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Práctica de laboratorio...

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Practica I. Dihidroxilación asimétrica del trans-1,2-difenileteno

Introducción y fundamentos teóricos En la práctica vamos a realizar la que se conoce como dihidroxilación asimétrica de Sharpless siendo está una reacción enantioselectiva de alquenos para formar dioles cis usando tetraóxido de osmio y un ligando quiral de quinina. Dependiendo de si queremos obtener el enantiomero (S,S) o el (R,R) deberemos utilizar diferentes ligandos quirales. Por ejemplo si queremos obtener el enantiomero (S,S) deberemos usar el ligando dihidroquinona ftalazina ((DHQ)2PHAL), mientras que si queremos obtener el otro enantiomero deberemos utilizar el ligando dihidroquinidina ftalazina (DHQD)2PHAL (ambos son enantiomeros). Estos compuestos no se venden solos en el mercado, sino que se obtienen junto a la mezcla de diferentes compuestos para poder llevar a cabo la dihidroxilación asimétrica de Sharpless, siendo estos el ADmix α y AD-mix β, obteniéndose el enantiomero (S,S) y el (R,R) respectivamente. Ambas mezclas tienen una cantidad catalítica de osmio en forma de osmato potásico dihidratado, esto se debe al hecho de que él compuesto que necesitamos es un gas a temperatura ambiente altamente perjudicial, además de que no es práctico para utilizarlo en la reacción, entonces debemos oxidar el osmato de potasio dihidratado con un co-oxidante, en este caso ferricianuro de potasio. De esta forma podemos obtener el tetraóxido de osmio y podremos llevar a cabo la reacción. Además de estos compuestos la mezcla lleva carbonato potásico procurando un medio básico para poder llevar a cabo la reacción.

Materiales e instrumentos -

Agitador magnético

-

Polarímetro Célula del polarímetro Rotavapor

-

Matraz de fondo redondo de 100 ml

-

Embudo de extracción Erlenmeyer de 250

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Espectrofotometro IR

Reactivos · AD-mix Alfa (mezcla de reactivos, según sigma aldrich tendrá las siguientes proporciones para un recipiente de 10.5 gramos):

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- (DHQ)2PHAL 0.0016 moles - Carbonato potásico 0.4988 moles - Ferricianuro potásico 0.4988 moles - Osmato potásico dihidratado 0.0007moles

· Terbutanol -

Peso molecular: 74.12 g/mol

-

Pureza: 99% Densidad: 0.775 g/ml Punto de ebullición: 23-26ºC

-

Nº CAS: 75-65-0

· Metanosulfonamida -

Peso molecular: 95.12 g/mol

-

Pureza: 97% Punto de fusión: 85-89ºC Nº CAS: 3144-09-0

· Transestilbeno -

Peso molecular: 180.25 g/mol

-

Pureza: 96% Punto de fusión: 123-125ºC

-

Nº CAS: 103-30-0

· Sulfito sódico -

Peso molecular: 126.04 g/mol

-

Pureza: 98%

-

Punto de fusión: 33.4ºC Nº CAS: 7757-83-7

· Diclorometano -

Peso molecular: 84.93 g/mol Pureza: 99.9%

-

Densidad: 1.32 g/ml Punto de ebullición: 39.8-40ºC

-

Nº CAS: 75-09-2

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· Ácido sulfúrico -

Peso molecular: 98.08 g/mol

-

Pureza: 95-98%

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Densidad: 1.84 g/ml Punto de ebullición: 290ºC Nº CAS: 7664-93-9

· Hidróxido potásico -

Peso molecular: 56.11 g/mol

-

Pureza: Punto de fusión: 361ºC

-

Nº CAS: 1310-58-3

· Sulfato de sodio anhidro

-

Peso molecular: 142.04 g/mol

-

Pureza: 99%

-

Punto de fusión: 884ºC

-

Nº CAS: 7757-82-6

Procedimiento experimental Pesamos dentro de un matraz de fondo redondo de 100 ml 7,06 gramos de AD-mix α, para introducir el reactivo nos ayudamos de un embudo de papel, quizá en el transcurso de la pesada un poco de reactivo se quede en las paredes del embudo de papel de filtro, pese a que intentamos recoger todo lo que pudimos. Seguidamente añadimos en el matraz de fondo redondo una pieza imantada para ayudar en la agitación, 25 ml de terbutanol y otros tantos de agua e iniciamos la agitación para homogenizar, finalmente paramos la agitación cuando vemos que se forman las dos fases bien diferenciadas. La fase acuosa tiene un color naranja debido al ferricianuro potásico, mientras que la fase orgánica es transparente.

