Manual Lab Qf Quim310 2015 (1)

UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLO B ELLO FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS

MANUAL DE LABORATORIO QUÍMICA ORGÁNICA II PARA QUÍMICA Y FARMACIA QUIM 310

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015

ÍNDICE

Normas de Trabajo en el Laboratorio....................... Laboratorio......... ................. ............... .......................... ..................... .......

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Medidas de Seguridad en el Laboratorio................... Laboratorio..... ........................... ........................... ..................... ...........

4

Materiales de uso común en el Laboratorio de Química Orgánica II ......

7

Técnicas utilizadas en los Prácticos de Química Orgánica II …………….

10

Pauta para construir el Informe de Laboratorio....................... Laboratorio......... .......................... ................... .......

16

Práctico n°1: Oxidación de alcoholes: Síntesis de ciclohexanona.................. ciclohexanona.... ..................

19

Práctico n°2: Oxidación de cetonas: Síntesis de ácido adípico................... adípico...... ................... ......

23

Práctico n°3: Condensación aldólica: Síntesis de dibenzalacetona. ………

28

Práctico n°4: Reacción de Esterificacción de Fischer: Síntesis de Aspirina…

32

Práctico n°5: Acetilación de Aminas: Síntesis de Acetanilida............. Acetanilida.. ....................... ..............

37

Práctico n°6: Sustitución Electrofílica Aromática: Síntesis de p -nitroaceta-nitroacetanilida……………………………………………………………………………...

2

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NORMAS DE TRABAJO EN EL LABORATORIO Cada alumno debe cumplir una sesión de laboratorio obligatoria de cuatro módulos de duración cada 15 días. Las secciones impares comienzan la segunda semana lectiva del semestre y las pares la semana siguiente alternándose alternándose hasta completar completar seis laboratorios obligatorios. Deben presentarse en el Laboratorio de Química correspondiente el día y en el horario asignados provisto de

delantal, el Manual de Laboratorio, cuaderno de laboratorio y calculadora . Se exigirá puntualidad y no se permitirá realizar un trabajo práctico sin su delantal . Las pertenencias deben ser dejadas en los casilleros dispuestos fuera de cada laboratorio por lo cual deben llevar un candado . Se debe presentar con ropa adecuada para evitar accidentes: calzar zapatos cerrados o zapatillas, uso de pantalón grueso, no usar calzas ni minifaldas, no usar bufandas, pañuelos o gorros. Evitar llevar aparatos electrónicos como celulares, iPod, tablets y notebooks, que puedan distraerlo del trabajo práctico. El alumno debe llegar al laboratorio habiendo preparado previamente el tema correspondiente al trabajo práctico que se llevará a cabo. Esto se verificará previamente mediante mediante un control escrito al comienzo del mismo. Una vez finalizada la sesión de laboratorio se deberá entregar un informe del tema desarrollado de acuerdo a la PAUTA DE INFORME que se encuentra detallado en la página 6 de este Manual. Este informe deberá ser entregado al final de cada sesión de laboratorio. El alumno que no asista a una sesión de laboratorio podrá recuperar sólo un control y un laboratorio

previamente previamente justificados en el Departamento de Ciencias Químicas y al final del semestre. La Nota Final de Laboratorio (NFL) corresponde al 60% del promedio de los Controles de laboratorio ( C) y al 40% del promedio de los Informes de Laboratorio ( I ). Es decir:

NFL = 0.6 C + 0.4 0.4 I

La nota final de laboratorio (NFL) corresponde al 40% de la nota de presentación (NP) del curso QUIM 310.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 MEDIDAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO PRECAUCIONES PRECAUCIONES PARA EVITAR INCENDIOS: 1.- Siempre que use un mechero tenga en cuenta lo siguiente: - No caliente nunca un disolven d isolvente te inflamable inflamable de punto de ebullición ebullición menor de 100°C (metan ( metanol, ol, éter etílico, acetona, benceno, benceno, etanol, etc.) en un recipiente abierto. -

Si calienta un disolvente a reflujo cerciórese de que todas las conexiones estén bien ajustadas.

- No trasvase líquidos líquidos inflamables inflamables cerca de una una llama. - No recib r ecibaa un destilado en un recipiente muy retirado ret irado del condensador o cerca de la llama del mechero de su vecino. Por norma general, los recipientes deben quedar lo más alejados posible de los mecheros. 2.- No caliente nunca un sistema cerrado aunque vaya provisto de un condensador. 3.- Siempre que realice una operación exotérmica tenga preparado un baño de hielo o de agua fría para poder controlarla. 4.- No guarde disolventes en vasos abiertos y manténgalos lejos de la llama del mechero. 5.- No deje los recipientes de disolventes en el mesón de trabajo sino en una estantería lateral o en la campana. 6.- No deje ningún objeto ajeno ajeno al a l trabajo en el mesón de trabajo (libros, cuadernos, carteras, mochilas, etc.). 7.- Tenga siempre presente la ubicación de los extintores del laboratorio y aprenda a usarlos. Si por desgracia se produce un accidente con fuego siga las siguientes normas: 1.- Apague todas las llamas y retire todos los productos inflamables de las proximidades del fuego. 2.- Si el fuego es pequeño sofóquelo con un paño mojado. Si el fuego es mayor use un extintor. 3.- Si se inflaman las ropas de alguna persona: -

Evite que corra

-

Hágala rodar por el suelo para que el fuego no llegue a la cabeza.

-

Cúbrala con una manta o cualquier prenda que tenga a mano.

-

Trate las quemaduras pequeñas con un ungüento. Las quemaduras mayores mayores deben ser atendidas por un médico.

PRECAUCIONES PRECAUCIONES EN EL MANEJO DE PRODUCTOS QUÍMICOS: 1.- No permita que se pongan en contacto con la piel o ropa. 2.- No pruebe ningún sólido, líquido o disolución al menos que se le especifique hacerlo. 3.- Evite inhalar, en lo posible, vapores de disolventes. Si quiere tomar el olor de algún producto como criterio de identificación, hágalo con cuidado y colocando el recipiente a 15 cm de la nariz.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 4.- Limpie cualquier porción de líquido que derrame. Si se trata de un ácido, lave con agua, neutralice con una disolución de bicarbonato o carbonato de sodio al 5% y vuelva a lavar con agua. Si es un álcali, lave con agua y neutralice con una disolución de ácido acético al 5%. En lo posible use guantes para realizar esta operación. 5.- NO VIERTA RESIDUOS ORGÁNICOS O INORGÁNICOS EN LOS LAVADEROS . En cada Laboratorio encontrará recipientes para desechos de residuos químicos que se hallan en las campanas de cada laboratorio con un número distintivo de acuerdo al tipo de residuo.

PRECAUCIONES EN EL MANEJO DE MATERIAL DE VIDRIO: Para evitar cortaduras al tratar de introducir una varilla de vidrio o un termómetro en un orificio de un t apón: 1.- Trate de que el orificio tenga un tamaño adecuado. 2.- Lubrique la varilla con agua, disolución jabonosa o glicerina. 3.- Proteja sus manos con un paño. 4.- Sostenga la varilla lo más cerca de un extremo y aplique suavemente presión hasta pasarla completamente. 5.- Si se trata de una varilla con ángulo, tómela desde la parte más próxima al corcho o tapón para hacer presión. 6.- No mantenga el tapón o corcho en la palma de su mano ni lo dirija hacia su mano o cuerpo. Sosténgalo entre el pulgar y el dedo índice. 7.- No olvide ablandar en corcho antes de horadarlo.

QUEMADURAS CON PRODUCTOS QUÍMICOS: Las áreas de la piel que estén en contacto con productos químicos corrosivos deben lavarse bien con abundante agua. Si el producto es un ácido, lave con una disolución saturada de bicarbonato de sodio y nuevamente con agua. Si se trata de un álcali, lave con agua y con una disolución de ácido acético al 1% y finalmente, con agua. Si saltan trozos de sodio a la piel, saque los pedazos con una pinza, lave con alcohol y luego con una disolución de ácido acético al 1%. Finalmente, coloque una gasa con un ungüento apropiado. Las quemaduras con bromo son especialmente delicadas. Debe lavar primero con agua y empaparse con una disolución de tiosulfato de sodio al 10%. Si el producto químico, corrosivo o caliente, salta a sus ojos, lave con abundante agua de la llave más próxima tanto el globo ocular como el párpado. Nunca se restriegue los ojos o se introduzca las manos a la boca sin antes de lavar prolijamente sus manos.

