the remaining solid (5.3 g) was recrystallized from EtH (7 ml) to give 4.18 g of yellow crystals. Characterize the product by its melting point and 1 H NMR spectrum. Questions: - Explain the regioselectivity of the reaction
12 4. Nucleophilic aromatic substitution The purpose of this reaction is to learn how electron withdrawing groups affect the reactivity of the aromatic compounds. Reaction is performed under microwave radiation. 1-bromo,2,4-dinitrobenzene Aniline 2,4-dinitrodiphenylamine MW = 247.00 g/mol MW = 93.13 g/mol MW = 259.22 g/mol = 1.02 g/ml Procedure: 1-Bromo-2,4-dinitrobenzene (1.20 mmol), aniline (400 mol%), and ethanol (5.0 ml) are placed in a microwave reaction vessel containing a magnetic stir bar. NTE: The final volume must be at least 5 ml. The microwave is programmed using the ramp-totemperature method to heat to 125 C over a 2-minute period and then held at this temperature for 5 minutes. The solution is then allowed to cool until it is below 50 C before removal from the microwave unit. The reaction mixture is cooled in an ice bath to complete crystallization. nce crystallization is complete, the product can be collected by vacuum filtration and washed with cold solvent. The brightly colored crystalline product can then be dried on a clay plate. When the product is dry, the melting point should be determined and compared to that in the literature. The crude product is re-crystallized from 95% ethanol and characterized by IR, 1 H NMR. Questions: - Which bromine in 1,2-dibromo-4-nitrobenzene would be substituted by a nucleophile? - In the following reaction scheme, identify all of the following: nucleophile, leaving group, and electron withdrawing group(s).
13 APPENDICES Sample preparation for NMR Most substances analyzed by NMR are first dissolved in a suitable deuterated solvent. The solution is placed in a special thin-walled NMR tube, which is closed with a tight-fitting cap to prevent evaporation. A typical NMR tube is 5 mm in diameter and is both fragile and expensive. The sample quality can have a significant impact on the quality of the NMR spectrum. The following is a brief list of suggestions to ensure high sample quality. For 1 H NMR, about 5 mg of sample is sufficient. Solutions which are too concentrated lead to lower resolution spectra. For 13 C NMR spectra, five times the sample concentration is recommended. Always use dry samples and make sure that your NMR tube is clean. Dissolve your compound in the deuterated solvent (usually CDCl 3). Always use the same sample volume or solution height. This minimizes the shimming that needs to be done between sample changes. The recommended value is (at least) 0.6 ml or 4 cm solution for 5 mm tubes. Filter the solution directly into the NMR tube through a Pasteur pipette containing a small plug of fresh tightly packed medical cotton wool at the neck of the pipette. It is necessary to pre-rinse it with a small amount of the solvent to be used to flush out loose fibers. Cap the NMR tube carefully and shake it to mix the contents. After the analysis, collect your sample into a suitable container (unless there is a reason to discard it) and clean the NMR tube carefully with solvents. Never leave your samples into the NMR tubes!
14 A short guide to gas chromatography (GC) Preparing the sample: - Normally GC samples are relatively dilute. A good starting concentration of the sample is 1mg/ml of solvent. - commonly used solvents CH 2Cl 2, CHCl 3 or any other low boiling solvent - GC columns do not tolerate acids, bases, water, or anything aqueous! Therefore, for monitoring reactions with GC, you must do the following steps (a mini-workup) if your reaction contains any acids or bases: - 1. Inject your sample into a vial or a test tube containing water or (preferably) a neutralizing workup solution (e.g. 10% NaHC3 for acidic reactions) 2. Add a few drops of diethyl ether (or any other suitable solvent that is lighter than water) and shake the vial 3. Allow the layers to separate 4. Using a Pasteur pipette, carefully collect the top layer and filter it through another Pasteur pipette bearing a wad of cotton and ca. 0.5 cm layer of Na 2S 4. 5. Collect your filtrate into a GC vial. This is your sample! It should be homogenous and clear. Dry your sample carefully! Many columns are damaged by water. - Follow the apparatus-specific instructions for GC analysis. A short guide to HPLC HPLC stands for High Perfomance Liquid Chromatography. High Performance requires absolute attention to the cleanliness of the operation. High pressures (up to 10 bar or even higher in more recent systems) are used and the columns are packed with high-quality, fine-particle adsorbent. A range of different columns are available and the variety of compounds that can be analyzed by HPLC is vastly greater than with GC. Successful HPLC operation requires strict attention to the following points. If any of these instructions is not followed, the analysis, or, worse, the expensive columns or the even more expensive pump will fail!
15 Use only samples that have been filtered through a clean 0.45 mm filter. No acidic or basic samples! A mini-workup (see the discussion on GC for instructions) should be performed for if the sample is taken from a reaction mixture. No polymers, dirt, grease, dust etc. in the sample. nly filtered HPLC grade solvents are allowed. For mounting and dismounting columns, use only the tools provided. Never use any force under any circumstances. Finding suitable conditions (eluent/wavelength) A suitable eluent is one where R f of your product is ~ 0.2. Chiral HPLC columns are very expensive (3000 /column). With chiral columns, there are strict limits of what kind of eluent systems can be used. Before starting the work, make sure your sample complies with the list of allowed eluent systems that can be found next to the chiral HPLC equipment. The recommended solvents for chiral columns are mixtures of isopropanol and hexanes. Especially damaging solvents include dichloromethane and ethyl acetate (only trace amounts are tolerated). If you can detect your product on TLC under UV lamp, you can use wavelength 254 nm, which is the most common. If you are unsure, you can first measure the UV max value of your product. Preparing the eluent There is separate glassware (measuring cylinders, suction flask, filter) that should be used when preparing eluent for HPLC. This glassware can be found in room C331b. The glassware is expensive, please be careful! nly HPLC grade solvents are allowed. If in doubt ask! The eluent must be filtered before use by using a specific Millipore filter. The thin interchangeable filter has to be changed occasionally. Check that it is clean! After filtration, transfer your eluent into a decent storage bottle and mark it properly, including the name and the date of preparation!
16 Preparing the sample The HPLC column needs at least 30 minutes to equilibrate, during which time you can prepare your sample. You can also equilibrate the HPLC over night using a slow flow rate (NEVER ALLW THE CLUMN T RUN DRY!). Suitable concentration of the sample is 0.5 2 mg/ml of solvent. If possible dissolve your sample to the eluent you are using but you can also use isopropanol or CH 2Cl 2. The sample must be filtered, too! Filter the sample through a disposable filter. Leaving the equipment Allow pure eluent flow through the column for c. 30 min after your sample. Slowly turn off the flow rate and shut down the HPLC pump and the detector. Mark required information about your run in the log book. Leave the place clean!