UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA) FACULTAD DE QUÍMICA E INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE QUÍMICA DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE QUÍMICA ORGÁNICA
PRÁCTICA Nº 5 SÍNTESIS DE COLORANTES
Curso
Laboratorio de Química Orgánica II
Docente Horario
Ramiz Martinez Viernes 13:00 – 16:00 horas Integrantes
Chaupis Granados Yamily J. Vegas Saavedra Xibelli Astrid
13070009 13070024 Fechas
Realizada 10-05-16
Entregada 17 -05-16
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
INDICE 1.Resumen
3
2.Introducción
4
3.Fundamento teórico
5
4.Detalles experimentales
8
5. Discusión de resultados
18
6. Reacciones químicas
19
7. Conclusiones
21
8.Recomendaciones
22
9.Bibliografia
23
10.Anexos
24
2
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
RESUMEN El objetivo de la práctica de síntesis de colorantes ha sido sintetizar diversos colorantes cono la fenolftaleína y anaranjado de metilo, un colorante azoico que se obtiene a partir de la diazotación de diferentes aminas y acoplamiento de éstas con un compuesto común: 2-naftol. En esta experiencia, se lleva a cabo la síntesis de fenolftaleína como también del anaranjado de metilo. En la primera parte del proceso, se mostrará la preparación de la fenolftaleína utilizando anhídrido ftálico en medio ácido; además de ello, el compuesto será sometido a prueba para comprobar nuestros resultados. Así mismo, sintetizaremos paso a paso un colorante azoico, que comprende dos etapas: Diazotación de una amina primaria aromática y Copulación, reacción de formación del colorante. Luego mostraremos las reacciones de cada proceso; discutiremos nuestros resultados y propondremos algunas recomendaciones. Se concluyó sobre la práctica de la síntesis de fenolftaleína que es necesario el cambio de color de la fenolftaleína, para deducir que era fenolftaleína. Sobre la práctica de síntesis de anaranjado de metilo aprendimos a realizar una reacción de sales diazónicas las cuales son u tilizad as como col orante s, aqu ello se debió hacer con mucho cuidado, ya que esta es una reacción explosiva.
3
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
INTRODUCCIÓN Un colorante es un compuesto que es capaz dar color a las fibras vegetales y animales. Los colorantes se han usado desde los tiempos más remotos, empleándose para ello diversas materias procedentes de vegetales (cúrcuma, índigo natural) y de animales (cochinilla, moluscos) así como distintos minerales. En química, se llama colorante a la sustancia capaz de absorber determinadas longitudes de onda de espectro visible. Los colorantes son sustancias que se fijan en otras sustancias y las dotan de color de manera estable ante factores físicos y químicos como, por ejemplo: luz, lavados, agentes oxidantes, entre otros.
4
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
FUNDAMENTO TEÓRICO COLORANTES Y PIGMENTOS Los colorantes pueden ser definidos como sustancias que cuando son aplicadas a un substrato imparten color al mismo. Los colorantes son retenidos en el substrato por absorción, retención mecánica, o por enlace iónico covalente. Los colorantes son usados comúnmente en textiles, papel y piel. I NDICADORE S ACI DO – BASE: Son sustancias que cambian de color dependiendo del pH. Son utilizadas en reacciones de neutralización para determinar el punto de equivalencia. Estos son ácidos orgánicos o bases orgánicos débiles que presentan diferente color tanto en su forma molecular como ionizada, dependiendo del pH y en concordancia con el principio de Le Chatelier.
La fenolftaleína.- es un compuesto químico orgánico que se obtiene por reacción del fenol y el anhídrido ftálico en presencia de ácido sulfúrico. A condiciones ambientales se presenta como líquido incoloro. Se utiliza como indicador de pH que en soluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de bases se torna color rojo grosella. En análisis químico se usa como indicador de valoraciones ácido base, siendo su punto de viraje alrededor del valor de pH, realizando la transición cromática de incoloro ha rojo grosella. En farmacología y terapéutica se utiliza como laxante catártico. Aunque tiene efectos cancerígenos, se utiliza como agente de diagnóstico para investigar la función renal y en la determinación de orina residual en la vejiga. La molécula de fenolftaleína es incolora, en cambio el anión derivado de la fenolftaleína es de color rosa. Cuando se agrega una base la fenolftaleína (siendo esta inicialmente incolora) pierde H+ formándose el anión y haciendo que tome coloración rojo grosella.
