Rozdzielanie aldehydów i reaktywnych ketonów z mieszanin przy użyciu protokołu ekstrakcji wodorosiarczynów

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół usuwania aldehydów i reaktywnych ketonów z mieszanin za pomocą protokołu ekstrakcji ciecz-ciecz bezpośrednio za pomocą nasyconego wodorosiarczynu sodu w mieszalnym rozpuszczalniku. Ten połączony protokół jest szybki i łatwy do wykonania. Aldehyd lub keton można ponownie wyizolować przez podłoże warstwy wodnej.

Streszczenie

Oczyszczanie związków organicznych jest niezbędnym elementem rutynowych operacji syntezy. Zdolność do usuwania zanieczyszczeń do warstwy wodnej poprzez generowanie naładowanej struktury daje możliwość zastosowania ekstrakcji jako prostej techniki oczyszczania. Łącząc zastosowanie mieszalnego rozpuszczalnika organicznego z nasyconym wodorosiarczynem sodu, aldehydy i reaktywne ketony mogą być z powodzeniem przekształcane w naładowane addukty wodorosiarczynowe, które można następnie oddzielić od innych organicznych składników mieszaniny poprzez wprowadzenie niemieszającej się warstwy organicznej. W tym miejscu opisujemy prosty protokół usuwania aldehydów, w tym sterycznie utrudnionych aldehydów neopentylowych i niektórych ketonów, z mieszanin chemicznych. Ketony można oddzielić, jeśli są sterycznie nieskrępowanymi, cyklicznymi lub metylowymi ketonami. W przypadku aldehydów alifatycznych i ketonów dimetyloformamid jest stosowany jako mieszalny rozpuszczalnik w celu poprawy szybkości usuwania. Reakcję addycji wodorosiarczynu można odwrócić poprzez basyfikację warstwy wodnej, co pozwala na ponowne wyizolowanie reaktywnego składnika karbonylowego mieszaniny.

Wprowadzenie

Oddzielanie składników mieszanin od siebie jest niezbędne do przygotowania czystych materiałów. Opisana tu metoda pozwala na łatwe oddzielenie aldehydów i sterycznie niezakłóconych ketonów cyklicznych i metylowych od innych cząsteczek organicznych¹. Technika ta opiera się na reaktywności wodorosiarczynu z grupą karbonylową w celu wytworzenia naładowanego adduktu, który można rozdzielić na warstwę wodną, podczas gdy inne składniki rozdzielają się na niemieszającą się warstwę organiczną. Kluczem do osiągnięcia reaktywności między wodorosiarczynem a karbonylem jest zastosowanie mieszalnego rozpuszczalnika, który umożliwia przeprowadzenie reakcji przed rozdzieleniem na oddzielne fazy. Bez dodatku mieszalnego rozpuszczalnika uzyskuje się minimalną separację, prawdopodobnie z powodu słabego kontaktu między hydrofilowym wodorosiarczynem a hydrofobowymi substancjami organicznymi.

Zaletą tej metody separacji do oczyszczania jest łatwość protokołu. Ekstrakcja ciecz-ciecz jest prostą operacją do wykonania i może być przeprowadzana na dużą skalę. Alternatywne techniki oczyszczania, takie jak chromatografia kolumnowa, są znacznie droższe, czasochłonne i trudne do przeprowadzenia na dużą skalę oraz wymagają wystarczającego zróżnicowania składników pod względem polarności. Oczyszczanie przez rekrystalizację lub destylację wymaga wystarczającego zróżnicowania odpowiednio rozpuszczalności lub temperatury wrzenia składników mieszaniny. Ponieważ ekstrakcja wodorosiarczynów opiera się na różnicy w reaktywności grupy karbonylowej aldehydów i ketonów, związki o podobnej rozpuszczalności, temperaturach wrzenia lub polarności można skutecznie oddzielić. Istnieją inne metody separacji chemicznej służące do selektywnego oddzielania aldehydów i ketonów od mieszanin, na przykład selektywne tworzenie oksymów², cykliczne acetale³, lub mercaptal⁴ formacja. Metody te wymagają dodatkowego etapu w celu oddzielenia powstałych gatunków od mieszaniny, ponieważ produkt nie jest rozpuszczalny w wodzie i dlatego nie można go oddzielić za pomocą prostego protokołu ekstrakcji. Utlenianie aldehydów w celu wytworzenia usuwalnych kwasów karboksylowych jest kolejną zgłoszoną techniką⁵, ale wymagany etap utleniania jest mniej chemoselektywny niż łagodne warunki wodorosiarczynowe opisane tutaj i wymaga użycia gazowego tlenu i katalizatora kobaltowego.

