LABORATORIO DE PRINCIPIOS DE QUÍMICA ORGÁNICA (1000031-6) LUISA FERNANDA ASCENCIO ROMERO - Cód.01114698 PREINFORME 3: DESTILACIÓN POR ARRASTRE CON VAPOR DE AGUA 1. CONSULTE CONSULTE Y HAGA UN RESUMEN RESUMEN SOBRE SOBRE LA TÉCNICA TÉCNICA DE ARRASTRE ARRASTRE CON VAPOR. VAPOR. EN ESTA INCLUYA INCLUYA FUNDAMENTO, EQUIPOS Y MATERIALES QUE SE UTILIZAN, PRINCIPALES USOS DE ESTA TÉCNICA, VENTAJAS Y DESVENTAJAS.
La destilación por arrastre con vapor de agua se lleva a cabo cuando se pretende separar una sust sustan anci ciaa inso insolu lubl blee o parc parcia ialm lmen ente te solu solubl blee en agua agua1, o cualquier líquido de punto de ebullici ición inferior; de tal manera que se obtien iene un componente de punto de ebullición elevado, con una pres presió iónn de vapo vaporr rela relati tiva vame ment ntee pequ pequeñ eñaa2. Para comenzar se debe cortar el material vegetal en troz trozos os pequ pequeñ eños os,, colo coloca carl rlo o en la cáma cámara ra de extr extrac acci ción ón,, y cale calent ntar ar3. Bási Básica came ment nte, e, en este este proc proces eso, o, cada cada una una de las las sust sustan anci cias as a sepa separa rarr van van aume aument ntan ando do su pres presió iónn de vapo vapor, r, teni tenien endo do como como pres presió iónn de vapor total a la suma de la presión de cada componente. Esto lleva que la mezcla a separar igualará la presión atmosférica (1atm) a una temperatura t emperatura más baja de la de ebullición del agua1. Como Como se pued puedee apre aprecciar iar en la Figu Figura ra 1, el equi equippo consta nsta de un rec recipie ipient ntee con con agua agua,, una cámar ámaraa de extr extrac acci ción ón y un braz brazo o later lateral al cole colect ctor or unid unido o a un refr refrig iger eran ante te y al dest destililad ador or.. La mezc mezcla la ebul ebulle le en las las cond condic icio ione ness de pres presió iónn indi indica cada dass y el vapo vaporr de agua agua arra arrast stra ra el vapo vaporr de la sust sustan anci ciaa inso insolu lubl ble, e, y lo llev llevaa al matr matraz az cole colect ctor or a una una temp temper erat atur uraa infe inferi rior or a 100 100 °C. °C. Se reco recomi mien enda da enfr enfria iarr el matr matraz az para para 1 asegurar una condensación eficiente del destilado .
Figura 1. Montaje de destilación por arrastre con vapor de agua 2.
Este tipo de destilación sólo requiere de agua y calor para efectuarse, lo que hace que sea un proceso eficaz y barato. Esto lleva a que sea un método utilizado con frecuencia para aislar y puri purifi fica carr acei aceite tess natur atural ales es a part partir ir de sus sus fuen fuente tess bio biológ lógicas icas4; ya que la temperatura del vapor ocas ocasio iona na el romp rompim imie ient nto o de las estr estruc uctu tura rass vege vegeta tale less y la cons consec ecue uent ntee libe libera raci ción ón de comp compue uest stos os 2 esenciales . Y en gene general ral es un proc proces eso o muy muy útil útil para para sepa separa rarr comp compue uest stos os volát volátililes es de comp compue uest stos os rela relati tiva vame ment ntee no volá voláti tile les, s, espe especi cial alme ment ntee cuan cuando do el punt punto o de ebul ebullilici ción ón del del más más volá voláti till es tan tan alto alto 5 que podría sufrir descomposición con una destilación directa .
A pesar de que esta técnica resulta favorable, por permitir la extracción de aceites esenciales a temperaturas inferiores a 100 °C, empleando un montaje sencillo y de fácil operación, controlando además la cantidad de vapor; se debe reconocer que es un procedimiento que presenta también algunas desventajas. Entre los factores desfavorables se puede encontrar que no cualquier sustancia puede ser obtenida por este medio, no es una técnica de separación específica; y no es una operación rentable si el producto de interés es de bajo costo, ya que no compensaría la inversión en el material usado2. 2. INVESTIGUE SOBRE EL FUNDAMENTO DE LA LEY DE DALTON. INDIQUE CUÁL ES SU APLICACIÓN EN LA DESTILACIÓN.
