Otrzymywanie o i p-nitrofenolu

Jak tu już obiecywałem, zajmę się teraz opisem, a właściwie relacją, z przeprowadzonej na zajęciach syntezy. Będzie to prosta, jak na możliwości chemii organicznej preparatywnej, reakcja nitrowania fenolu, i otrzymanie Orto-nitrofenolu i Para-nitrofenolu. Na początek jednak warto objaśnić pewne podstawowe pojęcia:

Fenol to pochodna benzenu (C6H6), związku aromatycznego, którego cząsteczka ma postać zamkniętego sześciobocznego pierścienia. W tym związku jeden z wodorów zastąpiony został grupą hydroksylową OH-, tak jak ma to miejsce w alkoholach, jednak własności fenolu różnią go od nich dość istotnie. Tlen z grupy hydroksylowej jest związany z pierścieniem znacznie silniej niż z wodorem, przez co ten stosunkowo łatwo się odszczepia, nadając fenolowi lekko kwaśny odczyn - dlatego też dawniej nazywano go Kwasem Karbolowym i z uwagi na silne właściwości bakteriobójcze używano jako pierwszego szpitalnego antyseptyka. Jest trujący i drażniący. W kontakcie ze skórą może powodować opatrzenia i martwice naskórka - co skądinąd wykorzystuje się w plastrach na kurzajki.
Znaczna różnica w elektroujemności między węglem (2,5) a tlenem (3,5) powoduje polaryzację wiązania i przesunięcie części ładunku na tlen - mówimy wówczas o "ujemnym efekcie mezomerycznym" bo tlen niejako "wyciąga" z pierścienia elektrony, powodując zaktywizowanie reaktywności. Równocześnie zachodzi proces odwrotny - jedna z wolnych par elektronowych tlenu może przeskakiwać na pierścień, tworząc nietrwałą strukturę jonową, z ładunkiem ujemnym na pierścieniu[1]. Jednak zaistniały ładunek nie jest ulokowany w jednym miejscu, lecz może przemieszczać się po pierścieniu, zajmując trzy równoważne pozycje:

Struktury mezomeryczne fenolu

Fakt ten decyduje nie tylko o dużej trwałości związku, lecz również o specyfice reakcji którym ulega, przede wszystkim zaś o tym gdzie i jak chętnie przyłączać się będą doń podstawniki.

Nitrowanie jest reakcją substytucji elektrofilowej, polegającej na zastępowaniu jednego z wodorów podstawnikiem, mającym właściwości elektrofila. Taki podstawnik ma niedomiar elektronów, i bardzo "lubi" przyłączać wszelkie dostępne. W tym przypadku elektrofilem jest nietrwały jon nitroniowy (NO2+) powstający w reakcji kwasu azotowego (V) z kwasem siarkowym (VI). A gdzie w fenolu mamy łatwo dostępny elektron? - tam gdzie w strukturach mezomerycznych pojawia się ładunek ujemny. Struktury takie, jak widać na powyższym obrazku, są trzy, dlatego też podstawić się mogą maksymalnie trzy grupy nitrowe i to wyłącznie w dokładnie określonych pozycjach.

W przypadku sześciowęglowego fenolu grupa nitrowa może połączyć się z węglem o numerach 2 (licząc węgiel połączony z grupą hydroksylową jako 1) lub 4 lub 6 - ponieważ jednak dla jednej grupy pozycje 2 i 6 są identyczne, uznaje się, że utworzyć się mogą tylko dwa różne związki: 2-nitrofenol i 4-nitrofenol. Dla pochodnych benzenu stosuje się nazewnictwo przypisujące danemu układowi przedrostek w nazwie, mianowicie Orto- dla położenia przy drugim węglu, Meta- dla węgla trzeciego i Para- dla węgla czwartego. Stąd nazwy: Orto-nitrofenol dla 2-nitrofenolu i Para-nitrofenol dla 4-nitrofenolu.

Na tym jednak nie koniec. Prowadząc nitrowanie konsekwentnie dalej otrzymamy dalsze pochodne, aż do trinitrofenolu zawierającego trzy grupy nitrowe przy węglach 2, 4 i 6. Związek ten to kwas pikrynowy, będący bardzo silnym materiałem wybuchowym. Związkiem bardzo do niego podobnym jest potrójnie znitrowany toluen - będący również prostą pochodną benzenu - w skrócie TNT. Jednak kwas pikrynowy, w odróżnieniu do Trotylu, jest bardzo nietrwały, wybucha od uderzenia, zgniecenia czy nawet nadmiernego podgrzania, dlatego z rzadka używa się go w charakterze spłonki, zaś wytworzenie większej ilości podczas syntezy, przynieść może nieprzewidziane skutki.