Ta metoda ma zastosowanie do rozdzielania aldehydów (Rysunek 1) oraz sterycznie nieskrępowanych cyklicznych i metylowych ketonów (Rysunek 2) od cząsteczek, które nie zawierają tych grup funkcyjnych. W tym procesie usuwane są również szczególnie reaktywne ketony, takie jak estry α-keto. Alkany, alkeny, dieny, alkiny, estry, amidy, kwasy karboksylowe, halogenki alkilowe, alkohole, fenole, nitryle, chlorki benzylu, epoksydy, aniliny, acetale i lekko utrudnione, α,β-nienasycone lub arylowe ketony są niereaktywne w tych warunkach i można je oddzielić od aldehydu lub reaktywnego składnika ketonowego mieszaniny (rysunki 2 i rysunek 3). Na przykład ketony etylowe lub cykliczne ketony podstawione α są wystarczająco utrudnione i dlatego można je oddzielić od aldehydów i bardziej reaktywnych ketonów. W przypadku stosowania alkenów heksan jest zalecany jako niemieszający się rozpuszczalnik, aby zapobiec niepożądanemu rozkładowi spowodowanemu dwutlenkiem siarki obecnym w roztworze wodorosiarczynu. Zgodność grup funkcyjnych protokołu ekstrakcji wodorosiarczynów jest niezwykle szeroka i dlatego ma zastosowanie do bardzo szerokiego zakresu separacji, jeżeli zanieczyszczenie karbonylowe, które ma zostać oddzielone od mieszaniny, jest aldehydem lub niezakłóconym ketonem metylowym lub cyklicznym. Mniej reaktywne ketony nie reagują z wodorosiarczynem w tych warunkach i dlatego nie są usuwane.

Protokół

1. Standardowy protokół oddzielania aldehydów aromatycznych od mieszaniny. Przykład: Oddzielenie maślanu benzylu od mieszaniny 1:1 z aldehydem anyżowym.

1. Rozpuścić 175 μl aldehydu aniżowego i 250 μl maślanu benzylu w 5 ml metanolu i przenieść roztwór do rozdzielacza.
   Uwaga: Wodorosiarczyn sodu może wytwarzać gazowy dwutlenek siarki, dlatego protokół ten powinien być przeprowadzany przy odpowiedniej wentylacji, np. w dygestorium.
2. Dodać 1 ml nasyconego wodnego wodorosiarczynu sodu i energicznie wstrząsać przez około 30 s.
3. Dodaj 25 ml wody dejonizowanej i 25 ml 10% octanu etylu/heksanów i energicznie wstrząśnij.
4. Oddziel warstwy. Wysuszyć warstwę organiczną bezwodnym siarczanem magnezu. Przefiltrować roztwór, aby usunąć siarczan magnezu i skoncentrować go w próżni za pomocą wyparki obrotowej.

2. Oddzielenie aldehydów alifatycznych i ketonów od mieszaniny. Przykład: Oddzielenie maślanu benzylu od mieszaniny 1:1 z benzyloacetonem.

