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Synthese von Amiden durch Ammonolyse
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Synthese von Amiden durch Ammonolyse - Reaktionen in Zeitlupe

Eine Amid-Gruppe kann sowohl als Schutzgruppe eingesetzt werden als auch als Vorstufe zur Herstellung von Aminen über den Hofmann-Abbau. Eine einfache und elegante Methode um Carbonsäureamide zu gewinnen ist die Ammonolyse von Estern die eine weit verbreitete und meist leicht herstellbare Substanzklasse sind. Man muß dabei nicht unbedingt in flüssigem Ammoniak arbeiten - durch einfaches Stehenlassen des Esters mit einer konz. Ammoniaklösung bei Raumtemperatur bildet sich in der Regel langsam das Amid der Säure und kann dann (je nach Löslichkeit) einfach abdestilliert oder abfiltriert werden. Da als Nebenprodukte nur Ammoniak, Wasser, Alkohol und ggfs. nicht umgesetzter Ester oder Ammoniumsalz der Säure zu erwarten sind die alle gut wasserlöslich bzw leicht flüchtig sind, ist die Aufreinigung sehr einfach.

Untersucht wurde die Reaktion bereits 1906 von H. Meyer[1] der bereits feststellte, dass:
a) es generell eine gute Alternative zu Amidbildung aus Säurechlorid + Ammoniak ist da sich keine sekundären Amide oder Nitrile bilden
b) Arbeiten mit alkoholischem oder reinem NH3 keine Vorteile bietet (abgesehen vom unangenehmen Handling sogar eher mehr Nebenprodukte wie sekundäre Amide, polymere Nitrile etc. liefert und schlechte Ausbeuten)
c) Die Umsetzung funktioniert nicht oder schlecht mit Estern die sterisch gehemmt sind oder mit Substituenten mit starkem +I/+M Effekt (z.B, Trimethylessigsäure, β-Methylcinchoninsäureester, β-Oxy-α-naphtoesäureester)
Es gibt auch eine sehr schöne Publikation[2] aus dem Jahr 1907 darüber, die sich mit dem Thema optimale Reaktionsbedingungen/Ausbeute am Beispiel Ethylacetat/Acetamid beschäftigt und entscheidend für den quantitativen Erfolg der Methode sind vor allem ein ausreichender Überschuss am Ammoniak (mindestens 2-facher molarer Überschuss) sowie etwas Geduld (Tage bis Wochen).

Hier soll anhand von drei Beispielen das Vorgehen und die recht breite Anwendbarkeit gezeigt werden.


Geräte:
Erlenmeyerkolben mit Stopfen, Bechergläser, Filternutsche, ggfs. Destillationsapparatur


Chemikalien:
27% Ammoniaklösung (C, N, Xi)


Ethylacetat (F, Xi)


Methylbenzoat (Xi)


Methylphenylacetat

zur Umkristallisation:
Toluol (F, Xi, Xn)


Diethylether (F, Xi)


Methanol (F, T, Xn)



____________

Acetamid (Xn)


Benzamid (Xi, Xn)


Phenylacetamid (Xi)




Durchführung:
Acetamid: in einem 250 ml Erlenmeyerkolben wurden 50 ml (44,9 g, 0,51 mol) Ethylacetat und 75 ml konz. NH3 (27%, 1,07 mol) vorgelegt und 4 Wochen mit Stopfen verschlossen stehen gelassen. Bereits nach etwas mehr als einem Tag war keine Phasengrenze mehr zu beobachten. Laut Arbeitsvorschrift[1] wäre eine praktisch quantiative Umsetzung bereits nach 13 Tagen erreicht. Nach 4 Wochen wurden zuerst Ammoniak, Wasser, Alkohol und ggfs. nicht umgesetzter Ester abdestilliert und dann das hinterbliebene Acetamid durch Vakuumdestillation abgezogen wobei kaum ein Rückstand hinterblieb. Rohausbeute 29,1 g (96,8% d.Th). Dann wurde nochmals aus Methanol/Diethylether 1:5 umkristallisiert um die riechbar vorhandenen Reste an Essigsäure zu entfernen die sich vermutlich durch tlw. Zersetzung bei der Destillation gebildet haben. Schmelzpunkt 78 - 81 °C (Lit: 81 °C), Ausbeute 25,4g (84,5% d.Th.)

