Ministério da Educação Universidade Tecnológica Federal do Paraná Campus CuritibaFelipe Ravache Meger Lucas José Karas William Hoffmann Dib Preparação do Cloreto de t-butila (Reação de Substituição) Relatório apresentado ao Curso de Bacharelado em Química da Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Gimenes responsável ao Prof. Dr. Palimécio Júnior, de Guerrero pela disciplina Práticas de Química Orgânica. . Curitiba, 2013. 1. INTRODUÇÃO As reações orgânicas possibilitam a obtenção de uma grande variedade de produtos orgânicos, muitos deles fazendo parte de nosso cotidiano. Esses produtos provêm tanto da natureza quanto são sintetizados industrialmente. As reações que originam esses produtos podem ser classificadas em três tipos: adição, substituição e eliminação. Para esta prática, será estudada mais detalhadamente a reação de substituição nucleofílica unimolecular. Na reação de substituição, um nucleófilo, uma espécie com um par de elétrons não compartilhados, reage com um haleto de alquila (chamado de substrato) pela reposição do haleto substituinte. Assim, o halogênio substituinte, chamado de grupo retirante (ou grupo de saída), se afasta como um íon haleto. Para ser um bom grupo retirante, o substituinte deve ser capaz de se afastar como um íon ou molécula básica fraca, relativamente estável. Com a reação de substituição é iniciada por um nucleófilo, ela é chamada de reação de substituição nucleofílica. No caso da substituição eletrofílica unimolecular (SN1), a velocidade de reação independe do nucleófilo, de modo que apenas uma molécula participa da etapa controladora da velocidade: o halogeno-alcano. A reação ocorre em três etapas: a dissociação do halogênio, com a posterior formação do carbocátion; o ataque do nucleófilo ao carbono deficiente em elétrons; e a obtenção do produto final. 2. OBJETIVO Sintetizar o cloreto de t-butila através de uma reação de substituição nucleofílica unimolecular (SN1), além de introduzir alguns procedimentos de síntese e purificação de compostos. . 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES A reação do álcool t-butílico (2-metil-2-propanol) com ácido clorídrico concentrado produziu cloreto de t-butila, através do mecanismo de substituição nucleofílica unimolecular (Sn1). ‘Reações competitivas do tipo E1 são prevenidas graças as baixas temperaturas em que o processo é realizado.’ (VOLLHARDT, p. 299) - - As lavagens com água serviram apenas para solubilizar o álcool tbutílico, separando o cloreto de t-butila, insolúvel em água, do álcool terciário, caso houvesse. O bicarbonato de sódio foi utilizado para neutralizar o pH da solução retirando o excesso de íons cloreto, já que a reação foi feita em excesso de ácido. 0,1627 mol 0,4261 mol Reação de Confirmação Quando a solução de hidróxido de Potássio foi adicionada a solução de cloreto de t-butila ocorreu uma reação de eliminação bimolecular (E2). Como o efeito estérico dos ligantes era muito grande a entrada de um nucleófilo através do mecanismo Sn2 se torna inviável. - A adição de fenolftaleína tornou a solução avermelhada, indicativo que a solução estava básica, o que era esperado, pois havia sido adicionada solução de hidróxido de potássio a solução de cloreto de t-butila. Quando a solução de ácido nítrico foi adicionada, a fenolftaleína tornouse incolor, indicando a acidificação da solução, necessária para a posterior formação do precipitado de AgCl. A presença de íons Cl− na solução foi comprovada com a adição de AgNO3 , o que acarretou na formação do precipitado AgCl, este precipitado comprova que a reação de formação do cloreto de t-butila foi bem sucessida. NaCl(aq) + AgNO3 (aq) → AgCl(s) + NaNO3 (aq) Cálculos de Rendimento Os cálculos desenvolvidos durante essa prática foram os seguintes: primeiramente, calculou-se o número de mols de HCl, sabendo que sua densidade é de 1,2 g/mL. A solução encontrava-se com 37% em massa. 1L → 1000 mL x 1,2 g/mL x 0,37% = 444 g HCl MMHCl = 36,46 g/mol M= 444 g = 12, 177 mol/L 36, 46 g/mol 12,177 mol/L X --- 1L X = 0,4261 mol de HCl --- 0,35 L Para descobrir o número de mols de t-butanol, utilizou-se de um procedimento semelhante, de posse da informação que a densidade dessa substância é 0,770g/mL. A solução encontrava-se com 99% em massa. 1L → 0,770 g x 99% = 762,3g de t-butanol MMt-butanol = 74,12 g/mol M = 762,3 g/L 74,12 g/mol = 10,285 mol/L 10,285 mol/L ---- 1L X ---- 0,15 L X = 0,1624 mol de t-butanol Conhecendo esses dados e utilizando a seguinte equação química, é possível dar prosseguimento aos cálculos, de modo a descobrir o rendimento do cloreto de t-butila. 