NOP http://www.oc-praktikum.de 2023 Reducción de D-(+)-alcanfor con hidruro de litio y aluminio a una mezcla de isómeros (+)-borneol y (–)-isoborneol LiAlH4 H t er t-butil-metil-eter O + OH H OH C10H16O (152.2) a LiAlH4 (38.0) C10 H18O (154.3) b Clasificación Tipos de reacción y clases de productos reacción del grupo carbonilo en cetonas, reducción, adición estereoselectiva cetona, alcohol, hidruro metálico complejo, producto natural Métodos o técnicas de trabajo trabajo en ausencia de humedad, agitación con agitador KPG, adición gota a gota con embudo de adición, calefacción a reflujo, filtración, evaporación con rotavapor, sublimación, uso de baño refrigerante, calefacción con baño de aceite Instrucciones (escala 100 mmol) Equipo Matraz de tres bocas de 500, refrigerante de reflujo metálico, tubo para desecante, suministro de gas protector, agitador KPG, embudo de adición con presión compensada, matraz Kitasato, embudo Büchner, rotavapor, aparato para sublimación, placa calefactora, bomba de vacío, baño refrigerante, baño de aceite Productos 20 D-(+)-alcanfor, [α] D = + 44.0° (pf 179 °C) 15,2 g (100 mmol) Hidruro de litio y aluminio tert-butil metil eter, seco (p eb 55 °C) disolución acuosa de hidróxido sódico (15%) carbonato potásico para secar 5,32 g (140 mmol) 280 mL 6 mL 1 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de Reacción El montaje de la reacción, formado por un matraz de tres bocas 500 mL, agitador KPG, refrigerante de reflujo metálico con tubo para desecante y embudo de adición de presión compensada, debe estar completamente seco y preferiblemente habiéndole pasado corriente de nitrógeno. Se introducen en el matraz 160 mL de tert-butil metil eter seco y se añaden de golpe 5,32 g (140 mmol) de hidruro de litio y aluminio. Se agita la mezcla durante 5 minutos y se añade después una disolución de 15,2 g (100 mmol) de D-(+)-alcanfor en 100 mL de tertbutil metil eter seco gota a gota y con agitación, de forma que el eter tenga una ebullición moderada. A continuación se agita la mezcla a reflujo durante otras 3 horas. Elaboración Manteniendo la agitación, se enfría la mezcla en un baño refrigerante (por razones de seguridad no puede ser de agua debido al LiAlH4) hasta unos 0 °C. A continuación, muy cuidadosamente se añaden gota a gota con un embudo de adición 6 mL de agua, luego 6 mL de disolución de hidróxido sódico al 15% y luego otros 16 mL de agua para descomponere el exceso de hidruro de litio y aluminio. Mientras tanto la mezcla de reacción forma espumas por la generación de gases, y ebulle. Se forma un precipitado viscoso incoloro. Una vez finalizada la adición, se agita la mezcla durante otros 30 minutos y luego se filtra con un embudo Büchner. Si el filtrado no es trasparente, se filtra una segunda vez. Luego, se seca el filtrado con carbonato potásico. Se filtra el agente desecante, se lava con 20 mL de tert-butil metil eter y se evapora el disolvente en el rotavapor. Se obtiene como producto bruto un resíduo cristalino incoloro. Rendimiento bruto: 13,4 g; pf 209-210 °C; pureza según GC mayor del 99%; relación isoborneol a borneol 87 : 13 Se sublima 1,00 g del producto bruto a presión reducida (unos 20 hPa) y con una temperatura del baño de aceite cercana a los 100 °C. A partir de 1,00 g de producto bruto se obtienen 0,970 g sde producto puro sublimado. Rendimiento de producto sublimado extrapolando al volumen total de producto: 13,0 g (84,2 20 mmol, 84%); pf 211-213 °C; [α] D = – 24.090° El producto está formado por isoborneol y borneol en una relación de 87 : 13 y presenta menos del 0,1% de impurezas (GC, ver analíticas). Comentarios Si se lleva a cabo la reacción con alcanfor racémico, se procede igual que se ha indicado para el D-(+)-alcanfor. El producto está formado por los racematos del borneol y del isoborneol, pudiendo verse los enantiómeros separados con una columna quiral de GC (ver analíticas). Manejo de resíduos Reciclado El tert-butil metil eter evaporado se recoge y se redestila. Eliminación de resíduos Resíduo Eliminación 2 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de resíduo sólido de la hidrólisis del hidruro de litio y resíduos