Synthese von p-Nitrophenetol

Hier wird die Synthese von p-Nitrophenetol durch Williamsonsche Ethersynthese mit in situ generiertem Natriumethanolat gezeigt.

Geräte:

Magnetrührer, Ölbad, 500 ml-Dreihalskolben, Rückflusskühler, Tropftrichter, diverse Bechergläser, Trockenrohr, Messzylinder, Scheidetrichter, Destillationsanlage oder Rotationsverdampfer, Filternutsche, Vakuumpumpe, große Petrischale

Chemikalien:

Ethanol absolut (F)


Ethyliodid (Xn)


p-Nitrophenol (Xi)


Diethylether (F+, Xn)


Ethanol 95% (F)


Natrium (C, F)


Natriumsulfat wasserfrei
Natriumhydroxid (C)


Calciumchlorid (Xi)


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p-Nitrophenetol (?)



Hinweis:

Diethylether sollte niemals über offener Flamme destilliert werden. Maßnahmen gegen elektrostatische Aufladung treffen.

Durchführung:

In einen mit Argon oder Stickstoff beschickten 500 ml-Dreihalskolben werden 2,1 g feingeschnittenes Natrium gegeben und langsam mit 250 ml absolutem Ethanol aus einem Tropftrichter versetzt. Die Zugabegeschwindigkeit sollte der Reaktion im Kolben angepasst werden. Nachdem das Natrium vollständig mit dem Ethanol reagiert hat, wird eine Lösung von 8,3 g p-Nitrophenol in 50 ml absolutem Ethanol unter starken Rühren der Ethanolat-Lösung zugetropft (falls die Zugabe des Phenols in Anwesenheit von elementarem Natrium begonnen wird, kann die Nitrogruppe reduziert oder das Phenol eventuell sogar zerstört werden.)
Da das durch Deprotonierung entstehende p-Nitrophenolat nur geringfügig in Ethanol löslich ist, bildet sich sich sofort beim Eintropfen der Lösung ein Niederschlag von Natrium-p-nitrophenolat, welcher durch starkes Rühren mit einem möglichst großen Rührfisch in Suspension gehalten wird. Nach der vollständigen Zugabe der alkoholischen p-Nitrophenol-Lösung werden durch den Tropftrichter 10,8 g Ethyliodid langsam zugetropft und die Lösung anschließend 5-7 h unter Rückfluss erhitzt. Durch eine längere Reaktionszeit kann die Ausbeute geringfügig gesteigert werden. Die Farbe der zu Beginn kräftig rot (wirkt auf den Bildern heller) gefärbten Lösung wird mit zunehmendem Reaktionsfortschritt heller, bis sie eine (gelb-)orange Farbe annimmt.
Das Ethanol wird zu einem Großteil abdestilliert und der Rückstand unter Rühren in 20 ml 5%ige Natronlauge gegeben, wobei ein gelbes Produkt ausfällt. Die resultierende Suspension wird anschließend mit 3x 50 ml Diethylether extrahiert; dabei sollte darauf geachtet werden, dass es unter Umständen einige Stunden dauern kann, bis sich die gelbe etherische Phase von dem dunkelroten Rückstand im Scheidetrichter abtrennt. Die organische Phase wird anschließend mit 10 g wasserfreiem Natriumsulfat getrocknet und abgetrennt. Das verbleibende Natriumsulfat wird ein- bis zweimal mit Diethyelther nachgewaschen. Im Rotationsverdampfer werden nun die vereinigten Etherphasen soweit abdestilliert, bis im Kolben eine tieforange viskose Lösung verbleibt, die nach kurzer Zeit und eventueller Druckminderung im Rotationsverdampfer (vorher natürlich den Diethylether aus der Vorlage entfernen!) als gelbes Pulver zurück bleibt. Der Rückstand wird mit einem Spatel entfernt. An der Kolbeninnenwand klebende Reste können durch Lösen in einer kleinen Menge Diethylether aus dem Kolben gespült und durch Verdampfen des Ethers anschließend kristallisiert und zu dem zuvor isoliertem Pulver gegeben werden. Das Pulver wird aus einer 1:1-Mischung von Ethanol (95%) und destilliertem Wasser umkristallisiert. Dabei ist darauf zu achten, das die vollständige Löslichkeit erst in der Siedehitze erreicht wird und sich nach Abkühlen ein feiner fast weißer kolloidartig scheinender Schleier bildet, der sich innerhalb von 30-60 Minuten in kristalliner Form abscheidet. Der Niederschlag wird abgesaugt und im Vakuumexsikkator vorgetrocknet. Der leicht cremefarbene Rückstand wird in einer großen Petrischale in einer geringen Menge warmen Diethylether gelöst und unter einem Abzug oder im Freien in Ruhe stehen gelassen, bis der Ether vollständig verdampft ist. Dabei scheidet sich eine große Kristallschicht mit schönen Formen ab, welche durch leichtes Zerstoßen zu kleinen Plättchen zerteilen lässt. Bei langsamer Kristallisation entstehen einzelne bis zu 10 mm große sargdeckelförmige Kristalle.

Ausbeute: 5,2 g (62,4% d.Th.)

Entsorgung:

Alle Lösungsmittel werden soweit wie möglich recycelt, und die restlichen organischen Phasen dem organischen Lösungsmittelabfall zugeführt. Das p-Nitrophenetol wird in den organischen Feststoffabfall gegeben oder aufgehoben.

Erklärung:

Bei der Williamsonschen Ethersynthese greift nach einem S_N2-Mechanismus das durch die Natriumethanolatlösung generierte nucleophile p-Nitrophenolat das Ethyliodid an, wobei sich der entsprechende Ethylether bildet. Durch den starken Überschuss an vorhandem Ethanolat wird die Ausbeute gesteigert (Lit. 60%). Die schlechte Reaktivität der Nitrophenole lässt sich durch die Verteilung der pi-Elektronen über den Ring hinaus erklären, wobei die Nitrogruppe zwar die Acidität des Phenols erhöht, was eine Deprotonierung leichter macht, allerdings gleichzeitig die Nucleophilie des resultierenden Phenolates schwächt. Dieser Effekt zeigt sich verstärkt bei Di- und Trinitrophenolen, da die Nucleophilie herab und die Acidität weiter heraufgesetzt wird. Eine Veretherung von Pikrinsäure ist auf diese Weise nur noch in ungenügenden Ausbeuten möglich.

Unter Abscheidung von Natriumiodid, welches in der Suspension kaum zu erkennen ist, wird das p-Nitrophenetol gebildet.



Bilder:


Natrium in absolutem Ethanol


Gesamte Apparatur mit fertig gebildetem Natriumethanolat und einigen Tropfen der Phenollösung


Breiige Suspension bei der erst anschließend mit absolutem Ethanol aufgefüllt wurde, was die Suspension leichter rührbar macht


Überschüssiger Ethanol wird abdestilliert


Nach Zugabe des Sumpfes in 5%ige Natronlauge und ausfallender Feststoff


Getrocknete organische Phase vor dem Abrotieren


Kristalle des gereinigten p-Nitrophenetols im evakuierten Rundkolben nach dem Trocknen


Aufgenommenes IR-Spektrum des Produktes