Overview
Fonte: Vy M. Dong e Zhiwei Chen, Dipartimento di Chimica, Università della California, Irvine, CA
Questo esperimento dimostrerà un esempio di reazione di ozonolisi per sintetizzare la vanillina dall'isoeugenolo (Figura 1). L'ozonolisi degli alcheni, una reazione di ossidazione tra ozono e alchene, è un metodo comune per preparare aldeidi, chetoni e acidi carbossilici. Questo esperimento dimostra anche l'uso di un generatore di ozono e una reazione a bassa temperatura (-78 °C).
Figura 1. Diagramma che mostra l'ozonolisi dell'isoeugenolo alla vanillina.
Principles
La scissione ossidativa degli alcheni a due composti contenenti gruppi carbonilici è chiamata reazione di ozonolisi (Figura 2). Il meccanismo proposto (Figura 3) inizia con una cicloaddizione [3+2] tra alchene 1 con ozono per generare l'intermedio molozonide A. A è instabile e si riorganizza nell'ozonide C più stabile tramite lo zwitterion B. C si decompone in presenza di un riduttore come il solfuro di dimetile per fornire i due prodotti carbonilici (2, 3) e il dimetilsolfossido. Quando si utilizza un solvente nucleofilo(ad esempio,metanolo), il nucleofilo attacca l'intermedio B per formare un idroperossido E, che si decompone al prodotto 3 quando viene aggiunto solfuro di dimetile (Figura 4). La reazione viene tipicamente eseguita a -78 °C per prevenire reazioni collaterali e in presenza di un indicatore per determinare quando la reazione è completa. Sudan III è un indicatore comunemente usato. Inizialmente, la miscela di reazione è rossa e diventa viola / blu quando tutto l'alchene viene consumato. Quando tutto l'alchene ha reagito, l'indicatore, che ha un doppio legame N-N, reagisce con l'ozono dando così il cambiamento di colore.
Figura 2. Diagramma che mostra la reazione generale di ozonolisi di un alchene con un workup riduttivo.
Figura 3. Diagramma che mostra il meccanismo generale dell'ozonolisi degli alcheni.
Figura 4. Diagramma che mostra la formazione di un idroperossido dall'intermedio B.
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Procedure
- Aggiungere 200 mg di isoeugenolo, 15 ml di MeOH e ~ 2 mg di Sudan III a un pallone a fondo tondo da 50 mL a 3 colli dotato di una barra magnetica.
- Collegare il pallone di reazione a un serbatoio di ossigeno e a un gorgogliatore.
- Accendi il flusso di ossigeno.
- Raffreddare la miscela di reazione con un bagno di ghiaccio secco/acetone.
- Accendere il generatore di ozono, che converte l'ossigeno dal serbatoio in ozono che entra nel pallone di reazione. Il generatore si troverà tra il serbatoio di ossigeno e il pallone di reazione. Lasciare mescolare la miscela di reazione fino a quando il colore rosso cambia in viola / blu.
- Spegnere il generatore di ozono e consentire all'ossigeno di eliminare la miscela di reazione di ozono per 5 minuti.
- Rimuovere il bagno di raffreddamento e aggiungere 0,2 ml di solfuro di dimetile.
- Mescolare la miscela di reazione mentre si riscalda a temperatura ambiente per 1 ora.
- Rimuovere il solvente per evaporazione rotativa. Crea un tappo di silice posizionando il gel di silice in un imbuto Büchner. Sciogliere il residuo in acetato di etile al 10% in esani e far passare la soluzione attraverso il tappo di silice sotto vuoto per rimuovere le impurità. Lavare il tappo di silice altre 2 volte con il 10% di acetato di etile in esani. Raccogliere il filtrato e rimuovere il solvente per evaporazione rotativa per ottenere la vanillina come solido bianco.
- Calcola la resa percentuale di vanillina ottenuta e stabilisci la sua purezza e identità per punto di fusione (m.p.) e 1H NMR.
