Universidad de Sonora Unidad Regional Sur
División de Ciencias e Ingeniería Departamento de Ciencias Químico Biológicas y Agropecuarias
Manual de Prácticas del Laboratorio de Química Orgánica II Q.B Guadalupe Hernández Salomón Q. R.Alicia Rodríguez Román Q. Leonardo Téllez Verdugo
PRACTICA # 1 SÍNTESIS DE ALQUENOS POR DESHIDRATACIÓN DE ALCOHOLES. OBTENCION DE UN ALQUENO: 2-METIL-2-BUTENO OBJETIVO
Obtener el alqueno 2-metil-2-buteno por medio de la deshidratación del alcohol ter-amílico. INTRODUCCION
A los alquenos de fórmula C 5H10 se les aplica el término “amileno”. Todos los amilenos son compuestos conocidos y fácilmente asequibles. En esta práctica se preparará un amileno a partir del alcohol ter-amílico (2-metil-2-butanol). Esta reacción de deshidrataci deshidratación ón puede transcurrir transcurrir teóricament teóricamente e en dos direcciones para dar dos productos, pero el producto principal es el representado en la siguiente reacción: CH3 CH3−CH2−C−CH3 + H2SO4 OH
CH3 100°C
CH3−CH=C−CH3 + H2O
Esto sto est está de acue acuerd rdo o con con la regl regla a gene genera rall de que que en la deshidratación de alcoholes catalizada por ácido, en la que se pude formar dos olefinas isómeras, el átomo de hidrógeno que se elimina es del carbono adyacente al que posee el OH que tenga el menor número de átomos de hidrógenos formándose así la olefina más ramificada. MATERIAL 1 equipo de Quick-fit 2 soportes 1 matraz erlenmeyer de 100 ml 1 probeta de 10 ml 2 probetas de 50 ml 1 perilla 2 pinzas para bureta REACTIVOS KMnO4 al 0.3%
1 tela de asbesto 1 mechero 1 aro soporte 1 baño maría 1 cuba hidroneumática 1 termómetro de 100° C
H2SO4
Alcohol ter-amílico NaOH al 10%
CaCl2 PARTE EXPERIMENTAL
1.
Prepare una mezcla 1:2 de ácido sulfúrico-agua, añadiendo cuidadosamente, y en pequeñas porciones, 14 ml de H 2SO4 conc. a 28 ml de agua fría en un matraz de fondo redondo de 100 ml. El matraz debe enfriarse después de cada adición moviéndolo suavemente en un baño de hielo.
2. Añada, enfriando y agitando, 27 ml de alcohol ter-amílico. El matraz se pone sobre un baño de vapor, sujeto a un soporte y conectado a un refrigerante eficiente, dispuesto para la destilación. Se destila recogiéndose en un matraz erlenmeyer rodeado de hielo. 3. El producto frío se pasa a un embudo de separación y se añade 10 ml de una solución fría de NaOH al 10%. Se invierte el embudo, se abre la llave para igualar la presión interior con la atmosférica, una vez cerrada la llave, se agita de vez en cuando para abrir la llave e igualar la presión. 4. Abra la llave y se vierte la capa acuosa inferior, se desecha y se pasa el alqueno a un matraz pequeño y seco. Se añade 1 gramo de cloruro de calcio anhidro, se deja reposar, enfriándolo exteriormente y agitando de vez en cuando. 5.
Cuando el alqueno esté seco, lo que se verá por la ausencia de turbidez, se pasa a un matraz de destilación pequeño, provisto de termómetro, se destila, calentando en un baño de agua, recogiéndose lo que destile entre 37 ° – 43° C en un matraz rodeado de hielo.
6. Finalmente, se comprueba la insaturación del alqueno, añadiendo a 1 o 2 gotas de éste, una solución acuosa de permanganato de potasio al 0.3 %.
