Síntesis De Bromuro De n-Butilo Por Reacción Sn2 Erasmo Arteta, María José Mendoza, Andrés Ortiz Universidad del Atlántico Ingeniería Química Fecha de entrega: febrero 28 de 2014
Resumen Palabras claves:
Introducción
Procedimiento
Los halogenuros de alquilo son compuestos orgánicos que contienen halógeno unido a un átomo de carbono saturado con hibridación sp3. El enlace C-X es polar, y por tanto los halogenuros de alquilo pueden comportarse como electrófilos. El orden de reactividad de los alcanos hacia la cloración es idéntico al orden de estabilidad de los radicales: terciario, secundario y primario. La reacción SN2 , , conocida también como sustitución nucleofílica bimolecular, es un tipo de sustitución nucleofílica, donde un par libre de electrones de un nucleófilo ataca un centro electrofílico y se enlaza a él, expulsando otro grupo denominado grupo saliente. En consecuencia, el grupo entrante reemplaza al grupo saliente en una etapa, siendo esta una reacción concertada. A través de la práctica de laboratorio se buscó afianzar y aplicar los conocimientos previamente adquiridos en clase a cerca de las reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular (SN2), sintetizando sintetizando un halogenuro de alquilo alquilo a partir de un alcohol y una sal haloidea en un disolvente protico.
La práctica se realizó siguiendo la siguiente metodología a. En un balón redondo de 100 mL se colocaron 13,5 g de Bromuro de Sodio (NaBr), 15 mL de agua destilada y 10 mL de nButanol. Se enfrió la mezcla en un baño de hielo y se añadieron lentamente 13,5 mL de ácido sulfúrico concentrado, sin dejar de enfriar ni de agitar. b. Se colocó el balón sobre el mechero, placa calefactora y se acopló un condensador para reflujo con sus mangueras. Se calentó hasta ebullición anotando la hora de inicio. c.
Se mantuvo el reflujo por 15-20 minutos; se apartó el mechero y dejó en reposo con el condensador en marcha durante unos minutos.
d. Se quitó el condensador para reflujo y se acopló un equipo de destilación sencilla. Como colector se usó un erlenmeyer de 125 mL. La mezcla se destila hasta que no aparezcan más gotas insolubles en agua (se controló la temperatura hasta haber alcanzado 115°C). e.
El destilado se transfirió a un embudo de decantación, se añadieron unos 5 mL de
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agua, se tapó y se agito de manera circular; se repitió este procedimiento y se pasó la capa inferior a un erlenmeyer. f.
Se agregó una pizca de Cloruro Cálcico al erlenmeyer para secar el producto y se transfirió a una bureta.
g. Se entregó el material final al instructor (profesor).
Imagen 2
Se acopló al balón un condensador para reflu jo, como se muestra en la imagen 3, y calentamos hasta ebullición, comenzamos el reflujo a las 7:48 a.m. y lo terminamos 15 minutos después, es decir, a las 8:03 a.m.
Resultados y discusión La experiencia se llevó a cabo en tres etapas: una inicial de reflujo, una intermedia de destilación y por ultimo una de decantación. En la etapa inicial hicimos la mezcla del Bromuro de Sodio, el agua destilada, el n-Butanol y el ácido sulfúrico que reaccionan como se muestra en la ecuación (1) R-CH 2-OH + NaBr + H 2SO4
R-CH 2-Br
+ NaHSO 4 + H 2O
(1) Al agregar el ácido sulfúrico la solución, que en un principio era un polvo blanco (NaBrImagen 1) y luego una solución acuosa transparente, se tornó de un color naranja fuerte (Imagen 2).