ENVENENAMIENTOS: a.- Sólidos y líquidos: Ácidos: beber mucha agua y luego leche de magnesia. También se puede tomar leche pero nunca provocar el vómito manualmente o con eméticos. 5

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Álcali: beber mucha agua y, después, vinagre, jugo de limón o de naranja o disolución de ácido cítrico. Se puede tomar leche pero nunca provocar el vómito manualmente o con eméticos.

Sales de metales pesados : beber leche o clara de huevo. Arsénico o mercurio : dar un emético inmediatamente (sulfato de zinc en un vaso de agua tibia). b.- Gases: Sacar a la persona al aire libre y aflojarles las ropas del cuello. Si ha inhalado vapores de bromo o cloro hacerle inhalar vapores de amoniaco.

NORMAS GENERALES DE TRABAJO EN EL LABORATORIO Para evitar accidentes en el laboratorio debe seguir ciertas recomendaciones: 1.- Mantenga siempre las llaves de agua y de gas cerradas cuando no las esté utilizando. 2.- Nunca tire desechos insolubles como papeles filtro, fósforos o similares a los lavaderos. 3.- Nunca trabaje solo en el laboratorio. 4.- No eche trozos de sodio metálico en los lavaderos o recipientes de la basura. Sumérjalos en parafina y pregunte dónde y cómo deshacerse de ellos. 5.- El trabajo con productos irritantes o disolventes cancerígenos (benceno, cloroformo, diclorometano, tetracloruro de carbono) debe hacerse en campana. 6.- No mire por la boca de los matraces o tubos de ensayo cuando esté llevando a cabo una reacción. 7.- Evite inundaciones sobre el mesón dando la presión suave de agua al refrigerante. 8.- Siempre lleve puestas sus antiparras y delantal en el laboratorio. 9.-Todo equipo armado por el o los estudiantes deberá ser revisado por el profesor antes de usarlo. 10.- Los reactivos de uso general deberán permanecer en los lugares asignados a ellos. Todo reactivo, luego de ser usado, debe ser tapado inmediatamente. 11.- Las balanzas deben permanecer limpias y sin tara. Su uso exige protección del plato así que utilice vidrio de reloj o cualquier otro recipiente adecuado. 12.- No ingiera alimentos ni bebidas en el laboratorio. 13.- No utilice los materiales de laboratorio para beber agua. 14.- Lave prolijamente sus manos antes de retirarse del laboratorio. 15.- Entregue sus bandejas al final de laboratorio y deje limpio su lugar de trabajo.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 MATERIALES DE USO COMÚN EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA II.

Aro

Manto calefactor

Desecador

Nueces

Pinzas de tres dedos Soporte universal

Placa calefactora con agitación magnética

Pipetas

Propipetas

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Escobilla

Barra magnética

Pinza de madera


Matraz de fondo redondo

Embudo analítico

Embudo de decantación

Cabezal de destilación

Embudo Büchner

Adaptador de destilación Matraz Erlenmeyer

Matraz Kitasato

Gradilla con tubos de ensayo

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Piceta o frasco lavador

Vaso de precipitados


Espátula

Trampa de gases

Probeta

Condensador Allihn o de bolas

Bagueta o varilla de vidrio

Termómetro simple y con adaptador

Condensador Liebig

Pipetas Pateur

Gotario

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TÉCNICAS UTILIZADAS EN LOS PRÁCTICOS DE QUÍMICA ORGÁNICA II. 1.- Filtración por gravedad. (Prácticos Nº 2, 3, 4, 5 y 6) Este tipo de filtración se utiliza cuando se necesita obtener un filtrado libre de impurezas sólidas. En general, se filtra la disolución caliente, quedando las impurezas insolubles retenidas en el papel filtro plegado. Para esto se necesita un matraz Erlenmeyer, un embudo analítico y un papel filtro plegado los cuales han sido previamente mantenidos en la estufa a alta temperatura para evitar que el sólido precipite en el papel o en el vástago del embudo durante la filtración por cambios bruscos de temperatura. Para ver el proceso de filtración por gravedad y la preparación de un papel filtro plegado, revise los videos de la siguiente página web: https://www.youtube.com/watch?v=OaKaKkdiYrk (Video de Filtración por gravedad) https://www.youtube.com/watch?v=v_a5HIAxrdk (Video de preparación de un papel filtro plegado)

Fig. 1: Equipo de filtración por gravedad.

Fig. 2: Preparación de un papel filtro plegado.

2.- Filtración al vacío (Prácticos Nº 2, 3, 4, 5 y 6) Se utiliza para separar un sólido desde una suspensión. Para esto se necesita un matraz Kitasato y un embudo Büchner con un papel filtro redondo cuyo diámetro permita cubrir toda la superficie interna del embudo Büchner. El embudo, junto con el filtro, se ajusta al matraz Kitasato con un adaptador de goma o de caucho, y el montaje, sujetado con una pinza unida a un soporte con una nuez, se conecta a una bomba de vacío. El filtro se moja con el mismo disolvente que contiene la suspensión hasta que quede bien asentado en el embudo. Luego, se vierte lentamente la suspensión sobre el filtro con la ayuda de una varilla de vidrio, de forma que no se produzca el derramamiento de líquido. El sólido retenido en el filtro puede lavarse con pequeñas porciones de disolvente (el mismo que contiene el líquido filtrado), y se dejará un tiempo conectado al vacío hasta que

10

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 quede lo más seco posible. Para ver el proceso de filtración al vacío revise el video en la siguiente página web: https://www.youtube.com/watch?v=lrMfP4I6GWw (Video de filtración al vacío)

Figura 3: Equipo de filtración al vacío. 3.- Sistema de destilación simple (Práctico Nº 1) Esta técnica se utiliza cuando se desea separar dos o más disolventes con puntos de ebullición muy diferentes. Por ejemplo, agua (p. eb. 100 ºC) y acetona (p. eb. 56 ºC). Para la destilación simple se necesita una manta o placa calefactora, un matraz de fondo redondo, un cabezal de destilación, un termómetro con adaptador, un condensador tipo Liebig y un matraz Erlenmeyer, además de dos soportes universales y dos pinzas de tres dedos con sus nueces respectivas.

Figura 4: Equipo de destilación simple. 11

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Cuando se hace una destilación se debe tener en cuenta lo siguiente: a) antes de iniciar el calentamiento hay que añadir 2 a 3 trozos de porcelana o plato poroso; b) el termómetro debe colocarse de forma que el bulbo esté justamente en la salida del vapor; c) la entrada del agua de refrigeración debe conectarse a la parte inferior del condensador; d) todas las piezas del montaje deberán estar perfectamente ajustadas y convenientemente engrasadas (utilice una pequeña cantidad); e) las pinzas de sujeción nunca se pondrán en las uniones de las piezas y f) el calentamiento debe ser tal que se recojan de 2 a 4 gotas de destilado por segundo. Para ver el proceso de destilación simple revise en video en la siguiente página web: https://www.youtube.com/watch?v=pJ2jm2J41bw (Video de destilación simple)

4.- Extracción líquido-líquido (Prácticos Nº 1) Esta técnica se utiliza para extraer un soluto disuelto en un disolvente con otro disolvente en que el soluto es más soluble. Estos disolventes tienen que ser inmiscibles entre sí. Los disolventes más utilizados en las extracciones de este tipo se encuentran en la siguiente tabla:

Tabla de disolventes de extracción comúnmente utilizados . Nombre

Fórmula

Densidad (g/mL)*

Punto de ebullición (ºC)

Peligrosidad

Disolventes de extracción menos densos que el agua Éter dietílico (CH3CH2)2O 0,7 35 Muy inflamable, tóxico ≈ 0,7 Hexano C6H14 > 60 Inflamable Benceno C6H6 0,9 80 Inflamable, tóxico Tolueno C6H5CH3 0,9 111 Inflamable Acetato de etilo CH3CO2CH2CH3 0,9 78 Inflamable, irritante Disolventes de extracción más densos que el agua Diclorometano CH2Cl2 1,3 41 Hepatotóxico Cloroformo CHCl3 1,5 61 Hepatotóxico Tetracloruro de carbono CCl4 1,6 77 Hepatotóxico *

La densidad del agua es 1,0 g/mL, y la de la disolución acuosa saturada de NaCl es 1,2 g/mL.

Para esta técnica se necesita un embudo de decantación, matraces Erlenmeyer y un soporte universal con un aro con nuez. Es una extracción discontinua y se lleva a cabo en el embudo de decantación. El volumen de ambos líquidos no debe ocupar más de la mitad del embudo para favorecer una mejor agitación. Se debe verificar que la llav e del embudo esté en buenas condiciones y no haya pérdida de material.