PRACTICA # 2 PROPIEDADES QUÍMICAS DE HIDROCARBUROS ALIFATICOS Y CICLOALIFATICOS SATURADOS E INSATURADOS OBJETIVO
El alumno comprobará experimentalmente el comportamiento químico de alcanos, alquenos y sus correspondientes cíclicos. INTRODUCCION
El comportamiento químico de todo compuesto se debe a su grupo funcional; así como un alcano y sus cíclicos están formados solo por enlaces simples, los alquenos y sus cíclicos tienen doble enlace lo cual hace que estos últimos sean más reactivos debido a que poseen pares de electrones sin compartir, característica que no tienen los primeros. Debido a lo anterior, los alcanos y cicloalcanos dan reacciones de sustitución; los alquenos y cicloalquenos de adición. FUNDAMENTO
La falta de reactividad de los alcanos frente a la mayoría de los reactivos químicos (tales como ácidos, bases y agentes oxidantes y reductores), a temperatura ambiente, explica el nombre de parafinas que antiguamente se les daba a los alcanos (del latín parum affinis, poca afinidad). Los alcanos reaccionan con el cloro y con el bromo, a temperatura ambiente con gran lentitud pero con mayor rapidez en presencia de luz y calor. La reacción es una sustitución en la cual uno o más átomos de hidrógeno del esqueleto carbonado se sustituye por átomos del halógeno. R-H + Br2 R-Br + HBr Los alquenos reaccionan con el color o bromo a temperatura ambiente con gran rapidez (sin necesidad de calor o luz). La reacción es una adición donde los átomos de halógenos se adicionan al doble enlace carbono-carbono. CH2=CH2 + Br2/CCl4
CH2 CH2
Br
Br
Esta es una prueba muy útil para distinguir fácilmente a los alcanos de los alquenos. Si el hidrocarburo desconocido es un alcano,
apenas habrá reacción en la oscuridad. Frente a la luz intensa, solar o artificial, el color del bromo irá desapareciendo gradualmente a medida que avance la reacción (sustitución), desprendiendo bromuro de hidrógeno. Para comprobar el desprendimiento de éste, basta con soplar suavemente la boca del tubo de ensaye donde se efectúa la prueba. Si está presente el bromuro de hidrógeno, se disolverá en la humedad del aliento formando una niebla de gotitas. En los hidrocarburos discutidos anteriormente, los átomos de carbono están unidos formando cadenas abiertas, en otros casos, estas cadenas se cierran formando estructuras cíclicas, estos hidrocarburos se conocen como cicloalifáticos y pueden ser saturados e insaturados. El comportamiento químico de estos compuestos es muy semejante a sus análogos de cadena abierta. MATERIAL
20 tubos de ensaye de 13x100 1 gradilla
4 pipetas de 5 ml 1 gotero 1 lámpara
REACTIVOS
Benceno (cicloalqueno) 2-metil2-buteno (alqueno Br2/CCl4 al 4% obtenido en la práctica anterior) NaOH al 10% Hexano (alcano) KMnO4 al 0.3% Ciclohexano (cicloalcano) H2SO4con PARTE EXPERIMENTAL 1. Coloque cinco tubos de ensaye conteniendo cada uno, un mililitro del alcano (hexano) dado por el instructor. 2.
A dos de los tubos de ensaye adicione 4 o 5 gotas de una solución de Br/CCl4 al 4%. Tape uno de los frascos rápidamente y póngalo en la oscuridad. El otro, expóngalo a la luz brillante (solar o artificial). Observe ambos tubos al cabo de unos minutos.
3. Sople la boca de cada tubo. Observe y anote los resultados y diferencias en ambos casos. 4.
A un tercer tubo añada cuidadosamente un mililitro de H2SO4 concentrado y agite. Note si reacciona el hidrocarburo.
5. A un cuarto tubo agregue un militro de una solución de NaOH al 10%. Agite bien. Observe y anote. 6.
A un quinto tubo agregue un mililitro de una solución de KMnO 4 al 0.3%. Tape el tubo, agite bien su contenido y anote.
7. Realice las mismas pruebas con un cicloalcano (ciclohexano), un alqueno (obtenido en la práctica anterior), y un cicloalqueno (benceno). Anote los resultados CUESTIONARIO
1. ¿Porqué en la prueba con bromo en tetracloruro de carbono, en los hidrocarburos saturados se forma HBr y en los insaturados no? Explique. 2. ¿Reducen los alcanos la solución de permanganato de potasio? Explique. 3. Formule la reacción fotoquímica entre el cicloalcano y el bromo.
PRACTICA # 3
SÍNTESIS Y CARACTERIZACION DE UN ALQUINO ( ACETILENO ) OBJETIVO
El alumno conocerá un método de síntesis del acetileno a partir de una reacción de hidrólisis del carburo de calcio y estudiar algunas de sus propiedades. INTRODUCCIÓN
El acetileno es el primer miembro de la serie de los alquinos y el más importante desde el punto de vista industrial. En general, los alquinos se pueden preparar por alguno de los tres métodos siguientes: 1- Alquilación del acetileno o de un acetileno monoalquilado, por reacción de su sal sódica con un agente alquilante (un haluro o sulfato de alquilo): RX + NaC≡ CH → RC≡ CH + NaX R'X + RC≡ CR → RC≡ CR' + RX 2- Eliminación de dos moles de haluro de hidrógeno, en un dihaluro adecuado, mediante tratamiento con hidróxido potásico : RCHX- CHXR' o RCH2 - CX2R' + 2 H2O o RCX2 - CH2R'
2KOH
RC ≡ CR' + 2 KBX
3- Eliminación de los cuatro átomos de halógeno de un tetrahaluro, con los halógenos situados dos a dos en carbonos adyacentes, por reacción con zinc: RCX2 CX2R + 2 Zn
RC≡ CR + 2 ZnX2
Estos dos últimos métodos son aplicables a la preparación del acetileno, pero este hidrocarburo, uno de los productos intermedios más importantes en la industria química, se obtiene mucho más barato por hidrólisis del carburo cálcico. La hidrólisis se puede interpretar simplemente como una reacción de protólisis en la que un ácido diprótico débil (acetileno), se forma a partir de su base conjugada (ión acetiluro), la cual acepta dos protones de un ácido más fuerte (agua). En este sentido, el carburo cálcico es una sal del acetileno, que es un ácido muy débil, y que hablando con propiedad, debería de llamarse acetiluro cálcico.