Benzamid: in einem 100 ml Erlenmeyerkolben wurden 24,8 g, (0,182 mol) Methylbenzoat und 50 ml konz. NH3 (27%, 0,715 mol) vorgelegt und insgesamt 4 Wochen mit Stopfen verschlossen unter gelegentlichem Umschütteln stehen gelassen. Das Methylbenzoat stammte aus einem anderen Vorversuch und war u.a. mit Benzaldehyd verunreinigt - beim Zusammengeben verfärbte sich die Mischung daher braun-grünlich. Durch gelegentliches starkes Rühren wurde der Ester suspendiert um die Reaktion anfangs etwas zu beschleunigen. Erst nach über einer Woche war eine erste Abscheidung von Kristallen erkennbar. Dazwischen wurde die Lösung immer wieder gut umgeschüttelt. Über die nächsten Wochen konnte der Reaktionsfortschritt gut daran erkannt werden, dass sich an der Flüssigkeitsoberfläche bzw. an der Glaswand immer wieder neue, teils große säulenförmige Kristalle bildeten. Erst in der vierten Woche war keine weitere Kristallbildung mehr zu erkennen bzw. erschienen die Kristalle nicht mehr durch Flüssigkeit zusammenklebend und wurden abgenutscht. Zur Reinigung wurden die Kristalle etwas zerkleinert und mit etwas verdünnter HCl gewaschen (Hydrobenzamid als mögliche Verunreinigung aus dem Benzaldehyd stammend hydrolysiert unter diesen Bedinungen sehr rasch), und aus ca 100 ml dest. Wasser umkristallisiert. Rohausbeute 17,15 g (78% d.Th). Aufgrund des unreinen Ausgangsprodukts war das Produkt trotz Umkristallisation leicht cremefarben verfärbt und der Schmelzpunkt entsprach noch nicht, daher wurde noch einmal aus Wasser und einmal aus Toluol umkristallisiert. Das fertige Produkt war fast ganz weiß. Schmelzpunkt 123 - 127 °C (Lit: 124–127 °C), Ausbeute 15,44 g (70,0% d.Th.).

Vermutlich kann man bei Einsatz einer reinen Ausgangssubstanz das Produkt ohne weitere Reinigungsschritte sofort verwenden bzw sind dann auch höhere Ausbeuten zu erwarten. Der absichtliche Einsatz einer verunreinigten Substanz erfolgte vor allem als Test wie gut die Amid-Bildung als Reinigungsverfahren taugt zumal die Amide oft sehr gut umkristallisierbar sind.

Phenylacetamid: in einem 100 ml Erlenmeyerkolben wurden 30 ml (31,8g g, 0,212 mol) Methylphenylacetat und 50 ml konz. NH3 (27%, 0,715 mol) vorgelegt und 3 Tage mit Stopfen verschlossen unter gelegentlichem Umschütteln stehen gelassen. Bereits nach einem Tag war der Kolben halb mit feinen weißen Kristallblättchen gefüllt, nach 2 Tagen war keine Ester-Phase mehr zu sehen bzw. kam es nach zusammenschütteln der Kristalle zu keiner erneuten Abscheidung in der überstehenden Lösung. Nach 3 Tagen wurden die Kristalle abgenutscht, mit etwas Wasser mehrfach nachgewaschen und im Exsikkator getrocknet. Schmelzpunkt 156-158 °C (Lit: 156 °C), Ausbeute 23,7 g (82,2% d.Th.). Durch Einengen der Mutterlauge könnte vermutlich noch etwas mehr Produkt gewonnen werden.

Fazit: die Reaktionsgeschwindigkeit ist bei den getesteten Substanzen durchaus unterschiedlich, in Summe konnten jedoch alle erfolgreich und in hoher Ausbeute in das Amid überführt werden. Wenn die Ausgangsstoffe von hoher Reinheit sind, sind dabei oft keine weiteren Reinigungsschritte erforderlich. Fraglich wäre noch inwieweit die Temperatur zur Beschleunigung genutzt werden könnte. Natürlich würde bei höherer Temperatur die Reaktion schneller ablaufen, andererseits könnte es ein Problem sein unter Rückfluss-Bedingungen den NH3 in ausreichender Konzentration in der Lösung zu halten. Weiters ist noch fraglich, inwieweit bei höherer Temepratur die Konkurrenzreaktion der Hydrolyse zur Carbonsäure überhand nimmt sodass letztendlich keine guten Ausbeuten bzw. aufwändigere Reiningung erforderlich werden.


