Universidad Nacional de ColombiaFacultad de Ciencias Departamento de Química Laboratorio de Química Orgánica I Prof. Barbara De Las Mercedes Moreno Murillo ____________________________________________________________________________ Síntesis orgánica de 1,3-benzodioxol-5-carbal dehi do (piperonal): oxidación del 1,3-benzodioxol-5-il metanol (alcohol piperonil) con dicromato de potasio O OH K Cr O 2 2 7 O O O O 1 2 Juan Camilo Monroy Garzon , Nydia Johana Mosquera Monroy, Abril de 2015 Resumen: Se planeó y ejecutó la síntesis de 5g de piperonal por medio de la oxidación selectiva del grupo hidroxilo del alcohol piperonil. La técnica probada consistió en una oxidación con dicromato de potasio a temperatura ambiente en un medio de reacción libre de so lvente. Se planteó el mecanismo de reacción y se explicó brevemente las razones por las cuales la oxidación hacia acido carboxílico no es el producto principal en condiciones libres de solvente. Fueron usadas cantidades equimolares del sustrato y de dicromato de potasio. Una mezcla solida de 5.11g de alcohol piperonal y 10.9g de dicromato de potasio, ambos finamente pulverizados, se mantuvieron en agitación con la ayuda de un agitador magnético en un Erlenmeyer durante 5 horas, fue adicionada una pequeña cantidad de diclorometano (siguiendo la recomendación de los autores para sustratos solidos) y la reacción se monitoreo con análisis cromatografico cuyo eluente consistió en una solución éter de petróleo/acetato de etilo (4:1 v/v). Se obtuvieron 2,761g del aldehído correspondiente, que corresponde a un rendimiento del 54% y 1,2g de lo que se cree es ácido piperonilico, producto no esperado cuya formación se le atribuye a la presencia de agua en el medio de reacción, el porcentaje de alcohol piperonil que reacciono es, entonces, 80%. Palabras clave: oxidación, selectiva, alcohol primario, libre de solvente, sustratos sólidos. Abstract: It was planned and executed the synthesis of piperonal (5g) through the selective oxidation of the hydroxyl group of piperonyl alcohol. The technique consisted of an oxidation with potassium dichromate at room temperature in a reaction medium free of solvent. The reaction mechanism and the reasons why the oxidation to carboxylic acid is not a main product in solvent -free conditions are briefly explained. They were used equimolar amounts of substrate and potassium dichromate. A solid mixture of 5.11g of piperonal alcohol and 10.9g of potassium dichromate, both finely ground, kept under stirring with the help of a magnetic stirrer in an Erlenmeyer for 5 hours, it was added a small amount of dichloromethane (as the authors recommended to solid substrates) and the reaction was monitored with chromatographic analysis in which the eluent consisted of a solution of petroleum ether / ethyl acetate (4: 1 v / v). 2,761g of the aldehyde were obtained, which corresponds to a yield of 54% and 1.2g of piperonylic acid was also obtained, this unexpected product formation is attributed to the presence of water in the reaction med ium, so the percentage of alcohol that react is 80%. Keywords: oxidation, selective, primary alcohol, solvent free, solid substrates. Una de las formas más prometedoras son las técnicas libres de solvente. y catálisis de transferencia sólido-líquido pueden ser empleados con notables incrementos en la reactividad y selectividad. Interés general de los procesos libres de solvente: Hoy en día. los químicos orgánicos son impulsados a organizar investigaciones que permitan mejorar técnicas para que preserven el medio ambiente y la economía de los procesos sintéticos. si es primario. s iendo el ácido crómico (H2CrO4) el procedimiento más eficiente. Un alcohol secundario puede perder su único hidrógeno para transformarse en una cetona. El tipo de producto que se genera depende del número de estos hidrógenos que contiene el alcohol. no es oxidado. eliminación de este éster produce la cetona. pues genera altos rendimientos. En lo que respecta a los alcoholes primarios. Los dos moles de Cr(+5) así formado pueden oxidar dos moles de alcohol produciéndose entonces el cromo (+3) totalmente estable y escrito como H3CrO3.Marco teórico: La