En el laboratorio, el método del carburo de calcio se puede realizar muy satisfactoriamente. El producto se obtiene contaminado con trazas de hidruro de fósforo, arsénico y azufre, que son los que le dan el olor característico; el acetileno puro es prácticamente inodoro. En esta práctica se prepara acetileno por hidrólisis cuidadosa y controlada del carburo de calcio y se estudian algunas de sus propiedades. Ca(OH)2
CaC2 + 2H2O
MATERIAL
1 embudo de separación 1 matraz de destilación de 100 ml 1 tapón monohoradado para el matraz 1 soporte REACTIVOS
Carburo de calcio en trozos HCl concentrado Bromo KMnO4 al 0.3 %
HC ≡ HC +
1 pinzas de 3 dedos 1 tubo de vidrio 1 cuba hidroneumática 8 tubos de ensaye de 18x150 con tapón 1 gradilla 4 pipetas de 5 ml Solución de cloruro cuproso amoniacal Solución de nitrato de plata amoniacal
PARTE EXPERIMENTAL 1. Un embudo de separación se adapta mediante un tapón a un matraz de destilación de 100 ml bien seco y el conjunto se sujeta a un soporte. A la tubuladera lateral del matraz se conecta un tubo adecuado para recoger acetileno por desplazamiento de agua, que se encuentra en una cuba hidroneumática. 2.
En el matraz se ponen 10 gr. de carburo de calcio en trozos y en el embudo de separación 20 ml de agua de agua destilada. El tapón del matraz se ajusta a éste y se asegura que no exista ninguna llama a una distancia menor de 3 metros del generador de acetileno. (Las mezclas de acetileno-aire son explosivas en un intervalo amplio de concentraciones, desde el 2.5 al 80% de acetileno en el aire).
3. Deje caer lentamente, gota a gota, el agua sobre el carburo cálcico.
4. Tan pronto como vea burbujas en el agua, llene completamente con acetileno cinco tubos de ensaye y tápelos inmediatamente. Colóquelos en la gradillas. Debe tenerse cuidado de que el acetileno no se escape libremente al aire, puesto que es un gas venenoso, si es posible, debe trabajarse en vitrina. Cuando se ha terminado la práctica, se lleva el matraz generador a la vitrina y se añade agua hasta que el exceso de carburo se haya descompuesto totalmente. Entonces se añade ácido clorhídrico para disolver el residuo y se lava el material en el sumidero de la vitrina con gran cantidad de agua. 5. En un sexto tubo desplace aproximadamente 1/20 de su volumen de agua. 6. Finalmente, deje pasar con lentitud una corriente de acetileno a través de 5 ml de ácido sulfúrico concentrado en un tubo de ensaye y observe si se disuelve o no. PROPIEDADES DEL ACETILENO a)
Inflamabilidad.- Se prende fuego a uno de los tubos de acetileno, operando en vitrina, si es posible para mantener la combustión lenta del gas, se echa una corriente de agua en el tubo, mientras el gas arde. Se observan las características de la llama y se anotan todas las observaciones.
b)
Reacción con bromo.- Trabajando en vitrina, se añaden 2 gotas de bromo a un segundo tubo de acetileno y se agita fuertemente durante un minuto. Se observa el resultado y se examina el contenido del tubo para tener evidencia del cambio químico.
c)
Ensayo de insaturación de Baeyer. La acción del permanganato potásico sobre el acetileno se ensaya añadiendo unos mililitro de una solución de este reactivo al 0.3% al tercer tubo de acetileno. Se observa el resultado y se prueba el resultado del pH del producto del frasco con papel de tornasol.
d)
Reacción con cloruro cuproso amoniacal. Se añaden 2 ml de la solución de cloruro cuproso amoniacal al cuarto tubo de acetileno y se observa la formación del acetiluro cuproso rojo. Se separa el precipitado rápidamente por filtración y se calienta con mucho cuidado sobre la punta de una espátula. (Los acetiluros de cobre y plata son muy explosivos cuando se secan).
e)
Reacción con Nitrato de Plata Amoniacal. Se añaden 3 ml de solución de Nitrato de Plata Amoniacal al quinto tubo de acetileno. Se
observa la formación del precipitado de acetiluro de plata. Se separa éste rápidamente por filtración y se calienta cuidadosamente sobre una espátula. (Tener la misma precaución del paso anterior). f)
Explosión con aire. El sexto tubo, parcialmente lleno, se separa de la cubeta colectora, dejando que el aire desplace al agua. A continuación se aproxima una llama a la mezcla y se observa al carácter de la reacción y de los productos resultantes.
Preparación del nitrato de plata amoniacal: Se prepara una solución de amoniaco (1:3). Se mezcla un volumen de agua y 3 volúmenes de amoniaco y se le agrega a 1 ml de nitrato de plata al 5% hasta que se disuelve el precipitado formado, añada agua hasta llevar el volumen a 30 ml (guardarlo para la siguiente práctica ).
Preparación de cloruro cuproso amoniacal: Se prepara de la misma manera que el nitrato de plata amoniacal.
CUESTIONARIO
1. Formúlense las reacciones posibles del acetileno con bromo. 2. Formúlense las reacciones posibles del acetileno con permanganato de potasio. 3. Esquematice un procedimiento para transformar el propano en propeno y éste en propino.
