PRÁCTICA # 5 “SÍNTESIS DE WILLIAMSON: OBTENCIÓN DE ÁCIDO FENOXIACÉTICO”INFORMACIÓN: Los halogenuros de alquilo sufren reacciones de sustitución nucleofílica con alcoholes produciendo éteres. Los fenoles son nucleófilos con una baja reactividad pero sus sales (los fenóxidos) son nucleófilos muy reactivos. Los fenoles son compuestos más ácidos que el agua pero menos ácidos que el ácido carbónico. Los ácidos carboxílicos orgánicos son ácidos más fuertes que el ácido carbónico. Las sales iónicas de los fenoles y de los ácidos carboxílicos son solubles en agua. OBJETIVOS ℘ Preparar mediante una reacción de sustitución nucleofílica bimolecular un éter (Síntesis de Williamson). ℘ Purificar el producto obtenido por el método de extracción selectiva. ℘ Distinguir las propiedades ácidas de fenoles y ácidos carboxílicos. ANTECEDENTES Éteres Se consideran como producto de la sustitución del hidrógeno del grupo hidroxilo de los alcoholes, por un radical alquilo o arilo. Grupo funcional: R-O-R´ don de R y R´ pueden ser idénticos o diferentes y pueden ser grupos alquilo o arilo. Loa éteres son compuestos incoloros de olor característico, relativamente agradables. Tienen puntos de ebullición menores que los alcoholes con igual número de átomos de carbono. Como consecuencia de su estructura, las moléculas de los éteres no pueden formar puentes de hidrógeno entre sí. Ésta es la razón por la que sus puntos de ebullición son mucho menores que los de los alcoholes isoméricos. Aunque los éteres no pueden formar puentes de hidrógeno entre sí, forman puentes de hidrógeno con los alcoholes: R2-O·····H-O-R por esta razón, los alcoholes y éteres son solubles entre sí. Los éteres con bajos pesos moleculares como el dimetil éter, son totalmente solubles en agua. De igual manera, la poca solubilidad del dietil éter en agua, es semejante a la de4 su isómero: 1-butanol debido a que los dos pueden formar puentes de hidrógeno con el agua. Los éteres son menos densos que el agua. Los éteres son compuestos relativamente inertes. Por lo general no reaccionan con ácidos diluidos, con bases diluidas ni con agentes oxidantes o reductores comunes. No reaccionan con sodio metálico (propiedad que los distingue de los alcoholes). El hecho de que sean inertes, acompañado de que la mayoría de los compuestos orgánicos son solubles en éter, convierte a los éteres en excelentes disolventes en los cuáles se pueden llevar a cabo las reacciones orgánicas. Frecuentemente los éteres se utilizan para extraer compuestos orgánicos a partir de sus fuentes naturales. El dietil éter se utiliza mucho para este fin. Su bajo punto de ebullición permite que se pueda eliminar fácilmente de un extracto y que se pueda recuperar por destilación. Sin embargo, es altamente inflamable y no debe utilizarse en presencia de alguna flama en el mismo laboratorio. Otro riesgo resulta del hecho de que los éteres que han permanecido mucho tiempo en un laboratorio, expuestos al aíre, pueden contener peróxidos orgánicos como resultado de su oxidación. Diferentes métodos de obtención de éteres. Los azucares, al contener varios grupos hidroxilo, son muy solubles en agua y bastante insolubles en disolventes orgánicos. Los azucares recristalizan con dificultad a partir de disoluciones acuosas ya que suelen formar soluciones sobre saturados viscosas (jarabes), tales como la miel y las melazas. Si se alquilan los grupos hidroxilos para formar éteres, los azucares se comportan igual que los compuestos orgánicos mas simples. Los éteres son solubles en disolventes orgánicos y se purifica fácilmente utilizando métodos sencillos como la recristalización a la cromatografía. Cuando se trata de un azúcar con yodo de metilo y oxido de plata, sus grupos hidroxilo se transforman en éteres metilicos. El oxido de plata polariza el enlace H3C-I, haciendo fuertemente electrofílico el carbono del grupo metilo. El ataque del grupo –OH del carbohidrato, seguido de desprotonación, da lugar al éter. 1 Si se controlan cuidadosamente las condiciones, el enlace hemiacetalico C-O no se rompe y se conserva la configuración del carbono anomérico. El método mas frecuente para obtener éteres sencillos consiste en la síntesis de éteres de Williamson, pero esta síntesis incluye un Ion alcóxido fuertemente básico y, en estas condiciones básicas, un azúcar simple se isomerizaría y se descompondría. Se puede utilizar un método de Williamson modificado si primero se transforma el azúcar en un glucósido (por tratamiento con alcohol y con un catalizador acido). El glucósido es un ecetanal, por lo que es estable frente a las bases. Cuando se trata un glucósido con hidróxido de sodio y yoduro de metilo o sulfato de dimetilo, se obtiene el carbohidrato matilado. Preparación de éteres El éter comercial de mayor importancia es el dietil éter (éter dietílico). Se obtiene a partir de etanol y acido sulfúrico. CH3CH2OH + OH CH2 CH3 Etanol H 2 SO4 → 140°C CH3CH2O CH2 CH3 + H2O dietil éter El acido sulfúrico pude deshidratar el etanol para formar etileno o bien dietil éter. Por supuesto que las condiciones de reacción son diferentes en cada caso. Estas reacciones proporcionan un buen ejemplo de lo importante que resulta controlar las condiciones de reacción y especificarlas en las ecuaciones. Aunque puede ser adaptado a otros éteres, el método de alcohol y ácido sulfúrico se usa principalmente para producir éteres simétricos a partir de alcoholes primarios. Por lo tanto la fórmula general sería: 2 4, R 2 − OH → R − O − R´+ H 2 O H SO 180 º C La producción comercial de t-butil metil éter (así como su análogo con etilo) ha cobrado importancia recientemente. Se utiliza para mejorar el número de octano en gasolinas sin plomo, se prepara por la adición, catalizad por ácido, del metanol al 2-metilpropeno. La reacción se parece a la hidratación de alquenos. La única diferencia radica es que se utiliza como nucleófilo un alcohol, el metanol, en lugar de agua. Síntesis de Williamson La síntesis de laboratorio mas importante para éteres no simétricos es la síntesis de Williamson, llamada así por el químico británico Alexander Williamson, quien la descubrió a finales del s. XIX. Este método consta de dos pasos; en el primer paso se convierte un alcohol en alcóxido al tratarlo con un metal reactivo (sodio o potasio) o con un hidruro metálico. En el segundo paso se efectúa un desplazamiento SN2 entre el alcóxido y un Halogenuro de alquilo. La síntesis de Williamson se resume por medio de las siguientes ecuaciones generales. 