Synthese von Salicylaldehyd-Semicarbazon

[mgritsch]

Synthese von Salicylaldehyd-Semicarbazon
[3030-97-5], o-Hydroxybenzaldehyd Semicarbazon

Semicarbazone sind Verbindungen, die bei der Kondensation von Semicarbazid mit Carbonylgruppen (Aldehyde, Ketone) entstehen und sind, ähnlich wie die Dinitrophenylhydrazone, auch gut zur Charakterisierung von Verbindungen über Schmelzpunkte geeignet. Salicylaldehyd-Semicarbazon ist auch interessant als Ligand und analytisches Reagens. Es bildet mit vielen Metallionen sehr stabile Komplexe, derjenige mit Fe³⁺ ist sehr dunkel-grüngrau gefärbt, und damit ist es auch als Indikator für komplexometrische Titrationen^[1] geeignet. Weiters ist es auch ein guter pH-Fluoreszenzindikator^[2] (Umschlag von pH 7,6 gelbe Fluoreszenz zu pH 8 blaue Fluoreszenz, Anregungswellenlänge 365 nm, jedoch nur in wässriger Lösung - in alkoholischer Lösung tritt keine Fluoreszenz auf!)

In der Regel werden Semicarbazone durch Umsetzung der Aldehyde oder Ketone mit Semicarbazid-Hydrochlorid (aus dem es durch Pufferung mit Natriumacetat freigesetzt wird) hergestellt. Mein Syntheseweg geht direkt vom in Situ aus Hydrazin-Cyanat durch Umlagerung gebildeten Semicarbazid aus^[3,4].


Geräte:
Bechergläser, Sinternutschen, Magnetrührer


Chemikalien:
Hydrazinsulfat
Natriumcarbonat
Kaliumcyanat
Salicylaldehyd
Essigsäure

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Salicylaldehyd-Semicarbazon


Hinweis:
Zum Produkt Salicylaldehyd-Semicarbazon konnte ich keine gesicherten toxikologischen Einstufungen in der Literatur finden, daher ist im Umgang damit Vorsicht geboten!


Durchführung:
In einem 100 ml Becherglas wurden 6,5 g (50 mmol) Hydrazinsulfat vorgelegt und unter Erwärmen in 26 ml Wasser suspendiert - es löste sich nicht vollständig auf darin. Nun wurde in kleinen Portionen 2,65 g (25 mmol) Natriumcarbonat zugegeben das sich unter aufschäumen auflöste, gleichzeitig löste sich auch das Hydrazinsulfat vollständig auf. Da nach vollständiger Zugabe die Lösung immer noch stark sauer reagierte, wurde noch etwas mehr Natriumcarbonat zugegeben bis das Aufschäumen endete und der pH annähernd neutral war.

Nachdem die Lösung auf ca 50 °C ausgekühlt war, wurde eine Lösung von 4,34 g (53,5 mmol) Kaliumcyanat in 15 ml kaltem Wasser unter gutem Rühren zugegeben. Kaliumcyanat löst sich sehr gut in Wasser, es darf dabei keinesfalls erwärmt werden da sonst eine rasche Hydrolyse zu Ammoniumcarbonat erfolgt! Der Ansatz wurde nun über Nacht stehen gelassen.

Am nächsten Tag wurde von einer kleinen Menge ausgeschiedenen Niederschlags und ein paar Kristallen (vermutlich 1,1-Hydrazodiformamid bzw. Natriumsulfat) in einen 100 ml Erlenmeyer-Kolben abfiltriert und eine Lösung von 4,58 g (37,5 mmol) Salicylaldehyd in 15 ml abs. Ethanol unter gutem Rühren zugegeben. (Hier darf auf keinen Fall gewöhnlicher Spiritus benutzt werden da dieser mit MEK vergällt ist das ebenfalls mit dem Semicarbazid reagieren und Verunreinigungen verursachen würde!) Dabei bildete sich rasch ein cremefarbener, dicker Niederschlag und der Ansatz erwärmte sich etwas.

Der Ansatz wurde nun erneut über Nacht stehen gelassen. Am nächsten Tag wurde er in ein 250 ml Becherglas überführt, der Kolben mit ca. 50 ml dest. Wasser nachgespült, und der Ansatz unter Rühren erwärmt und vorsichtig mit verd. Essigsäure schwach angesäuert. Dabei entstand erneut etwas CO₂ (überschüssiges Natriumcarbonat, Ammoniumcarbonat aus der Hydrolyse von KCNO) und der Schaum wurde relativ voluminös. Nun wurde das Produkt abgenutscht, mit reichlich dest. Wasser nachgewaschen und an der Luft an einem warmen Ort getrocknet.

