Sintesi semiriuscita dell'acido fenilacetico

[EdoB]

Nel tentativo di produrre la penicillina in laboratorio (Penicillina G, o benzilpenicillina) per la maturità mi sono imbattuto in un limite non proprio trascurabile del magazzino della scuola: mancava l’acido fenilacetico, precursore dell’antibiotico in questione da aggiungere al brodo di coltura sotto forma di sale potassico. Visto che sinettizzarlo da acido cloroacetico e benzene non mi sembrava il caso (che poi il benzene, dove lo trovavo?), ho deciso di produrre questo composto attraverso la reazione tra anidride carbonica e cloruro di benzilmagnesio, insieme ad un amico che mi ha prestato la bombola di CO2. 


Nota: l’acido fenilacetico è notoriamente legato alla produzione di sostanze illecite, non mi soffermerò più di tanto sulla sua sintesi quanto sugli imprevisti e la mia esperienza specifica. 


Procedimento seguito (ideato da zero):
Reagenti
Per la sintesi

• Cloruro di benzile , prodotto da alcol benzilico e acido cloridrico concentrato come già descritto sul forum e distillato a pressione ridotta.
  
• Magnesio in nastro , attivato nel seguente modo: è stato rimosso l’ossido con carta vetrata, tagliato in piccoli pezzi con delle forbici, lavato con eptani e fatto asciugare.
  
• tetraidrofurano : distillato da sodio e benzofenone
  
• biossido di carbonio : gas compresso di grado alimentare  
  
• NaCl soluzione satura
  
• diclorometano 
  

Per la purificazione

• Etere dietilico 
  
• solfato di magnesio anidro
  
• idrossido di sodio
  
• acido cloridrico concentrato
  

Per le analisi:

• Acetato di etile 
  
• Eptano 
  
• KBr grado spettroscopico 
  

Sintesi (home lab)
Svolta fuori da scuola poichè, oltre alla mancanza di CO2, non si sarebbe potuto usare il BzCl a causa della sua pericolosità, Per il resto il THF e il DCM sarebbero stati sostituibili con etere etilico. Sembra paradossale, ma ho dovuto sintetizzare il BzCl in giardino con la maschera antigas e non a scuola dove avrei potuto farlo in tutta serenità sotto cappa. Non è una critica alle regole, però mi fa sorridere pensarci.
In un pallone da 250 mL sono stati messi 1 equivalente di magnesio e 100 mL di THF. Il cloruro alchilico è stato aggiunto gradualmente, dopo un breve periodo di latenza la reazione comincia ed è necessario installare sul collo del pallone un refrigerante dato che la reazione è particolarmente esotermica e il solvente raggiunge la sua temperatura di ebollizione. Terminata l’aggiunta una discreta quantità di magnesio risulta non reagita. Quando la reazione sembra giunta al termine, si fanno gorgogliare circa 5 equivalenti di CO2 gassosa. La reazione è esotermica e si forma un precipitato grigio-bianco. Terminata l’aggiunta di gas si aggiunge acqua e poi HCl in modo tale da liberare l’acido carbossilico dal suo sale di magnesio. La miscela di reazione viene trasferita in imbuto separatore dove si lava con NaCl in soluzione satura. La frazione acquosa viene estratta due volte con DCM.
Come ultima cosa si combinano le frazioni organiche che vengono prima disidratate con solfato di sodio anidro e poi distillate per rimuovere i solventi. Rimane un solido cristallino, umido all’apparenza. Si conserva una punta di spatola del grezzo per un confronto successivo.


