Darstellung der Zimtsäure

[Demetrius]

Hallo alle zusammen,

ich wollte nur kurz nachfragen, ob jemand bereits Erfahrung mit der Perkin-Reaktion hat. Ich habe vor, die Zimtsäure zu synthetisieren und würde dabei ganz gerne die Methode von Perkin heranziehen.

Soweit ich aus der Literatur entnehmen konnte, handelt es sich um eine Eintropfreaktion, wobei das Benaldehyd, dass Essigsäureanhydrid und der Katalysator, ich werde Calciumacetat einsetzen, in einem Reaktionskolben gemischt werden. Bei knapp 443 K erfolgt ein mehrstündiger Kochvorgang.

Noch bin ich mir nicht im Klaren darüber, wie die Aufarbeitung des Produktes am günstigsten zu realisieren ist.

Vielleicht hat jemand diese Synthese bereits ausgeführt und kann mir einige weitere Angaben schicken.

Viele Grüße

Demetrius

[Phil]

So habe ich sie gemacht: http://forum.lambdasyn.org/index.php/topic,828.msg4258.html#msg4258

[Heuteufel]

Was für ein Zufall! Ich wollte die Perkin-Synthese von Zimtsäure auch in nächster Zeit machen. 
(Ich habe schon eine Perkin Reaktion durchgeführt, das Produkt war aber nicht Zimtsäure, sondern ein Zwischenprodukt ohne Trivialname)

Stammt die Idee Calciumacetat zu benutzen aus der Literatur? Ich kenne die Synthese nur mit Alkaliacetaten.

Problem 1:
Das Metallanionkation spielt bei der Reaktion nämlich auch eine Rolle. Im Gattermann ist die Perkin-Synthese von Zimtsäure mit Natriumacetat als Kat. beschrieben. Reaktionsdauer 8 Stunden. Im Vogel wird Kaliumacetat verwendet. Reaktionsdauer 4 Stunden. Mit Caesiumacetat kann die Reaktionszeit wieder erheblich verkürzt werden. Gleichzeitig entstehen auch weniger Verunreinigungen.
Da wir gerade beim Thema sind:
Hat jemand genauere Informationen über den Einfluss des AnionsAlkalikations bei der Reaktion (bildet sich ein Kompelx?)?

Problem 2:
Das Acetat wird vor der Synthese entwässert (sehr wichtig !). Dazu schmilzt man es, bis alles Kristallwasser verdampft ist (http://www.lambdasyn.org/synfiles/natriumacetat.htm). Das Problem: Käufliches Calciumacetat  ist normalerweise nicht trocken. Erhitzt man es stark entsteht jedoch Aceton (http://www.chemieunterricht.de/dc2/essig/hac-20.htm). Das erschwert die Trocknung und geschieht vielleicht sogar während der Reaktion.

EDIT: das Calciumacetat sollte sich ohne Zersetzung entwässern lassen, falls man nicht zu kräftig erhitzt.

Es kann aber auch sein, dass ich mich irre. Wenn die Synthese mit Calciumacetat in der Literatur erwähnt ist, wird sie wohl auch funktionieren.

Ansonsten:
Das Benzaldehyd kurz vor der Synthese unter Vakuum destillieren (Entfernen von Benzoesäure). Frisch destilliertes Ac₂O verwenden. Luftkühler mit Trockenrohr benutzen.

Aufreinigung:
So viel Wasser hinzugeben, dass sich die Zimtsäure bis auf einem Rest ölige Verunreinigungen löst. Wasserdampf einleiten, bis kein Benzaldehyd meht übergeht. Mit Aktivkohle kochen, abfiltrieren. Beim Abkühlen kristallisiert die Zimtsäure aus.

Den "Vogel" kannst du dir übrigens bei Sciencemadness herunterladen (http://library.sciencemadness.org/library/).

Phils Version (Doebner-Variante der Knoevenagel-Reaktion) ist übrigens etwas eleganter als die Perkin Reaktion und gibt auch bessere Ausbeuten.


