Сочинение на тему Двухэтапный органический синтез 4-бромацеанилида и применение принципов зеленой химии
- Опубликовано: 27.06.2020
- Предмет: Наука
- Темы: Зеленая химия, Химия
Использование принципов зеленой химии при анализе синтеза 4-бромацетанилида
Аннотация
Этот эксперимент был завершен с целью использования принципов зеленой химии при анализе двухстадийного органического синтеза 4-бромацеанилида. Этот эксперимент был актуален из-за важности принципов зеленой химии с точки зрения безопасности окружающей среды и здоровья человека. Было обнаружено, что все еще возможно получить подходящий процентный выход 68% посредством измененной последовательности реакции (таблица 1). Классовые и индивидуальные выходы показали, что можно проводить альтернативную, более зеленую реакцию и все же получать желаемые результаты. Данные спектроскопии были проанализированы для подтверждения идентичности ацетанилида и 4-бромацетанилида. Альтернативная реакция показала, что это была более оптимальная реакция, чем стандартная, благодаря принципам зеленой химии, которым она следовала. Эти принципы важны для здоровья человека и защиты окружающей среды, и измененная реакция, использованная в лаборатории, была шагом в правильном направлении в том, чтобы сделать реакции более химически зелеными.
Введение
Целью этого эксперимента было использование принципов зеленой химии для анализа двухстадийного органического синтеза 4-бромацетанилида. Стандартная последовательность реакций, обсуждаемая в этом эксперименте, производит вредные побочные продукты и отходы.3 Стоимость правильной утилизации опасных веществ высока.2 Принципы зеленой химии используются для создания лучшей и более безопасной последовательности реакций. Реакция переноса ацила используется в этом эксперименте для образования ацетанилида из анилина. Эта реакция переноса ацила используется в качестве защитной группы, которая позволяет ацетанилиду подвергаться монозамещению вместо множественных замен1. Поскольку ацетанилид является более кислым, он будет способствовать реакции между HOCl и NaBr, поскольку эти реакции обычно являются кислотно-активными. Это реализует принципы зеленой химии предотвращения и использования менее опасных химических веществ. Сбалансированные уравнения для двухэтапного синтеза, выполненного в лаборатории, показаны ниже. Первая реакция образует ацетанилидное соединение, а вторая – 4-бромацетанилид.
Методы
Реакция ацетилирования
Сначала 2 мл (22 ммоль) анилина и 4 мл (69 ммоль) ледяной уксусной кислоты смешивали в сухой чистой 25 мл круглодонной колбе. Мешалка была включена в смесь, и воздушный конденсатор и адаптер были прикреплены к колбе. Смесь доводили до кипения при 370-430 ° С при перемешивании. В течение этого времени движение кольца конденсации тщательно наблюдалось. Когда конденсаторное кольцо поднялось на половину вверх до двух третей вверх по конденсатору, нагрев уменьшился на 5-10 ° C. В это время реакционную смесь кипятят с обратным холодильником в течение 90 минут и еще раз тщательно контролируют высоту конденсационного кольца.
Реакционную смесь снимали с нагревания через 90 минут и охлаждали до того, как ее наливали в 30 мл холодной ледяной воды в стакане на 100 мл. Эту смесь охлаждали и перемешивали на бане с ледяной водой до завершения кристаллизации. Затем кристаллы собирали на фильтре Бюхнера и дважды промывали 10 мл ледяной воды. Как только кристаллы ацетанилида высохли, их массировали с получением 1,808 г (61%) белого твердого вещества: т.пл. 108-111 ° С с разложением [литр. Т.пл. 113-114 ° С]; ИК 3291, 3067, 3027, 1662, 1499, 1262 см-1; 1H ЯМР (500 МГц, CDCl3) δ 2,16 (3Н, с), 7,11 (1Н, т), 7,31 (2Н, м), 7,5 (2Н, д), 7,65 (1Н, с); 13C ЯМР (125,7 МГц, CDC13) δ 24,6, 120,1, 124,5, 129,1, 138, 168,8.
Реакция бромирования
Сначала 1,0 г (7,4 ммоль) ацетанилида смешивали с 1,8 г (17,5 ммоль) NaBr в колбе Эрленмейера объемом 125 мл вместе с 6 мл 95% этанола, 5 мл уксусной кислоты и мешалкой. Эту реакцию перемешивали на бане с ледяной водой в течение 5 минут. После завершения к смеси добавляли 10,7 мл (7,8 ммоль) NaOCl и реакционную смесь удаляли из бани с ледяной водой после перемешивания в течение 5 дополнительных минут. После отстаивания смеси в течение 15 минут ее снова охлаждают на бане с ледяной водой. Готовили раствор 1,0 г тиосульфата натрия, добавленного к 1,0 г гидроксида натрия в 10 мл дистиллированной воды. Этот препарат вводили в реакционную смесь и затем перемешивали в течение 15 минут. Сырой продукт, который образовался, затем собирали через вакуумную фильтрацию и промывали 10 мл дистиллированной воды. После сушки добавляли 50% этанол для перекристаллизации неочищенного продукта. Продукт перекристаллизованного 4-бромацетанилида собирали и собирали с получением 1,076 г (68%) белого твердого вещества: т.пл. 167-168 ° С с разложением [литр. Т.пл. 167-169 ° С]; ИК 3300, 3064, 2928, 1667, 1536, 1258 см-1; 1H ЯМР (500 МГц, ДМСО) δ 2,04 (3H, с), 7,47 (2H, д, J = 2,5 Гц), 7,57 (2H, д, J = 2,5 Гц), 10,06 (1H, с); 13C ЯМР (125,7 МГц, ДМСО) δ 24,4 (2,04), 114,9, 121,3 (7,57), 131,9 (7,47), 139,1, 168,9.
