CH421 Experiment 3

65 downloads 0 Views 267KB Size Report
Copy the reaction and the reaction table below (in your own writing) into your ... Place the test tube containing the magnesium/bromobenzene/ether mixture into the sonicator and turn the sonicator on. ... add a magnetic stir bar, and dissolve the aldehyde in about 4 mL of ... Develop the TLC plate in 4:1 hexanes:ethyl acetate.
CH421 Experiment 3  A Guided Inquiry: Using the Grignard Reaction to Prepare an Alcohol and Determining Reaction Conversion   

Reading: Organic Chemistry by John McMurry, 8e, Chapter sections 10.6 and 17.5   

Techniques: TLC, extraction, NMR   

Introduction   Grignard reagents are organomagnesium halides (RMgX), and they are one of the most synthetically useful and versatile  classes of reagents available to the organic chemist to generate carbon‐carbon bonds. A Grignard reagent is generated  by treating an organic halide with magnesium metal in an ethereal solvent (e.g., diethyl ether or tetrahydrofuran). The  reaction proceeds via a free radical mechanism as illustrated below.    The  organic  halide  reacts  with  magnesium  metal  to  yield  an  alkyl  or  aryl  free  radical  and  magnesium  halide  radical,  which then combine to yield the Grignard reagent. The carbon‐magnesium bond is covalent but highly polarized so that  the carbon has significant anionic character. This carbanion is both a strong base and a good nucleophile. The Grignard  reagent  is  capable  of  reacting  with  many  different  substrates,  including  carbonyl  compounds,  alkyl  halides,  and  other  organometallic  reagents.  One  of  the  most  important  and  synthetically  useful  reactions  involving  Grignard  reagents  is  their  addition  to  carbonyl  compounds  such  as  aldehydes,  ketones,  and  esters  to  furnish  the  corresponding  secondary  and tertiary alcohols. 

  Grignard reagents (like organolithiums) are extremely strong bases that can react violently with hydroxylic compounds,  such  as  water  or  alcohols;  thus  protic  solvents  cannot  be  used  with  Grignard  reagents.  Even  solvents  that  are  not  rigorously dry will partially quench a Grignard reagent.        The  metal  hydroxide  (or  alkoxide)  formed  in  the  above  reaction  is  an  insoluble  white  solid  in  ethereal  solvents.  Therefore, if you see significant white precipitate during the formation of a Grignard reagent, you may need to start the  reaction over with dry glassware.    In  the  laboratory,  initiation  of  the  Grignard  reaction  is  sometimes  very  slow.  In  the  presence  of  air,  a  thin  coating  of  magnesium  oxide  forms  on  the  surface  of  the  metal  turnings.  This  coating  must  be  removed  or  the  reaction  will  not  initiate.  A  sonicator  —  which  produces  ultrasonic  waves  —  helps  to  physically  removes  the  coating.  This  will  be  the  method used during today’s experiment. Other methods for initiating Grignard formation include adding a small crystal  of iodine or a drop of ethylene dibromide. If the magnesium turnings have been properly treated and the reaction still  fails to initiate, a few drops of a preformed Grignard reagent may initiate the reaction.    Today’s  experiment  includes  two  steps.  In  the  first  step,  you  will  prepare  the  Grignard  reagent,  phenylmagnesium  bromide. During the second part of the experiment, you will react your Grignard with a substituted aldehyde: either 4‐ chlorobenzaldehyde, 4‐methoxybenzaldehyde (p‐anisaldehyde), or 4‐methylbenzaldehyde (p‐tolualdehyde).   

