Benzeencarbonzuur PDF

Preview

Summary

Wetenschappelijk verslag van benzeencarbonzuur...

Description

26/04/2021

DE GRIGNARDREACTIE: BEREIDING VAN BENZEENCARBONZUUR

DATUM PRACTICUM: 26/04/2021

OPLEIDING en GROEP: 1e Ba BMW – Groep A

NAAM:

VOORNAAM:

VAK voor beoordeling door assistent voorbehouden

TITEL verslag: De Grig Grignardreactie: nardreactie: Bereiding van benzeencarbonzuur

Codering per onderdeel: In orde (I) -kleine aanpassingen (K) -grote aanpassingen (G) A. STRU STRUCTUU CTUU CTUUR R VERS VERSLAG LAG A1. VormVorm-aspecten aspecten Lay-out; algemene structuur verslag (rubrieken); plaatsing v. alle elementen onder de juiste hoofding; grafieken en tabellen (nummering en onderschriften); formules (nummering, integratie in tekst); naamgeving; tekeningen; onafgewerkte onderdelen (potlood bv); ….. A2. Volle Volledigheid digheid Introductie en definitie van begrippen; definitie van grootheden en van symbolen daarvoor; voldoende uitleg van meet- en verwerkingsmethoden; (eventueel) verwijzingen naar literatuur, …. A3. Taalgebrui Taalgebruikk Wetenschappelijk taalgebruik; originaliteit vs handleiding kopiëren; …. A4. Andere of meer ssp pecifieke opmerkingen Zie ook notities van assistent op wetenschappelijk verslag.

B. RESU RESULTATEN LTATEN B1. Metinge Metingen n Zijn de meetgegevens een correcte weergave van een goed uitgevoerd experiment? B2. Beha Behandeling ndeling van d de e meetresultaten Berekeningen; bekomen resultaten; weergave van getalwaarden (decimalen, eenheden); tabellen (hoofdingen, eenheden); grafische verwerking (benoemen van assen, schaalbereik, curve), interpretatie, …. B3. Foutenr Foutenrekening ekening Uitvoering foutenrekening; afronding; B4. Andere opmerkin opmerkingen gen Zie notities van assistent op wetenschappelijk verslag C. IN INZICHT ZICHT Bondigheid vs vermelden van overbodige zaken; inhoud (coherent geheel of flarden tekst); beantwoorden van inzichtsvragen; nonsensicale uitkomsten zonder bespreking; conceptuele conflicten; …

2

Samenvatting Het doel van dit practicum is om benzeencarbonzuur (benzoëzuur, 𝐶7 𝐻6 𝑂2) te bereiden uit broombenzeen 𝐶6 𝐻5 𝐵𝑟) via een Grignardreactie. Tijdens dit practicum wordt de nadruk gelegd op het zuiveren en beperken van nevenproducten. Zowel de reagentia als het solvent moet geen water bevatten om te voorkomen dat het gevormde benzoëzuur weer ontbonden of vernietigd wordt. Het beperken van nevenproducten wordt mogelijk gemaakt door te werken met een overmaat aan droogijs (𝐶𝑂2 ). De proef steunt op twee stappen: (1) het bereiden van het Grignardreagens en (2) een nucleofiele additie op het Grignardreagens.

1. Inleid Inleiding ing

Het beginproduct, broombenzeen (= fenylbromide, 𝐶6 𝐻5 𝐵𝑟), wordt omgezet tot het eindproduct, benzeencarbonzuur (= benzoëzuur, 𝐶7 𝐻6 𝑂2 ). Uit de structuurformules van het begin- en eindproduct kan het afgeleid worden dat er een ketenverlenging met één koolstofatoom nodig is bij de bereiding van benzeencarbonzuur. Benzeen heeft een hoge resonantiestabiliseringsenergie en is dus niet reactief ten opzichte van een nucleofiel reagens . Hierdoor kan er geen gebruik gemaakt worden van een nucleofiele substitutie, maar wel een nucleofiele additie. 1.1.

Bereiding van het Grignardreagens (= fenylmagnesiumbromide)

1.2. Nucleofiele additie van het Grignardreagens

3

De nucleofiele additie van het Grignardreagens op 𝐶𝑂2 zorgt voor de ketenverlenging met één koolstofatoom. Dit komt doordat het Grignardreagens één koolstofatoom met een negatieve deellading draagt, en dus ook een nucleofiel karakter vertoont. De positieve deellading op het koolstofatoom van de carbonylverbinding reageert met het nucleofiele deeltje tot vorming van benzeencarbonzuur .

Na de reactie zal het gevormde benzeencarbonzuur afgezonderd worden van de nevenproducten via extractie en filtratie. Hierbij steunt men op het verschil tussen het zuur en het natriumzout, in water en in ether. De extractie van het benzeencarbonzuur uit de etherige oplossing wordt uitgevoerd met een waterige oplossing van natriumhydroxide.