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Figura 5: Extracción con embudo de decantación. Se agrega la disolución a extraer y una pequeña porción del disolvente inmiscible. Se tapa el embudo y se invierte, dirigiendo el vástago hacia arriba y con el tapón bien sujeto con una mano. Se abre la llave para eliminar la presión interna, puesto que al mezclar los disolventes se desprende calor y se evaporan los disolventes. Se cierra la llave y con una mano se apoya el tapón y con la otra se toma el vástago por la parte de la llave. Se debe comenzar con una agitación suave y abrir inmediatamente la llave para permitir la salida de gases producidos, hasta que no haya gases en el interior. Luego, se debe agitar vigorosamente durante un cierto tiempo para permitir el mayor contacto del soluto con el disolvente de extracción.

Figura 6: Modos de tomar el embudo de decantación durante la agitación. En seguida, debe ponerse el embudo en su posición normal y observar si se forma algo de emulsión; en este caso la agitación debe ser muy suave porque las emulsiones son difíciles de eliminar. Terminada la agitación se pone el embudo en el aro, se quita el tapón, se espera que los líquidos decanten y por medio de la llave se separan.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Si no se observa nítidamente la separación de las fases se agrega un poco del disolvente más denso y se observa la separación de las fases. Para determinar la naturaleza de cada fase se agrega una pequeña cantidad del disolvente a uno de los líquidos separados; si se mezcla con él es porque se trata de la capa del disolvente. La extracción se debe llevar a cabo unas dos o tres veces, juntando las fases del mismo disolvente. Si el disolvente ha estado en contacto con una fase acuosa, se debe agregar un desecante (sulfato de magnesio anhidro o cloruro de calcio anhidro) para eliminar los restos de agua. Para ver el proceso de extracción líquido-líquido revise el video en la siguiente página web: https://www.youtube.com/watch?v=Q3QxStCFDUo (Video extracción líquido-líquido)

5.- Calentamiento por reflujo (Práctico Nº 5) El reflujo es una técnica experimental de laboratorio para el calentamiento de reacciones que transcurren a temperatura superior a la ambiente y en las que conviene mantener un volumen de reacción constante. Un montaje para reflujo permite realizar procesos a temperaturas superiores a la ambiente (reacciones, recristalizaciones, etc), evitando la pérdida de disolvente y que éste salga a la atmósfera. Se necesita una manta o placa calefactora, un matraz de fondo redondo, un condensador tipo Allihn o de bolas (también se puede utilizar un condensador de serpentín) y un soporte universal con dos pinzas de tres dedos con sus respectivas nueces. En los casos que se debe evitar la presencia de agua se debe utilizar una trampa de humedad acoplada en la parte superior del condensador.

Figura 7: Equipo de reflujo. Se efectúa acoplando un condensador de bolas o serpentín a la boca (o a una de las bocas) del matraz que contiene la mezcla de reacción. A medida que se procede a la calefacción del matraz, la temperatura aumenta evaporando parte del disolvente. Los vapores del mismo ascienden por el cuello del matraz hasta el 14

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 condensador, donde se condensa (por acción del agua fría que circula por la camisa exterior) volviendo de nuevo al matraz. Esto establece un reflujo continuo de disolvente que mantiene el volumen de la reacción constante. Para ver el proceso de calentamiento a reflujo revise el video en las siguientes páginas web: https://www.youtube.com/watch?v=YUKGLbAEtCo o https://www.youtube.com/watch?v=3diTdagF-6U

6.- Destilación al vacío con evaporador rotatorio (Práctico Nº 1) El evaporador rotatorio o rotaevaporador o rotavapor es un equipo de destilación al vacío que permite eliminar el disolvente de una disolución que contiene solutos que generalmente son termolábiles. Debido a que la menor presión interna hace disminuir el punto de ebullición del disolvente, esta eliminación se hace a más bajas temperaturas, manteniendo estables las características físicas y químicas del soluto.

Para ver el proceso de destilación al vacío con evaporador rotatorio o rotavapor revise el video en la siguiente página web: https://www.youtube.com/watch?v=FCW9fRjt8CA

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PAUTA PARA CONSTRUIR EL INFORME DE LABORATORIO En todo trabajo experimental es de mucha utilidad contar con un cuaderno de laboratorio en el cual se registran todos los datos y resultados de la experiencia realizada en una forma clara, ordenada y legible. Para sacar el máximo provecho de los datos puestos en su cuaderno se pueden adoptar las siguientes normas: a) Anote la fecha y el nombre de la experiencia llevada a cabo. En lo posible anote los datos experimentales tan pronto como sea posible, incluyendo los cálculos respectivos y las posibles modificaciones hechas al trabajo experimental en curso. Anote todas las observaciones por insignificantes que parezcan. b) Registre claramente los datos obtenidos y si es posible construya una Tabla de Datos, para mayor claridad. c) Realice todos los cálculos de rendimiento teórico y porcentaje de reacción. Para escribir el Informe de Laboratorio tenga presente los siguientes criterios: a) El informe debe ser entregado al final de cada práctico. Recuerde que el Informe es responsabilidad de todos los miembros del grupo de trabajo. b) Para la escritura del Informe debe usar una letra legible. Recuerde que el informe debe ser lo más formal posible. c) Revise concienzudamente la ortografía y la redacción. Debe indicar claramente las constantes físicas de los productos y reactantes, las cuales debe averiguarlas con anticipación al práctico e indicar la fuente bibliográfica de éstas. d) Anote clara y ordenadamente los datos obtenidos y los cálculos realizados. Indique las unidades de medición de cada valor obtenido. Para los cálculos utilice preferentemente el análisis dimens ional.

El siguiente formato es el que deberá seguir para hacer sus futuros informes de laboratorio de Química Orgánica. Entre paréntesis se indica el puntaje de cada parte del informe que se considerará para la evaluación.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 UNIVERSIDAD ANDR S BELLO FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS QUÍMICAS LABORATORIO DE QU MICA ORG NICA II QUIM 310

NOMBRES: ___________________________________________________FECHA: ____________________ _________________________________________________

PRÁCTICO Nº …: ……………………………………………………………………………………………….

Objetivos: (1 punto)

2.- Ecuaciones químicas (cuando sea necesario): (1 punto)

3.- Constantes físicas de productos y reactantes (sólo de los compuestos orgánicos involucrados en la reacción): (1 punto) …………………………………… …………………………………… …………………………………… Fórmula molecular:……..……….. Fórmula molecular:……..……….. Fórmula molecular:……..……….. MM: …………………………….. MM: …………………………….. MM: …………………………….. p.f.:………………………………. p.f.:………………………………. p.f.:………………………………. p.eb.:……………………………. p.eb.:……………………………. p.eb.:……………………………. Densidad:………………………… Densidad:………………………… Densidad:………………………… Pureza:…………………………… Pureza:…………………………… Pureza:……………………………

.

.

.

4.- Bibliografía: (fuente bibliográfica de las constantes físicas): (1 punto)

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Resultados y cálculos: (3 puntos)

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 1 OXIDACIÓN DE ALCOHOLES: SÍNTESIS DE CICLOHEXANONA. Los alcoholes son reactivos muy versátiles puesto que son productos de partida de una gran cantidad de compuestos orgánicos: alquenos, haluros de alquilo, compuestos carbonílicos (ácidos carboxílicos, cetonas, aldehídos), ésteres, éteres. O O

OH

R1

ácido carboxílico

R2

R1

X

R2 = H : aldehido CrO .py. HCl

KMnO4 /

R1

3

haluro de alquilo

OH R1

Na, RX

OR

R2

X: Cl, Br

HX ó PX3 R2

O RCOCl

R1

R1

O

R2

K2Cr 2O7

éter

H+ R1

O

R2 éster

R1

R2

R1

R2

alqueno

R1, R2 = / H : cetona

En el caso de la obtención de compuestos carbonílicos, los alcoholes sufren una reacción de oxidación. El compuesto carbonílico que resulta de la oxidación depende del número de hidrógenos unidos al carbono hidroxílico y a las condiciones de oxidación. Así, alcoholes primarios pueden oxidarse a aldehidos usando condiciones suaves de reacción (clorocromato de piridinio, CrO 3* py*HCl, PCC) o a ácidos carboxílicos usando oxidantes más enérgicos (KMnO 4, K 2Cr 2O7), mientras que los alcoholes secundarios pueden generar cetonas en condiciones suaves o formación de ácidos por rompimiento de enlaces C-C en condiciones más enérgicas usando KMnO 4 o K 2Cr 2O7. Los alcoholes terciarios, por no tener hidrógenos en el carbono hidroxílico no se oxidan, sino que en medio ácido se deshidratan generando alquenos. El mecanismo de la oxidación de un alcohol secundario puede ser explicado a través de la síntesis de ciclohexanona:

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 H2O + Cr 2O7-2

Etapa 1:

2 HCrO4-

Etapa 2: H

O

H

-

+

OH

O

+

Cr OH

H O

O Cr H

O

-

OH O

O

O

O Cr

-

O

OH OH

Cr (VI)naranja H+

H

H

O O

-O

- H2 O

Cr OH

O Cr

O

Etapa 3: H

..O..