1 mol t-butanol --- 92,57g 0,1624 mol --X X = 15,03 g em 0,1624 mol de t-butila Com esse último valor obtido, e de posse dos dados encontrados na tabela abaixo, finalmente o rendimento do cloreto de t-butila obtido pela equipe foi calculado. Béquer Inicial 47,72g Final 54,35g Massa do cloreto de t-butila 6,63g Tabela 1 - Massas do béquer inicial e contendo cloreto de t-butila 15,03 g --- 100% 6,63 g --X X = 44,12% de rendimento O rendimento inicial do cloreto de t-butila foi de 44,12%. Para o composto destilado, foram obtidos os seguintes dados: Erlenmeyer Inicial 80,57g Final Massa do cloreto de t-butila 104,72g 24,15g Tabela 1 - Massas do erlenmeyer inicial e contendo cloreto de t-butila destilado Toda a massa usada de cloreto de t-butila que foi destilada foi obtida pela reação de 60 mL de t-butanol (15 de mL de cada uma das quatro equipes). Conhecendo esses dados, foi possível continuar com os cálculos de rendimento do cloreto de t-butila destilado. Mt-butanol = dt-butanol x vt-butanol mt-butanol = 0,78 x 60 mL mt-butanol = 46,8 g Levando em consideração a pureza de 99% do t-butanol, temos: 46,8g x 99% = 46,33g de t-butanol A quantidade de t-butanol foi calculada da seguinte forma: Mt-butanol --- Mt-butila mt-butanol --- x 74,12 g/mol --- 92,57 g/mol 46,33 g --x x = 57,864g de cloreto de t-butila Por fim, o rendimento do cloreto de t-butila foi calculado da seguinte maneira: 57,864 g --- 100% 24,15 g --- x x = 41,735% de rendimento O rendimento do cloreto de t-butila após a destilação foi de 41,735%. Questionário 1. Por que a solução de bicarbonato de sódio deve ser empregada na purificação do cloreto de t-butila? Por que não utilizar uma solução de NaOH? A função do bicarbonato de sódio foi de retirar o excesso de íons cloreto e H3O+ da solução, mas realizando essa função sem reagir com o substrato. Caso uma solução de NaOH fosse utilizada, a hidroxila possibilitaria a reação de substituição e o t-butanol seria novamente produzido, pois ela é uma base mais forte do que o íon cloreto 2- Apresente o mecanismo de reação para a formação do cloreto de t-butila e de um provável sub-produto, o isobutileno (2-metil-1propeno). O mecanismo de reação para a formação do cloreto de t-butila está apresentado nos resultados. Já a formação do isobutileno segue o mecanismo de reação do tipo eliminação unimolecular (E1). Como a reação realizada no laboratório foi feita a temperatura ambiente o isobutileno - não é formado. - 3. Mostre as reações de confirmação. No caso da reação com NaOH mostre o mecanismo. O mecanismo foi apresentado nos resultados. 4- Quais os cuidados que um laboratorista deve ter ao utilizar ácidos e bases fortes, durante um procedimento experimental qualquer? E com relação a os primeiros socorros? Quais os procedimentos a serem tomados se por acaso ocorrer um acidente? É necessário usar sempre o material de proteção (luvas, óculos, máscaras, etc.) indicado para cada caso particular. Caso for diluir ácidos fortes, adicionar sempre o ácido à água e nunca o contrário. Em caso de ácidos sobre a pele, lavar imediatamente e bem com bastante água, a seguir lave com solução saturada de bicarbonato de sódio e, finalmente, com água. Ácidos nos olhos: Caso o ácido seja diluído, lave os olhos repetidamente com solução de bicarbonato de sódio a 1%. Se o ácido for concentrado, primeiramente lave o olho com uma grande quantidade de água e, a seguir, continue com a solução de bicarbonato. Base sobre a pele: Lave imediatamente com grande volume de água, a seguir com ácido acético a 1% e, finalmente, com água. Base cáustica nos olhos: Caso a base seja diluída, lave os olhos repetidamente com solução de ácido bórico a 1%. Se a base for concentrada, primeiramente lave o olho com uma grande quantidade de água e, a seguir, continue com a solução de ácido bórico. 4. CONCLUSÃO A prática realizada permitiu a equipe obter mais conhecimento sobre reações orgânicas, de modo especial a substituição nucleofílica unimolecular (SN1). Os conceitos teóricos vistos em sala de aula foram aplicados em laboratório, permitindo a síntese do cloreto de t-butila. Os rendimentos obtidos desse produto foram satisfatórios, tanto o composto obtido pela equipe, quanto o destilado por todos os presentes no laboratório. Assim, é possível concluir que essa prática foi bem sucedida. Entretanto, durante a reação de confirmação, a formação do precipitado não aconteceu de forma tão satisfatória. Isso ocorreu devido ao fato de haver uma quantidade pequena de reagente no tubo de ensaio. Assim, o precipitado formado não ficou tão perceptível quanto o desejado. Possivelmente isso ocorreu devido ao fato do cloreto de t-butila ser bastante volátil. 5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS