QUÍMICA ORGÁNICA EXPERIMENTAL

1UNIVERSIDAD DEL ATLÁNTICO FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA QUÍMICA ORGÁNICA EXPERIMENTAL I MANUAL DE LABORATORIO. BARRANQUILLA 2000 NORMAS GENERALES PARA EL DESARROLLO DE LAS PRACTICAS DE LABORATORIO 2 Para lograr un excelente desarrollo de las prácticas en el laboratorio, deben de tenerse en cuenta la siguientes normas, y otras que el profesor le señale oportunamente : 1. Llegue a tiempo al laboratorio. Las prácticas están normalmente programadas para ocupar todo el tiempo asignado. 2. Leer cuidadosamente las guías antes de cada período de trabajo y nunca llegue al laboratorio sin estar enterado de lo que va a hacer. Consulte al instructor o profesor siempre que tenga dudas. 3. No se permitirá a ningún estudiante entrar al laboratorio sin su bata, gafas de seguridad, máscara de seguridad y manual o guía de práctica. 4. El material de trabajo es propiedad de la institución y debe ser devuelto en las mismas condiciones en las cuales le fue entregado. El estudiante debe reponer en un lapso máximo de dos semanas todo material que dañe o rompa. 5. Antes de iniciar su trabajo revise el material, puede estar deteriorado o inservible y se le puede cobrar a usted. Avise al monitor si encuentra algo fuera de lo normal. 6. Lave perfectamente todo el material que va a emplear. Igualmente entréguelo limpio y seco. Ningún estudiante puede retirarse del laboratorio sin el cumplimiento de lo anterior. 7. En todos los trabajos es indispensable la limpieza, exactitud, paciencia y el orden, 8. En el laboratorio está prohibido realizar cualquier actividad diferente a las contempladas en la guía, salvo que exista autorización expresa del profesor. Por lo tanto no fume, no camine innecesariamente, no juegue, etc. 9. Use los reactivos en las cantidades y concentraciones que se indican en la guía. 10. No se retire del laboratorio sin motivo justificado. El profesor puede dejarlo fuera del salón el resto de la experiencia. 11. Confíe en su trabajo e informe siempre los resultados obtenidos por usted. No copie resultados de sus compañeros u otros grupos, pues ellos pueden estar equivocados. 12. Utilice siempre la bata para realizar las prácticas. La bata lo protege a usted y a su ropa de muchos accidentes. 13. Presente su informe cuándo se le indique, nunca después sin justa causa. 14. Los desechos sólidos que no sean reactivos ni estén contaminados deben ser arrojados a los recipientes destinados para ello. Los solventes y reactivos son eliminados de acuerdo con las instrucciones del profesor. No los vierta a los sumideros sin autorización. 15. Al emplear pipetas o goteros no los intercambie de recipiente o frasco donde se suministre el reactivo pues se contaminan las sustancias, daña la experiencia y el resto del reactivo. Los reactivos usados nunca deben volverse a vaciar en los frascos. 16. En caso de accidente (quemadura, contacto del reactivo con la piel u ojos, heridas, etc.) avise inmediatamente al profesor o al monitor. En las guías se indica cuando debe aumentar sus precauciones; sin embargo, como norma general, trabaje siempre con extrema cautela. 3 17. Nunca destruya los rótulos de los frascos. Al concluir la práctica revise las llaves del agua y del gas. 18. Nunca pruebe una sustancia del laboratorio sin autorización del profesor. Para oler una sustancia, ventile sus vapores hacia su nariz. No debe llevarse las manos impregnadas de sustancias químicas a los ojos, boca o nariz. No utilice los implementos de laboratorio para beber en ellos. 19. La dedicación al trabajo, puntualidad, corrección en el comportamiento, limpieza en el sitio de trabajo y la adecuada metodología empleada serán aspectos muy importantes en la evaluación de cada práctica. 20. Nunca caliente solventes inflamables (éteres, cetonas, hidrocarburos...) aún en pequeñas cantidades con una llama cerca, amenos que el solvente esté en un recipiente unido a un condensador. No transfiera inflamables de un recipiente a otro cerca de una llama. 21. No caliente un sistema cerrado. 22. Jamás pipeteé ácidos, bases o sustancias tóxicas con la boca. 23. No hacer vacío en recipientes de vidrio delgado. 24. Al transferir o manejar materiales que desprendan vapores nocivos , trabaje en un a vitrina con succión. Algunos de estos materiales son: Tricloruro de fósforo, bromo, ácido clorosulfónico, cloruro de benceno sulfonilo, ácido nítrico fumante, cloruro de acetilo, ácido clorhídrico y sulfúrico concentrados. 25. Para diluir ácido sulfúrico, este debe agregarse muy lentamente al agua, pero nunca el agua al ácido. EN CASO DE ACCIDENTES. Los accidentes más comunes en el laboratorio son cortaduras leves y quemaduras. En caso de cortadura se aplica un antiséptico y un vendaje. Sin embargo si hay sangrado fuerte acudir al auxilio médico. Recordar que tanto el material de vidrio como metálico caliente tiene la misma apariencia del material frío. En caso de fuego el estudiante ante todo debe retirarse del peligro y en ningún caso hacer esfuerzo precipitado para extinguir las llamas. Solamente después de que la seguridad personal esté ha salvo, debe considerarse la manera de apagar el fuego. Si el vestido prende fuego, es imperativo que la persona no corra si no que se acueste y de vueltas. Con ello se sofocan las llamas y se apartan de la cabeza. El fuego debe ser sofocado por el vecino con una toalla o cualquier prenda húmeda. Puesto que en unos pocos segundos de demora pueden resultar lesiones serias toda persona debe de evitar entrar en pánico y pensar con anticipación lo que haría en caso de que tal emergencia se le presentara a el o a su vecino. Si le caen en los ojos reactivos corrosivos o calientes: Lo más importante es lavar los ojos con abundante agua fresca. Tan pronto como se halla lavado la parte exterior, debe abrirse con los dedos (preferiblemente por un compañero) e irrigarlos con abundante agua. Consultar al médico tan pronto sea posible, cualquier demora puede ser peligrosa. Cada estudiante debe localizar la llave del agua más cercana al puesto de trabajo, la ducha lava ojos y la ducha para fuego. Cuando los reactivos corrosivos caen sobre la piel, el tratamiento general consiste en restregar la parte afectada inmediatamente con agua y jabón (preferente con jabón de tierra). En caso de quemaduras con reactivos químicos, no es recomendable usar ungüentos grasosos ya que estos ayudan a que el reactivo penetre en los tejidos. 4 COMPORTAMIENTO DE PERSONAS Y GRUPOS La actitud que asumamos como personas integrantes de un grupo será el factor principal que determine el éxito y la eficacia de la actividad en el laboratorio. Debemos cultivar actitudes tales como : a) Seriedad.. Actitud que debemos guardar tanto dentro de nuestro grupo de trabajo como en la relación con otros grupos bien sea para consultar, corregir, ampliar o emitir opiniones. b) Interés. Disposición de ánimo que debe conservarse en todo trabajo científico. El interés nos lleva a indagar, a ampliar conocimientos y, sobre todo, a salvar cualquier obstáculo que pueda presentarse. c) Orden. El cual ha de tenerse tanto en el desarrollo de los procesos o pasos como en las diferentes actividades que ello implique: en el manejo de aparatos de uso común, en la exposición de opiniones y en las discusiones que deben efectuarse a media voz. El orden permite concentrarse exclusivamente en el tema de la clase. d) Colaboración. Actitud indispensable, que debemos convertir en hábito, tanto para el trabajo en grupo como para cualquier otra actividad. MANEJO DE APARATOS E INSTRUMENTOS 1. Para su utilización hay que ceñirse estrictamente tanto a las explicaciones del profesor como a las indicaciones de la guía. Si tiene dudas, no lo utilice, consulte al profesor. 2. Debe recordarse que todos son aparatos técnicos, sensibles, costosos y de difícil consecución pues, en su mayoría, no se producen en el país. Por lo tanto, todo cuidado que tengamos con ellos redundará en nuestro propio beneficio, en bien de la institución y de los futuros estudiantes. 5 PRESENTACIÓN L a siguiente compilación de prácticas de laboratorio para Química Orgánica 1 ha sido desarrollada recogiendo las guías experimentales que hemos venido ejecutando en los cursos correspondientes a la asignatura durante los últimos 2 años. Se han ensayado las modificaciones a las prácticas habituales y, por demás, tradicionales tratando de adaptarlas al esquema de prácticas a mediana o pequeña escala con el propósito de: a) disminuir los riesgos de contaminación y daños a los equipos, instalaciones y personas; b) economía de tiempo, recursos y esfuerzos; c) adecuarnos a los tiempos modernos en docencia de la química orgánica. CONTENIDO PRIMERA PARTE Práctica 1. TEMPERATURA DE EBULLICIÓN Práctica 2. SUBLIMACIÓN Y TEMPERATURA DE FUSIÓN Práctica 3. SOLUBILIDAD Y RECRISTALIZACIÓN Práctica 4. EXTRACCIÓN CON SOLVENTES Práctica 5. DESTILACIÓN SENCILLA Práctica 6. DESTILACIÓN FRACCIONADA Práctica 7. CROMATOGRAFíA EN CAPA DELGADA Práctica 8. REACCIONES DE HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS Práctica 9 OBTENCIÓN DE ACETILENO Y PROPIEDADES DE ALQUINOS Práctica 10. REACCIONES ACETANILIDA DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Y NITRACIÓN 6 DE 7 PRÁCTICA 1 TEMPERATURA DE EBULLICIÓN INTRODUCCIÓN Las moléculas de un compuesto líquido están en continuo movimiento y aquellas moléculas más energéticas que se hallan en la superficie pueden escapar a la fase gaseosa. Si se coloca un compuesto líquido en un recipiente cerrado se escaparán moléculas de la fase líquida a la fase gaseosa y el número de ellas en esta fase aumentará hasta que la velocidad con la cual las moléculas en la fase gaseosa reingresan al líquido sea igual a la velocidad con la cual se escapan. En este momento el sistema se encuentra en equilibrio y la presión en la fase gaseosa debida a las moléculas del compuesto es lo que se llama la presión de vapor del compuesto. Esta presión de vapor depende de la temperatura a la que se halle el compuesto líquido; como se puede observar en la figura 1 para cierto compuesto. A mayor temperatura, mayor energía cinética de las moléculas del compuesto líquido, por lo tanto mayor tendencia a escapar a la fase gaseosa y en consecuencia aumentará la presión de vapor. Cuando un compuesto líquido en un recipiente abierto se empieza a calentar paulatinamente va aumentando su presión de vapor hasta que llega un momento en que ésta se hace igual a la presión atmosférica. Cuando esto sucede, el líquido ha alcanzado su punto de ebullición. En el punto de ebullición la presión de vapor contrarresta la presión atmosférica y en el seno del líquido, al no sentirse presión, se forman burbujas permitiendo así que la vaporización ocurra en muchos puntos dentro del líquido. En el punto de ebullición la velocidad de vaporización ha aumentado drásticamente puesto que ocurre en la superficie y en el seno mismo del líquido. El punto de ebullición de un líquido depende de la presión externa llamándose punto de ebullición normal cuando la presión externa es una atmósfera. La presión externa puede reducirse (por medio de una bomba de vacío, esto se conoce como punto de ebullición a presión reducida), dando lugar a que el líquido bulla a una temperatura más baja que la normal. Esto es especialmente útil en líquidos que posean altas temperaturas de ebullición. Figura 1. Variación de la presión de vapor del agua con la temperatura. Los puntos de ebullición se utilizan en la identificación de compuestos líquidos y aún de sólidos de bajos puntos de fusión. También, por su valor y por la precisión en su rango, se utilizan como criterio de pureza en muestras de compuestos. OBJETIVOS • • • • • Desarrollar habilidad y destreza en la determinación de puntos de ebullición. Manipular adecuadamente los implementos necesarios para determinar puntos de ebullición. Determinar el punto de ebullición del agua a presión atmosférica y reducida por el método común. Determinar la presión de vapor del agua en el punto de ebullición. Determinar la temperatura de ebullición de muestras desconocidas por el método del capilar. 8 MATERIALES (EQUIPOS E IMPLEMENTOS) 1 1 1 1 1 Banda de caucho o hilo. Tubos de ensayo. Malla metálica. Trípode o aro metálico con soporte. Mechero y manguera. Glicerina o aceite mineral. 1 Beaker pequeño o tubo de Thiele PARTE EXPERIMENTAL 1. Punto de ebullición del agua a presión atmosférica y a presión reducida por el método del micro-reflujo. Arme el equipo mostrado en la figura 1. Colocar aproximadamente 100 mL de agua en un erlenmeyer. Adicionar uno o dos pedacitos de piedras de ebullición (material poroso) para asegurar que el líquido bulla uniformemente. Ajustar el termómetro de tal forma que el bulbo este por encima de la superficie del líquido. Calentar el sistema gradualmente hasta alcanzar la temperatura de ebullición. Anotar el valor cuando la temperatura permanece constante durante unos 15 a 20 segundos. Reemplazar el agua caliente por agua fría y conectar el desprendimiento lateral del erlenmeyer por medio de una manguera rígida a un sistema de vacío. Hacer succión y calentar suavemente el sistema hasta el punto de ebullición a presión reducida. Anotar el valor de temperatura. Comparar la dos temperaturas de ebullición y estimar la presión de vapor del agua para cada temperatura de ebullición extrapolando en la figura 2 2. Punto de ebullición por el método del capilar. Se toma un capilar cerrado y se sumerge con la parte cerrada hacia arriba en un tubo de ensayo que contenga una pequeña cantidad de la muestra líquida, aproximadamente 2 mL. El tubo de ensayo se calienta en un baño de aceite. Inicialmente se observará el desprendimiento de burbujas de aire atrapado dentro del capilar. El calentamiento debe realizarse a una velocidad aproximada de uno a dos grados por minuto hasta cuando el burbujeo sea constante, en este momento se detiene el calentamiento y se registra la temperatura. Cuando dejan de salir las burbujas del tubo capilar y el liquido ascienda por este se lee nuevamente la temperatura, en este momento la presión de vapor dentro y fuera del capilar es igual a la presión atmosférica.. La temperatura que se lea en el termómetro será el punto de ebullición aproximado. 