Eine Schmelzpunktbestimmung ergab 224-226 °C (unkorr., Lit. Angaben: 225°, 227-228°), das Produkt sollte also bereits ausreichend rein sein. Eine Umkristallisation aus Ethanol oder Isopropanol ist möglich, aber nicht erforderlich bzw. hat keine Verbesserung von Schmelzpunkt oder DC ergeben. Aufgrund der schlechten Löslichkeit sind dafür relativ große Mengen Lösemittel erforderlich. Zu beachten ist auch, dass sowohl Auflösung als auch Kristallisation gerne mit merklicher Verzögerung erfolgen! Umkristallisation aus Spiritus verschlechtert den Schmelzpunkt sogar (gemessen: 218-226) - vermutlich kommt es hier teils zur Bildung des Semicarbazons von MEK.

Bei der Reinheitskontrolle mit DC zeigen sich deutlich 2 Flecken. Der obere fluoresziert bei 365 nm kräftig gelb (wie das Produkt insgesamt), der untere blau. Bei 254 nm ist der untere jedoch deutlich stärker ausgeprägt, er stellt das Hauptprodukt dar. Ein Vergleich mit Referenzsubstanz zeigte, dass es sich beim oberen, gelb fluoreszierenden Stoff um Salicylaldazin handelt (durch nicht umgesetztes Hydrazin entstanden), durch Umkristallisation war es nicht entfernbar.

Kräftig fluoreszierende Stoffe wirken in der DC unter 356 nm UV-Licht oft übermäßig prominent, daher sollte man sich zur Beurteilung der Reinheit eher an der 254 nm-Fluoreszenzlöschung orientieren, die ist etwas weniger selektiv. Ich schätze den Anteil an Verunreinigungen auf um die 1-5% (Bei „normaler“ Auftragsmenge eben noch erkennbar).

Ausbeute: 6,25 g (93,0% d.Th. bezogen auf Salicylaldehyd)


Entsorgung:
Abfälle kommen zu den halogenfreien organischen Abfällen.


Erklärung:
Aus dem Hydrazinsulfat wird mittels Natriumcarbonat das Hydrazin freigesetzt. Dieses reagiert mit Kaliumcyanat durch Umlagerung des Hydrazin-Cyanat zu Semicarbazid.


Semicarbazid kondensiert in alkalischer Lösung rasch mit Salicylaldehyd zum Semicarbazon:



Bilder:



Ansatz mit Semicarbazid vor der Filtration



Ansatz nach der Zugabe von Salicylaldehyd



Rohprodukt nach dem Trocknen



Umkristallisiertes Produkt



kräftige gelbe Fluoreszenz bei 365 nm



Farbwechsel der Fluoreszenz - links im sauren, rechts im basischen bei 365 nm



Indikatorwirkung mit einer sehr stark verdünnten Lösung von Fe (in MeOH/H2O 50:50; in reinem Wasser kann es zur Trübung wegen mangelnder Löslichkeit kommen)



DC mit saurem Laufmittel, vor und nach Umkristallisation, bei 365 nm



DC mit Laufmittel EtOAc:PE 15:10, verschiedene Auftragsmengen. bei 365 nm



die gleiche DC bei 254 nm


Literatur:

[1] Indicators: International Series of Monographs in Analytical Chemistry
[2] Handbook of Acid-Base Indicators
[3] Houben-Weyl Methods of Organic Chemistry Vol. VIII, 4th Edition
[4] Anleitung zur Darstellung organischer Präparate mit kleinen Substanzmengen

[NI2]

Für Fluoreszenz bitte Anregungswellenlänge angeben (ich nehme an 365 nm). Aber das sieht toll aus. Geeignete (asymmetrische) Schiffsche basen fluoreszieren intensiv Gelbgrün. Die Fluoreszenz das Ca-Komplexes ist aber herrlich.

[lemmi]

Sehr schön und sehr ästhetisch!

[Pok]

Gelbe Fluoreszenz ist toll und m.E. ziemlich selten. Nur in einem engen Spektralbereich sieht das "rein gelb" aus. Bei geringer Verschiebung wird es schnell deutlich grünstichig oder merklich orange...

Hast du ne Literaturquelle? Das Emissionsspektrum der Fluoreszenz wäre auch mal interessant.

[mgritsch]

Aha? wusste nicht dass gelb speziell selten wäre
Ein bisschen Literatur habe ich reingestellt, grundsätzlich gibt es relativ viele Publikationen zur Substanz:
https://search.crossref.org/?q=salicyla ... icarbazone

die wenigsten befassen sich aber mit so "grundlegenden" Fragen wie Fluoreszenzspektren
möglicherweise liegt das an der schlechten Löslichkeit der Komplexe, und wer arbeitet schon gerne am Feststoff...

