INFORME DE QUÌMICA ORGÀNICA IV (SÍNTESIS DE ÁCIDO BUTANOICO)
MARIEL GENES LÒPEZ
Dr.Sc GILMAR SANTAF PATI!O
UNIVERSIDAD DE C"RDOBA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA PROGRAMA DE QUÍMICA
MONTERIA# CÒRDOBA $%&'
INTRODUCCIÒN
Los ácidos carboxílicos constituyen la clase de ácidos más importantes. Los ácidos carboxílicos se clasifican de acuerdo con el sustituyente unido al grupo carboxilo. Un ácido alifático tiene un grupo alquilo unido al grupo carboxilo, mientras que un ácido aromático tiene un grupo arilo. Un ácido carboxílico cede protones por ruptura heterolítica de enlace O-H dando un protn y un ion carboxilato. Los deri!ados de ácidos orgánicos se originan al reempla"ar el grupo#OH de la funcin carboxilo por otros grupos. Los ácidos carboxílicos son compuestos polares, sus mol$culas pueden formar enlaces de hidrgeno entre sí y con el agua, por lo que en general son sustancias con temperaturas de ebullicin altas, considerando que los ácidos carboxílicos de ba%o peso molecular presentan solubilidad apreciable en el agua. Los alcoholes primarios por oxidacin se con!ierten en aldehídos y estos a su !e" en ácidos carboxílicos. &e pueden utili"ar como oxidantes permanganato de potasio, dicromato de potasio y el reacti!o de 'ones ()rO * + H*O. l etanol se oxida a ácido etanoico con el reacti!o de 'ones/
0ambi$n se puede emplear permanganato de potasio (12nO 3 y dicromato de potasio (14)r 4O5 para reali"ar este tipo de oxidacin.
OBETIVOS
Haber obtenido el compuesto de ácido butanoico atre!es de la oxidacin de alcoholes. •
•
6ormar un deri!ado sencillo del ácido carboxílico obtenido para caracteri"arlo. %emplificar un m$todo para obtener ácidos carboxílicos mediante la oxidacin de alcoholes.
MARCO TEÒRICO Los compuestos que contienen al grupo carboxilo son ácidos y se llaman ácidos carboxílicos.
Los ácidos carboxílicos se clasifican de acuerdo con el sustituyente unido al grupo carboxilo. Un ácido alifático tiene un grupo alquilo unido al grupo carboxilo, mientras que un ácido aromático tiene un grupo arilo. Un ácido carboxílico cede protones por ruptura heterolítica de enlace O-H dando un protn y un in carboxilato.
Pr*+,--,/ 01/+c/ Los ácidos carboxílicos hier!en a temperaturas muy superiores que los alcoholes, cetonas o aldehídos de pesos moleculares seme%antes. Los puntos de ebullicin de los ácidos carboxílicos son el resultado de la formacin de un dímero estable con puentes de hidrgeno.
P234/ -, ,5266+c+73. Los ácidos carboxílicos que contienen más de ocho átomos de carbono, por lo general son slidos, a menos que contengan dobles enlaces. La presencia de dobles enlaces (especialmente dobles enlaces cis en una cadena larga impide la formacin de una red cristalina estable, lo que ocasiona un punto de fusin más ba%o. Los puntos de fusin de los ácidos dicarboxílicos son muy altos. 0eniendo dos carboxilos por mol$cula , las fuer"as de los puentes de hidrgeno son especialmente fuertes en estos diácidos/ se necesita una alta temperatura para romper la red de puentes de hidrgeno en el cristal y fundir el diácido.
P234/ -, 02/+73. Los ácidos carboxílicos forman puentes de hidrgeno con el agua, y los de peso molecular más peque7o (de hasta cuatro átomos de carbono son miscibles en agua. 8 medida que aumenta la longitud de la cadena de carbono disminuye la solubilidad en agua9 los ácidos con más de die" átomos de carbono son esencialmente insolubles. Los ácidos carboxílicos son muy solubles en los alcoholes, porque forman enlaces de hidrgeno con ellos. 8demás, los alcoholes no son tan polares como el agua, de modo que los ácidos de cadena larga son más solubles en ellos que en agua. La mayor parte de los ácidos carboxílicos son bastante solubles en sol!entes no polares como el cloroformo porque el ácido continua existiendo en forma dim$rica en el sol!ente no polar. 8sí, los puentes de hidrgeno de dímero cíclico no se rompen cuando se disuel!e el ácido en un sol!ente polar.
M,-+c+73 -, 6 c+-,8 Un ácido carboxílico se puede disociar en agua para dar un protn y un in carboxilato. La constante de equilibrio 1a para esta reaccin se llama constante de acide". l p1a de un ácido es el logaritmo negati!o de 1a, y normalmente se usa al p1a como indicacin de la acide" relati!a de diferentes ácidos.