Hast du vor das Produkt weiterzuverarbeiten? Ich wollte den Phenylester (über das Säurechlorid) oder vielleicht auch Phenylacetylen (für Rubren (http://www.versuchschemie.de/ptopic,168939.html)) daraus herstellen   

[Phil]

Ja ich will sie noch umsetzen, aber meine Zeit ist extrem beschränkt, muss mal schauen wann ich was machen kann damit.

[Demetrius]

Hallo Phil und Heuteufel,

vielen Dank für Eure interessanten Antworten.

Ich glaube, man wird einfach alt, die Sehkraft lässt nach. Na, bleibt zu hoffen, dass der Geist einigermaßen Fit bleibt. Heuteufel, Du hast natürlich vollkommen recht, bezüglich Deiner Ausführungen zum Calciumacetat. Innerhalb der Literatur wird man dieses Salz als Katalysator bei der Perkin-Reaktion wohl nicht finden. Sorry, ein Fehler meinerseits. Vielmehr setzt man, wie Du bereits geschrieben hast, Cäsiumacetat ein, wobei auf der einen Seite die praktische Ausbeute deutlich erhöht wird, während zugleich die Reaktionszeit verkürzt wird.

Den interessanten Hinweis, dass Cäsiumsalze eingesetzt werden können, fand ich übrigens bei Wikipedia. Auch wenn ich gegenüber den meisten Beiträgen bei Wikipedia eher skeptisch eingestellt bin, hat mich dieser dann doch überzeugt, da die Perkin-Reaktion mit Cäsiumacetat offenbar von zwei Chemikern in der folgenden, relativ bekannten Fachzeitschrift publiziert wurde:

E. Koepp, F. Vögtle: Perkin-Synthese mit Cäsiumacetat. In: Synthesis. Nr. 2, 1987, S. 177–179.

Interessanterweise konnte ich in der sonstigen Literatur keinen Hinweis auf Cäsiumacetat als Base finden. Meist wird Natriumacetat angeführt. Allerdings interessiert mich nunmehr natürlich, ob sich auch Calciumacetat einsetzen lässt.

Im Bayer/Walter, 21. Auflage von 1988 fand ich noch den Hinweise auf Seite 556, dass auch Pyridin als Base eingesetzt werden kann. Ob sich der Einsatz dieser Base allerdings positiv auf die praktische Ausbeute auswirkt, vermag ich allerdings nicht zu sagen. Übrigens, in diesem bereits erwähnten Wikipediabeitrag fand ich noch den interessanten Hinweis, dass das Kation durch Kronether komplexiert wird. Diese Komplexierung wiederum hatte zur Konsequenz, dass die Reaktion nicht ansprang.

Heuteufel, Du hattest die Frage nach dem Einfluss des Anions bei der Reaktion aufgeworfen und ob dieses möglicherweise komplexiert wird. Ich habe mir kurz den gesamten Mechanismus vorgenommen, der allgemein für die Umsetzung von CH-aciden Verbindungen formuliert werden kann. Demnach gleicht dieser zunächst einmal dem Esterkondensationsmechanismus (nach Claisen), wobei die Base die CH-acide Komponente, also dem Säureanhydrid ein Wasserstoffatom der Methylengruppe  entreißt. Dieser Vorgang stellt ein Gleichgewicht dar. Das auf diese Weise entstandene Anion greift nucleophil den Sauerstoff der Carbonylkomponente an, wobei sich zunächst ein Zwischenprodukt bildet, welches ebenfalls als Anion vorliegt. Dieses wird durch die gebildete Essigsäure protoniert, spaltet in Anwesenheit nicht verbrauchten Anhydrids Wasser ab, wobei ein konjugiertes Bindungssystems ausgebildet wird. Die Hydrolyse liefert zwei Produkte, die Zimtsäure und die Essigsäure. In diesem Zusammenhang ist die erwähnte Komplexierung des Kations, ich nehme an, dass der Autor bei Wikipedia hier das Alkalikation meint, durch einen Kronether interessant. Sollte dies der Fall sein, dann kann die Reaktion meines Erachtens nach nicht anspringen, da die Ausbildung des Nucleophils nicht mehr gegeben ist.

