INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS ACADEMIA DE QUÍMICA ORGÁNICA Y POLÍMEROS INGENIERIA QUIMICA INDUSTRIAL LABORATORIO DE QUÍMICA DE GRUPOS FUNCIONALES PRÁCTICA 5:
“OBTENCION DE LA BENZOFENONA POR SINTESIS DE FRIEDEL-CRAFTS” GRUPO: 2IV47 EQUIPO: 2
INTEGRANTES: HERNANDEZ MENDEZ ROBERTO LLANOS GUERRERO AXEL ANTONIO REYES VALENCIA JORGE LUIS
PROFRA: TIERRABLANCA GUDIÑO BERENICE
FECHA DE ENTREGA: 09 - 03 - 2016
Contenido ¿DE QUE TRATA LA PRACTICA?......................................................................3 ASPECTOS TEORICOS...................................................................................... 4 SÍNTESIS DE FRIEDEL CRAFT............................................................................4 Reacción general de una acilación FC..............................................................4 Mecanismo de la reacción................................................................................ 4 BENCENO......................................................................................................... 4 BENZOFENONA................................................................................................ 6 FUENTES NATURALES Y USOS DE LAS CETONAS..............................................6 PROPIEDADES FISICAS..................................................................................... 6 OBJETIVOS......................................................................................................... 8 GENERALES...................................................................................................... 8 PARTICULARES................................................................................................. 8 MECANISMO DE REACCION............................................................................. 8 Material............................................................................................................. 9 Método............................................................................................................. 9 Sustancias...................................................................................................... 10 Procedimiento................................................................................................ 10 Tabla de datos................................................................................................ 11 Cálculos........................................................................................................... 11 Eficiencia...................................................................................................... 12 Tabla de resultados....................................................................................... 12 DISCUSION........................................................................................................ 13 CONCLUSIÓN................................................................................................... 14 BIBLIOGRAFIA................................................................................................. 15
¿DE QUE TRATA LA PRACTICA? El desarrollo de esta práctica consiste en n método de síntesis llamado Friedel – Crafts el cual consiste en hacer reaccionar un halogenuro acido con un compuesto aromático, esto en presencia de un catalizador que para este caso será el tricloruro de aluminio. Este proceso a escala industrial es importante para la preparación de árenos (alquilación) y cetonas aromáticas (acilación). Experimentalmente fue necesario contar con reactivos como benceno, el mismo catalizador, cloruro de benzoilo (el cual se tiene que verter en un matraz en hielo ya que es volátil a temperatura ambiente), ácido clorhídrico y agua helada. Como es usual nuestro pequeño reactor fue el matraz de tres bocas donde se llevó acaba la reacción de 0.4 ml de Benzoilo la cual una vez poniéndola a 70°C tomamos un tiempo de reflujo de 40 minutos. Una vez que paso el tiempo obtuvimos el resultado de esta reacción en un vaso de precipitados de 20ml que contenía agua y ácido clorhídrico con el fin de formar nuestra fase orgánica en el producto. Una vez obtenida esta fase mediante la decantación, se buscó secar el material con cristales de sodio anhidro y obtuvimos un poco más de 1ml de producto el cual fue pesado y traspasado a un frasco.
ASPECTOS TEORICOS SÍNTESIS DE FRIEDEL CRAFT La reacción Friedel-Crafts es una reacción de sustitución electrófílica que se da en los compuestos aromáticos, para dar compuestos coloreados. Puede ser de alquilación o acilación. Esta reacción ocurre cuando se hace reaccionar un compuesto halogenado con uno aromático en presencia de cloruro de aluminio (III) anihidrido, el cual es un ácido de Lewis, obteniéndose el compuesto coloreado y ácido clorhidirco (HCl) como subproducto. Esta reacción es posible porque se emplea cloruro de aluminio (III) como catalizador; este compuesto sirve como intermedario en el halogenuro de alquilo y el compuesto aromático. El cloruro de alumino (III), acepta un par electrónico del halogenuro que está unido a un grupo alquilo, formándose un complejo que sustituye a uno de los hidrógenos del anillo aromático por el grupo alquilo presente en el complejo, formándose un compuesto coloreando; esto se debe a que los compuestos aromáticos son grupos cromóforo y los aquilos sustituidos actuarían como grupos auxocromos, los cuales le dan el color característico a los compuestos obtenidos. Las reacciones de acilación FC fueron descubiertas en el año 1877 por el químico francés Charles Friedel y por el químico americano James M. Crafts, y corresponden a una sustitución electrofílica aromática (SEAr) en las cuales, el anillo reacciona con un carbocatión que se genera cuando el catalizador ayuda al halogenuro de alquilo a ionizarse; la reacción finaliza con la pérdida de un protón.