1. Rozpuścić 213 μl benzyloacetonu i 250 μl maślanu benzylu w 10 ml dimetyloformamidu i przenieść roztwór do rozdzielacza.
   Uwaga: Wodorosiarczyn sodu może wytwarzać gazowy dwutlenek siarki, dlatego protokół ten powinien być przeprowadzany przy odpowiedniej wentylacji, np. w dygestorium.
2. Dodać 25 ml nasyconego wodnego wodorosiarczynu sodu i energicznie wstrząsać przez około 30 s.
3. Dodaj 25 ml wody dejonizowanej i 25 ml 10% octanu etylu/heksanów i energicznie wstrząśnij.
4. Oddziel warstwy. Włożyć warstwę wodną z powrotem do rozdzielacza rozdzielającego, dodać 25 ml 10% octanu etylu/heksanów i energicznie wstrząsnąć. Odcedzić warstwę wodną, pozostawiając warstwę organiczną w rozdzielaczu. Dodaj poprzednią warstwę organiczną z powrotem do lejka rozdzielającego.
5. Połączone warstwy organiczne umyć trzykrotnie wodą dejonizowaną (10 ml na każde pranie). Wysuszyć warstwę organiczną bezwodnym siarczanem magnezu. Przefiltrować roztwór, aby usunąć siarczan magnezu i skoncentrować go w próżni za pomocą wyparki obrotowej.

3. Oddzielenie aldehydów od mieszaniny zawierającej alken. Przykład: Oddzielenie maślanu benzylu od mieszaniny 1:1 z cytronelalem.

1. Rozpuścić 255 μl cytronelalu i 250 μl maślanu benzylu w 10 ml dimetyloformamidu i przenieść roztwór do rozdzielacza.
   Uwaga: Wodorosiarczyn sodu może wytwarzać gazowy dwutlenek siarki, dlatego protokół ten powinien być przeprowadzany przy odpowiedniej wentylacji, np. w dygestorium.
2. Dodać 25 ml nasyconego wodnego wodorosiarczynu sodu i energicznie wstrząsać przez około 30 s.
3. Dodaj 25 ml wody dejonizowanej i 25 ml heksanów i energicznie wstrząśnij.
4. Oddziel warstwy. Umieść warstwę wodną z powrotem w rozdzielaczu, dodaj 25 ml heksanów i energicznie wstrząśnij. Odcedzić warstwę wodną, pozostawiając warstwę organiczną w rozdzielaczu. Dodaj poprzednią warstwę organiczną z powrotem do lejka rozdzielającego.
5. Połączone warstwy organiczne umyć trzykrotnie wodą dejonizowaną (10 ml na każde pranie). Wysuszyć warstwę organiczną bezwodnym siarczanem magnezu. Przefiltrować roztwór, aby usunąć siarczan magnezu i skoncentrować go w próżni za pomocą wyparki obrotowej.

4. Ponowna izolacja aldehydów z mieszaniny. Przykład: Oddzielenie piperonalu od mieszaniny 1:1 z maślanem benzylu.

1. Rozpuścić 217 mg piperonalu i 250 μl maślanu benzylu w 5 ml metanolu i przenieść roztwór do rozdzielacza.
   Uwaga: Wodorosiarczyn sodu może wytwarzać gazowy dwutlenek siarki, dlatego protokół ten powinien być realizowany przy odpowiedniej wentylacji, np. w dygestorium.
2. Dodać 1 ml nasyconego wodnego wodorosiarczynu sodu i energicznie wstrząsać przez około 30 s.
3. Dodaj 25 ml wody dejonizowanej i 25 ml 10% octanu etylu/heksanów i energicznie wstrząśnij.
4. Oddziel warstwy. Z powrotem warstwę wodną należy umieścić z powrotem w rozdzielaczu separatora.
   1. Opcjonalnie: Raz przemyć warstwę wodną 25 ml 10% octanu etylu/heksanów, aby usunąć niewielką ilość pozostałego maślanu benzylu.
5. Dodać 25 ml octanu etylu, a następnie dodać 50% wodorotlenku sodu, aż pasek pH wskaże, że pH wynosi 12. Wstrząśnij energicznie.
   Ostrzeżenie: Na tym etapie zaobserwowano wydzielanie się gazu, które może powodować wzrost ciśnienia. Upewnij się, że lejek separatora jest prawidłowo odpowietrzony. Zwiększenie skali tej procedury sprawi, że wydzielanie się gazu będzie bardziej wyraźne. Zachowaj ostrożność.
6. Oddziel warstwy. Umieścić warstwę wodną z powrotem w rozdzielaczu separatora i dodać 25 ml octanu etylu. Wstrząśnij energicznie.
7. Oddziel warstwy. Połącz warstwę organiczną z warstwą organiczną z poprzedniego kroku. Wysuszyć połączoną warstwę organiczną bezwodnym siarczanem magnezu. Przefiltrować roztwór, aby usunąć siarczan magnezu i skoncentrować go w próżni za pomocą wyparki obrotowej.

