Riduzione di Wolff-Kishner green

[EdoB]

Sto sviluppando una passione per tutte quelle sintesi organiche che derivano da quelle classiche, ma aggiornate affinché siano più sicure, ecologiche e soprattutto fattibili nei laboratori didattici. Questo ultimo punto credo mi stia particolarmente a cuore perché, alle superiori, di sintesi ne ho fatte pochissime visto che non appena abbiamo cominciato è iniziata l'emergenza COVID e siamo stati a casa. In aggiunta a ciò, mi sono sentito dire molte volte "questo non lo possiamo fare perché il tal reagente comporta il tal rischio per la salute e non possiamo più usarlo". Ora che sono all'università questa frase conto di sentirla di meno, non che sentirla sia per forza un male, ma comunque mi è rimasto il pallino di ideare sintesi alla portata di scuola superiore. Al contempo mi rendo conto che di tempo e risorse la scuola ne ha sempre meno e quindi molte cose, per quanto fattibili, non si faranno mai     .

Fatto il preambolo filosofico, che si applica al 90% dei miei post, iniziamo con il contenuto vero!

La riduzione di Wolff-Kishner è una reazione abbastanza nota e studiata che serve per convertire carbonili in metileni. In pratica si trasformano aldeidi e chetoni in alcani. Questa reazione può essere già di per se considerata una versione "green" di un'altra, la riduzione di Clemmensen, anche se la seconda è stata scoperta dopo la prima. Quest'ultima sfrutta il potere riducente dell'amalgama Zinco-Mercurio in ambiente acido per HCl e ovviamente non ha nulla di ecologico. Queste due reazioni di fatto portano agli stessi prodotti con la differenza che la Wolff--Kishner opera in ambiente basico ad alta temperatura e la Clemmensen a pH nettamente acido e a temperatura più bassa.

La versione della Wolff-Kishner che proporrò di fatto evita l'uso dell'unico reagente tossico, l'idrazina. 

Non avendo mai provato la reazione in pratica, purtroppo non posso dare informazioni pratiche molto precise e mi posso solo limitare a tradurre e interpretare la fonte da cui ho preso le informazioni. Fornisco in ogni caso una lista di reagenti necessari ma posso dire con relativa certezza che si possono fare molte
 sostituzioni e modifiche in base a i reattivi che si hanno a disposizione.

Reagenti:
Etanolo 96% 
Carbazato di metile
Acido acetico glaciale 
Acetofenone
Idrossido di potassio
Glicole trietilenico
Acetone   
Pentani

La reazione si fa in 3 passaggi: 

• Sintesi e isolamento dell'idrazone
  
• Degradazione dell'idrazone
  
• Purificazione del prodotto
  

Il sostituto dell'idrazina si chiama carbazato di metile ed ha la seguente struttura
   
Per la prima parte si uniscono in un pallone il chetone da ridurre (acetofenone), il carbazato di metile, l'alcool etilico come solvente e una quantità catalitica di acido acetico. Nel paper di riferimento non si citano i rapporti molari dei reagenti/solventi ma con tutta probabilità si utilizzano i reagenti in quantità stechiometriche e per quanto riguarda AcOH e EtOH bisogna fare qualche prova. In ogni caso, si reflussa per 30' e, dopo raffreddamento, si devono separare abbondanti cristalli del corrispondente carbometossidrazone. L'intermedio cristallino viene filtrato a pressione ridotta e lavato con etanolo azeotropico freddo. Una piccola parte di intermedio può essere conservato per analisi varie (IR, TLC, NMR). 
   
Nella seconda parte dell'esperienza il carbometossidrazone viene degradato ad opera di una soluzione di idrossido di potassio in solvente polare protico altobollente.
Si solubilizzano in un pallone 6 equivalenti di KOH nel trietilenglicole, una volta che la soluzione risulta omogenea, si introduce l'intermedio di sintesi isolato in precedenza, si monta un refrigerante a ricadere e si procede scaldando la miscela di reazione a 140°C per 3 ore. Trascorso il tempo richiesto, è possibile aggiungere acqua e lasciar raffreddare a Tamb. 
   
Nota: lo ione formiato degrada velocemente producendo CO2.

Quando la soluzione è completamente raffreddata, si effettua un'estrazione con etere etilico che poi viene seccato su MgSO4.
Durante la degradazione, è possibile che si formino piccole quantità della corrispondente azina come sottoprodotto che conseguentemente produrrebbe idrazina gassosa durante la rimozione del solvente. Per evitare ciò, circa 1mL di acetone può essere aggiunto prima dell'evaporazione del solvente. In questo modo le eventuali tracce di H2N-NH2 prodotte vengono convertite nell'idrazone dell'acetone, meno pericoloso. Infine il solvente viene rimosso, impostando la temperatura del bagno ad acqua del rotavapor alla temperatura più bassa possibile, per evitare la perdita del prodotto (etilbenzene) per evaporazione. Ciò che rimane nel pallone è il prodotto grezzo che, a seconda di come è stata condotta la reazione, è più o meno colorato a causa della presenza di azina prodotta durante la reazione in se e a causa della presenza dei composti derivanti dalla condensazione dell'acetone con 'lidrazina. Per una purificazione finale si può cromatografare il grezzo attraverso una corta colonna (es. una siringa da 20 ml) contenente silice ed eluendo con pentani. L'eluato può essere distillato a pressione ridotta per ottenere l'etilbenzene puro o analizzato direttamente attraverso GC.