S625+6+--,/. Un sustituyente que estabilice al in carboxilato, con carga negati!a, aumenta la disociacin y produce un ácido más fuerte. :e este modo los átomos electronegati!os aumentan la fuer"a de un ácido. ste efecto inducti!o puede ser muy grande si están presentes uno o más grupos que atraen electrones en el átomo de carbono alfa. La magnitud del efecto de un sustituyente depende de su distancia al grupo carboxilo. Los sustituyentes en el átomo de carbono alfa son los más eficaces para aumentar la fuer"a de un ácido. Los sustituyentes más distantes tienen efectos mucho más peque7os sobre la acide", mostrando que los efectos inducti!os decrecen rápidamente con la distancia.
S6,/ -, 9c+-/ cr5:16+c/. Una base fuerte puede desprotonar completamente en un ácido carboxílico. Los productos son el in carboxilato, el catin que queda de la base, y agua. La combinacin de un in carboxilato y un catin constituyen la sal de un ácido carboxílico.
S134,/+/ -, 6/ 9c+-/ cr5:16+c/ E0,c4/ -, 6/ /2/4+42;,34,/ /5r, 6 c+-,8. Los alcoholes o aldehídos primarios se oxidan normalmente para producir los ácidos empleando ácido crmico. l permanganato de potasio se emplea en ocasiones pero con frecuencia sus rendimientos son inferiores.
O:+-c+73 -, 6c<6,/ ; 6-,<1-/. l permanganato de potasio reacciona con los alquenos para dar glicoles. Las soluciones calientes y concentradas de permanganato de potasio oxidan más los glicoles, rompiendo el enlace carbono-carbono central. :ependiendo de la sustitucin del doble enlace original, se podrán obtener cetonas o ácidos.
La o"onlisis o una oxidacin !igorosa con permanganato rompe el triple enlace de los alquinos dando ácidos carboxílicos.
Pr*+,--,/ =21>+c/ 8unque los ácidos carboxílicos contienen tambi$n al grupo carbonilo, sus reacciones son muy diferentes de las de las cetonas y los aldehídos. Las cetonas y los aldehídos reaccionan normalmente por adicin nucleofílica del grupo carbonilo, pero los ácidos carboxílicos y sus deri!ados reaccionan principalmente por sustitucin nucleofílica de acilo, donde un nuclefilo sustituye a otro en el átomo de carbono del acilo.
R,-2cc+73 -, 6/ 9c+-/ cr5:16+c/. Un m$todo general para prepara cetonas es la reaccin de un ácido carboxílico con 4 equi!alentes de un reacti!o de organolitio.
MATERIALES ? REACTIVOS
CANTIDAD
MATERIALES
REACTIVOS
;
espátula
4
=ipetas de ;> y ? mL
)arbonato de sodio
3
>>, ?>>, ;>> A ?> ml cada uno
Bcido sulfCrico
;
8gitador magn$tico
Dter
;
rlenmeyer de ?>> mL
=ermanganato de potasio
;
mbudo de separacin
&ulfato de sodio anhídrido
;
> mL
;
=era
;
&oporte uni!ersal
FIC@A TECNICA DE LOS REACTIVOS CARBONATO DE SODIO
Pr*+,--,/ 01/+c/ ; =21>+c/ stado físico a 4>E)/ =ol!o, gránulos )olor/ E) /J. 8. :ensidad relati!a al agua 4,?3 g+cm* &olubilidad en agua GK en peso / 5; g+l a > E) + 35; g+l a *4 E) Límites de explosin - Fnferior GK / J.8. Límites de explosin - &uperior GK / J.8. =eso molecular/ ;>?. g+mol
T:+c+-Las altas concentraciones de pol!o pueden irritar las membranas nasales y el tracto respiratorio. 0ras contacto con la piel Frrita la piel, puede causar quemaduras 0ras contacto con los o%os Frritacin a los o%os. =uede causar da7o a la crnea, el da7o permanente es improbable. ACIDO SULFURICO Pr*+,--,/ 01/+c/ ; =21>+c/ =unto de ebullicin (se descompone/ *3>E) =unto de fusin/ ;>E) :ensidad relati!a (agua M ;/ ;.I &olubilidad en agua/ miscible =resin de !apor, @=a a ;3NE)/ >.;* :ensidad relati!a de !apor (aire M ;/ *.3
T:+c+-)orrosi!o. La sustancia es muy corrosi!a para los o%os, la piel y el tracto respiratorio. )orrosi!o por ingestin. La inhalacin del aerosol de esta sustancia puede originar edema pulmonar.