H

OH2

+

H

-

O

O

O

O

O

OH

+

Cr OH

Cr

+

H3O+

OH

O

O

Cr (IV)

Etapa 4:

-

H

+

OH

O

+

Cr O

-

H

O

-

O OH

Cr O

H

-

H

O

O

OH

Cr OH OH

H+

H O

H

O Cr OH

- H2O

Etapa 5: H

O

+

Cr OH2 OH

..O..

H

O

-

O

H

O Cr OH

O

+

H3O+

+

O

Cr OH Cr (III) verde

Diferentes intermediarios con distintos estados de oxidación del Cr están involucrados en esta reacción. Así, el Cr (VI) de color naranja es reducido a Cr (III) que es verde. El curso de la r eacción puede seguirse a través de estos cambios de color.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 TRABAJO EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO a.- Escriba la ecuación iónica neta balanceada de la reacción de oxidación del ciclohexanol con dicromato de potasio en medio ácido. b.- Indique otros dos métodos para preparar ciclohexanona a partir de ciclohexanol. c.- ¿Qué reacción específica podría llevar a cabo para asegurarse que se ha formado un compuesto carbonílico? Explique brevemente. d.- Dibuje un esquema de destilación por arrastre de vapor. ¿En qué casos es útil esta técnica de separación? e.- Averigüe sobre los posibles efectos tóxicos de los reactivos de cromo y cómo tratarlos. f.- Determine el rendimiento teórico de la reacción a partir de los datos proporcionados en la Parte experimental.

2.- PRÁCTICO Ud. deberá sintetizar ciclohexanona a partir de ciclohexanol p.a. como intermediario para la síntesis de ácido adípico y determinar el porcentaje de rendimiento de la reacción.

3.- MATERIALES Y REACTIVOS MATERIALES 4 Matraces de Erlenmeyer de 125 mL 1 matraz de fondo redondo de 250 mL 1 matraz de fondo redondo de 100 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 termómetro 1 refrigerante simple o tipo Liebig 1 cabezal de destilación 1 adaptador de destilación 2 pinzas de tres dedos con nuez 1 soporte universal 1 probeta de 100 mL 1 embudo de decantación de 250 mL 1 embudo analítico 1 aro para embudo de decantación 1 rotavapor

REACTIVOS Ciclohexanol p.a. 30 g aprox. Dicromato de sodio o potasio dihidratado (Na 2Cr 2O7*2H2O o K 2Cr 2O7*2H2O) aprox. 30 g. Ácido acético aprox. 80 mL Éter etílico aprox. 100mL. hielo Cloruro de sodio p.a. aprox. 10 g Hidróxido de sodio p.a. aprox. 10 g Papel pH Sulfato de sodio anhidro aprox. 10 g Papel filtro rápido plegado

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: En un matraz de Erlenmeyer de 125 mL disolver 15 g de dicromato de sodio (o de potasio) dihidratado en 25 mL de ácido acético con agitación y calentamiento suave. Luego enfriar a 15° C en un baño de hielo. En otro 21

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 matraz de Erlenmeyer de 125 mL disolver 15 g de ciclohexanol (d= 0.96 g/mL, 99% pureza) y 10 mL de ácido acético y enfriar en un baño de hielo también hasta 15° C. Luego, verter la disolución de dicromato sobre la mezcla ciclohexanol-ácido acético arrastrando toda la disolución del dicromato con una pequeña porción de ácido acético. Sacar la mezcla del baño de hielo, la cual adquiere un color naranja suave inicialmente. La reacción es exotérmica por lo que la temperatura puede elevarse hasta los 60° C y ser incontrolable. Para ello introducir el matraz en un baño de hielo evitando que la reacción alcance una temperatura mayor de 60° C. Dejar la reacción durante 15 minutos a esta temperatura. Después de este tiempo dejar que la reacción alcance unos 65° C como máximo durante 25 a 30 minutos. Una vez que la disolución adquiere un color verde la reacción ha finalizado. Dejar reposar durante unos 15 minutos más para luego verter la disolución verdosa en un matraz de fondo redondo (balón) de 250 mL, lavar el matraz de Erlenmeyer con 100 mL de agua y agregarlos al balón. Armar un equipo de destilación y destilar por arrastre de vapor hasta obtener cerca de 80 mL de destilado. A los 80 mL de destilado recogidos en un matraz de Erlenmeyer agregar 200 mg de NaCl por mL de destilado para disminuir la solubilidad de la ciclohexanona en agua ( salting-out ) Agitar hasta solubilizar la sal para luego verter la mezcla en un embudo de decantación, enjuagar el matraz con éter etílico y agregarlos al embudo de decantación. Agregar 30 mL de éter, agitar y eliminar la fase acuosa. Lavar la fase etérea con 25 mL de NaOH 10% para remover el ácido acético y verificar con un papel pH que la mezcla tiene pH alcalino. Eliminar la fase acuosa y lavar la fase etérea con una disolución saturada de NaCl. Eliminar nuevamente la fase acuosa y verter la fase etérea en un matraz de Erlenmeyer. Agregar sulfato de sodio anhidro y se filtra sobre un balón de 100 mL. Eliminar el éter en un rotavapor y destilar el residuo para su purificación o puede ser utilizada directamente para el siguiente experimento.

Nota: Recuerde que este reactivo será utilizado en la obtención de ácido adípico (Práctico n° 2) por lo que el rendimiento de ambas reacciones dependerá de la prolijidad con que lleve a cabo esta experiencia. 5.- BIBLIOGRAFÍA: 1.- Carey, F.A.; Química Orgánica, 6° edición, Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V.; 2006, pág. 621. 2.- Smith, M.; March, J.; March’s Advanced Organic Chemistry, 6° edición, Ed. Wiley-Interscience, 2007, pág. 1726 3.- Vogel, A.; Vogel’s: Texbook of Practical Organic Chemistry , 5° edición, Longman Scientific & Technical, UK, 1989, pág. 607 4.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 261. 22

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 2 OXIDACIÓN DE CETONAS: SÍNTESIS DE ÁCIDO ADÍPICO . Las cetonas son inertes a la mayoría de los agentes oxidantes comunes a diferencia de los aldehidos. La oxidación de cetonas produce ácidos carboxílicos con rompimiento de enlaces carbono-carbono y se debe llevar a cabo en condiciones muy vigorosas, a diferencia de los aldehidos que son rápidamente oxidados. Esta diferencia de comportamiento es consecuencia de las diferentes estructuras entre los dos grupos funcionales: los aldehidos tienen un protón-CHO- que puede ser extraído con facilidad durante la oxidación, pero no así las cetonas. Uno de los agentes oxidantes que sí reacciona con las cetonas es el permanganato de potasio en medio alcalino y en caliente, aunque la reacción es lenta. O R

O

KMnO4

R OH

H

ácido carboxílico

aldehido O R R'

O

KMnO4

O

+

R

NaOH,

R'

OH

cetona

OH

ácidos carboxílicos

El enlace carbono-carbono próximo al grupo carbonilo se rompe, y se producen fragmentos de ácidos carboxílicos. La reacción sólo es útil para cetonas simétricas como la ciclohexanona, puesto que a partir de cetonas no simétricas se forman mezclas de productos. El ácido adípico es un ácido dicarboxílico (ácido hexanodioico) que se utiliza industrialmente en la fabricación de una poliamida del tipo del nylon (Nylon 66).