2. Met Methoden hoden en materiaal 2.1. Bereiding van fenylm fenylmagn agn agnesi esi esiumbromide umbromide 2.1.1. Methode

Door de lage elektronegativiteit van het magnesium, is de polariteit van de covalente 𝐶 − 𝑀𝑔 − 𝑏𝑖𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔 in 𝑅 − 𝑀𝑔𝑋 𝐶 𝛿− − 𝑀𝑔𝛿+ en hierdoor krijgt het organische gedeelte een nucleofiel karakter. Bij de keuze van het solvent moet er rekening gehouden worden met de sterk basische eigenschappen van het carbanion 𝑅 − , want in een protisch solvent (zoals water of ethanol) zal het Grignardreagens vernietigd worden met de vorming van het geconjugeerde zuur. Wanneer het Grignardreagens met een protisch solvent reageert, ontstaat er de volgende reactie: 𝑅 − 𝑀𝑔 − 𝑋 + 𝑌𝐻 → 𝑅 − 𝐻 + 𝑀𝑔𝑋𝑌 Er mag geen water gebruikt worden als oplosmiddel, anders zou het Grignardreagens onmiddellijk vernietigd worden: 𝑅 − 𝑀𝑔𝑋 + 𝐻𝑂 − 𝐻 → 𝑅 − 𝐻 + 𝑀𝑔(𝑂𝐻)𝑋

Belangrijk om te weten is dat het Grignardreagens een grote reactiviteit heeft en om die reden wordt het nooit in zuivere vorm afgezonderd, maar wel bereid en gebruikt in een 1 à 2 M oplossing. 4

Het

aprotisch

solvent

dat

in

dit

practicum

gebruikt

wordt,

is

diëthylether

(𝐶4 𝐻10 𝑂).

Zowel de reagentia als het solvent moet zeer zuiver zijn. Het magnesium, onder de vorm van dunne metaalspanen, mag niet aan de lucht blootgesteld worden want anders wordt het verontreinigd. Het is erg belangrijk om vochtigheid te vermijden bij deze reacties om te voorkomen dat het gevormde Grignardreagens ontbonden worden. Bovendien is het ook moeilijk om deze reacties in een waterig milieu op gang te zetten. De vochtigheid kan voorgekomen worden door: o Apparatuur droog te houden voor gebruik o De reactieruimte wordt met behulp van een droogbuis van de buitenatmosfeer afgesloten o Magnesium is gemakkelijk oxideerbaar en hierdoor mag het niet lang aan de lucht blootgesteld worden o Broombenzeen wordt op korrels van watervrij calciumchloride bewaard o Diëthylether wordt op natriumdraad bewaard om het ethanol-, zuur- en peroxidevrij te maken Het aanwezige ethanol (𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻) reageert met natrium (Na) tot vorming van een alcoholaat: 2𝐶2 𝐻5 𝑂𝐻 + 2𝑁𝑎 → 2𝐶2 𝐻5 𝑂𝑁𝑎 + 𝐻2 De vorming van het Grignardreagens is een exotherme reactie. Diëthylether is zwak polair, dit verklaart de lage kooktemperatuur (34,6°). Etherdampen zijn licht ontvlambaar, vandaar dat de reactiekolf in de handpalm verwarmd wordt in plaats van met een bunsenbrander. Desnoods zullen de dampen het toestel haast volledig vullen, zodat het contact van Grignardreagens met luchtzuurstof tijdens de bereidingsfase beperkt blijf. Om die reden wordt de vorming van het alcoholaat voorgekomen. 2𝑅𝑚𝑔𝑋 + 𝑂2 → 2𝑅𝑂𝑀𝑔𝑋 Uit dit alcoholaat ontstaat er bij de uitvoering van de proef fenol als nevenproduct. Er wordt ook een tweede nevenproduct gevormd, namelijk difenyl. Difenyl ontstaat door de reactie tussen het gevormde Grignardreagens en broombenzeen 𝑅 − 𝑀𝑔 − 𝐵𝑟 + 𝑅 − 𝐵𝑟 → 𝑅 − 𝑅 + 𝑀𝑔𝐵𝑟2 (𝑅 = 𝑓𝑒𝑛𝑦𝑙) Steunend op zijn apolair karakter, kan het gevormde difenyl, bij zuivering, gescheiden worden van het benzoëzuur.

