Belangrijkste punten
- Benzaldehydecondensatie is een veelzijdige chemische reactie die kan worden gebruikt om een breed scala aan organische verbindingen te synthetiseren.
- De reactie wordt doorgaans gekatalyseerd door een sterke base, zoals natriumhydroxide of kaliumhydroxide.
- Het mechanisme van benzaldehydecondensatie omvat de vorming van een enolaatanion, dat vervolgens reageert met een andere aldehyde of keton om een α- of β-hydroxyaldehyde of keton te vormen.
- Benzaldehydecondensatie kan worden gebruikt om een verscheidenheid aan belangrijke verbindingen te synthetiseren, zoals benzoïne, kaneelzuur, cinnamaldehyde en heterocyclische verbindingen.
- De reactie heeft een breed scala aan toepassingen in de farmaceutische, voedingsmiddelen- en chemische industrie.
Inhoudsopgave
1. Wat is benzaldehydecondensatie?
Benzaldehydecondensatie is een chemische reactie tussen benzaldehyde en een aldehyde- of ketonmolecuul met een α-waterstof om een β-hydroxyaldehyde of keton te vormen. De reactie wordt doorgaans gekatalyseerd door een sterke base, zoals natriumhydroxide of kaliumhydroxide.
Er zijn twee hoofdtypen benzaldehydecondensatie:
- Benzoïnecondensatie: Dit type condensatiereactie vindt plaats tussen twee aldehydemoleculen in aanwezigheid van een cyanide-ionkatalysator. Het product van de benzoïnecondensatie is een α-hydroxyketon.
- Aldolcondensatie: Dit type condensatiereactie vindt plaats tussen een aldehyde en een keton, of tussen twee aldehyden, in aanwezigheid van een basekatalysator. Het product van de aldolcondensatie is een β-hydroxyaldehyde of keton.
De algemene vergelijking voor benzaldehydecondensatie is als volgt:
2. Geschiedenis van benzaldehydecondensatie
Benzaldehydecondensatie werd voor het eerst ontdekt in 1832 door Justus von Liebig en Friedrich Wöhler. Zij observeerden dat de reactie van benzaldehyde met kaliumcyanide een nieuwe verbinding opleverde, die zij benzoïne noemden.
Eind jaren 1830 ontwikkelde Nikolay Zinin een katalytische versie van de benzoïnecondensatie met behulp van natriumcyanide. Dit maakte de reactie praktischer en toegankelijker voor chemici.
Sindsdien is benzaldehydecondensatie een van de belangrijkste en meest gebruikte koolstof-koolstofbindingsvormingsreacties in de organische chemie geworden.
3. Mechanisme van benzaldehydecondensatie
Het mechanisme van benzaldehydecondensatie omvat de volgende stappen:
- Deprotonering: De basiskatalysator deprotoneert de α-koolstof van het aldehydemolecuul, waardoor een enolaatanion ontstaat.
- Additie: Het enolaatanion valt de carbonylkoolstof van een ander aldehyde- of ketonmolecuul aan, waardoor een tetraëdrische tussenstof ontstaat.
- Eliminatie: Een proton wordt van de tetraëdrische tussenstof naar de basiskatalysator overgebracht, waardoor het α- of β-hydroxyketonproduct ontstaat.
4. Factoren die de opbrengst van benzaldehydecondensatie beïnvloeden
Er zijn een aantal factoren die de opbrengst van benzaldehydecondensatie kunnen beïnvloeden, waaronder:
- Aard van de aldehyde: Aromatische aldehyden reageren over het algemeen gemakkelijker bij benzaldehydecondensatie dan alifatische aldehyden.
- Sterkte van de basiskatalysator: Sterke basen, zoals alcoholaat, natriumhydroxide en kaliumhydroxide, zijn effectievere katalysatoren voor benzaldehydecondensatie dan zwakke basen.
- Reactietemperatuur: De reactiesnelheid van benzaldehydecondensatie neemt toe met de temperatuur. Hoge temperaturen kunnen echter ook leiden tot nevenreacties en productdegradatie.
- Reactietijd: Benzaldehydecondensatie duurt doorgaans enkele uren. De reactietijd kan echter worden verkort door een meer geconcentreerde basiskatalysator te gebruiken of door de reactietemperatuur te verhogen.
