2028 Reacción de bromuro de ciclohexil magnesio con dióxido
de carbono para formar ácido ciclohexanocarboxílico
2. H3O Mg dietil eter Br + (163.1) 1. CO2 OH O MgBr (24.3) (44.0) (128.2) C6H11Br CO2 C7H12O2
Clasificación
Tipos de reacción y clases de productos
reacción de Grignard, reacción del grupo carbonilo en el dióxido de carbono compuestos organometálicos, bromoalcano, ácido carboxílico
Métodos o técnicas de trabajo
trabajo en ausencia de humedad, adición gota a gota con embudo de adición, calefacción a reflujo, agitación con barra de agitación magnética, calefacción con baño de aceite, calefacción con baño de agua, uso de baño frigorífico, trabajo con hielo seco, agitación, filtración, evaporación con rotavapor, destilación a presión reducida
Instrucciones (escala 100 mmol)
Equipo
matraz de tres bocas de 500 mL (con una de las bocas laterales NS 29),refrigerante de reflujo con tubo para desecante, agitador magnético con calefacción, barra para agitación magnética, pistola de aire caliente, embudo de adición con presión compensada, embudo de separación, aparato de destilación, baño de hielo, baño de aceite, bomba de vacío
Productos
bromociclohexano (p eb 163-165 °C) 16,3 g (10,3 mL, 100 mmol)
dietil eter (p eb 35 °C) anhidro 70 mL
dietil eter (p eb 35 °C) 500 mL
limaduras de magnesio 2,67 g (110 mmol)
yodo 40-50 mg
hielo seco 44 g (1,0 mol)
disolución acuosa de NaOH (20%) 50 mL
ácido clorhídrico conc. (32%) unos 60 mL
hielo
Reacción
Se introducen 40-50 mg de cristales de yodo en un matraz de tres bocas de 500 mL equipado con un embudo de adición de presión compensada de 100 mL y un refrigerante de reflujo con tubo para desecante. Se ponen 2,67 g (110 mmol) de limaduras de magnesio encima de los cristales de yodo y se calienta el matraz con una pistola de aire caliente justo en el punto en el que se encuentra el yodo, hasta que se formen vapores de color violeta. Una vez enfriado nuevamente el matraz a temperatura ambiente, se añade eter anhidro en cantidad suficiente justo para cubrir todas las limaduras de magnesio (unos 6 mL).
Sin agitación, se añaden de una vez a través del embudo de adición 0,6 mL de los 10,3 mL de bromociclohexano. Si la reacción no empieza en unos pocos minutos (visible por ebullición del eter y formación de una nube gris), se calienta brevemente la mezcla – todavía sin agitación – con una pistola de aire caliente hasta que la ebullición prosiga sin necesidad de calentar. Seguidamente y con agitación, se añade el dromociclohexano restante disuelto en 64 mL de dietileter anhidro, por medio del embudo de adición, a una velocidad adecuada para mantener un reflujo suave. En cualquier caso, se debe evitar que la reacción se ralentice en exceso (tiempo de adición unos 30 minutos). Una vez finalizada la adición, se calienta la disolución incolora durante una hora en baño de agua manteniendo el reflujo hasta que el magnesio se disuelva prácticamente en su totatlidad. Se enfría la mezcla en baño de hielo. Con agitación (mientras sea posible) se van añadiendo por una de las bocas laterales unos 44 g (1,0 mol) de hielo seco en pequeñas porciones (de un tamaño que permita su paso a través de la boca lateral NS 29 del matraz) a la disolución del matraz, secando previamente cada pieza con un papel. Se mantiene la mezcla durante una hora, hasta que se ha evaporado el hielo seco y el contenido del matraz tiene una temperatura aproximada den 0 C. Si es necesario, se puede acelerar la descongelación empleando un baño de agua fría.