Eine Komplexierung des Anions wurde nicht erwähnt. Soweit ich mich erinnere, findet sich dies auch bei der Claisen-Esterkondensation nicht. Hast Du denn in der Literatur bereits einen Hinweis dazu gefunden?

Vielen Dank für die interessanten Bemerkungen und Tipps zur Synthese beziehungsweise zur Aufarbeitung des Reaktionsgemisches nebst Isolierung und Reinigung der Zimtsäure. Ich habe vor, diese Verbindung für weiterführende Synthesen einzusetzen, allerdings haben sich bisher noch keine konkreten Ideen herausgebildet, zumal ich weiterhin mit der Synthese von Cumarin beschäftigt bin.

Ich habe ebenfalls schon mit dem Gedanken gespielt, die Zimtsäure im Anschluss zu verestern, allerdings würde ich vermutlich nicht auf das Säurechlorid zurückgreifen wollen, sondern eher auf das Essigsäureanhydrid, da die Konkurrenzreaktionen, zumindest soweit ich informiert bin, bei dem Einsatz des Anhydrids deutlich reduziert werden können, was sich teils positiv auf die praktische Ausbeute auswirkt. Korrigiere mich bitte, sollte ich hier falsch liegen. Ich bin jederzeit für Kritik offen. Schließlich habe ich keinen allzu guten Überblick über dieses Thema.

Phils Version werde ich mir genau ansehen. Allerdings kann ich Dir bereits jetzt voll und ganz zustimmen, Phils Methode ist deutlich eleganter.

Viele Grüße

Demetrius

[Phil]

Danke für das Lob Heuteufel und Demetrius
Ich denke dass Pyridin schon hilft, es war ja bei meiner Synthese auch dabei es ist auch wesentlich billiger als Kronenether.
Eventuell helfen diese Literaturstelen weiter mit dem Cäsium, ich wusste nicht das dies geht, habe nun auch wieder dazu gelernt.
House, H. O. Modern Synthetic Reactions (W. A. Benjamin, Menlo Park, California, 2nd ed, 1972) pp 660-663.
Rosen, T.; Comp. Org. Syn. 1991, 2, 395-408.
E. Koepp, F. Vögtle: Perkin-Synthese mit Cäsiumacetat. In: Synthesis. Nr. 2, 1987, S. 177–179, doi:10.1055/s-1987-27880.

[Heuteufel]

Heuteufel, Du hattest die Frage nach dem Einfluss des Anions bei der Reaktion aufgeworfen und ob dieses möglicherweise komplexiert wird.

Keine Ahnung, was ich mir dabei gedacht habe. Ich meinte natürlich das Kation. Ich bitte um Entschuldigung für die verursachte Verwirrung.

In diesem Zusammenhang ist die erwähnte Komplexierung des Kations, ich nehme an, dass der Autor bei Wikipedia hier das Alkalikation meint, durch einen Kronether interessant. Sollte dies der Fall sein, dann kann die Reaktion meines Erachtens nach nicht anspringen, da die Ausbildung des Nucleophils nicht mehr gegeben ist.

Ich verstehe nicht ganz, inwiefern die Komplexierung des Alkalikations durch einen Kronenether die Ausbildung des Nucleophils stören soll.
Das nukleophil angreifende Anion würde doch in diesem Fall "nackt" vorliegen und wäre dadurch erheblich reaktiver (nukleophiler)!
Ausserdem erklärt das alles nicht, wieso sich die Reaktionszeit in der Reihenfolge Natrium, Kalium, ...,Caesium immer weiter verkürzt. (Man könnte argumentieren, dass das grössere Alkalikation im demnach wenig polaren Reaktionsgemisch besser solvatisiert wird und deshalb räumlich besser von dem Anion getrennt ist, was eine höhere Basizität des Acetat-Anions und letzendlich auch eine höhere Nukleophilie des Enoltanions des Ac₂O zur Folge hat. Dieses Argument wird aber durch das Beispiel des Kronenethers entkraftet.)   