oxidación de alcoholes es una reacción química importante. lo que supone por lo general muchos cuidados adicionales y por supuesto eleva el costo de la síntesis. El ácido crómico oxida a un alcohol primario y llega hasta el ácido carboxílico. el carbono del carbinol retiene su átomo de oxígeno pero pierde su hidrógeno y forma un enlace π con el oxígeno. un nuevo agente oxidante escrito como HCrO3. de modo que se hagan más limpios. estos pueden presentar dos grados de oxidación: a aldehído y a ácido carboxílico. Reacciones en soportes sólidos minerales. generalmente. las condiciones han de ser anhidras. Técnicas libres de solvente en la síntesis orgánica Por razones económicas y ambientales. La oxidación directa de los alcoholes primarios a ácidos carboxílicos normalmente transcurre a través del correspondiente aldehído. El ácido crómico se prepara disolviendo dicromato de sodio (Na2Cr2O7) en una mezcla de ácido sulfúrico y agua. H2CrO3 + H2CrO4 2HcrO3 + H2O R R 2HcrO3 + 2R CHOH C O +2H3CrO3 [Ox] R OH 2H3CrO3 + 3H2SO4 Cr2(SO4)3 + 6 H2O R O Oxidación de alcoholes La oxidación de un alcohol implica la pérdida de uno o más hidrógenos del carbono que tiene el grupo -OH. pero sin duda. porque la mayor parte de los agentes oxidantes que pueden oxidar al alcohol primario. también oxidan al aldehído. OH El cromo (+4) que se forma es totalmente inestable por lo que ocurre una reacción de desproporción entre el cromo (+4) y el cromo (+6) para producir cromo (+5). [Ox] [Ox] R R R O O OH Los alcoholes secundarios sólo pueden ser oxidados a cetonas. secundario o terciario. a menos que las condiciones sean tan fuertes que involucre ruptura de enlaces carbono-carbono. seguros y fáciles de realizar. una técnica interesante supone condiciones de reacción que no involucren solvente: “solvent free reactions”. de modo que puede perder uno de ellos para dar un aldehído o ambos para formar un ácido carboxílico. Por lo general es difícil obtener el aldehído. reacciones sin ningún solvente/soporte o catalizador. La Un alcohol terciario no tiene hidrógenos . En la eliminación. pues los solventes suelen ser: Tóxicos . Un alcohol primario contiene dos hidrógenos. Esto implica que para detenerse en el aldehído. Por esto para oxidar alcoholes primarios a aldehídos se utiliza agentes oxidantes menos fuertes que el ácido crómico como lo son: el reactivo de Jones que es una solución diluida de ácido crómico en acetona y el reactivo de Collins que es un complejo de trióxido de cromo con dos moléculas de piridina que es mucho más efectivo que el primero. y cualquier oxidación se debe llevar a cabo por ruptura de los enlaces carbono-carbono. que luego se transforma por reacción con agua en un hidrato de aldehído. es decir. En presencia de ácido sulfúrico la especie es convertida en Cr2SO4. de modo que. Na2Cr2O7 + 2H2SO4 [H2Cr2O7] 2H2CrO4 + 2NaHSO4 El mecanismo de la oxidación del alcohol implica probablemente la formación de un éster de cromato. Existen. los alcoholes secundarios no se oxidan. sin embargo. necesitándose para esto condiciones drásticas y además producen mezclas de compuestos . los métodos libres de solvente son de gran interés para la modernización de procedimientos clásicos. agentes oxidantes suaves que pueden detenerse en el aldehído. Reacciones sin solvente. lodos impregnados del reactivo. En otras reacciones sin disolventes. Pobres interacciones pueden. ya que no se debe tener en cuenta el punto de ebullición de los solventes. Una solución se define como una mezcla líquida en la que el soluto es distribuido uniformemente por todo el disolvente. También muchos reactivos se utilizan comúnmente en solución acuosa. no se generan residuos. esta es acuosa. de modo que si se trata de reacciones de adición. lo que permite entonces manejar cantidades de material más pequeños. soporte o catalizador. industrialmente una opción sería emplear la tecnología de los molinos de cemento. Selectividad: Los rendimientos de los sistemas de reacción aumentan cuando grandes concentraciones de agregados están presentes. entonces. por ejemplo agua. este método ha sido muy exitoso en reacciones a escala de kilogramos. Reacciones heterogéneas entre reactantes puros en cuasiequivalentes cantidades sin ningún aducto. pero frecuentemente la reacción como un todo emplea solventes. En muchas reacciones solvent-free (sin disolventes) (como parece ser el término más utilizado en este momento) uno de los reactivos es un líquido y está a veces presente en exceso. en términos de la reducción de residuos. es no utilizar disolvente. en el cual se ponen en contacto los compuestos sólidos que participaran en la reacción. El segundo tipo de técnica expuesta atañe al laboratorio a realizar.Costosos Problemáticos de usar Problemáticos de remover Reactividad: Se aprecia un aumento en la cinética. peróxido de hidrógeno al 30%. Tipos de técnicas “solvent free” Reacciones en soportes minerales. Además del término solvent-free (libre de disolventes). en teoría. pues las concentraciones de los reactantes incrementan si se evita el uso de solventes A + B -> producto Velocidad= K [A] [B] Además la temperatura puede ser aumentada. Del mismo modo. La reducción de residuos con técnicas libres de solvente Son llevadas a cabo manteniendo una muestra del reactante finamente pulverizado. Se usan aluminios. se han desarrollado con reactivos y productos en la fase de vapor y son solvent-free. Se puede acelerar la reacción al calentar. Por ejemplo. muchas reacciones industriales se llevan a cabo en la fase gaseosa o sin ningún disolvente adicionado. la reacción en un “medio seco” se realiza mediante soportes impregnados de diferentes reactantes. Este líquido a menudo está actuando como el disolvente y produciendo unas soluciones de reacción homogénea. puede entonces modificar los mecanismos de reacción aminorando la dinámica molecular e inducir subsecuentes selectividades especiales (estéreo. Por lo tanto. sílicas. aparecer (como el apilamiento ) que suelen ser enmascaradas por los solventes. sin embargo la cantidad de solvente empleado es dramáticamente reducido en comparación con la cantidad que se utiliza en la reacción convencional y así estos métodos son muy amigables con el medio ambiente. entonces la reacción es solvent-free. como también moliendo la mezcla con mortero. En otras reacciones que se acercan a ser solvent-free se emplean VOCs (compuestos orgánicos volátiles) para extraer y purificar el producto y sin embargo la reacción como tal es solvent-free. El lavado y extracción de los productos es más fácil e incluso innecesario. en este caso se colocan una o más bolas dentro de un recipiente que se agita a altas velocidades. Simplificación de los procedimientos experimentales: Aparatos como condensadores de reflujo ya no son necesarios. y la palabra limpio podría ser una mejor descripción para explicar la naturaleza altamente concentrada de los reactivos y la falta de disolvente adicional. agitar. cada vez que hay una solución presente. irradiar con ultrasonido o microondas. Sin embargo. puede ser un líquido. para las reacciones solvent-free . regio o enantioselectividad). sin embargo si la reacción ocurre en una solución homogénea. por otra parte a pequeña escala en el laboratorio de investigación. formada durante el curso de la reacción y esto ayuda a la reacción en la interfase entre los reactivos y a adicionalmente actúa como un disolvente. Ocurren en la presencia de cantidades catalíticas de sales de amonio o agentes acomplejantes. Si la mezcla de reacción es una emulsión o una suspensión de reactivos orgánicos en una fase acuosa. muchos materiales se pueden preparar sin disolventes a través de compuestos sintéticos en estado sólido. Muchos procesos industriales especialmente aquellos que emplean catálisis heterogénea. otro método muy promisorio para la realización de este tipo de reacciones es el empleo de molino de bolas. también hay un disolvente presente. El disolvente más verde. ambos términos son un tanto engañosos. de esta manera en la mayoría de las reacciones solvent-free en algún punto de esta se emplea solventes. En el caso de mezclas sólido/líquido se puede dar solubilización del sólido en el líquido o absorción del líquido en el sólido. Catálisis de transferencia sólido-líquido. en muchos casos. el término solventless se utiliza en la literatura para describir