Synthese von Pyrrol

[Heuteufel]

Synthese von Pyrrol

Pyrrol [109-97-7]

In der nachfolgenden Synthese wird Pyrrol, ein interessanter Synthesebaustein, welcher unter anderem zur Synthese von Porphyrinen dient, durch Pyrolyse von Ammoniummucat hergestellt.


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Synthesevorschrift:

In einer Abdampfschale mit einem Durchmesser von 30 cm werden unter dem Abzug 630 g Schleimsäure mit 900 ml konzentrierter Ammoniak-Lösung (d 0,9 g/ml) versetzt und die Mischung wird rasch zu einer homogenen Masse verrührt. Diese Paste wird dann auf dem Dampfbad erhitzt, bis sie komplett trocken ist, und das entstandene Ammoniummucat wird gepulvert und in einem 5 l Pyrex-Rundkolben mit 350 ml Glycerin vermischt.
Nachdem die Mischung eine Nacht lang ruhig stand wird sie destilliert, indem man mit dem Bunsenbrenner erhitzt, wobei man die Flamme nur auf einen Teil des Kolbens richtet, so dass nur dieser Teil der Mischung bis zur Reaktionstemperatur erwärmt wird. Es entstehen unter beachtlichem Schäumen Gase, die man aufgrund ihrer unangenehmen Eigenschaften am besten nicht in die Raumluft entweichen lässt, sondern unschädlich macht (oder in den Abzugsschacht leitet). Das Erhitzen wird nun so schnell auf das ganze Reaktionsgemisch ausgeweitet, wie es das Schäumen zulässt. Wenn das Schäumen zu stark wird, kann man es dadurch reduzieren, dass man die Flamme des Bunsenbrenners auf den oberen Teil des Reaktionskolbens richtet (oberhalb des Flüssigkeitsstandes). Die Destillation wird so lange fortgesetzt, bis sich aus einer Probe des Destillats bei Behandlung mit festem Kaliumhydroxid keine öligen Tropfen mehr abscheiden. Das Totalvolumen des Destillats beträgt meist 900-1000 ml.

Anschließend wird das gesamte Destillat erneut destilliert, bis sich keine öligen Tropfen mehr in der Vorlage (respektiv im Kühler) abscheiden. Das so erhaltene Destillat wird im Scheidetrichter getrennt, und die wässrige Phase wird zusammen mit der Flüssigkeit, die sich noch in dem Rundkolben befindet, wieder zurück in das große 5 l Reaktionsgefäß gegossen. Es werden noch 2 l Wasser zu dem Gemisch in dem großen Reaktionskolben hinzugegeben, und dann werden etwa 800 ml Flüssigkeit abdestilliert. Diese Flüssigkeit wird erneut destilliert, bis sich etwa 250-300 ml in der Vorlage gesammelt haben. Indem man dieses Destillat mit festem Kaliumhydroxid versetzt gewinnt man noch weitere 2 g Öl.

Die vereinigten organischen Phasen werden rasch mit einer kleinen Menge festem KOH getrocknet (nicht länger als ein paar Stunden, sonst geht viel Pyrrol durch Polymerisationsvorgänge verloren) und dann destilliert. Die Fraktion, die bei 127-130 °C übergeht wird aufgefangen; es handelt sich hierbei um reines Pyrrol. Die Ausbeute beträgt 75-80 g (37-40 % der Theorie).

Pyrrol ist eine klare Flüssigkeit, die sich jedoch unter dem Einfluss von Licht dunkel färbt. Deshalb sollte man das Produkt in einer dichten Braunglasflasche aufbewahren. Man kann auch reineres Pyrrol, das weniger rasch dunkel wird, dadurch gewinnen, dass man die letzte Destillation unter Vakuum durchführt.

Durchführung der Synthese:
(Es wurden 100 g Schleimsäure eingesetzt)

Die Schleimsäure wird mit Ammoniak-Lösung versetzt. Es findet eine stark exotherme Reaktion statt und viel gasförmiges Ammoniak wird frei.

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Die Ammoniummucat-Glycerin-Mischung.

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Heftiges Schäumen und Rauchen zu Beginn des Erhitzens.

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Später ist die Gasentwicklung ruhiger.

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Zum Schluss raucht die Mischung stark. Ich glaube allerdings, ich hätte die Destillation schon vorher abbrechen sollen.

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Das Destillat in der Vorlage. Es ist auch ein leicht flüchtiges Nebenprodukt unbekannter Natur entstanden, welches schöne Kristalle an der Kolbenwand bildet.

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Abtrennen des rohen Pyrrols im Scheidetrichter.

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Das reine Pyrrol.

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Eigenschaften und Verwendung:

Pyrrol ist eine farblose, stark lichtbrechende Flüssigkeit, die bei 127-130 °C siedet und in Wasser schlecht löslich ist, dafür aber gut in Ethanol und Ether.
Der Nachweis von Pyrrol erfolgt durch die Fichtspan-Reaktion, oder durch die Zeitungspapier-Reaktion. Bei der Fichtspan-Reaktion färben Pyrroldämpfe einen mit Salzsäure befeuchteten Fichtenspan rot. Dieser Reaktion verdankt das Pyrrol wahrscheinlich auch seinen Namen (pyrros = feuerrot). Bei der Zeitungspapier-Reaktion wird ein Tropfen Pyrrol auf einer Zeitung eintrocknen gelassen, die dann mit Salzsäuredämpfen in Kontakt gebracht wird. Auch hier zeigt eine dunkelrote Färbung die Anwesenheit von Pyrrol an. Beide Nachweisreaktionen beruhen wahrscheinlich darauf, dass Pyrrol durch Kondensation mit aromatischen Aldehydgruppen des Lignins rote Farbstoffe bildet. Eine andere Nachweisreaktion ist die Ehrlich-Reaktion mit p-Dimethylaminobenzaldehyd.

Positive Fichtspan-Reaktion:

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Positive Zeitungspapier-Reaktion:

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Pyrrol zeigt einen Elektonenüberschuss, der vom Heteroatom herrührt. Die Kohlenstoffatome des Pyrrols haben einen nukleophilen Charakter und die elektrophile aromatische Substitution lässt sich genau so leicht durchführen, wie bei Anilin. Die Iminogruppe ist so gut wie nicht mehr basisch, da das freie Elektronenpaar an der Resonanz des aromatischen Ringes beteiligt ist. Mit Säuren reagiert Pyrrol unter Polymerisation; mit starken Basen unter Salzbildung.

Pyrrol ist ein Ausgangsstoff für die Synthese von Tetraphenylporphyrin.

Bemerkungen:

*Schleimsäure kann man durch Oxidation von Lactose mit Salpetersäure herstellen (http://forum.lambdasyn.org/index.php/topic,1236.0.html). Da die Synthese jedoch aufwendig, und die Ausbeute schlecht ist, habe ich bei diesem größeren Ansatz Schleimsäure von Merck verwendet.

*Ich habe bei der Synthese eine Ausbeute von 10,3 g erreicht. Dies ist durchaus zufriedenstellend, jedoch wäre die Ausbeute noch höher ausgefallen, wenn der Rundkolben bei der zweiten Destillation nicht gerissen wäre. Dieser Kolbenbruch ist vermutlich auf ein zu starkes punktuelles Erhitzen bei dem ersten Durchgang zurückzuführen.

Quellen:

*http://www.orgsyn.org/orgsyn/orgsyn/prepContent.asp?prep=cv1p0473
*Gattermann Wieland, Die Praxis des organischen Chemikers, 43 Auflage

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