Synthese von trans-Zimtsäure
(E)-3-Phenylpropensäure

Zimtsäure ist ein vielfältig einsetzbares Substrat in der organischen Synthese [1], die etablierte Syntheserouten, bedeutend etwa die Knoevenagel-Doebner-Reaktion oder Perkin-Reaktion, setzen jedoch mit Piperidin oder Acetanhydrid Substanzen ein, deren privater Erwerb als Kat. II GÜG beschwerlich ist. Des weiteren ist Pyridin gesundheitsschädlich, Piperidin giftig. Die hier vorgestellte Methode stellt dagegen aus ungiftigen, leicht erwerbaren Stoffen den Zimtsäureethylester dar, dessen Hydrolyse das Zielprodukt liefert. Die vergleichsweise geringe Ausbeute begrenzt jedoch ihren Einsatz jenseits preisgünstiger Substrate.


Geräte:

Magnetheizrührer, Magnetfisch, Silikonölbad, Eis-Kochsalz-Kältebad, 250 ml Dreihals-Rundkolben, 100 ml Rundkolben, Rückflusskühler, Thermometer, Tropftrichter 25 ml, Destillationsbrücke, 250 ml Becherglas, 500 ml Becherglas, 2 L Kristallisierschale, 500 ml Scheidetrichter, Stativmaterial, Standardequipment


Chemikalien:

Benzaldehyd (Xi)


Natrium (C, F)


Ethanol (F, Xi)


Essigsäureethylester (F, Xi)


Xylol (F, Xi, Xn)


Kaliumhydroxid (C, Xi)


Salzsäure (C, Xi)


Essigsäure (C, F)


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trans-Zimtsäure (Xi)



Hinweis:

Vorsicht im Umgang mit elementarem Natrium, vor Einfall in Eisbad durch Abdeckung schützen.


Durchführung:

Vorbereitend wird das Ethylacetat mit saturierter Natriumhydrogencarbonat-Lösung ausgeschüttelt, fraktioniert abdestilliert und über wasserfreiem Kaliumcarbonat sorgfältig getrocknet. Ist kein absoluter Ethanol verfügbar, so wird auch dieser, ebenso wie das Xylol, absolutiert.

In einen mit Rückflusskühler ausgestatteten 250 ml Dreihalsrundkolben im Silikonölbad werden etwa 50 ml trockenes Xylol eingegossen, welchem die Zugabe von 2,7 g frisch geschnittenen und von Paraffin befreitem Natrium sowie eines Rührfisches folgen. Die Seitenhülsen werden nun mit Stopfen verschlossen und der Kolbeninhalt bis zur Schmelze des Natriums erhitzt. Dann wird durch Einschalten der Rührfunktion die Schmelze im Kohlenwasserstoff zu feinen Partikeln verteilt und langsam abkühlen gelassen, sodass ein feines Na-Granulat verbleibt (Ohne die Nutzung eines RPG-Rührers verklumpt das weiche Metall am Gefäßboden leicht und muss händisch zerteilt werden. Wer um ein weniger leistungsstarkes Equipment weiß, sollte diesen Schritt gleich ganz bleiben lassen, statt dessen aber - wenn möglich - später Schutzgas über den Ansatz leiten, um die längere Reaktionszeit und damit einhergehend die Autoxidation des Benzaldehyds zu kompensieren.).

Nach Abgießen des Xylols erfolgt die Zugabe einer Lösung von 0,3-0,4 ml absoluten Ethanols in 45 ml Ethylacetat (schwache Gasentwicklung von Wasserstoff beobachtbar). Man installiert nun ein Thermometer, welches in die Lösung ragt, und einen Tropftrichter, der mit 10 g Benzaldehyd in ca. 20 ml Ethylacetat gefüllt ist. Nachdem das Ölbad durch eine Eis-Kochsalz-Kältemischung ersetzt wurde, wird rasch auf 0 °C gekühlt und langsam der Aldehyd zugetropft, so dass die Innentemperatur 5 °C nicht überschreitet. Die Reaktionsmischung nimmt dabei sofort eine rote Farbe an und beginnt, sich zu trüben. Nach vollständiger Zugabe wird noch so lange weitergerührt, bis kein Natrium mehr sichtbar ist. Abhängig vom Zerteilungsgrad kann dies mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Nun werden unter Rühren vorsichtig 10 ml Eisessig zugegeben, wobei sich unmittelbar der charakteristische Geruch des Ethylcinnamats bemerkbar macht. Man verdünnt mit ca. 50 ml destilliertem Wasser, trennt die obere, organische Phase ab und extrahiert noch mindestens zweimal mit je ca 15 ml Ethylacetat. Die vereinigten organischen Phasen werden mit verdünnter Salzsäure (ca. 10 %) ausgeschüttelt, über Magnesiumsulfat getrocknet und durch Destillation von flüchtigen Bestandteilen befreit (Es wurde alles abdestilliert, was bei unter 120 °C übergeht. Wer zur Destillation in vacuo fähig ist, sollte besser gleich den angenehm riechenden Ester abdestillieren und ggf. weiterverarbeiten).

Hernach erfolgt die Aufnahme in ca. 30 ml Ethanol, welchem eine Lösung von 9 g Kaliumhydroxid in 15 ml Wasser zugesetzt wird. Der Ansatz wird für mehrere Stunden unter Rückfluss am Sieden gehalten (dabei sollte der Geruch des Esters verschwinden), mit Wasser verdünnt und der Alkohol abdestilliert. Der Rückstand wird zwecks der Beseitigung von Nebenprodukten durch Extraktion mit EtOAc entfärbt, filtriert und durch Eintropfen konzentrierter Salzsäure unter kräftigem Rühren die Zimtsäure in Freiheit gesetzt (Die Säure ist im Überschuss zu wählen, mit Indikatorpapier prüfen!). Das Rohprodukt wird aus der kaltgestellten Lösung abfiltriert, mit kaltem Wasser gewaschen und aus selbigem unter Zusatz von etwas Aktivkohle umkristallisiert. Die Trocknung erfolgt über Silicagel oder bei 120 °C im Ofen.

Ausbeute: 5,86 g (42,1% d.Th.)

Zimtsäure bildet farblose Nadeln oder Plättchen aus, welche einen eigentümlich unangenehmen Geruch verströmen. Smp.: 132 °C (Lit.: 133-135 °C)


Entsorgung:

Alle Abfälle werden den organischen, halogenfreien Abfällen zugeführt.


Erklärung:

In situ wird durch die Reaktion von Ethanol und Natriummetall Ethanolat in katalytischer Menge hergestellt, welches die Enolisierung des Ethylacetats durch Deprotonierung der alpha-Methylgruppe katalysiert. Das Enolat greift nun nukleophil an den Carbonylkohlenstoff des Benzaldehyds an, ein sekundäres Alkoholat hinterlassend. Nach Protonierung und Säure-katalysierter/thermischer Eliminierung von Wasser verbleibt der Ethylester der Zimtsäure.



Aus diesem kann ohne weitere Aufarbeitung durch Verseifung und A/B-Extraktion die Zimtsäure in hinreichender Reinheit gewonnen werden.


Bilder:


Ansatz nach vollständiger Zugabe des Aldehyds


nach quenching des Ansatzes mit wässriger AcOH


Das Präparat


Literatur:

[1] G. Yan and A. J. Borah, Org. Biomol. Chem., 2015, DOI: 10.1039/C5OB00727E
[2] Org. Synth. 1929, 9, p. 38
[3] L. Claisen:Zur Darstellung der Zimmtsäure und ihrer Homologen,Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1890, 23, p. 976-978