La ley de Dalton define las presiones parciales de los gases, de acuerdo a la composición de fase gaseosa (no de la fase líquida como en la ley de Raoult). Esta ley establece que las presiones ejercidas en una mezcla de gases es independiente para cada uno de ellos6. E indica que la relación de las presiones de vapor de dos líquidos es directamente proporcional a las concentraciones molares de ambas sustancias en la fase gaseosa, tal como se expresa en la siguiente ecuación: P A P B
M A
= ( M ) , B
donde P A y P B corresponden a las presiones de vapor de A y B puros, y M A y M B corresponden a los moles de A y B 4,6,7. En la química orgánica práctica, este fenómeno implica que un componente, de punto de ebullición elevado, pueda ser obtenido con una presión de vapor relativamente pequeña; por co-destilación con un líquido en el cual sea inmiscible, como el agua4. 3. HAGA UN RESUMEN SOBRE LOS ACEITES ESENCIALES. EN ESTE DESCRIBA DEFINICIÓN, FUENTES, CLASIFICACIÓN, COMPOSICIÓN QUÍMICA, PRINCIPALES USOS Y MÉTODOS DE EXTRACCIÓN QUE COMÚNMENTE SE EMPLEAN PARA SU OBTENCIÓN (MÉTODO DIRECTO, HIDRODESTILACIÓN, Y SOXHLET), DIBUJE LOS MONTAJES DE CADA TÉCNICA.
Los aceites esenciales son aquellos compuestos orgánicos volátiles (generalmente líquidos8) presentes en las plantas, que generan aromas en ellas. Se reportan más de 200 aceites esenciales comercialmente importantes, provenientes, por ejemplo, de: almendra, anís, clavos, cúrcuma, eucalipto, ajo jázmin, naranja, pimienta, rosa sándalo, violeta, pimienta de Jamaica, albahaca, alcaraves, eneldo, sasafrás, hierbabuena, tomillo y gaulteria. Reconociendo además que las familias de plantas ricas en esencias son las pináceas, lauráceas, mirtáceas, labiáceas, umbelíferas, rutáceas y compuestas4,8. Los aceites esenciales son usados como especias y agentes saborizantes en alimentos, ya que su consumo da lugar a un conjunto de sensaciones olfativas, gustativas y táctiles en la cavidad bucal y nasal. Algunos son usados también en el área de la medicina, por su acción antibacterial (alcanfor y eucalipto) y fungicida (citronela). La turpentina, por ejemplo, se usa como solvente para numerosos productos de pintura. Otros son empleados en perfumería, industria alimenticia, o como fuente de materias primas; tal como el citral que se obtiene del zacate de limón y es usado para sintetizar vitamina A4,8. Los componentes de los aceites esenciales se suelen encontrar en las glándulas o espacios intercelulares en el tejido de las plantas. Se pueden extraer de todas las partes de las plantas, pero predominan en las semillas, flores, hojas y frutos4,8; con concentraciones específicas para cada especie. Algunos se encuentran en forma de precursores no volátiles, que requieren una
descomposición enzimática. Y los componentes de los aceites esenciales que son volátiles con el vapor, pueden ser aislados por destilación al vapor, extracción con solventes o métodos de exprimido por presión4. Dado que los aceites esenciales son mezclas formadas por una amplia variedad de sustancias, el método utilizado para su obtención influye en la composición del producto obtenido; por lo cual el perfil aromático del aceite varíe dependiendo del método empleado en su obtención. Por ejemplo, mediante fluidos supercríticos se obtienen aceites más viscosos que si se obtuvieran por arrastre con vapor de agua; y con disolventes derivados del petróleo se extraen productos más oxigenados9. Entre los métodos se encuentra la hidrodestilación (Fig. 2) o destilación del material vegetal por medio del arrastre del aceite esencial con vapor de agua, que es un procedimiento ampliamente utilizado por su versatilidad a la hora de aplicarlo a diferentes materiales vegetales9; consiste en que el vapor de agua es inyectado al hidrodestilador con la presión suficiente para vencer la resistencia hidraulica del lecho vegetal, el vapor luego entra en contacto con éste y ocasiona la liberación del aceite esencial contenido10, más adelante su paso por el condensador ocasiona el enfriamiento y consecuente condensación de los vapores, formando dos fases inmiscibles: Figura 2. Montaje de hidrodestilación11. fase orgánica (aceite esencial) y fase acuosa9,10. Como se detalló en el primer punto del cuestionario, la destilación por arrastre con vapor de agua es un método ampliamente utilizado para extraer aceites esenciales, y se reporta la existencia de dos métodos de laboratorio para efectuar la destilación por arrastre de vapor: el método directo (Fig. 3) y el indirecto (Fig. 1) o del vapor vivo. En el primero el vapor es general en el mismo balón, por calentamiento de este que contiene agua y el compuesto vegetal; mientras que en el segundo el vapor es generado en un balón diferente al que contiene el compuesto de interés y se hace pasar dentro del balón con el uso de un tubo8. Figura 3. Montaje de destilación directa por arrastre con vapor de agua8.
