SSO om syntese og analyse af benzokain i Kemi B

Side 1

SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

ÅRHUS AKADEMI 2010

Syntese og analyse af

Benzokain

Større skriftlig opgave (SSO)

HF 2. år

HF 2. år

Kemi, B-niveau

Side 2

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

The synthesis of the local anesthetic, benzocaine.

Abstract

This paper will describe the synthesis and analysis of the organic compound benzocaine, an over the counter substance used as a local anesthetic and topical pain reliever. The various theories behind processes used in the synthesis such as an acid-catalyzed esterification of 4-aminobenzoic acid with ethanol, chemical equilibrium and purification through recrystallization will be explained to provide basic insight in organic chemistry with medicinal chemistry as a specific focus. The analysis methods, melting point determination, gas chromatography and mass spectrometry, used to determine purity of synthesis yields will be accounted for. After the synthesis and analysis I will provide a brief explanation about chemical properties of benzocaine and its effects when used medicinally. The synthesis yield was 0.53 g out of a theoretical 0.578 g making the net yield 91.67 % of the theoretical maximum while analysis proved the purity to be quite acceptable in proving the success of the synthesis.

Side 3

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Indholdsfortegnelse

1 – Indledning ...................................................................................................................................... s. 1

2 – Syntese af benzokain ........................................................................................................... s. 2

2.1 Teori ........................................................................................................................ s. 2

2.2 Syntesen.................................................................................................................. s. 3

2.3 Efterbehandlimg ..................................................................................................... s. 5

2.4 Oprensning ............................................................................................................. s. 5

2.5 Fejlkilder ................................................................................................................. s. 6

3 – Analyse ................................................................................................................................ s. 7

3.1 Smeltepunktsbestemmelse .................................................................................... s. 7

3.2 Vurdering af smeltepunktsbestemmelse ............................................................... s. 8

3.3 Gaschromatografi ................................................................................................... s. 8

3.4 H NMR ................................................................................................................... s. 10

3.5 Massespektroskopi ............................................................................................... s. 10

3.6 Vurdering af massespektroskopi .......................................................................... s. 11

4 – Benzokains virkning ........................................................................................................... s. 12

5 – Konklusion ......................................................................................................................... s. 13

6 – Litteratur ........................................................................................................................... s. 14

Side 4

SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 1 af 14

1. Indledning

Medicinalkemi er et område, der berører næsten alles hverdag. Udviklingen af ny medicin er med til at klare alt fra mindre kvaler som hovedpine og bistik til livstruende sygdomme og mindre håndgribelige størrelser som psykiske forstyrrelser. Igennem medicinalkemi kan mennesket på nogle punkter sejre over naturen, forlænge livet og modkæmpe genetiske problemer. Området modtager et svimlende antal milliarder til forskning og har holdt forskere fuldtidsbeskæftiget, men hver ny opdagelse leder til utallige nye muligheder. I takt med at levealderen forøges igennem nye medicinske gennembrud, opstår nye behov for yderligere livsreddende medikamenter mod f.eks. Alzheimers og andre oftest aldersbestemte sygdomme. Medicinalkemien går hånd i hånd med biologien i krig mod epidimier og har en enorm indflydelse på verden som vi kender den. Kemiske processer i dikterer vores opfattelse af verden og kan manipuleres i uendelige retninger. Abstrakte begreber som tanker og følelser kan, om end noget noget kynisk, beskrives med kemikalier i hjernen og menneskets naturlige instinkter udarbejdet gennem millioner af år, kan ændres på minutter igennem relativt simple, kemiske indgreb. Evnen til at føle smerte er et godt eksempel på dette. Det menneskelige centralnervesystem har en kernerolle i vores overlevelse. Evnen til at føle smerte får mennesket til at afholde sig fra skadelig adfærd og advarer om kroppens begrænsninger. Smerte er dog ikke altid et nødvendigt onde.

Ved mindre skader og smertefulde men nødvendige indgreb, bliver den en forhindring. Det er her analgesien, medicinalkemien, går ind og gør mennesket en tjeneste. Benzokain er måske ikke et livsreddende stof, men er på mange måder et glimrende og nogenlunde simpelt eksempel på medicinalkemiens næsten ubegrænsede muligheder. Igennem syntese og analyse af stoffet vil denne tekst give et kig ind bag medicinalkemien. I sig selv er det et konkret eksempel på medicinalkemi i praksis men metoden brugt under syntesen og de efterfølgende analyser er kernepunkter i den organiske kemi. En ting er sikker: i en verden under konstant udvikling vil medicinalkemien fortsat have en central rolle langt ud i fremtiden.