Purificazione (a scuola)
Il solido ottenuto viene trattato con 1,1 equivalenti di idrossido di sodio in soluzione acquosa concentrata. A questo punto ho iniziato a realizzare che forse il prodotto non era puro come avevo immaginato a quel punto. Infatti una cospicua parte del solido risultava parzialmente fusa ( a causa del calore di dissoluzione del NaOH in acqua) ma insolubile in acqua. Dopo aver diluito con altra acqua per assicurare che tutto il fenilacetato di sodio fosse disciolto, la miscela eterogenea ottenuta è stata posta in imbuto separatore ed estratta con 3 porzioni da 20 ml di etere etilico. Le frazioni organiche sono state disidratate ed evaporate al rotavapor. Nel pallone è rimasto un solido bianco cristallino che è stato momentaneamente messo da parte. La fase acquosa è stata messa in un becher raffreddato esternamente con ghiaccio e poi addizionata lentamente con HCl 37% fino a pH 0 misurato con cartina all'indicatore universale. Durante l’aggiunta di acido precipita un solido bianco fioccoso. Dopo aver lasciato raffreddare sotto i 5 gradi, si filtra su gooch e si fa essiccare all’aria il solido.
 
Nota personale: nei tre giorni in cui ho effettuato la purificazione, metà delle persone in laboratorio si sono lamentate della “puzza” che usciva dal mio armadietto e l’altra metà si chiedevano cosa fosse quel “profumo” che sentivano. Anche mentre svolgevo la sintesi con il mio amico avevamo pareri contrastanti, io sentivo un cattivo odore ma a lui non dispiaceva. Il naso umano è davvero strano.
 
Ho fatto una TLC confrontando il grezzo con le due sostanze separate. Non trovando né le foto né le tlc che avevo fatto (sono sicuro di averle tenute ma non le trovo proprio :/), se troverò il tempo, ripeterò la cromatografia usando i vari campioni delle sostanze che invece ho conservato a -18 °C fino ad oggi. 
A questo punto la domanda che sorge spontanea è: che sostanza sarà quella isolata dalla soluzione eterea?
La tlc suggerisce che sia un’unica sostanza e io avevo ipotizzato che fosse il prodotto di copulazione del cloruro di benzilmagnesio con il cloruro di benzile. Infatti, se l’aggiunta di alogenuro è troppo rapida il reattivo di grignard formatosi può reagire con il BzCl in eccesso per produrre 1,2-difeniletano secondo la seguente reazione.
Per verificare la mia ipotesi ho deciso di analizzare il composto anche se in realtà avevo già due informazioni che sicuramente non smentivano la mia idea. Infatti la macchia di composto incognito si trova molto più in alto di quella dell’acido fenilacetico il che indica una polarità molto bassa della molecola, caratteristica che ci si aspetta da un idrocarburo aromatico quale è il sottoprodotto ipotizzato. Inoltre la sostanza incognita non si scioglie in NaOH indicando che la molecola non ha caratteristiche acide. Per analizzare il composto ho usato le stesse tecniche che avevo pianificato di usare per il prodotto principale, ovvero punto di fusione e spettroscopia infrarossa. 

Analisi
Punto di fusione
Mediante apparecchio per p.f. elettrico. Un cristallino di composto è stato polverizzato su una mattonella porosa usando il lato piatto di una spatola di acciaio. Un capillare, chiuso a un'estremità, è stato riempito con uno o due mm di solido polverizzato. Il punto di fusione medio (misurato 2 volte) è risultato di 52,0-52,3 °C, conforme alla letteratura.


Spettro IR
Una punta di spatola di campione, mescolato con KBr di grado spettroscopico, è stato polverizzato in un mortaio di agata e poi sinterizzato con l’apposito strumento. Si ottiene questo spettro, conforme alla letteratura.


Si ripete la stessa procedura per l’acido: 
Punto di fusione: 77,0-78,2 °C P
punto di fusione teorico 
spettro ottenuto

spettro di riferimento 


A questo punto è finito il “dietro le quinte” del mio elaborato per la maturità, di cui non ho nemmeno parlato all’esame, ed è iniziato il vero e proprio lavoro: costruire un bioreattore da 2 litri per la produzione di Penicillina G.