COOH

+

COOH

NH2

H2N

ácido adípico

hexametilendiamina 

O

O

H N

NH

N H

O Nylon 66

23

H N O

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 En pequeñas dosis se utiliza en la elaboración de gelatinas, concentrados de fruta en polvo, bebidas embotelladas, como acidificante, saborizante, gelificante y amortiguador de pH para prevenir la formación de microorganismos. La síntesis de un ácido dicarboxílico a menudo se lleva a cabo utilizando las mismas reacciones para la síntesis de un ácido monocarboxílico. Así, un ácido dicarboxílico puede generarse por oxidación de un diol primario apropiado o por la hidrólisis ácida de un dinitrilo apropiado. Un método útil es a partir de la oxidación enérgica de alcoholes o cetonas cíclicas. Los agentes oxidantes pueden ser variados. Para la obtención de ácido adípico a partir de la ciclohexanona se puede usar KMnO 4 en medio ácido o HNO 3. La preparación industrial de ácido adípico utiliza el ácido nítrico como oxidante de acuerdo a la siguiente reacción: O

+

COOH COOH

2 HNO3

+

2 NO + H2O

El mecanismo de la oxidación de ciclohexanona con KMnO 4 en medio básico es el siguiente: Etapa 1:

H H

OH-

H

- H

O

H

H2O

O

O

OH

Etapa 2:

O H

H MnO4-

O

O

H2O

Mn

OH

H

Mn O

O

O OH

O

HO

OH

Etapa 3:

H OMnO 2 OH OH

MnO4-

HO

MnO3

OH O H

24

O OH-

H OH O

+ MnO3

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Etapa 4:

O O

2 OH-

OH H

H O

OH

O

O MnO4-

O

+

OH O

HMnO4-2

O OHO O-

O Etapa 5:

3 HMnO4-2 + H2O

O

adipato 2 MnO2 +

MnO4- +

5 OH-

PARTE EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO a.- Escriba la ecuación iónica neta balanceada de la reacción de oxidación de la ciclohexanona con permanganato de potasio en medio básico. b.- En la primera etapa del mecanismo de oxidación de ciclohexanona el NaOH abstrae un H del carbono vecino al carbonilo. Averigüe por qué es posible esta reacción ácido-base. c.- En la reacción se obtiene la sal potásica o sódica del ácido adípico (adipato de dipotasio o de disodio) ¿Qué se debe agregar para obtener ácido adípico? Explique brevemente. d.- Determine el rendimiento teórico de la reacción a partir de los datos dados en la Parte experimental.

2.- PRÁCTICO Ud. deberá sintetizar ácido adípico a partir de ciclohexanona obtenida en el práctico n° 1 y determinar el porcentaje de rendimiento de la reacción y el punto de fusión del producto como criterio de pureza.

25

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 3.- MATERIALES Y REACTIVOS MATERIALES 1 Matraz de Erlenmeyer de 500 mL 1 vaso de precipitados de 100 mL 1 vaso de precipitados de 400 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 termómetro 1 embudo analítico 1 embudo Büchner 1 matraz Kitasato 1 vidrio de reloj Equipo para medir punto de fusión Capilares 1 gotario

REACTIVOS Ciclohexanona aprox. 20 g Permanganato de potasio (KMnO 4) aprox. 60 g Hidróxido de sodio p.a. aprox. 10 g Ácido clorhídrico concentrado aprox. 10 mL Bisulfito de sodio (NaHSO 3) p.a. aprox. 5 g Carbón activado Hielo Papel pH Sulfato de sodio anhidro (Na 2SO4) aprox. 10 g Papel filtro rápido plegado Papel filtro rápido redondo

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En un matraz de Erlenmeyer de 500 mL, agregar 10 g de ciclohexanona, 30,5 g de permanganato de potasio y 250 mL de agua. Ajustar la temperatura a 30° C y luego agregar 2 mL de una disolución de NaOH 10%. Cuando la temperatura alcanza unos 45° C (15 minutos) enfriar en un baño de hielo manteniendo la temperatura de la mezcla en 45° C durante 20 minutos. Luego dejar reposar durante otros 20 minutos para luego calentar la mezcla en una placa calefactora con agitación constante para finalizar la oxidación y coagular el precipitado de MnO 2. Para verificar la total conversión del permanganato sacar un resto de dióxido de manganeso con un varilla de vidrio y depositarla en un papel filtro. Si queda permanganato aparecerá un anillo violeta alrededor de los gránulos de MnO 2. Si aún persiste agregar pequeñas cantidades de bisulfito de sodio hasta que el test dé negativo. Enfriar un poco y filtrar al vacío lavando el precipitado de MnO 2 con pequeñas porciones de agua. Verter en un vaso de precipitados de 400 mL para luego reducir el volumen de agua hasta unos 70 mL con ayuda de una barra magnética. Si la disolución no es transparente ni incolora decolorar con carbón activado y evaporar de nuevo hasta 70 mL. Acidificar la disolución caliente con ácido clorhídrico concentrado hasta pH 1-2, agregar 10 mL de exceso de HCl y dejar que cristalice el ácido adípico. Filtrar los cristales al vacío, lavar con pequeñas porciones de agua enfriada en el refrigerador, presionar los cristales en el papel filtro para eliminar la mayor cantidad de agua y dejar secar. Experimentalmente se obtienen 6,9 g de ácido adípico cuyo punto de fusión es de 152-153° C.

NOTA: Realice los cálculos necesarios para llevar a cabo la reacción tomando en cuenta la cantidad de ciclohexanona que Ud. sintetizó en el laboratorio anterior . 26

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 5.- BIBLIOGRAFÍA: 1.- McMurry, J.; Química Orgánica, 7° edición, Ed. Cengage Learning Editores S.A.; 2008, pág. 700. 2.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 266. 3.- Vogel, A.; Vogel’s: Texbook of Practical Organic Chemistry , 5° edición, Longman Scientific & Technical, UK, 1989, pág. 667. 4.- Brewster, R.; Vanderwarf, C.; Mc Ewan, W.; Curso Práctico de Química Orgánica , 2° edición, Ed. Alhambra S.A., Madrid, 1970, pág 118. 5.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 266.

27

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 3 CONDENSACIÓN ALDÓLICA: SÍNTESIS DE DIBENZALACETONA . La condensación aldólica es la reacción entre dos moléculas de aldehído o de cetona catalizada por base o ácidos diluídos para generar un -hidroxialdehido o una -hidroxicetona. En todos los casos resulta el producto de la adición de una molécula de aldehido (o cetona) a una segunda, en forma tal que el carbono  de la primera queda unido al carbono carbonílico de la segunda. Si el aldehido o la cetona no contienen un hidrógeno  no se puede realizar una condensación aldólica simple. Es el caso del benzaldehido, difenilcetona, formaldehido, etc. O

O

OH

B:

+

R1

O

R3

R4

R4

R1

R2

R2

aldehido o cetona

aldehido o cetona

R3

aldol

La reacción también puede realizarse entre una cetona y un aldehido ( condensación aldólica cruzada ). El único inconveniente de esta reacción es la autocondensación, es decir, condensación de dos moléculas de cetona y de dos moléculas de aldehido, además de la condensación de una molécula de aldehido y cetona, lo que hace disminuir el rendimiento. Para subsanar esto, la reacción se lleva a cabo entre un aldehido y una cetona, careciendo uno de ellos de hidrógenos , como es el caso del benzaldehido y la acetona para generar O

O

H O

+

OHH3C

benzaldehido

CH3

acetona

dibenzalacetona

dibenzalacetona. Los aductos de la condensación aldólica a aldoles se pueden deshidratar con mucha facilidad en presencia de ácidos diluidos y calentamiento, generando compuestos carbonílicos ,-insaturados (  y  respecto del carbono carbonílico). Cuando se puede generar un alqueno altamente conjugado, es éste el producto mayoritario de la reacción aldólica y no el aldol. El mecanismo de formación de dibenzalacetona es una condensación aldólica en medio básico el cual comprende las siguientes etapas:

28

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Etapa 1: Abstracción del H- ( H ácido) por la base: El carbanión formado se estabiliza por resonancia con el carbonilo O

O-

O OH-

H3C

-

H3C

CH2

H3 C

CH2

H

hidrógeno

Etapa 2: Ataque nucleofílico del carbanión sobre el carbonilo del aldehido: O

H

O

O H3 C

H

+

-

CH2

CH2

H3 C

-

O

Etapa 3: Protonación del alcóxido: El alcóxido es una base fuerte por lo que abstrae un protón del agua para generar el alcohol respectivo O H H3C

CH2

O

-

O

+

H

O

H H3C

H

CH2

OH

+

OH

-

Etapa 4: Deshidratación del alcohol: Hay eliminación de un nuevo protón  al carbonilo favoreciendo la salida del OH como agua. O

O

H H3C

CH

H OH

H3C

CH

+

H2O

H OH

La adición de la segunda molécula de benzaldehído sigue el mismo mecanismo. El grupo carbonilo cumple dos funciones en la condensación aldólica: no sólo proporciona la unión no saturada en la cual se realiza la adición ( etapa 2), sino que también confiere acidez a los hidrógenos  para posibilitar la formación del carbanión ( etapa 1).