Side 5

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 2 af 14

2. Syntese af benzokain

2.1 Teori

Selve forsøgssyntesen er en syrekatalyseret Fischer-esterificering af stoffet 4-aminobenzosyre. En Fischer esterificering er en reaktion mellem en hydroxylgruppe (-OH) og en carboxylgruppe (-

                                             1
COOH), hvor reaktanterne og produkterne er i ligevægt.

Reakionen er en nucleofil acyl substitutionsreaktion. I dette forsøg reagerer 4-aminobenzosyres carboxylgruppe med ethanolens hydroxylgruppe: Alkoholmolekylet sætter sig på den protonerede (mere om dette under katalyse) carboxylsyre, og der sker en fraspaltning af et vandmolekyle (H

2

O), hvorved der dannes en esterbinding. Som det kan ses herunder, er alle trinene i Fischer esterifikationen reversible og kan drives i begge retninger, alt efter hvilke betingelser reaktionen foregår under. Eftersom der bruges

                                                                        2
alkohol som opløsningsmiddel i stedet for vand favoriseres esteren fremfor carboxylsyren. Dette kan

beskrives ved Le Chateliers princip, der siger at et ydre indgreb leder til en forskydning i ligevægten.

OH

O

R '

O H

R

O

O

R R

Figur 1 – Fra venstre mod højre: Carboxylgruppe, hydoxylgruppe og carboxylester

Syren, i dette tilfælde svovlsyre (H

2 4

SO

), fungerer som en homogen katalysator for processen ved at protonere (tilføje en hydron) på et oxygenatom i carboxylgruppen, hvilket gør stoffet meget mere

                              3
reaktivt overfor nucleofile reagenser. Her kan det være værd at citere definitionen af en katalysator:

                                                                              4
”En katalysator er et stof, der øger hastigheden af en kemisk reaktion uden selv at blive forbrugt.” .

Kriteriet er opfyld eftersom svovlsyren indgår i reaktionen, men i sidste ende bliver regeneret i det katalytiske kredsløb (eftersom der i sidste trin frigives en hydron).

R OH OHR

O O^{+}

R O

O R

R^{1}

HH R

R^{1}

H

O^{+}

OH

OH

H H

O^{+}

H R^{1}

O

O R^{1}
H O^{+}

H

HO

+ H

H

O

H_{3} O^{+}

Figur 2 – Fischer-esterifikationens 4 trin.

1

Kilde: http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/fischer-esterification.shtm

2

Kilde: Fundamentals side 853 - 857

3

Kilde: Fundamentals side 853 - 857

4

Kilde: Citeret fra Kend Kemien 2, side 206.

Side 6

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 3 af 14

Trin 1. Ved første trin protoneres carbonyloxygenatomet og aktiverer carboxylsyren.

Trin 2. Et af de frie elektronpar laver et nucleofilt angreb på carbonatomet på carboxylsyren og der bliver dannet et tetraederisk intermediat (et led i syntesekæden, hvor vinklen mellem atomerne, som carbon binder sig til, er omkring 109,5 grader).

Trin 3. En hydron bliver flyttet fra et oxygenatom, og der bliver dannet endnu et tetraederisk intermediat hvorefter –OH gruppen forvandles til en leavinggruppe.

                                                    5
Trin 4. En hydron afgives, syren regenereres og esteren er færdig.

Eftersom reaktionen er en ligevægt, og for at komme nærmere den teoretisk mulige produktmængde, skal der foretages en række indgreb for at skubbe rektionen fra reaktantsiden til produktsiden. Dette

                                  𝑐  𝑑
                                [ 𝐶 ] [ 𝐷 ]
kan forklares med ligevægtsbrøken 𝑌 = , hvor Y vil søge mod ligevægtskonstanten K. Ved at
                                  𝑎  𝑏
                                [ 𝐴 ] [ 𝐵 ]

tilføre større mængder af reaktanterne (der i ligevægtsbrøken findes i nævneren), bliver der dannet

                                                        6
mere af produktet eftersom Y<K og vil bevæge sig tilbage til ligevægt

. Der bliver i forsøget brugt ca.

28 gange så mange mol ethanol som 4-aminobenzosyre. En anden måde hvorpå reaktionen kan tvinges i retning af produksiden, er ved at fjerne et af produkterne. Her kommer svovlsyren igen ind i billedet. Ud over at katalysere reaktionen, sker der en sideløbende reaktion, hvor svovlsyren går i ligevægt med vand. Her er det vigtigt at notere sig, at syren i denne reaktion ikke optræder som katalysator, eftersom svovlsyren indgår direkte i reaktionen og ikke bliver gendannet.

𝐻_{2} 𝑆𝑂_{4} + 𝐻_{2} O ⇌ 𝐻𝑆𝑂_{3}^{−1} + 𝐻_{3} 𝑂^{+}

Denne reaktion trækker stof ud af produktsiden, hvorved hovedreaktionens ligevægt igen bliver ulig konstanten. Esterificeringen af 4-aminobenzosyre bliver derfor skubbet i retning af produktsiden, og der vil blive dannet mere benzokain som resultat.

2.2 Syntesen

En detaljeret gennemgang af syntesen, venligst udlånt af Mogens T. Jensen fra kemisk institut på Syddansk Universitet, kan findes som Bilag 1, mens en skitse af forsøgsopstillingen kan findes som Bilag 2.