L'ozonolisi è l'ossidazione dei legami insaturi nei composti organici da parte dell'ozono.
L'ozonolisi è più frequentemente utilizzata per scindere gli alcheni per ottenere due prodotti carbonilici. L'ozono reagisce anche con alchini e idrazoni. L'ozonolisi è utilizzata nella ricerca di chimica organica, in particolare nella sintesi di prodotti naturali, e nella sintesi su scala industriale di prodotti farmaceutici.
Questo video illustrerà la procedura per l'ozonolisi degli alcheni e introdurrà alcune applicazioni dell'ozonolisi in chimica.
L'ozonolisi di un alchene inizia con la cicloaddizione di ozono attraverso il doppio legame carbonio-carbonio per formare un intermedio instabile chiamato molozonide. Il molozonide poi si dissocia in un ossido di carbonile e un carbonile. Questi frammenti si riorganizzano per spostare l'ossigeno carbonilico lontano dagli ossigenati di ossido di carbonile. I frammenti poi si ricombinano per cicloaddizione in un ozonidepiù stabile, in cui l'ossigeno carbonilico è legato agli atomi di carbonio.
L'ozonide viene lavorato per scindere l'anello nei prodotti carbonilici. Se entrambi i sostituenti su un lato sono gruppi di carbonio, si forma un chetone indipendentemente dalle condizioni di workup. Dato un sostituente dell'idrogeno, il workup ossidativo con un perossido di idrogeno produrrà un acido carbossilico. Il workup riduttivo con zinco in acido acetico o solfuro di dimetile produrrà un'aldeide.
L'ozonolisi dell'alchene viene solitamente eseguita in presenza di un indicatore per monitorare l'avanzamento della reazione. Un indicatore è un composto con un aspetto visivo diverso in diverse fasi della reazione. Ad esempio, l'ozonolisi dell'indicatore Sudan III provoca un cambiamento di colore da rosso vivo a blu intenso o viola. Gli alcheni subiscono ozonolisi più velocemente del Sudan III, quindi il cambiamento di colore indica che la reazione di ozonolisi dell'alchene è stata completata.
Ora che hai compreso i principi dell'ozonolisi degli alcheni, passiamo attraverso una procedura per l'ozonolisi dell'isoeugenolo in una delle reazioni pionieristiche per la sintesi commerciale della vanillina.
Per iniziare la procedura, combinare 200 mg di isoeugenolo, 15 ml di metanolo e circa 2 mg dell'indicatore Sudan III in un pallone a fondo tondo a 3 colli dotato di una barra di agitazione.
Fissare il pallone in una cappa aspirante sopra una piastra di agitazione. Assicurarsi che il generatore di ozono sia spento, quindi collegare il pallone al generatore e a un gorgogliatore d'olio.
Accendere il motore di agitazione per miscelare la soluzione. Assicurarsi che l'indicatore rosso sia distribuito uniformemente in tutta la miscela di reazione. Quindi, preparare un bagno di raffreddamento di ghiaccio secco in acetone.
Avviare il flusso di ossigeno tramite il generatore di ozono. Posizionare il bagno di raffreddamento su un jack da laboratorio e sollevare il bagno per raffreddare la miscela di reazione. Una volta che la miscela si è raffreddata, avviare il generatore di ozono.
Monitorare la miscela di reazione mentre si mescola fino a quando la miscela diventa blu a viola in apparenza. Quindi, spegnere il generatore di ozono e spurgare la miscela di reazione con ossigeno biatomico per 5 minuti.
Una volta completato lo spurgo, spegnere il flusso di ossigeno e abbassare il bagno di raffreddamento da sotto il pallone. Per iniziare il workup riduttivo, aggiungere 0,2 ml di solfuro di dimetile al matraccio. Lasciare che la miscela si riscaldi a temperatura ambiente mescolando per 1 ora.
Quindi, rimuovere il solvente in eccesso con un evaporatore rotante. Una volta fatto questo, sciogliere il residuo in 10 ml di acetato di etile al 10% in esani.
