UNIVERSIDAD ICESI FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES LABORATORIO DE QUIMICA ORGÁNICA II PRÁCTICA No.2 REACCIONES DE SUSTITUCIÓN EN ÁCIDOS CARBOXILICOS: PREPARACIÓN DE ASPIRINA 1. OBJETIVOS 1.1. Ilustras las reacciones de sustitución en ácidos carboxílicos, sintetizando ácido acetilsalicílico (aspirina) mediante una reacción de esterificación catalizada por ácido. 1.2. Realizar el análisis cualitativo del producto obtenido mediante el uso de cromatografía de capa delgada. 1.3. Interpretar y realizar la asignación de la bandas más representativas del espectro IR del ácido acetilsalicílico. 2. INTRODUCCIÓN La aspirina es el fármaco de mayor consumo en la sociedad moderna, siendo el más empleado para la automedicación, en competencia con compuestos que pueden considerarse fármacos, como son la cafeína (presente en el café y el té) y el etanol (que se halla en los licores, el vino y la cerveza). En la actualidad el mundo entero consume la impresionante cifra de 216.000.000 de comprimidos de aspirinas diariamente. El ácido acetilsalicílico, comercializado con el nombre de Aspirina por la casa Bayer, fue sintetizado a finales del siglo XIX químico alemán Félix Hofmann. Actúa como antipirético y fundamentalmente como analgésico. Se administra por vía oral y se absorbe rápidamente, ya que parte es ionizado en el estómago y el 75% se metaboliza en el hígado. El ácido acetilsalicílico se sintetiza a partir de ácido salicílico y anhídrido acético en presencia de ácido. Una vez sintetizado el ácido acetilsalicílico es necesario purificarlo por cristalización repitiendo éste procedimiento una o más veces, hasta lograr el producto puro. 3. CONSULTAS PRELIMINARES 3.1 3.2 ¿Cuál es el mecanismo de acción de la aspirina en el organismo y en que consisten los efectos analgésicos y antipiréticos que se le atribuyen? ¿Cual es el propósito del ácido sulfúrico concentrado utilizado en la reacción de acetilación del ácido salicílico para obtener ácido acetilsalicílico? Plantee las ecuaciones involucradas durante el proceso Cuando la aspirina (ácido acetilsalicílico) se calienta en agua hirviendo, se descompone. La solución resultante da prueba positiva para el test con FeCl3. ¿Por qué es positiva la prueba? De las ecuaciones que justifiquen su respuesta Sugiera otros solventes u otras mezclas de solventes, diferentes a las que se proponen en esta guía, que podrían ser utilizadas para llevar a cabo la cromatografía decapa delgada (CCD). Explique. Consulte fichas de seguridad de los reactivos a usar en la práctica y construya las fichas de emergencia correspondientes 3.3 3.4 3.5 40 4. FUNDAMENTO TEÓRICO El nombre de aspirina deriva de su estructura, ácido acetilsalicílico. Antiguamente el ácido salicílico se conocía como ácido spiraeico (de la ulmaria Spiraea ulmaria) y por tanto la aspirina era el ácido acetilespiraeico, de donde se originó su nombre. Figura 1. Aspirina La aspirina es el fármaco analgésico más utilizado, siendo también un potente agente antipirético y antiinflamatorio; y aunque se conocen numerosos compuestos con propiedades analgésicas, sólo en la aspirina se combinan con estos dos caracteres. Por esta razón, la aspirina se usa en muchas preparaciones y conjuntamente con un gran número de otros medicamentos. El propio ácido salicílico es un analgésico. En realidad, es éste el producto que puede extraerse de varias plantas medicinales capaces de aliviar el dolor. Inicialmente, el fármaco se administró en forma de sal sódica. Sin embargo, el uso del salicilato sódico producía molestos efectos secundarios, y