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 TRABAJO EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO. a.- Escriba el mecanismo de condensación aldólica en medio ácido del benzaldehído con acetona. b.- ¿Cuál es el producto de condensación aldólica al utilizar benzaldehído y acetona en proporción equimolar? c.- Explique por qué la reacción de adición al carbonilo el nucleófilo ataca al átomo de carbono y no al átomo de oxígeno. d.- Indique cuál es el producto secundario en la obtención de dibenzalacetona. e.- Explique por qué la deshidratación está favorecida en la obtención de dibenzalacetona. f.- Averigüe si hay relación entre la estructura química y la coloración amarilla de la dibenzalacetona. g.- Calcule el rendimiento teórico de la dibenzalacetona con las cantidades indicadas en el procedimiento experimental. h.- Si se quieren obtener 3 g de dibenzalacetona, considerando un rendimiento típico para la reacción del 60%, ¿cuáles serían las cantidades necesarias de los reactivos?

2.- PRÁCTICO. Ud. deberá sintetizar dibenzalacetona a partir de benzaldehído y acetona y determinar el rendimiento de la reacción y el punto de fusión del producto como criterio de pureza.

3.- MATERIALES Y REACTIVOS. MATERIALES 1 vaso de precipitados de 100 mL 1 vaso de precipitados de 250 mL 1 matraz de Erlenmeyer de 125 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 embudo analítico 1 embudo Büchner 1 matraz Kitasato 1 vidrio de reloj 1 termómetro Equipo para medir punto de fusión Capilares

REACTIVOS Benzaldehído p.a. aprox. 10 mL Acetona p.a. aprox. 10 mL Hidróxido de sodio p.a. aprox. 10 g Etanol absoluto p.a. aprox. 200 mL Hielo Papel filtro rápido plegado Papel filtro rápido redondo

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Mezclar 0,05 moles de benzaldehido con 0,025 moles de acetona en un vaso de precipitados de 100 mL y agregar la mitad de la mezcla a una disolución de 5 g de NaOH disuelto en 50 mL de agua y 40 mL de etanol 30

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 en un vaso de precipitados de 250 mL a temperatura ambiente (< 25° C). Después de 15 minutos agregar la otra mitad de la mezcla y enjuagar el vaso de precipitados con una alícuota de etanol. Después de una media hora y con agitación constante, filtrar al vacío el sólido formado. Desconectar el vacío y cuidadosamente lavar el sólido con 100 mL de agua. Conectar el vacío y eliminar el agua. Repetir esto unas tres veces para eliminar el NaOH remanente. Finalmente, presionar el sólido contra el papel filtro para eliminar toda el agua posible. Recristalizar el producto de etanol en un matraz de Erlenmeyer usando aproximadamente 10 mL de etanol por cada 4 g de dibenzalacetona impura obtenida. El producto funde a 110-111° C y el rendimiento experimental de la recristalización debería ser 4 g.

5.- BIBLIOGRAFÍA: 1.- Carey, F.A.; Química Orgánica, 6° edición, Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V.; 2006, pág. 769. 2.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 339. 4.- Brewster, R.; Vanderwarf, C.; Mc Ewan, W.; Curso Práctico de Química Orgánica , 2° edición, Ed. Alhambra S.A., Madrid, 1970, pág 272.

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 4 REACCIÓN DE ESTERIFICACCIÓN DE FISCHER: SÍNTESIS DE ASPIRINA . La reacción de esterificación de Fischer es una reacción de adición-eliminación en medio ácido de un ácido carboxílico con un alcohol o fenol para generar un éster. ácido carboxílico

+

alcohol (fenol)

O

éster O

OH OH

+

ácido butanoico

O 1-pentanol

butanoato de n-pentilo

O OH O

O OH

ácido pentanoico

+ fenol

pentanoato de fenilo

Los ésteres más volátiles tienen un aroma agradable por lo que suelen usarse en la preparación de perfumes y condimentos artificiales. Por ejemplo, el butanoato de metilo tiene olor a piña y el acetato de octilo tiene olor a naranja. La esterificación o síntesis de ésteres puede realizarse mediante muchos métodos. En general, se debe activar el ácido carboxílico ya sea en el medio de la reacción o utilizando un derivado de ácido más reactivo (cloruro de ácido o anhidrido). La reacción está más favorecida si se utilizan tanto alcoholes como ácidos primarios. Mientras mayor sea el impedimento estérico cerca del centro de reacción, más desfavorecida será la reacción de esterificación. O SOCl2

R

O

O

R R

Cl

OH

-H2O

R

O R2CH2OH

O

R

O

R2

O H+

La esterificación es un método muy utilizado en la Industria Farmacéutica para la formación de prodrogas, compuestos farmacológicamente inactivos que al metabolizarse en el organismo generan la molécula 32

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 bioactiva. Esta manipulación se realiza ya sea porque el compuesto bioactivo tiene características organolépticas indeseadas (mal sabor, mal olor), se descompone fácilmente o tiene efectos dañinos durante su administración. En el arsenal farmacológico existen muchos ejemplos de prodrogas, siendo una de ellas la aspirina o ácido acetilsalicílico (AAS). El compuesto farmacológicamente activo es el ácido salicílico pero su alta acidez (p K a = 3,0) produce acidez gástrica. La esterificación disminuye la acidez del ácido (AAS p K a = 3,5) Sin lugar a duda, la aspirina es uno de los medicamentos de uso más generalizado. Desde que en 1899 fue introducida por primera vez por Dreser como analgésico y antipirético suave, su empleo ha aumentado hasta convertirse en la principal defensa contra las pequeñas indisposiciones como resfriados y dolores de cabeza. Con el tiempo, nuevas propiedades terapéuticas le han sido asignadas. El compuesto con actividad farmacológica es el ácido salicílico, siendo la aspirina su éster acético. El ácido salicílico puede obtenerse de diversas plantas ( Salix fragilis, Filipendula ulmeria, Gaultheria shallon) como salicina, un glicósido muy amargo formado por una molécula de alcohol salicílico y una molécula de glucosa. El extracto de corteza de sauce blanco ( Salix alba vulgaris) se utiliza desde la Antigüedad para el tratamiento de las fiebres y la gota. El alcohol salicílico puede ser convertido en ácido salicílico tanto in vivo como por manipulación química. Debido a lo amargo de la salicina se intentó estereficarla. Esto se logró mediante la acetilación de la salicina en 1829 por Leroux, siendo uno de los antecedentes más antiguos de formación de prodrogas. OH

OH O

Glu H+

OH

salicina

+

glucosa

alcohol salicílico

[O] O H3C

O

O

OH OH

(CH3CO)2O

ácido acetilsalicílico o aspirina

O OH

ácido salicílico

La síntesis total del ácido salicílico se logró en 1860 por Kolbe y Lautemann a partir de fenóxido de sodio y dióxido de carbono a unas 5 atm de presión y a 125° C. Así, el salicilato de sodio se usó para el tratamiento de la fiebre reumática, además de utilizarlo como uricosúrico en el tratamiento de la gota.

33

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 ONa

OH

OH

O

CO2

O

H+

ONa

OH

5 atm, 125°C

fenóxido de sodio

O- Na+

salicilato de sodio

ácido salicílico

O

O

OH

H

O

O

C

ONa

O-Na+

O

Reacción de Kolbe

Debido a sus efectos nocivos sobre la mucosa gástrica Félix Hoffmann, un químico de la Bayer, pensó que estos efectos podrían ser alterados al esterificar el ácido salicílico. Basándose en un trabajo olvidado de Gerhardt de 1853, logró acetilar el ácido salicílico. Tras comprobar los efectos beneficiosos y comparables con el salicilato de sodio, el nuevo compuesto fue introducido en Medicina en 1899 por Dreser con el nombre de Aspirina®, nombre que derivaría de Spiraea, la especie natural de la cual se preparó por primera vez el ácido salicílico, y por ser un derivado acetilado. El mecanismo de reacción para la obtención de la aspirina es como sigue: Etapa 1: protonación del carbonilo del anhidrido acético.