Además se encuentra que la obtención de aceites de semillas oleaginosas puede darse por extracción con aparato de Soxhlet (Fig. 4), que es un método de extracción continuo utilizado para materiales sólidos. Se coloca el material vegetal molido en un cartucho de celulosa que se introduce en la cámara de extracción, conectada a un balón de destilación y a un refrigerante. El disolvente en el balón se calienta a ebullición, el vapor asciende por el tubo lateral y se condensa luego en el refrigerante, para caer posteriormente sobre el material vegetal, hasta conseguir el agotamiento deseado del material3. Figura 4. Montaje de extracción con aparato de Soxhlet 3.
Se ha sugerido, con respecto al papel biológico de las esencias en las plantas, que son productos de desecho metabólico que intervienen como hormonas en la polinización, sirven de atrayentes de insectos polinóforos, regulan la transpiración4,8. Los olores y sabores de las frutas y flores son originados por los ésteres (frecuentemente), o por mezclas de hidrocarburos, alcoholes y compuestos con grupos carbonilo, como los aldehídos y las cetonas: los terpenos / terpenoides (10 carbonos) o fenilpropanoides (aromáticos)4; marcando una diferenciación general entre los componentes hidrocarbonados (terpenos, sesquiterpenos, diterpenos) y los compuestos oxigenados, nitrogenados o azufrados (terpenoides, alcoholes, aldehídos, ésteres, cetonas, compuestos fenólicos, óxidos y lactonas, nitrogenados y sulfuros). Es importante reconocer que los aceites esenciales contienen un número n de componentes a diferente concentración; de los cuales unos pocos, denominados como componentes mayoritarios (mayor proporción), son los que caracterizan la mezcla8. 4. HAGA UNA BREVE DESCRIPCIÓN DEL EUCALIPTO: NOMBRE CIENTÍFICO, DISTRIBUCIÓN, USOS, IMPORTANCIA, ETC. ACERCA DEL ACEITE ESENCIAL A OBTENER DE LOS CAPULLOS, CONSULTE LO SIGUIENTE: RENDIMIENTO TÍPICO DE EXTRACCIÓN, PROPIEDADES FÍSICAS (NO OLVIDE INCLUIR PUNTO DE EBULLICIÓN, DENSIDAD, ÍNDICE DE REFRACCIÓN, COLOR, OLOR, ETC.), USOS DEL ACEITE, COMPONENTES MAYORITARIOS QUE COMÚNMENTE SE HAN ENCONTRADO EN PREVIAS INVESTIGACIONES (INDIQUE EL PORCENTAJE DE CADA UNO Y DIBUJE LAS ESTRUCTURAS DE LOS COMPONENTES MAYORITARIOS.