Elaboración
Se añaden 100 mL de dietil eter a la mezcla de reacción y se mezcla concienzudamente el contenido del matraz con una varilla de vidrio. Seguidamente se añaden, lentamente y con agitación magnética, 15 mL de ácido clorhídrico conc. (32%) y 100 g de hielo con ayuda de un embudo de sólidos. Se comprueba el valor del pH de la mezcla y, si es necesario, se añade más ácido clorhídrico hasta que sea claramente ácido. Se continua la agitación de la mezcla hasta que se disuelva todo el magnesio y el contenido del matraz sea totalmente trasparente (aproximadamente 1 hora).
Se transfiere el contenido del matraz a un embudo de separación, se agita y se separan las dos fases. La fase acuosa se agita dos veces con 50 mL de dietil eter cada una, y se juntan las tres fases etéreas. La fase acuosa se descarta.
Las fases etéreas combinadas se tratan con 50 mL de una disolución acuosa de NaOH al 20%, agitando convenientemente la mezcla. La fase orgánica se descarta.
La fase acuosa alcalina, que además de la sal del ácido ciclohexanocarboxílico también contiene algo del subproducto ciclohexanol, se agita tres veces con 30 mL de dietil eter cada
una, a fín de eliminar este subproducto lo más posible. Las tres fases etéreas se combinan y se descartan (ver comentarios).
Seguidamente se acidula la fase acuosa alcalina con 65 mL de ácido clorhídrico de concentración media (¡comprobar el valor del pH!) y se extrae primero una vez con 100 mL de dietil eter, y luego dos veces con 50 mL de dietil eter cada una. La fase acuosa se descarta. Los extractos etéreos se combinan y se secan sobre sulfato sódico. Una vez filtrado el desecante y lavado con 10 mL de eter, se evapora el disolvente en el rotavapor a presión atmosférica. El producto bruto queda como un líquido incoloro. Rendimiento bruto: 8,70 g; pureza por GC > 99.5% (ver analíticas)
El producto bruto se destila fraccionadamente a prsión reducida.
Rendimiento: 7,77 g (60,6 mmol, 61%); p eb 99-100 °C (2,9-3,1 hPa); líquido incoloro. Todas las fracciones tiene el mismo punto de ebullición y una pureza por GC > 99.5%
Resíduo de destilación: 930 mg
Comentarios
Si existen problemas en el comienzo de la reacción de Grignard, puede introducirse la mezcla de reacción durante 5 minutes en un baño de ultrasonidos en lugar de calentar con pistola de aire.
Entre otras cosas, el tamaño de los fragmentos de hielo seco es importante para el rendimiento de la reacción. Si el hielo seco está demasiado troceado, se condensa mayor cantidad de humedad en la correspondiente mayor superficie y se pierde mayor cantidad de reactivo de Grignar por hidrólisis.
Después de la hidrólisis ácida de la mezcla de reacción, la GC de la fase etérea indica la presencia de algunos compuestos, correspondientes a los subproductos habitualmente descritos en las reacciones de Grignard (ver analíticas).
El subproducto ciclohexanol es soluble tanto en agua como en dietil eter. Durante la agitación de la fase etérea con la disolución acuosa de NaOH pasa por tanto parcialmente a la fase acuosa junto con la sal del ácido ciclohexanocarboxílico. Es conveniente eliminar la mayor cantidad posible de ciclohexanol de la fase acuosa (como se menciona en “elaboración”) agitando repetidamente la fase acuosa alcalina con dietil eter. En caso contrario el ciclohexanol puede acompañar al bruto de reacción y aparecer en las primeras fracciones de la destilación.
Manejo de resíduos Reciclado
El dietil eter de la extracción de la fase acuosa alcalina se recoge y se redestila, contiene únicamente algo de ciclohexanol (p eb 161 °C) como impureza.
El dietil eter que se evapora de la disolución del producto bruto también se recoge y se redestila.