Reacción general de una acilación FC. Las reacciones de FC son muy importantes en los compuestos aromáticos y podemos encontrar comúnmente su uso industrial en la elaboración de perfumes, saborizantes, plásticos, antioxidantes, fungicidas, estabilizadores, pesticidas y en la síntesis de medicamentos como la Dopamina a partir de la acilación del Catecol.
Mecanismo de la reacción Los haluros de alcanoilo interaccionan con los ácidos de Lewis generando cationes acilo, este catión se estabiliza por resonancia.
El catión acilo es buen electrófilo y es atacado por el benceno, dando lugar al mecanismo de sustitución electrófila aromática.
BENCENO Perteneciente a la familia de los compuestos aromáticos (anillo aromático), de formula C6H6, el cual posee una estructura electrónica única de entre los compuestos aromáticos que le da un comportamiento químico característico. Este compuesto presenta un alto grado de instauración, y parece evidente que es una molécula simétrica y que la instauración de cualquier hidrógeno por el bromo es equivalente a la sustitución de cualquiera de los 5 hidrógenos restantes. Es un compuesto particularmente estable, pues puede soportar el calor durante largo tiempo y presión alta manteniendo su identidad estructural. El benceno no reacciona tan fácilmente con reactivos que típicamente lo hacen con alquenos y alcadienos. Por ejemplo, el Bromo Br2 en CCl4 o el Permanganato de Potasio acuoso con el ciclohexeno y los ciclohexadienos. Se tiene que utilizar otro tipo de condiciones y/o catalizadores, como el Bromo en presencia de FeBr3 a temperatura ambiente, donde se da una reacción de sustitución entre el hidrógeno y el bromo. Las longitudes de enlace carbono − carbono son de 1.39 Å en el benceno y no el típico 1.34 Å del C −C en un doble enlace, y mucho menos el 1.54 Å del enlace sencillo C − C. Los ángulos son de 120° y es completamente plana. Respecto a su estructura electrónica, los átomos híbridos del carbono son sp2 dando su planaridad a la molécula; y cada uno de estos átomos tiene un orbital p perpendicular a los sp2 donde tiene un solo electrón. Los orbitales p no se traslapan en pares aislados con enlace tipo _, más bien los seis orbitales p se traslapan entre si para formar una nube _. Logrando con ello que los electrones internos de la nube no estén relacionados con uno o dos átomos de carbono específicos, proporcionando una deslocalización de los mismos aumentando la estabilidad de la molécula al dispersar la carga sobre un área mucho mayor. A esta estabilidad adicional se le denomina Energía de Deslocalización. Las reacciones del benceno mediante sustitución aromática son las siguientes: Nitración del Benceno: Monosustitución. Se deja reaccionar en una mezcla al benceno con el Ácido Nítrico y Ácido Sulfúrico concentrado a temperaturas de 50 y 60°C, convirtiéndose suavemente a nitrobenceno. A más de 60°C produce la disustitución.
· Halogenación del Benceno: Monosustitución.
Cuando se deja reaccionar el benceno con bromo o cloro en presencia de hierro metálico o haluro férrico en cantidades catalíticas la reacción se lleva a cabo suavemente y se forma el halobenceno; también se libera haluro de hidrógeno.
· Sulfonación del Benceno: Monosustitución. Se lleva a cabo normalmente con ácido sulfúrico fumante (contiene trióxido de azufre, SO3) aunque se emplea ácido sulfúrico concentrado (95% H2SO4, 5% H2O) para anillos activados. · Alquilación de Friedel − Crafts: Monosustitución. Esta reacción es importante para introducir grupos alquilo en un anillo aromático. Involucra un haluro de alquilo y un catalizador ácido de Lewis, generalmente tricloruro de Aluminio, AlCl3: Falla con Haluros de arilo y vinilo. Alquilación del Benceno por Alcoholes: La reacción entre el alcohol ter − butílico y el benceno, en presencia de ácido sulfúrico concentrado, produce ter − butilbenceno. Alquilación del benceno con Alquenos: Cuando se deja que un alqueno entre en contacto con el benceno en presencia de un catalizador ácido ocurre la Alquilación.
BENZOFENONA La benzofenona tiene un punto de fusión de 48 C. Es un sólido en forma de cristales de color blanco, es un compuesto de toxicidad relativamente baja. Tienen aplicación en diversos campos de la industria, fundamentalmente como precursor de otros compuestos y en la industria fotoquímica.
