Brauche Hilfe bei nukleophiler Substitution?

Question

Ich habe hier eine Versuchsbeschreibung und würde gerne Sinn und Zweck einzelner Schritte und insbesondere die Mechanismen erfahren. Es geht um die Reaktion Chloressigsäure CH2ClCOOH + Ammoniak NH3 -> Glycin CH2NH2COOH + Ammoniumchlorid NH4Cl, eine nukleophile Substitution. Welcher Ordnung wäre diese S(N) und wieso? Diese Reaktion lässt man in wässriger ein-molarer (NH4)2CO3-Lösung ablaufen. Wieso? Wozu schmeißt man nach Ablauf der Reaktion noch Aktivkohle dazu? Gibt es dabei etwas zu beachten (Sicherheitshinweise)? Und wieso setzt man nach dem Sieden und Filtrieren Methanol dazu um das Produkt auskristallisieren zu lassen? Vielen Dank schon mal für brauchbare Antworten!

Answer 1

Hi.
Folgendes:

1) Die Reaktion läuft eigentlich zwischen Monochloracetat-Anion und Ammonik-Molekül; Grund: die Chloressigsäure ist eine relativ starke Säure und bildet im wässrigem Ammoniak- bzw. Ammoniumcarbonatlösung die entsprechende Salz - Ammoniummonochloracetat:
Cl-CH2-COOH + NH3(aq) --> Cl-CH2-COO-NH4+(aq), bzw.
Cl-CH2-COOH + (NH4)2CO3(aq) --> Cl-CH2-COO- NH4+(aq) + NH3(aq) + CO2(g) + H2O(l)

2) Diese Reaktion verläuft als eine "atypische" bimolekulare nukleophile Substitution (SN2); sie ist atypisch insoweit, daß das Millieu (protisch, polar, pH über 10) eher für eine monomolekulare Reaktion spräche, das Verlauf ist jedoch von der Carboxyl-Gruppe beeinflust; es verläuft also:
H3N| + Cl-CH2-COO- --> [H3N...CH2(-COO-)...Cl] --> H2N-CH2-COOH + Cl-
Deswegen also SN2.

3) In der Reaktion wirkt das Ammoniumcarbonat als alkalisches Puffer, das eine Protonierung von Ammoniak auf Ammoniumkation:
NH3 + H+ --> NH4+
verhindert. Ammoniak muß als nicht-protonisierte Molekül vorliegen, damit es in der SN2 einsteigen kann.

4) Aktivkohle am ende der Reaktion bindet an sich unerwünschte Reaktionsprodukte (vor allem Imidodiessigsäure und Nitrilotriessigsäure, entstanden durch eine nukleophile Alkylierung vom Glycin in situ durch die Chloressigsäure), und macht somit den Reaktionsprodukt (Glycin) reiner. Es wird anschließlich durch Filtration entfernt.
Schließlich wird Methanol zugesetzt, um die Polarität (gemessen an der dielektrischen Konstante des Millieu) herabzusetzen und somit die polare Molekül von Glycin weniger löslich zu machen. Das hilft bei der Kristallisierung.

5) Sicherheitshinweise:
a) Chloressigsäure ist Ätzend (C) und Gesundheitsschädlich (Xn; früher "Mindergiftig"); bei Arbeit mit Chloressigs. sind geeignete Hand- und Augenschutz geboten (Nitrilhandschuhe und Sicherheitsbrille/Gesichtsschild)
b) konzentrierte Lösungen von Ammoniak sind als ätzend (C) und gesundheitsschädlich (Xn) einzustufen. Dämpfe/Spuren von gasformigen Ammoniak reizen stark die Atemwege, deshalb sollte mann mit konzentrierter Ammoniaklösung in einem Digestorium arbeiten.
c) Methanol ist giftig (T) und hochentzündlich (F+); es ist zu beachten, daß es seine giftige Wirkung nicht nur durch orale Einnahme entfällt, aber auch durch einatmen der Dämpfe (inhalativ) und durch ungeschützte Haut (hautresorptiv) giftig ist. Deshalb sind Schutz- und Hygienemaßnahmen streng einzuhalten (Nitrilhandschuhe, Gesichtsschutz, Digestorium usw.). Es ist hochentzündlich, deshalb sollte keine (mögliche) Zündquelle in der Nähe vorhanden sein.

So...ich hoffe, daß mir kein Fehler unterlaufen ist und daß ich hilfen könnte...

Answer 2

1) Ammoniak und Chloressigsäure gehen zunächst eine Säure-Base Reaktion ein. Die Substitution erfolgt später. Ich persönlich würde sagen, dass das Ammoniumcarbonat (wovon ich schätze, dass es leicht basisch, aber stärker basisch als Ammoniak) diese Reaktion unterdrückt, damit der Ammoniak sich "um die Substituition kümmern kann. Das Carbonation reagiert mit dem entstehenden Ammoniumchlorid zu Ammoniak und Kohlennsäure, die widerum in Co2 und Wasser zerfällt.
2) Die Aktivkohle bindet normalerweise Nebenprodukte und wird als Reinigungsmittel eingesetzt.
3) Sicherheithinweise: Gasförmiger Ammoniak ist ziemlich ungesund und wurde im WW1 als Kampfgas benuztz. Zu Hause kannst du die Reaktion nicht machen, da du nicht so einfach an eine ammoniakgasflasche kommst.
4) Ich nehme an, dass sich Glycin in Wasser besser löst, als in Methanol, der Zusatz von Methnol verschlechtert also die Löslichkeit und das Produkt fällt aus.
5) SN1, SN2 ? Ih tippe auf SN2, da Chlor eine mittelmässige bis schlechte Abgangsgruppe ist und damit der Einbau des Ammoniaks parallel zur Abspaltung des Chloridions erfolgt, wie es bei einer SN2 typisch ist.

Answer 3

Hallo,
da mir dein wissenstand nicht Klar ist, les mal bei Wikipedia ( siehe Link) nach und stell danach nochmal deine Fragen.
da es sonst sehr langwierig wäre....
- einige Sachen: Im Wasser entstehen Ionen, die dann miteinander reagieren können, Wasser ist neutral, es entstehen je nach Zusammensetzung
* Alkylhalogenid: Alkylchloride und Alkylbromide
* Arylhalogenide: Arylchloride und Arylbromide
* Säurederivate, wie Chloride, Ester, und Anhydride
* Oxiran-, Thiiran- und Aziridin-Ringe (→ Heterozyklus)


mfg