PRACTICA # 4 PREPARACIÓN DE UN HIDROCARBURO AROMÁTICO. SINTESIS DE NITROBENCENO OBJETIVO
Conocer una reacción de Sustitución Electrofílica Aromática y aplicar experimentalmente los conceptos teóricos de la sustitución en la nitración del benceno. INTRODUCCION
Las reacciones características del benceno implican sustitución, en las que se conserva el sistema anular estabilizado por resonancia. Por encima y por debajo del plano del anillo bencénico tenemos una nube de electrones pi. Debido a la resonancia, estos electrones pi se ven más involucrados en mantener núcleos de carbono unidos que los electrones pi de un enlace doble carbono_carbono. Aún así, y en comparación con los electrones sigma, estos electrones pi se hayan relativamente sueltos y están disponibles para un reactivo que busca electrones. No es sorprendente que, en sus reacciones típicas, el anillo bencénico sirva de fuente electrónica, o sea, que actúe como base. Los compuestos con los que reacciona son electrónicamente deficientes, es decir, son reactivos electrofílicos o ácidos. Tal como las reacciones típicas de los alquenos son las de adición electrofílica, las del anillo bencénico son de sustitución electrofílica. Estas reacciones no solamente son típicas del benceno mismo sino del anillo bencénico donde quiera que se encuentre, y, de hecho, de muchos anillos aromáticos bencenoides o no bencenoides. FUNDAMENTO
El mecanismo de la nitración de los compuestos aromáticos ha sido muy estudiado, y aunque los procedimientos operatorios varían bastante
unos de otros, sobre todo en el disolvente utilizado, parece seguro que en la mayoría de los procesos el agente nitrante es un ión nitronio positivo( NO2+) Algunos compuestos, como el fenol, se pueden nitrar rápidamente con ácido nítrico diluido en solución acuosa, en otros casos, se pueden utilizar ácido acético, anhídrido acético u otros disolventes. Como procedimiento “standard”, que puede servir de comparación con otros, en esta práctica se utiliza una mezcla de ácido sulfúrico y nítrico concentrados, con los que se puede estudiar bien el mecanismo de la nitración. Hantusch, en 1908, al estudiar el punto de congelación de algunas soluciones, observó que, cuando se disolvía ácido nítrico en ácido sulfúrico del 100 por 100, el número de partículas que se formaban a partir de una molécula de ácido nítrico era aproximadamente de cuatro, y surgió la formación de un ión nitronio, tal como se indica en la siguiente ecuación. 2H2SO4 + HNO3
2 HSO4 +
H3O +
NO2
Una evidencia mayor de la existencia del ión nitronio positivo se le ha obtenido al estudiar por espectroscopia y por difracción de rayos x los compuestos NO2CIO4 y N2O5 . El primero muestra un ión perclorato negativo (CIO4 -) y el último un ión nitrato negativo (NO 3 -), lo que hace suponer en cada caso la existencia de un ión nitronio positivo hipotético (NO2+). Las líneas espectrales atribuidas a este ión se observa también en las soluciones de ácido nítrico concentrado en ácido sulfúrico concentrado. Con estos datos y otros análogos, se acepta actualmente, de forma general, que el ión nitronio, tal como se ha formulado, es el agente electrofílico atacante en todas las nitraciones realizadas con ácido sulfúrico. MATERIAL 1equipo de Quick-fit 1 probeta de 100 ml 1 termómetro de 400 ° C 1 mechero 1 matraz de destilación pequeño 1 matraz erlenmeyer de 50 ml 1 pipeta de 5 ml
2 soportes 2 pinzas para soporte 1 tela de asbesto 1 matraz erlenmeyer de 500 ml 1 cuba 1 embudo de llave 2 tubos de ensayo de 13/100 1 pipeta de 10 ml
REACTIVOS Benceno Ácido nítrico concentrado Ácido clorhídrico Cloruro de calcio
Ácido sulfúrico concentrado Hielo
PARTE EXPERIMENTAL
1. En un matraz erlenmeyer de 500 ml, prepare la mezcla nitrante añadiendo 30 ml de ácido sulfúrico concentrado a 30 ml de ácido nítrico concentrado. 2. Mida en una probeta 22.5 ml de benceno y añada de 2 o 3 ml del mismo a la mezcla nitrante. 3. Agite el matraz fuertemente con un movimiento rotatorio para mezclar bien los reactivos. Observe si hay calentamiento, apoyando el matraz de reacción en la palma de su mano. 4. Si la temperatura se eleva a más de 60 grados, enfríe el matraz sumergiéndolo en un recipiente con agua fría. 5. Tan pronto como la reacción provocada por la primera adición de benceno haya cesado, añada una nueva porción de 2 o 3 ml de benceno y agite fuertemente como antes. Enfríe el matraz si fuese necesario, para mantener una temperatura entre 50-60 grados y continúe la nitración de esta forma hasta que se haya añadido todo el benceno. 6. Agite toda la mezcla reaccionante continuamente durante diez minutos (los vapores de ácido nítrico y nitrobenceno irrita la piel). Por esta razón se debe adaptar a la boca del matraz un tapón con una varilla de vidrio de unos 25-30 cm. de longitud, para que los vapores que se desprenden lo hagan lejos de la mano. 7. Si la temperatura desciende por debajo de 50-60 grados, caliente el matraz suavemente con una llama pequeña o introduciéndolo en un recipiente con agua caliente. 8.
Después de este período de agitación, enfríe el matraz y pase su contenido a un embudo de llave para la separación de las dos capas. La superior es nitrobenceno, y la inferior tiene mezcla sulfonítrica.
9.
Decante la capa ácida (de abajo) y la de nitrobenceno lávela dos veces con dos porciones de 200 ml de agua. (Debe tener mucho cuidado en conservar la capa de nitrobenceno y no la ácida, ¿cual será la capa soluble en agua?). En todos estos lavados el nitrobenceno ocupará la capa inferior.