Naranja de metilo.- es un colorante azoico (rojo a pH 1-2; amarillo de pH 5-13). El nombre del compuesto químico del indicador es sal sódica de ácido sulfanílico de 4Dimetilaminoazobenceno.
5
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
La fórmula molecular de esta sal sódica es C14H14 N3 NaO3S. Actualmente se registran muchas aplicaciones desde preparaciones farmacéuticas, colorante de teñido al 5%, y determinante de la alcalinidad del fango en procedimientos petroleros. También se aplica en citología en conjunto con la solución de Fuschin.
A.
SÍNTESIS DE FENOLFTALEÍNA
La reacción de Friedel y Crafts ha sido utilizada en la síntesis de varios colorantes derivados del triarilmetane y del xanteno. La reacción del anhídrido ftálico con fenol en presencia de cloruro de zinc produce la fenolftaleína. Esta reacción fue descubierta en 1871 por Adolf von Baeyer:
B.
SÍNTESIS DE NARANJA DE METILO
La síntesis se lleva a cabo por el paso de dos procesos muy importantes:
DIAZOTACIÓN: La reacción de diazotación es una de las más importantes en química orgánica y es la combinación de una amina primaria con ácido nitroso para generar una sal de diazonio.
Cuando las aminas primarias aromáticas son tratadas con ácido nitroso, se forman las sales de diazonio. La reacción también se lleva a cabo con aminas primarias alifáticas, pero los iones diazonio alifáticos son extremadamente inestables, incluso en disolución. Los aromáticos son más estables debido, principalmente, a la interacción resonante entre los nitrógenos y el anillo.
6
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
COPULACIÓN DE SALES DIAZONIO:
Los iones de diazonio aromáticos se acoplan con sustratos activos como las aminas y los fenoles. Muchos de los productos de esta reacción son usados como tintes (tintes azoicos). Supuestamente debido al tamaño de las especies atacantes, la sustitución se da mayoritariamente en para respecto al grupo activante, a no ser que esta posición ya esté ocupada, en cuyo caso se da la sustitución en orto. Los fenoles deben ser disueltos previamente en medio alcalino débil, donde se convierten en especies más activantes (fenóxidos), puesto que los fenoles en sí mismos no son lo suficientemente reactivos para atacar a las sales de diazonio. Sin embargo ni las aminas ni los fenoles reaccionan en medios moderadamente alcalinos, porque el ión diazonio se convierte en diazohidróxido Ar-N=N-OH.
7
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
DETALLES EXPERIMENTALES Síntesis de la fenolftaleína MATERIALES
Tubo de ensayo pyrex. Balanza.
Olla para baño de arena. Termómetro de 0 a 200°C
REACTIVOS
Fenol, Resorcina y Naftol. Anhídrido ftálico. Ácido nítrico. (HNO3). Ácido sulfúrico concentrado (H2SO4 cc).
Hidróxido de sodio (NaOH).
PREPARACIÓN En un tubo de ensayo se mezla 0,3 de fenol, con 0,1g de anhídrido ftálico. Se añade 3 gotas de ácido sulfúrico concentrado.
8
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Se agita la mezcla y se calienta a 160°C en un baño de arena. Durante 2 o 3 minutos. Se vierte la masa fundida en un vaso que contenga 50 mL de agua.
9
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
En dos tubos de ensayo se realiza las siguientes pruebas: Se agrega al primer tubo 0,5 mL de la solución obtenida y luego se añade una solución alcalina (NaOH al 35%) hasta alcanzar un pH básico.
COLORANTE AZOI CO, SÍNTE SIS DE L NARANJA DE ME TI LO
Materiales
Dos vasos de 400 mL pyrex Probeta de 10, 20, 100 mL Bagueta Dos papeles de filtro corriente.