1 Erlenmeyer de filtración al vacio de 250 mL 2 Capilares cerrados en un extremo. - Piedritas de ebullición. Agua. 1 Termómetro (0º - 100º C). Bomba de vacío. 9 Figura 2. . Aparato para punto de ebullición a presión atmosférica. Realizar este procedimiento a 2 mL de agua y a 2 mL de un líquido problema asignado por el profesor el cual puede ser cualquiera de las siguientes sustancias: Sustancia Acetona Ciclohexano Cloroformo Metanol Etanol PREGUNTAS 1. Consulte sobre los principios fisicoquímicos de la ebullición y del punto de ebullición corregido. 2. ¿Cuál será el punto de ebullición a 200 mm Hg de un compuesto según la figura 2? Explique. 3. ¿Se pueden comparar directamente los puntos de ebullición medidos en Barranquilla con los puntos de ebullición normales reportados en la literatura? 4. A un hidrocarburo desconocido se le midió su punto de ebullición normal y dio 81º C. también se le midió su densidad dando 0,724. Consultando textos o manuales apropiados identifique el hidrocarburo explicando su procedimiento. Punto de ebullición normal (°C) 56 81.4 61 65 78 PRÁCTICA 2 SUBLIMACIÓN Y TEMPERATURA DE FUSIÓN INTRODUCCIÓN 10 SUBLIMACIÓN Existen sólidos cuya presión de vapor alcanza el valor de 1 atm antes de llegar a su punto de fusión, es decir, por debajo de la temperatura en la que la presión de vapor de la sustancia sólida es igual a la de su transformación al estado líquido. Para tales sólidos, en la curva presión de vapor-temperatura (A-X en la figura 1) la presión de 760 mm corresponde a una temperatura inferior a Tx, o dicho de otra manera, la presión de vapor Px, correspondiente al punto de fusión, Tx es superior a 760 mm. Px Presión de vapor 760 X S A Sólido Líquido Tx Ts Temperatura Figura 1. Presión de vapor para una sustancia pura contra la temperatura. Cuando un sólido de este tipo se calienta a la presión de una atmósfera, tan pronto como se alcanza la presión de vapor de 760 mm, el sólido pasa directamente desde el estado sólido a la fase de vapor a temperatura constante. Al enfriarse, pasará directamente a la fase sólida. Este proceso recibe el nombre de sublimación. La sublimación es usualmente muy fácil para aquellos materiales que no posean interacciones intermoleculares fuertes. La principal desventaja de la técnica de sublimación es que no es un proceso muy selectivo. La sublimación se puede efectuar, tanto a presión atmosférica como a presión reducida. Para estos fines se han ideado varios montajes, uno de los más sencillo es el utilizado en esta práctica. Se purificará por sublimación el alcanfor o naftaleno contaminado. El alcanfor y el naftaleno son sustancias orgánicas baratas que pueden obtenerse comercialmente. El alcanfor también es producto de oxidación de muchos recursos naturales. TEMPERATURA DE FUSIÓN El punto de fusión es una constante física muy utilizada en la identificación de compuestos orgánicos sólidos. El punto de fusión se define como la temperatura a la cual un sólido pasa al estado líquido. En las sustancias puras el paso del estado sólido a líquido se lleva a cabo a una temperatura constante, la cual no experimenta muchas variaciones con los cambios de presión pero si con la presencia de impurezas, esto hace que el punto de fusión sea utilizado muy a menudo para establecer el criterio de pureza en un compuesto sólido. Los puntos de fusión de las moléculas reflejan hasta cierto grado el tipo de fuerzas intermoleculares que están presentes. Un aspecto muy importante en el análisis de la temperatura de fusión de compuestos orgánicos es la estructura, por ejemplo la simetría de la molécula es un factor importante, ya que entre más simétricas sea las moléculas, estas se acomodan mejor en la red cristalina haciendo la sustancia más compacta y por lo tanto un punto de fusión más alto. OBJETIVOS • • • • • 11 Purificar alcanfor o naftaleno de una muestra impura mediante sublimación. Identificar algunos montajes empleados en la sublimación de compuestos orgánicos. Determinar el punto de fusión de sustancias puras. Desarrollar habilidad y destreza en el manejo de equipos para determinar puntos de fusión. Manipular adecuadamente los implementos necesarios para determinar puntos de fusión. MATERIALES a) Sublimación: EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1 Equipo de calentamiento. 1 Beaker pequeño. 1 Vidrio de reloj. 1 Baño de arena, aceite o de agua. 1 Erlenmeyer con desprendimiento lateral. 1 Espátula. b) Puntos de fusión: 1 Mortero con su mango. 2 Tubos capilares. 1 Beaker pequeño. 1 Malla metálica. 1 Trípode o aro metálico con soporte. Glicerina o aceite mineral. MONTAJES Y APARATOS 1 1 1 1 Tubo de ensayo. Tapón horadado. Manguera Balanza. REACTIVOS Glicerina o vaselina. Hielo. Alcanfor o naftaleno contaminado. 1 Mechero y manguera. 1 Termómetro (hasta 300º C). 2 Banda de caucho o hilo. 1 Espátula. 1 Vidrio de reloj. REACTIVOS Muestras problema (Ver tabla). Figura 2. (Arriba). Aparatos de sublimación tipo dedo frío a) y b) enfriados por agua; c) enfriado por hielo. Figura 3. (Derecha). Aparato para sublimación de alcanfor PROCEDIMIENTOS 12 a) Sublimación: Primer método: A presión ambiente. 1. Se colocan 0.200 g de una mezcla de naftaleno contaminado en una beaker limpio y seco previamente pesado y se cubre con un vidrio de reloj conteniendo agua sobre éste. Se coloca el beaker en un baño de arena o de agua calentando cuidadosamente. 2. Terminada la sublimación se pasa el naftaleno a un papel no absorbente previamente pesado y se calcula el porcentaje de recuperación. Para calcular el porcentaje de naftaleno en la mezcla se pesa el residuo no sublimado y por diferencia se determina la cantidad de naftaleno. Comparar el porcentaje de naftaleno por ambas pesadas. Segundo método: A presión reducida. 1. Otro montaje se arma empleando un dedo frío, el cual consiste en un erlenmeyer donde se coloca la sustancia a sublimar. Un tubo de ensayo con agua y un poco de hielo se introduce por la boca del erlenmeyer, sujetándolo con un tapón horadado. Se conecta una manguera al desprendimiento lateral y se hace succión para establecer el vacío. Se calienta en baño de arena, agua o aceite. 2. Al terminar la separación, se retira el recipiente del baño calefactor y se desconecta cuidadosamente el vacío dejando entrar lentamente aire en el recipiente. Se saca el dedo frío (tubo de ensayo) que lleva el material purificado, se retira el material del tubo de ensayo con espátula y se recoge sobre un vidrio de reloj o papel un papel tarado y se pesa. Calcule el % de recuperación. b) puntos de fusión: 1. Preparación de la muestra: La técnica más sencilla para cargar un capilar consiste en tomar una pequeña cantidad de la sustancia previamente reducida a polvo fino, colocarla sobre una espátula y apretar suavemente el extremo abierto del capilar contra ella. Generalmente basta la fricción entre el vidrio y la muestra para coger con el extremo del tubo capilar en espesor de 1 mm de muestra. Luego se lleva la muestra hasta el fondo del capilar (extremo cerrado). Existen varios métodos que el instructor explicará. 2. Determinación del punto de fusión de un compuesto puro: • Monte o arme el equipo para puntos de fusión señalado en la figura XXX. Atienda las instrucciones del profesor. • Tome un punto de fusión aproximado para una muestra problema calentando rápidamente el equipo sin exceso, hasta lograr la fusión. • Deje enfriar el equipo y luego coloque otro capilar con muestra para la determinación real del punto de fusión. Caliente el aceite hasta unos 15º C por debajo del punto de fusión aproximado observado previamente. Desde este punto hasta la fusión completa debe calentarse lentamente, a un ritmo de 1 a 2º C por minuto. Anote todos los cambios observados en la muestra, (color, textura, etc.), y el intervalo o rango de temperatura de fusión. • Anotar la temperatura cuando aparecen trazas de líquido y la temperatura cuando todo el sólido esté fundido, reportar este rango y el promedio como el punto de fusión de la muestra. Tabla 1. Valores teóricos de temperaturas de fusión de compuestos orgánicos Sustancia Acetanilida Urea Naftaleno Ácido benzoico Ácido salicílico Punto de fusión 114 133 80,3 122 158,3 Sustancia Ácido glutárico α-naftol Ácido bencílico Ácido adípico Punto de fusión 98 95 151 153 13 Figura 4. Equipos sencillos para la determinación de puntos de fusión. a) con beaker; b) disposición del termómetro y tubo capilar; c) a la derecha, con tubo de Thiele. PREGUNTAS 1. Consulte sobre los principios fisicoquímicos de la fusión; isomorfismo; los diferentes equipos y aparatos para la determinación de puntos de fusión (Tubo de Thiele, dispositivo de ThomasHoover; de Fisher-Johns, de Mel-Temp, etc.); el calibrado del termómetro y su importancia. 2. ¿Cómo se puede explicar el hecho de que la acetona y el alcohol etílico rebajen el punto de fusión del hielo como también el punto de ebullición del agua mientras que la sal y el azúcar elevan el punto de ebullición y rebajan el punto de fusión. 3. ¿Qué es temperatura eutéctica? 4. ¿Cómo se determina el punto de fusión de grasas y ceras? 5. Un químico cree que un nuevo compuesto por el sintetizado se descompone ya en el estado líquido ligeramente por encima de su punto de fusión. Sugiera un método sencillo para verificar la hipótesis del químico. 6. Consulta los principios fisicoquímicos en los cuales se basa la sublimación. 7. Completa un listado de 20 compuestos orgánicos, como mínimo, que puedan purificarse mediante sublimación y da las condiciones de temperatura, vacío o no, etc.) en las cuales se realice el proceso. 14 PRÁCTICA 3 SOLUBILIDAD Y RECRISTALIZACIÓN INTRODUCCIÓN La solubilidad es un parámetro determinado experimentalmente y que se define como la cantidad de sustancia que se disuelve en 100 g de solvente a una temperatura determinada. Comúnmente se refiere a la interacción de dos sustancias para formar una mezcla homogénea. De igual manera se puede referir a soluciones insaturadas y sobresaturadas de manera relativa sin indicar la cantidad de sus componentes. Una solución es insaturada cuando contiene una cantidad menor de soluto de la que se puede disolver a una temperatura determinada. Las soluciones sobresaturadas contienen una cantidad mayor de soluto disuelto que la que se podría disolver a una temperatura determinada, estas soluciones implican un equilibrio inestable. Las soluciones saturadas implican un equilibrio estable entre el soluto disuelto y el soluto sin disolver a una temperatura determinada. Desde el punto de vista estructural, entre mayor sea la similitud de las sustancias (soluto y solvente) para formar fuerzas intermoleculares, mayor será la probabilidad de una interacción efectiva para producir una mezcla homogénea. La solubilidad es un parámetro que depende de la temperatura y en general aumenta al incrementarse la temperatura. En esta propiedad se basa el procedimiento de recristalización para purificar sólidos. En la selección de un solvente para recristalización se debe de tener en cuenta que la solubilidad sea alta en caliente y muy baja en frío para que haya abundante producción de cristales al enfriarse la solución, el solvente no debe de reaccionar con el soluto, debe de ser volátil (bajo punto de ebullición) para ser removido fácilmente y no interaccionar con las impurezas. Cuando hay impurezas coloreadas se puede utilizar un adsorbente selectivo como el carbón activado. Este material se utiliza en muy pequeña cantidad ya que el exceso puede adsorber material a purificar. OBJETIVOS • Observar la solubilidad de algunos compuestos orgánicos en varios solventes y correlacionar este parámetro con la estructura de las sustancias utilizadas. • Purificar un sólido por recristalización utilizando el criterio de buena solubilidad en caliente y poca solubilidad en frío. • Desarrollar habilidad y destreza en el empleo de la filtración a gravedad, filtración al vacío y la selección del solvente adecuado para la cristalización. • Estudiar las bases físicas conceptuales de la cristalización como método de purificación de compuestos orgánicos. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1 Embudo de caña corta o sin caña 6 Tubos de ensayo y gradilla. 1 Equipo para filtración al vacío, pequeña escala. 1 Vidrio de reloj. 1 Equipo para punto de fusión. - Papel de filtro 1 Capilar cerrado en un extremo. 1 Equipo de calentamiento. 1 Baño de hielo. Balanza. Bomba para filtración al vacío REACTIVOS Acetanilida o ácido benzoico impuros Agua destida Carbón activo Acetanilida Ácido benzoico Urea Glucosa Aceite cristal o glicerina 1-butanol Etanol Hexano. 15 PROCEDIMIENTOS 1. En cada uno de 6 tubos de ensayo colocar 1 mL de agua fría. Al primer tubo agregar una pizca (lo que tome en la punta de una espátula) de acetanilida, al segundo una pizca de urea, al tercero una pizca de glucosa, al cuarto una pizca de ácido benzoico, al quinto 5 gotas de aceite cristal y al sexto 5 gotas de 1-butanol. observar los resultados y anotar en cada caso si hubo solubilidad completa o no. Las muestras donde no hubo solubilidad completa se colocan en un baño de agua caliente. Observar y anotar los resultados cualitativos. Repetir todo este procedimiento con otro u otros solventes que el instructor indique. 