Benzoin, alternativ

[Sharam]

Synthese von Benzoin (alternativ über Thiamin-Katalyse)
2-Hydroxy-1,2-diphenylethanon

Benzoin ist als Vorläufer von Benzil und verschiedentlicher Heterocyclen eine synthesechemisch bedeutende Verbindung. Es tritt in der Natur als Bestandteil des Bittermandelaromas auf, wobei sich seine Bildung aus Benzaldehyd durch Cyanidionen vollzieht; beide entstammen dem Benzaldehydcyanhydrin (Mandelsäurenitril) als Aglykon des Amygdalins. Die klassische Synthese verläuft (wie in den Mandeln) ebenfalls Cyanid-katalysiert, wobei einschränkende Faktoren die Giftigkeit und schlechte Verfügbarkeit von Alkalicyaniden sind. Um diese zu umgehen ist es sinnvoll, andere nukleophile Spezies heranzuziehen, so hat sich das Ylid des Thiamins etabliert. Das Vitamin ist leicht zugänglich und von erschwinglichem Preis, allerdings kursieren mehrere Methoden. Die hier dargestellte arbeitet unter Rückflussbedingungen bei 80 ℃, wodurch jedoch der Katalysator teilweise zersetzt wird. Sinnstiftend scheint es daher, die Reaktion bei Zimmertemperatur stattfinden zu lassen. In meiner Versuchsreihe gelang bislang lediglich die Variante in der Wärme mit erwartungsgemäß nur mäßiger Ausbeute.


Geräte:

Magnetheizrührer, Magnetfisch, Wasserbad, 250ml Rundkolben, Rückflusskühler, 100ml Erlenmeyer-Standkolben, Saugflasche, Büchnertrichter mit Gummidichtung, Vakuumpumpe, diverses Standardequipment


Chemikalien:

Benzaldehyd
Thiamin-Hydrochlorid
2-Propanol
Ethanol
Natriumhydroxid

---

Benzoin


Durchführung:

In einem 250 ml Rundkolben werden 5 g Thiamin-Hydrochlorid in einer Mischung aus 8 ml Wasser und 32ml Isopropanol (IPA, besser: Ethanol, siehe Anm. 1) vorgelegt und unter magnetischem Rühren vollständig zu einer klaren Flüssigkeit gelöst. Hierein wird langsam aus einer Spritze eine Lösung von 1 g Natriumhydroxid in ca 12 ml Wasser hinzugetropft, wobei sich der Ansatz mit fortgeschrittenem Eintrag kräftig gelb färbt. Zuletzt erfolgt unter Rühren die Zugabe von 16 ml Benzaldehyd. Nach dem Abkühlen (das Alkalisieren führt zu leichter Erwärmung) trübt sich das Reaktionsgemisch. Nun wird der Rückflusskühler aufgesetzt und in einem Wasserbad für 1,5 h refluxiert. In dieser Zeit wechselt die Farbe im Kolben nach orange und ein strenger Geruch nach Schwefelwasserstoff wird bemerkbar, da eine teilweise Zersetzung des Katalysators eintritt. Nach dem Abkühlen bilden sich zwei Phasen aus, wobei die obere die organische und von wesentlich höherem Volumen ist. Der Ansatz wird leicht geschwenkt und nach kurzer Zeit kristallisiert, ausgehend von der Phasengrenze, das Rohprodukt aus der organischen Phase aus. Zwischen den Kristallen und dem wässrigen Untersatz ist später ein gelbes Öl erkennbar (restliches Benzaldehyd). Die Masse wird aufgebrochen, vakuumfiltriert und mehrmals mit Wasser und kaltem Ethanol nachgewaschen. Um reines Benzoin zu erhalten folgt Umkristallisation aus heißem absolutem Ethanol (96% ist ebenfalls möglich), wobei Ethanolreste aufbewahrt werden, um Benzoin aus späteren Ansätzen in höherer Ausbeute zu reinigen (siehe Anm. 2). Die weißen bis blassgelben Nadeln werden an der Luft getrocknet.

Ausbeute: 8,14 g (48,5 % d.Th.)

mp.: 136 °C (Lit.: 135-136 °C)

Das Produkt stellt blassgelbe bis nahezu farblose Nadeln dar.

Entsorgung:

Alle anfallenden Lösungen werden den organischen, halogenfreien Abfällen zugeführt.