sólidos, aluminio mercurio resíduo de la sublimación resíduos sólidos, mercurio carbonato potásico resíduos sólidos, mercurio libres de libres de libres de Tiempo 6 horas hasta la sublimación Pausa después de la hidrólsisi del hidruro de litio y aluminio y el filtrado del precipitado Grado de dificultad Difícil Instrucciones (escala 10 mmol) Equipo Matraz de tres bocas de 100, refrigerante de reflujo metálico, tubo para desecante, suministro de gas protector, agitador KPG, embudo de adición con presión compensada, matraz Kitasato, embudo Büchner, rotavapor, aparato para sublimación, placa calefactora, bomba de vacío, baño refrigerante, baño de aceite Productos 20 D-(+)-alcanfor, [α] D = + 44.0° (pf 179 °C) 1,52 g (10,0 mmol) Hidruro de litio y aluminio tert-butil metil eter, seco (p eb 55 °C) disolución acuosa de hidróxido sódico (15%) carbonato potásico para secar 532 mg (14,0 mmol) 90 mL 1 mL Reacción El montaje de la reacción, formado por un matraz de tres bocas 100 mL, agitador KPG, refrigerante de reflujo metálico con tubo para desecante y embudo de adición de presión compensada, debe estar completamente seco y preferiblemente habiéndole pasado corriente de nitrógeno. Se introducen en el matraz 40 mL de tert-butil metil eter seco y se añaden de golpe 532 mg (14,0 mmol) de hidruro de litio y aluminio. Se agita la mezcla durante 5 minutos y se añade después una disolución de 1,52 g (10,0 mmol) de D-(+)-alcanfor en 40 mL de tert-butil metil eter seco gota a gota y con agitación, de forma que el eter tenga una ebullición moderada. A continuación se agita la mezcla a reflujo durante otras 3 horas. Elaboración Manteniendo la agitación, se enfría la mezcla en un baño refrigerante (por razones de seguridad no puede ser de agua debido al LiAlH 4) hasta unos 0 °C. A continuación, muy 3 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de cuidadosamente se añade gota a gota con un embudo de adición 1 mL de agua, luego 1 mL de disolución de hidróxido sódico al 15% y luego otros 4 mL de agua para descomponere el exceso de hidruro de litio y aluminio. Mientras tanto la mezcla de reacción forma espumas por la generación de gases, y ebulle. Se forma un precipitado viscoso incoloro. Una vez finalizada la adición, se agita la mezcla durante otros 30 minutos y luego se filtra con un embudo Büchner. Si el filtrado no es trasparente, se filtra una segunda vez. Luego, se seca el filtrado con carbonato potásico. Se filtra el agente desecante, se lava con 10 mL de tert-butil metil eter y se evapora el disolvente en el rotavapor. Se obtiene como producto bruto un resíduo cristalino incoloro. Rendimiento bruto: 1,31 g; pf 209-210 °C; pureza según GC mayor del 99%; relación isoborneol a borneol 87 : 13 Se sublima el producto bruto a presión reducida (unos 20 hPa) y con una temperatura del baño de aceite cercana a los 100 °C. 20 Rendimiento de producto puro sublimado: 1,27 g (8,23 mmol, 82%); pf 211-213 °C; [α] D = – 24.090° El producto está formado por isoborneol y borneol en una relación de 87 : 13 y presenta menos del 0,1% de impurezas (GC, ver analíticas). Comentarios Si se lleva a cabo la reacción con alcanfor racémico, se procede igual que se ha indicado para el D-(+)-alcanfor. El producto está formado por los racematos del borneol y del isoborneol, pudiendo verse los enantiómeros separados con una columna quiral de GC (ver analíticas). Manejo de resíduos Reciclado El tert-butil metil eter evaporado se recoge y se redestila. Eliminación de resíduos Resíduo Eliminación resíduo sólido de la hidrólisis del hidruro de litio y resíduos sólidos, libres aluminio mercurio resíduo de la sublimación resíduos sólidos, libres mercurio carbonato potásico resíduos sólidos, libres mercurio de de de Tiempo 6 horas hasta la sublimación Pausa después de la hidrólsisi del hidruro de litio y aluminio y el filtrado del precipitado Grado de dificultad Difícil 4 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de Analíticas Monitorización de la reacción En principio, la reacción puede seguirse tanto con GC como con TLC, por razones de seguridad no deben tomarse muestras durante la reacción. TLC Condiciones de