Universidad de ChileFacultad de Ciencias Departamento de Química Informe de Laboratorio de Orgánica III Autor: Profesor: Martin Becerra Ruiz Dra. Cecilia Labbé Email:
[email protected] 1 Índice: 1. 2. 3. 4. Resumen Introducción Objetivos Síntesis de Estireno a partir de acetofenona Reacciones involucradas Materiales y Reactivos Procedimientos Resultados Espectros Conclusiones 5. Síntesis de sulfanilamida Reacciones involucradas Materiales y reactivos Procedimientos Resultados Espectros Conclusiones 6. Síntesis de 2,3-difenilQuinoxalina a partir de benzaldehído Reacciones involucradas Materiales y reactivos Procedimientos Resultados Espectros Conclusiones 7. Transposiciones y cicloadiciones Síntesis de Ácido bencílico Reacciones involucradas Materiales y reactivos Procedimientos Resultados Espectros Conclusiones Síntesis del 9,10-dihidroantreacen-9,10alfa,beta-succinico(Diels-Alder) Materiales y reactivos Procedimientos Resultados Conclusiones 8. Placas Cromatograficas 9. Discusión general 10. Conclusion general 11. Bibliografia 3 3 4 4 5 7 7 8 9 11 11 12 13 14 15 16 17 18 18 20 21 21 22 26 27 27 27 28 28 28 29 31 31 32 32 32 33 34 34 35 35 2 Resumen: En el presente se analizaran diferentes reacciones orgánicas con sus diferentes mecanismos: Síntesis de estireno, Síntesis de sulfanilamida, síntesis de 2,3-difenilquinoxalina, transposiciones y cicloadiciones. Así mismo también se trataran temas de pureza e identificación de los distintos productos. Además se incluirá un análisis crítico al método de síntesis con intención de mejorar la metodología y el rendimiento. Introducción: Desde el principio de su desarrollo, la Química Orgánica se ha relacionado estrechamente con el estudio de los seres vivos y, gracias esta rama de la Ciencia, se ha logrado sintetizar numerosas sustancias existentes en la Naturaleza y otras de origen artificial que se emplean en la lucha contra las enfermedades y el dolor1. Un ejemplo de esto es el uso de la sulfamida como un poderoso antibiótico y antiparasitario, utilizado en el tratamiento de enfermedades infecciosas 2. Casos como el de la sulfamimda muestran el valioso aporte de la química orgánica a la medicina. Otra arista de la química orgánica corresponde a la serie de productos que utilizamos cotidianamente, por ejemplo el caucho, un material prácticamente icono del desarrollo de la química organica, pilar fundamental del mundo como lo conocemos. A principios del siglo XVIII, Charles de La Condamine, descubrió que el caucho natural estaba compuesto por cadenas de hidrocarburo, con lo que dejó abierta la posibilidad de producir caucho sintético. Durante la I Guerra Mundial los químicos alemanes fabricaron caucho sintético a partir de dimetil butadieno, en vez de isopreno 3. De esta manera podemos encontrar un serie de ejemplos acerca de la importancia estratégica del desarrollo de la química orgánica. Sobre el desarrollo de las metodologías de síntesis orgánica, el ganador del Premio Nobel en 1990 Elías James Corey, introdujo el concepto de retrosintesis, el cual postula que se puede deconstruir una molécula paso a paso, formando precursores cada vez más pequeños siguiendo una serie de reglas estándar, permitiendo así la construcción de una ruta sintética certera hacia el producto deseado4. Durante los procesos de síntesis el Químico sintético debe velar siempre por la pureza y rendimiento de los productos deseados, con el objetivo de generar una reacción eficiente. Esto se logra a través de la aplicación de una serie de técnica de laboratorio las cuales están enfocadas a disminuir el número de pasos de la reacción y mejorar la pureza de los productos obtenidos. 1 http://www.escolar.com/lecturas/ciencia/la-quimica-en-relacion-con-los-seres-vivientes/contribucion.html http://es.wikipedia.org/wiki/Sulfamida 3 http://es.wikipedia.org/wiki/Caucho 4 http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADntesis_org%C3%A1nica 2 3 Objetivos: El trabajo practico en el laboratorio esta guiado a través de una serie de objetivos, los cuales pretenden ser logrados en cada uno de los experimentos, los objetivos se puntualizan a continuación: • A través del estudio de los mecanismos de reacción, contribuir a la metodología de síntesis mostrada en la guía de trabajos prácticos, dando una explicación química a cada uno de los diferentes pasos y logrando así la síntesis de la molécula objetivo. • Mediante métodos de identificación (puntos de fusión, cromatografía de capa fina y espectroscopia, solubilidad) lograr caracterizar los diferentes productos de las reacciones. • Conocer y aplicar conocimientos de técnicas de laboratorio con le objetico de llevar a cabo adecuadamente los diferentes pasos de cada una de las reacciones. Síntesis de estireno a partir de acetofenona: El estireno es un compuesto utilizado por la industria química en la producción de poliestirenos y copolimeros, es un compuesto líquido, incoloro con un dulce olor, que se evapora fácilmente5. A continuación se muestra una síntesis del estireno en 2 pasos a partir de acetofenona. Ilustración 1 En el primer paso se muestra una reducción de la acetofenona con borohidruro de sodio (ilustración 2), luego se produce una deshidratación con la ayuda del sulfato acido de potasio sobre reflujo utilizando como catalizador cobre, obteniéndose estireno. 