FUENTES NATURALES Y USOS DE LAS CETONAS Las cetonas se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza. El importante carbohidrato fructuosa, las hormonas cortisona, testosterona (hormona masculina) y progesterona(hormona femenina) son también cetonas, así como el conocido alcanfor usado como medicamento tópico. La propanona comúnmente llamada acetona, CH3COCH3, es el primer miembro de la clase de cetonas alifáticas mientras que la benzofenona y la acetofenona son las más simples de las cetonas diarílicas y las alquilo arilícas respectivamente. Las cetonas aromáticas reciben el nombre de felonas.
PROPIEDADES FISICAS Las cetonas en general presentan un olor agradable, de hecho, algunas cetonas forman parte de los compuestos utilizados en las mezclas que se venden como perfumes. El punto de ebullición de las cetonas es en general, más alto que el de los hidrocarburos de peso molecular comparable; así, la acetona y el butano con el mismo peso molecular (58) tienen un punto de ebullición de 56°C, y -0.5°C respectivamente. La solubilidad en agua de las cetonas depende de la longitud de la cadena, hasta 5 átomos de carbono tienen una solubilidad significativa como sucede en los alcoholes, ácidos carboxílicos y éteres.
A partir de 5 átomos la insolubilidad típica de la cadena de hidrocarburos que forma parte de la estructura comienza a ser dominante y la solubilidad cae bruscamente. La presencia del grupo carbonilo convierte a las cetonas en compuestos polares. Los compuestos de hasta cuatro átomos de carbono, forman puente de hidrógeno con el agua, lo cual los hace completamente solubles en agua. Igualmente son solubles en solventes orgánicos.
Punto de Ebullición: los puntos de ebullición de los aldehídos y cetonas son mayores que el de los alcanos del mismo peso molecular, pero menores que el de los alcoholes y ácidos carboxílicos comparables. Esto se debe a la formación de dipolos y a la ausencia de formación de puentes de hidrógeno intramoleculares en éstos compuestos.
REACCIONES DE ADICIÓN NUCLEOFÍLICA Estas reacciones se producen frente al (reactivo de Grignard), para dar origen a un oxihaluro de alquil-magnesio que al ser tratado con agua da origen a un alcohol. El metanal forma alcoholes primarios y los demás aldehídos forman alcoholes secundarios. Otras reacciones de adición nucleofílica pueden producirse con el ácido cianhídrico, el sulfito ácido de sodio, lahidroxilamina, hidracina, semicarbacida, fenilhidracina y con el 2,4 dinitrofenilhidracina, para dar origen a diferentes compuestos químicos. Las cetonas pueden dar origen a otros compuestos mediante reacciones de sustitución halogenada, al reaccionar con los halógenos sustituyen uno o varios hidrógenos del carbono unido al carbonilo.Este método permite obtener la monobromoactona que es un poderoso gas lacrimógeno.
REACCIONES DE CONDENSACIÓN ALDÓLICA En esta reacción se produce la unión de dos aldehídos o dos cetonas en presencia de una solución de NaOH formando un polímero, denominado aldol.
REACCIONES DE OXIDACIÓN Las cetonas sólo se oxidan ante oxidantes muy enérgicos que puedan romper sus cadenas carbonadas. Es así que las reacciones de oxidación permiten diferenciar los aldehídos de las cetonas en el laboratorio.
OBJETIVOS GENERALES Establecer los métodos de obtención de las cetonas y sus mecanismos. Reconocer los tipos de reacciones orgánicas que se llevan a cabo en la síntesis. Obtener la benzofenona por acilación del benceno.
PARTICULARES Conocer los reactivos empleados durante la práctica. Analizar los pasos llevados a cabo en la práctica e identificar aquellos errores que pudieron presentarse.
MECANISMO DE REACCION
Material
Matraz de 3 bocas Tina para baño María Tina Columna de refrigeración Tapón Mangueras Algodón Termómetro Tapón para termómetro Parrilla eléctrica Bala magnética
Probeta Balanza analítica Vaso de precipitado Agitador de vidrio Vidrio de reloj Espátula Pinza de 3 dedos Pinza de nuez Embudo de separación Cristalizador
Método
Reflujo a fuego directo
Sustancias
Benceno (C6H6) Tricloruro de aluminio (AlCl3) Cloruro de benzoilo (C₇H₅OCl) Ácido clorhídrico (HCl) Agua (H2O) Sulfato de sodio anhidro (Na2SO4)
Procedimiento 1. 2. 3. 4. 5.