Erklärung:

Thiamin-Hydrochlorid wird im basischen Milleu am schwefelbenachbarten C deprotoniert, wodurch das katalytisch aktive Ylid entsteht.
Des Weiteren kann die Amino-Gruppe nukleophil an die C-N-Doppelbindung des Thiazolrings angreifen und ein farbiges Thiol bilden, welches für die Gelbfärbung des Ansatzes verantwortlich zeichnet.



In der folgenden Darstellung des Reaktionsmechanismus wird das Thiazol-Ylid mit der Variable A gehandhabt, damit die Darstellung übersichtlich bleibt:



Es resultiert ein racemisches Produkt.


Bilder:


Die klare Lösung des Thiamins in IPA. Durch leichtes Erwärmen wurde homogenisiert.


Zutropfen der Lauge


Trübung nachdem Benzaldehyd eingegossen wurde


Refluxieren. Die Mündung des Kühlers wurde mit Isolierband zu einem kleinen Loch verjüngt, damit nicht zu viel Luftkontakt möglich ist (Oxidation des Substrats zu Benzoesäure!)


Phasen nach dem Abkühlen


Das Rohprodukt kristallisiert aus


Beim Umkristallisieren


Erscheinungsbild des fertigen Präparats.

[Sharam]

Anm. 1: Es wurde IPA genutzt, da nicht genügend ketonfreies EtOH verfügbar war, um beide Varianten zu fahren.

Anm. 2: Die Lösungsmittelmenge war zu groß bemessen, das Produkt löste sich vollständig, bevor der Ethanol ins Sieden geriet. Diese fälschliche UK könnte neben den etwas weniger wasserlöslichen Isopropanol statt Ethanol (der wohl zur Bildung zweier Phasen ergo schlechterer Durchmischung führte) zu geringer Ausbeute beigetragen haben.

Anm. 3: Da in A beobachtet wurde, dass mit IPA Phasenbildung erfolgt, muss hier zwingend auf EtOH zurückgegriffen werden.

Anm. 4: Die Vorschrift benennt den Fall, dass sich dennoch Phasenbildung einstellt, wie auch ich beobachtet habe. Nun solle der /die Praktizierende den Ansatz im Wasserbad kurz erwärmen, wobei sich die layer bei Abkühlung rückbilden, eine aus meiner Sicht sinnlose Bemerkung. Ich selbst konnte durch starkes rühren die Phasen immer für wenige Stunden homogenisieren, am 10. Tag blieb die Lösung für 12 h dauerhaft klar und phasenfrei (zuvor wurde sie immer milchig). Dennoch kristallisierte auch im Eisbad nichts aus.

Anm.5: Vorschrift für Variante B

Variante B:

Es wurden simultan eine Lösung von 4 g Thiamin-HCl in 12,5 ml Wasser und 37,5 ml Ethanol (96%, ketonfrei; Anm. 3) sowie 7,5 ml 5M NaOH in einem Eisbad gekühlt. Im Verlauf von 5-10 min erfolgt die Zugabe der NaOH (ätzend), die Lösung wird kräftig gelb. Zuletzt werden 25 ml Benzaldehyd eingerührt, der Kolben mit einem gefetteten Stopfen verschlossen und für 10 Tage ruhig stehen gelassen. Dabei scheiden sich (gemäß Vorschrift) Kristalle des Produkts aus (Anm. 4), deren Reinigung wie in Variante A erfolgt.

* es wurde bislang noch kein Produkt erhalten*

---

Mit Ansatz B würde ich so weiter verfahren, dass der EtOH abdestilliert wird und durch Wasserdampfdestillation ich mich des Aldehyds entledige. Dann Ausethern und hoffen, dass Produkt entstanden ist. Was haltet ihr von der Idee?

[NI2]

Schaut ganz gut aus, das mit dem Thiamin hatte ich bei Lambda schon mal gesehen (daran erinnere ich mich wegen des Bildes der Benzoin-Kristalle).
Bin gespannt was aus dem zweiten Ansatz wird. Bevor du in irgendeiner Weise aber ans Aufarbeiten gehst würde ich einmal mal eine Umsatzkontrolle mittels DC machen. Referenzsubstanz hast du ja. Daran kannst du abschätzen wie sich der Ansatz entwickelt. Entweder sieht man, dass er durch ist oder eben nicht. In letzterem Fall noch weiter laufen lassen und wenn sich nichts ändert anhand des Umsatzes entscheiden, wobei Benzaldehyd auf der DC glaube gerne ziemlich große Flatschen macht, was die Umsatzabschätzung erschwert. Wenn das Benzaldehyd weitgehend verbraucht ist, würde ich erwarten, dass man es durch UK weitgehend entfernen kann, da ich in solchen doch recht trivialen Fällen keine Wasserdampfdesti machen würde.