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Pesamos 0.47 gramos de metanosulfonamida1 y lo añadimos a la disolución contenida dentro de nuestro matraz de fondo redondo, después vamos a recoger hielo y le añadimos agua para tener un baño de agua-hielo, ponemos nuestra disolución en el baño y dejamos que se enfrié hasta 0ºC sin agitación. Luego pesamos 0.9 g transestilbeno y lo añadimos a nuestra disolución y lo ponemos a agitar vigorosamente en un baño de hielo durante toda la tarde. Por la noche también estuvo agitándose en un baño de agua-hielo hasta que el hielo se derritió. Siguió en agitación esta vez ya a temperatura ambiente hasta que llegamos al laboratorio. Cuando llegamos vimos la aparición de un precipitado blanco, este es nuestro producto. Ahora lo que deberemos hacer es extraerlo de la fase acuosa con diclorometano. Pero antes hemos de desactivar las especies que quedan en disolución que podrían reaccionar y para eso vamos a añadir sulfito de sodio. Pesamos 7.5 g y lo añadimos en la disolución, previamente enfriada en un baño de agua-hielo y lo ponemos a agitar durante una hora. Vemos que en el transcurso de la agitación la disolución pasa de un color amarillo a uno marrón, hasta finalmente tenemos una disolución de color verde en la fase acuosa. Ahora nuestro sistema está listo para empezar a extraer nuestro producto. Para ello utilizamos un embudo de extracción añadiendo nuestra disolución en él, seguido de la adición de 30 ml de diclorometano. Agitamos vigorosamente abriendo y cerrando la boquilla para eliminar los gases volátiles que se forman durante el proceso de extracción. Al final de la primera extracción nos queda la fase acuosa abajo, siendo más densa que el diclorometano2. Luego nos quedamos la fase orgánica aparte y la fase acuosa la volvemos a añadir dentro del embudo de extracción y repetiremos el proceso tres veces más. En estos últimos casos la fase acuosa ya es menos densa que la orgánica

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La metanosulfonamida es un catalizador que ayuda la oxidación del osmiato potásico dihidratado. Según el artículo: J. Org. Chem. 1992, 57, 2768-2771 “En ausencia de metanosulfonamida solo se obtuvo un rendimiento del 70% del diol correspondiente después de 3 días de reacción a 0ºC. Pero si se usa la metanosulfonamida se obtiene un rendimiento del 97% del diol correspondiente después de 10 horas de reacción a 0ºC. 2

ρ(diclorometano) = 1.33 g/ml.

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y por ello la fase acuosa nos quedará en la parte superior. Tras finalizar la extracción, vamos a proceder al lavado de la fase orgánica. Para ello primero vamos a realizar dos lavados con sulfúrico 0.25 M. Con este lavado eliminaremos los carbonatos que mantenían las condiciones básicas en la reacción. Cuando fuimos a realizar el proceso de lavado y antes de añadir el ácido sulfúrico vimos que nos apareció una turbidez blanca en la parte superior de la disolución. Al inició nos pensamos que había dos fases y por ello separamos las dos supuestas fases en dos erlenmeyers diferentes y añadimos agua para ver cuál era la fase acuosa y cual era la orgánica y resulto ser ambas dos fases orgánicas, por ello seguimos con el lavado cuando separamos de nuevo las fases orgánicas. Creo que puede ser debido a dos posibilidades: 1- Tras finalizar la extracción, lavamos el embudo de extracción y podría haberse contaminado de agua con cal, pese a haberla lavado con agua des ionizada. 2- Al añadir nuestra primera extracción en último lugar, y habiendo extraído impurezas de la fase acuosa, quedase contaminada y de allí nuestra turbidez. Cuando terminamos el lavado con sulfúrico, procedimos a lavar con KOH3 2M. Al terminar el lavado con KOH, ponemos la disolución en un Erlenmeyer de 250 ml y añadimos Na2SO4, para eliminar las trazas de agua existentes en la mezcla. Filtramos en seco nuestra disolución anhidra en un matraz de fondo redondo de 100 ml y lo pusimos en un rotavapor para eliminar el disolvente y quedarnos el crudo de reacción4. Recristalizamos con 20 ml de una disolución agua/etanol (1:1) y lo dejamos cristalizar en un Erlenmeyer de 100 ml. Al día siguiente filtramos con un filtro Büchner y Kitasato y lavamos con una disolución agua/etanol (1:1) a 0ºC. Lo dejamos secar y realizamos el espectro de IR. Después preparamos una disolución de 0.2 gramos de producto en 10ml de disolución (el disolvente es etanol) en un matraz aforado de 10 ml y utilizamos un polarímetro para obtener la rotación óptica. Preparamos una pastilla de bromuro potásico para obtener el espectro de infrarrojo. Tomamos el punto de fusión.

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El KOH se utiliza para neutralizar el exceso de ácido sulfúrico y para eliminar la mayoría de la sulfonamida. (Chem. Rev. 1994, 94, 2483-2547.

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El rotavapor es un instrumento que puede separar el disolvente y el soluto mediante una destilación a presión reducida. Eso se consigue creando vacío. Para calentar se utiliza un baño maría, así que a baja temperatura se consigue destilar.

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Conclusiones y resultados Mecanismo Como

podemos

apreciar, se trata de un ciclo catalítico, donde usamos un metal de transición para obtener nuestro producto. El representado

ligando como

“L” (véase figura ), es el compuesto que da la información quiral, como se explica en la cuestión 2.