Agregamos agua en la tina para baño María con hielo Colocamos el matraz balón de 3 bocas en la tina para baño María Agregamos .5 g de tricloruro de aluminio en el matraz balón de 3 bocas Agregamos 1.5 ml de benceno al matraz balón de 3 bocas Agregamos lentamente .4 ml de cloruro de benzoilo con agitación constante durante 5 mins 6. Montamos el equipo para el reflujo a fuego directo 7. Retiramos el matraz del agua helada y empezamos a reflujar 8. Controlamos la temperatura hasta 70 °C y dejamos por 40 mins
9. En un vaso de precipitado pesamos 1 g de hielo en la balanza analítica 10.Agregamos 3 ml de agua al vaso de precipitado y .5 ml de acido clorhídrico 11.Vertimos la solución del matraz al vaso de precipitado 12.Agitamos perfectamente la mezcla 13.Colocamos la mezcla en un embudo de separación 14.Agregamos 1 ml de agua al vaso de precipitado para lavarlo y agregamos al embudo de separación 15.Agregamos 1 ml de benceno al embudo de separación para aumentar la separación de fases 16.Recuperamos la fase orgánica 17.Lavamos un vaso de precipitado de 5 ml y pesamos el vaso de precipitado seco 18.Decantamos la fase orgánica en un cristalizador y secamos con sulfato de sodio anhidro 19.Recuperamos la benzofenona y pesamos en la balanza analítica
Tabla de datos Vol del cloruro de benzoilo (ml)
del cloruro de benzoilo
PM del cloruro de benzoilo
g ml
g mol
.4
1.21
140.57
PM de la benzofen ona
g mol
Peso del vaso de precipitad o (g)
Peso del vaso de precipitad o con la solución (g)
182.217
8.58
8.908
Cálculos Transformar de volumen a peso del cloruro de benzoilo W cloruro de benzoilo= Vol del cloruro de benzoilo * del cloruro de benzoilo W cloruro de benzoilo= .4 ml * 1.21
g ml
= .484 g
Peso teórico W benzofenona = W cloruro de benzoilo
PM benzofenona ( PMcloruro de benzoilo )
g mol ¿ = .6273 g g 140.57 mol
182.217 W benzofenona = .484 g * (
W teórico= .6273 g
Peso de la benzofenona W total= W del vaso + W de la benzofenona W de la benzofenona= W totalW del vaso
W de la benzofenona= 8.908 g – 8.58 g = .328 g
Eficiencia
n=
x 100 ( valorvalorexperimental teorico )
n=
Tabla de resultados
.328 g x 100=52.28 ( .6273 g)
W cloruro de benzoilo (g) .484
W de la benzofenona (g) .328
W teórico (g)
Eficiencia (%)
.6273
52.28
DISCUSIÓN Durante la experimentación logramos apreciar cual es la función de un catalizador de manera más precisa observando así que este no reaccionaba, simplemente ayuda con la eficiencia de la reacción. También pudimos tener en cuenta que variables como la temperatura influyen de manera muy importante en nuestro experimento ya que fue necesario mantenerla constante en 70°C siendo necesario estar vigilando continuamente el termómetro ya que de otra manera las propiedades de nuestros compuestos se alterarían si la temperatura cambiara drásticamente. Otra consideración experimental fue la retención de vapores de benceno para evitar que se descompensara nuestro sistema (además de que es más seguro así ya que el benceno es toxico) y el tiempo de reacción. Al final de esto pudimos obtener mediante nuestra serie de cálculos una eficiencia del 52.28% que, si bien es algo baja, para las condiciones de trabajo no es tan mala. Factores que provocan esto pueden ser las proporciones de los reactivos, que nuestro catalizador como se ve en la imagen se quedó pegado en la pared del matraz por encima del líquido retrasando la velocidad de nuestra reacción o una fuga de vapores por algún tapón entre otras.
CONCLUSIÓN El objetivo de la práctica se cumplió, obtuvimos la bezofenona por la síntesis de friedel-crafts que consiste en la reacción de un halogenuro de ácido y un compuesto aromático en presencia de un catalizador de Lewis, comprendimos la importancia de la obtención de cetonas para la industria y la importancia de la reacción de friedel crafts en la acilacion de compuestos aromáticos. En base a nuestros resultados podemos decir que obtuvimos un bajo rendimiento de nuestra reacción.
Hernández Méndez
Llanos Guerrero
Reyes Valencia
Roberto
Axel Antonio
Jorge Luis
BIBLIOGRAFIA Benzofenona. (2015, 11 de febrero). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 19:11, marzo 30, 2016 desde https://es.wikipedia.org/w/index.php? title=Benzofenona&oldid=79961610.
Morrison, R., & Boyd, R. (1998). Química orgánica, quinta edición. México: Addison Wesley.
Reacción de Friedel-Crafts. (2015, 1 de junio). Wikipedia, La enciclopedia libre. Fecha de consulta: 19:12, marzo 30, 2016 desdehttps://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Reacci %C3%B3n_de_Friedel-Crafts&oldid=82880438.