5. Voorbeelden van benzaldehydecondensatiereacties
Benzaldehydecondensatie kan worden gebruikt om een breed scala aan organische verbindingen te synthetiseren, waaronder: benzoë, kaneelzuur, cinnamaldehyde en benzalaceton,
5.1. Benzoëcondensatie
Benzoë is een symmetrisch α-hydroxyketon dat wordt geproduceerd door de benzoëcondensatie van twee benzaldehydemoleculen. Benzoë wordt gebruikt als tussenproduct bij de synthese van een aantal andere verbindingen, zoals hydrobenzoë, benzoë-isoxazool en benzoë-ethylether.
De benzoëcondensatie werd voor het eerst gerapporteerd door Justus von Liebig en Friedrich Wöhler in 1832. Zij ontdekten dat wanneer benzaldehyde werd behandeld met kaliumcyanide, een nieuwe verbinding werd gevormd, die zij “benzoë” noemden.
Later ontwikkelde Nikolay Zinin een katalytische versie van deze reactie. Hij ontdekte dat door een kleine hoeveelheid cyanide te gebruiken, de reactie efficiënter kon worden uitgevoerd. Dit markeerde een significante vooruitgang op het gebied van organische chemie.
5.1.1. Reactiemechanisme
Het mechanisme van benzaldehydecondensatie omvat verschillende stappen. Eerst valt een nucleofiel, zoals cyanide of N-heterocyclisch carbeen, de carbonylkoolstof van benzaldehyde aan. Dit vormt een intermediair complex, dat vervolgens protonenoverdracht ondergaat om benzoïne te vormen.
Bij benzaldehydecondensatie spelen nucleofielen een belangrijke rol. Ze vallen de carbonylkoolstof van benzaldehyde aan en starten de reactie. Veelgebruikte nucleofielen in deze reactie zijn cyanide en N-heterocyclisch carbeen.
5.2. Benzaldehydecondensatie met acetaldehyde
Benzaldehydecondensatie met aceetaldehyde is een chemische reactie die cinnamaldehyde produceert, een geurige verbinding die wordt gebruikt in parfums en voedingssmaakstoffen. De reactie wordt ook gebruikt om andere belangrijke chemicaliën te synthetiseren, zoals kaneelzuur en cinnamaldehydederivaten.
5.2.1. Mechanisme van de reactie
Deze reactie is een klassiek voorbeeld van een gekruiste aldolcondensatie, waarbij twee verschillende aldehyden reageren om een nieuwe koolstof-koolstofbinding te vormen. De reactie verloopt via de volgende stappen:
- Deprotonering van acetaldehyde: Een sterke base, zoals natriumhydroxide, deprotoneert acetaldehyde om het enolaation te vormen.
- Aanval op de carbonylkoolstof van benzaldehyde: Het enolation valt de carbonylkoolstof van benzaldehyde aan en vormt een nieuwe koolstof-koolstofbinding.
- Dehydratie: Het resulterende alkoxide-ion wordt geprotoneerd en dehydrateert vervolgens om cinnamaldehyde te vormen.
5.2.2. Omstandigheden voor de reactie
De reactie wordt doorgaans uitgevoerd in een oplosmiddel zoals ethanol of water, in aanwezigheid van een sterke base zoals natriumhydroxide. De reactietemperatuur kan variëren van kamertemperatuur tot reflux, afhankelijk van de gewenste opbrengst en zuiverheid van het product.
Een mogelijke nevenreactie van de reactie is de zelfcondensatie van acetaldehyde om aldol te vormen. Om deze nevenreactie te minimaliseren, is het belangrijk om de acetaldehyde langzaam aan het reactiemengsel toe te voegen en de reactietemperatuur laag te houden.
5.3. Condensatie van benzaldehyde met azijnzuuranhydride (Perkin-condensatie)
De condensatie van benzaldehyde met azijnzuuranhydride om kaneelzuur te vormen is een klassieke organische synthesereactie die bekend staat als de Perkin-condensatie. Het is een veelzijdige en efficiënte methode voor het bereiden van α,β-onverzadigde carbonzuren, die belangrijke tussenproducten zijn bij de synthese van veel natuurlijke en synthetische producten.
5.3.1. Reactiemechanisme
De Perkin-condensatie is een base-gekatalyseerde reactie. De natriumacetaatkatalysator deprotoneert de α-koolstof van het azijnzuuranhydridemolecuul, waardoor een carbanion ontstaat. Dit carbanion valt vervolgens de carbonylkoolstof van het benzaldehydemolecuul aan, waardoor een tetraëdrische tussenstof ontstaat. De tussenstof stort vervolgens in, waardoor azijnzuur wordt geëlimineerd en kaneelzuur wordt gevormd.