5

Kilde: Fundamentals, side 856

6

Kilde: Kend Kemien 2, side 71-75

Side 7

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 4 af 14

Til forsøget er det værd at notere at der blev brugt 4 gange mængderne beskrevet i vejledningen i med det formål at opnå en større mængde produkt. Derudover er der brugt andet udstyr til bl.a. opvarming og filtrering. Beskrivelsen findes herunder, og ændringernes mulige indflydelse på forsøgets resultat behandles senere i opgaven. Affald der indeholdt 4-aminobenzosyre blev afskaffet i organisk affald, og der blev brugt handsker og stinkskab under håndtering af svovlsyre grundet ætsningsfare (R35).

480 mg 4-aminobenzosyre hældes i en 150-mL rundbundet flaske, hvortil der tilføres 6 mL absolut ethanol (99,9%) samt 6 pimpsten. Denne blanding blev opvarmet for at opløse det faste 4- aminobenzosyre ved hjælp af en varmekappe under reflux med svalerør for at forhindre tab af blandingen igennem fordampning. Efter det faste stof var opløst, blev det nedkølet i vandbad med isterninger. Den kolde blanding blev tilført 1 mL koncentreret svovlsyre dråbevist. Under processen blev der dråbe for dråbe øjeblikkeligt udfældet betydelige mængder fast stof.

NH_{2}

OO CH

3

NH_{2}

OHO

CH_{3^{CH}}
+ 2^{OH}

4-aminobenzosyre Ethanol

Benzokain

+

H_{2} O

H^{+}

Figur 3 –Syrekatalyseret esterificering af 4-aminobenzosyre med ethanol (Start og slut uden intermediater) Blandingen opvarmedes igen med varmekappe og svalerør igennem en time under opsyn. Efter opvarmning opsamledes den flydende blanding med en engangspipette og blev overført til en 100-mL Erlenmeyerflaske og blev tilført 12 mL demineraliseret vand. Blandingens pH-værdi blev derefter ført op omkring 9 ved at tilføre 1 M mættet natriumbicarbonatopløsning lavet af 8,401 g natriumbicarbonat i fast form og demineraliseret vand i en målekolbe. Intentionen med dette var at neutralisere overskydende svovlsyre og ammoniumsulfat. Efter hver tilføring af bicarbonat var der øjeblikkelig og tydelig dannelse af CO (g), og blandingen blev omrystet grundigt for sikre jævn pH værdi igennem

2 hele blandingen. Da blandingen var omkring neutral, var der tydelig dannelse af skum og bundfald.

Efter yderligere tilføjelse af natriumbicarbonatopløsning blev pH-værdien checket ved hjælp af pH-strips og afmålt til at være omkring 9.

Produktet af syntesen blev filtreret under vacuum ved hjælp af en Büchnertragt, og rester i Erlenmeyerflasken blev skyllet ud med demineraliseret vand. Det filtrerede stof blev skyllet igennem med yderligere demineraliseret vand og lagt til tørre natten over. Efter tørring blev produktet vejet til

0,53 g.

Side 8

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 5 af 14

2.3 Efterbehandling

Til forsøget blev der brugt 480 mg 4-aminobenzosyre, der reagerede med 6 mL absolut alkohol. Ud fra disse tal og det periodiske system kan man udregne, hvilket stof der var den begrænsende faktor for syntesen. Først udregnedes massen af 4-aminobenzosyre:

𝑛_{𝐶_{7}}_{𝐻_{7}} = ≈ 0,003500 𝑚𝑜𝑙
𝑁𝑂_{2}

0,480 𝑔

7 ∗ 12,011 + 7 ∗ 1,0071 + 1 ∗ 14,007 + 2 ∗ 15,999 𝑔/𝑚𝑜𝑙

                                                                               3 7
Da ethanolen ikke blev vejet kræver omregningen anvendelse af ethanols densitet der er 0.78 g/cm .

𝑛_{𝐶_{2}}_{𝐻_{6}} = ≈ 0,101497 𝑚𝑜𝑙

𝑂

( 6 𝑚𝐿 100 ⁄ ∗ 99.9) 𝑐𝑚^{3} ∗ 0,78 𝑔/𝑐𝑚^{3}
2 ∗ 12,011 + 6 ∗ 1,0071 + 1 ∗ 15,999 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Det fremgår derudfra tydeligt, at 4-aminobenzosyren er den begrænsende faktor, og med denne information kan det teoretiske udbytte udregnes ud fra benzokains molare masse .

𝑚_{𝐶_{9}} = 0,003500 𝑚𝑜𝑙 ∗ ( 9 ∗ 12,011 + 11 ∗ 1,0071 + 1 ∗ 14,007 + 2 ∗ 15,999) 𝑔 𝑚𝑜𝑙 ⁄
𝐻_{11} 𝑁𝑂_{2}
= 0,57813735 𝑔

Dette gør det muligt at udregne den procentvise afvigning

0,57813735 𝑔 − 0,53 𝑔

0,57813735 𝑔

∗ 100 = 8,33%

Hvilket vil sige et procentmæssigt udbytte på 91,67%.