Wyniki

Procedura 1 do usuwania aldehydów jest stosowana dla aldehydów aromatycznych. Procedura 2, w której dimetyloformamid jest stosowany jako mieszalny rozpuszczalnik, powinna być stosowana w odniesieniu do aldehydów alifatycznych i ketonów. Procedurę 2 należy również stosować w odniesieniu do mieszanin, które nie są w pełni rozpuszczalne w metanolu. Materiał uzyskany z każdego z protokołów jest analizowany pod kątem czystości za pomocą analiz...

Dyskusja

Początkowe próby wykorzystania reakcji wodorosiarczynowej jako metody usuwania aldehydów przy użyciu typowej ekstrakcji dwufazowej doprowadziły do bardzo niskiego poziomu usuwania. Postawiliśmy hipotezę, że reakcja nie była wystarczająco szybka, aby zaszła w bardzo ograniczonym czasie, w którym obie warstwy były w kontakcie. Aby zwiększyć kontakt między reagentami, opracowaliśmy dwuetapowy protokół ekstrakcji, w którym początkowo stosuje się rozpuszczalnik mieszający się z wodą, aby umożliwić wystarczające wymieszanie re...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
wodorosiarczyn sodu	Fisher	AC419440010	1 kg
maślan benzylu	Fisher	AAB2424130	250 gramów
aldehyd anizynowy	Fisher	AC104801000	100 ml
siarczan magnezu	Fisher	M65-500	500 gramów
octan etylu	Fisher	E195-4	4 L
heksany	Fisher	H292-4	4 L
metanol	Fisher	A456-1	1 L
dimetyloformamid	Fisher	D119-1	1 L
citronellal	Fisher	AAL15753AE	100 ml
benzyloaceton	Fisher	AC105832500	250 ml
woda dejonizowana	Fisher	BP28194	4 L
Piperonal	Sigma-Aldrich	P49104-25G	25 G
wodorotlenek sodu	Fisher	S318-1	1 kg
lejek separacyjny z nakrętką	Fisher	10-437-5B	125 ml
stojak na pierścienie	Fisher	03-422-215	3 pręty aluminiowe
zacisk pierścieniowy	Fisher	12-000-104	5 cm
pierścionek korkowy	Fisher	07-835AA	Wymiar zewnętrzny 8 cm
kolba okrągłodenna	Fisher	31-501-107	100 ml
Parownik obrotowy z akcesoriami	Fisher	05-000-461	Wymrażarka Bondenser
pułapka na uderzenia 14/20 przegub	Fisher	CG132201	14/20 lejek na fugi
	Fisher	05-555-6	Kompatybilny z rozpuszczalnikami organicznymi
pipety bawełniane	Fisher	22-456-881	niesterylne
szklane	Fisher	13-678-20A	borokrzemian 5,75"
dwie strzykawki 250 mikrolitrów	Fisher	14-813-69
4 kolby Erlenmeyera	Fisher	10-040D	125 ml
Wyciąg	Rybak	13-118-370
rękawice	nitrylowe	19-149-863B	Średni
okulary ochronne	Fisher	17-377-403
szpatułka	Fisher	14-357Q
balance	Fisher	01-912-403	Pojemność 120 g