2 ROH + 2Na → 2RO- Na+ + H2 RO- Na+ + R’ – X → ROR´ + Na+ XDebido a que el segundo paso es una reacción SN2, procede mejor si R´ del halogenuro de alquilo es primario que si es terciario, con el cuál no procede la reacción. Ruptura de éteres Loa éteres tienen pares electrónicas sin compartir en el átomo de oxigeno, por lo tanto son bases de Lewis. Reaccionan con los ácidos fuertes como los protones, y con los ácidos de Lewis, como los halogenuros de boro. H R-O-R´ + H+ R-O-R´ R-O-R´ + Br-B-Br Br R-O-R´ Br-B-Br Br 2 Estas reacciones son semejantes a la reacción de los alcoholes con ácidos fuertes. Si los grupos R y/o R’ son primarios o secundarios se puede romper su enlace con el oxígeno por la reacción con un nucleófilo fuerte, como I- o Br- (a través de un proceso SN2). Por ejemplo: CH3CH2OCH (CH3)2 + HI Calor → CH3CH2 I + HOCH (CH3)2 Etil isopropil éter Yoduro de etilo Alcohol isopropílico Si R o R’ es terciario, no se requiere de un nucleófilo fuerte, ya que la reacción ocurre a través de un mecanismo SN1. El resultado total de estas reacciones consiste en la ruptura de un de los enlaces C – O del éter. La ruptura de los éteres es una reacción de gran utilidad para determinar la estructura de éteres complejos de origen natural, ya que permite romper una molécula grande en fragmentos más pequeños y manipulables. Resumen de las reacciones de los éteres: a) Preparación por deshidratación de alcoholes. 4, 2 R − OH H 2 SO→ R − OR´+ H 2 O ∆ b) Preparación a partir de alquenos y alcoholes C C ROH H+ (catalizador) H-C-C-OR c) Preparación a partir de alcoholes y halogenuros de alquilo ROH + NaH → RO- Na+ + H2 RO- Na+ + R’ – X → RO-R´ + Na+ X(Es mejor si R´= primario) d) Ruptura mediante halogenuros de hidrógeno R − OR + HX → R − X + R − OH HX R − X + H 2 O → e) Ruptura mediante tribromuro de boro R-O-R Epóxidos 1.- BBr3 2.- H2O RBr Los epóxidos (u oxiranos) son éteres cíclicos con un anillo de tres miembros que contiene un átomo de oxigeno. El epóxido comercial mas importante es el oxido de etileno (oxirano) p. eb. 13.5ºC, producido por la oxidación con aire; catalizada con plata, del etileno. CH 2 = CH 2 + O2 → (Etilenglic catalizadorPt 250 º C , presión CH2-CH2 O ol; oxido de etileno) La producción anual de etileno en los Estados Unidos de América sobrepasa los dos millones de toneladas. Solo una pequeña cantidad se utiliza directamente. La mayor parte del oxido de etileno constituye la materia prima para la fabricación de otros productos, principal de los cuales es el etilenglicol. Otros epóxidos se preparan, generalmente, por la acción de un alqueno con un peroxiácido orgánico, que al igual que el peroxido de hidrogeno H–O–O–H, con el que están relacionadas estructuralmente, son buenos agentes oxidantes. El acido peroxiacético se utiliza en gran escala, mientras que en el laboratorio el frecuentemente se utilización peroxiácidos como el acido m–cloroperoxibenzoico (R = m-clorofenilo). 3 Reacciones de epóxidos Debido a la tensión que se presenta en el anillo de tres miembros, los epoxidos son mucho más reactivos que los éteres comunes y forman productos en los cuales ocurre la apertura de l anillo. Por ejemplo, con agua se produce la apertura del anillo, catalizada por acido, para formar glicoles. a) Preparación a partir de alquenos: O C-C + RCO2H C=C + RCO3H b) Reacción con agua y con alcoholes: HO OH H - OH O C-C RO OH H+ R - OH -C-CH+ -C-C- Éteres cíclicos Se conoce como éteres cíclicos con anillos mayores que los epoxidos de tres miembros. Los más comunes son los que tienen anillos con cinco o seis miembros, Como ejemplos mencionaremos. O Tetrahidrofurano (oxolano); p.eb. 67ºC O O Tetrahidropirano (oxano) p.eb. 88ºC O 1,4-dioxano p.eb. 101ºC El tetrahidorfurano (THF) es un disolvente de gran utilidad, ya que no solamente disuelve compuestos orgánicos, sino que es soluble en agua. El THF es un excelente disolvente (con frecuencia es superior al dietil éter) en el cual se pueden preparar los reactivos de grignard. A pesar de que tiene el mismo numero de átomos de carbono que el dietil éter, están “sujetos” en un anillo por lo tanto, el oxigeno del HTF esta menos impedido y puede coordinarse mejor con el magnesio en un reactivo de grignard. El tetrahidropirano y el 1, 4- dioxano también son solubles en agua y en disolventes orgánicos. Recientemente se ah despertado un gran interés por los poliéteres macrociclicos. Estos compuestos reciben el nombre de éteres corona, ya que sus moléculas tienen formas parecidas a una corona. El número que aparece entre corchetes, en sus nombres comunes se indica el tamaño del anillo, el número terminal determina la cantidad de oxígenos. Generalmente los oxígenos se encuentran separados entre si por 2 átomos de carbono. Los éteres corona son los únicos que presentan la propiedad de formar complejos con los iones positivos (Na+, K+ y otros). Los iones positivos se asemejan selectivamente en los anillos macrociclicos, según el tamaño del anillo en particular y del Ion. Por ejemplo [18]-corona- 6 se une con el K + mas fuertemente que con el Na+, que es mas pequeño (demasiado pequeño para poder ajustarse) o que con el Cs+, que es mas grande (demasiado grande para ajustar en la cavidad). De forma semejante, el [15]-corona-5, se une con el Na+, y el [12]-corona-4, se une con el Li+. Los éteres corona actúan como anfitriones para sus huéspedes iónicos. Esta capacidad para acomplejarse es tan fuerte que los compuestos iónicos se pueden disolver en disolventes orgánicos que contengan un éter corona. Por ejemplo, el permanganato de potasio es soluble en agua pero insoluble en benceno. Sin embargo, si se disuelve un poco de diciclohexil [18]-corona-6 en el benceno es posible extraer el permanganato de potasio del agua con el benceno. El “benceno púrpura” resultante que contiene iones permanganato libres, no solvatados, es un poderoso agente oxidante. 