estas condiciones de reacción. Es importante tenerse en cuenta que durante la pulverización o molienda con bolas de los reactivos sólidos. como en síntesis orgánica. Adicional a este el método. acoplamientos fenólicos. incluyendo la calefacción y la formación de defectos superficiales. El intervalo de reacciones va desde muy simples. la combinación con calentamiento microondas también ha demostrado ser muy funcional. el producto (C) se empieza a formar en la interface que distorsiona aún más las estructuras cristalinas y se forma una mezcla de las fases A-B-C. acoplamientos oxidativos (Glaser) y polimerizaciones. eliminaciones. A pesar del reciente interés en los procedimientos solventfree dentro de la química inorgánica y de materiales. 5) El grupo dicromado es un grupo saliente muy bueno que no sale con el oxígeno (en esto se basan las oxidaciones de alcoholes en su mayoría) de modo que al abstraer el protón del carbono. donde la reacción involucra un líquido. que revelan nuevas superficies para llevar a cabo la reacción . obteniendo la forma reducida del dicromato y como subproducto adicional agua. La molienda también proporciona transferencia de masa y puede evitar reacciones exotérmicas que forman los puntos calientes. Desprotonacion del alcohol y formación del ester de cromato 3.es posible emplear un mortero para pulverizar juntos todos los reactivos sólidos. lo lógico es pensar que el -OH abstrae simultáneamente el protón del carbono del alcohol mientras es expulsado. acoplamientos C-C. La gran mayoría de la literatura reciente en el campo de las reacciones solvent-free muestra los principios de la química verde concernientes con las reacciones de síntesis orgánica . esté método ha sido ampliamente usado en química supramolecular. isomerizaciones. Expulsión de -OH por el movimiento de electrones del oxígeno en el grupo dicromado 4. Se han propuesto mecanismos. el proceso es similar al proceso convencional excepto las condiciones de alta concentración. hasta reacciones más complejas. En algunas reacciones solvent-free. El método solvent free es útil tanto para síntesis inorgánica y de materiales. reducciones . química de materiales y transformaciones de biomasa . Recientemente métodos computacionales también han sido usados exitosamente para predecir rendimientos y tiempos de reacción para reacciones organocatalíticas. estas reacciones se dividen en dos clases principales: reacciones térmicas y reacciones fotoquímicas . a continuación se presentan algunos ejemplos de reacciones orgánicas sintéticas que han empleado condiciones solvent-free. . el movimiento de electrones hacia el oxígeno impulsa la expulsión del grupo saliente con un par electrónico. adiciones. química de coordinación y la formación de clúster con metales de transición y polímeros. En un medio libre de solvente. la mayoría de las reacciones estudiadas con esta metodología has sido de origen orgánico. parcialmente derivados de los datos de microscopía de fuerza atómica en cuanto a cómo proceden las reacciones solido-solido solvent-free. A continuación. sustituciones. las moléculas de reactivo (A) migran hacia planos de exfoliación o canales dentro de la estructura del otro reactivo(B). las reacciones solvent-free térmicas incluyen oxidaciones. reacciones de sustitución de ligandos para sales de iones metálicos lábiles. Mecanismo de oxidación con dicromato de potasio Los pasos de la oxidación son los siguientes: 1. la energía cinética se suministra y esto puede tener varios efectos. Inicialmente. como la concentración del producto (C) aumenta. primer paso para la formación del ester de cromato 2. lo que llevaría a la descomposición. sin embargo las aproximaciones de las reacciones solvent-free pueden también ser utilizadas en la extracción de productos naturales. mientras que los reactivos líquidos se mezclan. pero se encuentra menos información disponible en la literatura sobre este campo . de modo que el paso 3 y 4 son concertados. Tal característica se ha aprovechado recientemente en las transformaciones de la biomasa sin disolventes. cristales de C comienzan a formarse en la fase A-B-C que se desintegra y forma nuevas partículas. ataque