5 http://en.wikipedia.org/wiki/Styrene 4 Reacciones involucradas: a) Reacción de reducción de un grupo ceto con borohidruro de sodio: La reducción de una molécula orgánica casi siempre corresponde a un aumento en su contenido de hidrógenos o a una disminución en su contenido de oxígenos. Por ejemplo, el convertir un ácido carboxílico en un aldehído es una reducción, por que disminuye el contenido de oxígenos. La conversión de un aldehído en un alcohol también es una reducción6. El Borohidruro de sodio es un compuesto utilizado en la reducción de aldehídos, cetonas y cloruros de ácido, soluble en alcoholes de cadena corta como metanol o etanol, en propósito de la reacción que se quiere lograr se utilizó una solución de etanol al 95%, debido a que en una solución de metanol reacciona de manera apreciable. La reacción transcurre según el siguiente mecanismo: Ilustración 2 7 6 7 Solomons, Graham, Química Orgánica, 2a Edición. México: Limusa Wiley, 2006. Cap. 11. pág. 554 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 5 b) Deshidratación con Sulfato acido de Potasio (KHSO4) : La eliminación de una molécula de agua a partir de un grupo hidroxilo en una molécula orgánica transcurre a través de una catálisis acida, debido a la necesidad de protonar el grupo para obtener una molécula de agua, esta molécula es mucho más estable en solución y por tanto se elimina de la molécula orgánica. La reacción en este caso utiliza sulfato acido de potasio ya que es un ácido más manejable que el ácido sulfúrico y no produce oxidaciones, tampoco se utiliza un ácido del tipo HX ya que estos suele dejar en solución muy buenos nucleofilos que podrían entorpecer nuestros resultados. La reacción de eliminación de un alcohol secundario en medio acido transcurre a través del siguiente mecanismo: Ilustración 3 Materiales y reactivos: El material de vidrio utilizado y los reactivos que fueron necesarios se muestran en la siguiente tabla: REACTIVOS Etanol 95% NaBH4 Acetofenona Hielo HCl 10% Diclorometano Na2SO4 anhidro Algodón CANTIDAD 25 mL 0.05 moles 12 mL KHSO4 1g Cobre en polvo NaCl 0.1 g 10 mL 40 mL MATERIALES Vaso pp. 150 mL Probeta 50-100 mL Termómetro Recipiente para hielo Gotario Embudo de decantación Erlenmeyer de 100 mL (x2) Balón de 100 mL Embudo analítico Equipo de destilación simple Manto calefactor Probeta de 10 mL Embudo de decantación Tabla 1 8 8 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 6 Procedimiento: En un vaso con 25ml de etanol al 95% disuelva 0.032 moles de borohidruro de sodio, sobre este agrege gota a gota 0.10mol de acetofenona, equivalentes a 12ml, agite con una varilla de vidrio y mantenga la temperatura bajo los 50°C, utilice baño de hielo y agua si es necesario. Una vez volcada toda la acetofenona sobre la solución observara un precipitado de color blanco, deje reposar por 15 min y agregue con agitación permanente 10ml de HCl al 10%, observara el desprendimiento de hidrogeno y como gran parte del solido se disuelve. Evapore el etanol de la solución utilizando un baño maría hasta que se separe la solución en 2 fases. Retire del baño y agregue 20ml de agua, deje enfriar y agregue 20ml de DCM y separe ambas fases con la ayuda de un embudo de decantación, transfiera la fase orgánica a un vaso pp de 100 ml, realice un segundo lavado de la fase acuosa con otros 20ml de DCM y junte ambas fases orgánicas, séquelas con sulfato de sodio anhidro, filtre y evapore en rotavapor el DCM pese y calcule el rendimiento de 1-feniletanol crudo. Tome el 1-feniletanol obtenido anteriormente y transfiéralo a un balón de 100ml agregue 1,0g de Sulfato acido de potasio y 0,1g de cobre en polvo y haga una destilación simple, regule la temperatura, que esta no supere los 130°C. Colecte los destilados en 3 partes, cabeza, cuerpo y cola, el cuerpo corresponderá al estireno crudo, mida el volumen y peso y calcule rendimientos. 9 Resultados: Para el análisis de resultados se utilizo la siguiente información correspondiente a los productos implicados en la síntesis 10: Masa molar 1-feniletanol: Densidad 1-feniletanol: Masa molar estireno: Densidad estireno: 122.17 1.01 g/mL 104.16 g/mol 0.91 g/mL Productos obtenidos durante la síntesis se muestran en la siguiente tabla: Productos 1-feniletanol (crudo) Estireno Moles 0.11083 0.061 Volumen (mL) 13,4 7.0 Masa (g) 13,54 6.37 Tabla 2 A continuación se calcula el rendimiento de cada uno de los productos y el rendimiento total con la ayuda de la siguiente ecuación: moles de producto obtenido ×100% Rendimiento = moles de producto esperado 9 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 10 Datos tomados del handbook citado en la bibliografia 7 Rendimiento de 1-feniletanol(crudo): 108% Rendimiento de la síntesis de estireno (global): 61% Se puede apreciar un evidente contenido de etanol y/o DCM en el producto de la reducción con borohidruro de sodio, esto producto de una mala eliminación de estos en el baño maría o el rotavapor, en la reacción de deshidratación no se logró recolectar adecuadamente la totalidad de estireno, apreciándose una baja en el rendimiento de la reacción, además las reacciones que transcurren a altas temperaturas suelen disminuir sus rendimientos al aumentar las probabilidades de reacciones colaterales. Espectros: A continuación se muestran los espectros de los productos y sus respectivas observaciones: 8 7 6 5 4 PPM 3 2 1 0 Ilustración 4: H-RMN teórico del 1-feniletanol 11 Ilustración 5; H-RMN “Obtenido” del 1-feniletanol sintetisado 11 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 8 Ilustración 6: Distribución de hidrógenos y sus señales en el 1-feniletanol Comparando el espectro teórico con el obtenido podemos apreciar señales que aparecen el espectro obtenido que no aparecen en el espectro teórico, estas señales pueden ser causadas por trazas de etanol y/o el DCM que existan en el producto. Esto contrastado con el resultado del cálculo de los rendimientos viene a confirmar la hipótesis inicial de un compuesto contaminado e impuro. 