Da du ja gerade so schön am testen bist, wäre es tatsächlich mal interessant zu schauen ob 3-Methylbenzothiazoliumiodid das auch kann. Und wenn ja wie gut.


Ich persönlich finde Anmerkungen, die nicht von akuter Relevanz (akute Toxizität, gefährliche Gasentwicklung etc.) sind, innerhalb der Vorschriften immer etwas ungünstig, ich persönlich würde daher bevorzugen – da du gerne Anmerkungen gibst, was ich gut finde – diese in den ersten Post unter einem Artikel zu machen (habe mir das irgendwann angewöhnt, weil sie unter Umständen nützliche und interessante Informationen enthalten können, ohne dass der Artikel dadurch unübersichtlich und überladen wirkt). Ich weiß nicht wie die anderen Mods und Cyan dazu stehen, aber ich finde, das macht den Artikel übersichtlicher. Und wenn innerhalb des Posts dann eher durch kursive Kennzeichnung nach der Durchführung oder nach den Bildern, aber da bin ich für Vorschläge/Kritik offen. Auch sollte in diesem Artikel die Struktur des Thiamins mindestens einmal auftauchen

[lemmi]

Ich finde Anmerkungen im selben Post wie die Versuchsanleitung gut, wenn sie sich auf Einzelheiten beziehen, die man während der eigentlichen Beschreibung nicht ausführlich einbringen möchte, weil sie die Lesbarkeit der Anleitung stören würden. Sie stehen dann ja gerade nicht "innerhalb der Vorschrift" und sind deswegen auch nicht "ungünstig". Ich mache das oft, wenn ich einen Versuch mehrfach durchgeführt und durch Probieren wichtige Knackpunkte ausfindig gemacht habe. Bislang gab es deswegen keine Beschwerden.

Wenn es sich um eine Versuchsbeschreibung (@Sharam: wir unterscheiden hier manchmal - nicht ganz durchgängig - zwischen Versuchsbeschreibungen und Versuchsanleitungen) handelt, finde ich Anmerkungen innerhalb des Posts geradezu notwendig, denn es handelt sich ja um Beobachtungen während des Versuchs. Wieso sollte man die in einen extra Post auslagern?

[NI2]

Bezüglich einer Versuchsbeschreibung gebe ich dir da absolut recht – daran habe ich nicht gedacht, da ich so selten Versuchsbeschreibungen schreibe
Ich empfinde eine "unnötige" Informationsfülle innerhalb einer Vorschrift als störend, lieber habe ich in eine Vorschrift, die aus einer Zeile besteht (siehe hier) und schreibe dafür an anderer Stelle noch zusätzliche Informationen, als dass eine Anleitung (für einen einfachen Versuch) unübersichtlich wird und Anleitung und Zusatzinformationen verschmelzen, so dass man beim einmaligen schnellen überfliegen der Vorschrift das synthetische Vorgehen anschließend nicht mehr im Kopf hat. Bei komplizierteren und aufwändigeren Versuchen oder besonderen Beobachtungen kann die Angabe einer Farbe oder eines Geruches auch innerhalb der Beschreibung durchaus sinnvoll sein. Da hierbei aber überwiegend auch der Beobachtungscharakter eine Rolle spielt und das ganze als Versuchsbeschreibung zu sehen ist (diese "Debatte" hatten wir ja schon des öfteren), gebe ich dir recht, dass die Anmerkungen durchaus im Artikel stehen sollten, wobei ich die Tatsache, warum der Versuch so geführt wurde wie er geführt wurde (IPA, statt EtOH abs.) eher als Zusatzinformation bewerten würde, welche nicht unbedingt im Artikel stehen sollte, sofern es sich um eine Beschreibung des durchgeführten Versuches und keine idealisierte Vorschrift handelt.