Experiment 3: The Grignard Reaction: Preparation of an Alcohol 

    Oftentimes in organic synthesis, reactions do not always proceed to completion, and some starting material still remains  unreacted. This can be due to numerous factors, including poor reagent quality, lab technique, or even that the reaction  being  performed  is  not  a  highly  favorable  or  clean  reaction.  As  Grignard  reagents  are  strong  nucleophiles  and  bases,  they can be particularly challenging to handle without quenching the reagent. For example, small amounts of moisture  on glassware, in impure reactants, or in transfer pipets can react with and therefore destroy your Grignard reagent.     In today’s experiment, the Grignard addition to your aldehyde will work to some extent, but it is highly likely that the  reaction will not go to completion (i.e. some aldehyde will be left over). While part of the purpose of the experiment is  to generate and use a Grignard reagent, another important learning objective is to have you analyze your crude product  mixture and determine the extent of reaction (in this case we will use % conversion).     Determining % Conversion  1. We  will  use  TLC  to  qualitatively  determine  the  extent  of  reaction  (i.e.  we  can  see  whether  or  not  a  spot  still  exists for the aldehyde starting  material).  Note  that this is only  a qualitative  answer: starting  material is gone  (100% conversion), or there is still some left (less than 100% conversion).  2. We  will  also  obtain  a  1H  NMR  spectrum  of  your  crude  product.  From  this  spectrum,  you  will  be  able  to  quantitatively determine the % conversion using integration. Here’s how:  a. In the crude product 1H NMR, choose an appropriate peak(s) that you can unambiguously assign to your  aldehyde  starting  material;  then  integrate  that  peak(s).  The  NMR  spectra  of  all  aldehyde  starting  materials are given for reference at the end of this lab document.  b. Next, in the crude product 1H NMR, choose an appropriate peak(s) that you can unambiguously assign to  your alcohol product; then integrate that peak(s).  c. To  determine  %  conversion,  you  use  the  normalized  ratio  of  the  integration  values  for  your  starting  material and product peaks to determine the % of each component. Your instructor will help you with  this calculation during the lab.    Safety Precautions  Diethyl  ether  is  extremely  flammable.  Sulfuric  acid  is  corrosive  and  will  cause  burns  if  left  in  contact  with  skin  for  a  period  of  time.  Bromobenzene  is  a  mild  irritant,  and  the  aldehydes  are  odorous.  Avoid  skin  and  eye  contact  with  all  chemicals in this lab and wear gloves and appropriate clothing.    Pre‐Lab Notebook (to be completed prior to the start of lab)   

 

Enter date, experiment number and title on notebook page and in TOC with corresponding page number.  Copy the reaction and the reaction table below (in your own writing) into your notebook and complete all empty  cells in the table. Calculate the masses for all three aldehydes, but leave the product row blank. Your instructor  will assign your group’s aldehyde in lab, after which you can calculate your specific product data. Make sure to  check your calculations with your instructor before starting the experiment. 

Experiment 3: The Grignard Reaction: Preparation of an Alcohol 

    Name 

formula 

MW  (g/mol) 

mass (g) 

mmol 

equiv 

d (g/mL) 

vol (mL)  mp (°C)

bp (°C) 

  157.07  0.942  6.00  1.5  1.50  0.63  ____  156  bromobenzene  C6H5Br      24.31      1.5  ____  ____  ___  ____  Mg turnings  C4H6O3    4‐chloro‐ 140.57      1.0  ____  ____  45‐50  ____  benzaldehyde  C7H5ClO    4‐methyl‐ benzaldehyde  C8H8O  120.15      1.0  ____  ____  ____  204  (p‐tolualdehyde)  4‐methoxy‐ 136.15      1.0  ____  ____  ____  248  benzaldehyde  C8H8O2  (p‐anisaldehyde)    alcohol product          ____  ____  ____  ____  ___      Procedure  Preparation of Phenylmagnesium Bromide    As explained in the introduction, your glassware must be thoroughly dry or the Grignard reaction will not initiate. Your  instructor will give you two clean, dry test tubes for the reaction. Make sure your small graduated cylinder is not wet; if  it is wet, rinse it with a small amount of acetone, then rinse it again with diethyl ether prior to use.    First, weigh out 6 mmol of magnesium turnings, record the mass, and place them in one test tube (NOTE: it’s best to cut  the larger pieces with scissors into smaller ones). Next, use the provided syringe to measure 6 mmol of bromobenzene  into the other test tube, record the volume, and then dilute the bromobenzene with approximately 1 mL of anhydrous  diethyl ether (approximately 2/3 of a Pasteur pipet). Use a Pasteur pipet to transfer enough of the bromobenzene/ether  mixture to just cover the magnesium in the other test tube. Cover this test tube with a small piece of foil.    Place the test tube containing the magnesium/bromobenzene/ether mixture into the sonicator and turn the sonicator  on. After 1‐2 minutes, check your reaction for progress. If the liquid is brown, the reaction has begun, and you are ready  to continue. If not, let it go for another 2 minutes and check again. If it has still not turned brown, you may be able to  add a small crystal of iodine to start the reaction – check with your instructor.   