Таблица 1. В приведенной ниже таблице показаны выходы и процентные выходы класса и индивидуальных данных для продуктов ацетанилида и 4-бромацетанилида. Можно видеть, что средний выход ацетанилида по классу составлял 1,84 грамма, тогда как индивидуальный выход составлял 1,808 грамма. Более низкая индивидуальная доходность является причиной того, что общая индивидуальная процентная доходность ниже, чем значение класса. Стандартное отклонение выхода класса ацетанилидов составило 0,23. Это означает, что отклонения от среднего значения практически не было, что означает, что индивидуальная доходность фактически была ниже средней. Стандартные отклонения классового процентного выхода для ацетанилида и 4-бромацетанилида составляют 7,9 и 12,2 соответственно. Это означает, что было большее число групп, которые отклонялись от фактического среднего значения, что показывает, что отдельные процентные выходы для обоих веществ были сравнительно аналогичны среднему.
Таблица 2. В таблице ниже приведены частоты ИК-спектра ацетанилида вместе с их назначениями. Частота в 3291 см-1 была назначена связи NH, что согласуется с связью NH, которая была частью амида на частоте 1662 см-1. Эта амидная группа также подтверждает идентичность продуктов ацетанилида.
Таблица 3. В приведенной ниже таблице показаны пики спектра 13С ЯМР для ацетанилида в миллионных долях, а также число присоединенных атомов водорода и распределение пиков. Структура слева от таблицы показывает, где каждый пик назначен структуре. Количество присоединенных атомов водорода соответствует назначению структуры для каждого отдельного пика. Это подтверждает идентичность ацетанилида вместо 4-бромацетанилида из-за того, что 1 атом водорода присоединен к углероду 6, тогда как в 4-бромацетанилиде было 0 присоединенных атомов водорода.
Таблица 4. В приведенной ниже таблице показан 1H ЯМР-спектр для ацетанилида вместе со структурой, которая соответствует назначениям. Значения пиков в миллионных долях приведены вместе с числом атомов водорода, прикрепленных к каждому другому пику. Значения пиков соответствуют значениям, приведенным в исходной информации. Количество атомов водорода, которые соответствуют каждому другому пику, также соответствует его соответствующему назначению в структуре ацетанилида. Идентичность ацетанилида дополнительно подтверждается благодаря тому, что атом водорода присоединен к углероду в положении E, тогда как в 4-бромацетанилиде в этом месте не было атома водорода.
Таблицы спектроскопии 4-бромацетанилида
Таблица 5. В таблице ниже приведены частоты ИК-спектра 4-бромацетанилида вместе с их назначениями. Частота 3300 см-1 была назначена связи NH, что согласуется с связью NH, которая была частью амида на частоте 1667 см-1. Эта амидная группа также подтверждает идентичность продуктов как 4-бромацетанилида.
Таблица 6. В приведенной ниже таблице показаны пики спектра 13С ЯМР для 4-бромацетанилида в миллионных долях, а также число присоединенных атомов водорода и распределение пиков. Структура слева от таблицы показывает, где каждый пик назначен структуре. Количество присоединенных атомов водорода соответствует назначению структуры для каждого отдельного пика. Это подтверждает идентичность 4-бромацетанилида вместо ацетанилида из-за того, что к углероду 6 присоединено 0 атомов водорода, тогда как в ацетанилиде присоединен 1 атом водорода.
Таблица 7. В приведенной ниже таблице показан 1H ЯМР-спектр для 4-бромацетанилида вместе со структурой, которая соответствует назначениям. Значения пиков в миллионных долях приведены вместе с числом атомов водорода, прикрепленных к каждому другому пику. Значения пиков соответствуют значениям, приведенным в исходной информации. Количество атомов водорода, которые соответствуют каждому другому пику, также соответствует его соответствующему назначению в структуре 4-бромацетанилида. Идентичность 4-бромацетанилида дополнительно подтверждается тем, что атом углерода, присоединенный к углероду, который теперь присоединен к брому, больше не существует, тогда как в ацетанилиде в этом месте находился атом водорода. Информация о соединении от COSY также отображается в Mult. столбец.
Таблица 8. В таблице ниже приведены данные HSQC для 4-бромацетанилида. Пики 13С ЯМР показаны вместе с их соответствующими пиками 1Н ЯМР, если применимо. Показаны только три пика 1Н ЯМР, поскольку к окончательному пику был присоединен атом азота вместо углерода. Это подтверждает идентичность продукта 4-бромацетанилида.