Recipiente para baño de hielo. Equipo de filtración al vacío. Reactivos
Reactivos
Ácido sulfanílico. Carbonato sódico. Nitrito de sodio. Ácido clorhídrico concentrado. N, N dimetilanilina.
10
Hidróxido de sodio al 10 % Treinta gramos de cloruro de sodio. Etanol (20 mL)
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Procedimiento Se disuelve 5 g de pacido sulfánilico y 2 g de carbonato sódico en 100 mL de agua.
Se enfría esta solución a 0°C añadiendo 150 g de hielo y luego se añade 2 g de nitrito sódico disueltos en 15 mL de agua.
11
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Se Añade lentamente una solución de 4 mL de ácido clorhídrido concentrado en 25 mL de agua fría. Este proceso se conoce con el nombre de DIAZOTACIÓN.
En una mezcla de 5 mL de HCl(c) y 15 mL de agua, se disuelve 3 mL de dimetilanilina. Se enfría esta solucióncon hielo y se vierte con agitación continua sobre el ácido sulfanílico diazotado. Este proceso se conoce como COPULACIÓN y se utiliza en la preparación de estos colorantes AZOICOS.
La copulación se inicia ya en la solución ácida diluida y el colorante que se forma colorea de rojo la solución. El proceso de copulación se completa al mismo tiempo que el coloante se transforma en sal sódica amarilla, añadiendo aproximadamente 40 mL de solución de hidróxido sódico al 10 %.
12
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Con esto se consigue una solución ligeramente básica al papel tornasol.
Se añade 30 gramos de cloruro de sodio, se calienta el contenido del vaso hasta cerca de su punto de ebullición y se deja enfriar la solución.
13
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
El colorante se separa en cristales anaranjados. Se filtra al vacío y se lava con etanol.
14
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
REACCIONES QUÍMICAS A. Síntesis de la fenolftaleína
MECANISMO:
15
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
B. Síntesis del naranja de metilo Esquematización de los procesos de la síntesis del naranja de metilo:
16
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Reacciones en cada proceso de obtención del colorante monoazoico:
17
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
DISCUSIÓN DE RESULTADOS Se sintetizó la fenolftaleína, que se observó como una suspensión coloidal incolora, después de calentar en el baño de arena a una temperatura de 160ºC por unos 3 minutos, se diluyó manteniéndose incolora, luego se realizó las siguientes pruebas:
1) Con solución ácida: a la fenolftaleína se le agregó una solución ácida (HNO3), hasta obtener un pH ácido, se observó que la solución viró a una coloración rosa claro, esto indicaría que el compuesto obtenido probablemente estaba contaminado y también porque el fenol estaba hidratado al momento de realizar la síntesis. 2) Con solución alcalina: a la fenolftaleína se le agregó poco a poco una solución alcalina (NaOH al 35% ) hasta obtener un pH básico. Se observó que la solución se tornó violeta, lo cual corrobora que la muestra estuvo contaminada.
En teoría al agregar una solución ácida a la fenolateila esta se debió tornar incolora y al agregar una solucón básica se debió virar a rojo grosella. Pero no sucedío porque el compuesto obtenido no fue fenolataleína, estuvo contaminado y porque al sintetizarlo, el fenol estuvo hidratado. La fenolftaleína es un ácido débil que pierde cationes H+ en solución. La molécula de fenolftaleína es incolora, en cambio el anión derivado de la fenolftaleína es de color rosa. Cuando se agrega una base (solución alcalina), la fenolftaleína (siendo esta inicialmente incolora) pierde H+ formándose el anión y haciendo que tome coloración rosa o rojo grosella. El cambio de color no puede explicarse solo basándose en la desprotonación, sino se produce un cambio estructural con la aparición de una tautomería cetoenólica.
18
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
Diazotación:
Se comienzo por la diazotación del ácido sulfanílico. la reacción se presenta en una amina primaria aromática cuando se somete a un medio ácido. Estas reacciones deben llevarse a cabo a bajas temperaturas (en este caso a 0ºC) debido a la relativa inestabilidad de estas sales, estas sales se descomponen con facilidad si no se enfría el sistema y si no se hace reaccionar a tiempo.