4 La unión selectiva de los iones metálicos con los compuestos macrociclicos es de gran importancia en la naturaleza. Algunos antibióticos, como la nonactina presentan grandes anillos que contienen átomos de oxígenos separados en forma regular. La nonactina (que contiene 4 anillos de tetrahidrofurano) unidos a través de cuadro enlaces éster) se une selectivamente con el K + (en presencia de Na+) en medio acuoso, lo que permite el transporte selectivo del K+ (y no del Na+) a través de la membranas celulares. Acidez de fenoles y ácidos carboxílicos Fenoles Recibe el nombre de fenol, el alcohol monohidroxílico derivado del benceno; dándosele, además, a todos los compuestos que tengan un radical oxidrílico unido al anillo bencénico. Propiedades físicas: Temperatura de fusión. Temperatura de congelación. Calor latente de fusión. Temperatura de ebullición. Peso molecular. Densidad 41º/4º Densidad 25º/4º 41ºC 42ºC 29.30 Kcal/mol 181.75ºC 94.11 1.05 g/cm3 1.071 g/cm3 El fenol, es muy soluble en éter etílico, alcohol etílico, ácido acéticilico, glicerina, bióxido de azufre líquido y benceno. Es menos soluble en los hidrocarburos parafínicos. Propiedades químicas: ° Químicamente, el fenol, se caracteriza por la influencia mutua entre el grupo hidroxilo u oxidrilo (HO:) y el anillo aromático. El grupo fenilo ó fenil negativo, es la causa de una leve acidez del grupo oxidrílico (pK en solución acuosa a 25 ºC es 1.3 x 10 -10). ° En fenol reacciona con las bases fuertes para formar sales llamadas fenóxidos (alguna veces fenonatos ó fenolatos): C6H5-OH + NaOH H2O + C6H5-ONa ° ° Los fenatos de sodio y potasio, son rápidamente descompuestos por el dióxido de azufre; éste compuesto, también descompone al fenol. El Grupo hidroxilo puede ser fácilmente eterificado y eterificado. El acetato de fenilo CH 3=COO=C6H5, el fosfato de trifenilo (C6H5)3PO4 y el salicilato de fenilo (C6H5)2O son los éteres comerciales más conocidos del fenol. ° El fenol es rápidamente oxidado a una variedad de productos que incluye a los bancenodioles (hidroquinona, resorcinol y pirocatecol), bencenotrioles y derivados del difenilo (difenoles ó bifenoles) HO-C6H4-OH, y óxido de difenilo (dibenzofurano) y productos de descomposición, dependiendo este del agente occidente y de las condiciones de operación. La reducción del fenol con zinc por destilación, da benceno, y la hidrogenación del fenol, finalmente, es método para la obtención del ciclohexanol. ° El grupo hidroxilo de una alta reactividad al grupo fenilo. Los átomos del hidrógeno en las posiciones o- (orto) y p- (para), con respecto del grupo hidroxilo, son altamente reactivos (orienta las sustituciones hacia eses posiciones); o sea, los hidrógenos en 2- y 4- son los primeros en ser sustituidas para formar el monoderivados para formar el monoderivado inicial, después el 2- 4- ó el 2- 6- derivado, y finalmente el 2- 4- 6- triderivado, esto si las condiciones lo permite. Los fenoles son compuestos orgánicos de fórmula general ArOH. Son una especie recalcitrante y de toxicidad considerable, siendo entre estos el pentaclorofenol más tóxico. Estos compuestos se encuentran generalmente en aguas residuales de industrias petroquímicas, papeleras, y de producción de pesticidas y herbicidas entre otras. El ion fenóxido está mucho más estabilizado por medio de la resonancia con el anillo aromático. Aunque las formas resonantes con la carga negativa formal sobre los carbonos contribuirán menos al híbrido de resonancia, su escritura permite entender por qué un fenol es más de un millón de veces más ácido que un alcohol. Por ello reaccionan con NaOH, que es capaz de desprotonar cuantitativamente a un fenol en medio acuoso. ° 5 Los halógenos, forman principalmente, dihalofenoles y trihalofenoles; los derivados del cloro, son los principales, puesto que el cloro con el fenol, forma dos derivados principales, que se usan como herbicidas y preservadores de madera, como son el diclorofenol y el pentaclorofenol: C6H5 = CH + 2Cl2 C6H3 (C12) - OH + 2HC1 C6H5 = OH + 5Cl2 C6 (C15) - OH + 5HC1 Estas reacciones se llevan a cabo en presencia de los llamados ácidos Lewis, por ejemplo: cloruro de aluminio, fluoruro de boro, etc. La reacción del fenol con el ácido sulfúrico, es para la obtención del ácido hidroxibencensulfónico: C6H5 - OH + H2SO4 C6H4 (SO3H) - OH + H2O. La nitración del fenol, se lleva a cabo con el ácido nítrico diluido, el producto final, es el 2,4,6trinitrofenol, o sea, el explosivo ácido pícrico: C6H5 - OH + 3HNO3 -C6H2 (NO2)3OH + 3H2O Por oxidación forma el ácido oxálico y productos resinosos. La reacción más importante del fenol, es su condensación con el formaldehído, contándose con el 60% de la producción del fenol, para la obtención de las llamadas resinas fenólicas: C6H5 -OH + 3HCHO-C6H2 -OH -(CH2OH)3 C6H2 -OH(CH2OH)3 [ C6H2 -OH -(CH2O+)]3 La condensación del fenol y la acetona, den el 4- 4` isopropilidendifenol ó bisefenol A. La condensación del fenol con el anhídrido ftálicoda la fenolftaleina; su reacción con el fenato de sodio y el bióxido de carbono, para formar el ácido salicílico. También es de importancia comercial el acoplamiento del fenol con las sales de diazonio, para la obtención de tinturas azo. Ácidos carboxílicos Propiedades físicas: ° Puntos de ebullición: Los ácidos carboxílicos hierven a temperaturas muy superiores que los alcoholes, cetonas o aldehídos de pesos moleculares semejantes. Los puntos de ebullición de los ácidos carboxílicos son el resultado