Synthesen von Phenylessigsäure

[G.Patton]

Einführung

Es gibt zwei effektive Wege, um Phenylessigsäure aus Benzolchlorid zu gewinnen. Der erste Weg über Benzylcyanid ermöglicht eine Ausbeute von bis zu 77 %. Der zweite Weg über Benzylchlorid mittels Grignard-Reagenz beschreibt eine theoretische Ausbeute von 60%. Beide Wege haben einige Vor- und Nachteile. So erfordert die Benzylcyanid-Synthese von einem Chemiker viel Erfahrung, da er mit Natriumcyanid arbeiten muss, das sehr giftig ist. Bei der Synthese von Benzylchlorid mit Hilfe des Grignard-Reagens werden dagegen weniger giftige Reagenzien benötigt, aber der Chemiker muss mit festem Kohlendioxid oder der Kipp-Apparatur arbeiten. Außerdem ist die Ausbeute bei dieser Methode geringer als bei der ersten Methode. In unserem Forum finden Sie andere Wege der Phenylessigsäure-Synthese, wie z.B. den Weg über Mandelsäure oder Benzylcyanid über alkalische Hydrolyse.

Außerdem finden Sie in diesem Thema eine detaillierte Benzylchlorid-Synthese aus Benzol. Zum Schluss möchte ich alle Chemiker, die diese Synthese nachmachen wollen, darauf hinweisen, dass sie alle Sicherheitsausrüstungen wie Chemikalienglas, Handschuhe, Chemikalienkittel und Atemmaske benutzen müssen. Führen Sie die Experimente unter einer herausziehbaren Sonde oder unter einer Abzugshaube in gut belüfteten Räumen durch.

Aussehen: weißer Feststoff mit starkem honigartigem Geruch.

Siedepunkt: 265,5 °C/760 mm Hg; 144,2-144,8 °C/12 mm Hg;
Schmelzpunkt: 76-77 °C;
Molekulargewicht: 136,15 g/mol;
Dichte: 1,091 g/ml (20 °C).

Benzylchlorid aus Benzol

Ausrüstung und Glasgeräte.

• 1-L-Dreihalskolben;
• Laborthermometer (0 °C bis 200 °C) mit Kolbenadapter;
• Rückflusskühler (doppelte Oberfläche);
• Mechanischer Rührer;
• Gaszuführungsrohr;
• Wasserbad;
• Heizplatte;
• HCl-Laborgenerator;
• 1 L Scheidetrichter;
• Destillationsapparat;
• Retortenständer und Klammer zur Befestigung der Apparatur;
• Wasserstrahl-Absauger;
• Laborwaage (1 - 200 g ist geeignet);
• 100 ml x2 und 200 ml x2 Erlenmeyerkolben mit Deckel;
• 500 ml Messzylinder.

Reagenzien.

• 200 g (227 ml) Benzol;
• 38 g 40 %iges Formalin oder 20 g Paraformaldehyd;
• 50 g Zinkchlorid wasserfrei (ZnCl2);
• 100 g Natriumbicarbonat (NaHCO3);
• 1 L destilliertes Wasser;
• 100 g wasserfreies Calciumchlorid (CaCl2)/Magnesiumsulfat (MgSO4).