8 7 6 5 4 PPM 3 2 1 0 Ilustración 7: H-RMN teórico del Estireno 12 12 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 9 Ilustración 8: H-RMN obtenido del Estireno Ilustración 9: Distribución de hidrógenos y sus señales en el estireno A simple vista podemos observar una muestra con presencia de impurezas, al comparar ambos espectros se observa una serie de señales, todas las inferiores a 5ppm y una señal cercana a 6ppm, que no corresponden al espectro del estireno, estas son ejemplos de impurezas dentro del producto. Los compuestos que podrían estar presentes como impurezas dentro del producto corresponderían a DCM, etanol, 1-feniletanol y productos de reacciones colaterales de Estireno. 10 Ilustración 10: Espectro IR del estireno En el espectro podemos encontrar una señal característica de un anillo bencénico en 3000cm-1, acompañada de una señal importante en 1500cm-1 la cual muestra la presencia de un doble enlace el cual podría representar al grupo vinilo. Conclusiones: • • • A través de la síntesis propuesta se logra obtener los productos deseados, con un elevado nivel de impureza según el análisis de los espectros. La metodología empleada solo tiene funcionalidad para objetivos docentes y/o de investigación ya que como método de producción para fines industriales o comerciales resulta tener un bajísimo rendimiento. En la etapa de síntesis que dio origen al estireno, la deshidratación de 1-feniletanol, se utilizaron compuestos sin purificar con un alto grado de impureza, lo que contribuyó a empeorar el rendimiento global de la reacción. Síntesis de la Sulfanilamida: Las sulfanilamidas conocidas de manera grupal como sulfas, corresponden a un grupo de fármacos utilizados para el tratamiento de infecciones y como antiparasitarios principalmente en medicina humana y veterinaria, fueron medicamentos pioneros en el tratamiento de una serie de enfermedades 13. A continuación se muestra el método utilizado en el laboratorio para la síntesis de la sulfanilamida en 3 pasos partiendo desde la acetanilida, debido a su actividad, la cual favorece en la posición para del anillo bencénico: 13 http://es.wikipedia.org/wiki/Sulfamida#Indicaciones 11 Ilustración 11: Metodología empleada para la síntesis de Sulfanilamida En el primer paso existe una sulfonacion con ácido clorosulfonico, seguido de una amonolisis del grupo sulfonilo sobre placa calefactora para terminar con una hidrolisis acida del grupo acetamido. Reacciones involucradas: a) Reaccion de Sulfonacion con ácido Clorosulfonico: El ácido clorosulfonico es una mescla de HCl y acido sulfúrico, es un acido altamente corrosivo y se debe manejar con extrema precaución. Es un reactivo utilizado ampliamente en la química de compuestos aromáticos, utilizado por ejemplo en la síntesis temprana de sacarina 14. Se utiliza tanto para sulfonaciones como para clorosulfonaciones. El mecanismo de la reacción transcurre como se indica a continuación: Ilustración 12: Mecanismo de sulfonacion con acido clorosulfonico 15. b) Reacción de amonolisis del grupo sulfonilo: El hidróxido de amonio resulta de la mezcla de amoniaco en agua, este compuesto es utilizado para realizar ataques nucleofilicos por parte del nitrogeno a centros electrofilicos16. Para el caso de esta reacción el nitrógeno de amonio atacara al 14 http://centrodeartigo.com/articulos-enciclopedicos/article_91661.html https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 16 http://en.wikipedia.org/wiki/Ammonium_hydroxide 15 12 azufre del grupo clorosulfonilo y desplazara al cloro de la molécula, acercándonos a la sulfanilamida. El mecanismo se muestra a continuación: Ilustración 13: Reacción de amonolisis de un grupo clorosulfonilo 17 c) Reacción de hidrolisis acida del grupo acetamido: El grupo acetamido en nuestra molécula ha sido utilizado como un grupo protector y director en para, pero ya no posee una funcionalidad para nosotros y necesitamos retirarlo, las aminas son grupos relativamente estable y necesitan de condiciones bastante drásticas para hidrolizarse, es por eso que esta reacción se lleva a cabo en presencia de HCl concentrado y reflujo, para esta reacción se apreciara el olor característico del ácido acético, el cual evidencia la hidrolisis, las condiciones de reacción serán muy drásticas lo que generara reacciones colaterales, es por esto que será necesario tratar la solución con carbono activado para mejorar la pureza y el rendimiento de la reacción, a continuación se muestra el mecanismo de hidrolisis del grupo acetamido: Ilustración 14: Hidrolisis del grupo acetamido 18 Materiales y reactivos: A continuación se muestran los reactivos y materiales utilizados para la síntesis de de sulfanilamida: REACTIVOS ClSO3H Acetanilida NH4OH (28%) HCl 10% 17 18 CANTIDAD 20 mL 7g 25 mL 40-50 mL MATERIALES Erlenmeyer 125 mL Varilla de vidrio Recipiente para hielo Vaso pp. 400 mL https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 13 HCl (conc.) Na2CO3 Carbón activado 7 mL 0.5 g Matraz Kitasato Embudo Büchner Papel filtro Probeta 100 mL Espátula Mechero Balón de 100 mL Condensador de reflujo Manta calefactora Vaso pp. grande Vaso pp. 150 mL Embudo analítico Tabla 3 19 Procedimiento: Sobre un matraz de 125ml agregue 7,0g de acetanilida y caliéntelo en mechero hasta que se funda, retire de la llama y mueva el líquido para que cubra el fondo de manera homogénea, bajo campana agregue 20ml de ácido clorosulfonico de una sola vez. Si la reacción es muy violenta utilicé hielo para enfriar, una vez que ya no se observe reacción a temperatura ambiente, caliente a baño maría hirviendo por 10 min. Deje enfriar y transfiera lentamente con ayuda de un gotario el líquido sobre un vaso pp de 400ml que contiene 150g de hielo y 50ml de agua destilada, agite con una varilla de vidrio. Con