2. Purificación de un sólido impuro. Pesar un gramo de acetanilida o ácido benzoico impuro y colocarla en un erlenmeyer de 125 mL, adicionar 30 mL de agua y llevar la mezcla a ebullición. Si no se disuelve completamente la sustancia, adicionar porciones de 2 o 3 mL de agua dejando hervir lentamente la mezcla hasta cuando todo el sólido se haya disuelto. La ebullición no debe de hacerse en forma brusca para evitar la pérdida de solvente por evaporación. Cuando todo el sólido esté disuelto agregar una pizca de carbón activado y dejar hervir lentamente durante 3 minutos. Filtrar en caliente por gravedad a través de un embudo de tallo corto. Esto se hace con el fin de impedir que haya recristalización en el papel de filtro o en el embudo. Si aparecen cristales en el papel o en el embudo se adicionan pequeñas porciones de agua caliente. El filtrado se deja enfriar en un baño de agua y luego en un baño de hielo y agua por 5 minutos hasta que precipite todo el sólido. Para separar el solvente se filtra al vacío en un embudo Buchner, cuando todo el líquido se haya filtrado mantener el vacío por 3 minutos para hacer un drenaje completo. Secar los cristales en estufa a 70 °C durante 20 minutos, pesar los cristales para calcular el porcentaje de recuperación y determinar la temperatura de fusión. Comparar con el valor reportado en la literatura. PREGUNTAS 1. En qué se basa, estructuralmente, el proceso de recristalización como método de purificación? 2. ¿Por qué es necesario utilizar un embudo de caña corta y filtrar la solución en caliente en la primera filtración que se hace para remover impurezas insolubles? 3. ¿Cuáles son las condiciones a tener en cuenta para elegir una mezcla de solventes determinada? 4. Relacione los pares de disolventes de uso más frecuente para la recristalización en química orgánica. 5. Explique el procedimiento (experimental) usual para elegir el solvente, o mezcla de solventes, de recristalización más adecuado. 6. ¿Cuál es el uso del carbón activado en el proceso de recristalización? ¿De la celita? 7. Explique ¿En qué consiste la siembra de cristales y cuáles son las técnicas de sembrado más empleadas? 8. Basándose en los puntos de fusión obtenidos ¿qué puede decirse de la recristalización como proceso de purificación? 9. Basándose en lo porcentajes de recuperación obtenidos ¿qué puede usted decir de la cristalización como método cuantitativo de purificación? ¿Por qué se pierde compuesto a purificarse? 10. ¿Cuáles solventes utilizaría para purificar por recristalización los siguientes compuestos: naftaleno, p-nitroacetofenona, p-nitrobenzaldehído, o-fenilendiamina y benzalacetona? 11. Un ácido carboxílico superior sólido está contaminado con impurezas orgánicas. Explique ¿cómo purificaría usted el ácido por cristalización utilizando agua y acetona como una mezcla de solventes? 16 PRÁCTICA 4 EXTRACCIÓN CON SOLVENTES INTRODUCCIÓN La extracción se define como el procedimiento mediante el cual se separa un componente de una mezcla o de una solución por medio de un disolvente. Para ello se agita la solución o suspensión que contiene la sustancia que se va a extraer con un solvente apropiado que es inmiscible con el primero que contiene la sustancia y en el cual la sustancia deseada es mas soluble. El sistema se deja en reposo y los solventes forman dos capas de acuerdo a sus densidades que pueden ser separas. La extracción puede repetirse varias veces para obtener una mejor separación. Esta técnica es muy utilizada en el aislamiento y purificación de muchos productos naturales como alcaloides, hormonas, colorantes, grasas, entre otros. Cuando el soluto es parcialmente soluble en las capas de disolventes la sustancia se distribuye entre los solventes dados. Esta distribución obedece a una constante (Kd, coeficiente de reparto) que es proporcional a la relación de las concentraciones (C o y Ca) del soluto en las capas orgánicas y acuosa respectivamente, o a la relación de las solubilidades So y Sa respectivas. Kd = Co So = Ca Sa En la extracción con solventes, hacer varias extracciones sucesivas con pequeños volúmenes es más eficiente que hacer una sola extracción con un volumen grande de solvente. Algunos de los solventes orgánicos más utilizados en extracción son: éter, benceno, éter de petróleo, diclorometano, cloroformo y tetracloruro de carbono. El uso de un solvente depende de la solubilidad del material a extraer en el solvente y de la facilidad con que el solvente se puede remover del soluto. El solvente de extracción más usado por su poderosa acción disolvente sobre la mayoría de los compuestos orgánicos y su bajo punto de ebullición es el éter etílico, pero su gran inflamabilidad y su extrema volatilidad constituyen un serio problema por el peligro de incendio al evaporarlo. OBJETIVOS • • Estudiar la técnica de extracción con solventes. • Diferenciar entre extracción simple y extracción múltiple. y comparar su eficiencia. • Aplicar la extracción para separar pigmentos vegetales. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS. 2 Beaker de 100 mL 1 Aro y su nuez 1 Probeta de 50 mL 1 Beaker de 250 mL Papel de filtro REACTIVOS. Cristal violeta Éter de petróleo Ácido clorhídrico concentrado Ácido sulfúrico (1:4). 1 4 2 1 Embudo de separación de 125 mL y su tapa Erlenmeyer de 50 o 100 mL y sus corchos o tapones Erlenmeyer de 125 mL Embudo Cloroformo Metanol Nitrito de sodio 17 Figura 1 . (Arriba). Modo correcto de agitar un embudo de separación. Figura 2. (Derecha). posición de vaciado. Embudo de separación en PROCEDIMIENTOS Parte A. Extracción sencilla: La solución de cristal violeta o violeta de genciana puede ser preparada antes disolviendo 2 mg de del colorante en 1 litro de solución. Tomar 30 mL de la solución de violeta de genciana y dividirla en dos porciones de 15 mL, guardar una porción para la parte B. Coloque una de estas partes en un embudo de separación de 125 mL y añada 15 mL de cloroformo. Tape bien el embudo y agite suavemente aliviando la presión, como lo indicó el profesor. Coloque el embudo sobre el aro permitiendo que la mezcla se separe en dos capas bien definidas. Destape el embudo y abra la llave para retirar la fase inferior en un pequeño Erlenmeyer. En otro Erlenmeyer saque la fase superior. Distinga cuál es la fase orgánica y cuál la fase acuosa. Rotule la fase orgánica como ESC (extracción sencilla cloroformo) y a la fase acuosa ESA (extracción sencilla agua). Conserve estos dos contenidos para comparación posterior. Parte B. Extracción múltiple. La segunda fracción de la solución de Cristal violeta se extracta con tres porciones independientes de cloroformo de 5 mL cada una. Combine los extractos de cloroformo en un Erlenmeyer pequeño rotulado EMC (extracción múltiple cloroformo). La fase acuosa póngala en otro Erlenmeyer rotulado EMA (extracción múltiple agua). Compare la intensidad del color en las dos fases de cloroformo y en las dos fases acuosas. Parte C. Extracción con una solución de hidróxido de sodio. Disolver 0.7 gramos de ácido salicílico y 0.7 gramos de 1,4-dicloro benceno en 35 mL de éter etílico y coloque la solución en un embudo de separación. Extracte la solución con una sola porción de 15 mL de hidróxido de sodio al 10 %. saque la capa acuosa inferior en un erlenmeyer y guárdela. La fase etérea colóquela en otro erlenmeyer previamente pesado y luego evapore en una estufa el éter. Deje enfriar el recipiente y péselo. Calcule la cantidad del sólido que se ha recuperado y luego identifíquelo tomando el punto de fusión. Punto de fusión ácido salicílico=158 °C, 1,4-diclorobenceno=53 °C. 18 PREGUNTAS. 1. 2. 3. 4. ¿Qué diferencia hay entre coeficiente de reparto y coeficiente de distribución? Explique por qué la extracción múltiple es más eficiente que la extracción sencilla. Explique en qué consiste la extracción ácido base. Explique el efecto de la miscibilidad parcial de dos disolventes sobre la eficacia de la extracción. 5. ¿Por qué se debe destapar siempre un embudo de separación cuando se está sacando, a través de la llave, el líquido que contiene? 6. ¿Qué ventajas presenta para una extracción el empleo de un disolvente más pesado que el agua o de un disolvente más ligero que el agua? 7. Un agua está contaminada con cantidades muy pequeñas de aceite. ¿Cómo podría determinar el porcentaje en peso de aceite en esa agua? 8. ¿Podría utilizar la misma técnica propuesta en el problema anterior para dosificar gasolina en el agua? Explique. 9. Un compuesto X tiene un coeficiente de distribución de 10 entre benceno y agua. Si una solución contiene 12 gramos de X en 100 mL de agua: a) ¿Cuántos gramos de X se extraen con 100 mL de benceno? b) ¿Cuántos gramos de X se extraen con 100 mL de benceno pero en dos extracciones de 50 mL? c) ¿Cuántos gramos de X se extraen con 100 mL de benceno per en 4 extracciones de 25 mL? 10. Al extraer una solución que contiene 4 gramos de ácido butírico en 100 mL de agua con 50 mL de benceno a 15ªC, pasan a la fase bencénica 2,4 gramos de ácido. ¿Cuál es el coeficiente de distribución del ácido butírico en benceno - agua a 15ªC? 11. En la preparación de anilina por reducción de nitrobenceno siempre se obtiene en el producto final un poco de nitrobenceno que no reaccionó contaminando la anilina. ¿Cómo haría para purificar la anilina por extracción? 12. Dar las reacciones químicas que sufre el ácido benzóico durante el proceso de extracción y recuperación explicando el objetivo y propósito de cada una de ellas. 19 PRÁCTICA 5 DESTILACIÓN SENCILLA INTRODUCCIÓN La destilación es el método más frecuente e importante para la purificación de líquidos estables en su punto de ebullición. La técnica puede adaptarse también para materiales inestables en la cercanías de sus puntos de ebullición y esta modificación (destilación al vacío) se trabajará más adelante. Se utiliza siempre para separar un líquido de sus impurezas no volátiles. Para estos fines se utiliza el aparato de destilación representado en la figura. Cuando se calienta una sustancia líquida y se dejan condensar sus vapores en un recipiente distinto del que se emplea para el calentamiento, se está llevando a cabo una destilación (debe distinguirse del proceso de sublimación). Cuando se destila una sustancia pura, se efectúa una destilación simple. Lo que realmente ocurre en este proceso es que se calienta el líquido en un recipiente (balón o matraz de destilación) hasta que se vaporiza; el vapor pasa a un refrigerante donde se convierte de nuevo en líquido y se recoge luego en un recipiente colector. Con frecuencia se considera la destilación simple como aquélla que no requiere una columna de fraccionamiento o aquella en la que se separa un material esencialmente puro, ya sea de un componente no volátil o de otro muy minoritario. Ninguna de estas definiciones es exactamente cierta. Si el proceso de destilación implica la separación de una sustancia de otra, independientemente de la diferencia entre sus puntos de ebullición o de sus presiones de vapor, corresponde a una destilación fraccionada. Tanto para una destilación fraccionada como para una destilación simple puede emplearse un aparato de destilación simple, es decir, un aparato sin columna de fraccionamiento. Independientemente del aparato, una destilación simple sólo puede llevarse a cabo cuando se destila una sustancia pura. OBJETIVOS • Capacitar al estudiante en el manejo de la técnica de destilación simple. • Establecer los principios teóricos en los cuales se basan estas técnicas con el fin de que el estudiante pueda aplicar las variables específicas en la resolución de problemas. • Separar el componente principal de una bebida alcohólica o de otro tipo de sustancia que el instructor disponga. MATERIALES IMPLEMENTOS Y EQUIPOS 1 Termómetro (0-300 ºC) 1 Balón de fondo redondo con desprendimiento lateral (125 mL) 1 Condensador 1 Alargadera - Tapones de corcho y caucho. 1 Mechero Piedritas de ebullición. 1 Agitador de vidrio 1 Erlenmeyer de 125 mL. 1 Gradilla REACTIVOS: Bebida alcohólica o otra sustancia indicada por el profesor. 20 Figura 1. Montaje de equipo de destilación sencilla PROCEDIMIENTOS Arme el equipo como se muestra en la figura 1, teniendo en cuenta que la dirección del flujo de agua en el condensador debe ser de abajo hacia arriba. Explique brevemente la razón por la cual se debe tener la precaución anterior. Coloque de 50 a 100 mL de muestra alcohólica a destilar y 2 o 30 piedras de ebullición en un balón de destilación. Antes de iniciar el calentamiento verifique con el instructor el sistema montado por usted. Ajuste el calor de tal manera que el destilado caiga a una gota por segundo. Reciba el destilado en la probeta y registre la temperatura a la cual se destila la primera gota y anote el tiempo que se necesito para que esto ocurriera. Mida los tiempos necesarios para recoger volúmenes de destilado como usted desee (ejemplo 5, 10, 15, 20, etc). Cuando termine desmonte el equipo. Con los datos obtenidos haga un gráfico de volumen de destilado contra tiempo de destilación PRECAUCIONES Y RECOMENDACIONES • Durante la destilación, el extremo superior del bulbo termométrico debe quedar justamente a la altura de la horizontal que pasa por la parte inferior del tubo de desprendimiento lateral (ver figura 1), de tal forma que el bulbo sea bañado por el vapor que asciende. • La destilación debe hacerse siempre con lentitud, pero sin interrupciones, manteniéndose continuamente una gota de condensado en el bulbo del termómetro. • Cuando se destila agua pueden emplearse tapones de caucho; pero cuando se destilan muchos líquidos orgánicos que atacan o hinchan la goma es preferible el uso de tapones de corcho debidamente ajustados o implementos con boca esmeriladas. • No permita que se forme espuma o que haya salpicaduras que lleguen hasta la boca del balón. • Si el líquido en ebullición se llegase a pasar al condensador, deberá suspenderse el calentamiento, lavar todos los implementos y volver a empezar el procedimiento. 