El eucalipto (Eucalyptus spp.) es un árbol con unas 600 especies procedentes de Australia, y distribuidas actualmente en muchas regiones cálidas del mundo, resaltando Asia central, África y California. Son predominantemente subtropicales y en ocasiones septentrionales. Tienen un crecimiento de 21 a 27 metros en 20 años. En las hojas de los eucaliptos de follaje perenne se encuentran gotas de aceite esencial. En los árboles jóvenes las hojas son plateadas y redondeadas, pero van cambiando en su proceso de maduración, hasta convertirse en óvalos largos de color oscuro. Sus capullos son como potes pequeños, que se destapan para dejar libre paso a los fragantes estambres blancos de las flores12. La destilación comercial del aceite comenzó a mediados del siglo XIX en Australia, y se ha extendido en las demás regiones donde se ha adaptado el árbol. Años más tarde, en Alemania, se comenzaron a publicar obras que trataban de las propiedades antisépticas y bactericidas de su aceite. Era clasificado como sudorífico, estimulante, anticatarral y astringente; siendo recomendado, hasta hoy, para todas las enfermedades del tracto respiratorio. Se ha reconocido que estos árboles ahuyentan a los insectos, algunos aceites son usados en perfumería, desinfectantes, abrillantadores de calzado, y otra cantidad de productos diversos12. Para obtener el aceite se efectúa una destilación de las semillas y hojas de los árboles de cualquier edad, prefiriendo los mayores, ya que producen más aceite y de mejor calidad. El aceite es de consistencia muy fluida, de color amarillo claro, y con aroma fresco, balsámico y agradable. El componente principal es el Cineol o Eucaliptol (70-80%), acompañado de algunos aldehídos, cetonas, alcoholes sesquiterpénicos y terpenos. Contiene un total aproximado de 250 componentes, lo cual dificulta su obtención sintética12. Figura 5. Estructura Eucaliptol14.
Como el eucaliptol es el principio activo de interés, es importante reconocer que “el eucaliptol tiene una densidad de 0,905 a 8°, desvía a la derecha el plano de polarización de la luz, su poder rotatorio molecular (x) 2 +10°42 por una longitud de 100 mm”. Es muy poco soluble en agua (3,5 g/l a 21 °C14) y se disuelve completamente en alcohol13. Su fórmula molecular es C10H18O (Fig. 5), con una
masa molar de 154,25 g/mol. Entre sus propiedades se encuentra que su estado físico es líquido, es incoloro, con olor alcanforado, el punto de fusión es 1,5 °C y el intervalo de ebullición es 174 177 °C, densidad relativa de 0,925 g/cm3 a 20 °C14. 5. EN LA PRESENTE PRÁCTICA, DESPUÉS DE LA RECOLECCIÓN DEL DESTILADO, USTED SEPARARÁ EL ACEITE ESENCIAL CON LA AYUDA DE UNA PIPETA PASTEUR, PERO EXISTE OTRA FORMA DE HACER DICHA SEPARACIÓN. INVESTIGUE SOBRE EL MÉTODO QUE PODRÍA UTILIZAR PARA SEPARAR AMBOS COMPONENTES DEL DESTILADO (AGUA - ACEITE ESENCIAL). DESCRIBA EL PROCEDIMIENTO DETALLADO Y TODOS LOS MATERIALES E INSUMOS REQUERIDOS.
El aceite es recolectado con el agua al final de procedimiento, por lo que se requiere emplear un proceso de secado. Este proceso puede ser la decantación, desde el embudo de separación, recogiendo la fase más densa (agua) en un beaker o tubo de ensayo8. Esta técnica aprovecha la diferencia de densidades para separar mezclas heterogéneas como aceite - agua (líquido-líquido insolubles). En este caso se puede usar un embudo de separación (Fig. 6), en el cual el líquido más denso se deposita en la parte inferior, de donde se extrae abriendo la llave del mismo15.__________________ ___Figura 6. Montaje de decantación16. 6. CONSULTE QUÉ ES UN TERPENO Y EN QUÉ CONSISTE LA REGLA ISOPRÉNICA. DIBUJE DOS EJEMPLOS DE MOLÉCULAS TERPENOIDES Y MARQUE LAS UNIDADES ISOPRÉNICAS. HAGA EL MISMO PROCEDIMIENTO PARA EL EUCALIPTOL Y EL LIMONENO.
Muchos de los aceites esenciales contienen exáctamente 10 átomos de carbono, los cuales reciben el nombre de terpenos (Fig. 7a) si son hidrocarburos, o terpenoides (Fig. 7b) si contienen oxígeno y son alcoholes, cetonas o aldehídos4. Los demás aceites son una minoría, los que contienen entre 15 y 40 átomos de carbono. Los terpenos realmente son aquellos compuestos que contienen combinaciones de unidades con cinco carbonos (C5), conocidas como isoprenos (Fig. 8)8. Por lo que el término ‘terpeno’ es ahora empleado para cualquier compuesto que tenga un número de carbonos múltiplo de 5, donde el esqueleto resulta de una repetición cabeza - cola del esqueleto del isopreno4.