Mi piacerebbe provare questa reazione ma sfortunatamente mi manca il sostituto dell'idrazina. Cercherò di ideare una procedura meno da lab didattico e più da home lab che sfrutta il ben più comune, e ben più tossico, solfato di idrazina.

Fonte: A Hydrazine-Free Wolff−Kishner Reaction Suitable for an Undergraduate Laboratory
Philippa B. Cranwell* and Andrew T. Russell
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs...ed.5b00954

[Geber]

Il problema di fare chimica verde in un homelab è che trovare/reperire taluni reagenti non è cosa così facile.
Ma apprezzo molto questo tuo impegno di sperimentatore verde passami il termine.
Sicuramente è interessante anche vedere le reazioni nelle loro vesti primarie ma poi pensi a quanti rifiuti si fanno e ti passa la voglia.
Non so se l'ho mai raccontato ma io facevo sintesi su glucidi e facevo tante modificazioni su tali composti. Usavo come tanti altri del settore un reagente che è tossico anche se scarsamente solubile rispetto ad altri del suo genere, il cianuro mercurico. Penso esistano delle varianti verdi ma... Dava rese elevate e funzionava bene. Avrei voluto dedicarmi maggiormente ma io facevo tante reazioni di questo genere in batteria perché dovevo avere grammi di reagente per fare poi altri composti... Peccato.
Allora attendiamo di vederti provare questa reazione.

[EdoB]

Si in effetti spesso tra la chimica verde e la comodità c’è il mare. D’altra parte un po’ alla volta le cose vengono aggiornate e mogliorate, quindi anche il tuo cianuro di mercurio deve iniziare a temere!
Ps
Grazie che rispondi sempre ai miei post, almeno so che c’è qualcuno che legge ahahahah

[Geber]

Ah sai a me piace quando vedo giovani come te che sporcano provette. Mi fa ricordare i bei tempi in cui indossavo il camice e stavo in laboratorio. Ora purtroppo non ho modo né a casa né altrove. Spero prima o poi si insegnare e avere al contempo un laboratorio scolastico in cui fare e far fare esperimenti agli studenti. Chissà... Sognare non costa.

Tornando a noi... Sicuramente si può sempre trovare, ove possibile e a basso prezzo, una alternativa a taluni composti vecchi.
Penso sempre ai catalizzatori: un tempo o usavi metalli nobili (ma anche non nobili, vedi il nichel), pressioni elevate di idrogeno (il problema minore, forse) o ciccia... Ora o meglio da qualche decennio si è visto che la Natura è la regina e si usano enzimi, spesso ingegnerizzati per fare ancora meglio. Purtroppo in alcune produzioni industriali ancora oggi la catalisi è a base di composti inorganici/organici che poi vanno smaltiti o riciclati, con tutti i costi del caso. Ma fa piacere che si sia andati verso una chimica verde.

Attendo nuove

[zodd01]

Mi era sfuggita questa discussione nella ricerca. Bella sintesi, ora sta tutto all'idrazato e al suo prezzo. Ne sai qualcosa ?

[EdoB]

Certo, il costo non è spropositato. Per 500 g, elenco fornitore - purezza - costo

Sigma Aldrich - 97% - 256 euro
Acros Organics - 97% - 148 euro
TCI - 98% - 142 euro

Insomma, non è un reagente che mi sentirei di comprare per un utilizzo casalingo, potendone farne a meno (l'idrazina solfato o idrato costa enormemente meno). La questione cambia invece se l'acquirente è una scuola/università, dove 300 euro/kg per un reagente non sono poi così tanti.
Mi ero anche informato sulla sua sintesi, ma ovviamente c'è sempre di mezzo l'uso dell'idrazina quindi non ne vale la pena.

[zodd01]

Peró se per fare l'idrazato serve l'idrazina, la riduzione green, tanto green non lo é piú. Sarebbe blu al massimo, cioé verde in sé ma si serve di precursore non verde.

[EdoB]

Certo, infatti è "green" nel contesto didattico, non in senso lato. Anche perchè l'economia atomica va a farsi friggere, a parità di stechiometria, con l'idrazina il reagente pesa 32 g/mol Vs. i 90 g/mol del metile carbazato. Un conto è far maneggiare a 50 studentə un liquido infiammabile, volatile e cancerogeno. Un altro conto è farlo maneggiare in un contesto industriale.