In einen 1-Liter-Dreihalskolben, der mit einem Rückflusskühler (mit doppelter Oberfläche), einem mechanischen Rührer (vorzugsweise vom Typ Hershberg) und einem Gaszuführungsrohr, das bis nahe an den Boden des Kolbens reicht, ausgestattet ist, gibt man 200 g (227 ml) trockenes Benzol, 20 g Paraformaldehyd (40 % Formalin können ebenfalls verwendet werden; Das Verhältnis ist dann 200 g Benzol, 38 g 40%iges Formalin und 50 g pulverisiertes Zinkchlorid) und 20 g fein gemahlenes, wasserfreies Zinkchlorid. Der Kolben wird auf ein Wasserbad gestellt, das so eingerichtet ist, dass der Wasserspiegel etwa auf gleicher Höhe mit der Reaktion liegt. Man erhitzt das Bad auf 60 °C und lässt (durch eine dazwischenliegende leere Waschflasche) einen schnellen Strom von Chlorwasserstoff einströmen, bis kein Gas mehr aufgenommen wird (ca. 20 Minuten): abkühlen lassen. Das Reaktionsgemisch in einen Scheidetrichter überführen, nacheinander mit zwei 50-ml-Portionen kaltem Wasser, zwei 50-ml-Portionen gesättigter Natriumbicarbonatlösung (beim Waschen müssen unbedingt alle Zinksalze entfernt werden, da das Produkt sonst bei der Destillation stark verharzt) und schließlich mit 20 ml Wasser waschen. Man trocknet mit wasserfreiem Calciumchlorid oder Magnesiumsulfat und destilliert unter Normaldruck aus einem Claisen-Kolben mit fraktionierendem Seitenarm, bis die Temperatur auf 100-110 °C ansteigt. Nach leichter Abkühlung destilliert man unter vermindertem Druck und sammelt das Benzylchlorid bei 63-65 °C und 12 mmHg. Die Ausbeute beträgt 70 g. Der Rückstand im Kolben enthält etwas (ca. 4 g) p-Xylylendichlorid, m.p. 100 °C, und eine geringe Menge Diphenylmethan.

Benzylcyanid aus Benzylchlorid

Ausrüstung und Glasgeräte.

• 5-L-Rundkolben;
• Laborthermometer (0 °C bis 200 °C) mit Kolbenadapter;
• Rückflusskühler;
• Wasserbad;
• Heizplatte;
• 2-L-Tropfentrichter;
• 2-L-Buchner-Kolben und Trichter Ø 25 cm (oder Shott-Filter);
• Destillationsapparat;
• Retortenständer und Klammer zur Befestigung der Apparatur;
• Filterpapier;
• Konventioneller Trichter;
• Wasserstrahl-Absauger;
• Laborwaage (1 - 1000 g ist geeignet);
• Magnetrührer;
• 1 L Messzylinder;
• 2 L x2; 500 ml x2 Bechergläser.

Reagenzien.

• 500 g (10 Mol) Natriumcyanid (NaCN);
• 450 ml Destilliertes Wasser;
• 1000 g (8 mol) Benzylchlorid;
• 1300 g Alkohol 95 % (EtOH);
• 775 ml Schwefelsäure wässrig 50 % (H2SO4);
• 100 g Natriumbicarbonat (NaHCO3);
• 100 g Natriumchlorid (NaCl).

In einen 5000-ml-Rundkolben mit Stopfen, der einen Rückflusskühler und einen Scheidetrichter enthält, gibt man 500 g (10 Mol) pulverisiertes Natriumcyanid (96-98 % rein) und 450 ml Wasser. Das Gemisch wird auf einem Wasserbad erwärmt, um den größten Teil des Natriumcyanids zu lösen, und dann werden 1000 g (8 Mol) Benzylchlorid (Bp 170-180 °C), gemischt mit 1000 g 95%igem Alkohol, im Laufe von 30-45 Minuten durch den Tropftrichter laufen gelassen. Das Gemisch wird dann vier Stunden lang unter einem Rückflusskühler auf dem Dampfbad erhitzt, abgekühlt und abgesaugt, um den größten Teil des Natriumchlorids zu entfernen. Es empfiehlt sich, das abfiltrierte Salz mit einer kleinen Menge Alkohol zu waschen, um eventuell mechanisch gebundenes Benzylcyanid zu entfernen.