Copulación:
Se obtiene el grupo Azo, -N=N-, directamente a partir de la sal de diazonio, se lleva a cabo al hacer reaccionar la sal de diazonio con otro compuesto aromático (dimetilanilina). Se disuelve el dimetilanilina en ácido clorhídrico concentrado, finalmente se mezclan ambas soluciones para que tenga lugar la copulación. La copulación se inicia en solución ácida, esto se observó por el color rojo de la solución, sin embargo, el proceso se completó al mismo tiempo que el colorante se transforma en sal sódica amarilla añadiendo una solución de hidróxido sódico al 10%, logrando un pH igual a 10. La copulación es una sustitución electrofílica aromática en la que el ion diazonio es el reactivo atacante. En este proceso se obtiene fenol como producto secundario, debido a la reacción de la sal de diazonio con agua, por lo cual, se eligieron condiciones adecuadas que permiten que la copulación se realice con mayor rapidez, manteniendo la temperatura a 0ºC. Al agregar cloruro de sodio y luego calentar, nos ayuda a que se realice mucho mejor la cristalización. Seguidamente se filtró al vacío, se secó en la estufa a 60ºC- 80ºC, no mayor para evitar la descomposición del pigmento, para obtener los cristales anaranjados conocidos como naranja de metilo, pero como demoraba en secar, se dejó finalmente a en la campana para luego un día después proceder a pesar los cristales y obtener el rendimiento. Al verificar uno días después si los cristales se habían formado y si se había secado por completo. Notamos que la muestra seguía igual, por tanto, procedimos trabajar con el rendimiento teórico.
19
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
CONCLUSIONES
o
o
o
o
En la síntesis de fenolftaleína, tuvimos problemas, es decir no se obtuvo el compuesto deseado pese a que realizamos dos veces el procedimiento, sin embargo, nos sirvió para poder detectar errores a no cometer en el laboratorio. Se sintetizó anaranjado de metilo el cual es una sustancia indicadora del pH de una sustancia que cambia de color que puede ir desde un rojo obscuro hasta un naranja bajo (claro) para indicar el pH de la sustancia a probar. El anhídrido ftálico se condensa con los fenoles en presencia del H2SO4 concentrado ya que es un deshidratante y catalizador. En condiciones apropiadas las sales de diazonio pueden reaccionar como reactivos electrofílicos en sustituciones aromáticas para dar productos llamados compuestos azoicos, permitiéndonos obtener en este caso el naranja de metilo.
20
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
RECOMENDACIONES o
o
o
Es muy importante, en todo momento, mantener la solución en baño de hielo a una temperatura de 0°C, para que la síntesis del naranja de metilo sea óptima y así lograr obtener los cristales anaranjados. Se debe pesar y vaciar el fenol al tubo de ensayo con rapidez y mucho cuidado, ya que es una sustancia cancerígena y se hidrata fácilmente. Antes de empezar a filtrar al vacío, se recomienda fijarse que el equipo este bien armado y hacer un ensayo para corroborar que no haya ninguna fuga y obtener un buen filtrado.
21
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
BIBLIOGRAFÍA o
BREWTER, RAY Q, “curso práctico de química orgánica” pág. 274-279.
o
WADE LG. Química Orgánica”4ta edición, pág. 870-873.
o
www.wikipedia.com , colorantes azoicos, indicadores acido-base, fenolftaleína, anaranjado de metilo, 11 de mayo de 2016, 4:50pm.
o
https://sites.google.com/site/grupodepolimeros/sintesis-de-colorantes-azoicos, 11 de mayo de 2016, 6:40pm
o
http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/MANUALDELABORATORIO_22341 .pdf, 13 de mayo de 2016, 4:30pm.
o
http://prezi.com/sw4jj0ugiatd/colorantes-azoicos/ , 13 de mayo de 2016, 7:15pm.
22
PRÁCTICA N°5
SÍNTESIS DE COLORANTES
23