PERMANGANATO DE POTASIO =unto de fusin/ se descompone a 43> o) con e!olucin de oxígeno. :ensidad (a 4? o)/ 4.5>* g+ml &olubilidad/ &oluble en ;3.4 partes de agua fría y *.? de agua hir!iendo. 0ambi$n es soluble en ácido ac$tico, Bcido trifluoro ac$tico, anhídrido ac$tico, acetona, piridina, ben"onitrilo y sulfolano.
T:+c+--
)ausa irritacin de nari" y tracto respiratorio superior, tos, laringitis, dolor de cabe"a, náusea y !mito. La muerte puede presentarse por inflamacin, edema o espasmo de la laringe y bronquios, edema pulmonar o neumonitis química.
SULFATO DE SODIO AN@IDRIDO stado físico a 4>E) /)ristales o pol!os blancos )olor/ E)/ J. 8. :ensidad relati!a al agua/ 4,NN3 g + cm * &olubilidad en agua/ 3,5N g+;>> ml (> E ) Fnsoluble en tanol
•
ETER =unto de ebullicin (o)/ *3.N (a 5N> mm de Hg =unto de fusin/ -;;N.4 o). =unto de inflamacin en copa cerrada (6lash point/ -3? o). 0emperatura de auto ignicin/ ;N> o) Ji!eles de explosi!idad/ ;.I?-*N.? (K en !olumen en el aire :ensidad de !apor (aireM;/ 4.N 0emperatura crítica/ ;4.5 o). =resin crítica/ *?.N atm.
T:+c+-)ausa náuseas, !mito, dolor de cabe"a y p$rdida de la conciencia, causando cierta irritacin del tracto respiratorio. &on raros los casos de muerte de traba%adores por inhalacin aguda. Una exposicin crnica lle!a a anorexia, dolor de cabe"a, adormecimiento, fatiga, agitacin y disturbios mentales. )ontacto con o%os/ Los irrita le!emente y en caso de irritacin se!era, los da7os son, generalmente, re!ersibles. )ontacto con la piel/ =roduce resequedad y dermatitis. :ebido a que se e!apora rápidamente, su absorcin a tra!$s de la piel es mínima. BUTANOL
Pr*+,--,/ 01/+c/ ; =21>+c/ 8specto/ Líquido e incoloro =unto de fusin+punto de congelacin/ -> ) =unto inicial de ebullicin e inter!alo de ebullicin/ ;;I ) =unto de inflamacin/ *N E) =resin de !apor/ N,5 h=a (4> E) :ensidad relati!a/ (4>+4> >,I;
T:+c+-- =or contacto con la piel y o%os hay irritaciones, por ingestin casusa náuseas !mitos y por absorcin puede pro!ocar efectos en el sistema ner!ioso central.
REACCIONES
REACCIÒN PRINCIPAL
REACCIÒN COLATERAL
MECANISMO DE LA REACCIÒN PRINCIPAL
O
KMnO 3
,
2H4SO3 ,
H4 O
2 HO
3-
Mn
OH
,
+
K
, 2HSO 3
O
PROCEDIMIENTO
MEZCLAR
12,3mL de butanol y 30,3mL de una solución de carbonato de sodio.
-
AGREGAR
AGITAR
REPOSAR
AGREGAR
SECAR
AGITAR
270mL de una solución de permanganato de potasio.
Luego se agitó vigorosamente en un agitador magnético por 3-4 oras.
!e de)ó por 7 d#as a temperatura
&apamos la solución agregando una capa de éter, acidi'camos con $cido sul%(rico diluido y separamos el éter de la capa acuosa.
Luego secamos esta combinación etérea con sul%ato de sodio anidro
!e procedió a agitar la solución asta "ue el éter se evapore, para as# obtener el $cido butanoico.
RESULTADOS ? ANÀLISIS
l ácido butanoico es un ácido mediano fuerte que reacciona con bases y oxidantes fuertes, y ataca a muchos metales. l ácido es un líquido aceitoso, incoloro, que es fácilmente soluble en agua, etanol y $ter, y se puede separar de
una fase acuosa por saturacin con sales tales como cloruro de calcio. &e oxida a dixido de carbono y ácido ac$tico usando dicromato de potasio y ácido sulfCrico, permanganato potásico alcalino mientras que se oxida a dixido de carbono. La sal de calcio, )a4H4O, es menos soluble en agua caliente que en frío. l ácido butírico tiene un ismero estructural denominado ácido isobutírico. Los alcoholes primarios y secundarios se oxidan fácilmente mediante distintos tipos de reacti!os, incluyendo reacti!os de )romo, =ermanganato, Bcido nítrico, e incluso le%ía. n esta práctica se reali" la oxidacin del ;-butanol (alcohol primario en presencia de 12nO3 y H4&O3 para obtener ácido butanoico. l cual es un ácido mono carboxílico, saturado, de cadena abierta con cuatro átomos de carbono. &e reali"aron los ensayos de reconocimiento y diferenciacin de ácidos carboxílicos, una !e" termino el procedimiento para la obtencin del ácido butanoico en los cuales se obtu!ieron los siguientes resultados/
E3/; *r 6 -,4,r>+3c+73 -,6 *234 -, ,5266+c+73 &e procedi a hacer el respecti!o monta%e para reali"ar la prueba, en la cual se obser! un rosario de burbu%as a una temperatura de 5*E), que comparado con el punto de ebullicin del ácido butanoico se obser!a que hay una diferencia considerable con respecto al resultado obtenido. Lo cual quiere decir quiere decir que la prueba es 3,4+.
