Mariola Kaźmierczak Imię i nazwisko osoby wykonującej doświadczenie
27.10.2014
Data wykonania ćwiczenia

1. Numer i tytuł ćwiczenia

II.4. Synteza chlorku tert-butylu (2-chloro-2-metylopropanu)

1. Schemat reakcji

1. Mechanizm reakcji

Jest to przykład substytucji nukleofilowej pierwszego rzędu (S_N1). W pierwszym etapie reakcji następuje protonacja grupy karboksylowej przez cząsteczkę kwasu, co skutkuje tym, że staje się ona dobrą grupą odchodzącą. Cząsteczka wody opuszcza związek, przez co tworzy się płaski karbokation tert-butylowy. Jest to najwolniejszy etap reakcji i determinuje on jej szybkość. W ostatnim etapie, do dodatnio naładowanego atomu węgla przyłącza się nukleofilowy anion chlorkowy i w ten sposób powstaje chlorek tert-butylu.

W mieszaninie poreakcyjnej znajdują się dwie warstwy: organiczna (zawierająca chlorek tert-butylu) i nieorganiczna (w której obecny jest produkt uboczny – woda, a także jony kwasu solnego, które nie zostały wykorzystane w reakcji).

1. Opis w punktach kolejnych etapów syntezy

1. W rozdzielaczu na 100 cm³ zmieszano 16 cm³ alkoholu tert-butylowego i 40 cm³ HCl; dodano ok. 5 g CaCl₂, który powoduje, że związek organiczny słabiej rozpuszcza się w wodzie i dzięki temu następuje szybsze rozdzielenie warstw.

2. Wstrząsano zawartość rozdzielacza, co chwila odkręcając zawór, by zredukować wytworzone w środku wysokie ciśnienie; początkowo częściej, później co 2-3 min intensywnego wstrząsania; czynność powtarzano przez 20 min.

3. Mieszaninę pozostawiono do rozdzielenia.

4. Oddzielono dolną warstwę (nieorganiczną) i dodano jeszcze 10 cm³ HCl.

5. Mieszaninę wytrząśnięto analogicznie jak w punkcie 2 i pozostawiono do rozwarstwienia; po tym czasie znowu oddzielono dolną warstwę.

6. Górną warstwę przemywano, by pozbyć się pozostałości kwasu solnego; w tym celu dodawano kolejno: 10 cm³ wody, 10 cm³ 5% NaHCO₃ (uprzednio przygotowanego) i ponownie 10 cm³ wody. Korek rozdzielacza był stale otwarty, z racji wydzielającego się w dużych ilościach dwutlenku węgla.

7. Przemytą warstwę organiczną spuszczono do kolby stożkowej i osuszono bezwodnym CaCl2; związek dodawano do momentu, aż przestał się zbrylać.

8. Surowy produkt przesączono do 25 cm³ kolbki okrągłodennej i destylowano w małym zestawie do destylacji frakcjonowanej; frakcję wrzącą w temperaturze 49-51°C zbierano do zważonej uprzednio kolbki stożkowej ze szlifem, umieszczonej w łaźni lodowej.

9. Otrzymano 7,84 g chlorku tert-butylu

10. Sprawdzono czystość związku refraktometrem Abbego przez zmierzenia współczynnika załamania światła, który wynosił 1,385 w temperaturze 21°C.

1. Porównanie zmierzonego współczynnika załamania światła z wartością podaną w przepisie

Wartość literaturowa: 1,3819 w temperaturze 20°C

Ponieważ temperatura w laboratorium różniła się od tablicowej, różnicę 0,0039 między wartością zmierzoną a wzorcową, można zaniedbać i uznać dostateczną czystość cieczy.

1. Obliczenie wydajności reakcji

Do reakcji użyto:

16 cm³ (12 g) alkoholu tert-butylowego (M = 154,14 g/mol) oraz 50 cm³ kwasu chlorowodorowego (d = 1,18 g/cm³, M = 36,46 g/mol).

W reakcji otrzymano:

7,84 g chlorku tert-butylu (M = 92,58 g/mol)

Do obliczenia teoretycznej masy związku (zakładając 100% wydajność reakcji) użyto substratu, który występował w niedomiarze, a więc alkoholu.

C₄H₁₀O + HCl → C₄H₉Cl + H₂O

m = 12 g --------------------------- m_t = x

M = 74,14 g/mol ---------------- M = 92,58 g/mol

$$x = \ \frac{12 \times 92,58}{74,14} = 14,98\ g$$

Masa związku, która powstałaby przy 100% wydajności = 14,98 g.

Wydajność reakcji wynosi zatem:

$$W = \ \frac{m}{m_{t}} \times 100\ \% = \ \frac{7,84}{14,98} \times 100\% = 52,34\%$$

1. Komentarz

Otrzymano chlorek tert-butylu z dość niską wydajnością 52,34%. Największym problemem podczas wykonywania ćwiczenia był fakt, że otrzymywana substancja wrzała już w temperaturze bliskiej 50°C, co mogło być powodem strat związku (zwłaszcza, że przy rozwarstwianiu, dodawaniu wodorowęglanu wapnia i przemywaniu korek rozdzielacza musiał być otwarty). Dodatkową przyczyną mogła być pomyłka eksperymentatora przy osuszaniu warstwy organicznej chlorkiem wapnia. W skutek nie zrozumienia instrukcji, zamiast spuścić najpierw warstwę organiczną z rozdzielacza, a potem osuszyć, dodano trochę chlorku do rozdzielacza, co wywołało konieczność przelania substancji przez górny otwór do kolby stożkowej. Śladowe ilości produktu mogły wówczas pozostać na CaCl2, którego nie dało usunąć się z rozdzielacza. Dodatkowym faktem jest to, że destylacji frakcjonowanej nie przeprowadzono „do sucha”. Pewna część chlorku pozostała w kolbie okrągłodennej.

Reakcji S_N1 nierozerwalnie towarzyszy eliminacja E1. Jedynie zastosowanie odpowiednich warunków (w tym przypadku: zastosowanie trzeciorzędowego karbokationu oraz polarnego rozpuszczalnika) pozwala na przesunięcie kierunku reakcji w celu efektywniejszego otrzymania produktu substytucji, nie zaś eliminacji. Konkurencyjność tych dwóch procesów również mogła się przyczynić do obniżenia wydajności przeprowadzonego procesu.