Acetylsalicylsäure aus dem Schulpraktikum – darf das Rohprodukt abgegeben werden?
Im Schulpraktikum stellen Schülerinnen und Schüler Acetylsalicylsäure (ASS, M = 180,2 g/mol) her. Eingesetzt werden 5,00 g Salicylsäure (M = 138,1 g/mol), 8,0 mL Acetanhydrid (ρ = 1,08 g/mL, M = 102,1 g/mol) und drei Tropfen konzentrierte Schwefelsäure. Nach 15 Minuten bei 70 °C wird die Mischung auf Eiswasser gegossen, der Niederschlag abgesaugt und getrocknet. Man erhält 4,6 g Rohprodukt. Die Schmelzpunktbestimmung ergibt 126–131 °C (reine ASS: 135 °C). Beim Betupfen mit Eisen(III)-chloridlösung entsteht eine schwache Violettfärbung, die beim reinen Produkt nicht auftreten dürfte. Die Lehrkraft verlangt vor der Abgabe eine Begründung, ob das Produkt ohne weitere Reinigung als Arzneistoff gelten kann, sowie eine Bewertung des Syntheseverfahrens unter dem Gesichtspunkt der Ressourceneffizienz.
1. Berechnen Sie die Ausbeute und beurteilen Sie anhand von Schmelzpunkt und Eisen(III)-chlorid-Test die Reinheit des Rohprodukts.
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n(Salicylsäure) = 5,00/138,1 = 36,2 mmol; n(Acetanhydrid) = (8,0 · 1,08)/102,1 = 8,64/102,1 = 84,6 mmol. Acetanhydrid liegt also 2,3-fach im Überschuss vor, Salicylsäure ist limitierend. Theoretische Ausbeute: 36,2 mmol · 180,2 g/mol = 6,52 g. Ausbeute = 4,60/6,52 = 70,6 %. Der Schmelzpunktbereich ist mit 5 K ungewöhnlich breit und liegt deutlich unter 135 °C – typisch für Verunreinigungen, die den Schmelzpunkt erniedrigen und das Intervall verbreitern. Die schwache Violettfärbung zeigt freie phenolische OH-Gruppen an, also Reste von Salicylsäure oder durch Hydrolyse wieder entstandene Salicylsäure. Fazit: Das Rohprodukt ist nicht pharmazeutisch rein und darf in dieser Form nicht als Arzneistoff abgegeben werden; eine Umkristallisation ist zwingend.
2. Erklären Sie den positiven Eisen(III)-chlorid-Test und schlagen Sie eine Reinigungsmethode mit begründeter Lösungsmittelwahl vor. Nennen Sie zwei Methoden zur Erfolgskontrolle.
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Fe(III)-Ionen bilden mit Salicylsäure über die Phenolat- und Carboxylatgruppe einen violetten Komplex. Acetylsalicylsäure kann diesen Komplex nicht bilden, weil die phenolische OH-Gruppe acetyliert ist; die Färbung ist damit ein spezifischer Nachweis für nicht umgesetzte oder durch Hydrolyse freigesetzte Salicylsäure. Heißes Wasser ist als Umkristallisationsmittel ungeeignet, weil ASS dabei sauer katalysiert hydrolysiert – der FeCl3-Test würde danach noch stärker ausfallen. Besser ist ein Ethanol-Wasser-Gemisch (etwa 1:2) oder Toluol: lösen bei möglichst niedriger Temperatur (unter 60 °C), heiß filtrieren, langsam abkühlen, kalt absaugen und mit wenig kaltem Lösungsmittel waschen. Erfolgskontrolle: Schmelzpunkt sollte bei 135 °C liegen und ein scharfes Intervall zeigen; der FeCl3-Test muss negativ sein. Ergänzend möglich sind Dünnschichtchromatographie auf RestSalicylsäure oder eine quantitative HPLC-Reinheitsbestimmung.
3. Bewerten Sie den 2,3-fachen Überschuss an Acetanhydrid unter dem Aspekt der Atomökonomie und der Ressourceneffizienz. Welche Änderung würden Sie vorschlagen?
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Atomökonomie: Von den Atomen der Edukte landen 180,2 von (138,1 + 102,1) = 240,2 g/mol im Zielmolekül, das sind 75 %. Die Acetylgruppe (42 g/mol) wird eingebaut, Essigsäure (60 g/mol) ist der zwangsläufige Nebenproduktabfall. Der Überschuss an Acetanhydrid verbessert die Atomökonomie nicht, denn 75 % ist eine Obergrenze, die durch mehr Edukt nicht überschritten wird. Er ist auch nicht nötig, um ein Gleichgewicht zu verschieben: Die Phenolacetylierung ist praktisch vollständig. Sein Nutzen liegt vor allem darin, Wasser fernzuhalten und die Reaktion zu beschleunigen. Nachteile: höhere Materialkosten, mehr Essigsäure im Abfall, aufwendigere Aufarbeitung, größere Reizstoffmenge im Praktikum. Sinnvoll wären 1,1 bis 1,2 Äquivalente, eine Rückgewinnung des überschüssigen Anhydrids durch Destillation und eine Optimierung über Reaktionsführung (Temperatur, Rühren, trockene Geräte). Bewertet werden sollte mit Ausbeute und E-Faktor, nicht mit der Überschussmenge.