Wenn du dir den etwas vollständiger formulierten Reaktionsmechanismus hier http://en.wikipedia.org/wiki/Perkin_reaction ansiehst, so siehst du, dass die Reaktion über ein cyclisches Intermediat läuft. Ich hatte irgendwie in Erinnerung, dass das Alkalikation mit in dieses Intermediat einbezogen wird, sozusagen ein Komplex mit ihm bildet, und ihn so stabilisiert. Leider weiss ich nicht mehr, wo ich das vielleicht gelesen habe.
Ich könnte mir desweiteren vorstellen, dass die grosse Oberfläche des gut polarisierbaren Caesium-Ions vielleicht wie ein heterogener Katalysator bei der Reaktion wirkt.

Ich habe ebenfalls schon mit dem Gedanken gespielt, die Zimtsäure im Anschluss zu verestern, allerdings würde ich vermutlich nicht auf das Säurechlorid zurückgreifen wollen, sondern eher auf das Essigsäureanhydrid, da die Konkurrenzreaktionen, zumindest soweit ich informiert bin, bei dem Einsatz des Anhydrids deutlich reduziert werden können, was sich teils positiv auf die praktische Ausbeute auswirkt. Korrigiere mich bitte, sollte ich hier falsch liegen. Ich bin jederzeit für Kritik offen. Schließlich habe ich keinen allzu guten Überblick über dieses Thema.

Kurze Frage: Wie stellt man das Anhydrid her? (aus Interesse an der Möglichkeit die Reaktion über das Anhydrid zu nutzen)

Im Bayer/Walter, 21. Auflage von 1988 fand ich noch den Hinweise auf Seite 556, dass auch Pyridin als Base eingesetzt werden kann.

Stimmt. Triethylamin geht auch. Wichtig ist, dass die Base keine Cannizzaro-Reaktion des Aldehyds hervorruft. Spuren von Pyridin sollen übrigens auch die Ausbeute bei der Caesium-Variante verbessern.
Interessant ist vor allem, dass das Alkalikation keinesfalls unabdingbar zu sein scheint. Und doch geht die Reaktion nicht mehr, wenn man Kronenether einsetzt (bei der Alkaliacetat Variante natürlich). Das verstehe ich einfach nicht!

Ich hoffe, ich habe nicht allzuviel Unsinn erzählt.

[Demetrius]

Hallo Heuteufel,

die Komplexierung des Kations durch einen Kronether. Nun, ich muss ehrlich gestehen, dass ich gerade nicht in der Lage bin, zu erklären, wie diese Komplexierung aussehen soll. Überhaupt habe ich in der Literatur hierzu keine Angaben gefunden.

Außerdem bin ich nicht in der Lage zu erklären, weshalb die Reaktionszeit in der Reihenfolge Natrium-, Kalium- und Cäsiumacetat abnimmt.

Den Reaktionsmechanismus habe ich mir angesehen. Interessant in jedem Fall, da ich im Bayer/Walter einen derartige ausführlichen Mechanismus nicht gefunden habe. Vielleicht findest Du irgendwann die Textstelle wieder.

Das die große Oberfläche des Cäsiumkations als eine Art heterogener Katalysator fungiert, kann ich mir sehr gut vorstellen.

Zur Herstellung des Anhydrid:

Eine interessante Möglichkeit und soweit die mir bekannte einzige Möglichkeit im Labormaßstab Essigsäureanhydrid darzustellen, besteht darin, dass Natriumsalz der Essigsäure mit einem Säurechlorid, in diesem Fall dem Acetylchlorid umzusetzen, wobei sich das Anhydrid heraus bildet. Als Abfallprodukt bildet sich lediglich Natriumchlorid.

Die verhältnismäßig günstigen Edukte können käuflich erworben werden (Natriumacetat) beziehungsweise sind zugänglich aus der freien Carbonsäure (Essigsäure) und Thionylchlorid.  Alternativ kann auch das Natriumsalz der Essigsäure mit Phosphor(V)chlorid umgesetzt werden.

Das Spuren von Pyridin beim Einsatz von Cäsiumacetat die Ausbeute des Produktes verbessert, war mir bis dahin nicht bekannt. Vielen Dank also für diese Anmerkung.