Ilustración 1. Mecanismo cíclico de hidroxilación asimétrica de Sharpless

Ilustración 2. Mecanismo de acidificación del ester de osmio a partir de la metanosulfonamida

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Ilustración 3. Ligando ("L") (DHQ)2PHAL

Calculo del rendimiento · Calcular los gramos teóricos 0.90 𝑔 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑜 𝑥

96 𝑔 𝑟𝑒𝑎𝑙𝑒𝑠 100 𝑔 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠

𝑥

1 𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑜 180.25 𝑔 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑜

𝑥

1 𝑚𝑜𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑒𝑠𝑡𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑜 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖𝑜𝑙

𝑥

214.25 𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑖𝑜𝑙

1.03𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙

· Calcular rendimiento %=

𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠

𝑥100 =

0.62 𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑠 1.03 𝑔 𝑑𝑖𝑜𝑙 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜𝑠

𝑥 100 = 60.2%

Punto de fusión Según los valores bibliográficos encontrados el punto de fusión del 1,2-difenil-1,2 etanodiol es de 146-150ºC y hemos obtenido un intervalo de 144-149ºC. Eso querrá decir que nuestro producto no es del todo puro, pues el intervalo difiere un poco del teórico. Rotación óptica 𝛼=

𝛼 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 −1.677 = −83.85º = (0.02) · (1) 𝑐𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 · 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑

αd teórico = -94º 𝑒. 𝑒 =

𝛼 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑡𝑜 −83.85 𝑥 100 = 𝑥 100 = 89.2 % 𝛼 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 −94

=

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Obtenemos un 94.6% del producto (S,S), mientras que obtenemos un 5.4% del producto (R,R). Por tanto es un método bastante bueno para obtener el isómero deseado.

Espectros IR reactivo-producto

Ilustración 4. Espectro IR de trans-estilbeno y 1,2-difeniletano-1,2-diol

Si comparamos el reactivo con el producto podemos destacar las diferencias y similitudes que tienen ambos espectros: -Similitudes: Ambos compuestos tienen dos grupos fenilos, por lo que sobre 3000 se pueden apreciar dos picos de intensidad media que hacen referencia a los compuestos aromáticos.

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- Diferencias: En el espectro del reactivo no vemos una banda ancha por encima de los 3300, eso es debido a que ese tipo de bandas son características de los alcoholes, ahora bien el espectro del reactivo si tiene una banda de intensidad media sobre 1600, que hace referencia a las olefinas, mientras que en el espectro del producto no aparece ninguna banda entre 1500-2900.

Preguntas propuestas 2. En base al artículo J. Org. Chem. 1992, 57, 2768 comentad el hecho que sea el enantiomero (S,S) el que se obtiene en este experimento. En la dihidroxilación asimétrica de Sharpless se utiliza una mezcla de reactivo llamada AD-mix α y como se ha comentado anteriormente presenta el ligando (DHQ)2PHAL (véase figura ). Este ligando presenta una estructura y configuración que obligan que la disposición de los reactivos se vea limitada y se obtenga únicamente el compuesto (S,S). Con ello quiere decir que el ataque de la AD-mix α se lleva a cabo por abajo del plano de la olefina (cara α).

Ilustración 5. Propuesta de la orientación geometrica para obtener el enantiomero (S,S) o el (R,R)

3. Sugerid otros métodos de conversión del trans-estilbeno en 1,2-difeniletano-1,2-diol; se ha de prestar atención especial con el resultado estereoquímico de los métodos que sugerís. Podemos proponer ciertos métodos alternativos para obtener el 1,2-difeniletano-1,2diol, aunque no se obtendrán tan buenos rendimientos e incluso no se obtendrá una enantioselectividad. Cabe añadir que la gran mayoría de métodos alternativos nos darán el producto –trans (producto termodinámico) en detrimento del –cis.

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· Epoxidación de olefina Podemos obtener el diol a través de un epóxido. Eso se lograra con la reacción del ácido meta-cloroperbenzoico (mCPBA). Tras formar el epóxido se abrirá en condiciones acidas o básicas dependiendo del medio en el que estamos. En este caso obtendremos mayoritariamente el diol -trans. · Oxidación de olefinas a través de permanganato Obtenemos el producto cis, pero se pueden obtener el producto (R,R) o el producto (S,S). Se suele utilizar más que el osmato potásico, debido a que el osmio es más caro que el manganeso. · Hidroxilación de Millas En este caso se utiliza el tetraóxido de osmio y como disolvente el terbutanol y agua oxigenada. El mecanismo consiste en la reacción del peróxido de hidrogeno y luz UV o un catalizador en forma de óxido de osmio, cromo o vanadio. Con esto obtendremos un diol cis sin obtener enantioselectividad. · Hidroxilación de Upjohn Es un procedimiento donde usa tetraoxido de osmio y como catalizador N-oxido-Nmetilmorfolina. La reacción de Upjohn es más lenta que la de sharpless, además de que da menos rendimiento....