[Sharam]

@NI2 Wenn man 3-Methylbenzothiazoliumiodid hätte ... Kennst Du eine gute Vorschrift, es (oder ein Derivat) zu synthetisieren?

An der Stelle noch ein kleines Update: Indes ist die Lösung weinrot geworden und es sind keine Phasen mehr erkennbar. Die DC hatte ich bisher unterlassen, weil ich ja dann beide Phasen prüfen müsste und die obere sehr groß ist, sodass Entnahme des unteren Materials evtl zu Kontamination geführt hätte. Wie dem auch sei, dieses WE schaffe ich es wohl nicht mehr.

[NI2]

Dass man das nicht direkt da hat habe ich mir gedacht, lässt sich aber gut synthetisieren: 2-Aminothiophenol mit Formamid und Fe(NO₃)₃*9H₂O, anschließend methylieren.
Ist das simpelste Derivat was mir eingefallen ist, was man mal – mehr oder weniger – schnell zusammenbauen könnte. Die Thiazole selber sind da evtl ein wenig aufwändiger.

[Sharam]

2-Aminophenol ist mir auch nicht vorrätig, aber selbst dann könnte ich frühestens im Januar damit beginnen. (Steht auf meiner to-do-Liste) ich habe noch die Thiaminstruktuten ergänzt; die DC von alle Artikeln mache ich im Verlauf der Nächten Woche gemeinsam

[NI2]

Wenn ich in den nächsten Monaten mal Zeit und Lust habe, kann das das Iodid fertig machen, sofern du überhaupt Interesse hättest das noch zu probieren.

[Sharam]

Interesse schon, auch wenn es ökonomisch sicher nicht sinnvoll ist.

[NI2]

Thiamin ist auch nicht gerade billig, aber gut.

Bei deinem "gelben Thiol" fehlt noch eine Hydroxymethylgruppe, ist beim Abmalen vermutlich verloren gegangen.

[Sharam]

Jupp war mir auch schon aufgefallen (Die Position der NH2 sei an dieser Stelle auch mal korrigiert), wobei die Bezeichnung Thiol mit Blick auf die Tautomerie etwas zweifelhaft ist (oder irre ich?). Aus diesem Grund habe ich mich vorerst für Azadihydronaphthalen entschieden, wobei sich sicher trefflich darüber streiten ließe, wie diese Verbindung sinnvoll zu benennen ist; ich war bloß auf diese eine Erklärung gestoßen und hielt es für erwähnenswert, woher die gelbe Färbung stammt, da sich dies ja zunächst nicht erschließt...

[NI2]

Aus diesem Grund habe ich mich vorerst für Azadihydronaphthalen entschieden, wobei sich sicher trefflich darüber streiten ließe, wie diese Verbindung sinnvoll zu benennen ist; ich war bloß auf diese eine Erklärung gestoßen und hielt es für erwähnenswert, woher die gelbe Färbung stammt, da sich dies ja zunächst nicht erschließt...

Erwähnenswert in jedem Fall... Als Bezeichnung würde ich signifikanter Weise "Dihydropyrimidopyrimidin" wählen, da damit der Kern am besten beschrieben ist. Azanaphthalen ist ohne Anzahl der N-Atome schon stark abweichend. Und da es sich um einen 3,4-Dihydropyrimido[4,5-d]pyrimidin-Kern handelt denke ich, dass man es getrost als "Dihydropyrimidopyridin" bezeichnen kann.

[Justus Liebig]

Eine schöne Alternative zu der Cyanid-Variante ist das! Da ich das demnächst auf dem Weg zu Phenytoin gerne nachkochen würde, habe ich noch 2 Fragen:
1) Inwieweit würden Ketone im Ethanol stören? In anderen Synthesevorschriften mit der gleichen Methode war immer nur von "95%igem Ethanol" die Rede, ohne dass explizit darauf hingewiesen wurde, dass das ketonfrei sein muss.
2) Wie stark war die H₂S-Entwicklung? So stark, dass man unter einen Abzug gehen sollte?

[Vanadium]

Hey Sharam, da bin ich wohl nicht der einzige der die Kimble Kolben- und Schraub-RGs hat! Sind das bei dir auch die für 3,50 Euro pro 10 Stk? Ich finde die absolut super zum Aufbewahren von kleinen Mengen Chemikalien, hält vermutlich auch deutlich besser dicht als ein Schnappdeckelglas... Gibts beim Handelskontor Freitag!