Heuteufel, ich kann Dich beruhigen, Du hast sicherlich kein Unsinn erzählt. Deine Ausführungen sind überaus fundiert und mehr als interessant. Kompliment, da scheint sich eine gewaltige Menge an Wissen zusammengeballt zu haben.

Ich hoffe, da kann ich zumindest teilweise mithalten.

Viele Grüße

Demetrius

[Heuteufel]

Ich glaube, wir reden hier an einigen Stellen aneinander vorbei.

Die Hydrolyse liefert zwei Produkte, die Zimtsäure und die Essigsäure. In diesem Zusammenhang ist die erwähnte Komplexierung des Kations, ich nehme an, dass der Autor bei Wikipedia hier das Alkalikation meint, durch einen Kronether interessant. Sollte dies der Fall sein, dann kann die Reaktion meines Erachtens nach nicht anspringen, da die Ausbildung des Nucleophils nicht mehr gegeben ist.

die Komplexierung des Kations durch einen Kronether. Nun, ich muss ehrlich gestehen, dass ich gerade nicht in der Lage bin, zu erklären, wie diese Komplexierung aussehen soll. Überhaupt habe ich in der Literatur hierzu keine Angaben gefunden.

Nur um das klar zu stellen: Normalerweise geht die Reaktion. Man gibt einen Kronenether zum Reaktionsgemisch und die Reaktion geht nicht mehr, weil der Kronenether (http://de.wikipedia.org/wiki/Kronenether) die Metallkationen komplexiert hat ("Die Komplexierung wird im Falle von Metallkationen durch die attraktive Wechselwirkung der negativ polarisierten Sauerstoffe mit den Kationen erreicht."). Schlussfolgerung: das Kation spielt bei der Reaktion eine Rolle.

Zur Herstellung des Anhydrid:

Eine interessante Möglichkeit und soweit die mir bekannte einzige Möglichkeit im Labormaßstab Essigsäureanhydrid darzustellen, besteht darin, dass Natriumsalz der Essigsäure mit einem Säurechlorid, in diesem Fall dem Acetylchlorid umzusetzen, wobei sich das Anhydrid heraus bildet. Als Abfallprodukt bildet sich lediglich Natriumchlorid.

Wie sind wir jetzt bein Ac₂O gelandet? Ich dachte du sprächest von einem Zimtsäureanhydrid!?

Heuteufel, ich kann Dich beruhigen, Du hast sicherlich kein Unsinn erzählt. Deine Ausführungen sind überaus fundiert und mehr als interessant. Kompliment, da scheint sich eine gewaltige Menge an Wissen zusammengeballt zu haben.

Ich hoffe, da kann ich zumindest teilweise mithalten.

Ich glaube, da überschätzt du mein Wissen und unterschätzt deins. Aber das tut hier nichts zur Sache.

[Demetrius]

Hallo Heuteufel,

also, da müsste ich mich nun doch bei Dir entschuldigen. Irgendwie habe ich da wohl ziemlich getrieft. Also habe ich Dich korrekt verstanden, Du willst eventuell den Zimtsäurephenylester darstellen?

Für die Darstellung des Zimtsäureanhydrids habe ich allerdings keine wirkliche Idee. Möglicherweise ist dieses Anhydrid aber analog dem Essigsäureanhydrid aus Zimtsäurechlorid und dem Natriumsalz der Zimtsäure zugänglich. Ob die Reaktion allerdings funktioniert, vermag ich nicht zu sagen. Hab diese noch nicht ausprobiert.

Den Zimtsäurephenylester würde ich über das Säurechlorid synthetisieren wollen.

Über die Komplexierung der Metallkationen durch die Kronether habe ich gerade ein wenig nachgelesen. Natürlich hast Du vollkommen recht, wenn Du behauptest, dass die Reaktion funktioniert. Durch Zugabe des Kronethers allerdings wird diese verhindert, was, da möchte ich Dir voll und ganz beipflichten, den Schluss zulässt, dass die Kaliumkationen eine Rolle spielen.