Collegare un pallone di filtrazione sottovuoto a una linea di vuoto. Fissare un imbuto Büchner nel pallone e caricare l'imbuto con gel di silice.
Purificare la miscela di prodotti mediante filtrazione sottovuoto. Lavare il prodotto attraverso il gel di silice con due porzioni di acetato di etile al 10% in esani.
Trasferire il filtrato in un matraccio a fondo tondo. Rimuovere nuovamente il solvente con un evaporatore rotante per ottenere vanillina come aghi cristallini da gialli a bianchi.
Calcola la resa percentuale, determina il punto di fusione e ottieni uno spettro NMR protonico del prodotto.
La vanillina è ottenuta come solido cristallino bianco. L'intervallo del punto di fusione in letteratura è compreso tra 81 e 83 gradi. Gli spettri NMR dei protoni possono essere confrontati con i precedenti rapporti di letteratura.
L'ozonolisi è ampiamente utilizzata in chimica e biologia. Diamo un'occhiata ad alcuni esempi.
L'ozonolisi è un passo di molte sintesi industriali di prodotti farmaceutici. Ad esempio, gli antibiotici ceftibuten e cefaclor sono prodotti da un prodotto intermedio comune a cui si accede mediante ozonolisi di un alchene terminale a un chetone. Il prodotto chetonico intermedio può interconvertirsi con una forma di enolo. Il gruppo enolo idrossi subisce quindi diverse reazioni nelle fasi rimanenti ai due antibiotici.
L'ozonolisi può essere il passo finale di una tecnica per alchilare stereoselettivamente il carbonio alfa di aldeidi e chetoni. In questa reazione, un reagente pirrolidina controlla la stereoselettività della formazione del legame carbonio-carbonio formando un idrazzone stericamente voluminoso. Dopo l'alchilazione del carbonio alfa, il doppio legame carbonio-azoto dell'idrazone può essere scisso mediante ozonolisi per rigenerare il chetone o l'aldeide dopo il workup riduttivo.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE all'ozonolisi. Ora dovresti capire i principi alla base dell'ozonolisi, la procedura per l'ozonolisi degli alcheni e alcuni esempi di come l'ozonolisi viene utilizzata in chimica organica. Grazie per l'attenzione!
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Results
La vanillina è stata ottenuta come solido bianco (150 mg, resa del 76%); m.p. 76-79 °C; 1 H NMR (400 MHz, CDCl3) δ 9,82 (br s, 1H), 7,43-7,41 (m, 2H), 7,04 (d, J = 8,8 Hz, 1H), 6,30 (s, 1H), 3,96 (s, 3H).
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Applications and Summary
In questo esperimento, abbiamo dimostrato la sintesi della vanillina dall'isoeugenolo usando la reazione di ozonolisi. Inoltre, è stato mostrato l'utilizzo di un generatore di ozono durante l'esecuzione di una reazione a bassa temperatura.
L'ozonolisi è una reazione utile per preparare aldeidi, chetoni e acidi carbossilici dagli alcheni. È stato applicato nella sintesi naturale del prodotto e nella preparazione su scala industriale di prodotti farmaceutici. L'artemisinina è un potente agente antimalarico ed è stato uno dei prodotti naturali riconosciuti nel Premio Nobel per la medicina 2015. In una sintesi in 10 fasi da (R) -(+) -pulegone, l'ozonolisi è stata utilizzata nell'ultima fase per realizzare il prodotto naturale (Figura 5). Ceftibuten e cefaclor sono antibiotici cefalosporinico prodotti su scala industriale. Una via commerciale utilizza l'ozonolisi per accedere a un intermedio chiave comune, che può essere elaborato per entrambi i composti (Figura 6).
Figura 5. Diagramma che mostra l'ozonolisi come l'ultimo passo in una sintesi di artemisinina.
Figura 6. Diagramma che mostra l'ozonolisi per preparare un intermedio chiave nella sintesi divergente di cefaclor e ceftibuten.
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