Der bør til resultatet noteres, at det reelle udbytte af ren benzokain har været en smule mindre grundet urenheder.

2.4 Oprensning

Det færdige udbytte af syntesen kan ifølge opgavevejledningen anses som værende forholdsvist rent.

Dog kan det oprenses yderligere ved hjælp af methanol og vand. Metoden virker ved, at alle molekyler i en blanding har et specifikt mætningspunkt i et specifikt opløsningsmiddel ved en bestemt temperatur. Når dette punkt er nået, er opløsningen mættet og kan ikke optage mere fast stof ved den

                                                                         8
specifikke temperatur (de fleste stoffer er mere opløselige ved højere temperaturer end lave ). Opløses

stoffet derfor i et opløsningsmiddel ved højere temperatur end rumtemperatur vil blandingen, når den køles ned igen, ikke kunne indeholde samme stofmængde længere, hvorefter der vil dannes bundfald.

7

http://www.chemspider.com/RecordView.aspx?rid=70dd4e92-5db5-4274-a36d-f1b19ec933cb

8

Kilde: Recrystallization, side 1.

Side 9

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 6 af 14

Under langsom nedkøling har molekylerne tid til at arrangere sig i en krystalstruktur, der er ensformig,

uden huller og uden urenheder.^{9}

Ved konstant at kontrollere blandingens temperatur, kan hele krystalliseringsprocessen styres meget nøje, og molekylernes forskellige mætningspunkter kan udnyttes til oprensning. Hvis urenhederne i blandingen er mindre opløselige end stoffet, der forsøges at rengøres, kan disse filtreres ud af

                                                                  10
blandingen. Er urenhederne derimod mere opløselige, bliver de i opløsningsmidlet.

Stoffet placeres i et forvejet reagensglas og opvarmes langsomt, mens der tilføres methanol indtil stoffet lige præcis bliver opløst. Efter stoffet er opløst, tilføjes yderligere et par dråber methanol og derefter varmt vand dråbevist indtil blandingen bliver uigennemsigtigt, eller der dannes hvidt bundfald. Derefter tilføjes methanol igen til blandingen og bliver gennemsigtig igen. Blandingen køles ned til rumtemperatur og omkrystalliseres i vandbad. Opløsningsmidlerne fjernes ved hjælp af en fin pipette, hvor spidsen placeres reagensglasset. Det er vigtigt at det faste stof ikke kommer med i pipetten. Stoffet tørres og vejes igen, hvorefter der kan foretages yderligere analyse.

Metoden blev forsøgt, men der opstod problemer under omkrystalliseringen.

2.5 Fejlkilder

Der blev brugt reflux allerede under den første opvarmning, hvilket kan have haft indflydelse på resultatet i retning af større udbytte idét mulig fordampning er forhindret. Dette nævnes grundet brugen af varmekappe i stedet for sandbad, hvorved kontrol af temperaturen blev en smule besværliggjort.

Der vil igennem enhver syntese, hvor stoffet overføres imellem flere beholdere, forekomme en smule tab, brugen af Büchnertragt i stedet for Hirschtragt kan også have ledt til et tab af stof grundet den relativt lille mængde stof og tragtens størrelse.

Oprensning af stoffet gik galt, da stoffet ikke genkrystalliseredes. Dette skyldes højst sandssynligt for store mængder methanol. For at forhindre tab af stof, blev det forsøgt afvasket af filterpapir ved hjælp af methanol, men grundet upåpasselighed blev der brugt mere, end der skulle til. Problemet blev forsøgt reddet ved afdampning af methanol omkring stoffets kogepunkt 65°C ,dog uden succes.

9

Kilde: Crystallization, side 1-2.

10

Kilde: Crystallization, side 3.

Side 10

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 7 af 14

3. Analyse

3.1 Smeltepunktsbestemmelse

Smeltepunktsbestemmelse er en metode hvorved renhedsgraden af et stof kan analyseres og ukendte stoffer identificeres. Metoden bruges ofte som den første metode til at bestemme stoffes renhedsgrad på grund af dens relative slimplicetet, og eftersom en analyse kræver meget lidt af stoffet.

Et urent stofs smeltepunkt vil, i forhold til et tilsvarende rent stof, have et bredere og en smule lavere

                                   11
smeltepunkt grundet frysepunktsdepression . Der anvendes frysepunktsdepression i stedet for

smeltepunktsdepression. Disse giver begge udtryk for et stofs skift fra flydende til fast form (om end

                                                         12
omvendt), men udregninger af af frysepunktsdepression er mere præcist . Med at smeltepunktet

                                                                      13
bliver ”bredere” menes der, at der grundet stoffets urenheder fremkommer to eller flere

mikroskopiske smelteprocesser. Dette gør det på makroskopisk plan gør det sværere at bestemme et

                    14
helt præcist smeltepunkt. Endnu en grund til det lavere smeltepunkt kan findes i krystalliseringen. Et

rent stofs krystalliske struktur er stærkere, eftersom det ikke indeholder urenheder og derigennem svage punkter. Dette giver stoffet et højere og tydeligere smeltepunkt.