pronto se buscó una modificación del fármaco que retuviese las terapéuticas de este compuesto, sin presentar los efectos secundarios indeseables. Por tratamiento del ácido salicílico con anhídrido acético se obtiene el ácido acetilsalicílico, un compuesto tan eficaz como el salicilato sódico, pero de reducidos efectos secundarios. El ácido acetilsalicílico es un éster de ácido acético y ácido salicílico (este último actúa como "alcohol"). Aunque se pueden obtener ésteres de ácido por interacción directa del ácido acético con un alcohol o un fenol, se suele usar un sustituto del ácido acético, el anhídrido acético, como agente acetilante. Éste permite producir ésteres de acetato con velocidad mucho mayor, que por la acción directa del ácido acético. La reacción de esterificación que tiene lugar es la siguiente: + H2SO4 En la preparación descrita en esta práctica, se acetila el ácido salicílico con anhídrido acético. Sin embargo, antes de la acetilación se asegura la disponibilidad del anillo aromático, de la función carboxilato y del grupo hidroxilo. En la práctica, aunque el ácido salicílico puede extraerse de plantas como el abedul o la gaulteria, suele obtenerse por síntesis mediante la carboxilación del fenol según Kolbe. En la reacción de Kolbe se transforma un fenol en un ácido fenólico por la acción de una base y del dióxido de carbono. A escala industrial es una reacción muy eficaz. El fenol puede prepararse a partir de diversos compuestos aromáticos (como el benceno, el clorobenceno o el isopropilbenceno) 41 procedentes del petróleo. De este modo, el precio del petróleo puede determinar, en última instancia, el coste y disponibilidad de fármacos como la aspirina. Las tabletas de aspirina usualmente están compuestas de casi 0.32 g de ácido acetilsalicílico presionado con almidón, para empastar los ingredientes. En la preparación de la tableta también se utilizan agentes buffer y otros compuestos. 5. SEGURIDAD DURANTE LA PRÁCTICA Normas de seguridad El estudiante debe referirse al manual de seguridad. Equipos de protección personal 5.1 • • • • Usar durante todo el desarrollo de la práctica los siguientes elementos de seguridad: Bata de laboratorio Guantes de nitrilo Gafas de seguridad Tapa bocas 5.2 Mantener los elementos personales de seguridad identificados y en buen estado. Está prohibido su intercambio con los demás compañeros de laboratorio. Manejo de Residuos químicos Tanto por razones de seguridad como por respeto al medio ambiente, es importante disponer los residuos generados en las prácticas del laboratorio de química en forma adecuada. Por ello el estudiante debe: 1. 2. 3. Emplear los recipientes destinados para eliminar los residuos o desechos de laboratorio, los cuales están debidamente identificados según el tipo de sustancia a desechar. Verter únicamente los residuos en el recipiente correspondiente para evitar reacciones no controladas y potencialmente peligrosas. No arrojar por el desagüe los desechos o residuos químicos obtenidos durante el desarrollo de la práctica. Si tiene alguna inquietud al respecto comuníquela al responsable del laboratorio, quien le indicará la forma correcta de hacerlo. PROCEDIMIENTO MATERIALES 1 Varilla de vidrio 2 Erlenmeyer de 125 mL 1 Vaso de precipitados de 400 mL 1 Equipo de filtración al vacío (con embudo de Buchner) 2 Vasos de precipitados de 150 mL 1 Vaso de precipitados de 100 mL 1 Vaso de precipitados de 250 mL 1 Frasco lavador 1 Pipeta de 10 mL 1 Pipeta de 5 mL 1 Pipeta de 1 mL 1 Probeta de 50 mL 42 6. 