Der Kolben wird nun mit einem Kühler versehen und so viel Alkohol wie möglich auf dem Dampfbad abdestilliert. Die Restflüssigkeit wird abgekühlt, gegebenenfalls filtriert und die Benzylcyanidschicht abgetrennt. Dieses rohe Benzylcyanid wird nun in einen Claisen-Destillierkolben gegeben und unter vermindertem Druck destilliert, wobei zuerst das Wasser und der Alkohol und schließlich das Cyanid überlaufen (der letzte Teil der Lösungsmittel und das Benzylcyanid werden vorzugsweise unter Vakuum destilliert). Es ist von Vorteil, eine Fraktionierkolonne zu verwenden. Das Material wird bei 135-140 °C und 38 mm Hg (115-120 °C bei 10 mm Hg) gesammelt. Die Ausbeute beträgt 740-830 g (80-90 % der theoretischen Menge). Es empfiehlt sich, das Endprodukt zu waschen, um übel riechendes Benzylisocyanid zu entfernen und die Haltbarkeit des Produkts deutlich zu verlängern. Das einmal destillierte Benzylcyanid wird fünf Minuten lang kräftig mit einem gleichen Volumen warmer (60 °C) 50 %iger Schwefelsäure geschüttelt, die durch Zugabe von 275 ml konzentrierter Schwefelsäure zu 500 ml Wasser hergestellt wird. Das Benzylcyanid wird abgetrennt und mit einem gleichen Volumen gesättigter Natriumbicarbonatlösung und anschließend mit einem gleichen Volumen halbgesättigter Natriumchloridlösung gewaschen. Anschließend wird es getrocknet und unter vermindertem Druck destilliert. Der Verlust bei den Waschvorgängen ist vernachlässigbar.

Phenylessigsäure aus Benzylcyanid

Ausrüstung und Glasgeräte.

• 5-L-Dreihalskolben mit rundem Boden;
• Mechanischer Rührer;
• Rückflusskühler;
• Wasserbad;
• Heizplatte;
• 2 l Buchner-Kolben und Trichter Ø 25 cm (oder Shott-Filter);
• Konventioneller Trichter;
• Filterpapier;
• Destillationsapparat;
• Retortenständer und Klammer zur Befestigung der Apparatur;
• 1 L Messzylinder;
• 2 L x2; 500 ml x2 Bechergläser;
• Wasserstrahl-Absauger;
• Laborwaage (1 - 1000 g ist geeignet);
• Laborthermometer (0 °C bis 200 °C) mit Küvettenadapter;
• 2 l x2; 500 ml x2 Bechergläser.

Reagenzien.

• 3500 ml Destilliertes Wasser;
• 840 ml Schwefelsäure konz. (H2SO4);
• 700 g (6 mol) Benzylcyanid.

1150 ml Wasser, 840 ml technische Schwefelsäure und 700 g (6 mol) Benzylcyanid werden in einem 5-Liter-Dreihalskolben mit mechanischem Rührer vermischt. Der Kolben wird an einen Rückflusskühler angeschlossen und 3 Stunden lang bei laufendem Rührer erhitzt. Danach wird der Inhalt des Kolbens auf r.t. abgekühlt und in 2 Liter kaltes Wasser gegossen. In diesem Fall muss die Masse gerührt werden, um die Bildung eines festen Kuchens zu verhindern. Die erhaltene Phenylessigsäure wird über einen Buchner-Trichter abfiltriert. Das Reaktionsprodukt wird unter Wasser geschmolzen und durch mehrmaliges Dekantieren mit heißem Wasser gewaschen. Nach dem Abkühlen der Waschungen erhält man eine kleine Menge Phenylessigsäure, die abfiltriert und dem Hauptteil der Substanz zugesetzt wird. Das heiße Wasser der letzten Spülung wird abgelassen, während das Produkt noch geschmolzen ist. Die flüssige Säure wird in einen 2-Liter-Claisen-Kolben gegossen und unter Vakuum destilliert. Zunächst wird eine kleine Menge Wasser abdestilliert und verworfen. Dann gehen etwa 20 ml Schnitt mit einer merklichen Menge Benzylcyanid über. Diese Fraktion wird für die nächste Synthese verwendet. Die nächste (dritte) Fraktion wird bei einer Temperatur von 176-189 °C (50 mm Hg) destilliert; sie wird getrennt aufgefangen. Nach einer gewissen Standzeit erstarrt die Fraktion.

So erhält man eine ziemlich reine Phenylessigsäure mit einem Temperaturbereich von 76-76,5 °C; die Ausbeute beträgt 630 g (77,5 % der Theorie). Da die zweite Fraktion, die für die nachfolgende Synthese verwendet wird, eine beträchtliche Menge Phenylessigsäure enthält, liegt die Gesamtausbeute bei mindestens 80 % der theoretischen Ausbeute. Phenylessigsäure hat einen unangenehmen Geruch.