de la formación de un dímero estable con puentes de hidrógeno ° Puntos de fusión: Los ácidos carboxílicos que contienen más de ocho átomos de carbono, por lo general son sólidos, a menos que contengan dobles enlaces. La presencia de dobles enlaces (especialmente dobles enlaces cis) en una cadena larga impide la formación de una red cristalina estable, lo que ocasiona un punto de fusión más bajo. ° Solubilidades. Los ácidos carboxílicos forman puentes de hidrógeno con el agua, y los de peso molecular más pequeño (de hasta cuatro átomos de carbono) son miscibles en agua. A medida que aumenta la longitud de la cadena de carbono disminuye la solubilidad en agua; los ácidos con más de diez átomos de carbono son esencialmente insolubles. Los ácidos carboxílicos son muy solubles en los alcoholes, porque forman enlaces de hidrógeno con ellos. Además, los alcoholes no son tan polares como el agua, de modo que los ácidos de cadena larga son más solubles en ellos que en agua. La mayor parte de los ácidos carboxílicos son bastante solubles en solventes no polares como el cloroformo porque el ácido continua existiendo en forma dimérica en el solvente no polar. Así, los puentes de hidrógeno de dímero cíclico no se rompen cuando se disuelve el ácido en un solvente polar. Propiedades químicas: ° ° ° Acidez: La reacción más característica de los ácidos carboxílicos es su ionización Reacción de neutralización: Los ácidos carboxílicos sencillos son ácidos débiles que al reaccionar con bases fuertes, como el hidróxido de sodio, originan sales estables que son sólidos solubles en agua y se hallan completamente disociadas en solución Reacción de los ácidos carboxílicos con amoniaco: Los ácidos carboxílicos reaccionan con el amoniaco formando amidas, en una reacción muy lenta a la temperatura ambiente. Primero se forma la sal de amonio y se separa el agua si la reacción se mantiene por encima de los 100 ºC Los ácidos carboxílicos son mucho más ácidos que los fenoles. A pesar de que el anión carboxilato sólo se puede describir con dos formas resonantes, éstas son equivalentes y tienen la carga negativa sobre el 6 oxígeno muy electronegativo. Esto explica la elevada estabilidad del anión carboxilato. Los ácidos carboxílicos reaccionan con bases tan débiles como el bicarbonato. Por reacción con alcoholes se transforman en ésteres, con aminas en amidas, el PBr3 los transforma en haluros de alcanoilo. Todas las reacciones siguen el mecanismo de adición-eliminación. Los organolíticos reaccionan con los ácidos carboxílicos formando cetonas. El hidruro de aluminio y litio los reduce a alcoholes. Las cetonas, los aldehídos, y los ácidos carboxilos, contienen el grupo carbonilo, a pesar de que las reacciones de los ácidos son bastantes diferentes de las de la cetona y los aldehídos. Las cetonas y los aldehídos generalmente reaccionan mediante adición nucleofílica al grupo carbonilo, pero los ácidos carboxílicos (y sus derivados) lo suelen hacer por sustitución nucleofílica en el grupo acilo, donde un nucleófilo reemplaza a otro en el átomo de carbono carboxílico. En medio básico se puede adicionar un nucleófilo fuerte al grupo carbonilo para dar lugar a un intermedio tetraédrico. De este intermedio se elimina el grupo saliente. La hidrólisis de un éster a acido, catalizada por una base. Uso del acido fenoxiacético Herbicida para después de emergencias con acción del tipo de hormona del crecimiento (afecta a la división celular, activa el metabolismo del fosfato y/o modifica el metabolismo del ácido nucleico) El 2, 4,5-T se produce comercialmente mediante condensación de cloroacetato sódico con 2, 4,5triclorofenóxido sódico. A temperaturas elevadas, la acción del álcali sobre el 2,4,5-triclorofenol puede producir cierta cantidad de 2,3,7,8-tetraclorodibenzo-p-dioxina (TCDD, o dioxina). Todo el 2,4,5-T está contaminado con TCDD en grados variables. En condiciones de fabricación no controladas, se ha observado una contaminación con TCDD de hasta 30-40 ppm, pero las normas actuales de producción suelen limitar la TCDD a 0,05 ppm, y los métodos de producción más modernos permiten reducir incluso ese nivel a 0,1 ppm o menos. Es imposible que los fabricantes produzcan 2,4,5-T sin cierta contaminación con TCDD. Se usa también para los medios de cultivos de hongos que se genera la penicilina V. Sustitución Nucleofílica bimolecular (SN2) El químico alemán Paul Walden en 1896, descubrió que los ácidos (+) y (-) -málico enantioméricamente puros podían interconvertirse a través de una serie de reacciones de sustituciones simples. Walden trató el ácido (-) málico con PCl5, aisló ácido (+) –clorosuccínico, dextrógiro. Tratando este ácido con óxido de plata húmedo, se formo el ácido (+) málico. De igual manera la reacción de ácido (+) málico con PCl5 produjo, ácido (+) – clorosuccínico el cual al ser tratado luego con óxido de plata produjo ácido (-) málico. Puesto que el ácido (-) málico se transformaba en ácido (+) málico, algunas reacciones del ciclo deben haber ocurrido con un cambio en la configuración del centro estereogénico. Actualmente, las transformaciones coma las que ocurren en el ciclo de Walden se denominan reacciones de sustitución nucleofílica, debido a que cada paso implica el reemplazo (sustitución) de un nucleófilo (ion cloruro, o hidróxido) por otro. Las reacciones de sustitución nucleofílica constituyen una de las clases más importantes de reacciones generales en química orgánica. Walden advirtió que los cambios en la configuración debían haberse efectuado durante el ciclo de reacciones, no pudo deducir en cual de sus pasos ocurrieron. En la década de 1920 Joseph Kenyon y Henry Phillips iniciaron una seria de investigaciones para dilucidar el mecanismo de las reacciones de sustitución nucleofílica y encontrar cómo se verifican las inversiones de configuración. Reconocieron que la presencia de un grupo carboxilo en los trabajos de Walden con el ácido málico pudo haber