Entsorgung:
Abfälle kommen zu den halogenfreien organischen Abfällen.


Erklärung:

Durch nucleophilen Angriff eines NH3 auf das C der Carbonylgruppe bildet sich unter Abgang des Alkohols das Amid. Optimal ist der Einsatz von Methyl- oder Ethylestern.



Bilder:

Kristalle von Benzamid wachsen an der Oberfläche



nach 2 Tagen ist der Kolben bereits gut mit Kristallen von Phenylacetamid gefüllt



Fertiges Phenylacetamid - glitzernde leichte reinweiße Blättchen



Fertiges Acetamid


Literatur:
[1] H. Meyer, "Über Säureamidbildung und Esterverseifung durch Ammoniak"; Monatshefte für Chemie (1906) 27: 31.
[2] I. K. Phelps and M. A. Phelps: "Preparation of acetamide by the action of ammonium hydroxide and ethyl acetate"; Am J Sci November 1, 1907 Series 4 Vol. 24:429-432
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Sehr schön! So einfach geht's manchmal!
Das einzige was mich abschreckt, ist die Abtrennung des Acetamidas durch Vakuumdestillation (welcher Druck/Temperatur übrhaupt?). Kann man das nicht umgehen?

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lemmi hat Folgendes geschrieben:
Sehr schön! So einfach geht's manchmal!


ja fast zu leicht um "synthesewürdig" zu sein, aber dafür aufgrund der breiten Anwendbarkeit sehr nützlich.
Eine richtig spannende Anwendung für die Amide hab ich ja noch nicht - Benzylamin oder Methylamin durch Hoffmann-Abbau vielleicht ja, sonst... mhhh... was würdst du mit dem Acetamid machen?

Zitat:
Das einzige was mich abschreckt, ist die Abtrennung des Acetamidas durch Vakuumdestillation (welcher Druck/Temperatur übrhaupt?). Kann man das nicht umgehen?


Keine Angst vor Vakuum-Destillationen, das ist einfacher als man denkt und sehr oft wahnsinnig hilfreich! Eine kleine Drehschieber-Pumpe in der 100-150 EUR Region, ein paar Meter PVC Schlauch und du bist dabei.

Acetamid siedet bei Normaldruck bei 221-222 °C und bei 10 mbar die ich erreiche bei 99-100 °C. Natürlich kannst du es auch ohne Destillation herstellen, da es ziemlich hygroskopisch ist, ist das Wasser durch Erhitzen aber schwer wegzubekommen (und hängt dir auch bei der Umkristallisation nach). Du kannst es auch bei Normaldruck destillieren, du wirst aber nicht die selbe Reinheit bekommen da es sich dann schon teilweise zersetzt.

Die bisherige Synthese hier (siehe http://illumina-chemie.de/acetamid-t2333.html) hat leider drei "Schwachstellen" - zu kurze Reaktionszeit, keine Destillation und die Umkristallisation aus Ethanol ist untauglich (löst sich zu gut bzw zu hoher Wassergehalt wenn man kein abs. Ethanol benutzt), dementsprechend ist die Ausbeute mager. Schmelzpunkt wurde nicht gemacht, ich befürchte aber er könnte etwas niedrig liegen.
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mgritsch hat Folgendes geschrieben:
Keine Angst vor Vakuum-Destillationen, das ist einfacher als man denkt und sehr oft wahnsinnig hilfreich! Eine kleine Drehschieber-Pumpe in der 100-150 EUR Region, ein paar Meter PVC Schlauch und du bist dabei.

Okay, irgendwann werde ich mich dahin mal vorwagen - wenn ich einen wirklichen Anlass dazu habe. Vorerst ist es nur Neugier. Braucht man eine Drehschieberpumpe? Reicht eine Wasserstrahlpumpe nicht?

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lemmi hat Folgendes geschrieben:
mgritsch hat Folgendes geschrieben:
Keine Angst vor Vakuum-Destillationen, das ist einfacher als man denkt und sehr oft wahnsinnig hilfreich! Eine kleine Drehschieber-Pumpe in der 100-150 EUR Region, ein paar Meter PVC Schlauch und du bist dabei.

Okay, irgendwann werde ich mich dahin mal vorwagen - wenn ich einen wirklichen Anlass dazu habe. Vorerst ist es nur Neugier. Braucht man eine Drehschieberpumpe? Reicht eine Wasserstrahlpumpe nicht?