W zasadzie więc otrzymujemy dwa związki tego samego rodzaju i o takim samym wzorze sumarycznym, a jednak różnica pomiędzy nimi jest dość istotna. W przypadku izomeru orto, atom wodoru z grupy hydroksylowej leży blisko tlenu z grupy nitrowej i może pomiędzy nimi zachodzić słabe oddziaływanie nazywane wiązaniem wodorowym. W izomerze para taka sytuacja jest niemożliwa, a to z powodu zbytniego oddalenia grup. Wiązania takie mogą się jednak tworzyć między grupami hydroksylowymi jednych cząsteczek a grupami nitrowymi innych cząsteczek, przez co w ciele stałym tworzy się molekularna sieć. Fakt ten wpływa dość istotnie na właściwości fizyczne obu izomerów.
Wedle literatury [2] izomer para- topi się w temperaturze 112 °C, natomiast izomer orto- w zaledwie 46 °C - tak duża różnica jest spowodowania właśnie różną siłą związania cząsteczek ze sobą. No dobrze, mamy dwa związki, otrzymujemy je razem, w mieszaninie, i jak je teraz oddzielić? A bardzo prosto, i wykorzystujemy tu inną różnicę właściwości między izomerami - różnicę lotności z parą wodną.
Gdy skierujemy strumień gorącej pary wodnej na mieszaninę związków, jedne będą łatwo się wraz z nią ulatniać a inne trudno. Do takich łatwo lotnych nalezą olejki eteryczne kwiatów i innych części roślin, co pozwala na ich otrzymanie w stanie czystym, nadającym się do stworzenia zapachowej kompozycji perfum. Orto-nitrofenol z powodu luźniejszej struktury nie tylko jest łatwo topliwy ale i łatwo lotny, i można go oddzielić z wystarczającą selektywnością.

Po tym ogólnym wstępie czas na właściwą relację:

Wziąłem fenol mający postać jasnoróżowego proszku o bardzo intensywnym zapachu lizolu i stopiłem go z niewielką ilością wody. Do dwuszyjnej kolby wlałem stężony kwas siarkowy i chłodząc w krystalizatorze z wodą wsypałem Azotan (V) sodu, otrzymując mieszaninę nitrującą. Do środka wrzuciłem również mieszadełko magnetyczne, wyglądające jak podłużna tabletka, będące małym magnesikiem, i umieściłem na mieszadle. Gdy włączy się takie mieszadło, mały magnesik w kolbie zaczyna wirować, mieszając równomiernie ciecz i wyręczając chemika, który musiałby robić to ręcznie. Wygląda to tak.

Fenol

Do kolby podłączyłem duży wkraplacz i przelałem do niego stopiony fenol, mający postać malinowego płynu. Przez drugą szyję wprowadziłem termometr i zacząłem wkraplać płyn, cały czas sprawdzając czy temperatura nie przekracza 20 °C, w przeciwnym wypadku dolewałem do krystalizatora wodę lub dorzucałem lodu. Ta kontrola temperatury była potrzebna aby uzyskać tylko jednokrotnie znitrowany fenol, w wyższych bowiem powstaje wspomniany kwas pikrynowy, będący wszakże związkiem wybuchowym. Prowadzący zajęcia opowiadał nam, jak to kiedyś jedna ze studentek zagapiła się, i kolba się jej rozprysnęła w trakcie zajęć.
Gdy temperatura się ustabilizuje, a cały fenol zostanie dodany, zawartość kolby musi się mieszać i mieszać. Musi się mieszać bardzo i mieszać długo. Mieszać równomiernie i mieszać aż do znudzenia - dokładnie przez dwie godziny.

Gdy zawartość się już wymiesza i przereaguje, trzeba ją odstawić aż produkty, mające postać bordowo-brunatniej żywicy, oddzielą się od kwaśnego roztworu. Zawartość kolby wygląda wówczas tak:

Zawartość kolby po nitrowaniu

Kwaśny roztwór należy odlać i zmajstrować zestaw do destylacji z parą wodną. W mojej wersji wyglądał tak:

Zestaw do destylacji z parą wodną

A więc od lewej: kociołek do wytwarzania pary, mający wygląd metalowej butelki, stojący na palniku; szklana rurka zanurzona w kociołku o wolnym końcu, mająca zabezpieczać przed nagłymi skokami ciśnienia; specjalne doprowadzenie, wprowadzające strumień pary na dno kolbki; nasadka łącząca kolbkę z chłodnicą; chłodnica wodna Liebiega, będąca rurką otoczoną płaszczem w którym płynie zimna woda; i wreszcie odbieralnik, czyli zlewka na podwyższeniu, do której skapuje destylat. Bardziej czytelny rysunek.