provocado complicaciones, y por ello eligieron casos más simples para sus investigaciones. Una de las reacciones estudiada fue la que intervenía los dos enantiómeros del 1-fenil-2-propanol. Si bien esta serie particular de reacciones implica la sustitución nucleofílica de un toluensulfonato de alquilo en vez de un halogenuro de alquilo, interviene exactamente el mismo tipo de reacción estudiado por Walden. A partir de ésta y de otra docena de series de reacciones, Kenyon y Phillips concluyeron que la reacción de sustitución nucleofílica de halogenuros de alquilo primarios y secundarios y de tosilatos siempre procede con una inversión de la configuración. Las reacciones de sustitución nucleofílica de tosilatos y halogenuros de alquilo primarios y secundarios presentan lo siguiente: 7 ° Estas reacciones siempre ocurren con inversión completa de la estereoquímica del carbono estereogénico. ° Estas reacciones presentan cinética de segundo orden y obedecen la siguiente velocidad: Velocidad = k x [RX] x [Nu: -] Donde: k es una constante [RX] es la concentración del compuesto que se le harán las sustituciones; [Nu:-] es la concentración del nucleófilo. En 1937, Hughes e Ingold propusieron la primera explicación satisfactoria al formular el mecanismo de lo que ellos llamaron reacción SN2, abreviatura de Sustitución Nucleofílica bimolecular (Bimolecular, debido a que en el paso cuya cinética se mide, participan dos moléculas: el nucleófilo y el halogenuro de alquilo). La característica esencial del mecanismo de reacción SN2 es que la reacción transcurre en un solo paso, sin intermediarios, cuando el nucleófilo entrante ataca el sustrato desde una posición a 180º del grupo saliente (ataca por la parte de atrás). A medida que el nucleófilo entra de un lado y se enlaza al carbono quiral, el grupo halogenuro o tosilato se aleja del otro lado y se invierte la configuración estereoquímica de la molécula. Se puede decir que la reacción ocurre cuando un par de electrones del nucleófilo, Nu: -, obliga a separarse al grupo saliente, Y- , con el par de electrones del enlace C – Y anterior. Esto ocurre a través de un estado de transición en el cual el nuevo enlace Un – C está parcialmente roto, y en el que la carga negativa es compartida tanto por el nucleófilo entrante como por el grupo saliente que se está desprendiendo. El estado de transición para esta inversión debe tener los tres enlaces restantes del carbono de un arreglo planar. El mecanismo propuesto por Hughes e Ingold es del todo congruente con los resultados experimentales y explica tanto los datos cinéticos como los estereoquímicos. De este modo, es requisito que el ataque del nucleófilo entrante sea desde atrás, a 180º del grupo saliente y hace que se invierta la estereoquímica del sustrato. Tal mecanismo también explica por qué se encuentra una cinética en el que participan los dos reactivos, el halogenuro de alquilo y el nucleófilo. En el paso cuya velocidad se mide intervienen 2 moléculas. Algunas reacciones SN2 son rápidas y otras lentas; algunas tienen altos rendimientos, y otras tienen rendimientos bajos. La reacción SN2 será más rápida cuando el carbono al cual esta enlazado el grupo saliente es primario, y la velocidad va disminuyendo cuando va de carbono primario a secundario, a terciario y así, al haber más carbonos alrededor del carbono quiral, estos producen un impedimento estérico, debido a que el nucleófilo tiene bloqueada la entrada por atrás por los demás grupos alrededor del carbono quiral. El solvente a emplear debe ser un solvente polar (alcoholes, agua), lo cual producirá también una reacción más rápida, y de preferencia si es un solvente polar aprótico (acetona) que tienen dipolos fuertes pero carecen de grupos salientes –OH o NH; los solventes próticos como metanol y etanol retardan las reacciones SN2 por que afectan el nivel de energía del reactivo nucleófilo y no el nivel de energía del estado de transición. Las moléculas del solvente polar aprótico son capaces de formar enlaces de hidrógeno con los nucleófilos cargados negativamente, solvata la solución, o sea que se reparten las cargas y esto hace que se requiera menos energía para llevar a cabo la reacción, ya que estabiliza al nucleófilo reduciendo su reactividad hacia los electrófilos en la reacción SN2. También la reacción será más rápida cuando saliente sea un compuesto estable, o sea que no necesite estas enlazado al carbono, y el nucleófilo sea un compuesto de carga negativa o con electrones libres. El nucleófilo puede ser cualquier especie que sea negativa o neutra, siempre y cuando tenga un par de electrones libres; si el nucleófilo es de carga negativa, el producto es neutro, pero si el nucleófilo es neutro y se desplaza un anión, el producto queda con carga positiva. Extracción: La transferencia de un soluto de un disolvente a otro es lo que se denomina extracción. 8 De acuerdo con la expresión de coeficiente de distribución anteriormente comentada es evidente que no todo el soluto se transferirá al disolvente 2 en una única extracción (salvo que el valor de K sea muy grande). Normalmente son necesarias varias extracciones para eliminar todo el soluto del disolvente 1. Para extraer un soluto de una disolución siempre es mejor usar varias pequeñas porciones del segundo disolvente que usar una única extracción con una gran cantidad. La extracción puede ser un método tanto de separación como de purificación; Mezclas de compuestos ácidos, básicos y neutros se pueden separar fácilmente haciendo uso de la técnica de la extracción. Los disolventes orgánicos utilizados en extracción deben tener baja solubilidad en agua, alta capacidad de solvatación hacia la sustancia que se va a extraer y bajo punto de ebullición para facilitar su eliminación posterior. En un laboratorio de Química Orgánica, esta operación se suele realizar entre una disolución acuosa (fase acuosa) y otro disolvente inmiscible con el agua (fase orgánica) con