TLC: adsorbente: eluyente: Reactivo revelador Placas de aluminio para TLC gel de sílice 60 F254 Éter de petróleo(40-60 °C)/acetato de etilo 1:1 vainillina Rf (alcanfor) Rf (borneol/isoborneol) 0,75 0,70 GC Condiciones de GC I: Preparación de la muestra: se disuelven 10 mg de producto en 1 mL de tert-butil metil eter. columna: inyección: gas portador: horno: detector: integración: Zebron ZB-1, longitud 15 m, diametro interno 0,25 mm, capa 0,25 µm, (Phenomenex, Torrance, CA, USA) temperatura del inyector 270 °C; inyección partida 21:1; volumen inyectado 0,3 µL He, presión precolumna 100 kPa 60 °C isoterma FID, 250 °C, H2 29 mL/min; sint air 333 mL/min; Integrador 4290 (Productos de Separación Térmica) Condiciones de GC II: Preparación de la muestra: se disuelven 50 mg de producto en 1 mL de tert-butil metil eter Columna quiral: inyección: gas portador: horno: detector: integración: Cyclosil B, longitud 2 x 30 m, diametro interno 0,32 mm, capa 0,25 µm, (J & W Scientific, Folsom, CA, USA) temperatura del inyector 260 °C; inyección partida 4:9; volumen inyectado 0,13 µL H2, presión precolumna 100 kPa 70 °C (45 min isoterma), 0,3 °C/min hasta 110 °C (25 min) FID, 300 °C, H2 25,1 mL/min; sint air 393 mL/min integrador 4290 (Productos de Separación Térmica) El porcentaje de concentración se calculó a partir del área de los picos. 5 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de GC del producto a partir de D-(+)-alcanfor (Condiciones de GC I) 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo de retención (min) Producto Area del pico % 11,3 11,9 9,8 isoborneol borneol alcanfor 87,5 12,5 0,0 14 Los GCs del producto bruto y del producto puro son virtualmente idénticos, presentando menos del 0.1% de impurezas. Los picos por debajo de un tiempo de retención de 2 minutos corresponden al disolvente y sus impurezas. GC del producto a partir de alcanfor racémico (Condiciones de GC II) 16 12 8 4 0 0 20 40 60 80 6 100 120 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de Tiempo de retención (min) 58,8 59,8 84,9 88,3 92,0 96,0 otros Producto Area del pico % (–)-alcanfor (+)-alcanfor (+)-isoborneol (–)-isoborneol (–)-borneol (+)-borneol sin identificar 1,27 1,30 42,4 42,5 5,4 5,4 1,7 A partir de las áreas de los picos se obtiene una relación de isoborneol a borneol = 89 : 11. Rotación óptica del producto puro Rotación óptica de los componentes puros (valores de la literatura): [α] D (isoborneol): −34.6° (etanol) 20 [α] D +37.7° (etanol) 20 (borneol): Rotación óptica del producto puro medido en una disolución al 3% en etanodiol: [α] D = −24.090 ° 20 resultado: relación de isoborneol a borneol = 85 : 15. Espectro 1H NMR del producto bruto (250 MHz, CDCl3) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 (ppm) 7 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de Espectro 1H NMR del producto puro (250 MHz, CDCl3) 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.50 (ppm) 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 (ppm) δ (ppm) 0,82 0,91 1,02 3,58-3,65 3,96-4,40 Multiplicidad s s s m m 0,8–2,4 Intensidad Rel. 86 14 m Asignación CH3 (isoborneol) CH3 (isoborneol) CH3 (isoborneol) CH – OH (isoborneol) CH – OH (borneol) Otros protones del anillo en isoborneol y borneol y CH3 en borneol Espectro 13C NMR del producto puro (250 MHz, CDCl3) 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 (p p m) 35 8 30 25 20 15 10 5 0 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de δ (ppm) Isoborneol 79,92 48,97 46,35 45,05 40,41 33,92 27,25 20,49 20,12 11,33 76,5-77,5 δ (ppm) Borneol 77,37 49,50 48,03 45,11 39,04 28,29 25,93 20,20 18,69 13,34 Asignación CH(OH) Cquart Cquart CH CH2 CH2 CH2 CH3 – C – CH3 CH3 – C – CH3 CH3 en C cabeza de puente disolvente. Espectro IR del producto bruto (KBr) 10 0 % Transmission -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 4000 3000 2000 1000 -1 Wellenzahl [cm ] 9 March 2006 NOP http://www.oc-praktikum.de Espectro IR del producto puro (KBr) 10 0 % Transmission -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 4000 3000 2000 1000 -1 Wellenzahl [cm ] (cm-1) 3370 2983–2876 Asignación tensión O – H tensión C – H, alcano 10 March 2006