21 PREGUNTAS 1. Consulte los fundamentos fisicoquímicos de la destilación simple. 2. Consulte los siguientes conceptos y relaciónelos con el experimento soluciones, fracción, mezcla homogénea. Cambio físico, cambio químico, líquido homogéneo. 3. ¿Por qué no se evapora de repente todo el líquido del matraz de destilación cuando se alcanza el punto de ebullición? 4. ¿Por qué no se debe llenar un balón de destilación mucho más de la mitad de su capacidad? 5. ¿Cual es la desventaja de utilizar un matraz de destilación cuya capacidad es cuatro, cinco o más veces el volumen del líquido que se va a destilar? 6. Un líquido orgánico comienza a descomponerse a 80 ºC. Su tensión de vapor es entonces de 36 mm. ¿Cómo podría estilar este líquido? 7. Si el bulbo termométrico no se mantiene húmedo con condensado durante la destilación, la lectura del punto de ebullición ¿será más alta o más baja? Dese una explicación. 8. Cítense dos razones que justifiquen el que el agua fría en un refrigerante se haga circular en sentido ascendente desde la tubuladura inferior a la superior y no en sentido contrario. 22 PRÁCTICA 6 DESTILACIÓN FRACCIONADA INTRODUCCIÓN El más común de los procedimientos de destilación es la destilación fraccionada. En el caso más favorable para la destilación, el contaminante hierve a una temperatura muy distinta del punto de ebullición del componente principal. Se debe grabar en la mente que incluso la sustancia de punto de ebullición más elevado contribuirá a la fase vapor en proporción a su propia presión de vapor y a la fracción molar de componente presente. La única forma de que la fase vapor que cubre el líquido sea un componente puro es cuando el líquido sea una muestra pura. En general, si los puntos de ebullición de dos líquidos difieren en menos de unos 70ºC, resultará insuficiente un aparato de destilación simple para separarlos. Por lo general, el empleo de una columna de destilación facilitará la destilación. No obstante, si los puntos de ebullición de los dos componentes difieren en menos de unos 10ºC, sólo se podrán separar mediante el empleo de un equipo especial. Una columna de destilación permite alargar el camino entre el matraz de destilación y el refrigerante que conduce al colector. A través de la prolongación que ofrece la columna ocurre el proceso de vaporización y condensación (equivalente a varias pequeñas destilaciones). Cada ciclo de vaporización-condensación es equivalente a una destilación simple. Cuantos más de estos ciclos se suceden, más se enriquecerá el vapor en el componente más volátil, mientras el condensado lo hará en el menos volátil, lo que conduce a una separación más eficaz. OBJETIVOS • Determinar el porcentaje de un componente líquido en una muestra comercial. • Establecer comparaciones entre la destilación sencilla y la destilación fraccionada. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS Equipo de calentamiento. 1 Probeta graduada de 5 o 10 mL Pinzas 1 Pipeta volumétrica de 2 mL Nueces dobles 1 Columna de fraccionamiento Balón de fondo redondo de 250 mL 2 Soportes metálicos Termómetro de -10ºC a 150ºC 4 Tubos de ensayo grandes Tapones de caucho o corchos 1 Gradilla Probeta graduada de 25 mL 2 Mangueras REACTIVOS Y SUSTANCIAS Ron blanco, 150 mL. 1 2 2 1 1 3 1 PROCEDIMIENTOS Primera destilación: 1. Monte el aparato correspondiente a la destilación fraccionada (ver figura 1). 2. Coloque 100 mL de la mezcla (bebida alcohólica) en el balón de destilación. Añada 2 o 3 trocitos de reguladores de ebullición. 3. Ajuste el flujo de agua que entra al condensador de tal manera que haya una corriente lenta hasta la parte superior del mismo. 4. Caliente la mezcla cuidadosamente con una llama pequeña de mechero para que el líquido destile lentamente. 5. Recoja de 30 a 40 mL de destilado en una probeta graduada, previamente pesada. Pésela de nuevo con el destilado. 23 Figura 1. Aparato de destilación fraccionada Pruebas al primer destilado. a) Coloque 1 mL de destilado sobre el vidrio de reloj y acerque un fósforo o la llama del mechero varias veces. Observe cuidadosamente y anote sus observaciones. Mida el tiempo de la llama producida, si la hay. b) Determine la densidad del destilado. c) Haga la prueba de oxidación con cromo para alcoholes y compare con etanol puro. Anote sus observaciones. Consulte el método. d) Mida el pH de la solución y compare con etanol puro y con agua. Segunda destilación (Redestilación) 1. Coloque el destilado (alrededor de 30 o 40 mL) en un erlenmeyer pequeño. Añada aproximadamente 1 gramo de óxido de calcio para absorber algo de agua. Someta el destila-do a una redestilación. 2. Recoja un volumen exacto (2 mL) del redestilado en una probeta previamente pesada. Pésela de nuevo con el destilado. 3. Realice las pruebas anteriores al redestilado (llama, densidad, etc.). 24 DATOS EXPERIMENTALES En la tabla siguiente, reporte comparativamente sus datos experimentales. Pruebas Fracción Destilado Redestilado Volumen obtenido (mL) Peso de la fracción (g) Densidad (g/mL) Porcentaje de alcohol Oxidación con cromo pH PREGUNTAS 1. Consulte las bases fisicoquímicas de la destilación fraccionada (puntos de ebullición de las soluciones, ley de Raoult, diagramas temperatura-composición, aseótropos, punto de ebullición mínimo y máximo, empaquetamiento de columnas, tipos de columnas y de empacamiento, plato teórico, eficiencia de una columna, etc.). 2. Haga una comparación de las dos destilaciones (simple y fraccionada) según sus datos experimentales. 3. ¿Por qué la columna de destilación empacada con algún material adecuado como vidrio o viruta de acero es más eficiente que la columna sin empacar? 4. Explique por qué la columna en un aparato de destilación fraccionada debe estar en una posición vertical. 5. Un líquido orgánico se descompone al tratar de destilarlo a presión atmosférica. ¿Cómo haría para destilar este líquido sin que se descomponga? 6. ¿Cómo se separa una mezcla aseotrópica? 7. ¿Por qué refluye condensado continuamente al balón de destilación desde una columna de fraccionamiento que no está provista de refrigerante de reflujo? ¿Ejerce esto alguna influencia en la destilación? Explíquese. 8. Si la destilación a través de una columna de relleno se hace muy rápida, entonces se inunda la columna (el líquido condensado asciende y se mantiene en la columna) ¿Qué influencia puede tener este fenómeno sobre la eficacia del fraccionamiento? 9. Explíquese por qué el trabajo con una relación de reflujo elevada mejora la eficacia de una destilación a través de una columna. 25 PRÁCTICA 7 CROMATOGRAFÍA EN CAPA DELGADA INTRODUCCIÓN La cromatografía de capa delgada (CCD) es uno de los métodos más ampliamente utilizados para separar, identificar y, en algunos casos hacer el seguimiento de una reacción química. En principio del CCD es sencilla. se produce una capa uniforme de absorbente sólido adecuado (fase estacionaria) sostenida sobre una placa de aluminio o vidrio. Se coloca con un capilar en el origen de la placa una mancha de solución de compuesto orgánico o mezcla en estudio, se deja que un solvente adecuado (eluyente o fase móvil) ascienda por la capa del absorbente por capilaridad. El compuesto o compuestos separados se localizan en la placa directamente en el caso de compuestos coloreados, con la ayuda de un indicador, o con luz ultravioleta cuando la fase estacionaria tiene el indicador ultravioleta (químicamente inerte) el cual produce fluorescencia al irradiarse con luz UV de onda corta (254 nm) u onda larga (366 nm) dependiendo el tipo de indicador utilizado. Los compuestos ascienden por la capa de absorbente a diferentes velocidades con relación al eluyente, realizándose de esta forma la separación de los compuestos de la mezcla. A veces es posible identificar los componentes midiendo la velocidad relativa de cada uno con relación a aquella del frente del solvente. Esta movilidad relativa se conoce como el valor del Rf del compuesto y se define por: El valor de Rf es una constante de cada compuesto bajo un conjunto de condiciones definidas (eluyente, fase estacionaria, temperatura, espesor del absorbente y humedad). Los valores de Rf se encuentran en el rango de 0 a 0.999%. La distancia se mide al centro de la mancha. La cromatografía de columna (CC) es otro de los métodos más efectivos utilizados para la separación de compuestos, especialmente cuando otros métodos de separación más comunes han resultado poco efectivos. En esta técnica cromatográfica las mezclas se resuelven pasando una fase líquida móvil (eluyente) a través de la fase estacionaria sólida empacada en una columna de vidrio. En la CC clásica el sistema más empleado es el de adsorción; como las fuerzas de atracción son diferentes para los distintos compuestos, estos fluyen de arriba hacia abajo con velocidades diferentes, los menos atraídos fluyen primero. OBJETIVOS  Aplicar la CCD y la CC como técnicas de separación de una mezcla de componentes.  Comparar la eficiencia y aplicación de la CCD y CC como ejemplos de los métodos cromatográficos. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1 Gotero 1 Lápiz o pedazo de manguera 2 Vidrios de reloj 2 placas par CCD 2 Beakers de 20 mL 1 Gradilla 4 tubos de ensayo pequeños REACTIVOS Y SUSTANCIAS fenacetina pura cafeína pura ácido acetil salicílico Alúmina Etanol Indicador de fluoresencia HF254 solución sulfocrómica Iodo Disolver 2.5 g de K2Cr2O7 En 50 mL de ácido sulfúrico al 40 % 26 Figura 1. Diferentes tipos de cromatografía: a) de capa delgada o fina; b) de columna; c) esquema de cromatografía líquida. PROCEDIMIENTOS Se prepara una placa de vidrio de 10 por 20 cm con Sìlica gel HF 254. Se pesan las mismas cantidades, se dejan al aire 2 horas y se activan a 120°C durante 60 minutos. La placa se debe marcar. Se toman dos tabletas o un equivalente de 1.0 g del medicamento por examinar y se pulverizan en un mortero. El polvo se transfiere a un tubo de ensayo y se adicionan 5 mL de metanol. Se agita fuertemente y se deja reposar hasta que el excipiente se sedimente. Se preparan soluciones patrón de cafeína, fenacetina, y ácido acetil salicílico en metanol a una concentración de 10 mg/mL. Se aplican sobre la placa (ya sea en forma de punto concentrado o en forma de línea ) las soluciones patrón en una placa en las columnas 2, 3, 4 y solución problema en las columnas 1 y 5 de la misma placa. Se dejan secar las manchas. Se sumerge en una cubeta con el eluente y se deja desarrollar hasta la línea límite de recorrido (10 cm), se saca la placa y se deja secar al aire. Se ilumina la placa con luz ultravioleta (Precaución: no se debe observar la luz ultravioleta directamente, puede dañar los ojos), se marcan las manchas y se determina el Rf de cada una por comparación. Se deben identificar los componentes del problema. Después se revela con vapores de yodo ( hay que colocar la placa en una cámara que contenga algunos cristales de yodo en el fondo. A continuación, se saca la placa y se pulveriza sobre ella la solución sulfocrómica. Se 27 calienta hasta que se observen las manchas. Comparar los Rf obtenidos con los teóricos: Rf cafeína Rf fenacetina Rf ácido acetil salicílico PREGUNTAS 1. ¡Cuáles son algunos criterios que deben tenerse en cuenta en la elección de absorbente en una separación cromatográfica determinada? 2. ¿En qué consiste la cromatografía de CCD preparativa? 3. Usted tiene un compuesto impuro y quisiera saber cuántas sustancias están contaminando su compuesto. Explique cómo lo haría utilizando cromatografía de capa delgada o de papel. 4. Entregue un dibujo que presente los resultados obtenidos, los Rf experimentales, los compuestos encontrados en el medicamento y un breve comentario sobre los reveladores utilizados. 5. Investigue el nombre que reciben los reveladores de yodo y ácido sulfocrómico. Porque? 0.16 0.45 0.76 28 PRÁCTICA 8 REACCIONES DE HIDROCARBUROS ALIFÁTICOS INTRODUCCIÓN Los hidrocarburos son aquellos compuestos orgánicos que en su estructura solo contienen carbono e hidrógeno. De acuerdo a las características estructurales los hidrocarburos se pueden clasificar en alifáticos y aromáticos (Estos últimos se estudiaran en una práctica posterior). Los hidrocarburos alifáticos de acuerdo a la naturaleza de sus enlaces se dividen en saturados e insaturados. Los hidrocarburos saturados solo poseen enlaces fuertes sigma (σ)y se denominan alcanos, mientras que los hidrocarburos insaturados poseen enlaces sigma y pi (π) y se denominan alquenos si tienen un enlace π y alquinos dos enlaces π. Los hidrocarburos insaturados por presentar enlaces dobles y triples pueden presentar reacciones de adición ya sea por radicales libres o por grupos o átomos polares. Los compuestos saturados presentan reacciones generales de sustitución por radicales libres. Algunas de las reacciones que se utilizarán para la caracterización e identificación de los hidrocarburos saturados e insaturados son: C C H + Br2 luz o calor C C Br + HBr C C + Br2 en solución de CCl4 C Br C Br C C + KMnO4 diluido en agua C C + MnO2 OH OH C C + H2SO4 H C C O-SO3H En la caracterización de un compuesto alifático es importante observar los cambios de coloración de los reactivos iniciales y de los respectivos productos para definir si se ha dado un cambio químico. Es importante tener presente estos cambios cuando se realizan pruebas de caracterización. En general una sola prueba de caracterización nunca puede garantizar que un compuesto desconocido sea una sola clase de compuesto. Una prueba puede limitar el número de posibilidades de tal forma que con otras pruebas adicionales se pueda caracterizar un tipo de compuesto. Otras pruebas de mucho valor en la caracterización de compuestos orgánicos son las pruebas de solubilidad. De las pruebas de solubilidad se puede deducir información útil con respecto ala estructura de un compuesto. Por ejemplo si un compuesto es soluble en agua no puede ser un hidrocarburo ya que todos ellos tienen carácter no polar y son insolubles en solventes polares. 