De Perkin-condensatie wordt doorgaans uitgevoerd bij temperaturen van 160-180 °C. De reactie kan worden gekatalyseerd door verschillende basen, waaronder natriumacetaat, natriumhydroxide en pyridine.
5.4. Benzaldehydecondensatie met aceton
Benzaldehydecondensatie met aceton is een veelvoorkomende organische reactie die wordt gebruikt om benzalaceton te synthetiseren, een waardevol tussenproduct bij de productie van farmaceutische producten, kleurstoffen en andere chemicaliën. De reactie wordt doorgaans gekatalyseerd door een base, zoals natriumhydroxide of kaliumhydroxide, en verloopt via een klassiek aldolcondensatiemechanisme.
5.4.1. Mechanisme
De eerste stap in de reactie is de deprotonering van aceton door de base om het enolaation te vormen. Het enolaation is een sterk nucleofiel en valt de elektrofiele carbonylkoolstof van benzaldehyde aan. Het resulterende tetraëdrische intermediair stort in, waarbij het hydroxide-ion wordt uitgestoten en een nieuwe koolstof-koolstofbinding wordt gevormd.
De tweede stap in de reactie is de dehydratie van het aldolproduct om het α,β-onverzadigde keton benzalaceton te vormen. De dehydratiestap kan worden bevorderd door het reactiemengsel te verwarmen of door een zure katalysator toe te voegen.
5.4.2. Productieproces
De aldolcondensatie van benzaldehyde en aceton kan worden uitgevoerd in verschillende oplosmiddelen, maar water is het meest gebruikelijk. De reactie wordt doorgaans verhit tot reflux (ongeveer 100 °C) om de dehydratatiestap te bevorderen.
De hoeveelheid base die wordt gebruikt, is afhankelijk van de gewenste opbrengst en zuiverheid van het product. Voor een hoge opbrengst aan zuivere benzalaceton is het belangrijk om een kleine overmaat base te gebruiken.
Nadat de reactie is voltooid, kan het product worden geïsoleerd door het reactiemengsel af te koelen en het te extraheren met een organisch oplosmiddel, zoals dichloormethaan of di-ethylether. Het organische extract kan vervolgens worden gewassen met water en worden gedroogd boven natriumsulfaat of magnesiumsulfaat.
Het ruwe product kan worden gezuiverd door herkristallisatie uit ethanol of hexanen.
6. Toepassingen van benzaldehydecondensatie
Benzaldehydecondensatie kent een breed scala aan toepassingen in de farmaceutische, voedingsmiddelen- en materialenindustrie. Enkele specifieke voorbeelden zijn:
- Farmaceutica: Benzaldehydecondensatie wordt gebruikt om een verscheidenheid aan belangrijke farmaceutische producten te synthetiseren, zoals fenytoïne (medicatie tegen epilepsie).
- Voedsel: Benzaldehydecondensatie wordt gebruikt om een aantal voedseladditieven te synthetiseren, zoals cinnamaldehyde en cumarine (smaak- en geurstoffen), kaneelzuur (conserveermiddel voor voedsel)
- Organische tussenproducten: Benzaldehydecondensatie wordt gebruikt om een verscheidenheid aan grondstoffen voor organische synthese te synthetiseren, zoals benzalaceton, benzil.
Referenties
- Benzoin Condensation: Definition, Mechanism and Applications – https://testbook.com/chemistry/benzoin-condensation
- Carbonyl Condensation Reactions (Summary) – https://www.organicchemistrytutor.com/topic/benzoin-condensation/
- Benzoin Condensation – an overview. – https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/benzaldehyde
- https://ntp.niehs.nih.gov/sites/default/files/ntp/htdocs/chem_background/exsumpdf/cinnamaldehyde_508.pdf
- SYNTHESIS OF CINNAMIC ACID BASED ON PERKIN REACTION USING SONOCHEMICAL METHOD AND ITS POTENTIAL AS PHOTOPROTECTIVE AGENT
- https://www.researchgate.net/publication/43656185_Synthesis_of_Hydroxyl_Radical_Scavengers_from_Benzalacetone_and_its_Derivatives