del oxígeno del alcohol al cromo del dicromato de potasio. Tetrahedron Letters 43 (2002) 8843-8844. Zhi-Nan Xu.881 5. [6] K. M ethuen and Co ltd.. Tanaka. F. solvent-Free Organic Synthesis.Wiley VCH.P 51-53. RSC Green Chemistry No 20.0370 0. Yagi. pues tiene un grupo activante en la posición para respecto al grupo a oxidar. Organic Synthesis by oxidation with metal compounds [4]Waters WA (1964) M echanism of oxidation of organic compounds. Selective solvent-free oxidation of alcohols with potassium dichromate.Toda.0370 0.0 0.57.13 0. La tabla 2 corresponde por tanto a los datos de planeación de la práctica. Tabla 1: Datos para definir la estequiometria de la reacción Ecuación rendimien to H3C OH O K2Cr2O7 O O 1 Gramos (g) Moles (mol) H3C 90% 2 1.2013 P. (1988) j chem soc chem commun 958 [2] Toda. H. F.00651 Lo importante es tener en cuenta el rendimiento reportado de la reacción.110 10. Weinheim.89 0. Selective solvent-free oxidation of alcohols with potassium dichromate. Se construye la siguiente tabla (tabla 1) para determinar la estequiometria de la reacción. se toma la que probablemente tendrá la reactividad más parecida a la de nuestro sustrato: (4-metoxifenil)metanol. Tanaka.0 2. 1025-1074 Ecuación rendimien to O Cr O O - O - O O O O + H - - O adecuada los reactivos necesarios para la síntesis de 5g de piperonal (objetivo del experimento). London. Chem.O OH O O + Cr O O - O O O O O - O Cr O O O O O HO O O Cr O O H H O O O Cr - O Cr O O Tabla 2: cálculo de reactivos a partir de tabla 1 Cr O - O O O Cr O - Cr O + O O - H2O Literatura consultada [1] Toda..Tanaka and F. M ami K (1990) j chem soc Perkin Trans l 3207 [3]Freeman. Francesca M Kerton and Ray M arriot. 100.00724 0. Kiyoshige.033 Diagrama de flujo (procedimiento): adaptado de [1] Parte experimental A partir del artículo: Ji-Dong Lou. 2nd Edition. Tetrahedron Letters 43 (2002) 8843-8844. K. 2nd edn. [7] K.2009. . [5] Alternative solvents for Green Chemistry. M . F. 2000. pues a partir de este se calculan de manera 1 Ji-Dong Lou. Rev. - Cr O O O O HO O K2Cr2O7 O - O 1 Gramos (g) Moles (mol) O O 2 5.00724 0. Zhi-Nan Xu.Se construye la tabla 2 tomando como referencia las relaciones estequiometricas encontradas en la tabla 1. Dado que los autores reportan la oxidación de moléculas varias. 65 5h 0.60 3h 0.55 Mancha alargada 0. Resultados Siguiendo la recomendación del articulo para reacciones con sustratos sólidos. tener en cuenta que se realizó una cromatografía tomando muestras de la mezcla de reacción cada hora. En cada sistema (cada cromatografía) se plantaron siempre dos muestras: a) Mezcla de reacción.63-0. Tiempo de Rf patrón (alcohol Rf muestra reacción al hacer piperonal) la cromatografía 1h 0.Esquema 1: resultados de cromatografías realizadas durante tiempo de reacción. Los siguientes esquemas representativos resumen los resultados (formas aproximadas de las manchas).75 2h 0.77 Tres manchas 0. En la siguiente tabla (tabla 3) se reportan los Rf obtenidos experimentalmente: Tabla 3: Datos cromatografías realizadas durante la reacción.65-0.55-0.67-0. Mientras la reacción tenía lugar.74 . se usó un poco de diclorometano.75 Única 0. apenas para solvatar los compuestos. se realizaron ensayos cromatograficos. de manera que el tiempo indicado en el esquema corresponde a esto y no al tiempo de elución.60 Única 0.50-0.81 Tres manchas 0. Se corrieron en total 5 cromatografías en éter de petróleo acetato de etilo (4:1 v/v). para evaluar si la reacción tenía lugar o no. b) alcohol piperonal.72 4h 0. H.Tal como indicaba el artículo. típico de la formación de dímeros en ácidos carboxílicos por asociación por puentes de hidrogeno. Product information: CAS Number 94-53- . M . en la que el cromo cambia su estado de oxidación y se reduce Respecto al producto en el papel de filtro. que reacciones como la oxidación con un agente oxidante tan fuerte (el dicromato de potasio) se detengan en el aldehído con buenos rendimientos El producto obtenido es de una pureza baja. K. solido cristalino. Con el peso tara del balón en el que rota evaporó y el peso con líquido. Yagi. 3 2 MSDS piperonal. Se realizaron dos filtraciones más por la misma razón. F. El análisis