10. Mientras prepara el aparato para la destilación, deje secar el nitrobenceno durante quince minutos sobre 2-3 gramos de cloruro cálcico. 11. Destile el nitrobenceno utilizando un matraz de destilación pequeño y un refrigerante de aire. 12. Deseche la primera fracción del destilado, consistente en benceno inalterado y posiblemente un poco de agua. la fracción que hierve entre 200 y 215 grados, pero no debe recogerse la que pase a temperaturas superiores, o destilarse a sequedad, porque la pequeña cantidad de residuo contiene m-dinitrobenceno, que puede descomponerse violentamente a temperatura elevada. (El punto de ebullición normal del nitrobenceno es 210 grados. Rendimiento 15-20gr).
13. Recoja
CUESTIONARIO
1. Compárense los puntos de ebullición (consúltese bibliografía) del nbutilbenceno, nitrobenceno y ácido benzoico, que poseen aproximadamente el mismo peso molecular. ¿Cómo se explican las diferencias? 2. Formúlense todas las ecuaciones llevadas a cabo en su práctica. 3. Formúlense dos explosivos importantes que sean fundamentalmente polinitrocompuestos aromáticos.
PRACTICA # 5 PREPARACION DE NITROCOMPUESTOS SÓLIDOS PARA LA IDENTIFICACION DE SUSTANCIAS AROMATICAS OBJETIVO
El alumno comprobará la identificación de compuestos utilizando sus propiedades físicas características. INTRODUCCION
Al igual que los hidrocarburos alifáticos, el benceno y otros hidrocarburos aromáticos son no polares. Son insolubles en agua, pero son solubles en disolventes orgánicos, tales como éter dietílico, tetracloruro de carbono o hexano. El benceno mismo es un disolvente que se ha usado ampliamente. Tiene la útil propiedad de formar un azeótropo con el agua. (El azeótropo, una mezcla que destila con una composición constante, se compone de 91% de benceno y 9% de agua y hierve a 69.4 °C). Los compuestos disueltos en benceno se secan fácilmente por destilación del azeótropo. Aunque los puntos de ebullición y los puntos de fusión de los hidrocarburos aromáticos son típicos de compuestos orgánicos no polares, el p-xileno tiene un punto de fusión superior al o ó m-xileno. Un punto de fusión superior es típico de los bencenos p-sustituidos; un isómero p es más simétrico y puede formar en el estado sólido una red cristalina más ordenada y más fuerte que los isómeros o ó m menos simétricos. Es interesante advertir que muchos de los compuestos que se encuentran en el alquitrán de hulla y en el alquitrán de los cigarrillos, que contienen cuatro o más anillos bencénicos fusionados son carcinógenos (causantes de cáncer).
El benceno mismo es tóxico y algo carcinógeno; por consiguiente solo se debe usar en el laboratorio cuando sea necesario. FUNDAMENTO
Muchos nitrocompuestos aromáticos son sólidos que pueden identificarse por sus puntos de fusión y por “puntos de fusión mixtos” como compuestos conocidos. Como ejemplo de telas procedimientos, el bromobenceno y el nitrobenceno, que son líquidos a la temperatura ambiente, se transformarán en p-nitrobromobenceno y mdinitrobenceno, respectivamente. MATERIAL
1 tubo de ensayo de 25/200 1 mechero 1 embudo de Hirsch 1 soporte
1 termómetro 2 pipetas de 5ml 1 vaso de precipitado de 100ml 1 vidrio de reloj 1 pinzas para bureta 1 pinzas para tubo de ensaye
REACTIVOS Ácido sulfúrico Nitrobenceno
Alcohol Un trozo de hielo Ácido nítrico PARTE EXPERIMENTAL
Obtención de m-dinitrobenceno.
1. En un tubo de ensayo de 25/200 ml prepare una mezcla nitrante, mezclando 5 ml de ácido sulfúrico concentrado con 5 ml de ácido nítrico concentrado. 2. Añada a la mezcla anterior, 1 ml de nitrobenceno. Al efectuar la adición se produce un desarrollo de calor y la temperatura se eleva. 3. Con un mechero caliente el tubo hasta la proximidad del punto de ebullición de la mezcla, observándose en este momento abundante desprendimiento de óxidos de nitrógeno. 4. Durante dos o tres minutos, mantenga el contenido del tubo caliente, pero sin hervir, y después deje enfriar. 5. Vierta el contenido del tubo en 75-100ml de agua fría con unos trocitos de hielo.
6. Agite bien la mezcla, y recoja el m-dinitrobenceno por filtración en un embudo de Hirsch pequeño y recristalícelos con alcohol caliente. 7. Los cristales formados fíltrelos y presiónelos bien para eliminar el disolvente, y una porción del producto purificado séquelo sobre un vidrio de reloj. 8.
Finalmente, determine el punto de fusión. El m-dinitrobenceno funde a 90 °C. ( lo puede realizar en el fusiómetro). CUESTIONARIO
1. Formúlese un importante antibiótico (que se utiliza en veterinaria) que posea un grupo nitro unido a un anillo aromático. 2. Formúlense algunas reacciones que sirvan para distinguir los nitrocompuestos aromáticos de los alifáticos.