la ayuda de un embudo de decantación. La posición relativa de ambas fases (arriba o abajo) depende de la relación de densidades. Los disolventes clorados como: Cloroformo, Cloruro de metileno, Tetracloruro de carbono quedan siempre en la capa inferior. Disolventes como: Éter etílico, Acetato de etilo, Tolueno, Benceno, Hexano quedan siempre en la capa superior. Es evidente que disolventes miscibles con el agua no son útiles para este proceso tales como: Acetona, Metanol y etanol. Con relativa frecuencia aparecen en el proceso de extracción emulsiones o interfases que impiden una correcta separación en el embudo de decantación de las capas acuosa y orgánica, especialmente, cuando se trata de extracciones con cloruro de metileno. La forma de solventar este problema se conveniente añadir unos mililitros de salmuera y agitar de nuevo. En la mayor parte de los casos se produce la separación de las fases La extracción selectiva se emplea para separar mezclas de compuestos orgánicos, en función de la acidez, de la basicidad o de la neutralidad de éstos; Los compuestos iónicos son más solubles en agua que los compuestos covalentes y éstos, son más solubles en disolventes orgánicos que aquéllos. Extracción simple: Consiste en separar substancias según la técnica de extracción. Esta técnica se basa en la diferente solubilidad de un compuesto en un determinado líquido: si inicialmente tenemos una sal disuelta en un disolvente orgánico y le añadimos un disolvente acuoso (una base, un ácido, agua), la sal “se irá” del disolvente orgánico y se disolverá en la fase acuosa. Se realiza la extracción simple y se continúan los fraccionamientos, hasta un número suficiente de operaciones que nos permitirá una separación, en realidad completa. Extracción múltiple: La extracción a contracorriente realiza la separación de una manera sistemática que se efectúa en una serie de n-tubos de extracción en los cuáles la fase inferior permanece estacionaria, mientras que la superior es móvil en el curso de n – 1 transferencias. Al principio de la experiencia, el tubo no. 1 contiene dos disolventes y la mezcla que se trata de fraccionar, mientras que los otros tubos no contienen más que la fase estacionaria. Una transferencia consiste en hacer pasar la fase superior de un tubo al siguiente por medio de un recipiente de extracción. Extracción a contracorriente: de dos sustancias se basa en la diferencia de sus coeficientes de repartición entre dos fases líquidas no miscibles y en cierta medida la relación que guarda con la extracción simple es la misma que la que hay en la destilación fraccionada a la simple. La mezcla que se trata de separar se divide desigualmente entre dos fases líquido y vapor, en equilibrio. Para diferenciar la capa orgánica de la acuosa: depende de las densidades relativas de los dos disolventes. Disolventes como el acetato de etilo y el éter son menos densos que el agua y en estos casos la capa orgánica será la superior. Por el contrario, disolventes como el diclorometano y cloroformo son más densos que el agua y la capa orgánica será, por tanto, la inferior. Sin embargo, si el disolvente disuelve gran cantidad de material la densidad se incrementará y puede que las densidades relativas varíen. En caso de duda se puede adicionar una cantidad de agua y ver que fase aumenta su volumen. Aquella que crezca será la capa acuosa. Agentes deshidratantes Después del proceso de extracción las capas orgánicas estarán "húmedas" debido a que una pequeña cantidad de agua se disuelve en el disolvente orgánico. Para eliminar esta cantidad de agua se usa un agente deshidratante. Un agente deshidratante es una sal inorgánica que adquiere agua de hidratación cuando se expone a la humedad o a una disolución húmeda. Normalmente a la disolución húmeda se adicionan unos cristales de sulfato de sodio anhidro. Se deja reposar al menos 15 minutos. Transcurridos ese tiempo se filtra el agente deshidratante usando un filtro y un embudo de vidrio. El filtrado se recoge en 9 un matraz limpio y seco quedando el agente deshidratante en el filtro. Para minimizar pérdidas es conveniente lavar el agente deshidratante con una pequeña cantidad del disolvente orgánico utilizado. MATERIAL Recipiente de peltre 1 Resistencia eléctrica 1 Agitador de vidrio 1 Probeta graduada 25 ml 1 Matraz Erlenmeyer 125 ml 1 Pinzas de tres dedos c/nuez 1 Vidrio de reloj Vaso de precipitados 150 ml Matraz pera de una boca de 50 ml SUSTANCIAS Fenol 0.5 g HCl concentrado 7.5 ml Sol. de NaOH 33% 2.5 ml Éter etílico 15 ml Ácido monocloroacético 0.75 g Sol. de NaHCO3 15% 7.5 ml Matraz Erlenmeyer 50 ml. c/corcho 1 Vaso de precipitados 250 ml 1 Embudo Büchner c/alargadera 1 Matraz Kitasato c/manguera 1 Embudo de separación c/tapón 1 Espátula 1 Pipeta de 10 ml. Refrigerante con mangueras CLORURO DE HIDROGENO (Acido clorhídrico: HCl; Masa molecular: 36.5g/mol)) Propiedades físicas: Punto de ebullición a 101.3 kPa: -85°C; Punto de fusión: -114°C; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 72; Solubilidad en agua: Elevada; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 1.3; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.25 Propiedades químicas: La disolución en agua es un ácido fuerte, reacciona violentamente con bases y es corrosiva. Reacciona violentamente con oxidantes formado gas tóxico de cloro. En contacto con el aire desprende humos corrosivos de cloruro de hidrógeno. Ataca a muchos metales formando hidrógeno Propiedades toxicológicas: • Inhalación: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria, jadeo, dolor de garganta; Piel: Corrosivo. Quemaduras cutáneas graves, dolor; Ojos: Corrosivo. Dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves HIDROXIDO DE SODIO (Hidróxido sódico; Sosa cáustica; Sosa: NaOH; Masa molecular: 40.0) Propiedades toxicológicas: • INHALACION: Corrosivo. Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria. • PIEL: Corrosivo. Enrojecimiento, graves quemaduras cutáneas, dolor. • OJOS: Corrosivo. Enrojecimiento, dolor, visión borrosa, quemaduras profundas graves. • INGESTION: Corrosivo. Dolor abdominal, sensación de quemazón, diarrea, vómitos, colapso. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 1390°C; Punto de fusión: 318°C; Densidad relativa (agua = 1): 2.1; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 109; Presión de vapor, kPa a 739°C: 0.13 Propiedades químicas: La sustancia es una base fuerte, reacciona violentamente con ácidos y es corrosiva en ambientes húmedos para metales tales como cinc, aluminio, estaño y plomo originando hidrógeno (combustible y explosivo). Ataca a algunas formas de plástico, de caucho y de recubrimientos. Absorbe rápidamente dióxido de carbono y agua del aire. Puede generar calor en contacto con la humedad o el agua. BICARBONATO DE SODIO (NaHCO3 Masa molar 84.01 g/mol) Valor de pH: ~8.6 (50 g/l, H2O, 20 ºC); Densidad 2.22 g/cm3 (20 ºC); Punto de fusión 270 ºC (descomposición); Solubilidad en agua95.5 g/l (20 ºC) ÁCIDO MONOCLOROACÉTICO (Ácido cloroetanoico: C2H3ClO2 / ClCH2COOH ) Masa molecular: 94.5 Estado físico ASPECTO: Cristales higroscópicos incoloros, de olor acre. Peligros químicos La sustancia se descompone al arder, produciendo humos tóxicos, incluyendo cloruro de hidrógeno y fosgeno. La disolución en agua es moderadamente ácida. Ataca el metal. Vías de exposición: La sustancia se puede absorber por inhalación, a través de la piel y por ingestión. Toxicidad No puede indicarse la velocidad a la que se alcanza una concentración nociva en el aire por evaporación de esta sustancia a 20°C. La sustancia es corrosiva para los ojos, la piel y el tracto respiratorio. La inhalación del aerosol puede originar edema pulmonar (véanse Notas). La sustancia puede causar efectos en sistema cardiovascular y sistema nervioso central, dando lugar a alteraciones cardíacas, convulsiones y alteración renal. La exposición a altas concentraciones puede producir la muerte. Los efectos pueden aparecer de forma no inmediata. Se recomienda vigilancia médica. La sustancia es nociva para los organismos acuáticos. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 189°C; ; Punto de fusión para forma alfa = 63°C, forma beta = 56.2°C, forma gamma = 52.5°C; Densidad: 1.58; Solubilidad en agua: muy elevada; Presión de vapor, Pa a 25°C: 8.68; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.26; Punto de inflamación: 126 ºC c.c.; Temperatura de autoignición: 470°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 8 -?; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.34 FENOL (Hidróxidobenceno: C6H6O/C6H5OH )Masa molecular: 94.1 Propiedades toxicologicas: Inhalación: Sensación de quemazón, tos, vértigo, dolor de cabeza, náuseas, jadeo, vómitos, pérdida del conocimiento Piel: Puede absorberse. Quemaduras cutáneas graves, shock, 10 colapso, efecto anestésico local, convulsiones, shock, colapso, coma, muerte Ojos: Pérdida de visión, quemaduras profundas graves. Ingestión: Corrosivo. Dolor abdominal, convulsiones, diarrea, dolor de garganta, coloración oscura de la orina. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 182°C; Punto de fusión: 43°C; Densidad relativa (agua = 1): 1.06; Solubilidad en agua, g/100 ml: 7; Solubilidad en agua: Moderada; Presión de vapor, Pa a 20°C: Densidad relativa de vapor (aire = 1): 3.2; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.001; Punto de inflamación: 79°C c.c. Temperatura de autoignición: 715°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.36-10; Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 1.46 Propiedades químicas: Puede explotar por calentamiento intenso por encima de 78°C. La disolución en agua es un ácido débil. Reacciona con oxidantes, originando peligro de incendio y explosión. DIETILETER (Éter dietílico; Éter etílico: C4H10O )Masa molecular: 74.1 Propiedades toxicológicas: Dolor de cabeza, somnolencia, vómitos, narcosis, pérdida del conocimiento. Piel seca. Enrojecimiento, dolor. Vértigo, somnolencia, vómitos. Propiedades físicas: Punto de ebullición: 35°C; Punto de fusión: -116°C; Densidad relativa (agua = 1): 0.7; Solubilidad en agua, g/100 ml a 20°C: 6.9; Presión de vapor, kPa a 20°C: 58.6; Densidad relativa de vapor (aire = 1): 2.6; Densidad relativa de la mezcla vapor/aire a 20°C (aire = 1): 1.9; Punto de inflamación: -45° C; Temperatura de autoignición: 180°C; Límites de explosividad, % en volumen en el aire: 1.7-49 Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 0.89 Propiedades químicas: La sustancia puede formar peróxidos explosivos bajo la influencia de la luz y el aire. Reacciona violentamente con oxidantes, originando peligro de fuego y explosión. PROCEDIMIENTO En un matraz de pera de 50 ml una boca disuelva 0.5 g de fenol (PRECAUCIÓN ¡Este es muy irritante!) en 2.5 ml de NaOH al 33% (Nota 1), tape el matraz con un tapón de corcho y agite vigorosamente durante 5 min., Agregue 0.75 g de ácido monocloroacético, vuelva a tapar el matraz y continúe la agitación por 5 minutos más. Si la mezcla se hace pastosa, puede agregar de 1 a 3 ml de agua (Nota 2). Quite el tapón y coloque el matraz sobre un baño María con un sistema de reflujo durante 40 min. Enfríe la solución y diluya con 5 ml de agua. Acidule con HCl concentrado hasta pH de 1 (Nota 3). Coloque la mezcla en el embudo de separación y: A) Haga extracciones con éter etílico usando 3 porciones de 5 ml c/u. B) Junte los extractos orgánicos y colóquelos en el embudo de separación. C) Lave la fase orgánica 3veces con 5ml de agua cada vez (las fracciones acuosas se desechan)(Nota 4). D) La fracción orgánica se extrae con NaHCO3 al 15% (3 porciones de 2.5 ml c/u.). E) El extracto acuoso alcalino (Nota 5) se acidula con HCl concentrado, ¡PRECAUCIÓN! (Nota 6) sea cuidadoso porque se produce espuma hasta que precipita todo el producto. F) El producto se aísla por filtración y se seca al aire. Se determina rendimiento y punto de fusión. NOTAS: 1) Comprobar la alcalinidad de la solución con papel pH. 2) Si se agrega exceso de agua, puede disolverse el producto. 