Ich würde sogar eher eine Wasserstrahlpumpe empfehlen, sofern einem ~20-30 mBar reichen und man kein Problem mit den Wassermengen hat. Diese ist wesentlich robuster, benötigt keine Wartung, erzeugt keine nervigen Öldämpfe, kostet weniger und man kann ruhig korrosive Sachen durchjagen (begrenzt durch das was man dem Abwasser zumuten kann).
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Stepfan hat Folgendes geschrieben:
Ich würde sogar eher eine Wasserstrahlpumpe empfehlen, sofern einem ~20-30 mBar reichen und man kein Problem mit den Wassermengen hat. Diese ist wesentlich robuster, benötigt keine Wartung, erzeugt keine nervigen Öldämpfe, kostet weniger und man kann ruhig korrosive Sachen durchjagen (begrenzt durch das was man dem Abwasser zumuten kann).


Der Wasserverbrauch kann schon enorm sein - den Waserhahn mal eben so 2 oder 3 Stunden volle Pulle aufgedreht lassen... Dann ist das Vakuum auch sehr nass was mitunter stören kann.
Würde ich nur für Abnutschen empfehlen.
Meine Pumpe läuft nun schon seit 2 Jahren ohne Wartung etc, ich mute ihr viel zu, man kann das Öl im Schauglas schon gar nicht mehr sehen, aber sie läuft und läuft bisher. Ich möchte mal wissen wie lange das mit macht, bei den Kosten ist das leistbar.
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Ich finde es sehr interessant, wie einfach und interessant dieser Reaktionstyp ist!

@lemmi, wie Stepfan schon schrieb, ne normale Wasserstrahlpumpe reicht durchaus... Ich würde einfach mal zur Übung mit einer Wasser-Destillation im Vakuum starten, dann bekommst ein Gefühl dafür, wie stark das erzeugte Vakuum ist/wird ...

Näheres findest Du dazu im Kapitel 3.10 Erzeugung von Druck und Unterdruck ab Seite 26 in "225 x Chemie - Ein Experimentierbuch". Ich habe mich mit der in Bild 25 gezeigten Vorrichtung beholfen mangels Wasseranschluss im Labor. Das hat auch prima funktioniert mit einem 5 Liter großen Glasballon für Weine und genügte für damals für die Experimente im Buch...

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Alles ist Chemie, sofern man es nur "probiret". (Johann Wolfgang von Goethe 1749-1832)

„Dosis sola facit venenum.“ (Theophrastus Bombastus von Hohenheim, genannt Paracelsus 1493-1541)

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Schöne Versuche! Die einfachsten Versuche sind manchmal die besten Ehrlich gesagt finde ich aber auch, dass Vakuumdestillationen immer eine ziemlich nervige Sache sind... Dann doch lieber 3x umkristallisieren oder so... Laughing Und Wasserstrahlvakuum über mehrere Stunden laufen zu lassen, ist schon ziemliche Wasserverschwendung oder nicht?

Die Kristalle vom Phenylacetamid sehen sehr, sehr nice aus!
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Vanadium hat Folgendes geschrieben:
Schöne Versuche! Die einfachsten Versuche sind manchmal die besten


Danke Smile
Ich muss noch eine Literatur einfügen.... 19 irgendwas hat auch schon einer damit gespielt und es gibt ein paar Ausnahmen wo es nicht klappt...

Zitat:
Ehrlich gesagt finde ich aber auch, dass Vakuumdestillationen immer eine ziemlich nervige Sache sind... Dann doch lieber 3x umkristallisieren oder so... Laughing Und Wasserstrahlvakuum über mehrere Stunden laufen zu lassen, ist schon ziemliche Wasserverschwendung oder nicht?


Deswegen arbeite ich nur mit Drehschieberpumpe... Ein bisschen Lärm aber schön konstant und sauber.
Nilered zeigt in einem neueren video sein system - eine Aquariumpumpe um ein paar $ und Wasserstrahlpumpe, ein geschlossenes System in einer Plastikbox, hat seinen Reiz wenn es wirklich korrosiv wird, das wäre zu überlegen.

Zitat:
Die Kristalle vom Phenylacetamid sehen sehr, sehr nice aus!

Ja, wunderschöner Schnee Smile sieht genau gleich aus wie Phenylessigsäure, ich war nicht 100% sicher ob das richtige herausgekommen ist bis ich den Schmelzpunkt gemacht habe...
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