PRACTICA # 6 GRUPOS ACTIVANTES Y DESACTIVANTES EN LOS DERIVADOS DEL BENCENO OBJETIVO
El alumno demostrará basándose en las velocidades de reacción, que en los derivados del benceno, existen grupos activantes y desactivantes. INTRODUCCION Tal como el benceno, sus derivados también da las reacciones de sustitución electrofílica aromática, solo que los grupos presentes en estos compuestos, afectan la velocidad de reacción de diferente forma; es decir, unos derivados del benceno dan reacciones más rápidas que él y otros más lentas. Un benceno sustituido puede experimentar sustitución de un segundo grupo. Algunos bencenos sustituidos reaccionan más fácilmente que el benceno mismo, mientras que otros bencenos sustituidos reaccionan con menos facilidad. Por ejemplo, la anilina experimenta sustitución elecrofílica un millón de veces más rápida que el benceno. Por otro lado, el nitrobenceno reacciona a una velocidad aproximadamente un millón de veces anterior al benceno. Para un compuesto poco reactivo un químico, antes que dejar que una reacción transcurra durante un período de tiempo demasiado largo, emplea reactivos más fuerte y temperaturas superiores. Tal como el grupo amino de la anilina, o el grupo nitro del nitrobenceno, cualquier grupo unido a un anillo bencénico lo afecta en su reactividad y determina la orientación de la sustitución. Cuando un reactivo electrofílico ataca a un anillo aromático, es el grupo ya enlazado el que determina cuanto fácil será el ataque y dónde sucederá. Un grupo que hace que un anillo sea más reactivo que el benceno se llama grupo activante, uno que produzca el resultado contrario se conoce como grupo desactivante. Un grupo que motiva un ataque en las posiciones otro y para principalmente es un directorio orto-para; uno que ocasiona lo mismo en las posiciones meta se denomina director meta.
FUNDAMENTO
Las diferentes velocidades de reacción de los derivados del benceno frente a los reactivos electrofílicos, explica el diferente carácter de los grupos presentes en estos compuestos. El benceno, la anilina y el nitrobenceno, da la reacción de nitración a distinta velocidad aún cuando el mecanismo de reacción sea el mismo, es decir, en las tres reacciones, el reactivo electrofílico atacante es el mismo: ión nitronio, NO2+. Los tres compuestos: benceno, anilina y nitrobenceno se harán reaccionar con una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítrico, y basados en los tiempos de reacción de cada una, y tomando como patrón el benceno que no posee ningún sustituyente, se demostrará que el grupo amino es activante y el nitro desactivante. MATERIAL 1 matraz erlenmeyer de 50 ml 2 pipetas de 10 ml
3 tubos de ensaye de 25x200 1 gradilla
REACTIVOS
Benceno Anilina Nitrobenceno
Ácido sulfúrico Ácido nítrico
PARTE EXPERIMENTAL
1. Prepara en un matraz erlenmeyer de 50 ml, una mezcla nitrante mezclando 15 ml de ácido sulfúrico y 15 ml de ácido nítrico. 2. Distribuya la mezcla anterior en tres tubos de ensaye de 25 x 200 colocando 10 ml de mezcla en cada uno de los tubos. 3. Enumere los tubos anteriores como: # 1, tubo # 2 y tubo # 3. 4. Al tubo # 1 añada 1ml de benceno. Agite bien y observe. Tome el tiempo que tarda en aparecer indicios de reacción. 5.
Al tubo # 2 añada 1ml de anilina. Agite bien y observe. Tome el tiempo que tarda en aparecer indicios de reacción. (Peligro, hacerlo en campana).
6. Al tubo # 3 añada 1ml de nitrobenceno. Agite bien y observe. Tome el tiempo que tarda en aparecer indicios de reacción.
CUESTIONARIO
1. Explique los resultados obtenidos en su práctica. 2. Desarrolle las ecuaciones químicas llevadas a cabo en su práctica. 3. Señale en cada reacción cual es él, o los productos principales, nómbrelos. PRACTICA # 7 PROPIEDADES QUÍMICAS DE HIDROCARBUROS AROMATICOS PROPIEDADES DEL BENCENO 1. Solubilidad.
En tres tubos de ensaye agregue 1 ml de benceno, agregue 1 ml de agua al primer tubo, etanol al segundo y éter etílico al tercero, agite cada uno de ellos y observe su solubilidad con estos solventes. 2. El benceno como solvente.
En tres tubos de ensaye agregue 1 ml de benceno, agregue unos gránulos de yodo al primero, parafina al segundo y aceite vegetal al tercero, agite cada tubo y observe si se disuelven. 3. Inflamabilidad.
Agregue unas gotas de benceno en una cápsula de porcelana y encienda con un palillo. Observe el aspecto de la llama y el de la cápsula cuando se apaga al consumirse el benceno. 4. Ensayo con Permanganato.
En un tubo de ensaye agregue 1 ml de benceno y agregue 1 ml de permanganato de potasio diluido. Compare el comportamiento del benceno con el de un alqueno. 5. Sulfonación del benceno.
Añada 1 ml de benceno a 5 ml de ácido sufúrico cocentrado contenidos en un tubo de ensayo. ¿Se disuelve el benceno en ácido frio? Caliente el tubo en un baño de agua a 70° C y agítelo frecuentemente durante 10 minutos o hasta que obtenga una solución trasparente y clara. (Durante este tiempo puede realizar el punto número 6 de la práctica).
Enfríe e tubo y vierta su contenido con precaución en 25 ml de agua fría. 6. Nitración del benceno.