Alcune riflessioni chimiche:

La resa non è stata eccelsa, le cose che migliorerei nel caso di un nuovo tentativo sono le seguenti:

1. Presenza di acqua durante la reazione: mi sono fatto ingannare dal fatto che il BzCl reagisce velocemente con il magnesio data la sua grande reattività e non ci siamo presi la briga di mettere tutta la vetreria ad asciugare, di installare un tubo al cloruro di calcio e di seccare l’alogenuro su setacci molecolari. Questo non ha ovviamente causato problemi “cinetici” quanto di resa. Per intenderci, la reazione può anche partire subito, ma se una grossa parte del substrato diventa toluene della velocità ce ne facciamo poco!
   
2. Temperatura di reazione: probabilmente non raffreddare la miscela di reazione ha contribuito alla formazione del sottoprodotto, questo è un problema che si incontra meno spesso quando si usa il dietiletere poiché questo, bollendo a bassissima temperatura, fa da volano termico e “nel peggiore dei casi” evapora sfuggendo al refrigerante ma la temperatura non supera la Teb del solvente.
   
3. Volume di solvente: forse, usare più solvente avrebbe limitato la formazione di 1,2-difeniletano “stabilizzando” il reattivo di grignard formato.
   
4. Aggiunta di CO2: idealmente per sintetizzare gli acidi carbossilici via grignard serve il ghiaccio secco. Inutile dire che non lo avevamo e non ho nemmeno avuto il tempo di acquistarlo, la decisione di usare CO2 gas non è stata terribile, ma col senno di poi avrei lasciato assorbire lentamente il gas sotto agitazione piuttosto che farlo gorgogliare.
   

 Considerazioni non-chimiche:

La possibilità più unica che rara che abbiamo avuto di fare un nostro progetto personale da portare alla maturità è stata il frutto del nuovo tipo di esame che è stato messo in atto nel A.S. 2020-21 ma soprattutto del nostro prof di laboratorio che ci ha dato la possibilità di usare i laboratori in libertà. Ovviamente non tuttə hanno fatto qualcosa di molto approfondito, ma questa possibilità di scelta ha messo in luce per la prima volta nei miei 5 anni di superiori lo spirito di iniziativa e la curiosità degli studenti e delle studentesse. Infatti in diversə hanno avuto idee interessanti scauturite dalla loro curiosità. C’è stato chi ha costruito dei fermentatori per la sintesi di bioetanolo da scarti alimentari di diverso tipo (melasse e amidi), chi ha messo appunto tecniche gascromatografiche per la determinazione di composti volatili, chi ha prima sintetizzato il nylon per poi farlo degradare in diverse condizioni e analizzarne i prodotti di degradazione e infine io che ho costruito il mio bioreattore per la sintesi di antibiotici. Tutto questo è stato fatto in quasi totale autonomia e sfruttando le competenze sviluppate nei 4 anni e mezzo precedenti. I risultati di questi progetti sono stati in alcuni casi inaspettati o non ideali, ma il fatto che tutto questo sia successo nel giro di 3-4 settimane, tra maggio e giugno, lascia all’immaginazione quanto potenziale hanno le studentesse e gli studenti e come questo potenziale venga sprecato nel momento in cui si confinano in un laboratorio dove vengono trattatə come persone senza cervello. Individui a cui non è mai permesso uscire dal sentiero tracciato dall’insegnante anni prima e poi calcato ogni anno da studentə nuovi, ma sempre uguali. 

[Geber]

Innanzitutto, complimenti, come sempre, EdoB. Sei un ottimo studente e scienziato. Mi piace.
Ovviamente, le reazioni di Grignard sono sempre un dito nel sedere. Se passi agli organolitio poi...
La vetreria e i reagenti/solventi devono essere anidri come non mai. Lo dico da chimico che ne ha fatte di tali reazioni. Ma capisco che se si deve fare a casa e non sotto cappa in laboratio, si prende quello che viene.
Io distillavo giorni prima i solventi per averli anidri (noi si faceva ogni giorno perché si lavorava sotto argon in condizioni abbastanza spinte) e i reagenti erano conversati sotto argon. Comunque dai hai fatto un bel lavoro. E tanto si possono fare dopo le considerazioni e non prima, specie se non si è mai fatta una reazione. Quindi, ora sai
Arriviamo al capitolo CO₂. Come hai fatto notare, meglio il ghiaccio secco di un gas. Noi usavamo ghiaccio secco delle dimensioni di chicchi di riso per fare la reazione con gli organolitio e farci gli acidi carbossilici. Appunto perché lo scambio avviene in tempi più lunghi rispetto a farlo gorgogliare. Anche qui, col senno di poi...