[Calciumcitrat]

Sehr interessant. Hasst du mal eine Verdünnungsreihe gemacht um die LOD an Ca zu bestimmen? Fluoreszenzsensoren für Calciumsensoren sind recht begehrt, gerade für biologische/medizinische Anwendungen.

[mgritsch]

Wie beschreiben - ich habe in eine 50:50 MeOH/H2O ein paar Tropfen der Lösung des Reagenz gegeben, Test mit UV-Lampe - keine Fluoreszenz.
Dann ein Körnchen CaCl2 reingeworfen, geschüttelt - es bildet sich ein flockiger NS der kräftig fluoresziert.
Schluss daraus: es muss sich wohl ein Ca Komplex bilden der sehr schwer löslich ist aber der gelb fluoresziert. Tut er das im RG, dann wohl auch auf der DC platte.

Von Verdünnungsreihe odgl bin ich da meilenweit entfernt und es wäre auch allenfalls eine qualitat. Einschätzung wann man leuchtende Flöckchen sehen kann und wie lange sie brauchen um auszufallen...
Ob ich mit meinem q'n'd Test richtig lag und ob und unter welchen Bedingungen das taugt als Fluoreszenzsensor... keine Ahnung? Schicke dir gerne ein Pröbchen wenn du dich daran versuchen willst

[NI2]

Unbedingt mit einer CaCl₂-LÖSUNG probieren.

[mgritsch]

okay, schneller Test:
a) das Ergebnis mit CaCl2 Körnchen direkt in die verd. Lösung des Reagenz ist reproduzierbar. Wenn man nicht zu heftig schüttelt kann man sehen wie die "Wolken" von dort ausgehend sich bilden.
b) gebe ich eine vorher erstellte CaCl2 Lösung (im gleichen Medium) hinzu, es passiert: nichts. Erst nach ca 10-15 min beginnt sich in der ganzen Lösung ein feinverteilter gelb fluoreszierender NS zu bilden.

Fazit: das ganze ist wohl stark konzentrationsabhängig, durch die lokal hohe Konzentration kommt es bei Zugabe eines Körnchens zu einer rascheren Ausscheidung.
eine empfindlich Fluoreszenzsonde wir das aber wohl nicht unter den Bedingungen.

Dort wo der Spot (mittels alkoholischer Lösung) auf die DC PLatte aufgetragen wird und eintrocknet, herrschen aber eine Zeit lang vermutlich hohe Konzentrationen vor, so bildet sich eine konzentrierte "Portion" des Komplexes die davon wandern kann. Der restliche Spot bewegt sich nur sehr langsam und in einem anderen Lösungsmittel weiter, laufend in geringer Menge neu gebildeter Komplex wird laufend ausgewaschen, dadurch nicht als Spot oder Fahne erkennbar. In der rechten Spur kann man ein bisschen davon erahnen was hinterher hinkt - trotz dem die Platte wie man bei 254 nm sieht nicht überladen war.

[mgritsch]

tja, manchmal muss man etwas zurückrufen

nachdem ich mal zum Vergleich Salicyladazin synthetisiert habe und als DC laufen gelassen habe steht fest: der gelbe Fleck ist nicht der Ca Komplex.
Rf, Fluoreszenzfarbe etc - eindeutig Salicyladazin.
Die Menge dürfte dennoch recht gering sein, siehe der Schmelzpunkt der nicht so schlecht war und bei UV254 ist der Fleck auch deutlich schwächer, die Prominenz ist vor allem der sehr starken Fluoreszenz des Aldazin geschuldet...
Nichts desto trotz, ich denke da es nicht durch Rekrist zu entfernen ist muss ich die Synthese nochmal fahren mit mehr KCNO damit sicher alles Hydrazin weg ist.

Und jede Lösung bringt ein neues Rätsel: parallel zum Salicyladazin hab e ich versucht das Hydrazon zu machen, einfach anderes Molverhältnis. Die Literatur sagt schon das ist nicht so leicht dass dabei kein aldazin entsteht, ich habe auch 2 verscheiden aussehende Produkte erhalten, dennoch sagt die DC "alles das selbe", alles nur aldazin...? wtf?

[lemmi]

Ich hätte noch eine Frage zum Produkt:

Einerseits ist der Schmelzpunkt des Salicylaldehyd-Semicarbazon sehr gut, anderseits zeigt es dünnschichtchromatographisch zwei Spots. Wie geht das zusammen?

Du hast den zweiten Spot als "Salicylalazin" identifiziert. Der sieht sehr kräftig aus, so dass man meinen könnte, das Produkt sei nicht nur ein bisschen sondern erheblich damit verunreinigt. Da müsste doch der Schmelzpunkt deutlich abweichen!?

