Mariola Kaźmierczak Imię i nazwisko osoby wykonującej doświadczenie
3 i 17.11.2014
Data wykonania ćwiczenia

1. Numer i tytuł ćwiczenia

III.d.3. Synteza 4-tert-butylo-1,2-dimetylobenzenu

1. Schemat reakcji

1. Mechanizm reakcji

Reakcja przedstawia mechanizm substytucji elektrofilowej, która jest charakterystyczna dla związków aromatycznych. Czynnik elektrofilowy ulega podstawieniu w miejscu atomu wodoru, przyłączonego do pierścienia aromatycznego.

W pierwszym etapie reakcji generowany jest czynnik elektrofilowy – chlorek tert-butylu ulega jonizacji, wskutek działania chlorku żelaza(III). Powstały wówczas trzeciorzędowy karbokation (czynnik elektrofilowy) podstawia się w pozycji para pierścienia aromatycznego; na sąsiednim atomie węgla generuje się ładunek dodatni, stabilizowany przez 3 struktury rezonansowe. Wytworzony w poprzednim etapie anion FeCl₄^- powoduje deprotonację związku; elektrony z wiązania C-H „przechodzą” do pierścienia aromatycznego, a katalizator się odtwarza. Produktem ubocznym jest HCl.

1. Wykonanie syntezy:

1. W kolbie dwuszyjnej zmieszano 5,3 g o-ksylenu (odmierzonego w przygotowalni) i 5 cm³ chlorku tert-butylu (otrzymanego w poprzednim etapie syntezy)

2. Porcjami dodawano chlorek żelaza(III) i mieszano przez 30 min w temperaturze pokojowej. Po tym czasie dodano jeszcze 1,6 cm³ chlorku tert-butylu i mieszano przez 1 godzinę w temperaturze pokojowej, potem przez 15 min w łaźni olejowej w temperaturze 140°C.

3. W tym czasie przygotowano nasycone roztwory wodorowęglanu sodu i chlorku sodu (rozpuszczono nadmiar stałych soli w roztworze, odczekano, aż osad opadnie na dno naczynia i zlano ciecz znad osadu).

4. Roztwór przeniesiono do rozdzielacza, kolbę przemyto 20 cm³ heksanu i dołączono do zawartości rozdzielacza.

5. Przemywano 30 cm³ roztworu NaHCO₃. Ponieważ w rozdzielaczu wytworzyła się emulsja, dodano niewielką ilość stałego NaCl, który spowodował wyraźne rozdzielenie warstwy organicznej i wodnej. Warstwę wodną spuszczono, pozostałość przemyto ponownie, tym razem 30 cm³ roztworu NaCl. Spuszczono warstwę wodną.

6. Warstwę organiczną przeniesiono do kolby stożkowej i wysuszono bezwodnym MgSO₄. W trakcie oddzielono jeszcze, za pomocą pipetki Pasteura, znajdującą się w kolbie wodę, którą trudno było oddzielić za pomocą rozdzielacza.

7. Środek suszący przesączono na sączku karbowanym. Ciecz umieszczono zaś w kolbie okrągłodennej.

8. Heksan oddestylowano na wyparce.

9. Pozostałość przeniesiono za pomocą pipetki Pasteura do małej kolbki okrągłodennej i oddestylowano pod ciśnieniem atmosferycznym, używając chłodnicy powietrznej. Przedgon zbierano do temperatury ok. 150 °C (obserwowano spływającą do odbieralnika ciecz), następnie zamieniono odbieralniki i zbierano frakcję właściwą w temperaturze do 209 °C. Niewielka ilość substancji pozostała w kolbie, by uniknąć ryzyka zniszczenia szkła.

1. Obliczenie wydajności reakcji

Wydajność teoretyczna:

m = 5,3 g m = 5,5 g

M = 107,19 g/mol M = 92,58 g/mol M = 163,31 g/mol

n = 0,0494 mol n = 0,0594 mol

5,3 g -------------- x g

107,1 g/mol -------------- 163,31 g/mol

$$x = \frac{5,3 \times 163,31}{107,19} = 8,07\ g$$

Wydajność rzeczywista:

Masa otrzymanego związku = 5,33 g

8,07 g ------------------- 100%

5,33 g --------------------- x %

$$x = \ \frac{5,33 \times 100}{8,07} = 66,05\ \%$$

1. Komentarz

Związek otrzymano z dość wysoką, 66-procentową wydajnością. O-ksylen został odmierzony w przygotowalni, natomiast odmierzanie określonych objętości chlorku tert-butylu wiązało się z dość dużym błędem, gdyż jest to związek bardzo lotny. Podczas dodawania bezwodnego chlorku żelaza(III) nie było możliwości, żeby całkowicie wyeliminować kontakt z powietrzem. W trakcie rozdzielania mieszaniny z heksanem konieczne był dodanie niewielkiej ilości chlorku sodu, w celu uzyskania lepszego rozdzielenia warstwy organicznej i nieorganicznej. Mimo to, na granicy dwóch warstw obecna była jeszcze niewielka ilość emulsji, w której mógł znajdować się 4-tert-butylo-1,2-dimetylobenzen. Tej emulsji nie spuszczono razem z warstwą nieorganiczną, dlatego po dodatku środka suszącego konieczne było usunięcie niewielkiej ilości wody znajdującej się na dnie kolby i zastosowanie troszkę większej ilości środka suszącego – mogło to być kolejną przyczyną spadku wydajności, gdyż za duża ilość MgSO₄ mogła spowodować, że cząsteczki syntetyzowanej substancji zostały zaokludowane w kryształach siarczanu(VI) magnezu. Procesu destylacji nie przeprowadzano „do sucha”, co z pewnością również miało swój wkład w obniżenie wydajności reakcji.

1. Wydajności syntezy wieloetapowej

Wydajność syntezy chlorku tert-butylu: 52,34 %

Wydajność syntezy 4-tert-butylo-1,2-dimetylobenzenu: 66,05 %

Wydajność syntezy dwuetapowej: 52,34 % * 66,05 % = 34,57 %