2.1.2. Materiaal en uitvoering

5

Er wordt 1,23g magnesium afgewogen in een 250,00-ml-reactiekolf en daar 10,00 ml diëthylether aan toevoegen. De druppeltrechter wordt met 40,00 ml watervrije ether gevuld. Vervolgens wordt er met behulp van een spuit 1,00 ml broombenzeen aan het reactiemidden en 4,00 ml broombenzeen aan de watervrije ether toegevoegd. Het magnesium wordt geplet et verwarmd met de handpalm. Er mag geen bunsenbranders gebruikt worden bij het opwarmen! De reactie wordt op gang gezet wanneer het magnesium spontaan begint te koken en een troebeling van de vloeistof plaatsgrijpt. Hierna wordt de broombenzeenoplossing uit de druppeltrechter druppelsgewijs aan het magnesium toegevoegd. Het toestel moet geurend +/- 30 minuten constant zachtjes geschud worden, want hiermee wordt het reactieverloop bevorderd. Wanneer alle broombenzeen toegevoegd is, ontstaat er een lichtbruine oplossing die na afkoeling onmiddellijk zal gebruikt worden in de volgende stap. 2.2. Nucleofiele additie van het Grignardreagens op koolstofdioxide 2.2.1. Methode In dit onderdeel van de proef treedt het fenylmagnesiumbromide als een nucleofiel op. Er vindt dus een nucleofiele additie van het Grignardreagens op één CO-binding van koolstofdioxide plaats, hiermee wordt de ketenverlenging bekomen. 𝐶𝑂2 wordt hier onder de vorm vaste vorm (droogijs) gebruikt.

Benzoëzuur ontstaat bij het aanzuren van het broommagnesiumbenzoaat. Het gevormde broommagnesiumbenzoaat bevat steeds een carbonylgroep, zodat het bij de reactie met het Grignardreagens aanleiding geeft tot een nevenreactie met vorming van gem-dialcoholaat. Dit wordt dan verder tot een keton R- CO-R omgezet. Om de vorming van nevenproducten te beperken, wort er met een overmaat aan droogijs gewerkt.

2.2.2. Materiaal en uitvoering De bekomen inhoud lichtbruine oplossing uit de eerste stap wordt geleidelijk toegevoegd aan een overmaat droogijs (𝐶𝑂2 ). In dit onderdeel van de proef is het de bedoeling om een homogene pasta te verkrijgen. Het productverlies moet beperkt worden.

2.3. Afzonderen van benze benzeencarb encarb encarbonzuur onzuur 2.3.1. Methode

6

Door toevoegen van een geconcentreerd oplossing van een sterk zuur aan het reactiemidden, wordt uit het broommagnesiumbenzoaat het benzoëzuur vrijgemaakt. Dit wordt voorgesteld volgens deze reactie:

Nu mag er wel water aan het reactiemidden toegevoegd worden aangezien het Grignardreagens al afgelopen is. Het midden bestaat nu uit een waterige fase en een etherfase. Het benzeencarbonzuur bevindt zich in de etherfase, omdat het beter oplost in ether dan in water. Bovendien kan de etherfase geïsoleerd worden via decantatie met een scheitrechter. Een deel van deze fase zal oplossen in de waterfase. Het verlies aan product moet zoveel mogelijk beperkt worden, vandaar dat de waterfase nog herhaaldelijk geëxtraheerd moet worden. Naast benzeencarbonzuur bevat de etherfase nog andere apolaire nevenproducten die ook afgescheiden moeten worden. Het benzeencarbonzuur zelf wordt door gebruik makend van een sterke base, in dit geval NaOH, omgezet in het wateroplosbare benzoaat.

Benzoaat is een zout en dus ook polair, vandaar dat het is oplosbaar in polaire solvent zoals water en niet in ether (apolaire solvent). De reactie wordt uitgevoerd met een sterk base omdat het zwak zuur volledig omgezet moet worden. Door extracties van de etherfase met een waterige oplossing van NaOH, wordt benzeencarbonzuur als een wateroplosbaar natriumzout in de waterige fase verzameld. De andere koolstofverbindingen blijven in de etherfase achter. Er wordt een minimum aan geconcentreerd HCl aan de waterfasen toegevoegd, hierdoor zal het kristallijne benzeencarbonzuur neerslaan.

De opbrengst wordt verhoogd wanneer de wateroplosbaarheid van benzoëzuur verminderd wordt. Tijdens deze laatste behandeling zal het nog aanwezige fenol in de oplossing, en het benzeencarbonzuur neerslaan. De benzoëzuurkristallen worden via een Büchnertrecter gefilterd, een paar dagen aan de lucht gedroogd en de opbrengst wordt dan nauwkeurig afgewogen.