espectroscópico del IR obtenido (anexo) es el que permite discernir la identidad del compuesto. color Amarillo/naranja El color naranja del filtrado indicaba que la filtración no fue efectiva y que dicromato de potasio se encontraba aun en esta fracción.761g de producto crudo. Respecto a la identidad del residuo. reduciendo considerablemente el color naranja/amarillento de la solución a rota evaporar. La formación de este producto puede ser explicada por la presencia de agua. Los análisis IR obtenidos para la muestra y el residuo están como anexos. F. para facilitar su análisis. Tetrahedron Letters 43 (2002) 8843-8844. Fuente:Sciencelab. es necesariamente mayor a 150°C (el del ácido piperonilico es 229-231°C3).. se determina que se obtuvieron 2. El análisis cromatografico con solución de acetato de etilo: éter de petróleo (1:4 v/v) mostro que el producto sintetizado efluye más rápido que el alcohol piperonil y que el residuo inesperado eluye más lento. aunque no fue hallado. El análisis espectroscópico de este residuo (anexo) indica la presencia de estiramientos –OH cuya banda es muy ancha. Fuente:Sciencelab. Product information: CAS Number 94-53Toda. pues no fue separado totalmente el líquido donde se encontraba el producto de interés del precipitado solido que es el dicromato finamente pulverizado El análisis cromatografico permite concluir con seguridad que el producto obtenido no es alcohol piperonil Se propuso un mecanismo de reacción lógico para la transformación química vista. al cabo de 5h se podría dar por terminada la reacción (la mancha correspondiente al alcohol piperonil ya era bastante pequeña). se cree que se debe de tratar de alcohol piperonil que se oxido hasta acido. M ethuen and Co ltd.p piperonal: 37°C2 ). Análisis y discusiones Pese a lo indicado por los autores del artículo referencia. color blanco Liquido filtrado. se determina que su punto de fusión es mayor a 150°C (no hubo tiempo para esperar a que la temperatura subiera más en el fusiómetro usado). Selective solvent-free oxidation of alcohols with potassium dichromate. pues no se logra la separación completa de la solución sobrenadante. ya sea por humedad ambiental (poco probable que explique la cantidad formada) o por la falta de desecación de los reactivos de partida.com Sigma Aldrich. esto se debe a la filtración. M SDS piperonal. pues es Resumen bibliográfico Ji-Dong Lou. de eluirian de la misma forma. F. Se le atribuye este inconveniente al tamaño de poro del papel filtro usado. es importante tener en cuenta que el análisis cromatografico comparativo entre el alcohol piperonal y este producto (eluyendo en el mismo sistema y en la misma cuba) es quien permite concluir que en definitiva el producto es diferente del sustrato. London. Después de la dilución con diclorometano y filtración se obtienen dos fracciones: Producto inesperado en el papel filtro. Una razón interesante podría deberse a que la formación de agua in-situ pueda explicar la reacción del aldehído Conclusiones El líquido fue llevado a rota vapor. Kiyoshige. el color café/naranja oscuro de este producto indica que la filtración no fue efectiva y que probablemente se encuentra presente dicromato de potasio o en su defecto la forma reducida. se obtiene un sólido de color café claro. El punto de fusión de este compuesto es de 41°C. blanco cristalino y su punto de fusión experimental. Tanaka. Se realizo una oxidación selectiva del alcohol piperonilico con dicromato de potasio Se determinaron las ventajas de realizar una técnica que no requiere solvente. el destilado del solvente no fue suficiente para obtener un producto con suficiente pureza (literatura: m. Organic Synthesis by oxidation with metal compounds Waters WA (1964) M echanism of oxidation of organic compounds.com 1 Sigma Aldrich. entre ellas. (1988) j chem soc chem commun 958 Toda. Zhi-Nan Xu. M ami K (1990) j chem soc Perkin Trans l 3207 Freeman. solvent-Free Organic Synthesis. Tanaka.P 51-53. 2nd edn. Chem. 2000. 1025-1074 .57.Toda. Weinheim. RSC Green Chemistry No 20.Wiley VCH.2009.Tanaka and F.Alternative solvents for Green Chemistry. K.. 100. 2nd Edition. Rev. Francesca M Kerton and Ray M arriot. [ K.2013 P..