Synthese von Salicylaldehyd-Semicarbazon

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mgritsch
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Synthese von Salicylaldehyd-Semicarbazon

Beitrag von mgritsch »

Synthese von Salicylaldehyd-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, der mit Fe3+ ist sehr dunkel-grüngrau und damit ist es auch als Indikator für komplexometrische Titrationen[1] geeignet. Weiters ist es auch ein guter pH-Fluoreszenz-Indikator[2] (Umschlag bei 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
Salicylaldehyd-Semicarbazon

Hinweis: zum Produkt Salicylaldehyd-Semicarbazon konnte ich keine gesicherten toxikologischen Einstufungen in der Literatur finden, daher ist im Umgang damit höchste 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 löst 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 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 bildet sich rasch ein cremefarbener, dicker Niederschlag und der Ansatz erwärmt 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 entsteht erneut etwas CO2 (überschüssiges Natriumcarbonat, Ammoniumcarbonat aus der Hydrolyse von KCNO) und der Schaum wird 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. Aufgrund er 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 jedoch deutlich 2 Flecken. der obere fluoresziert bei 365 nm kräftig gelb (wie das Produkt), der untere blau. Bei 254 nm ist der untere deutlich stärker ausgeprägt. EIn Vergleich mit Referenzsubstanz zeigte, dass es sich dabei um Sallicylalazin handelt (durch nicht umgesetztes Hydrazin entstanden), durch Umkristallisation war es nicht entfernbar.

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.
Bild

Semicarbazid kondensiert in alkalischer Lösung rasch mit Salicylaldehyd zum Semicarbazon:
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Bilder:
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Ansatz mit Semicarbazid vor der Filtration


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Ansatz nach der Zugabe von Salicylaldehyd


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Rohprodukt nach dem Trocknen


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Umkristallisiertes Produkt


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kräftige gelbe Fluoreszenz bei 365 nm


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


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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)


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


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


Bild
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

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NI2
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Beitrag von 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.
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lemmi
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Beitrag von lemmi »

Sehr schön und sehr ästhetisch!
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Pok
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Re: Synthese von Salicylaldehyd-Semicarbazon

Beitrag von 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.

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mgritsch
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Beitrag von 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
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Beitrag von 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.

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mgritsch
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Beitrag von 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 ;)

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NI2
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Beitrag von NI2 »

Unbedingt mit einer CaCl2-LÖSUNG probieren.
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mgritsch
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Beitrag von 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.

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mgritsch
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Beitrag von 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?

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