Ich hoffe, Du nimmst mir meine Verwirrtheit nicht allzu übel.

Viele Grüße

Demetrius

[Heuteufel]

Also habe ich Dich korrekt verstanden, Du willst eventuell den Zimtsäurephenylester darstellen?

Ja.

Den Zimtsäurephenylester würde ich über das Säurechlorid synthetisieren wollen.

Ich auch.

Ich hoffe, Du nimmst mir meine Verwirrtheit nicht allzu übel.

Kein Problem, ich bin auch öfters verwirrt.
Und es hat sich ja auch alles aufgeklärt, bis auf die Frage, welche Rolle denn nun das Metallkation bei der Perkin Reaktion spielt.

[Demetrius]

Hallo Heuteufel,

da fällt mir aber jetzt ein ganz ganz großer Felsbrocken vom Herzen. Glücklicherweise gibt es noch mehr verwirrte Menschen.

Na gut, dann herrscht ja bezüglich des Phenylesters Konsens. Na, da freue ich mich aber.

Vielleicht klärt sich die Frage nach der Rolle der Metallkationen innerhalb der Perkin-Reaktion noch auf.

Viele Grüße

Demetrius

[chimäre]

Die Rolle des Kations bei der Reaktion ist meiner Meinung folgende: Die Reaktion läuft über die Enolform des Anhydrids. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist somit proportional zur Konzentration  des Enols (vergleiche auch die Keto-Enol Tautomerie). Die Keto Enol Tautomerie wird bei steigenden Ionenradius von Na zu K und Cs zur Enolform hin verschoben. Man vergleiche auch , dass die Basizität von NaOH zu CsOH zunimmt. Die  steigende Basizität von Natrium zu Cäsiumacetat sollte zum gleichen Effekt führen.

Noch eine Anmerkung: Man spricht nicht von einer großen Oberfläche des Cs+ sondern vom Ionenradius , der in der Reihenfolge Na+, K+, Rb+, Cs+ zunimmt.
I.A. lassen sich Alkalimetalle schlecht komplexieren mit Ausnahme von Kronenethern, das sind cyclische Polyether, die je nach Grösse spezifisch für die Komplexierung bestimmter Alkalimetalle sind.

[Heuteufel]

Falls ich das richtig verstanden habe, führst du die verkürzte Reaktionszeit auf die steigende Basizität von Natrium zu Cäsiumacetat zurück, durch welche sich die Enolform des Ac₂O schneller bildet (basenkatalisierte Keto-Enol Tautomerie).
Das erscheint auf den ersten Blick logisch, aber:

Ausserdem erklärt das alles nicht, wieso sich die Reaktionszeit in der Reihenfolge Natrium, Kalium, ...,Caesium immer weiter verkürzt. (Man könnte argumentieren, dass das grössere Alkalikation im demnach wenig polaren Reaktionsgemisch besser solvatisiert wird und deshalb räumlich besser von dem Anion getrennt ist, was eine höhere Basizität des Acetat-Anions und letzendlich auch eine höhere Nukleophilie des Enoltanions des Ac2O zur Folge hat. Dieses Argument wird aber durch das Beispiel des Kronenethers entkraftet.)   

In der Tat wird die Basizität des Acetat-Anions durch die Komplexierung doch erheblich vergrössert und nicht verringert oder gaar aufgehoben!?

Noch eine Anmerkung: Man spricht nicht von einer großen Oberfläche des Cs+ sondern vom Ionenradius , der in der Reihenfolge Na+, K+, Rb+, Cs+ zunimmt.

Ich finde, dass die Bezeichnung "großen Oberfläche" in folgendem Kontext durchaus Sinn macht:

Ich könnte mir desweiteren vorstellen, dass die grosse Oberfläche des gut polarisierbaren Caesium-Ions vielleicht wie ein heterogener Katalysator bei der Reaktion wirkt.

I.A. lassen sich Alkalimetalle schlecht komplexieren mit Ausnahme von Kronenethern, das sind cyclische Polyether, die je nach Grösse spezifisch für die Komplexierung bestimmter Alkalimetalle sind.

Da hast du schon recht.