O

O

+

OH

O H+

O

O

Etapa 2: Reacción de adición. HO

O

H O

H3 C O

HO OH +

O H +

HO CH3

O

OH O

H3C

H3 C

34

CH3 O

OH O

O

O

- H+

O

O H3C

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 Etapa 3: Reacción de eliminación.

HO

HO

O

CH3 O

OH

H+

O O

O

O

+ OH O

OH O

O

HO

CH3

CH3

+ OH

O

+

H3C

OH

H3C

H3C

- H+

HO

O O O CH3

TRABAJO EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO. a.- De acuerdo al mecanismo de esterificación indique el rol del ácido sulfúrico en la obtención de aspirina. b.- Averigüe los cuidados que debe tener al trabajar con ácido sulfúrico y ácido salicílico. c.- La aspirina se recristaliza en benceno o tolueno, disolventes muy tóxicos. Para ello se utiliza agua como disolvente para recristalización al igual que el ácido salicílico. ¿Cómo afecta este disolvente en el rendimiento de la reacción y en la pureza del producto? 4.- En ocasiones, un frasco de aspirina recién abierto puede tener un olor característico a vinagre. ¿A qué se debe este olor con respecto al medicamento contenido en la muestra? ¿Qué efectos se podría esperar de la ingestión de la misma? 5.- Calcule el rendimiento teórico de aspirina con los datos indicados en el procedimiento experimental.

2.- PRÁCTICO. Ud. deberá sintetizar aspirina a partir de ácido salicílico y determinar el rendimiento de la reacción y el punto de fusión del producto como criterio de pureza.

3.- MATERIALES Y REACTIVOS. MATERIALES 1 matraz de Erlenmeyer de 100 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 embudo analítico 1 embudo Büchner 1 matraz Kitasato 1 vidrio de reloj

REACTIVOS Ácido salicílico p.a. aprox. 10 g Anhidrido acético p.a. aprox. 20 mL Ácido sulfúrico concentrado aprox. 5 mL Hielo Papel filtro rápido redondo Papel filtro rápido plegado

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 1 termómetro Equipo para medir punto de fusión Capilares

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: En un matraz de Erlenmeyer de 100 mL agregar, en el siguiente orden, 5 g de ácido salicílico, 10 mL de anhídrido acético y 1-2 mL de ácido sulfúrico concentrado. Agitar suavemente la mezcla; la temperatura se eleva hasta los 70-80° C y todo el ácido salicílico se disuelve. Después de 15 minutos enfriar la disolución a 35-40° C obteniéndose una masa de cristales de aspirina. Añadir 50 mL de agua fría, agitar la suspensión y recoger los cristales en un embudo Büchner (filtración al vacío). Presionar el producto contra el papel filtro para eliminar la mayor cantidad de agua posible. Cuando la mezcla está lo suficientemente seca recristalizar en agua. El rendimiento experimental es de unos 4g. El punto de fusión de la aspirina varía de 130 a 135° C porque se descompone fácilmente. Si el aparato de medición se precalienta a 100-120° C se puede observar un punto de fusión de 134-135° C.

5.- BIBLIOGRAFÍA: 1.- Carey, F.A.; Química Orgánica, 6° edición, Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V.; 2006, pág. 846. 2.- Goodman-Gillman, A.; Goodman, L.S.; Brunton, L.L.; Lazo, J.S.; Parker, K.L.; Farmacológicas de la Terapéutica, 11° edición, Ed.

Las bases

McGraw-Hill Interamericana; 2006, pág. 671.

3.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 269. 4.- Brewster, R.; Vanderwarf, C.; Mc Ewan, W.; Curso Práctico de Química Orgánica , 2° edición, Ed. Alhambra S.A., Madrid, 1970, pág 272. 5.- Vogel, A.; Vogel’s: Texbook of Practical Organic Chemistry , 5° edición, Longman Scientific & Technical, UK, 1989, pág. 269.

36

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 5 ACETILACIÓN DE AMINAS: SÍNTESIS DE ACETANILIDA . Los denominados analgésicos del alquitrán, la fenacetina y su metabolito activo, el acetaminofeno o paracetamol ( N -acetil- p-aminofenol), son eficaces alternativas a la aspirina como analgésico y antipirético, aunque su actividad antiinflamatoria sea muy débil y de poca utilidad clínica. El acetaminofeno tiene menos toxicidad total y por ello se lo prefiere a la fenacetina. Como el acetaminofeno es bien tolerado, no presenta muchos de los efectos secundarios de la aspirina y es utilizado comúnmente en niños y adultos. Sin embargo, la sobredosis aguda causa daños hepáticos fatales por lo que su uso debe ser controlado. La acetanilida es el miembro original de los analgésicos derivados de la anilina. Fue introducida en la medicina en 1886 con el nombre de antifebrina por Cahn y Hepp, quienes descubrieron su acción antipirética por casualidad. Sin embargo, la acetanilida resultó excesivamente tóxica lo que obligó a buscar derivados menos tóxicos. Uno de estos derivados satisfactorios fue la fenacetina que se introdujo en la terapéutica en 1887, utilizándose ampliamente en mezclas analgésicas hasta que fue implicada en la nefropatía por abuso de analgésicos. O H

N

O

O CH3

H

N

CH3

H

N

CH3

acetanilida

OH

OEt

acetaminofeno

fenacetina

O NH2

H

N

CH3

NH2

anilina

OR acetaminofeno conjugado R: glucoronato, sulfato

OEt parafenetidina

metabolitos formadores de metahemoglobina y otros tóxicos

Otro derivado, el acetaminofeno, fue usado por primera vez por von Mering en 1893, pero su popularidad data sólo de 1949, cuando se descubrió que era el principal metabolito activo de la acetanilida y la fenacetina. La acetilación de una amina es una reacción ácido-base del tipo de Lewis, en el que un grupo amino básico efectúa un ataque nucleofílico sobre el átomo de carbono carbonílico, que es un centro ácido. La reacción, en general, transcurre muy rápidamente con cloruros de ácidos, más lentamente con anhídridos de ácidos y tan lentamente con ácidos mismos que para que se produzca la reacción se necesitan altas temperaturas. Por 37

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 ejemplo, la fabricación industrial de acetanilida se realiza calentando una mezcla de anilina con ácido acético durante un tiempo de seis a ocho horas. Una disolución caliente de anhídrido acético en ácido acético reacciona con las aminas a una velocidad tal que con frecuencia es adecuada para la realización en el laboratorio. Las aminas primarias y secundarias reaccionan favorablemente con cloruros de ácidos dando amidas mono y disustituidas, respectivamente. Las aminas terciarias, a pesar de ser muy básicas, no producen amidas ya que no poseen un átomo de hidrógeno una vez formado el enlace N-C para estabilizar el producto. El mecanismo de la reacción es el siguiente: Etapa 1: protonación del carbonilo del anhidrido acético.

O

+OH

O

O

H+ O

O

Etapa 2: Reacción de adición.

N

H3C

H3C

H

O

H

H + N

OH + O

H

H3C

OH

- H+

N

O

O

H3C

OH

H

O

O

CH3

CH3

Etapa 3: Reacción de eliminación. H3C

H3C

OH

H

H+

N O

O CH3

H

OH

H N

+ OH

O

CH3

N OH +

CH3

+

O

OH CH3

- H+

H CH3

N O

acetanilida

TRABAJO EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO. a.- Explique por qué la reacción de acetilación de aminas no se debe hacer en un medio fuertemente ácido. b.- Indique otros dos métodos químicos para formar acetanilida a partir de anilina. c.- ¿Por qué se utiliza como disolvente ácido acético glacial (99,5% de pureza) y no ácido acético diluido en la formación de acetanilida? 38

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 d.- Averigüe sobre los cuidados de que debe tener al trabajar con ácido acético glacial, anhídrido acético y anilina.

2.- PRÁCTICO. Ud. deberá sintetizar acetanilida a partir de anilina y anhídrido acético y determinar el porcentaje de rendimiento de la reacción y el punto de fusión del producto como criterio de pureza.