Añada con precaución 2 ml de ácido sulfúrico concentrado a 3 ml de ácido nítrico concentrado contenidos en un tubo de ensaye grande. Adicione 1 ml de benceno gota a gota. Observe el carácter exotérmico de la reacción. Agite el tubo durante 2 o 3 minutos y vierta su contenido sobre 25 ml de agua fría. ¿Qué es el líquido aceitoso y denso que se separa? NOTA. EL BENCENO Y SUS DERIVADOS SON COMPUESTOS ALTAMENTE TÓXICOS, SE DEBE DE UTILIZAR TODO EL EQUIPO DE PROTECCIÓN PERSONAL AL REALIZAR ESTA PRÁCTICA. PROPIEDADES DEL NAFTALENO 1. Sublimación.
Coloque unos 2 gramos de naftaleno en un tubo de ensaye. Caliente el extremo inferior del tubo muy suavemente con una llama pequeña del mechero y observe el resultado. 2. Sulfonación.
Añada unos 0.2 gr de naftaleno a 5 ml de ácido sulfúrico concentrado contenidos en un tubo de ensaye. Caliente la mezcla, agitándola frecuentemente, manteniéndola en un vaso de agua hirviendo durante quince minutos. ((Durante este tiempo puede realizar el punto número 3 de la práctica). Finalizado el érído de calentamiento enfríe el tubo y vierta su contenido en 25 ml de agua fría 3. Nitración.
Añada unos 0.5 gr de naftaleno a una solución formada por 3 ml de ácido sulfúrico concentrado y 3 ml de ácido nítrico concentrado contenidos en un tubo de ensaye grande(mezcla nitrante). Agite el tubo y observe el desprendimiento de calor. Cuando la parte inferior del tubo se haya enfriado a unos 50-60° C (esto es la temperatura a la que no quema la mano), añada otra pequeña cantidad de naftaleno. Mantenga la temperatura a unos 50-50° C durante unos tres minutos, enfríe el tubo y vierta su contenido sobre 40 ml de agua fría contenidos en un vaso de precipitado pequeño.
PRACTICA # 8 NITRACION DEL FENOL Y SEPARACIÓN DEL ORTO Y PARANITROFENOL
El OH del fenol envía electrones al anillo favoreciendo la sustitución en la posición orto y para. El fenol también es muy sensible a los agentes oxidantes, por lo que se procura liberar lentamente el ácido nítrico, empleando una mezcla de nitrato de sodio y el ácido sulfúrico trabajando a bajas temperaturas. El ácido clorhídrico diluido se emplea para extraer el p-nitrofenol, porque el hidróxido de sodio favorece la resinificación. La separación se hace con vapor aprovechando que generalmente sólo los isómeros orto son arrastrables con vapor. OH
OH Na
PROCEDIMIENTO
OH NO3/H2SO4
NO2
NO2
1. Se colocan 200 gr de hielo en un matraz de destilación de 1000 ml, se le añade 184 ml de ácido sulfúrico concentrado, enfriando la mezcla durante la adición. Enseguida se le añade 80 gr de nitrato de sodio. 2. En un matraz elermeyer de 250 ml coloque 50 gr de fenol y añada 10 ml de agua, agite suavemente y añada con mucho cuidado esta solución al matraz que contiene el ácido con nitrato (durante la adición, la temperatura debe mantenerse debajo de 15° C). Al terminar la adición se continua agitando la mezcla durante dos horas, al cabo de los cuales se vacía la solución en un vaso de precipitado conteniendo unos 300 ml de agua con hielo. 3. La capa acuosa superior se decanta y se lava la masa resinosa formada, con tres porciones de 5 ml de agua.
4. El producto ya libre de ácido nítrico se destila por arrastre con vapor (procurando que la circulación del agua en el refrigerante sea lenta, en caso de que empiece a condensarse el o-nitrofenol en el refrigerante, cierre completamente la llave de agua). 5. Continúe la destilación hasta que al enfriarse el destilado no aparezcan los cristales amarillentos del o-nitrofenol. 6. Los cristales formados al enfriarse el destilado se filtran, el precipitado se lava con un poco de agua fría, se seca, se le determina el punto de fusión y se pesa. 7. El residuo del matraz de destilación se deja reposar 24 horas, luego se filtra o se decanta. La masa resinosa formada se extrae en caliente con unas 5 porciones de 50 ml de HCl al 15%. Los extractos se juntan, se calientan con unos 100 mg de carbón animal y se filtran en caliente 8. Al enfriar, el p-nitrofenol se cristaliza en agujas casi incoloras, las que se filtran, se secan, se les determina el punto de fusión y se pesan.
PRACTICA # 9 PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS ALCOHOLES OBJETIVO Aplicar diferentes métodos químicos para distinguir entre un alcohol primario, un secundario y un terciario. INTRODUCCION Las propiedades químicas generales de los alcoholes, varían en su velocidad y en su mecanismo, según el alcohol, sea primario secundario o terciario. Las que dependen del desplazamiento del hidrógeno del grupo OH, son más rápidas con los alcoholes primarios, mientras que en las que se sustituye el OH, son más fáciles con los alcoholes terciarios. Los tres grupos de alcoholes poseen propiedades químicas particulares, las cuales permiten distinguirlos y además usarlos para obtener diferentes tipos de compuestos orgánicos. En todos los casos la velocidad disminuye, con el incremento de la cadena.