Was meinst du mit Salicylalazin eigentlich? Ist es identisch mit Salicylhydrazid? Das hat einen Schmelzpunkt von 147-150 °C und müsste den Schmelzpunkt des Präparates doch stark senken!?

Könnte es sein, dass der zweite Spot irgendwie durch Reaktion des Produktes mit dem DC-Fließmittel entstanden ist? Was hast du verwendet?

[mgritsch]

Das Aldazin ist das Hydrazin das an beiden N mit dem Aldehyd reagiert hat, vergleiche zB hier mit Vanillin:
viewtopic.php?f=22&t=4524
Bei Aldehyd-Überschuss in Vergleich zu wenig restlichem Hydrazin das einzige plausible Produkt und durch Vergleich mit der DC des dazu extra synthetisieren Produkts auch bestätigt.

Kräftig fluoreszierende Stoffe wirken in der DC oft übermäßig prominent, da sollte man sich eher an der 254 nm orientieren, die ist da etwas weniger empfänglich (siehe letzes Bild). Ich schätze den Anteil so um die 1-5%. Bei „normaler“ Auftragsmenge eben noch so erkennbar.

Nachdem Umkristallisation keine merkliche Aufreinigung mehr erzielt hat musste ich es mal so belassen. Dass der Schmelzpunkt wenig drunter leidet kann schon sein wenn die kryoskopische Konstante niedrig ist. Für Molmassen-Bestimmungen würde ich es nicht empfehlen

[lemmi]

Das Aldazin ist das Hydrazin das an beiden N mit dem Aldehyd reagiert hat...

Der Schreibfehler war nicht von mir ...

Gibt´s zu dem Stoff irgendwelche Angaben zu Eigenschaften? Könnte man seine Bildung durch Einsatz von weniger Hydrazin verhindern?
Die Überlegungen (zur Intensität der fluoreszenzlöschung und dem vermuteten Anteil) sollte man noch in die Erklärung einfließen lassen.

[mgritsch]

Nachdem da 2 Reaktionen nacheinander geschaltet sind (Bildung des Semicarbazon, Reaktion mit Aldehyd) ist das etwas tricky. Ich habe es mal mit etwas mehr KCNO versucht aber war kein Unterschied. Es bildet sich lediglich etwas mehr 1,1-Hydrazodiformamid (das Reaktionsprodukt aus 1 Hydrazin + 2 KCNO, unlöslicher Niederschlag).

Die Reaktion bzw die DC hat mir wirklich viel Kopfzerbrechen bereitet. Wie kann das 2 Spots geben und resistent gegen Umkristallisation sein. Ich vermutete schon Reaktion mit dem Ca des Binders in der Platte, auch dass man da evtl protonierte (gelb fluoreszierend) und deprotonierte (blau fluoreszierend) Form nebeneinander sieht (siehe Indikator-Eigenschaften bei pH 7-8), aber mit saurem Laufmittel sollte es keine deprotonierte Form geben, dennoch blau fluoreszierender Spot... das Aldazin ist wohl als einzige Möglichkeit geblieben.

Vielleicht geht es reiner indem man zuerst das Semicarbazid von Aceton wie in der Literatur isoliert und zu Semicarbazon zersetzt und das erst mit Salicylaldehyd... geht natürlich mega auf die Ausbeute.

Der Weg ist mal wie er ist, mit allen Vor- und Nachteilen.

[lemmi]

Die Sache ist m.E. immer noch nicht klar.

Du sagst, der untere Spot sei das Salicylaldazin. Du schreibst, die 254 nm-Fluoreszenzlöschung sei weniger selektiv als die Fluoreszenz bei 365 nm. Gerade der untere Spot ist in der Fluoreszenzlöschung aber viel kräftiger als der obere! Bei aller Unbedarftheit (meinerseits!) was die Einschätzung kryoskopischer Konstanten angeht, passt mir das nicht zu dem so akkuraten Schmelzpunkt.

EIn Vergleich mit Referenzsubstanz zeigte, dass es sich dabei um Salicylaldazin handelt

War die Referenzsubstanz Salicylaldazin oder hast du eine andere Referenz mitlaufen lassen?
Gibt es vielleicht eine Möglichkeit an authentisches Saliclyaldehyd-Semicarbazon zu gelangen und zu schauen, wie sich das unter den DC-Bedingungen verhält?

Ich glaube immer noch, dass du eine Reinsubsztanz vorliegen hast, und der zweite Spot gar keine Verunreinigung ist...

...Aber das sieht toll aus. Geeignete (asymmetrische) Schiffsche basen fluoreszieren intensiv Gelbgrün. Die Fluoreszenz das Ca-Komplexes ist aber herrlich.

@NI2: wo hast du die Fluoreszenz des Ca-Komplexes gesehen?