Phenylessigsäure aus Benzylchlorid über das Grignard-Reagenz

Ausrüstung und Glaswaren.

• 250 ml Dreihalskolben mit rundem Boden;
• Retortenständer und Klammer zur Befestigung der Apparatur;
• Mechanischer Rührer mit Gelenk;
• 500-ml-Tropftrichter mit Bypass;
• Rückflusskühler;
• Calciumchlorid-Röhrchen;
• Heizplatte;
• Wasserbad;
• Eissalzbad (-10 °C);
• Wolfskolben x2;
• Kipp'scher Apparat oder festes Kohlendioxid;
• 500 ml Scheidetrichter
• Wasserstrahl-Absauger;
• Laborwaage (1 - 100 g ist geeignet);
• Filterpapier;
• 100 ml Messzylinder;
• 500 ml x2; 100 ml x2 Bechergläser;
• 1-L-Buchner-Kolben und Trichter (oder Shott-Filter).

Reagenzien.

• 2,4 g Magnesiumspäne (Mg).
• 120 ml Diethylether.
• 12,7 g Benzylchlorid.
• 200 ml Schwefelsäure konz. (H2SO4).
• 10 g HCl (d 1,19) in 20 ml destilliertem Wasser und 100 ml 10%iger Salzsäure.
• 1 L destilliertes Wasser.

In einen Dreihalskolben mit 250 ml Inhalt, der mit einem mechanischen Rührer mit Gelenk, einem Tropftrichter und einem Rückflusskühler mit Calciumchloridrohr ausgestattet ist, gibt man 2,4 g Magnesiumspäne, fügt 30 ml absoluten Ether hinzu und gibt 3-4 ml einer Lösung von 12,7 g Benzylchlorid in 50 ml absolutem Ether hinzu. Nachdem die Reaktion begonnen hat, der Ether trüb wird und siedet (gegebenenfalls wird der Kolben zum Starten der Reaktion in ein Bad mit warmem Wasser getaucht), wird tropfenweise eine ätherische Lösung von Benzylchlorid zugegeben, und zwar so, dass der Ether die ganze Zeit über ruhig und gleichmäßig siedet. Nach Zugabe des gesamten Benzylchlorids wird das Gemisch im Wasserbad 1-1,5 Stunden lang erhitzt, bis das Magnesium vollständig gelöst ist.

Man kühlt denKolben mit einer Mischung aus Eis und Salz stark ab (-10 °C), ersetzt den Tropftrichter durch ein Gasrohr und lässt 3-4 Stunden lang einen nicht zu starken Strom trockenen Kohlendioxids aus einer Flasche oder aus dem Kipp'schen Apparat einströmen, wobei man das Gas durch zwei Wolfe'sche Kolben mit konzentrierter Schwefelsäure trocknet (eine höhere Ausbeute an Phenylessigsäure erhält man, wenn man festes Kohlendioxid in die Reaktion einführt).

Dann ersetzt man das Gasrohr durch einen Tropftrichter und gibt unter starker Kühlung und Rühren tropfenweise eine Lösung von 10 g HCl (d 1,19) in 20 ml Wasser hinzu. Wenn sich das Reaktionsgemisch in zwei durchsichtige Schichten geteilt hat, wird der Inhalt des Kolbens in einen Scheidetrichter überführt, gut geschüttelt und nach dem Absetzen die wässrige Schicht abgetrennt. Die wässrige Schicht wird zweimal mit Ether extrahiert (jeweils 20 ml). Die vereinigten Etherlösungen der Phenylessigsäure werden erneut mit verdünnter Natriumhydroxidlösung geschüttelt, die alkalische Lösung abgetrennt, mit 10 %iger Salzsäure angesäuert und abgekühlt. Die erhaltene Phenylessigsäure wird unter Vakuum filtriert, mit kaltem Wasser gewaschen, gut ausgewrungen und aus heißem Wasser umkristallisiert. m.p. 75 °C, Ausbeute 8 g (60% theoretisch).