29 Si un hidrocarburo es insoluble en agua pero soluble en ácido sulfúrico concentrado puede tratarse de un alqueno. Estos son solubles en ácido sulfúrico concentrado ya que por adición electrofílica de H 2SO 4 se forma un sulfato de alquilo el cual puede asociarse con el exceso de ácido sulfúrico disolviéndose en el. OBJETIVOS. • • Estudiar y distinguir algunas reacciones características de hidrocarburos alifáticos. Observar los cambios físicos y químicos como cambios de color, apariencia, evolución de calor y solubilidad en hidrocarburos alifáticos. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 10 tubos de ensayo para pruebas cualitativas 5 goteros Lámpara de luz ultravioleta o bombilla eléctrica REACTIVOS Ácido sulfúrico concentrado (solvente) Tetracloruro de carbono (solvente) Solución de bromo al 5 % en CCl4 Solución al 2 % de KmnO 4 Ciclo hexano Ciclo hexeno 1-propanol Agua (solvente) PARTE EXPERIMENTAL. 1. Prueba de solubilidad: En tres tubos de ensayo limpios y secos coloque un mililitro de agua, y agregue 2-3 gotas de ciclohexano al primero, igual cantidad de ciclohexeno al segundo e igual cantidad de alcohol al tercero. Agite y observe si hay solubilidad. Repetir este procedimiento con tetracloruro de carbono. Para el ácido sulfúrico remítase al numeral 4 de la parte experimental. Nota si un compuesto es soluble en agua no debe de ensayarse la solubilidad en el ácido sulfúrico. Anotar los datos y observaciones en la tabla de datos.. 2. Prueba con bromo: A cada uno de tres tubos de ensayo agregue 5 gotas de hidrocarburo y del alcohol. A cada una de estas sustancias agregue 2 gotas de solución de Br2 /CCl4, agite bien y observe. En los tubos donde no haya decoloración. Proceda a colocar el tubo cerca de una bombilla eléctrica o una lámpara de luz ultravioleta. Compare y anote los cambios que puedan haber ocurrido. 3. Prueba con KMnO4 (prueba de Baeyer): A cada uno de tres tubos de ensayo coloque 5 gotas del hidrocarburo y del alcohol. Agregar a cada tubo 2 gotas de solución de KMnO 4 diluido en agua, agitar y observar los resultados. 4. Prueba del H2SO4: A cada uno de tres tubos de ensayo coloque 5 gotas del hidrocarburo y del alcohol. Cuidadosamente y con agitación suave agregar 5 gotas de H 2SO4 concentrado. Observe si se desprende calor y si el compuesto reacciona. 30 Tabla 1. Hoja de datos para las distintas pruebas. REACTIVO Hidrocarburo saturado Hidrocarburo insaturado Compuesto hidrocarburo No AGUA H2SO 4 CCl4 Br2/CCl4 KMnO 4/diluido Otro compuesto PREGUNTAS: 1. Escriba todas las reacciones para los hidrocarburos utilizados en la práctica con el bromo, permanganato de potasio y ácido sulfúrico 2. De la estructura y nombre del producto principal que se espera de la adición del bromo en tetracloruro al 2-buteno 3. En base a los resultados en las pruebas de solubilidad y clasificación explique como se puede diferenciar sin lugar a dudas entre el 1-propanol, ciclohexano y ciclohexeno. Consulte otras pruebas que permitan diferenciarlos. 31 PRÁCTICA 9 OBTENCIÓN DE ACETILENO Y PROPIEDADES DE ALQUINOS INTRODUCCIÓN Los compuestos que contienen triples enlaces carbono-carbono se denominan alquinos. Estos responden a la formula general CnH2n-2 cuando sólo tienen un triple enlace. Estos compuestos también se llaman acetilenos siguiendo el nombre del primer miembro de la serie, HC≡CH (Etino en la nomenclatura IUPAC). Al igual que el doble enlace, el triple enlace puede dar lugar a reacciones de adición. El enlace -C≡C- puede adicionar dos moles de un reactivo; eligiendo convenientemente las condiciones de reacción suele ser posible que la adición se detenga en la fase de doble enlace. Una propiedad muy interesante de los alquinos terminales es su capacidad para ceder en forma de protón el átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono del triple enlace. Los acetilenos mono sustituídos son por ello ácidos débiles. En lo que se refiere a su carácter ácido, el acetileno está situado entre el amoníaco y el agua. Los acetilenos con átomos de H ácidos reaccionan con el sodio metálico, con los reactivos de Grignard y con soluciones de sales de algunos metales pesados. La síntesis de alquinos puede implicar uno de dos procesos: la generación de un triple enlace entre dos átomos de carbono por reacciones de eliminación, o bien el aumento del tamaño de una moléculas que ya lo contiene. El acetileno (etino) es sin duda el alquino más importante. Es un gas incoloro, que en estado puro no tiene olor desagradable (temperatura de sublimación –83,6ºC; el mal olor característico del acetileno ordinario se debe a la presencia de fosfamina) y que, por calentamiento, se descompone en sus elementos, con gran desprendimiento de calor: C 2H 2  2 C + H 2 ∆H= -226,9 kJ. Su combustión libera gran cantidad de energía: 2 C2H2 + 5 O2  4 CO2 + H2O ∆H= -2612 kJ. El acetileno se prepara en una forma muy económica y fácil en la industria y también en el laboratorio a partir de la hidrólisis del carburo de calcio: CaC2 + 2 H2O → H-C≡C-H + Ca(OH) 2 OBJETIVOS • Preparar acetileno a partir del carburo de calcio y agua. • Emplear el acetileno obtenido para realizar ensayos químicos de éste, como representante de la función alquino. 32 MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1-Embudo de adición 1 balón con desprendimiento 1 soporte 2 pinzas metálicas con sus nueces 1 manguera 5 tubos de ensayo con tapa 1 gradilla REACTIVOS Carburo de calcio Agua destilada Solución basificada de KMnO 4 Solución amoniacal de hidróxido de cobre Ácido clorhídrico diluido Solución de bromo al 1 % en CCl4 PRECAUCIONES • Adicione el agua de bromo en la campana de extracción. • Tenga cuidado con el manejo de las bases y los ácidos. RIESGOS La prueba de combustión debe hacerse con extrema cautela si se hace directamente en el extremo de la manguera. Mientras se realiza la recolección del gas no debe de haber llamas ni cigarrillos prendidos cerca. Los acetiluros metálicos (cobre y plata en este caso) son explosivos, explotan por golpe o calentamiento. Para evitar accidentes es necesario después de cada experimento destruir estas sustancias con HCl diluido. PROCEDIMIENTOS 1. Se arma el montaje de la figura 1. En el balón se coloca una pequeña cantidad de carburo de calcio 5 gramos y se tapa con un tapó que lleva un embudo de adición, lleno con agua. Al tubo lateral del matraz se conecta una manguera la cual a su vez va a un vaso de 400 mL con agua y equipado con un tubo de ensayo invertido y lleno de agua dispuesto para la recolección del gas por desplazamiento del agua. 2. Deje caer agua gota a gota al carburo de calcio y empiece la recolección del acetileno en el tubo invertido. Después de haber llenado el primer tubo con acetileno cierre la llave del embudo y tape el tubo rápidamente. En forma rápida prepare otro tubo de ensayo par recolectar mas acetileno. Recolecte de esta forma cinco tubos llenos con acetileno para realizar las siguientes pruebas. 3. Inflamabilidad: Tome uno de los tubos de ensayo lleno con acetileno destápelo e inmediatamente acerque un fósforo prendido a la boca del tubo. Agregue agua lentamente al tubo para mantener el acetileno combustiendo en la boca por desplazamiento del gas hacia arriba. Observe el color carácter de la llama. Nota, realice cada una de las pruebas en la campana o al aire libre fuera del laboratorio ya que el acetileno es venenoso y explosivo con el aire en presencia de llamas o chispas. 4. Reacción con bromo: Tome otro frasco con acetileno, destápelo y agregue rápidamente unos 2 mL de solución al 1% de bromo en CCl4. Tápelo de nuevo y agite el frasco. Observe los posibles cambios. 33 5. Reacción con KMnO 4: En otro de los tubos llenos de acetileno agregue rápidamente un mililitro de solución al 1 % de KMnO 4. tape el frasco y agite. Observe posibles cambios. 6. Reacción con cloruro cuproso amoniacal: Tome el cuarto tubo con acetileno y agregue rápidamente unos dos mililitros de solución de cloruro cuproso amoniacal. Tape el frasco, agite y observe. PREGUNTAS 1. Escriba las ecuaciones para cada una de las reacciones efectuadas en esta práctica. 2. ¿Cómo se obtiene etileno en el laboratorio? Si el etileno se sometiera a los experimentos realizados en esta práctica. ¿cuál sería su comportamiento? Explique con ecuaciones. 3. La síntesis industrial moderna del acetileno se realiza por craqueo térmico del metano. explique este proceso. 4. Los resultados estereoquímicos sugieren que la halogenación de los alquinos tiene lugar a través de un ión halonio similar al ión halonio intermedio en la halogenación de alquenos. este mecanismo explica la observación que los triples enlaces sean mucho menos reactivos frente al cloro y al bromo que los dobles. Dibuje los intermediarios y explique este comportamiento. 5. Con base en la pregunta anterior completa la siguiente ecuación (-20ºC, en CCl4): HC≡CCH2CH=CH2 + Br2  6. Proponga un mecanismo para la adición de agua al propino catalizando con ácido sulfúrico y sulfato mercúrico. 7. Indíquese mediante ecuaciones ajustadas, cómo el acetileno y el etileno se comportan de distinta forma que el metano frente a: a) el ácido sulfúrico concentrado; b) el bromo y c) el permanganato acuoso. ¿Qué característica estructural es responsable en el etileno y acetileno de su reactividad? 8. Descríbase mediante ecuaciones ajustadas el distinto comportamiento del acetileno respecto del metano y etileno frente a: a) sodio metálico; b) cloruro cuproso amoniacal, y c) nitrato de plata amoniacal. ¿Qué característica estructural del acetileno es responsable de su reactividad frente a estos reactivos? 9. ¿Cuál es más ácido, el acetileno o el benceno? ¿Cuál es más básico, el etano o el etileno? ¿El etano o el acetileno? Cítense algunos hechos experimentales que confirmen las respuestas. 34 PRÁCTICA 10 REACCIONES DE HIDROCARBUROS AROMÁTICOS Y NITRACIÓN DE ACETANILIDA INTRODUCCIÓN Los compuestos aromáticos son aquellos derivados del benceno a que además de poseer enlaces π no presentan fácilmente reacciones de adición ya que sus tres enlaces dobles se encuentran en resonancia, confiriéndole al sistema mucha estabilidad. Los compuestos aromáticos reaccionan mediante mecanismos de sustitución electrofílica. La sustitución electrofílica sobre el núcleo aromático da origen a varios tipos de compuestos dependiendo del tipo de electrólfilo y que son de importancia en la síntesis de derivados aromáticos. H2SO4/SO3 HNO3/H2SO4 Cl2/FeCl3 SO3H sulfonación NO2 nitración + Cl halogenación alquilación de Friedel.Crafts acilación de Friedel-Crafts R-X/AlCl3 O R-C-Cl/AlCl3 R O C-R Cuando se ha llevado acabo una primera sustitución en el anillo aromático, este sustituyente actúa como orientador de una nueva sustitución sobre el anillo aromático. Existen tres posibles isómeros para un anillo bencénico di sustituido: E E Orto E Meta E E E Para Dentro de ciertos límites es posible obtener el isómero deseado con buen rendimiento. Cuando el anillo aromático se encuentra sustituido, la velocidad de reacción y el producto correspondiente a la segunda sustitución electrofílica va a depender de la naturaleza estructural 35 del primer sustituyente. Los grupos que presentan un efecto global de electrón dadores activan el anillo y lo hacen mas reactivo con respecto a la sustitución electrofílica, y orientan a posiciones orto y para. Los grupos desactivadores orientan a posiciones meta a excepción de los halógenos. Ejemplo de algunos grupos activadores y desactivadores: Grupos activadores R-OH -NH2 -OCH 3 -NHCOCH 3 OBJETIVOS Estudiar y distinguir algunas reacciones características de hidrocarburos aromáticos. Comparar la velocidad de reacción hacia una sustitución electrofílica de compuestos aromáticos con base en el grupo sustituyente. • Ilustrar los efectos orientadores en la sustitución electrofílica en carbono aromático mediante una reacción de nitración. • MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1 erlenmeyer de 125 mL 3 tubos de ensayo pequeños iguales. Lana de hierro (esponjilla de hierro) 1 termómetro 1 embudo de separación pequeño 1embudo de filtración al vacio Papel filtro para embudo Buchner Beaker pequeño REACTIVOS Acetanilida Ácido acético glacial Ácido sulfúrico concentrado Ácido nítrico concentrado Br2 / CCl4 al 20 % por volumen Benceno Äcido benzoico Tolueno CCl4 o CH2Cl2 Agua – hilo picado • Grupos desactivadores -NO2 -COOH C=O -CN -SO3H PROCEDIMIENTOS 1. Seleccione tres tubos de ensayo pequeños secos y de igual diámetro. Adicione en el primero 0.1 gramos de ácido benzoico y 10 gotas de CCL 4, agitar hasta alcanzar máxima solubilidad; en el segundo 10 gotas de benceno y en el tercero 10 gotas de tolueno. Luego al mismo tiempo adicionar en cada tubo 4 gotas de solución de Br 2/CCl4 al 20 %v/v y una pequeña porción de lana de hierro al tubo que al cabo de un minuto no presente decoloración. Agite los tubos ocasionalmente mientras transcurre la reacción. Comparar la velocidad de reacción teniendo en cuenta la decoloración dela solución de bromo. Si al cabo de 5-10 minutos no se observa una clara decoloración en alguno de los tubos, sumerja los tubos en un baño de agua tibia que no exceda los 50 °C. 2. Nitración de un compuesto aromático: Disolver con calentamiento suave en un erlenmeyer de 125 mL 4.5 gramos de acetanilida en 5 mL de ácido acético glacial. Enfríe ligeramente hasta que reaparezcan cristales. En seguida añada lentamente y con agitación 6.5 mL de ácido sulfúrico concentrado bien frio (baño de hielo). 