Idea del reattore è WOW. Fattelo dire. Applausi.
Applausi anche per i tuoi colleghi per i progetti fighi. Questo devono fare le scuole. Dare la giusta libertà e possibilità di crescita.
Servirebbe anche una migliore collaborazione tra scuole/università e mondo dell'industria/lavoro. Siamo lontani anni luce, ahimè, da certe vette ma queste notizie mi fanno ben sperare.
Buona fortuna per il futuro.

[Mercaptano]

Che grandissima figata Edo! Avessi avuto il laboratorio libero avrei fatto anche io una cosa simili per la maturità mentre invece mi sono dovuto accontentare di un lavoro teorico sulla chimica bio-organica. 
Avevo proposto al mio prof di sintetizzare il composto che avevo progettato per via computazionale e poi presentare il lavoro all'esame.
L'idea del bioreattore è meravigliosa, poi per uno che come me si è diplomato in biotecnologie sanitarie stai parlando di robe interessantissime (inoltre non è per nulla scontato che si abbia un grado simile di conoscenze alla fine delle superiori, chapeaux).
Complimenti ancora!

[EdoB]

Grazie dei complimenti. Quando avrò tempo e voglia (ora sono in sessione :/) vedo si raccogliere materiale per una eventuale discussione sulla produzione vera e propria di penicillina. Purtroppo non ci sono stati sviluppi tanto interessanti quanto avrei voluto perché il tempo era poco ma soprattutto non sono riuscito a recuperare da nessuna parte dell'antibiotico standard. Infatti oggigiorno la maggior parte dei batteri è resistente alla Penicillina G e trovarla pura in commercio risulta difficile, almeno che non ci si rivolga ad aziende come la Merck o simili. Anche l'antibiogramma che avevo provato a fare l'ultima settimana in cui ho avuto accesso ai laboratori è stato fallimentare. I batteri che ho seminato erano vecchi di almeno 7 mesi e quindi tutti morti o morenti e, nelle piastre in cui è cresciuto qualcosa, hanno fatto molta fatica a replicarsi. Se avessi avuto 2 settimane in più e uno standard avrei fatto qualcosa di molto più completo ma non è stato così e mi sono dovuto accontentare di averci provato. Non escludo però di riprendere in mano il progetto. Magari se trovo qualcunə che ha un home lab dove si diletta a coltivare batteri posso darlə gli antibiotici da provare, vedremo.

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Ah, aggiungo che se date un occhio ad alcuni post, diciamo degli ultimi 6-7 mesi, della mia pagina instagram (@chemclips) trovate alcune foto della parte di biosintesi della penicillina!

[Mercaptano]

Ora vado a dare un'occhiata ai tuoi post! Anche a me il tempo ridotto ha giocato un brutto tiro, non ho potuto presentare i dati comparati tra prove sperimentali e modello teorico alla commissione, ma già il lavoro che avevo fatto non lo credevano possibile in quarantena dunque sono stati tutti sorpresi del malloppone di robe che ho presentato AHAHAH.

[LuiCap]

Complimenti Edoardo, bravissimo!!!
Sono proprio contenta di averti dato l'input per la sintesi della Penicillina.

[EdoB]

Complimenti Edoardo, bravissimo!!!
Sono proprio contenta di averti dato l'input per la sintesi della Penicillina.

Giusto, dimenticavo, tutto questo nasce da Luisa che mi ha dato la fantastica idea! E poi, tutte le dispense da cui ho studiato come si fanno le cristallizzazioni, estrazioni, misure del pf ecc... ovviamente sono sue 

[Beefcotto87]

Complimenti, bellissimo lavoro!