La prueba del yodoformo indica si un alcohol contiene o no una unidad estructural. Se trata el alcohol con yodo e hidróxido de sodio, un alcohol con la siguiente estructura: H R-C-CH3 en donde R es H o un grupo alquilo o arilo OH da un precipitado amarillo de yodoformo (CHI3, p.f..119° C) Los alcoholes con los ácidos orgánicos forman ésteres en presencia de un ácido como catalizador (sulfúrico o clorhídrico): H+ R-CH2-OH + CH3-COOH CH3 COOC2C5 + H2O Los alcoholes primarios pueden oxidarse a ácidos carboxílicos con KMnO 4 acuoso, y con dicromato de potasio se oxidan a aldehídos. Los alcoholes secundarios se oxidan a cetonas con el dicromato, y los terciarios con permanganato alcalino no reaccionan y en medio ácido dan alquenos. Alcoholes primarios: K 2CrO7 R-CHO KMnO4 R-CH2-OH KMnO4 RCOOH
Alcoholes secundarios: R
R
K2CrO7
R-CH-OH
R-C=O
Alcoholes terciarios: R R-C-OH R
KMnO4 neutro
no hay reacción
La prueba de Lucas indica si se trata de un alcohol primario, secundario o terciario, se basa en la diferencia de reactividad con los halogenuros de hidrógeno. Los alcoholes de no más de 6 carbonos, son solubles en el reactivo de Lucas. Los cloruros de alquilo correspondientes son insolubles. MATERIAL 9 tubos de ensaye de 18X150 6 pipetas de 5 ml l vaso de precipitado de 400 ml 1 tripié 1 pinzas para tubos de ensaye REACTIVOS alcohol etílico alcohol sec-butílico o isopropílico alcohol ter-butílico soln. de I-KI yodo ácido sulfúrico dicromato de potasio al 10 %
1 mechero 1 tela de asbesto 1 gradilla 4 vasos de precipitado de 100 ml
yoduro de potasio ácido acético glacial NaOH al 20 % soln. de reactivo de Lucas
PROCEDIMIENTO
En esta práctica se realizarán pruebas para determinar las propiedades químicas de los alcoholes. Utilizar un alcohol primario (alcohol etílico), un alcohol secundario (alcohol sec-butílico o isopropílico) y un alcohol terciario (alcohol ter-butílico). A cada alcohol se le realizarán las siguientes pruebas: PRUEBA DEL YODOFORMO.- En un tubo de ensaye coloque 1 ml del alcohol que quiere probarse, agregue 2 a 3 ml de agua y de 4 a 5 ml de una solución de yodo-yoduro de potasio (se prepara disolviendo 10 gr de cristales de yodo en una solución de 20 gr de yoduro de potasio en 80 ml de agua). Después agregue una solución de NaOH al 20% gota a gota hasta que el color café del yodo sea descartado y el líquido retenga solamente un color amarillo. Con algunos compuestos orgánicos se forma un precipitado de yodoformo inmediatamente en el fondo. Caliente el tubo de ensaye a 60 ° C en un baño de agua por 2 min. y enfríe, si se forma precipitado tome nota de su apariencia y olor. Desarrolle la prueba con c/u de los alcoholes. 1.
PRUEBA DE ESTERIFICACION.- Mezcle 1 ml del alcohol con 1 ml de ácido acético glacial y agregue lentamente 0.5 ml de ácido sulfúrico conc. Mezcle completamente y caliente suavemente, agregue 3 ml de agua y note el olor con precaución. Realice esta prueba con cada uno de los alcoholes. 2.
3.
PRUEBA DE OXIDACION.- Ponga en un tubo de ensaye 3 ml de solución de dicromato de potasio al 10%, añade 4 gotas de ácido sulfúrico conc. y 3 ml de alcohol. Con precaución caliente la mezcla y anote los cambios de color y olor de la solución. PRUEBA DE LUCAS.- El reactivo de Lucas se prepara mezclando 9 ml de ácido clorhídrico conc. con 3.5 gr de cloruro de zinc. A 0.5 ml de alcohol agregue rápidamente 3 ml de reactivo de Lucas y tape el tubo, deje reposar. Observe a los 5 min. y luego a la hora. Anote el tiempo requerido para que la reacción se realice lo cual se indica por la apariencia obscura de la solución. NOTA: GUARDE LOS REACTIVOS PARA LA PRACTICA # 4 4.
CUESTIONARIO
1. 2. a) b)
Escriba cada una de las reacciones que se realizaron en este experimento. Describa ensayos químicos simples que sirvan para distinguir entre: Alcohol butílico y n-octano Alcohol butílico y 1-octeno
PRACTICA # 10 PROPIEDADES QUIMICAS DE LOS FENOLES 1. Solubilidad.
Mezcle en un tubo de ensaye 0.5 gr de fenol con 3 ml de agua, caliente un poco la mezcla y observe que en seguida se obtiene una solución transparente. 2. Solubilidad en álcalis.
Añada 1 o 2 gotas de una solución de NaOH a 2 ml de una solución de fenol contenidas en un tubo de ensaye. Observe. 3. Reacción coloreada con el cloruro férrico
A 2 ml de una solución de fenol contenidos en un tubo de ensaye agregue 10 ml de agua. Añada a una porción de esta solución una gota de solución de cloruro férrico al 5%. Observe el color púrpura que aparece. 4. Reacción con agua de bromo.
A unas gotas de una solución de fenol contenidas en un tubo de ensaye añada agua de bromo hasta obtener una coloración amarillenta persistente tras la agitación, que indicará que hay presente un ligero exceso de bromo. Elimine el exceso de bromo añadiendo un poco de bisulfito de sodio. El precipitado blanco es 2,4,6 tribromofenol