36 Preparar la mezcla nitrante añadiendo 2.5 mL de ácido nítrico concentrado a 3.5 mL de ácido sulfúrico concentrado frío. Lleve la mezcla a temperatura ambiente y transfiérala a un embudo de separación pequeño. Enfríe la acetanilida a 5°C. Retírela del baño de hielo y añada gota a gota la mezcla nitrante, agitar y homogenizar la mezcla. Mantener la temperatura por debajo de 20°C. Luego deje en reposo a temperatura ambiente durante 40 minutos para completar la reacción. Vierta la solución lentamente y con agitación en una mezcla de 70 mL de agua y 13-18 gramos de hielo picado. Recoger el producto por filtración al vacío. Transferir el sólido a un vaso de precipitados y mezclar bien con 50 mL de agua, filtrar de nuevo y lave con mas agua para eliminar el exceso de ácido, secar tanto como sea posible. PREGUNTAS 1 Escriba las reacciones para los respectivos compuestos aromáticos con Br2 /CCl4 2 Compare la velocidad de reacción hacia una sustitución electrofílica del nitrobenceno y del fenol con relación al benceno. 3 Escriba en detalle el mecanismo de sustitución electrofílica para obtener nitroacetanilida 4 Explique por medio de estructuras el efecto activante y orientador orto /para del grupo –NHCOCH 3 5 Los fenoles son generalmente mucho menos ácidos (pKa 8-10) que los ácidos carboxílicos (pKa 5), pero el ácido pícrico (2,4,6-trinitro fenol) ) (pKa 0.25) es tan ácido como el ácido trifluoracético. Explique esta característica. PRÁCTICA 11 SÍNTESIS DE BROMURO DE n-BUTILO POR REACCIÓN SN2. INTRODUCCIÓN Los compuestos o derivados halogenados son sustancias que solo tienen átomos de carbono, hidrógeno y uno o mas átomos de halógeno. Se les considera derivados de los hidrocarburos, por sustitución de uno o más hidrógenos, o derivados de alcoholes por sustitución del grupo oxidrilo (OH) por un átomo de halógeno. Los bromuros de alquilo primarios pueden prepararse por calentamiento del correspondiente alcohol primario en una disolución acuosa de bromuro sódico (NaBr) que contenga un exceso de ácido sulfúrico concentrado. Estos reactivos dan lugar a una mezcla en equilibro en la que se halla presente el ácido bromhídrico. La combinación ácido sulfúrico-bromuro tiene una doble función: 1. Libera el ácido bromhídrico necesario para la reacción. 2. Forma con el alcohol una mezcla que hierve por encima de la temperatura necesaria para una reacción rápida del bromuro de hidrógeno con el alcohol primario R-CH2-OH NaBr / H2SO4 R-CH2-Br + NaHSO4 + H2O Al final de la reacción los subproductos y el alcohol que no reaccionó se pueden separar del bromuro de alquilo por extracción con ácido sulfúrico y luego solo basta una destilación sencilla para obtener el producto puro. OBJETIVOS • Obtener bromuro de n-butilo mediante la reacción del bromuro sódico y el n-butanol. • Aplicar las diferentes técnicas de separación y purificación de compuestos orgánicos. • Distinguir las reacciones SN2 de las reacciones SN1. MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS 1 Adaptador 1 Condensador para destilación 1 Mechero Bunsen 1 Termómetro 0-150ºC. 2 Erlenmeyer de 125 ml 1 Frasco pequeño (25 l) 1 Matraz de fondo redondo de 250 ml 1 Balón de destilación de 250 ml 1 Embudo de separación de 125 ml 1 Balón de fondo redondo de 50 ml 1 Condensador para reflujo REACTIVOS n-Butanol 10 ml Bromuro sódico, 13.5 g Ácido sulfúrico concentrado, 23 ml 6 1 3 2 4 1 1 4 Tapones horadados Tapones de corcho Rótulos Tubo de ensayo Soportes Mangueras Pinzas redondas Aro metálico Malla de asbesto Nueces dobles Cloruro de calcio anhidro Hidróxido de sodio 10% PRECAUCIONES: RIESGOS: Efectúese la práctica en una vitrina. Úsense guantes al manejar el ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico es un ácido fuerte y deshidratante. Los vapores del haluro de alquilo son tóxicos a elevada concentración. PROCEDIMIENTOS 1. En un balón redondo de 250 mL se colocan 13.5 g de bromuro de sodio, 15 mL de agua destilada y 10 mL de n-butanol. La mezcla se enfría en un baño de hielo y se añaden lentamente 13.5 mL de ácido sulfúrico concentrado, sin dejar de enfriar ni de agitar. 2. Se coloca el balón sobre un mechero, placa o manta calefactora y se acopla un condensador para reflujo con sus mangueras. Se calienta hasta ebullición anotando la hora de inicio. El reflujo debe ser constante e intenso. 3. Se mantiene el reflujo por 30-40 minutos; se aparta el mechero y se deja en reposo con el condensador en marcha durante unos minutos. 4. Se quita el condensador para reflujo y se acopla un equipo de destilación sencilla. Como colector se usa un erlenmeyer de 125 mL. La mezcla se destila hasta que no aparezca más gotas insolubles en agua (controle la temperatura; debe haber alcanzado 115º C). 5. El destilado se transfiere a un embudo de decantación, se añaden unos 10 mL de agua, se tapa y se agita. Si la capa inferior (bromuro de n-butilo) se encuentra coloreada de rosado, añada una pizca de bisulfito sódico y agite nuevamente. La capa inferior se pasa a un erlenmeyer limpio y seco. 6. Se lava y seca el embudo de separación y se coloca nuevamente el bromuro en él. Se enfrían en baño de hielo 10 mL de ácido sulfúrico concentrado, se vierte en el embudo, se agita fuertemente y se deja en reposo por cinco minutos. Se separa la fase orgánica. 7. El bromuro de butilo se lava primero con 10 mL de agua y después con 10 mL de NaOH al 10% y finalmente con 10 mL de agua. Separar las capas. 8. Se seca el producto por adición de unos 2 g de cloruro de calcio anhidro. 9. El líquido seco se decanta a un matraz de 50 mL, y luego se procede a una destilación sencilla. En un frasco se recoge la fracción que destila entre 99 y 103 °C. 10. Entregar este material al instructor. PREGUNTAS 1. Dar las reacciones fundamentales que ocurren en la formación del producto. Incluir el respectivo mecanismo. 2. Si teóricamente cada mol de alcohol solo requiere de un mol de sal y de ácido ¿por qué se trabaja con un exceso del bromuro y gran cantidad de ácido? 3. ¿Qué importancia tiene esto frente al equilibrio químico establecido durante la reacción? 4. ¿Por qué se plantea un mecanismo SN2 para la reacción estudiada? 5. ¿Puede el bromuro “sacar” al OH del alcohol en forma directa? 6. ¿Puede el agua formada revertir la reacción? Explique. 7. ¿Cuáles son los 2 subproductos principales que se forman en la reacción? Explicar su formación con base en mecanismos. 8. ¿En qué forma se le retiran las impurezas al producto crudo de la reacción? Explicar la fundamentación para esta técnica de purificación del producto. PRÁCTICA 12 SÍNTESIS DE CLORURO DE terc-BUTILO POR REACCIÓN SN1. INTRODUCCIÓN La transformación de un alcohol en el correspondiente haluro de alquilo por reacción con un trihaluro de fósforo o con un hidrácido es un método de síntesis de haluros de alquilo muy utilizado en el laboratorio. La reactividad de los haluros de alquilo depende de la estructura de estos, por ejemplo para un mismo tipo de haluros de alquilo, 1°, 2°, 3°, los yoduros son 50-100 veces mas reactivos que los respectivos cloruros, mientras que los bromuros tienen una reactividad intermedia, el orden de reactividad es: R-I >> R-Br >>R-Cl >> R-F Los haluros de metilo son 5-25 veces mas reactivos que los haluros de etilo o cualquier otro miembro de los haluros primarios. En general los haluros de alquilo terciarios son mas reactivos que los secundarios y estos mas que los primarios. Los alcoholes terciarios reaccionan rápidamente a la temperatura ambiente, los secundarios reaccionan lentamente y los primarios necesitan elevadas temperaturas. Una reacción SN1 se diferencia de una SN2 en su orden y molecularidad. Las reacciones SN2 son reacciones de sustitución nucleofílicas directa en cuya etapa determinante de la velocidad participan tanto el nucleófilo como el grupo saliente (la participación de dos especies corresponde en general a una reacción de segundo orden). En una reacción SN1 la etapa determinante de la velocidad es la formación del carbocatión, generalmente a través de la pérdida de algún grupo saliente en el sustrato. Puesto que en ella no participa ningún otro reactivo, se trata de una reacción unimolecular o de primer grado. OBJETIVOS • Convertir el alcohol terbutílico en el cloruro correspondiente mediante la acción del ácido clorhídrico, como ilustración de una reacción de sustitución nucleofílica unimolecular SN1 MATERIALES EQUIPOS E IMPLEMENTOS Embudo de separación Beaker de 250 mL Beaker de 100 mL Erlenmeyer de 200 mL Equipo de destilación sencilla REACTIVOS Alcohol terbutílico 15 mL Ácido clorhídrico concentrado 50mL Bicarbonato de sodio Cloruro de calcio PROCEDIMIENTOS Añadir 15 gramos de alcohol terbutílico (2-metil, 2-propanol) y 50 mL de ácido clorhídrico concentrado en un embudo de separación. Agitar suavemente esta mezcla durante un minuto con el embudo destapado (tener cuidado en esta operación) y luego agitar vigorosamente durante 4 minutos aliviando la presión interna ocasionalmente. Separar la capa acuosa y descartarla. Lave la fracción orgánica con 20 mL de solución saturada de bicarbonato de sodio, agitando suavemente el embudo destapado, luego tápelo y agite con fuerza aliviando la presión ocasionalmente. Drene y descarte la capa acuosa. Repetir el lavado con 20 mL de agua. Transferir el cloruro de terbutilo a un erlenmeyer pequeño y séquelo con 6-10 gránulos de cloruro de calcio, hasta que la solución sea clara. Decantar el líquido directamente en un frasco de destilación pequeño bien seco y destile. Enfriar el frasco colector en un baño de hielo. Recoger la fracción que destila entre 48-52°C. Redestilar la fracción recogida por debajo de 48 °C. PREGUNTAS 1. La halogenación directa de hidrocarburos muy rara vez se utiliza para la obtención de haluros de alquilo. Explíquese este hecho. X2 + R-H → Luz R-X + HX 2. En los proceso de lavado acuoso es absolutamente necesario reconocer cuál es la capa acuosa a descartar. Que sistema de reconocimiento puede sugerir? 3. Para que se usa el bicarbonato de sodio en el proceso. Escribir la reacción. 4. Con base en criterios estéricos y electrónicos justificar la reactividad de alcoholes en SN1 y SN2 5. Escriba el mecanismo y diagrama de energía de las siguientes reacciones A. CH2OH + HCl CH2Cl B. OH Me Cl + HCl Me 6. Justifique el resultado estereoquímico de reacción SN1 y SN2. PRÁCTICA 13 PRUEBAS GENERALES DE ALCOHOLES, FENOLES Y ÉTERES INTRODUCCIÓN Los alcoholes se designan en forma general como R-OH, los fenoles como Ar-OH y los éteres como R-O-R, Ar-O-Ar o mixtos donde R y Ar representan respectivamente un grupo alquilo o un grupo aromático. Las propiedades físicas y químicas de estos compuestos dependen tanto de R , Ar y del grupo –OH. Solubilidad: Los alcoholes, fenoles y éteres pueden formar puentes de hidrógeno intermoleculares con moléculas del agua. Los alcoholes de bajo peso molecular C1-C3 son muy solubles en agua, la solubilidad comienza a disminuir de C4 en adelante para alcoholes de cadena normal, esto se debe al efecto de la cadena R donde empieza a predominar la estructura no polar del grupo R sobre la porción polar del grupo –OH. Reacción con solución alcalina: Los fenoles son ácidos mas fuertes que los alcoholes y que el agua. Esto se debe a que el ion fenóxido es una base mas débil que el ion alcóxido e hidróxido ya que se halla estabilizado por resonancia.. por esta razón muchos fenoles son convertidos en sus respectivas sales (fenóxidos) por tratamiento con una solución alcalina. Reacción con sodio metálico: El sodio metálico es una base mas fuerte que el grupo –OH, es por esto que cuando se hacen reaccionar los alcoholes y fenoles con sodio metálico, estos se comportan como ácidos. En esta reacción el sodio desplaza al hidrógeno del grupo –OH de la misma manera que lo hace con el agua. El desprendimiento de hidrógeno es una evidencia de la presencia de hidrógenos activos en la molécula. Prueba de Lucas: Estructuralmente los alcoholes se clasifican como primarios, secundarios y terciarios dependiendo del número de radicales unidos al carbono que aporta el grupo –OH. Los alcoholes tratados con el reactivo de Lucas difieren en la velocidad con que reaccionan dependiendo de su estructura. Esto se aprovecha para distinguir entre las tres clases de alcoholes. Esta prueba es aplicable a los alcoholes solubles en agua. El reactivo de Lucas favorece un mecanismo de reacción SN1, de allí el orden de reactividad observado. Prueba de Bordwell-Wellman: Bajo ciertas condiciones de oxidación es posible distinguir entre los alcoholes primarios y secundarios de los terciarios, ya que los primarios y secundarios se oxidan con facilidad mientras que los terciarios no se oxidan con facilidad. Uno de los oxidantes mas utilizados para esta diferenciación es el reactivo del ácido crómico. Con este reactivo los alcoholes primarios se oxidan a aldehídos y los secundarios a cetonas, produciéndose un cambio de color en el reactivo de naranja a verde. La reacción que ocurre es la siguiente: H C-OH + H H2C rO 4 naranja C O O Cr O OH + H3O + H C O O Cr O OH C=O + H2C rO 3 verde Pruebas para fenoles: Bromo en agua: El grupo –OH de los fenoles es muy difícilmente sustituido, por el contrario este grupo ejerce una acción activadora sobre el anillo aromático. Esto facilita reacciones de sustitución electrofílica aromática. El efecto activante es muy fuerte de tal forma que en la mayoría de la veces se obtienen productos trisustituidos insolubles en agua. Cloruro férrico: Los fenoles y los enoles (grupo hidroxilo unido a un carbono con doble enlace), producen una coloración violeta o verde al reaccionar con el