3.- MATERIALES Y REACTIVOS. MATERIALES 1 matraz de fondo redondo de 100 mL 1 vaso de precipitados de 250 mL 2 matraces de Erlenmeyer de 500 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 embudo analítico 1 refrigerante tipo Allinh o de bolas 1 manto calefactor 2 pinzas de tres dedos con nuez 1 soporte universal 1 embudo Büchner 1 matraz Kitasato 1 vidrio de reloj 1 termómetro Equipo para medir punto de fusión Capilares

REACTIVOS Anilina p.a. aprox. 20 mL Anhidrido acético p.a. aprox. 30 mL Ácido acético glacial p.a. aprox. 30 mL Carbón activado Piedras de ebullición Hielo Papel filtro rápido redondo Papel filtro rápido plegado

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: En un matraz de fondo redondo (balón) de 100 mL poner 9 mL de anilina, 15 mL de ácido acético glacial y 15 mL de anhídrido acético. Al agregar el anhídrido se observará un desprendimiento de calor. Adaptar al balón un refrigerante tipo Allinh o de bolas y calentar la disolución a ebullición durante 10 minutos. Al final de este tiempo enfriar el balón en el agua de la llave y verter el contenido en un vaso de precipitados de 250 mL que contiene 50 mL de agua y 40-50 g de hielo. Agitar la mezcla y recoger los cristales de acetanilida por filtración al vacío. Sobre el filtro, lavar los cristales con un poco de agua fría. Poner los cristales en un matraz de Erlenmeyer de 500 mL y agregar 200 mL de agua. Calentar la mezcla a ebullición. Si no se disuelve toda la acetanilida, agregar porciones de agua hasta disolver todo el sólido. Dejar enfriar el contenido un momento y agregar 1-2 g de carbón activado. Calentar nuevamente la mezcla a ebullición, agitar y filtrar en caliente. Enfriar el filtrado exteriormente con hielo y filtrar los cristales al vacío prensando los cristales para eliminar la 39

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 mayor cantidad de agua posible. Secar en estufa a 50-60° C. Se obtiene un rendimiento experimental de 8-10 g de cristales blancos cuyo punto de fusión es 115° C.

Nota: Recuerde que este reactivo será utilizado en la obtención de p-nitroacetanilida

(Laboratorio

n° 6) por lo que el rendimiento de ambas reacciones dependerá de la prolijidad con que lleve a cabo ambas experiencias. 5.- BIBLIOGRAFÍA: 1.- Carey, F.A.; Química Orgánica, 6° edición, Ed. McGraw-Hill Interamericana, S.A. de C.V.; 2006, pág. 869. 2.- Goodman-Gillman, A.; Goodman, L.S.; Brunton, L.L.; Lazo, J.S.; Parker, K.L.; Las bases Farmacológicas de la Terapéutica, 11° edición, Ed. McGraw-Hill Interamericana; 2006, pág. 693. 3.- Brewster, R.; Vanderwarf, C.; Mc Ewan, W.; Curso Práctico de Química Orgánica , 2° edición, Ed. Alhambra S.A., Madrid, 1970, pág 191. 4.- Fieser, L.; Williamson, K.; Organic Experiments, 7° edición, Ed. D.C. Heath and Co, Lexington, 1992, pág. 376. 5.- Vogel, A.; Vogel’s: Texbook of Practical Or ganic Chemistry, 5° edición, Longman Scientific & Technical, UK, 1989, pág. 1273

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 PRÁCTICO N° 6 SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA: SÍNTESIS DE p -NITROACETANILIDA. El grupo amino actúa como activador orto y para en la sustitución electrofílica aromática, efecto explicado por las estructuras resonantes I, II y III. El grupo acetamino, -NHCOCH 3, también es activante y director orto y para en la substitución electrofílica aromática pero menos poderoso que el grupo amino debido a la conjugación del par electrónico libre sobre el nitrógeno y el grupo carbonilo.

¨ 2 NH

+NH 2

+ NH2

+ NH

2

-

-

I

II O-

O

¨ HN

III

CH3

+

HN

CH3

El problema de las aminas libres es que son demasiado reactivas dando mezclas de productos orto y para, mono, di o trisustituídos. Además, el ácido nítrico oxida el anillo altamente reactivo produciéndose una gran pérdida de material de partida en forma de alquitrán. Como la amina es muy básica, en presencia de ácido se protona generando un ión anilinio que es altamente desactivante orto-para, dirigiendo la reacción a la obtención de meta derivados. Estas reacciones indeseadas se evitan protegiendo el grupo amino mediante acetilación con anhídrido acético. El producto mayoritario es el para derivado debido al efecto estérico del grupo acetamino sobre la posición orto. Una vez obtenida la sustitución, se puede hidrolizar el grupo acetamido recuperando el grupo amino. Esta es la base de la obtención de nitro y sulfanil derivados de la anilina. La p-nitroacetanilida es el precursor de otros derivados de la anilina vía la formación de sales de diazonio como es el caso del paracetamol o acetaminofeno. Los sulfanil derivados son el material de partida para la obtención de sulfanilamidas, familia terapéutica conocida como sulfonamidas o simplemente sulfas (sulfatiazol, sulfaguanidina), agentes antibacterianos y antisépticos que se vienen utilizando desde 1932.

41

Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 O

O

O

HN

CH3

HN

ClSO3H

CH3

RNH2

NH2

CH3

HN

H2O H+

acetanilida

SO2NHR

SO2NHR

SO2Cl

sulfonamida

HNO3 O

O CH3

HN

HN

CH3

HN

Sn

NaNO2

HCl

HCl

NO 2

+

O

O CH3

HN

CH3 Cl-

H2O H+

NH2

OH

N2

p-nitroacetanilida

paracetamol

sal de diazonio

El mecanismo de formación de la p-nitroacetanilida es el siguiente: Etapa 1: formación del electrófilo HONO2

+

H3O+

2 H2SO4

+

2 HSO4

Etapa 2: ataque del electrófilo al anillo bencénico NHCOCH ¨ 3 +NO

2

NHCOCH ¨ 3

+NO

+

2

ión nitronio

NHCOCH ¨ 3

NHCOCH ¨ 3

+

+ +

+

H NO2

H NO2

H NO2

+ NHCOCH3

H NO2

Etapa 3: eliminación de un protón para restituir el sistema aromático

¨ NHCOCH 3

NHCOCH ¨ 3 - H+ +

NO2

H NO2

p -nitroacetanilida

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Manual de Laborat orio Curso “Química Orgánica II QUIM 310” Semestre Otoño 2015 TRABAJO EXPERIMENTAL 1.- PRE-LABORATORIO. a.- ¿Por qué se utiliza ácido sulfúrico junto al ácido nítrico? b.- A pesar que el grupo amino es más activante que el grupo acetamido ¿por qué no se puede nitrar directamente la anilina? c.- ¿Por qué las posiciones orto y para son las posiciones más activadas por un grupo dador de electrones? Explique mediante estructuras resonantes. d.- ¿Qué otro producto se obtiene en la reacción de nitración de acetanilida? ¿Cómo se elimina? e.- Ordene de mayor a menor las velocidades de nitración de acetanilida, nitrobenceno, bromobenceno y acetato de fenilo. f.- Calcule el rendimiento teórico de la reacción con los datos dados en el procedimiento experimental.

2.- PRÁCTICO. Ud. deberá sintetizar p-nitroacetanilida a partir de la acetanilida sintetizada en el práctico n° 5 y determinar el porcentaje de rendimiento de la reacción y el punto de fusión del producto como criterio de pureza.

3.- MATERIALES Y REACTIVOS. MATERIALES 2 matraces de Erlenmeyer de 125 mL 1 matraz de Erlenmeyer de 50 mL 1 vaso de precipitados de 250 mL 1 bagueta 1 piceta con agua 1 balanza granataria 1 espátula 1 placa calefactora 1 barra magnética 1 embudo analítico 1 embudo Büchner 1 matraz Kitasato 1 vidrio de reloj 1 termómetro Equipo para medir punto de fusión Capilares

REACTIVOS Acetanilida aprox. 15 g Ácido sulfúrico concentrado aprox. 30 mL Ácido acético glacial p.a. aprox. 20 mL Ácido nítrico p.a. aprox. 10 mL Bifosfato de sodio (Na 2HPO4) p.a. aprox. 100 g Etanol absoluto aprox. 100 mL Papel filtro rápido redondo Papel filtro rápido plegado Piedras de ebullición Hielo

4.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: En un matraz de Erlenmeyer de 125 mL poner 6,5 g de acetanilida y agregar 10 mL de ácido acético glacial (PRECAUCIÓN: altamente irritante), calentar suavemente en una placa calefactora bajo campana hasta la total solubilización de la acetanilida. Enfriar el matraz en un baño de hielo hasta unos 20° C y luego agregar 10 mL de ácido sulfúrico concentrado enfriado en un baño de hielo. La temperatura de la mezcla no debe superar los 60° C. Enfriar en un baño de hielo hasta unos 10° C hasta que la disolución se ponga viscosa. Por 43

Manual Lab Qf Quim310 2015 (1)

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