6.1 1 Espátula 1 Gotero 1 Pinza delgada 1 Vidrio reloj 1 Espátula 1 Propipeta 1 Mortero y mazo 1 Tubo de ensayo 1 Placa para cromatografía de capa delgada 1 Papel indicador de pH 1 Papel filtro 1 Lámpara U.V 1 Plancha de calentamiento 1 Bomba de vacío 1 Estufa de secado 6.2 REACTIVOS Acido salicílico Anhídrido acético Acido sulfúrico concentrado Bicarbonato de sodio Acido clohídrico concentrado Diclorometano Etanol Acetato de etilo 6.3 INSTRUCCIONES 6.3.1 Pese 2.0 g (0.015 moles) de cristales de ácido salicílico y colóquelos en un erlenmeyer de 125 mL. Adicione 5.0 mL (0.05 mol) de anhídrido acético y enseguida 3 gotas de ácido sulfúrico. Agite suavemente el contenido del erlenmeyer hasta que el ácido se disuelva. Registre los pesos de los reactivos en la tabla 1. 6.3.2 Caliente la mezcla en un baño de vapor durante 10 minutos (mínimo) y déjela enfriar hasta que alcance la temperatura ambiente, el ácido acetilsalicílico comenzará a cristalizar. Si no ocurre esto, raspe las paredes con un agitador y enfríe la mezcla ligeramente con un baño de hielo hasta que la cristalización haya ocurrido. Después que los cristales se hayan formado adicione 50 mL de agua y enfríe la mezcla en un baño hielo. Usualmente el producto aparece como un sólido blanco cuando la cristalización se ha completado. IMPORTANTE: No adicione el agua hasta que el producto se haya cristalizado completamente. 6.3.3 Filtre al vacío y lave el recipiente de reacción varias veces asegurándose que todo el producto se transfiere al papel de filtro. Lave los cristales varias veces con agua fría. 6.3.4 Transfiera el ácido acetil salicílico sintetizado a un vaso de precipitados de 150 mL y adicione 25 mL de una solución acuosa saturada de bicarbonato de sodio. Agite hasta que la reacción haya finalizado (escuche atentamente) y filtre la solución en un embudo Büchner. Si durante la acetilación se formara algún subproducto polimérico este será insoluble y permanecerá en el papel de filtro. Lave el vaso de precipitados y el embudo con 5-10 mL de agua. 6.3.5 En un vaso de precipitados prepare una solución de 3.5 mL de ácido clorhídrico y 10.0 mL de agua. Vierta sobre esta solución cuidadosamente y con agitación, el filtrado que contiene el ácido acetil salicílico. La aspirina debe precipitar en éste punto, si no lo hace verifique el pH si no lo hace compruebe que el pH sea ácido utilizando papel indicador. Si no lo está, adicione cuidadosamente suficiente ácido clorhídrico para que la solución sea definitivamente ácida. Enfríe la mezcla en un baño con hielo, filtre el sólido al vacío y lave los cristales varias veces con pequeñas porciones de agua fría. Coloque los cristales obtenidos sobre un vidrio de reloj y déjelos secar. 43 IMPORTANTE: El agua utilizada para lavar el ácido acetil salicílico se debe enfriar previamente en baño de hielo. 6.3.6 Pese los cristales de ácido acetil salicílico sintetizado, reporte sus resultados en la tabla 1 y calcule el rendimiento de la reacción. SUSTANCIA MASA (g) RENDIMIENTO % Ácido salicílico Anhídrido acético Ácido acetilsalicílico Tabla 1. Resultados para la síntesis de ácido acetil salicílico 6.3.7 Realice una cromatografía en capa delgada utilizando una placa pequeña para CCD y fase móvil de acetato de etilo. 6.3.7.1 Para prepara el patrón de aspirina proceda de la siguiente manera: Tome la mitad de un tableta de aspirina comercial y macérela con un espátula sobre un papel, transfiera el polvo obtenido a un tubo de ensayo y agregue 5 mL de una mezcla 1:1 de diclorometano y etanol. Caliente la mezcla cuidadosamente por unos pocos minutos sobre un baño de vapor (no toda la tableta se disolverá). Deje precipitar la mezcla y tome una muestra de la solución clara y aplíquela sobre la placa cromatográfica. 