Imagen 3
El Bromuro de n-butilo es un halogenuro de alquilo que puede obtenerse a partir de un alcohol (como se demostró en la experiencia) siguiendo la reacción (3). Como se observa en la ecuación (3) es necesario suministrarle calor a la mezcla para obtener el producto deseado (Bromuro de n-butilo). Esto ocurre por medio de un mecanismo conocido como Sustitución Nucleofílica Bimolecular (SN 2), sabemos que una reacción SN2 es una reacción concertada, es decir, el ataque del electrófilo y la salida del
Imagen 1
2
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grupo saliente se dan en un solo paso y esto fue lo que paso con el alcohol el ataque del Br, del NaBr, y la salida del grupo hidroxilo se dio en un solo paso como se muestra en la ecuación (3)
(3)
Imagen 5
En la destilación se desecharon la cabeza y la cola del destilado, es decir las primeras 6-7 gotas y las últimas gotas del destilado, solo se tuvo en cuenta el cuerpo de este. Con esto se logró separar el producto que se deseaba (Imagen 6) de lo demás que se produjo en la reacción quedando así en el balón solo el NaHSO 4 y parte del agua (Imagen 7)
Luego de 15 minutos de reflujo se apagó el mechero, pero se dejó conectado el condensador en marcha por unos minutos más. El resultado fue una mezcla con dos fases: una acuosa que contenía NaHSO 4 y una fase orgánica que contenía en halogenuro de alquilo (Imagen 4), lo siguiente fue separar ambas fases para poder obtener solo el Bromuro de n-butilo que era la finalidad de la experiencia.
Imagen 4
Procedimos a acoplar un equipo para destilación sencilla (imagen 5); pero al traspasar la solución del balón donde inicialmente se realizó la mezcla y el reflujo, por un descuido del personal que lo manipulaba, se botó una pequeña cantidad de dicha solución por el desprendimiento lateral del balón del equipo de destilación por lo que los resultados finales de la experiencia variaron con respecto a los teóricos (ver anexos) pero de esos resultados hablaremos más adelante.
Imagen 6
Imagen 7
Al obtener el producto deseado solo hacía falta lavarlo para obtener la mejor calidad posible y para esto usamos un embudo de decantación en el que realizamos dos lavados en forma 3
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circular con lo que obtuvimos de Bromuro de n-butilo y 5 mL de agua destilada cada uno (Imagen 8).
Imagen 9
Teóricamente con las cantidades iniciales de cada uno de los reactivos debíamos haber obtenido 11.73 mL de Bromuro de n-butilo, pero teniendo en cuenta el error cometido al pasar la solución de un balón a otro, el hecho que el n-butanol es muy volátil, que desechamos ca beza y cola de la destilación y que al traspasar la solución de un instrumento de laboratorio a otro hay un factor de error, nuestra cantidad de Bromuro de n-butilo fue de 7 mL siendo la diferencia entre la práctica y la teoría de 4.43 mL.
Imagen 8
Mientras teníamos el halogenuro pudimos notar que se diferenciaba claramente del agua como se observa en la Imagen 8 y que se encontraba en la parte de abajo del embudo de bido a que por no formar puentes de hidrogeno es insoluble en agua, además, guiándonos de la teoría: “ fluoruros y cloruros de alquilo que contienen un solo átomo de cloro son menos densos que el agua mientras que los cloruros con más de un átomo de cloro son más densos que el agua así como los bromuros y los yoduros de alquilo . En nuestro caso particular demostramos la validez de la teoría viendo el embudo de decantación. Luego de haber realizado el lavado y la respectiva decantación pasamos el resultado final a un Erlenmeyer al cual agregamos una pizca de Cloruro cálcico para que al reaccionar con el agua la separara del halogenuro y así poder retirarlo con la menor cantidad de agua posi ble, luego pasamos el resultado a una bureta para saber cuánto habíamos obtenido (Imagen 9).
Conclusiones -
”
-
-
4
Se pudo demostrar experimentalmente la síntesis de un halogenuro de alquilo a partir de un alcohol. Se determinó el uso de un mecanismo SN 2 en la sustitución que se presentó con el alcohol Se aplicaron satisfactoriamente las diferentes técnicas de separación y purificación de compuestos orgánicos.