ayuda de la varilla rompa los grumos de precipitado y obtenga una solución con suspensión homogénea, filtre y lave los cristales con 25 ml de agua fría. Transfiera los cristales a un matraz Erlenmeyer de 135ml y agregue 25ml de hidróxido de amonio al 28% mueva el matraz para obtener una pasta delgada y homogénea, caliente sobre placa calefactora bajo campana para completar la reacción. Enfrié en hielo y agregue lentamente entre 40 y 50 ml de HCl a 10% hasta lograr pH acido, mantenga la mezcla fría durante la acidificación, filtre al vació y lave los cristales con 25ml de agua helada. Transfiera el sólido a un balón de 100ml y agregue 7ml de HCl concentrado, 15ml de agua y un par de perlas de ebullición, caliente a reflujo suave por 20 min cuando comience a hervir mueva suavemente para ayudar a disolver el sólido. Una vez pasados los 20 min agregar a la solución homogénea 0,5g de carbón activado y 10ml de agua. Vuelva a reflujo 5 min más. Filtre en embudo analítico en caliente enjuague el balón con agua caliente, neutralice el acido agregando pequeñas cantidades de carbonato de sodio hasta pH alcalino, filtre el precipitado, recristalice en agua caliente, filtre al vacio, deje secar y pese 20. 19 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 20 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 14 Resultados: A continuación se muestra una serie de datos, los cuales fueron utilizados para el cálculo de rendimiento en este práctico 21 MM. sulfanilamida: MM. Acetanilida: 172.20 g/mol 135.16 g/mol A continuación se muestra la cantidad de producto de partida y la cantidad de sulfanilamida sintetizada luego de purificarla por recristalizacion. Productos Acetanilida Sulfanilamida Moles 0.05179 0.03179 Masa (g) 7,0 5,4 Tabla 4 El rendimiento se calcula a partir de la siguiente formula: Rendimiento = moles de producto obtenido ×100% moles de producto esperado Obteniendose para la síntesis de la sulfanilamida un rendimiento total de: 60,63% Sobre los resultados podemos apreciar un rendimiento que si es podible mejorar a través del perfeccionamiento de las técnicas utilizadas en el laboratorio. Los momentos donde existen mas posibilidades de perder compuesto son las filtraciones, luego de obtener el compuesto y luego de la cristalización, para reducir la perdida de rendimiento en estos momentos es necesario filtrar con agua extremadamente fría. Además es importante que la hidrolisis del grupo acetamido sea justo en el tiempo especificado, ya que si se deja mas tiempo aumentaran las reacciones colaterales, reduciendo el rendimento. Además se tomó punto de fusión de la sulfanilamifa lo que se muestra en la siguiente tabla: Productos Sulfanilamida Punto de fusión teórico(°C) 164-165 22 Punto de fusión Obtenido (°C) 165-166 Tabla 5 En la medida de punto de fusión de la muestra se observa un alto grado de pureza, no siendo absoluto, lo que habla de un buen procedimiento de recristalizacion. Además se realizaron pruebas de solubilidad en soluciones de HCl 10% y NaOH 10%, resultando ser completamente soluble en solución acida y nada soluble en solución alcalina. 21 22 Datos tomados del handbook citado en la bibliografía Datos tomados del handbook citado en la bibliografía 15 Espectros: A continuación se muestran los espectros de la sulfanilamida: 8 7 6 5 4 PPM 3 2 1 0 Ilustración 15: H-RMN teórico de la sulfanilamida 23 Ilustración 16: H-RMN “Obtenido” de la Sulfanilamida 23 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 16 Ilustración 17, distribución de hidrógenos en la molécula de sulfanilamida Tipo de hidrógeno (A) (B) (C) (D) Desplazamiento aprox (ppm) 2.0 6.25 6.60 7.60 Multiplicidad Singulete Doblete Doblete Doblete Tabla 6 La tabla muestra el desplazamiento de los hidrógenos de la sulfanilamida, el desplazamiento de (A) no es apreciable en el espectro obtenido pero si en el espectro teórico, por eso se indica en la tabla 6. En el espectro podemos observar señales muy marcadas cercanas a 7,6 las cuales mostrarían a los hidrógenos (D) muy desprotegidos por efecto del grupo SO2 adyacente al carbono adyacente. En contraste el espectro obtenido muestra pequeñas impurezas, (señales no coincidentes con el espectro teorico), estas pueden corresponder a moléculas que no lograron hidrolizar y/o acetanilida que nunca reacciono. Conclusiones: • • • La síntesis de sulfanilamida, trascurre adecuadamente en 3 logrando obtener un rendimiento del 60,6% aproximadamente. La síntesis puede mejorar su rendimiento cuidando ciertos aspectos técnicos como el lavado de los cristales y las relaciones molares en las reacciones. En base a criterios de punto de fusión, podemos observar un producto relativamente puro, por su cercanía al punto de fusión teórico. Esto muestra la efectividad del método de purificación utilizado, recristalizacion en agua caliente. Es necesario un especial cuidado en el uso de los reactivos químicos durante este práctico debido a la elevada toxicidad de algunos de estos. 17 Síntesis de 2,3-difenilQuinoxalina a partir de benzaldehído: Las Quinoxalinas corresponden a un grupo de compuestos que en su estructura básica están compuestos por un anillo complejo formado por un anillo de benceno unido a un anillo de pirazina, estos compuestos se utilizan en medicina como antibióticos y en la industria química como tintes. A continuación se muestra un mecanismo de síntesis de la 2,3difenilQuinoxalina en tres pasos: Ilustración 18: mecanismo de síntesis de la 2,3-difenilQuinoxalina desde benzaldehído. En la primera etapa observamos una reacción de condensación en la cual se forma la benzoina, esta posterior mente es tratada con ácido nítrico para oxidar el grupo hidroxilo y obtener el bencilo, el cual es puesto a baño maría junto con la ortofenilendiamina para obtener finalmente el producto 2,3-difenilQuinoxalina. Los científicos Majid M. Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie, proponen un mecanismo similar en el último paso con la diferencia de la inclusión de un catalizador (IBX) con la finalidad de mejorar el rendimiento24. Reacciones Involucradas: a) Reacción de Condensación del benzaldehído: La reacción de condensación del benzaldehído se lleva a cabo en una solución de etanol en presencia de KCN, el cual entrega a la solución el ion CN-, quien actua como catalizador y favorece la condensación. El rol del ion cianuro en primera instancia es atacar como nucleofilo el benzaldehído, para dar comienzo a la reacción 25 como se muestra en el siguiente mecanismo: 24 Facile synthesis of quinoxaline DERIVATIVES using o-iodoxybenzoic acid (IBX) at room temperature (06-2190LP) Majid M. Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie ARKIVOC 2006, link: http://www.arkat-usa.org/get-file/22877/ 25 http://es.wikipedia.org/wiki/Condensaci%C3%B3n_benzo%C3%ADnica 18 Ilustración 19: mecanismo de condensación benzoica del benzaldehído catalizada por el ion cianuro. 26 b) Oxidación del grupo hidroxilo con HNO3: La reacción de oxidación de un alcohol secundario en medio suave da origen a una cetona, la reacción de alcoholes primarios en las mismas condiciones de origen a aldehídos y la reacción de estos en medios fuertemente oxidativos da origen a ácidos carboxílicos (grupo funcional más oxidado). El proceso de oxidación con ácido nítrico da origen a vapores de alta toxicidad de color marrón, he ahí la importancia de realizar la reacción bajo campana, el mecanismo de reacción de un alcohol secundario se muestra a continuación: Ilustración 20: Oxidación con HNO3 de un alcohol secundario. 27 c) Reacción de condensación del grupo carbonilo junto con el grupo amino (formación de iminas): La reacción transcurre con un ataque del grupo amino al centro electrofilico del grupo carbonilo dando origen a una reacción que resultara con una imina, las iminas o bases de Schiff son grupos fácilmente hidrolizables, que dan origen a aminas secundarias28 , El mecanismo de rteaccion se muestra a continuación: 26 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 28 http://www.quimicaorganica.org/aldehidos-y-cetonas/230-formacion-de-iminas.html 27 19 Ilustración 21: Reacción de formación de una imina. Materiales y reactivos: A continuación se muestra una tabla con os materiales y reactivos utilizados en la síntesis: REACTIVOS KCN Etanol 95% Benzaldehído Etanol 95% HNO3 (conc.) NaOH 10% o-fenilendiamina Metanol CANTIDAD 1.5 g 20 mL 20 mL 14 mL 100 mg MATERIALES Manta calefactora Condensador de reflujo Balón de 100 mL Erlenmeyer 250 mL Vaso pp. 50 mL Gotario Embudo Büchner Matraz Kitasato Varilla de vidrio Dedo frío Espátula Tubo de ensayos Vaso pp. 400 mL Tabla 7 29 Procedimiento: Ponga 1,5g de KCN en una balón de 100ml, agregue 15ml de agua, 30 ml de etanol al 95% y 15ml de benzaldehído puro, agregue perlas y someta a reflujo suave sobre manto calefactor por 30 min, retire y enfrié. Filtre los cristales y lávelos con etanol-agua 50%, informe rendimiento de benzoina. Tome 4g de benzoina agréguelos a un matraz Erlenmeyer de 250ml y adhiera 14 ml de acido nítrico concentrado bajo campana. Caliente y espere a que termine la emanación de todos los vapores aprox 11 min. Agregue 75 ml de agua y enfrié a temperatura ambiente y remueva suavemente para favorecer cristalización. Filtre al vacío y recristalice desde etanol. Filtre nuevamente deje secar pese y calcule rendimiento. Para determinar si la benzoina se oxido completamente agregue una pisca en 0,5 ml de etanol o metanol y agregué 1 gota de NaOH al 10%, si se tiñe purpura es porque la benzoina no fue completamente oxidada. Purifique con la ayuda de un dedo frio 200mg de ortofenilendiamina, en un tubo de enseayos de boca ancha coloque 0,2g de bencilo y 0,1g de ortofenilendiamina purificada. Caliente a baño maria por 10 min y observe la aparición de cristales nuevos de color amarillo suave. Disuelva en aprox 5 ml de metanol caliente y deje cristalizar, si no 29 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 20 cristaliza caliente nuevamente y diluya con un poco de agua para saturar, filtre rápidamente para evitar la hidrolisis. 30 Resultados: Para el análisis de resultados se utiliza la siguiente información31: Densidad benzaldehído: Masa molar benzaldehído: Masa molar benzoína: Masa molar bencilo: Masa molar o-fenilendiamina: Masa molar 2,3-difenilquinoxalina: 1.04 g/mL 106.13 g/mol 212.24 g/mol 210.23 g/mol 108.14 g/mol 282.34 g/mol Los productos obtenidos cada una de las etapas se muestran en la siguiente tabla: Productos Benzoina Bencilo 2,3-difenilQuinoxalina Moles 0,063 0,019 5,319E-4 Masa (g) 13,35 4,0 0,15 Tabla 8 Los rendimentos de cada una de las etapas fueron calculados con la siguiente ecuación: Rendimiento = moles de producto obtenido ×100% moles de producto esperado Rendimiento en la síntesis de benzoina: 85% Rendimiento en la síntesis de Bencilo: 98,6% Rendimiento en la síntesis de 1,3-difenilquinoxalina: 55,93% Rendimiento total de la reacción: 46,87% Los rendimientos en las primeras 2 etapas fueron muy buenos, lo que indica un buen funcionamiento y una adecuada elección del cianuro como catalizador, la oxidación con ácido nítrico transcurrió de manera casi perfecta, el becilo paso la prueba de color con NaOH, lo que indica que todo el producto fue oxidado, observándose un compuesto de alta pureza, los rendimientos vinculados a esta reacción por lo general son altos, observándose los valores esperados 32. En la última reacción se aprecia una baja considerable del rendimiento, esto es contrastable con el rendimiento obtenido por los científicos Majid M. 30 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 31 32 Datos tomados del handbook citado en la bibliografía http://en.wikipedia.org/wiki/Nitric_acid 21 Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie, en cuya reacción catalizada por (IBX) obtienen un 98% de rendimiento 33. El bajo rendimiento en la última etapa de la reacción, puede ser atribuible aun mal proceso de recristalizacion. Espectros: A continuación se muestran los espectros obtenidos para los compuestos sintetizados: 9 8 7 6 5 PPM 4 3 2 1 0 Ilustración 22: H-RMN teórico Benzoina 34 Ilustración 23: H-RMN “Obtenido” de la benzoina 33 Facile synthesis of quinoxaline DERIVATIVES using o-iodoxybenzoic acid (IBX) at room temperature (06-2190LP) Majid M. Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie ARKIVOC 2006, link: http://www.arkat-usa.org/get-file/22877/ 34 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 22 (d) (c) O (d) (g) (d) (b) (e) (c) (f ) OH (g) (a) (e) Ilustración 24: Distribucion de hidrógenos de la benzoina. 35 Tipo de hidrógeno (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) Desplazamiento aprox (ppm) 3.65 6.0 7.35 7.40 7.55 7.65 7.95 Multiplicidad Doblete Doblete Doblete Triplete Triplete Triplete Doblete Tabla 9 (g) esta a bajo campo, es el mas cercano al carbonilo, es doblete e integra para dos, en los picos cercanos a 6,0 ppm pueden verse dobletes debido a la cercanía de los hidrógenos del anillo. Los hidrógenos (e) y (d) presentan una coincidencia con tripletes que solapan cercanos a 7,5. Los protones (f), (e), (g), presentan señales típicas de anillos aromáticos .Los espectros coinciden con la molécula y se aprecia una pureza relativa. 9 8 7 6 5 PPM 4 3 2 1 0 Ilustración 25: H-RMN Teórico Bencilo 36 35 36 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 23 Ilustración 26: H-RMN “obtenido” Bencilo (a) (c) O (b) (c) (a) (a) (c) O (c) (b) (a) Ilustración 27: distribución e hidrógenos del bencilo 37 Tipo de hidrógeno (a) (b) (c) Desplazamiento (ppm) Multiplicidad 7.65 7.70 7.90 Triplete Triplete Doblete Tabla 10 (c) Muestra la señal cercana a los grupos carbonilos, siendo el único doblete. Mientras que (a) representado en un triplete central fue integrado para 1 da cuenta de un protón, además muestra la señal de los 2 hidrógenos mas alejados 37 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 24 8 7 5 6 4 PPM 2 3 1 0 Ilustración 28: H-RMN teórico 1,3-difenilquinoxalina 38 Ilustración 29: H-RMN “Obtenido” 2,3-difenilQuinoxalina (c) (a) (b) (e) N (c) (d) (b) (b) (d) (e) (c) N (a) (b) (c) Ilustración 30: distribución de hidrogenos en 2,3-difenilquinoxalina. 39 38 39 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 25 Tipo de hidrógeno (a) (b) (c) (d) (e) Desplazamiento (ppm) Multiplicidad 7.40 7.45 7.50 7.65 7.80 Triplete Doblete Triplete Triplete Doblete Tabla 11 Existe en la señal obtenida un pico cercano a 3ppm que forma parte del solvente. En los espectros podemos apreciar la clara presencia de hidrógenos aromáticos, siendo los más desprotegidos los del tipo (e), al ser los más cercanos a los nitrógenos de las iminas. En contraste se aprecia solamente la clara diferencia del pico marcado por el solvente, determinado un compuesto con un alto grado de pureza. A continuación se muestra una tabla con los puntos de fusión obtenidos y los teóricos para cada uno de los compuestos sintetizados: Productos Benzoina Bencilo 2,3-difenilQuinoxalina Punto de fusión teorico (°C) 133-134 91-93 125-126 Punto de fusión obtenido (°C) 137 95-96 125-128 Tabla 12 La coincidencia en los puntos de fusión de los productos muestra en el caso de la quinoxalina un altísimo grado de pureza, no siendo tan elevado en las moléculas benzoina y bencilo. Conclusiones: • • • • La reacción de síntesis de la 2,3-difenilquinoxalina, presenta un mecanismo favorable al rendimiento de la reacción, obteniéndose buenos resultados en tanto rendimiento (46,8%) y en tanto pureza. En el tratamiento de residuos de la condensación del benzaldehído se debe presentar especial atención debido al contenido de ion cianuro, el cual es muy venenoso. La reacción de condensación que da origen a la quinoxalina puede ser catalizada por (IBX) obteniéndose un 98% de rendimiento 40, lo cual supera inmensamente el rendimiento obtenido en nuestro mecanismo. El proceso de cristalización de la quinoxalina, presento dificultad la cual pudo desencadenar en una baja del rendimiento. 40 Facile synthesis of quinoxaline DERIVATIVES using o-iodoxybenzoic acid (IBX) at room temperature (06-2190LP) Majid M. Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie ARKIVOC 2006, link: http://www.arkat-usa.org/get-file/22877/ 26 Transposiciones y cicloadiciones: Síntesis de Acido bencílico a partir de bencilo: La Transposición de ácido bencílico es una reacción orgánica que consiste la conversión de la 1,2-difeniletanodiona (ó Benzilo) al ácido 2,2-difenil-2-hidroxietanoico (Ácido bencílico) en presencia de hidróxido de potasio. Descrita por primera vez por por Justus Liebig en 1838,1 este tipo de reacción se aplica a 1,2-diarilcetonas en general para obtener ácidos α-hidroxicarboxílicos.2 Esta reacción de dicetonas está relacionada con otras transposiciones, tales como el reordenamiento pinacol-pinacolona. 41 La síntesis transcurre en un paso a través del siguiente método: Ilustración 31: mecanismo de síntesis del acido bencílico. Reacciones involucradas: La transposición del grupo fenilo ocurre luego de un ataque del grupo hidroxilo a un carbonilo, esta reacción requiere de energía por lo cual se realiza en presencia de reflujo suave, la migración del grupo fenilo tipo es posible debido a su alta capacidad migratoria al poseer enlaces ricos en electrones, en migración forma el intermediario mostrado en (#), el mecanismo se muestra en detalle a continuación: Ilustración 32: mecanismo de reordenamiento para dar acido bencílico. 