cloruro férrico, esta coloración se debe a la formación de un complejo de coordinación con el hierro. Esta prueba permite distinguir entre fenoles y alcoholes. OBJETIVOS • • Ilustrar mediante pruebas características algunas reacciones de alcoholes y fenoles. Observar las reacciones que permiten diferenciarlas de otros grupos funcionales. MATERIALES IMPLEMENTOS 10 tubos de ensayo Goteros Pipeta Gradilla REACTIVOS Etanol n-butanol t-butanol Ciclohexanol β-naftol 2-butanol NaOH Sodio metálico Resorcinol Acido salicílico Fenol Eter Reactivo de Lucas Acido crómico Cloruro férrico PARTE EXPERIMENTAL Solubilidad: En cinco tubos de ensayo pequeños colocar en cada uno 5 gotas de etanol, n-butanol, t-butanol, ciclohexanol y éter. A cada uno de los tubos agregar 2 mL (40 gotas ) de agua. Agitar, observar y anotar los resultados de solubilidad observados. Solubilidad en medio alcalino: En dos tubos de ensayo pequeños colocar en uno 5 gotas de ciclohexanol y en el otro 0.1 gramos de β-naftol. Adicionar a cada uno de los tubos 1 mL de NaOH al 10 %, agitar y observar los resultados. Reacción con sodio metálico: En tres tubos de ensayo pequeños, limpios y secos colocar en cada uno 10 gotas de n-butanol, 2butanol, t-butanol. Adicionar lo mas rápido posible un pequeño pedazo de sodio del tamaño de un grano de arroz y en forma simultanea a los cuatro tubos de ensayo. Observar el desprendimiento de gas y la velocidad de la reacción. Anote los resultados y establezca un orden de reacción de mayor a menor. Prueba de Lucas: En tres tubos de ensayo pequeños limpios y secos, colocar en cada uno 10 gotas del reactivo de Lucas (HCl/ZnCl2). Adicionar respectivamente 5 gotas de n-butanol, 2-butanol y t-butanol. Agitar y medir el tiempo que tarda cada solución en tornarse turbia (lechosa) o en separarse en dos capas. Prueba de oxidación: En cuatro tubos de ensayo pequeños, colocar en cada uno 5 gotas de n-butanol, 2-butanol, tbutanol y fenol al 5 % en agua. Luego adicionar a cada tubo con agitación 3 gotas del reactivo anhídrido crómico en ácido sulfúrico. Observar y anotar los resultados indicando claramente los cambios en la coloración. Prueba del bromo: En un tubo de ensayo colocar 1 gota de solución de fenol en agua al 5 % y adicionar gota a gota bromo en agua al 10 % hasta que se presente una persistencia de coloración amarilla pálida. Observar color y aspecto del precipitado. Anotar los resultados. Prueba del cloruro férrico: En cuatro tubos de ensayo pequeños colocar respectivamente 5 gotas de fenol en agua al 5 %, 0.1 gramos de resorcinol, 5 gotas de etanol y 0.1 gramos de ácido salicílico al último. Adicionar 5 mL de agua a cada uno de ellos y 2 gotas de solución de cloruro férrico al 1 %. Agitar y observar los resultados. PREGUNTAS 1. Escriba una ecuación que explique la solubilidad del compuesto fenólico en medio alcalino. 2. Escriba una ecuación para la reacción de cada una de las sustancias empleadas con el sodio metálico, reactivo de Lucas, oxidación, bromo y cloruro férrico. 3. Que ocurrirá al adicionar el metóxido de sodio al agua?. Escriba la ecuación. 4. Cuál de los siguientes alcoholes no es oxidado por el ácido crómico: Isobutanol, 1-metil ciclopentanol, 2-metil ciclopentanol 5. Cómo se puede distinguir mediante pruebas químicas entre el 4-clorofenol y el 4-cloro ciclohexanol? 6. Por que el ion fenóxido es una base mas débil que el ion alcóxido y el ion hidróxido? PRÁCTICA 14 REACCIONES DE ELIMINACIÓN Y OXIDACIÓN DE ALCOHOLES INTRODUCCIÓN DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES: Un alcohol es puede transformar en un alqueno por deshidratación: Eliminación de una molécula de agua. Esto requiere la presencia de un ácido fuerte y la aplicación de calor. Según el tipo de alcohol estos difieren en su facilidad de deshidratación. El orden de deshidratación es el siguiente: 3° > 2° > 1°. En el caso de los alcoholes secundarios y terciarios, los datos experimentales muestran que en el mecanismo participa la formación de un carbocatión: - 1. C H C OH + H:B C H C OH2 + B 2. C H C OH2 C H C + + H 2O 3. C H C + + B - C C + HB Las etapas 2 y 3 corresponden a las etapas de eliminación unimolecular (E1), con el alcohol protonado en la primera etapa. La especie protonada en la primera etapa puede experimentar heterólisis, perdiendo una molécula de agua, dando origen a un carbocatión. La formación del carbocatión es la etapa lenta del proceso. El carácter básico de B- y la temperatura del sistema son factores que favorecen que el proceso se lleve a cabo mediante eliminación en competencia hacia la sustitución. Osea estos dos tipos de mecanismos pueden competir dando productos de sustitución o de eliminación. De igual forma cuando la estructura del grupo alquilo lo permite, se pueden presentar reordenamientos o transposición de carbocationes. Cuando hay varias posibilidades de generar mas de un alqueno (mas de un carbono beta al grupo hidroxilo y con hidrógenos disponibles), se produce uno de los isómeros en mayor cantidad que el otro, de acuerdo a la regla de Saytzeff, que establece preferencia por el alqueno mas interior o mas sustituido. OXIDACIÓN DE ALCOHOLES: Los alcoholes primarios se oxidan dando aldehídos, los cuales por oxidación posterior producen ácidos carboxílicos. O R-CH2-OH R-C-H O R-C-OH Debido a que los aldehídos se oxidan mas fácilmente que los alcoholes primarios de los cuales provienen, se hace necesario cuando se esta preparando un aldehído removerlo de la mezcla reaccionante tan pronto se forma para impedir su posterior oxidación. Esto se logra destilando el aldehído mientras se forma ya que posen menor temperatura de ebullición que los alcoholes de igual número de átomos de carbono. Los alcoholes secundarios también se pueden oxidar, generando cetonas. Estas son mas resistentes a una oxidación posterior. Los alcoholes terciarios no se oxidan bajo condiciones normales. Este hecho permite diferenciar los respectivos alcoholes OBJETIVOS: • • Deshidratación de un alcohol como ilustración de la orientación en el proceso de eliminación unimolecular Preparación de n-butiraldehido por oxidación controlada del alcohol butílico normal. MATERIALES IMPLEMENTOS Deshidratación: Balón de 100 mL Condensador Erlenmeyer Embudo de separación Equipo de destilación Oxidación: Matraz de tres bocas Columna de reflujo Embudo de adición Termómetro Condensador con adaptador Balón de 100 mL Mechero Embudo de separación Erlenmeyer PROCEDIMIENTO NOTA: El profesor decidirá cual de las dos experiencias puede realizar según la disponibilidad de materiales y equipos. 1. DESHIDRATACIÓN DE UN ALCOHOL: Prepara una solución de ácido sulfúrico en una relación (1:2 v/v) añadiendo cuidadosamente, en pequeñas cantidades 7 mL de ácido sulfúrico concentrado a 14 mL de agua fría contenida en un balón de 100 mL. Mantener el balón en un baño de agua-hielo entre cada adición. Nota: La reacción del ácido sulfúrico con el agua es bastante exotérmica y tener presente que el ácido se agrega al agua y nunca el agua al ácido. Luego adicionar 14 mL de alcohol teramílico (2-metil, 2butanol) enfriando y agitando la mezcla. Montar el balón en un baño maría sujetándolo con pinzas a un soporte; adaptar un condensador para destilación con un adaptador que lleve a un erlenmeyer como recipiente recibidor y en un baño de hielo ya que los amilenos son de bajo punto de ebullición y muy volátiles. REACTIVOS Deshidratación: Ácido sulfúrico Alcohol teramílico NaOH 10 % Cloruro de calcio Oxidación Dicromato de sodio Ácido sulfúrico n-butanol sulfato de magnesio Continuar el calentamiento con vapor hasta que no se obtenga mas destilado. Transferir el destilado a un embudo de separación y añadir 6 mL de solución de NaOH al 10%. Invertir el tubo y abrir la llave para aliviar la presión, cerrar la llave y luego agitar vigorosamente, aliviar la presión ocasionalmente. Luego descartar la capa acuosa y verter el alqueno a un erlenmeyer pequeño. Añadir 0.5 gramos de cloruro de calcio anhidro. Dejar en reposo sobre un baño de hielo con agitación ocasional. Destilar una vez la mezcla sea clara, recogiendo la fracción entre 37-43 °C en un recipiente frío. Determinar la naturaleza del producto mediante algunas pruebas sencillas sugeridas por el profesor. 2. OXIDACIÓN DE ALCOHOLES: Acondicionar un matraz de tres bocas con una columna de destilación en la boca central, un embudo de adición y un tapón sólido en las bocas restantes. Además acondicionar un termómetro y un condensador a la columna de destilación. Al condensador se conecta mediante un adaptador un balón de 100 mL. Disolver 14 gramos de dicromato de sodio dihidratado en 150 mL de agua y agregue esta solución lentamente mientras agita a 10 mL de ácido sulfúrico concentrado. Poner 10 mL de alcohol butílico normal en el balón de tres bocas junto con unas piedritas de ebullición y la solución acidificada de dicromato de sodio en el embudo de adición. Calentar el matraz de tres bocas hasta que el alcohol ebulla suavemente y sus vapores lleguen a la parte inferior de la columna. Luego agregue gota a gota la solución de dicromato a una velocidad tal que la temperatura en la cabeza de la columna suba por encima de 85 °C, mientras destila la mezcla de butiraldehido y agua. Es necesario graduar el calentamiento para que la temperatura en la cabeza de la columna no este por debajo de 75 °C y para que la destilación ocurra adecuadamente. Cuando se haya agregado toda la mezcla oxidante se continua calentando durante unos 10 minutos y recolectando lo que destila por debajo de 90 °C. El destilado se pasa a un embudo de separación y se separa la capa acuosa inferior. Pasar la capa orgánica a un erlenmeyer de 125 mL seco, agregar un gramo de sulfato de magnesio anhidro y agitar durante unos dos o tres minutos. Decantar el líquido claro y transferir a un balón de destilación pequeño y destilar fraccionadamente colectando como butiraldehido puro todo lo que destile por debajo de 74 °C. Guardar el producto en un frasco tapado y debidamente rotulado y entregar al instructor. PREGUNTAS 1. La prueba de Baeyer se utiliza para detectar la presencia de doble enlace. Escriba la reacción correspondiente cuando se efectúa la prueba con los amilenos preparados en la práctica. 2. Cuál olefina (alqueno) sería el producto principal en la deshidratación catalizada por ácido sulfúrico del alcohol neopentílico (2,2 dimetil propanol). 3. Indique para que se utiliza la decoloración con bromo. Escriba la reacción correspondiente. 4. Explique porque el butiraldehido tiene un punto de ebullición bastante mas bajo que el nbutano, siendo sus pesos moleculares bastante cercanos entre si. 5. Explique en base a ecuaciones que ocurre al agregar solución de permanganato de potasio a una solución de butiraldehido. PRÁCTICA 15 REACCIONES GENERALES DE ALDEHÍDOS Y CETONAS INTRODUCCIÓN. Los aldehídos y cetonas tienen en común la presencia del grupo carbonilo C=O Los aldehídos son compuestos con el grupo carbonílico-terminal (en un extremo de la cadena) mientras en las cetonas este grupo se encuentra en una posición intermedia (entre 2 cadenas carbonadas). O C Aldehido O C R1 Cetona R H R2 Los aldehídos se oxidan fácilmente a los correspondientes ácidos carboxílicos; aun con oxidantes suaves (especialmente con iones metálicos como el Cu2+ y Ag+) en soluciones alcalinas. Las cetonas en estas mismas condiciones no reaccionan, desde este punto de vista es posible diferenciar los aldehídos de las cetonas. Para ello se recurre a los reactivos de Fehling o Tollens. El reactivo de Fehling no es más que una solución básica de iones Cu2+, en presencia de iones tartrato para impedir su precipitación (El color del reactivo es azul oscuro). El reactivo de Tollens es una solución básica amoniacal de iones Ag+ (El reactivo es incoloro). Cuando se utilizan estos reactivos en presencia de un aldehído ocurren las siguientes reacciones: Con Fehling: O C Aldehido Con Tollens: Cu2 H - + O C O + - R OH /Tartrato azul Cu2O rojo R O C + H 2Ag(NH3)2 Incoloro + O + OH - R R C + 2Ag + 1/2 H2O +NH3 espejo O de plata Las cetonas se pueden oxidar en presencia de oxidantes fuertes. Pero se obtienen mezclas complejas de ácidos carboxílicos con átomos de carbono iguales a los grupos R1 y R2. O R1-CH2-C-CH2-R2 Oxidante O R1-CH2-C OH + O R2-CH2-C OH Existen otras pruebas para detectar los aldehídos, sobre todo si estos son de carácter aromático ya que para estos la prueba de Fehling y aun la de Tollens no son evidentes. Una de estas reacciones es la efectuada con el reactivo de Schiff (Solución de Fucsina decolorada con SO2). O C R H + Reactivo Schiff Coloración magenta OH N H3+ C( SO3H NHSO2H)2Cl - H2N= =C ( NH-SO2-CH)2Cl R - Prueba del Yodoformo. O Los compuestos que poseen el grupo CH3—C— o los que por oxidación lo pueden producir, reaccionan con una solución de NaOI ("Preparada mezclando I 2 + NaOH). Para producir un precipitado de CHI3 O C I2 / OH CH3 - O CHI3 + R C O R - Las: reacciones debidas al grupo carbonilo son en general de adición nucleofilica, en estas reacciones desaparece el doble enlace. Estas reacciones se utilizan para preparar algunos derivados que permitan la identificación del compuesto carbonlico ya que son sólidos de punto de fusión definido. Uno de los mas utilizados es la 2,4-Dinitrofeni1 hidrazona, obtenida haciendo reaccionar el compuesto carbonilico con una solución de 2.4- Dinitrofenil hidrazina en medio ácido. O R1-C-R2 + NH2-NHNO2 -NO2 H2SO4 OH R1-C- NH-NHR2 NO2 -NO2 H2O NO2 R1-C= N-NHR2 -NO2 OBJETIVOS • Estudiar algunas reacciones características de compuestos corbonílicos (aldehídos y cetonas) al igual qua reacciones específicas. Para diferenciar aldehídos de cetonas, metil cetonas y cetonas no metílicas. PARTE EXPERIMENTAL. Prueba de Tollens. Coloque 5 gotas del reactivo de Tollens en 2 tubos de ensayo pequeños, respectivamente. A uno de los tubos adicione 2 gotas de solución acuosa de formaldehído y al otro 2 gotas de acetona. Agite los tubos déjelos en reposo 15 minutos. Observe y anote los cambios que ocurren. Escriba las reacciones. Prueba de Fehling Mezclar en un tubo de ensayo pequeño volúmenes iguales de soluciones A y B de Fehling (5 gotas de cada uno de los reactivos). Agregue enseguida 1 gota de solución acuosa de formaldehído. En otro tubo prepare el reactivo de Fehling de forma similar, pero adicione 1 gota de acetona. Caliente los, 2 tubos en un baño de agua caliente durante 3 minutos. Repita el ensayo utilizando una solución de glucosa. Observe y anote los resultados. Prueba de Schiff Coloque en 2 tubos de ensayo 5 gotas del reactivo de Schiff. A uno de los tubos adicione 1 gota de benzaldehido, al otro tubo 1 gota de acetona. Agite y deje reposar 5 minutos. Observe y anote resultados. Prueba del Yodoformo A 20 gotas de una solución al 2% de NaOH en un tubo de ensayo, agregar 1 gota de formaldehído, luego agregar a la mezcla anterior gota por gota una solución de KI/I2, agitando hasta que la solución quede ligeramente amarilla. Repita la experiencia utilizando acetona en lugar de formaldehído. Anotar en cual de los compuestos se forma el precipitado amarillo de yodoformo. Preparación de la 2,4-Dinitrofenil hidrazona de la acetona y del formaldehído En un tubo de ensayo grande colocar 5 gotas del reactivo previamente preparado de la 2,4Dinitrofenil hidracina, luego adicionar 3 gotas de acetona, agitar el tubo de ensayo y dejarlo en reposo durante 5 minutos. Repetir con formaldehído. Observe y anote los resultados. PREGUNTAS. 