E3/; *r 6 -,4,r>+3c+73 -, *@ Una !e" terminado el procedimiento y haber obtenido la muestra, se procedi a determinar el pH de la sustancia obtenida, tomando una cinta para la medicin del pH de la cual se introdu%o un poco en la sustancia obtenida en la práctica la cual se torn de un color amarillo oscuro. Lo cual quiere decir que el pH de la muestra fue de ' (>,-+3>,34, c+-).
E3/; c3 5+cr534 -, /-+ para reali"ar esta prueba se tom un poco de muestra en un tubo de ensayo y se le agrego una peque7a cantidad de bicarbonato de sodio, en la cual se debía producir efer!escencia al momento de agregarle el bicarbonato de sodio, pero al
momento de agregarle este mismo a la muestra no se produ%o ninguna reaccin. Lo cual quiere decir que la prueba es 3,4+ para ácidos carboxílicos.
E3/; -, ;-2r#;-4 =ara reali"ar esta prueba se tom un poco de la muestra en un tubo de ensayo y se le agrego una peque7a cantidad de yoduro y yodato de potasio, al contaco con el ácido esta debía tomar una coloracin ro%i"a y posteriormente se procedía a agregarle un poco de almidn y lle!arlo a ba7o 2aría, la cual debía tomar una coloracin a"ul. =ero al momento de hacer esta prueba en el laboratorio y agregarle el yoduro y el yodato de potasio esta no reacciono, no se obtu!o la coloracin ro%i"a esperada. Lo cual quiere decir que la prueba es 3,4+ para ácidos carboxílicos. :e acuerdo con estos resultados, podemos decir que no se cumpli el ob%eti!o, lo cual se pudo haber dado por muchas ra"ones. La reaccin no llego a oxidarse hasta llegar al respecti!o acido carboxílico, la oxidacin solo llego a oxidarse hasta un aldehído, y de acuerdo con los resultados el compuesto sinteti"ado puede ser un aldehído, nos basamos más que todo en el punto de ebullicin del butanal que es de 53.IE) y en el pH de la solucin obtenida que es mediana mente ácido y cabe dentro del rango de pH de los aldehídos, que comparada con la teoría está muy cerca de ser un aldehído por lo que podemos decir que lo que se formo una reaccin colateral que corresponde al compuesto 52436. sto se pudo haber dado por ra"ones como temperatura, el tipo de agente oxidante utili"ado, las concentraciones de las soluciones, el tiempo de agitacin. 0odas estas ra"ones pudieron haber afectado para que la reaccin no llegara a completarse y no se obtu!iera el compuesto deseado.
CONCLUSI"N
n el traba%o reali"ado se pudo relacionar la teoría con la parte experimental, dando a conocer algunas de las reacciones de la oxidacin de alcoholes. La oxidacin de alcoholes es una reaccin orgánica importante. Los alcoholes primarios (-)H4-OH pueden ser oxidados a aldehídos (-)HO o ácidos carboxílicos (-)OOH. La oxidacin directa de los alcoholes primarios a ácidos carboxílicos normalmente transcurre a tra!$s del correspondiente aldehído, que luego se transforma por reaccin con agua en un hidrato de aldehído (-)H (OH4, antes de que pueda ser oxidado a ácido carboxílico. 8 menudo es posible interrumpir la oxidacin de un alcohol primario en el ni!el de aldehído mediante la reali"acin de la reaccin en ausencia de agua, de modo que no se puedan formar hidratos de cetonas. :espu$s de haber reali"ado el procedimiento a seguir y haber reali"ado las pruebas correspondientes para determinar si la sustancia era un ácido carboxílico, se lleg a la conclusin de que la sustancia era un aldehído, debido a los resultados de las pruebas reali"adas en el laboratorio, la cual sospechamos que se obtu!o una reaccin colateral correspondiente al butanal.
BIBLIOGRAFÍA
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ditorial
=earson