Oddzielający się o-nitrofenol miał postać żółtego płynu. Gdy destylat stał się bezbarwny odstawiłem zlewkę na parapet aby produkt wykrystalizował. Miał postać długich, żółtych igiełek. Należało teraz przesączyć ciecz na lejku Buchnera pod zmniejszonym ciśnieniem, i na sączku został niemal czysty o-nitrofenol:

A co z p-nitrofenolem? Vogel, z którego "Preparatyki Organicznej" brałem przepis, podaje że pozostałość, po ochłodzeniu i odsączeniu, należy ogrzewać w temperaturze wrzenia z kwasem solnym i węglem aktywowanym, dla usunięcia barwnych zanieczyszczeń, przesączyć a przesącz odstawić do krystalizacji. Tego jednak na zajęciach nie robiłem. 

P-nitrofenol również ma postać jasnożółtego proszku, krystalizującego w postaci igiełek. W toku dalszych przemian można otrzymać z niego popularny lek przeciwgorączkowy - Paracetamol - stąd znaczenie jakie ma opisana synteza w przemyśle.


Gdy już otrzymało się preparat, należy go zważyć dla sprawdzenia sprawności preparowania. Vogel podaje sprawność 36%, lecz mi wyszło blisko cztery razy mniej. Najprawdopodobniej jest to wynik przegrzania, zbytnio bowiem szybko wkraplałem fenol do kolby, i nim lodem schłodziłem ją odpowiednio, temperatura podskoczyła do 30 stopni, więc część związku uległa dalszemu nitrowaniu a może i utlenieniu.

Dodatkowo należy zbadać, czy aby na pewno otrzymaliśmy dobry związek. O tym jak ważne może być takie sprawdzanie, przekonałem się będąc kiedyś na wycieczce szkolnej w laboratorium analizy elementarnej, gdzie usłyszałem anegdotę o doktorancie, który po kilku miesiącach skomplikowanej analizy dał im próbkę do potwierdzenia składu, i okazało się, że to nie to. Gdzieś popełnił błąd.

Taką prostą i szybką metodą jest porównanie temperatury topnienia otrzymanego związku z podawaną w literaturze. Aby to zrobić należy nabić niewielką ilością związku zatopioną z jednego końca kapilarkę:

Kapilarka nabita związkiem

 Aparatura do pomiaru jest nieskomplikowana, kapilarkę ze związkiem wsuwa się do podświetlanej komory z regulowanym ogrzewaniem, w której tkwi termometr. Kapilarkę obserwujemy przez okular. Podwyższamy powoli temperaturę i gdy kryształki zaczną się szklić, to jest nasączą się cieczą, sprawdzamy temperaturę i zapisujemy. Gdy związek całkowicie się stopi zapisujemy drugą temperaturę, otrzymując pewien przedział, w którym powinna się mieścić temperatura literaturowa.

W moim przypadku temperatura ta powinna wynosić 46 °C, jednak przedział jaki zmierzyłem, nie zgadzał się z tymi danymi - wyniósł 36-40 °C. Najpewniej to wynik wspomnianego przegrzania.

Komora topnienia. Po prawej - związek stały, po lewej stopiony.

Jednak pomiar temperatury jest jak widać niewystarczający, dlatego pozostałą część substancji bada się spektrometrycznie za pomocą aparatury NMR. Jeśli w otrzymanym wykresie występują takie piki jakie podaje literatura, to mamy pewność, że rzeczywiście otrzymaliśmy związek jaki był nam potrzebny.
 

I tak skończyłem syntezę. Należało tylko zmienić ubranie i wykąpać się, bo zaśmiardłem fenolem jak ze szpitala.

---------------------

Przypisy:

[1] - Zwykle obrazuje się to jako przeskok elektronu i pękniecie jednego z wiązań podwójnych pierścienia. Ponieważ do utworzenia wiązania potrzebne są dwa elektrony, po jego pęknięciu zostaje jeden niesparowany, stanowiący ów wolny ładunek. Ponieważ jednak trzy wiązania podwójne są rozmyte na cały pierścień, i każde jest niejako półtorakrotne, rzeczywista sytuacja jest trochę trudniejsza do opisu i sprowadza się do zwiększenia gęstości ładunku ujemnego w trzech miejscach.

[2] - Vogel Arthur Israel, "Preparatyka organiczna" Wydawnictwo WNT 2006 Wydanie III zmienione. - Gruba, ponad tysiącstronnicowa kniga, prawdziwa biblia preparatyków. Wszystkie dane i odniesienia dotyczą tego wydania.

Ilustracje wzorów pochodzą z Wikipedii. Zdjęcia moje.