Experiment 3: The Grignard Reaction: Preparation of an Alcohol  Remove the  tube of brown‐colored Grignard reagent from the sonicator and return to your hood. Add about 1 mL of  ether to the tube that contains the bromobenzene/ether mixture, and then carefully add a few drops of this mixture to  the  magnesium/bromobenzene/ether  tube.  Keep  adding  the  bromobenzene/ether  mixture  at  a  rate  which  keeps  the  reaction proceeding, as evidenced by bubbling, a brown color, and production of heat. It should take 10‐15 minutes to  add all of the bromobenzene mixture. (While you are waiting, your partner can begin dissolving the aldehyde in ether as  directed in the next section.)    After  all  of  the  bromobenzene/ether  is  added,  monitor  the  reaction  for  loss  of  solvent  and  for  signs  of  continued  reaction. If the volume drops below 2 mL, add a little fresh diethyl ether to the test tube. (Your instructor will have a test  tube marked with the proper volume for reference.) Once the reaction stops, as evidenced by no more bubbling and the  disappearance of almost all of the magnesium, put the reaction tube back into the sonicator for 2 minutes.     Your Grignard reagent is now ready to use in the second part of the experiment.    Addition of the Grignard to Your Aldehyde    Carefully weigh out 4 mmol of your assigned aldehyde into a clean, dry 25 or 50 mL Erlenmeyer flask, record the mass,  add a magnetic stir bar, and dissolve the aldehyde in about 4 mL of anhydrous diethyl ether. Clamp the Erlenmeyer flask  in  a  versatile  clamp  and  place  in  an  ice‐bath  over  a  stirring  motor.  Stir  the  aldehyde  solution  slowly,  and  then  use  a  Pasteur pipet to slowly transfer the Grignard reagent to the cold aldehyde solution. Be sure to add it slowly, in a drop  wise fashion, and be sure to leave any unreacted magnesium behind in the test tube.    Once  the  addition  of  the  Grignard  reagent  is  complete,  remove  the  flask  from  the  ice  bath  and  let  it  stir  at  room  temperature for about 5‐10 minutes (during this time you should begin to chill 5 mL of 5% H2SO4 for the next step of the  experiment).    To quench the reaction, slowly add 5 mL of chilled 5% H2SO4 (aq.) to the reaction flask (continue to stir, if possible). Swirl  the  flask  until  the  mixture  is  nearly  free  of  undissolved  solids  (the  basic  magnesium  salts  are  converted  into  water‐ soluble  salts,  and  the  alcohol  product  dissolves  in  the  ether  layer).  Transfer  the  mixture  to  your  separatory  funnel,  leaving behind any undissolved solids. Rinse the flask with a small amount of ether and add this rinse to the separatory  funnel. If there are not two obvious layers in the separatory funnel, add a little more ether (total volume should be ca.  10 mL). Shake the funnel, allow the layers to separate, and then drain off the lower aqueous layer. Wash the ether layer  with 3 mL of 5% H2SO4, drain the lower aqueous layer, then wash the ether layer with 3 mL of saturated aqueous sodium  chloride.  Collect  the  ether  solution,  dry  it  over  anhydrous  sodium  sulfate,  decant  the  solution  into  a  clean  filter  flask  (sidearm flask), and rinse the Na2SO4 with ca. 1 mL of ether. The ether solution should contain your alcohol product, any  unreacted starting materials, and reaction byproducts (principally biphenyl).     Qualitative Test of Conversion Using TLC. Create a TLC solution of your aldehyde starting material by dissolving a very  small amount (a few specks if a solid, or a small amount in the tip of a pipet if a liquid) in ca. 1 mL of EtOAc. Mark a TLC  plate  with  3  tick  marks:  “sm”  on  the  left  (starting  material),  co‐spot  in  the  center,  and  “crd”  on  the  right.  Spot  your  aldehyde  solution  on  the  left  and  center  tick  marks.  Then,  dip  a  pipet  into  the  ether  solution  containing  your  crude  product  in  the  filter  flask,  and  using  a  spotter,  spot  your  crude  reaction  solution  on  the  center  and  right  tick  marks.  Develop  the  TLC  plate  in  4:1  hexanes:ethyl  acetate.  Draw  this  plate  and  calculate  Rf  values  for  all  spots  in  your  Data  section.   