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C4H9Br. Que la cinética de reacción dependa también de la concentración de nucleófilo es otro factor que permite determinar que ésta reacción consiste en un mecanismo SN 2.
Preguntas
Dar las reacciones fundamentales que ocurren en la formación del producto. Incluir el respectivo mecanismo.
¿Puede el bromuro “sacar” al OH del alcohol en forma directa?
No, en realidad ese “paso concertado” también implica el rompimiento y la formación de un nuevo enlace. Cuando el nucleófilo ataca el carbono adyacente al oxidrilo se forman enlaces parciales C-OH y C-Nu. La superación de este estado de transición resulta en el favorecimiento de la reacción.
¿Puede el agua formada revertir la reacción? Explique.
Si por “revertir” se ha de interpretar “entorp ecer”, la respuesta es afirmativa. La SN2 no se ve favorecida en presencia de solventes polares o que contengan –OH o –NH; si esto es así el resultado será que, las moléculas polares de disolvente solvatarán el nucleófilo impidiendo que éste ataque el carbono adyacente al oxidrilo del n-butanol, esto provocará que la cantidad de bromuro de n-butilo obtenido sea menor.
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? La reacción de síntesis de bromuro de n-butilo, -como muchas otras reacciones orgánicas-, no se ciñe a la estequiometria: los reactivos no se consumen totalmente para formar productos sino que se establece entre ellos un equilibrio dinámico, que está determinado por la ley de acción de masas. Cuando se varía el estado de la mezcla reaccionante (i.e. cambiando la temperatura o añadiendo más reactivo) el equilibrio dinámico se restablece con la formación de más producto, lo cual favorece el rendimiento de la reacción en cuestión. Añadir exceso de sal y ácido hace que la concentración final de bromuro de n butilo sea mayor.
¿En qué forma se le retiran las impurezas al producto crudo de la reacción? Explicar la fundamentación para esta técnica de purificación del producto.
La mezcla final de reacción está compuesta por C4H9Br, NaHSO4 y C4H10O sin reaccionar. Por medio de destilación sencilla se pueden separar en n-butanol y el bromuro de n-butilo, esto se fundamenta en la diferencia en los puntos de ebullición de ambos compuestos. El destilado puede ser separado de la sal por medio de extracción múltiple con agua; la sal pasará de una fase a la otra, haciendo que la pureza del C 4H9Br sea considerablemente alta.
¿Por qué se plantea un mecanismo SN 2 para la reacción estudiada? Las reacciones de sustitución nucleofílica bimolecular ocurren en un solo paso, sin dar lugar a un producto intermedio aislable; esto mismo ocurre con la reacción de síntesis de
Anexos 5
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CALCULOS:
Nota: las relaciones másicas, molares y volumétricas fueron realizadas a partir de datos teóricos y suponiendo que el equilibrio de reacción está infinitamente desplazado hacia la formación de productos. Ecuación global ajustada C4H10O + NaBr C4H9Br + NaHSO4 + H2O H2SO4
Se partió desde 10,00 ml de C4H10O Tabla 1. Datos teóricos de cada sustancia P.M ( g/mol) # equiv. mmoles Masa ( g ) Volumen (ml) Densidad a 20°C ( g/ml)
C4H10O
NaBr
C4H9Br
NaHSO4
74,121
102,89
137,018
120,062
1 109,2 8,095
1 109,2 11,92
1 109,2 14,96
1 109,2 13,11
10,00
-
11,73
-
0,8095
-
1,2758
-
En la práctica se obtuvieron aproximadamente 7 ml de C4H9Br; lo cual representa un rendimiento del 59%.
Bibliografía [1] "Physical Constants of Organic Compounds", in CRC Handbook of Chemistry and Physics, Internet Version 2005, David R. Lide, ed., , CRC Press, Boca Raton, FL, 2005. Handbook of Chemistry and Physics www.hbcpnetbase.com
[2] R.T. Morrison, R.N. Boyd, QUIMICA ORGNICA, 5ta Edicion, 1998, Addison Wesley.
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