                                                  15
Figur 4 - Forsimplet eksempel på ren og uren krystalstruktur.

Ved en smeltepunktsbestemmelse sættes først en plateautemperatur på smeltepunktsapparatet, hvorefter kammeret bliver opvarmet til denne temperatur. En lille mængde af stoffet til analyse

               16
opsamles i et til tre

kapillarrør der placeres i apparatet og analysen startes. Temperaturen stiger, og så

snart stoffet i kapillarrøret/kapillarrørene smelter noteres tiden.

Efter endt syntese, tørring og vejning, blev der foretaget en smeltepunktsbestemmelse for at få et indtryk af produktets renhedsgrad. Igennem 2x3 analyser af henholdsvist det syntetiserede stof og ren benzokain som reference fremkom følgende resultater:

1. kappilærrør 2. kappilærrør 3. kappilærrør Gennemsnit

Syntetiseret stof 91°C 91.2°C 91.3°C 91,2°C

Reference 93.0°C 93.1°C 93.1° 93.05°C

11

Kilder: Melting Point Analysis, side 1 og Recrystallization, side 6.

12

Kilde: http://en.wikipedia.org/wiki/Freezing-point_depression - Note: På trods af at Wikipedia generelt ikke

kan anses som en troværdig kilde bruges hjemmesiden i dette tilfælde eftersom kilderne til denne artikel specifikt kan anses som værende gyldige.

13

Antallet er afhængigt af antallet af kontaminanter i blandingen.

14

Kilde: Melting Point Analysis, side 1-2.

15

Figurkilde: Recrystallization, side 2.

16

Antallet af prøver der kan foretages samtidigt afhænger af smeltepunktsapparatet.

Side 11

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 8 af 14

3.2 Vurdering af smeltepunktsbestemmelse

Resultatet kan anses som et argument for, at det syntetiserede stof er forholdsvist rent eftersom

                                                           17
smeltepunktet ligger indenfor 1-2 grader under det rene stofs smeltepunkt.

Det er her meget vigtigt at

                                                                    18
smeltepunktet ligger under referencens da et højere smeltepunkt næsten udelukkende kan skyldes

menneskelige fejl eller at der er tale om et helt andet stof. Smeltepunktsbestemmelse i sig selv ikke er en præcis analyse i forhold til andre metoder. Det er uden videre umuligt at sige, hvilke kontaminanter det syntetiserede stof indeholder, men selve synteseprocessens intermediater og udgangspunktet 4- aminobenzosyre kan være til stede eftersom der er tale om ligevægt i reaktionerne.

3.3 Gaschromatografi

Endnu en metode til bestemmelse af et stofs renhedsgrad er en gaschromatografisk analyse (GC).

Denne metode er som smeltepunktsbestemmelsen praktisk grundet at der også her skal meget lidt af stoffet til for at foretage en analyse. Ved analysen adskilles de forskellige stoffer der er til stede i produktet igennem fordampning. Stoffet sprøjtes ind i gaschromatografen ved hjælp af en injektionsprøjte hvorefter det fordampes i en termostateret ovn. Det fordampede stof transporteres derefter ind i chromatografens kolonne ved hjælp af en bæregas, oftest helium da det giver pænere chromatogrammer end kvælstof der til gengæld er billigere. Bæregassen kaldes den mobile fase.

Trykket i gaschromatografen styres ved hjælp af en reduktionsventil der derigennem bestemmer gassens flowhastighed gennem kolonnen.

En gaschromatograf kan være udstyret med en eller to kolonner, hvor den ene kan bruges som referencekolonne mens den anden bruges til analyse. Alternativt kan der bruges to forskellige kolonner, så der ikke skal skiftes kolonne når en ny type stofblanding skal analyseres.

Kolonner er rør lavet af f.eks. stål, kobber, aluminium, plastik eller glas med en indre diameter på 2-6 mm og variabel længde. Disse er pakkede med et materiale, der bruges til adskillelse af prøvemateriale ved hjælp af blandingsstoffernes forskellige vedhængskraft. Dette materiale kaldes den stationære fase.

En type kolonne kaldes GSC, en forkortelse for ”Gas Solid-Chromatography”, hvor den stationære fase er tør, mens den anden type kolonne kaldes GLC som er en forkortelse af ”Gas Liquid

Chromatography”. Denne type kolonne er pakket med et materiale hvis overflade er dækket af et tyndt

                                                                      19
lag stof ,der ved høje temperaturer ”nærmest kan beskrives som en sejtflydende væske”.

17

Kilde: Melting Point Analysis, side 1.

18

Der kan forekomme ændringer i smeltepunkter ved forskelligt tryk.

19

Kilde: Citeret fra Introduktion af Gaschromatografi og Massespektroskopi, side 9.

Side 12

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 9 af 14

Til prøver, hvor organiske forbindelser skal analyseres, bruges der ofte en speciel kolonne kaldet en kapillarkolonne, der i dag er fremstillet af kvarts. Kapillarkolonnen er speciel, idét den er meget tynd og har en indre diameter på kun ca. 0,25 mm. Derudover er kolonnen er ikke pakket. I stedet findes i den stationære fase en tynd hinde på rørets overflade.

Forskellige molekyler i det analyserede stof bindes til den stationære fase alt efter deres individuelle egenskaber: De stoffer der binder sig mindst kraftigt til den stationære fase vil nå igennem kolonnen før stoffer, der binder kraftigere. Derudfra måler man stoffers retentionstid, der udskrives som toppe på et gaschromatogram.

Figur 5 - En simpel skitse af en gaskromatograf.^{20}

Toppene kan ikke i sig selv fortælle, hvilket stof der er tale om, og man bliver derfor nødt til at tilføje referencestoffer. Mistænker man f.eks. benzokainblandingen for at indeholde rester af ethanol, kan man tilføje 10% ethanol og se hvorvidt en af toppene på det tidligere gaschromatogram er vokset yderligere. Hvis det er tilfældet, kan det anses som yderst sandsynligt, at der også var tale om ethanols tilstedeværelse ved det første gaschromatogram. Derved opnår man en kvalitativ analyse af stoffet.

En kvantitativ analyse foretages lidt på samme måde, dog er den en smule mere indviklet. Ved at tilføje f.eks. 10% referencestof (her er det afgørende at notere hvor stor en mængde der tilføjes) og sammenligne den voksende tops nye størrelse med den oprindelige, kan man regne sig frem til hvor meget stof der var i prøven uden referencestof. Udregningen kan i dag foretages let v.h.a. software der

                                     21
sammenligner toppe fra gaschromatogrammer.

Der blev desværre ikke foretaget en gaskromatografisk analyse af det syntetiserede stof grundet tidsmangel. Det er også uvist, hvorvidt skolens udstyr havde givet en brugbar analyse da der ikke kapillarkolonne.

3.4 H NMR

Grundet usikkerheden ved smeltepunktsbestemmelse og manglende gaschromatografi blev det syntetiserede stof analyseret v.h.a. H NMR på Århus Universitet d. 20. december 2010 af Henrik

                            22
Bildsøe, Lektor v. Kemisk Insitut.

Mens den bagomliggende teori ikke vil blive behandlet i denne rapport, kan det konstateres at stoffet renhedsgrad kan anses som yderst acceptabel. Prøven viste ikke tegn på carboxylgrupper hvorfra det kan konstateres at langt størstedelen af 4-aminobenzosyren er

20

Figuren er lånt fra http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Gas_chromatograph.png

21

Kilde: Gaschromatografi side 7-18.

22

Det er svært at udtrykke min taknemmelighed tilstrækkeligt.

Side 13

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 10 af 14 blevet omdannet. Resultatet af analysen og en analyse af ren benzokain som reference kan findes henholdsvists som Bilag 3 og Bilag 4. En kort forklaring og diskussion kan findes som Bilag 5.

3.5 Massespektroskopi

Den sidste type analyse, der vil blive behandlet i denne opgave, er massespektroskopi (MS).

Massespektrometeret fungerer ved at ionisere og fragmentere meget små mængder af det stof, der

                                  -9
ønskes analyseret (mængder helt ned til 10

g), hvorefter ionerne sepereres efter masse og

ladningsforhold (m/z). Dette resulterer i unikke massespektre for hvert molekyltype og giver mulighed

for kvalitative analyser. Disse analyser foretages ved sammenligning af massespekre, der kan findes i et MS-bibliotek der kan findes online, mens kvantitative tests overlades til andre analysemetoder.

Selve analysen foregår ved, at den meget lille smule af stoffet der skal analyseres fordamper i massespektrometerets ionkilde under temperaturer mellem 200 og 300°C og meget lavt tryk (omkring

10^{-8} bar). Det lave tryk forhindrer sammenstød mellem molekyler og ioner. Molekylerne bombarderes

med elektroner fra en glødetråd. Når molekylet rammes rives en elektron ud af molekylet og omdannes til en positiv ion efter følgende princip:

𝑀 + 𝑒^{−} → 𝑀^{+•} + 2𝑒^{−}

Hvor M repræsenterer et normalt organisk molekyle. Molekylet bliver positivt ladet, og har derudover en uparret elektron og bliver derfor en kation-radikal. Stoffets ladning og manglende elektron resulterer i, at stoffet er ustabilt, og en del af molekylerne vil fragmentere i ionkilderne, hvorved der oftest dannes et nyt og stabilt molekyle og et neutralt fragment med den uparrede elektron efter følgende princip:

𝑀^{+•} → 𝑚_{1}^{+} + 𝑛_{1} •

Bemærkt at det nydannede fragment i det ovenstående eksempel også bliver ramt af et elektron og bliver ioniseret. Fragmenter uden ladning (det neutralt ladede fragment inklusivt) påvirkes ikke af massespektrometerets elektriske og magnetiske felter og vil ikke forlade ionkilden men bliver i stedet suget ud igennem en vakuumpumpe. Det er vigtigt at notere sig at større molekyler næsten altid fragmenterer af forskellige retninger.

De dannede ioner accelereres derefter i et elektrisk accelerationsfelt og bevæger sig ud af ionkilden med høj hastighed. Ionerne afbøjes i en cirkelbane i et magnetisk felt og rammer en detektor. Ud fra

ionernes afbøjning (grundet magnetfeltet), udregnes m/z ud fra følgende ligning:

𝑚 𝑟^{2} ∗ 𝐵^{2}

𝑧 2𝑈

=

Side 14

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 11 af 14

Hvor r er radiussen af cirkelbanen, der afhænger af ionens ladning (z), ionens masse (m), accelerationsspændingen (U) og magnetfeltstyrken (B).

Detektoren registrerer antallet af ioner, som rammer den, og sender disse data videre til en computer

                         23
hvorfra resultaterne bearbejdes.

Der blev udført MS af det syntetiserede stof på Århus Universitet d. 20. december 2010 af Christina

                             24
Tindhof, laborant v. Kemisk Institut.

Analyse af ren benzokain til reference (brugt som bilag i opgaveformuleringen) kan findes som Bilag 6 mens resultaterne af analysen af det syntetiserede stof kan findes som Bilag 7, Bilag 8 og Bilag 9.

3.6 Vurdering af massespektroskopi

Det første, der springer i øjnene ved sammenligning af det syntetiserede stofs analyse og referencen, er den umiddelbare lighed. Sammen med MS-analysens troværdighed leder dette til, at det syntetiserede stof kan anses som værende rent. De tre tydeligste toppe er på både det syntetiserede og referencens

analyse det særligt stabile fragment (C H COO) med en masse på 120 (basepeaken), M^{+•} (det hele

6 4 stof) med massen 165 og fragmentet C

6 4 2

H

NH med massen 92. Den største forskel mellem de to analyser findes i starten af analysen af det syntetiserede stof omkring det første minut. Dette udslag kan dog ignoreres, da der er tale om rester fra tidligere analyser i maskinen.

4. Benzokains virkning

Benzokain bruges medicinalt til lokal overfladeanalgesi (lokalbedøvelse) mod smerte eller ømhed i huden som f.eks ved solskoldning, insektstik og småsår før rensning. Benzokain blokerer natriumkanalen i cellemembranen, hvorved nerveledningen stabiliseres. Dette sker eftersom den forbigående øgede gennemtrængelighed for natriumioner, der leder til depolarisering af cellemembranen, hindres. Herved hindres muligheden for opbyggelse af aktionspotentialet, og

                                 25 og 26
nervesignalet til hjernen finder ikke sted.

Stoffet findes som bl.a. 5 og 6 % creme, 20% blandinger og gel, 5% salve og 0,5% lotion^{27}. Benzokain
bruges i Danmark også i sugetabletter mod øm hals.^{28}

Benzokain nedbrydes af esteraser i blodbanen og i leveren og bliver til syre og alkohol, hvor der også kan finde oxidation sted (dog i begrænset omfang). Nedbrydningsprodukterne udskilles gennem

23

Kilde: Spektroskopi, side 41-43

24

Det er igen her umuligt at udtrykke min taknemmelighed tilstrækkeligt.

25

Kilde: Lægemiddelkataloget, side 389.

26

Kilde: Clinical Pharmacology, side 317.

27

Kilde: Clinical Pharmacology, side 321.

28

Kilde: http://www.nycomed.dk/dk/Menu/Produkter2/Forkoelelse/Hexokain/

Side 15

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 12 af 14

nyrerne.^{29}

29

Kilde: Lægemiddelkataloget, side 389-390

Side 16

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 13 af 14

5. Konklusion

Syntesen af benzokain blev, på trods af tidspres, udført med et rent resultat. Dette blev bekræftet af både smeltepunktsbestemmelse, H NMR og MS. De 0,53 g fremstillet materiale viser, at tabene af stof igennem syntesen har været inden for rimelighedens grænser i forhold til den teoretisk mulige mængde på omkring 0,578 g. Den direkte renhedsprocent er ikke til at udregne, men resultaterne taler for sig selv. De kontaminanter der var forventet at være til stede i størst mængde(syntesens udgangspunkt 4- aminobenzosyre og syntesens intermediater) viste sig kun at være til stede i meget små mængder. Alt i alt må det konkluderes at syntesen, udover at have været en yderst lærerig proces, også har vist sig at være en succes.

.

Side 17

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Side 14 af 14

6. Litteratur

Tekster

Kend Kemien 2, 1. Udgave, 3. Oplag 2009 af Henrik Parbo, Annette Nyvad og Kim K. Mortensen.

Gyldendal. ISBN: 2669-6. Bogen er refereret I denne SSO som “Kend Kemien 2”.

Fundamentals of organic chemistry, 5th edition 1999 af John McMurry. Library of Congress

Cataloging-in-Publification Data. ISBN: 6-6. Bogen er referet i denne SSO som

”Fundamentals”.

                 (r)
Lægemiddelkataloget 2003. Dansk Lægemiddel Information A/S (DLI). ISSN: 0105-287X. Bogen er

refereret i denne SSO som ”Lægemiddelkataloget”.

Basic and Clinical Pharmacology, Fourth Edition af Betram G. Katzung. Appleton & Lange.

ISBN: 8-4. Bogen er refereret i denne SSO som ”Clinical Pharmacology”.

Spektroskopi – Molekylernes Fingeraftryk af Steen Uttrup Pedersen og Bent Rasmussen. Kemi Forlaget. ISBN: 82-15-7. Bogen er refereret i denne SSO som ”Spektroskopi”.

Introduktion af Gaschromatografi og Massespektroskopi af Bent Rasmussen og Jørgen Møller. F&K Forlag. ISBN: 7-1. Bogen er refereret i denne SSO som ”Gaschromatografi”.

Hjemmesider

Melting Point Analysis, forsøgsbeskrivelse fra Clark College:

http://web.clark.edu/nfattaleh/classes/241_251/Lab/MeltingPointF07.pdf downloadet d. 16/12/10

og refereret i denne SSO som ”Smelting Point Analysis”.

Chem-3411, Recrystallization and Melting Points. Martin, Christopher B.

http://dept.lamar.edu/chemistry/martincb/CHEM3411/CHEM%203411%20-%20Lab%20-
%20Recrystallization.pdf . Downloadet d. 18/12/10 og refereret i denne SSO som “Recrystallization”.

http://www.organic-chemistry.org/namedreactions/fischer-esterification.shtm . Downloadet den
15/12/10.

http://www.chemspider.com/ til opslag af forskellige molekylers egenskaber. Direkte links kan findes

som fodnote hvis der er brugt data fra siden.

http://en.wikipedia.org/ . Wikipedia er brugt som kilde en enkelt gang. Der har her været tale

kildekritik men den specifikke artikel er grundet dens kilder fundet troværdig.

http://www.nycomed.dk/dk .

Alle afbildninger af reaktioner og opstilling på bilag 2 er tegnet v.h.a. Chemsketch.

Side 18

Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 1 af 9

Bilag 1

Side 19

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 2 af 9

Bilag 2 vacuum

Vand ind

Vand ud

Varmekappe

Opvarmning og Reflux

Filtrering

Forsøgsopstilling

Side 20

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 3 af 9

Bilag 3

Side 21

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 4 af 9

Bilag 4

H NMR af ren benzokain som reference.^{30}

30

http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-
bin/img_disp.cgi?disptype=disp3&imgdir=hsp&fname=HSP06306&sdbsno=1531

Side 22

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 5 af 9

Bilag 5

Diskussion

Sammenlignes det syntetiserede stofs analyse med det referencen, fremgår det tydeligt, at der er tale om en betydelig renhedsgrad i det syntetiserede. De to H NMR analyser er ens bortset fra tre af søjlerne.

Placeringen af stoffets NH gruppe, der på ovenstående er markeret med en cirkel er den første. Ved det

2 analyserede stof findes den primære amin omkring 5,9ppm, mens den på referencen findes omkring 4,1ppm.

Dette skyldes signaler fra brugen af dimethylsulfoxid som opløsningsmiddel og gør ingen forskel for påvisningen af stoffets renhedsgrad. De meget i øjefaldende toppe omkring 2,5ppm og 3,3ppm kræver en lengere forklaring grundet H O og kan ang. renhedsgrad også ignoreres. Noget, der imidlertid er interessant

2 for lige præcis renhedsgraden, er den manglende tilstedeværelse af carboxylgrupper, der ville være synlige i venstre side af billedet over 9ppm (tænkeligt længere ude end billedet viser). Det bør bør noteres, at havde man zoomet yderligere ind på området, hvor de forventes at kunne findes, havde man fundet dem, dog i yderst beskedne mængder. Dette er altid at forvente, eftersom der i syntesen var tale om ligevægte. De meget små mængder viser til gengæld tydeligt, at der var meget få spor af syntesens udgangspunkt, 4- aminobenzosyre, der ellers kunne frygtes at være en betydningsfuld kontaminant. Dette påviser, at forsøgene på at få reaktionerne til at forløbe i retning af produktiden er lykkedes.

jf.samtale med Henrik Bildsøe, lektor på kemisk institut AU.

Side 23

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 6 af 9

Bilag 6

Analyse af ren benzokain som reference.^{31}

31

Kilde: Scanning af bilag til opgaveformulering.

Side 24

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 7 af 9

Bilag 7

Side 25

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 8 af 9

Bilag 8

Side 26

[navn fjernet] SSO - Syntese af benzokain 21. december 2010

2.k Kemi B Århus Akademi

Bilag 9 af 9

Bilag 9