Обсуждение
Обе реакции, проведенные в этом эксперименте, демонстрируют принципы зеленой химии. Основными указанными руководящими принципами являются предотвращение, использование менее опасных химических синтезов, более безопасных растворителей и вспомогательных веществ, эффективность, уменьшение количества производных и, по сути, более безопасная химия для предотвращения несчастных случаев5. Предотвращение является важным принципом, который следует использовать в этом обсуждении из-за изменений в экспериментах. от более опасной стандартной процедуры к более безопасной процедуре, которая была фактически выполнена. В соответствии с этим, использование менее опасных химических синтезов и более безопасных растворителей и вспомогательных веществ являются двумя ключевыми факторами при анализе зеленой химии этого эксперимента. Эти факторы показывают отрицательные качества стандартной процедуры и иллюстрируют положительные качества измененной. Эффективность можно увидеть в стандартной процедуре и будет объяснено более подробно позже. Принцип зеленой химии восстановленных производных показан в обеих реакциях с использованием защитных групп, и по этой причине он включен в это обсуждение. Последний руководящий принцип для обсуждения – это использование более безопасной химии для предотвращения несчастных случаев. Этот принцип может быть использован для изучения того, насколько измененная реакция более химически безопасна по сравнению со стандартной процедурой. Это основные руководящие принципы, которые можно использовать для анализа двух последовательностей реакций и их способности считаться зелеными.
Первый принцип для обсуждения – профилактика. В стандартной процедуре образования 4-бромацетанилида HBr был получен в качестве побочного продукта наряду с возможностью присутствия непрореагировавшего Br2 после завершения реакции. Это является проблемой из-за того, что HBr является сильной токсичной кислотой, а Br2 является коррозийным и токсичным5. Это не те вещества, которые хорошо лежать после завершения реакции. Однако измененная последовательность реакций решает эту проблему. В измененной реакции более безопасные реагенты используются только для производства воды и NaCl в качестве побочных продуктов. Вода может быть легко возвращена в окружающую среду, и NaCl является гораздо более безопасной альтернативой, чем Br2 или HBr. Следовательно, измененная последовательность реакций является более химически зеленой, чем стандартная процедура в отношении принципа предотвращения.
Наряду с профилактикой используются принципы использования менее опасных химических синтезов и более безопасных растворителей и вспомогательных веществ. В стандартной реакции используются такие материалы, как уксусный ангидрид и бром, которые являются реакционноспособными и токсичными для человека и окружающей среды. В результате стандартной реакции образуются более токсичные и коррозийные материалы, такие как HBr и Br2. Это показывает полное игнорирование стандартной реакции зеленой химии. Материалы, реализованные в измененной последовательности реакций, также не совсем безопасны и безвредны. Отбеливатель используется в качестве источника HOCl вместо уксусного ангидрида. Возможность избежать уксусного ангидрида полезна, но отбеливатель токсичен для людей и окружающей среды, а также может быть смертельно опасным, если смешать с неправильными веществами. Измененные реакции использования NaBr в качестве реагента, с другой стороны, положительны из-за его низкой токсичности. Еще раз, измененная реакция также генерирует более безопасные побочные продукты, которые не так вредны, как те, которые производятся в стандартной реакции. Даже с использованием отбеливателя измененная реакция все еще считается более химически зеленой, чем стандартная последовательность реакций.
Два принципа зеленой химии, которые показывают обе последовательности реакций, – это эффективность и пониженные производные. Помимо производства токсичных материалов в стандартной последовательности реакций, обе реакции протекают очень хорошо сами по себе5. Можно получить высокий процент выхода из этих реакций и получить чистое соединение, которое имеет почти такую же температуру плавления, что и литературные источники. ценность.3 Эффективность – это большая часть зеленой химии, поскольку для достижения желаемого продукта необходимо использовать меньше энергии и ресурсов. Обе реакции также показывают принцип восстановленных производных. Одним реагентом, используемым в обеих реакционных последовательностях, является анилин. Поскольку анилин сильно активирует бензольное кольцо, к которому он присоединен, это может привести к многочисленным реакциям замещения. Это может быть проблематично, так как множественные замены могут привести к неконтролируемым побочным продуктам, которые могут вызвать различные осложнения. Чтобы противодействовать этому …
Полимеры представляют собой большие молекулы и имеют одну и ту же структурную единицу, повторяющуюся снова и снова, и эти повторяющиеся единицы известны как мономеры. Эти
Пероксидазы – это оксидоредуктазы, созданные рядом растений и микроорганизмов. Уменьшение количества пероксидаз в непосредственной близости от субстрата, дающего электроны, делает пероксидазы ценными в многочисленных бизнес-приложениях.
Размер первичных частиц ND, полученных методом детонации, хорошо подходит для биомедицинских исследований, продукты детонации должны быть тщательно очищены. В зависимости от материалов и матриц, присутствующих