Experiment 3: The Grignard Reaction: Preparation of an Alcohol  Isolating your crude product. First, cap your sidearm flask with a green rubber stopper, clamp it, hook up the vacuum  hose to the sidearm, and gently turn on the vacuum. The ether should start to slowly evaporate, as evidence by bubbling  and  the  flask  getting  cold.  Open  the  vacuum  sufficiently  for  evaporation,  but  don’t  let  the  bubbling  become  too  vigorous,  or  the  solution  may  bump  into  the  vacuum  hose.  Place  the  sidearm  flask  in  a  beaker  containing  warm  tap  water to help in the evaporation process. Once the bubbling stops, continue to pull vacuum on the flask for another 10‐ 15 min.     Quantitative Test of Conversion Using NMR. Obtain a sample of your crude product for NMR analysis (if the crude is a  solid, weigh out ca. 10‐15 mg; if the crude is a liquid, dip a clean pipet tip into the oil and draw some up into the tip),  dissolve in CDCl3, and obtain a 1H NMR spectrum with your instructor. Integrate the appropriate protons as described in  the Introduction, and use the ratio of integration values to determine the % conversion.    Wastes  Aqueous Waste: all aqueous layers obtained during the extraction of the reaction mixture, the 5% H2SO4 and saturated  aqueous sodium chloride washes.    Organic Waste: NMR solution and all acetone rinses (glassware, sidearm flask with crude product, NMR tube, etc.)    Solid Chemical Waste: Drying agent (Na2SO4).    Data (collect and record in your notebook during the lab)    



Describe crude product (solid or oil, color, etc.)  TLC data (draw TLC plate, calculate Rf’s, include mobile phase)  Obtain  1H NMR spectrum (CDCl3), staple into notebook, and label as “Name and Name Expt 3 crude in CDCl3.”  Draw the structures of your aldehyde starting material and product, and label only the peaks that you are using  to determine the % conversion by integration.  Show your % conversion calculation. 

  Conclusion (record in your notebook)   State of the outcome of your reaction (complete conversion or otherwise).    Support your outcome with the results of the qualitative TLC analysis, and include your calculated % conversion  (note that this is based on NMR analysis).   State two possible sources of error and any other information deemed necessary and relevant. 

  The 1H NMR data for the aldehyde starting materials are given below for your reference.     

Experiment 3: The Grignard Reaction: Preparation of an Alcohol 

4‐Chlorobenzaldehyde (90 MHz, CDCl3) 

4‐Methylbenzaldehyde (p‐tolualdehyde) (90 MHz, CDCl3) 

4‐Methoxybenzaldehyde (p‐anisaldehyde) (90 MHz, CDCl3)