Eliminación de resíduos
Resíduo Eliminación
fase acuosa después de agitar con dietil eter la disolución acidulada de la reacción
mezcla de disoluciones acuosas, conteniendo halógenos
fase acuosa después de agitar con dietil eter la fase acuosa acidulada
mezcla de disoluciones acuosas, conteniendo halógenos
fase de dietil eter después de agitar con disolución acuosa de NaOH
(también contiene otros compuestos volátiles)
disolventes orgánicos, libres de halógenos
resíduo de destilación resíduos sólidos, libres de mercurio
sulfato sódico resíduos sólidos, libres de mercurio
Tiempo
En conjunto unas 8 horas
Pausa
Después de acidular la disolución de la reacción (5 horas), luego entre los distintos pasos unitarios de la elaboración
Grado de dificultad
Analíticas
Medidas por GC
Condiciones de GC:
columna: Zebron ZB-1, longitud 15 m, diámetro interno 0,25 mm, capa 0,25 µm (Phenomenex, Torrance, CA, USA)
inyección: temperatura de inyección 250 °C; inyección partida; volumen inyectado volumen 0,1 µL gas portador: H2, presión precolumna 25 kPa (necesario para la separación de ciclohexano/ciclohexeno)
horno: temperatura inicial 30 °C (3,5 min), 4 °C/min hasta 180 °C (5 min) detector: FID, 300 °C, H2 25.1 mL/min; sint aire 393 mL/min
integración: integrador 4290 (Separación Térmica de Productos) Preparación de muestras:
Disolver unos 25 mg de compuesto en 0,5 mL de diclorometano. Las disoluciones etéreas analizadas se inyectan sin diluir.
El porcentaje de concentración se calculó a partir del área de los picos.
GC de la fase etérea de la mezcla de reacción acidulada
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo de retención (min)
Producto Area del pico %
2,0 ciclohexano 6,4
2,2 ciclohexeno 4,6
7,8 ciclohexanol 9,4
18,4 ácido ciclohexancarboxílico 68,2
GC del producto bruto
En este caso, la fase acuosa alcalina no se agitó con eter antes de acidular.
0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo de retención (min)
Producto Area del pico %
< 2 disolvente
7,8 ciclohexanol 1,8
20,5 ácido ciclohexanoarboxílico 97,8
24,5 biciclohexilo 0,2
GC del producto bruto
En este caso, la fase acuosa alcalina se agitó con eter antes de acidular.
0 10 20 30 40 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo de retención (min)
Producto Area del pico %
< 2 disolvente
GC del producto bruto, primera fracción del destilado (10% del volumen total de producto)
En este caso, la fase acuosa alcalina se agitó con eter antes de acidular.
0 10 20 30 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo de retención (min)
Producto Area del pico %
7,4 ciclohexanol 0,4
20,8 ácido ciclohexanoarboxílico 99,6
GC del producto puro, fracción principal del destilado (90% del volumen total de producto)
En este caso, la fase acuosa alcalina se agitó con eter antes de acidular.
0 10 20 30 40 50 0 5 10 15 20 25 30 35 Tiempo de retención (min)
Espectro 1H NMR del producto puro (300 MHz, CDCl 3) (ppm) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 (ppm) 2.25 2.30 2.35
δ (ppm) Multiplicidad Número de H Asignación
1,1-2,0 m 10 CH2
2,33 m (tt) 1 CH – COOH
11,0 s ancho 1 OH
7,26 disolvente
Espectro 13C NMR del producto puro (300 MHz, CDCl
3) (ppm) 20 40 60 80 100 120 140 160 180 δ (ppm) Asignación 25,31 C-4, C-6 25,67 C-5 28,53 C-3, C-7 42,92 C-2 182,77 C-1 COOH 1 2 3 4 5 6 7
Espectro IR del producto puro (film)
(cm-1) Asignación
3300-2500 tensión O – H, ácidos carboxílicos
2935, 2855 tensión C – H, alcano, superpuesto con O-H 1705 tensión C = O, ácido carboxílico
Los espectros IR, 1H NMR y 13C NMR del producto bruto son idénticos a los del producto puro.
4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0 20 40 60 80 T ra n sm is si o n [ % ] Wellenzahl [cm-1]