6.3.7.2 Para prepara preparar su muestra del ácido acetil salicílico sintetizado proceda de la siguiente manera: Cuando los cristales estén secos, tome con la punta de la espátula una pequeña cantidad y colóquela en un tubo de ensayo, adicione unas pocas gotas de la mezcla CH2Cl2 – Etanol 1:1 y cuando se haya disuelto aplíquela en la placa de CCD con la ayuda de un capilar. 6.3.7.3 Desarrolle la placa cromatográfica con la fase móvil indicada. Retire la placa de la cámara con ayuda de unas pinzas y déjela secar. Revele la placa en la lámpara U.V., marque con un lápiz los bordes de las manchas que observa y calcule el Rf (Reporte en la tabla 2). SUSTANCIA Rf Ácido acetilsalicílico sintetizado Ácido acetilsalicílico patrón Tabla 2. Resultados de la CCD para el ácido acetil salicílico 6.4 • • • • 7. 7.1 7.2 7.3 PAUTAS PARA EL ANÁLISIS DE RESULTADOS Tipo de reacción y mecanismo Rendimiento CCD Condiciones y observaciones experimentales PREGUNTAS Y EJERCICIOS PARA DESPUÉS DE LA PRÁCTICA Consulte los espectros IR, MS, RMN1H y RMN13C para el ácido acetil salicílico y realice la asignación de las bandas características de los mismos. Si se utilizan 5 g de ácido salicílico y un exceso de anhídrido acético en la síntesis de la aspirina ¿Cuál seria el rendimiento teórico del ácido acetil salicilíco en moles?, en gramos? Cual podría ser el subproducto polimérico obtenido en la reacción? 44 8. BIBLIOGRAFÍA • PAVIA, Donald. Organic Laboratory Techniques.First edition. Saunders College Publishing. USA. 1998. p 46-52 UNIVERSIDAD DEL CAUCA. Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica I: Preparación e Identificación de Acido Acetil Salicílico. Guía No. 7. p.1-5 http://organica1.org/1411/1411doc.html http://www.merck-chemicals.com www.cdc.gov/niosh/npg www.mallbaker.com • • • • • 45 Práctica: Preparación e identificación de ácido acetilsalicílico 5/5 10. RECUPERACIÓN, DESACTIVACIÓN Y/O ALMACENAMIENTO TEMPORAL DE LOS RESIDUOS QUÍMICOS 10.1 RECUPERACIÓN El producto se entrega a los tecnólogos para ser utilizado en la práctica de hidrólisis del ácido acetilsalicílico del curso de Laboratorio de Química Orgánica I (siguiente práctica). 10.2 DESACTIVACIÓN 10.2.1 Los residuos de los filtrados se reúnen y se neutralizan con una solución de NaOH (pH entre 6 y 8). Posteriormente, se desechan por el drenaje. 10.2.2 El acetato de etilo se deposita en el recipiente de solventes orgánicos con Oxígeno. 10.2.3 El diclorometano se deposita en el recipiente de solventes halogenados. 10.2.4 El polímero separado se deposita en el recipiente para residuos sólidos. 10.3 ALMACENAMIENTO TEMPORAL No aplica. NOTA: Lo que no se recupere o se desactive dentro de la práctica de laboratorio deberá disponerse dentro de los recipientes temporales según la clasificación de segregación establecida. 11. BIBLIOGRAFÍA 11.1 SHRINER.L., FUSON R.C y CURTIN D.Y., Identificación Sistemática de Compuestos Orgánicos. México, D. F. Limusa., 2002. 11.2 MORRSION R. T. y BOYD R., Química orgánica, México D. F., Adisson-Wesley Iberoamericana, Quinta Edición, 1990 11.3. WADE J. R. Química Orgánica, México D. F. Prentice-Hall, Segunda Edición 1993 11.4 PAVIA D.L., LAMPMAN G.M., KRIZ G.S. y ENGEL R.G., Introduction to Organic Laboratory Techniques: A microscale Aproach, New York, Saunders College Publishing, Segunda edición. 11.5 CAREY F.A., Química Orgánica, Madrid, Mc Graw-Hill, 3ª. Ed., 1999 12. AUTORES NORA ELENA VALDERRUTEN JAIME MARTIN FRANCO 46