Figura 7(a). Ejemplos de terpenos4.
Figura 7(b). Ejemplos de terpenoides8.
Como se dijo que la mayoría (90%) de aceites esenciales contienen 10 átomos de carbono, los principales terpenos son los monoterpenos (C10), que son dímeros formados por la unión de dos unidades de isopreno. Los demás terpenos son clasificados de acuerdo al número de carbonos:
hemiterpenos (C5), terpenos (C10), sesquiterpenos (C15), diterpenos (C20), triterpenos (C30) y tetraterpenos (C40)8.
Figura 8. Unidad de isopreno8.
Figura 9. Pirofosfato de isopentenilo17.
El reconocimiento de que los terpenos tienen esqueletos carbonados construidos con unidades de isopreno, unidas entre sí de un modo regular de un extremo al otro de la molécula, es conocido como la ‘regla isoprénica’. El estudio de la biogénesis de los productos naturales ha revelado que todas las unidades de isopreno de la naturaleza tienen un mismo origen: el pirofosfato de isopentenilo (Fig. 9); y otros trabajos han conseguido demostrar que una gran variedad de compuestos son formados, paso a paso, a partir de unidades isoprénicas17. BIBLIOGRAFÍA 1
Química orgánica fundamental, Louis Fieser & Mary Fieser, Editorial Reverté, Pág. 113 - 114. Técnicas de extracción y concentración, UNAD [En línea] http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401552/Capitulo_4/41arrastre_con_vapor.html 3 Fundamentos teórico - prácticos de química orgánica. Alicia Lamarque, Julio Zygadlo, Diana Labuckas, Liza López, Mariela Torres, & Damián Maestri. Editorial Encuentro, Pág. 50 - 51. 4 Curso práctico de química orgánica: Enfocado a biología y alimentos. Rogelio Ocampo, Luz A. Ríos, Luz A. Betancur & Diana M. Ocampo. Editorial Universidad de Caldas, Pág. 41 - 41. 5 Determinación de estructuras orgánicas, Daniel PAsto y Carl Johnson, Editorial Reverté, Pág. 15 - 16. 6 Ingeniería ambiental, J. Glynn Henry & Gary W. Heinke, Pearson Educación, Pág. 173 - 175. 7 Química Orgánica Experimental, H. Dupont Durst & George W. Gokel, Editorial Reverté, Pág. 51 - 54. 8 Experimentos de química orgánica, Anderson Guarniz, Pedro Martínez, y otro. Ediciones Elizcom, Pág. 89 - 100. 9 Manual práctico de aceites esenciales, aromas y perfumes, Manuel Ortuño, Aiyana ediciones, Pág. 23 . 30. 10 Revisión bibliográfica [En línea] http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lpro/lopez_a_e/capitulo1.pdf 11 Hidrodestilación de aceites esenciales: modelado y caracterización, Manuel G. Cerpa [En línea] http://www.anipam.es/downloads/43/hidrodestilacion-de-aceites-esenciales.pdf 12 Aromaterapia: enciclopedia de las plantas aromáticas y de sus aceites esenciales, Danièle Ryman, Editorial Kairós, Pág. 107 - 109. 13 Bitácora médica del doctor Falcón: la medicina y la farmacia en el siglo XIX, Francisco Durán, Plaza y Valdés Editores, Pág. 485 14 Ficha de datos de seguridad: 1,8-Cineol, Merck Millipore [En línea] https://www.merckmillipore.com/INTERSHOP/web/WFS/Merck-CO-Site/es_ES/-/COP/ProcessMSDS-Start?PlainS KU=MDA_CHEM-843788&Origin=PDP 15 Manual de técnicas de laboratorio clínico, Rubin Osorio, Editorial Universidad de Antioquia, Pág. 69. 16 Decantación un líquido, TP - Laboratorio Químico [En línea] https://www.tplaboratorioquimico.com/laboratorio-quimico/procedimientos-basicos-de-laboratorio/que-es-la-deca ntacion.html 17 Química orgánica, Robert Thornton & Robert Neilson, Pearson Educación, Pág. 405 - 406 2