3) Comprobar la acidez de la solución con papel pH. 4) Nunca deseche fracciones, hasta el final del experimento. 5) la 6) Comprobar la alcalinidad de solución con papel pH. La adición debe ser gota a gota. 11 RESULTADOS: REACCIÓN: MECANISMO: SN2 OH O Na + NaOH + H2O Na OH H H H Cl O C H + δ Cl COO Na COO Na O-CH2-COO Na + Cl HCl; pH=1 O-CH2-COOH + NaCl (Ácido fenoxiacético) % Re n dim iento = Moles.obtenidos moles.teóri cos P.M. 94 g/mol cantidad inicial = 0.5g Fenol (Reactivo limitante) 12 Ácido fenoxiacético P.M. 152 g/mol Cantidad final = 0.1863g Moles de Fenol = 0.0053 Moles de Ácido fenoxiacético = 0.0012 % Re n dim iento = 0.0012mol × 100 = 23.04% 0.0053mol Punto de fusión: 98ºC DISCUSIÓN DE RESULTADOS: En esta práctica se realizó la obtención de un éter por medio de la síntesis de Williamson que consta de dos pasos principalmente; en el primer paso se observó que el fenol (que es un alcohol secundario), se convirtió en un alcóxido al reaccionar con el NaOH, donde el sodio es un metal reactivo, que es con quien reacciona para dar una reacción de tipo ácido-base para dar lugar al fenóxido de sodio y agua donde se forma un enlace iónico dando cargas electrostáticas y ya que el oxígeno adquiere una carga negativa le da la propiedad de ser un mejor nucleófilo para continuar después para realizar el procedimiento para la obtención del éter. En el segundo paso ocurre una reacción del tipo SN2 entre el fenóxido y el ácido monocloroacético que es un halogenuro de alquilo primario y por lo tanto favorece la SN2 . El fenóxido entro por la parte posterior saliendo así el cloro, y ya que esta a un pH muy alto, el ácido en solución básica se encuentra ionizado, por lo que se le agregó HCl concentrado (1ml) hasta llevarlo a pH =1 ya que ácido en ácido se protona, dando así lugar a la formación final del ácido fenoxiacético y cloruro de sodio. Después se hizo una extracción con éter etílico donde se separo la fase acuosa (que es donde queda el NaCl) y en la orgánica el ácido fenoxiacético a la que se le realizaron lavados con agua para que en la fase acuosa quedaran los restos de ácido monocloroacético y en la orgánica el ácido fenoxiacético y los restos de fenol. La última extracción que se realizó fue con bicarbonato de sodio, por lo que la fase con la que en este caso trabajamos fue la acuosa desechando en la fase orgánica el éter etílico y el fenol. A la fase acuosa se le agregó HCl concentrado hasta llegar a pH=2 ya que la solución tenía NaHCO3 y por lo tanto estaba muy básica y el ácido en medio básico se encuentra no protonado y ionizado, por lo que al agregar el HCl se llevo la solución a un medio ácido donde quedó protonado y no ionizado. Se formó espuma mientras se le agregaba el HCl a la fase acuosa ocurriendo la siguiente reacción: NaHCO3 + HCl → H 2 CO3 + NaCl → CO2 ↑ + H 2 O − y como el H2CO3- se descompone en agua: Razón por la cuál se observa efervescencia. Se forma el sólido (Ácido fenoxiacético) y al no ser soluble en agua, precipita. Después se procedió a filtrar en la bomba de vacío para obtener el ácido fenoxiacético en el papel filtro (cristales blancos brillante) y en las aguas madres el HCl y agua. Se secó en el horno y se pesó en el papel filtro (previamente pesado) para obtener una cantidad de 0.1863g con los cuales se determinó el porcentaje en rendimiento obteniendo un rendimiento del 23.04%, y por último se determinó el punto de fusión del Ácido fenoxiacético obtenido, que fue de 98ºC, temperatura que coincide con la del Ácido fenoxiacético comercial que va de 98-100ºC. CUESTIONARIO 1) ¿Qué reacción ocurre entre el hidróxido de sodio y el fenol? OH O Na Una reacción ácido-base para formar un alcóxido y agua + H2O + NaOH 13 2) ¿Qué reacción ocurre entre el hidróxido de sodio y el ácido monocloroacético? Una reacción SN2 Na OH H H + Cl COO Na O-CH2-COO Na + Cl 3) ¿Qué sucede si la mezcla de reacción no contiene la suficiente cantidad de hidróxido de sodio al iniciarse la reacción? No reacciona la cantidad apropiada para llevar a cabo la reacción ácido base y posteriormente la reacciona de sustitución, por lo que se obtendría una cantidad mínima de producto o nula 4) Escriba un diagrama de separación que nos indique el proceso de purificación del ácido fenoxiacético. Ácido fenoxiacético (Extracción con éter etílico) 5) Asigne las bandas principales presentes en los espectros de I.R. a los grupos funcionales de reactivos y productos Espectros de I.R. b) Fenol: 14 CONCLUSIONES: Por medio de esta práctica se aprendió a realizar la obtención de un éter mediante una reacción de sustitución nucleofílica bimolecular por medio del proceso conocido como síntesis de Williamson, que por medio de una serie de reacciones que se llevaron a cabo en el laboratorio, se dio la obtención del producto (ácido fenoxiacético). También se aprendió a purificar el producto por medio de una serie de extracciones (de tipo selectiva) y lavados para así obtener el producto completamente puro de acuerdo a sus características acidas. Por último para la comprobación de que se obtuvo el producto deseado se le determinó su punto de fusión para que coincidiera con el del reactivo comúnmente usado para de esta forma comprobar que el mecanismo y proceso utilizado para la obtención del éter fuera el adecuado. 15 BIBLIOGRAFÍA: ℘ ℘ ℘ ℘ ℘ ℘ Hart, H.; Hart, D. J.; Craine, L. E. Química Orgánica. Mc Graw Hill. México, 1995. 5ªed. Pp.236-252 Ángeles, O. G.; etal. Fundamentos de química 2. México: Editorial Publicaciones Cultural 1ªed. (1987). p67 Wade, L.G., “Química Orgánica”, 5 edición, Prentice Hall, Madrid 2004, Págs. 415-418, 900-921, 1078. www.monografias.com, consultada 22/02/07, 11:30pm, actualizada: 30/12/06 http://www.fq.uh.cu/ (20/feb/2007) www.mtas.com(20/feb/2007) 16
Report "5.- SINTESIS de Williamson (Obtencion de Acido Fenoxiacetico"