1. Como diferenciaría usted, justificando con ecuaciones químicas apropiadas los siguientes compuestos. Propanona Ciciohexanona - Metanal 2. Tomando como base de una reacción de adición nucleofílica; Cuál reacciona más rápidamente un aldehído o una cetona? Sugiera dos factores. 3. Escriba el mecanismo para la reacción entre la 2,4-dinitrofenil hidrazina y un compuesto carbonilo. 4. Por qué la reacción de la pregunta anterior debe llevarse a cabo en un medio ácido?. papel desempeña el etanol en esta misma reacción? 5 Qué Pueden distinguirse entre si los compuestos carbonilos isoméricos de fórmula molecular C4H8O ? Explique. 6. Un compuesto C5H10O reacciona con la 2,4-dinitrofenil hidrazina, pero no reacciona con el reactivo de Tollens, no da la prueba del Yodoformo. Cuál es la estructura de este compuesto?. 7. Cuáles de los siguientes compuestos es de esperar que den positiva la prueba del yodoformo?. O a CH3-CH2-C-H O b CH3-C-H O c CH3-C-CH2-CH3 O d H-C-H O e Ar-C-H j i h g f O CH3-CH2-C-CH2-CH3 OH CH3-C-CH2-CH3 H CH3-CH2-OH OH CH3-C-CH2-CH3 CH3 OH CH3-CH2-C-CH2-CH3 H PRÁCTICA 16 REACCIONES DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS INTRODUCCIÓN Los ácidos carboxílicos constituyen la clase de ácidos orgánicos mas importantes. Los derivados de ácidos orgánicos se originan al reemplazar el grupo hidroxilo (OH-) de la función carboxilo por otros grupos. O R-C-OH O R-C-X Haluros de ácido O R-C-O M Sales + O O O R-C-O-R Ésteres O R-C-NH2 Amidas R-C-O-C-R Anhídridos Los ácidos carboxílicos se reconocen por acidez ya que son ácidos mas fuertes que el agua y que el ácido carbónico. Los ácidos carboxílicos inferiores (hasta de 4 átomos de carbono) son completamente solubles en agua, ya que igual que los alcoholes pueden formar puentes de hidrógeno con ellos mismos. Las soluciones acuosas de los ácidos carboxílicos inferiores presentan propiedades ácidas (pH <7.0) y se reconocen fácilmente con el papel tornasol o por su reacción con el bicarbonato de sodio desprendiendo burbujas de CO 2.. Los ácidos carboxílicos superiores que son insolubles en agua, pueden ser extraídos o solubilizados por medio de una base acuosa como el NaOH, ya que sus sales son solubles en agua. O R-C-OH O R-C-OH + NaHCO3 + H2O O R-C-O O R-C-O Na + - + H 3O + pH < 7.0 + H2O + CO2 (gas) O R-C-OH + NaOH (ac) O R-C-O Na + + H2O Ácido carboxílico superior insoluble en agua Sal de sodio del ácido carboxílico soluble en agua De los derivados de ácido, los haluros son los mas reactivos, osea son los que presentan mayor tendencia a perder el halógeno por una especie nucleofílica, el solo contacto con el vapor de agua de la atmósfera son transformados en ácidos. Las amidas son los menos reactivos hacia un ataque nucleofílico. Para hidrolizar las amidas estas deben de ser calentadas hasta ebullición con ácidos o bases inorgánicos. La hidrólisis básica de una amida primaria produce amoniaco y el ión carboxilato y la hidrólisis ácida produce el ácido carboxílico y el ión amonio. OBJETIVOS Conocer y diferenciar mediante algunas reacciones químicas y propiedades físicas algunos ácidos carboxílicos y sus derivados. PARTE EXPERIMENTAL Solubilidad y acidez: En tres tubos de ensayo colocar, en el primero 10 gotas de ácido acético, al segundo y tercero una pizca de ácido benzoico lo que tome con la punta de una espátula. A los tres tubos agregar 2 mL de agua y observar. A la muestra que sea insoluble pruebe de nuevo su solubilidad en 2 mL de NaOH al 10 %. Observar y anotar los resultados. A los tres primeros tubos de ensayo observar el pH utilizando papel indicador. Ensayo de clasificación: En cuatro tubos de ensayo coloque respectivamente, 5 gotas de ácido acético al primero, una pizca de ácido benzoico al segundo, una pizca de fenol al tercero y una pizca de β-naftol al cuarto. Adicionar a cada tubo 2 mL de solución de NaHCO3 al 5 %. Agitar y observar si hay evolución de burbujas y si el compuesto se disuelve. Hidrólisis de amidas: Hidrólisis básica: en un tubo de ensayo adicione 0.5 mL de acetamida (o lo que tome en la punta de una espátula si esta sólido), agregar 1 mL de NaOH al 10 % y caliente hasta ebullición, determinar el olor del gas desprendido y probar con papel indicador. Hidrólisis ácida: realizar el mismo procedimiento anterior pero cambiando el hidróxido de sodio por H2SO4 al 10 %. Hidrólisis de ésteres (saponificación): Colocar 0.5 gramos de grasa (sebo o tocino) en un tubo de ensayo grande. Agregar 3 mL de NaOH al 25 % y 3 mL de metanol. Calentar a baño de maría durante 20 minutos agitando continuamente para disolver la grasa. Luego y en caliente adicionar esta mezcla a 15 mL de NaCl al 25 % en agua contenidos en un beaker, agitar vigorosamente durante 3 minutos. Observar el precipitado y recójase este por filtración al vacío. PREGUNTAS: 1. El agua y el aceite son insolubles y forman al mezclarse dos capas líquidas diferenciadas. De acuerdo a esto, si usted pone a reaccionar hidróxido de sodio acuoso con ácido benzoico disuelto en benceno, cuántas capas encontrará al final y sus respectivos componentes? 2. 3. 4. 5. Cómo es la disociación del acetato de sodio en agua (parcial o total), el pH de esta solución será básico o ácido. Explicar con reacciones. De los derivados de ácido por qué las amidas son los compuestos menos reactivos hacia un ataque nucleofílico? Qué es una reacción de neutralización? En la hidrólisis básica de una amida seria fundamental el papel indicador? Por qué? 6. Qué se entiende por saponificación. Cuál es la estructura química general de grasas y aceites. PRÁCTICA 17 ESTERIFICACIÓN. PREPARACIÓN DE ACETATO DE ETILO INTRODUCCIÓN La reacción de un ácido carboxílico con un alcohol para producir un éster y agua se denomina esterificación de Fischer. O R.C-OH + R-OH O R-C-OR´ + H2O La esterificación directa de un ácido carboxílico y alcohol con un ácido mineral como catalizador es un proceso reversible. Para la mayoría de los ésteres la constante de equilibrio vale 4, así que si se hacen reaccionar cantidades equimolares del ácido y del alcohol el rendimiento del éster es de aproximadamente un 67 % molar cuando se ha llegado al equilibrio. Para incrementar el rendimiento se utilizan varias alternativas con el fin de desplazar el equilibrio, estos pueden ser: • • Dependiendo del costo relativo de los reactivos, se puede utilizar un exceso de uno de ellos. Remover el agua a medida que se forma. Esto se puede conseguir a través de una destilación azeotrópica: se añade un tercer componente a la mezcla reaccionante de tal forma que se forme un azeótropo de temperatura de ebullición bajo, con el agua como uno de sus componentes. OBJETIVOS • Ilustrar la reacción típica entre ácidos carboxílicos y alcoholes mediante la acción catalítica de ácido y aplicación de calor. • Ilustrar la reacción de sustitución nucleofílica sobre un grupo acilo. PROCEDIMIENTO Colocar en una balón de fondo redondo 10 gramos de ácido acético glacial y 13.5 mL de etanol del 95 %. Agitar continuamente y añadir lentamente 1.7 mL de ácido sulfúrico concentrado. Conectar el frasco a un condensador de reflujo, enfriado con agua. Añadir piedras de ebullición y someter a reflujo durante 30-35 minutos sobre un baño de vapor. Luego enfriar el frasco y reordenar el condensador para una destilación simple con piedras de ebullición y calentamiento en baño de vapor. Utilizar un adaptador y sellar con un tapón apropiado la boca de un erlenmeyer de filtración al vacío que se utilizará para recoger el destilado. En el desprendimiento lateral del erlenmeyer se conecta una manguera de tal forma que cuelgue por debajo de la mesa. El acetato de etilo es inflamable, del mismo modo el erlenmeyer debe de estar en un baño de hielo. Destilar hasta que solo permanezca un pequeño residuo de ácido sulfúrico y ácido acético en el balón de destilación. El destilado se transfiere a un embudo de separación y se agita suavemente con solución de carbonato de sodio, abrir la llave y aliviar la presión. Continuar agitando con mas fuerza (aliviando la presión ocasionalmente) hasta que la capa orgánica superior no muestre acidez con papel indicador. Separar la capa orgánica y lavarla con una solución fría de 6 gramos de cloruro de calcio en 8 mL de agua. Secar el producto durante 20 minutos sobre sulfato de sodio anhidro. Luego filtrar y destilar utilizando una columna pequeña de fraccionamiento. Recoger por separado la fracción entre 75-78 °C. Las fracciones de menor a mayor rangos de ebullición se reúnen y se fraccionan de nuevo. PREGUNTAS 1. Escriba el mecanismo detallado para esta reacción de esterificación. 2. La alcohólisis de haluros de ácido o anhídridos de ácido es en muchas ocasiones un método preferido para obtener ésteres; de ejemplos de estas reacciones. 3. Qué es un azeótropo? Qué utilidad tiene en esta práctica la formación de un azeótropo? 4. Si se partiera de reactivos marcados isotopicamente indique donde quedará la marca en el producto: O CH3-C-OH 18 O CH3-C-OH CH3-CH2-OH 18 18 PRÁCTICA 18 PREPARACIÓN Y PURIFICACIÓN DE ACETANILIDA A PARTIR DE ANILINA INTRODUCCIÓN Las amidas son compuestos que se les puede considerar derivados del amoniaco o de aminas primarias o secundarias por sustitución de un hidrógeno de la amina por un radical acilo (R-CO-), o por sustitución del oxhidrilo del carbonilo de un ácido por un grupo (-NRR´´). En la naturaleza se encuentran pocas amidas, dentro de ella está la urea y la aspargina. La amida más simple es la formamida que es un líquido usado comúnmente como disolvente orgánico y también es muy soluble en agua. Las demás amidas son sólidos cristalinos. Los puntos de ebullición de las amidas son mas elevados que los de los ácidos correspondientes aunque varían poco con el aumento del peso molecular de las amidas. La acilación de una amida es una reacción ácido base tipo de Lewis, en que el grupo amino básico efectúa un ataque nucleofílico sobre el átomo de carbono carbonílico, que actúa como el centro ácido. La reacción en general transcurre muy rápida con cloruro de ácido, moderadamente rápida con anhídrido de ácido, muy lenta con los ácidos, este proceso necesita calentamiento. En la experiencia siguiente se emplea el método de fabricación industrial de la acetanilida y se realiza calentando una mezcla de anilina, ácido acético y anhídrido acético que transcurre en forma rápida. OBJETIVOS • • Sintetizar acetanilida a partir de anilina y anhídrido acético. Purificación de la acetanilida obtenida por cristalización y determinación de la temperatura de fusion como parámetro de la pureza del producto obtenido. PROCEDIMIENTO En un tubo de ensayo colocar 1 mL de anilina, 1mL de anhídrido acético y 10 gotas de ácido acético concentrado. Observar el desprendimiento de calor. Calentar la mezcla en un baño maría por unos 10 minutos a temperatura de ebullición suave. Enfriar el tubo en el chorro de agua fría y luego en un baño de hielo hasta provocar la cristalización. Si esto no ocurre agregar el contenido del tubo en unos 5 mL de agua con hielo, se agita la mezcla y se recogen los cristales por filtración en embudo Buchner. Lavar los cristales directamente en el embudo con un poco de agua fría. Luego pasar los cristales a un beaker de 100 mL para su recristalización.. Añadir 20 mL de agua y calentar hasta que el agua hierva. Cuando esto ocurra agregar una pizca de carbón activo para absorber impurezas, dejar en calentamiento por 3 minutos mas. Filtrar por gravedad inmediatamente en caliente de tal forma que no se produzcan cristales en el papel de filtro. Hacer pequeños lavados con agua caliente. Luego enfriar el filtrado exteriormente en un baño de hielo. Dejar en reposo unos minutos. Recoger los cristales en el embudo Buchner. Secar los cristales y determinar el punto de fusión a los cristales de acetanilida. PREGUNTAS 1. Comparar el valor de la temperatura de fusión teórico con el experimental para la acetanilda. 2. Consulte las propiedades y usos de la acetanilida a nivel industrial. 3. Plantee un mecanismo completo para la reacción de síntesis de la acetanilida.