42 41 42 http://es.wikipedia.org/wiki/Transposici%C3%B3n_del_%C3%A1cido_benc%C3%ADlico http://es.wikipedia.org/wiki/Transposici%C3%B3n_del_%C3%A1cido_benc%C3%ADlico 27 Materiales y Reactivos: A continuación se detallan los materiales y reactivos utilizados en el procedimiento: REACTIVOS KOH Etanol 95% Carbón activado Bencilo HCl 4M CANTIDAD 2.5 g 20 mL 2g MATERIALES Balón de 100 mL Condensador de reflujo Manto calefactor Embudo Büchner Matraz Kitasato Espátula Vidrio reloj Bureta Vaso pp. 200 mL (x2) Varilla de vidrio Probeta 50 mL Tabla 13 43 Procedimiento: En un balón de 50ml coloque 6 ml de etanol, 5 ml de una solución 30% de KOH en agua y 2 g de bencilo, preocúpese de disolver cualquier solido presente agregue una perla de ebullición y someta a reflujo suave por 15 min desde la ebullición, terminado el reflujo vacié en caliente sobre 100ml de agua destilada, deje reposar 5 min y luego caliente sin sobrepasar los 50°C sobre placa calefactora agregue 1g de carbón activado y agite durante 1 minuto, filtre en caliente sobre papel plegado. Coloque sobre 50g de hielo 20-30ml de la solución filtrada y sobre esto agregue cuidadosamente 10ml de HCL 12M, agite con una varilla, agregue el resto de solución cuidadosamente. Preocúpese de alcanzar un pH de 3, no más ni menos. Enfrié sobre hielo y agua hasta obtener un montón de cristales filtre al vacío y lave con agua muy fría, recristalice el ácido bencílico con la menos cantidad de agua hirviendo posible, filtre, seque, pese e informe.44 Resultados: Para el análisis de resultados se utilizaron los siguientes datos: 45 Masa molar ác. bencílico: Masa molar bencilo: Productos Ac. Bencilico 228.24 g/mol 210.23 g/mol Moles 2,51E-3 Masa (g) 0,53 Tabla 14 43 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 44 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 45 Datos tomados del handbook citado en la bibliografía 28 El rendimiento de la reacción fue calculado con la siguiente ecuación: Rendimiento = moles de producto obtenido ×100% moles de producto esperado El rendimiento para la síntesis de Ac. Bencílico: 26,4% En la siguiente tabla se muestra el punto de fusión obtenido del producto versus el punto de fusión teórico. Productos Ac. Bencilico Punto de fusión teorico (°C) 151 Punto de fusión obtenido (°C) 150 Tabla 15 El valor del punto de fusión obtenido habla de un alto grado de pureza del compuesto demostrando que el método en cuanto a pureza es efectivo, en cuanto a rendimiento podemos observar un una baja considerable de este, producto de un sin numero de desarreglos en la metodología de síntesis, además se pueden identificar errores con efecto cascada en el rendimiento como lo fue el uso excesivo de ácido, lo que resulto en un cristal que difícilmente resultaría recristalizado por una pequeña porción de agua, obligando al lavado con gran cantidad de agua al momento de filtrar para retirar los protones y llevar a cabo una recristalisacion decente. Este error nos costó sin duda una parte importante del producto. Espectros: A continuación se muestran los espectros teóricos y obtenidos para el acido bencilico: 12 10 8 6 PPM 4 2 0 Ilustración 33: H-RMN teórico del ácido bencílico 46 46 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 29 Ilustración 34: H-RMN Obtenido del ácido bencílico. (c) (c) (c) (b) (b) (b) OH (d) (c) OH (c) (b) (a) O (c) Ilustración 35: distribución de hidrógenos en el acido carboxílico 47. El espectro muestra entre 7,2 y 7,4 ppm aprox. un doblete y un triplete solapados producto de los hidrógenos (b) y (c), el hidrogeno del grupo alcohólico se muestra en 3,5 ppm aprox. Debido a la cercanía con el grupo carboxílico y el oxígeno aledaño. El protón perteneciente al acido, no aparece en el espectro debido a su interacción con el solvente. El espectro muestra una molécula con un nivel de pureza alto, apreciado en la coincidencia de los espectros teórico y obtenido. 47 https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 30 Conclusiones: • El Protocolo debe ser más claro y especifico al momento de cuantificar la cantidad exacta de ácido para inducir la cristalización, ya que este paso resulta determinante al momento de obtener un rendimiento aceptable. • El método de síntesis en cuando a pureza es bueno, a través de la toma de puntos de fusión logramos concluir la elevada pureza del producto. • Es muy importante manejar con extremo cuidado las recristalizaciones ya que es en este momento donde existe una perdida apreciable de producto, reduciendo el rendimiento. Síntesis del 9,10-dihidroantreacen-9,10-alfa, beta-succinico (Diels-Alder) La reacción de Diels-Alder es una de las reacciones más importantes en la química orgánica para la formación de anillos de seis eslabones. La reacción tiene lugar entre un compuesto con dos dobles ENLACES conjugados (dieno) y una olefina simple (dienófilo). Otto Paul Hermann Diels y Kurt Alder documentaron por primera vez la reacción 1928 por el que fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1950 por su trabajo. El primer ejemplo descrito es la reacción entre el 1,3-butadieno y el eteno.48 La reacción Diels-Alder estudiada en este practico corresponde a la condensación del antraceno con el anhídrido maleico, un esquema de la reacción se muestra a continuación: O O O + O O xilano reflujo O Ilustración 36: reacción diels-alder. 