2.3.2. Materiaal en uitvoering 2.3.2.1. Hydrolyse van het broommagnesiumbenzoaat Een 100,00-ml-bekerglas wordt tot een derde van zijn volume met ijs gevuld en vervolgens wordt er 10-ml geconcentreerd HCl toegevoegd. Dit mengsel wordt dan geleidelijk aan het broommagnesiumbenzoaat 7

toegevoegd. Met behulp van 50-ml-diëthylether wordt het spoelsel van het 250,00-ml-bekerglas in scheitrechter I gegoten. De waterige fase uit scheitrechter I wordt in scheitrechter II gedecanteerd. Deze fase wordt nu met +/- 30,00-ml-diëthyeter geëxtraheerd en uit scheitrechter II verwijderd. Vervolgens wordt de etherfase uit scheitrechter II wordt in scheitrechter I gebracht. 2.3.2.2.

Vorming van het wateroplosbare benzoaat

Er wordt 20,00-ml 2M NaOH in scheitrechter II gegoten en nadien wordt de etherfase in scheitrechter I toegevoegd. Nadien wordt de etherfase met een waterige baseoplossing geëxtraheerd en gedecanteerd in een lege 250,00-ml-bekerglas. De extractie wordt tweemaal met 10,00-ml 2M NaOH herhaald. 2.3.2.3.

Neerslaan van benzoëzuur

De basische waterige oplossing wordt met 10,00-ml geconcentreerd HCl geleidelijk aangezuurd. Dit is een exotherme reactie en er wordt een neerslag gevormd van het benzoëzuur. Het bekomen heterogene systeem wordt dan in een ijsbad (gedurende 10 minuten) afgekoeld om het benzoëzuur af te slaan. De kristallen worden met behulp van een Büchnertrechter gefiltreerd. De opbrengst ervan wordt dan kwantitatief op een papier overgebracht en een paar dagen aan de lucht gedroogd. 3. R esultaten 3.1.

Gegevens

o Mbenzeencarbonzuur = 122, 1 o Mbroombenzeen = 157, 02

g

g

⁄ mol

⁄ mol

o Vbroombenzeen = 5, 00 ml g ⁄ o δbroombenzeen = 1, 495 ml g o Mmagnesium = 24, 3 ⁄mol g o Mdifenyl = 154, 1 ⁄mol g o Mdiëthylether = 74, 1 ⁄ mol 3.2.

Meti Metingen ngen

o mMg = (1, 23 ± 0, 02)g o mfilteerpapier+blad = (5, 72 ± 0, 02)g o mblad+filtreerpapier+benzeencarbonzuur = (8, 13 ± 0, 02)g 3.3.

Berekeningen

Massa broombenzeen (𝐶6 𝐻5 𝐵𝑟) m ⟺ m = δ. V V g m = 1, 495 ⁄ml . 5, 00 ml δ=

8

m = 7, 475 g Aantal mol broombenzeen n=

m M

n=

7, 475 g g 157, 02 ⁄mol

n = 0, 04761 mol Aantal mol magnesium (Mg) n=

m M

n=

1, 23 g g 24, 3 ⁄mol

n = 0, 0506 mol Massa benzeencarbonzuur (𝐶7 𝐻6 𝑂2 ) m = mblad+filtreerpapier+benzeencarbonzuur − mblad+filtreerppier m = 8, 13 g − 5, 72 g m = 2, 41 g Aantal mol benzeencarbonzuur 2, 41 g g 122, 1 ⁄mol n = 0, 01974 mol n=

Theoretische berekende reactieopbrengst (benzeencarbonzuur) m = n. M g m = 0, 04761 mol . 122, 1 ⁄ mol m = 5, 813 g Procentuele berekende reactieopbrengst

9

experimenteel bepaalde aantal massa . 100 theoretisch bepaalde aantal massa 2, 41 g Procentuele reactieopbrengst = . 100 5, 81 g Procentuele reactieopbrengst =

Procentuele reactieopbrengst = 41, 48% Foutberekening o RF massa magnesium:

2. 0,01g 1,23g

o RF volume broombenzeen:

= 0, 016

0,2 ml 5,0 ml

o RF massa benzeencarbonzuur:

= 0, 040

2.0,01 g 2,41g

= 0, 0083

o AF = RFtot . procentuele reactieopbrengst AF = (0, 016 + 0, 04 + 0, 0083). 41, 48% AF = 2, 68% Besluit De reactieopbrengst van de uitgevoerde proef bedraagt (41, 5 ± 2, 7)%

4. Co Commentaar mmentaar De reactieopbrengst ligt lager dan verwacht. Dit zal waarschijnlijk te wijten zijn aan onnauwkeurigheden van de meetwaarden en de relatieve fouten van de gebruikte materialen. Het optreden van nevenreacties kan ook niet volledig vermeden worden. Een andere mogelijkheid is dat de materialen niet 100% zuiver waren, en dus ook enkele druppels water bevatten, tijdens het bereiden van de proef. Een deel van het Grignardreagens zou ook ontbonden of vernietigd zijn geweest.

10...