49 La síntesis trascurre en un paso, con un mecanismo bastante particular al ser una reacción concertada el mecanismo se muestra a continuación: Ilustración 37: mecanismo reacción diels-alder. 48 49 http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_de_Diels-Alder https://es.scribd.com/doc/84604185/Laboratorio-de-sintesis-organica 31 Reactivos y materiales: A continuación se muestra una tabla que muestra los reactivos y materiales utilizados en la síntesis: REACTIVOS Antraceno Anhídrido maleico Xileno CANTIDAD 2g 1.15 g 25 mL MATERIALES Balón de 100 mL Condensador de reflujo Manto calefactor Matraz Kitasato Embudo Büchner Varilla de vidrio Espátula Tabla 16 50 Procedimiento: Agregue 2g de antraceno, 1,15g de anhídrido maleico y 25ml de xileno en un balón de 100 ml, someta a reflujo por 20 min. Luego finalizado el reflujo deje enfriar a temperatura ambiente hasta la formación de cristales. Filtre al vacío y lave con muy poco etanol frio, pese y determine punto de fusión. Resultados: Para el cálculo de resultados se utilizó la siguiente información:51 Masa molar Diels-Alder: Masa molar antraceno: Masa molar anhídrido maleico: 276.28 g/mol 178.23 g/mol 98.06 g/mol La cantidad de producto obtenida se muestra en la siguiente tabla: Productos Diels-Alder Moles 9,70E-3 Masa (g) 2,68 Tabla 17 50 Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 51 Datos tomados del handbook citado en la bibliografía 32 El rendimiento se calcula con la siguiente ecuación: Rendimiento = moles de producto obtenido ×100% moles de producto esperado El rendimiento para la reacción Diels-Alder: 86,43% Al producto Diels-Alder obtenido se le tomo el punto de fusión obteniéndose los datos mostrados en la siguiente tabla: Productos Diels-Alder Punto de fusión teórico (°C) 262-264 Punto de fusión obtenido (°C) 261-262 Tabla 18 El rendimiento de la reacción es alto 86,43%, con un alto nivel de pureza, sin necesidad de haber purificado de alguna manera la muestra. Esto es indicador claro de una reacción altamente selectiva en cuando a los centros de reacción. Los reactivos no reaccionan con el solvente, sino que solo entre ellos, esto debido a las condiciones de reacción para una condensación de este tipo, esto quiere decir que la energía de activación para la reacción con algún anillo aromático es muy elevada, no alcanzándose y por tanto no observándose productos de una reacción de ese tipo. Una fuente de perdida nuevamente es el filtrado, he ahí la importancia de lavar con una solución de etanol muy frio. Conclusiones: • Las reacciones de tipo Diels-Alder no ocurren sobre dobles enlaces de anillos aromáticos, debido a la alta energía de activación necesaria para este proceso. • La reacción posee un buen rendimiento y una pureza alta relativa, indicada por el punto de fusión del producto, no posee mayores inconvenientes. • Las reacciones de Diels-Alder son reacciones utilizadas para sintetizar anillos de seis miembros principalmente, y en este caso para sintetizar anillos complejos. 33 Placas Cromatograficas: A continuación se muestran las placas cromatografías de todos los productos: En la siguiente tabla se muestran los Rf de cada uno de los productos: Sigla A B C D E F Producto Sulfanilamida Ac. Bencilico Producto Diels-Alder Benzoina Bencilo Quinoxalina Rf 0,4375 0,25 0,667 0,0435 0,2826 0,08696 Tabla 19 Discusiones Generales: La realización de los prácticos estuvo enmarcada dentro de un proceso de capitalización del conocimiento acumulado en los cursos de orgánica y técnicas de laboratorio, tocando aspectos diversos de la técnica y la teoría de la química orgánica. En general los métodos aplicados fueron certeros al momento de generar síntesis con rendimientos relativamente altos, acompañados de compuestos con una pureza relativa importante, esto habla bien de la utilización de técnicas de purificación como sublimación y recristalización. Transversalmente logramos reconocer que un descuido en el filtrado o recristalizacion de los productos obtenidos nos cuesta una cantidad importante de rendimiento, siendo esta la principal causa reconocida de los rendimientos obtenidos. También podemos reconocer la importancia de los métodos espectroscópicos al momento de identificar y estimar la pureza de un compuesto, por supuesto es importante recalcar que cada uno de los métodos de caracterización, identificación y determinación de pureza funcionan como un complemento, ya que al apreciar más variables es más certero el análisis y la estimación de la pureza de un compuesto. 34 Conclusiones Generales: • Se debe poner especial ahínco en el cuidado de los aspectos técnicos del trabajo en el laboratorio ya que esta es la variable en la cual podemos apreciar una mayor vinculación con la baja de los rendimientos obtenidos. • La serie de prácticos recogidos por este informe nos permite trabajar y conocer en aspectos generales algunas de las grandes áreas de trabajo de la síntesis orgánica, utilizando muchas de sus técnicas principales y reacciones más esgrimidas. • La espectroscopia acompañada de métodos como el punto de función, cromatografía de capa fina y diferentes test específicos resultan fundamentales a la hora de caracterizar un compuesto. Bibliografía: 1. WEAST, Robert C., Editor-in-Chief. Handbook of Chemistry and Physics, 65th Edition. EEUU, CRCPress Inc., 1985. 2. Labbé, C.; Guías de laboratorios: Química orgánica III; Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile, 2014. 3. Facile synthesis of quinoxaline DERIVATIVES using o-iodoxybenzoic acid (IBX) at room temperature (06-2190LP) Majid M. Heravi, Khadijeh Bakhtiari, Maryam H. Tehrani, Negar M. Javadi, and Hossien A. Oskooie ARKIVOC 2006, link: http://www.arkat-usa.org/get-file/22877 4. BROWN, D. J. Quinoxalines. EEUU, John Wiley and Sons, Inc., 2004. 35