Guía Unificada de Laboratorios QUIMICA ORGÁNICA I
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SINTESIS DE ACETATO DE ISOAMILO (ESENCIA DE BANANO)
1. OBJETIVOS
Ensayar la preparación de un alcohol con un ácido carboxílico, mediante una esterificación de Fisher. Aplicar técnicas de separación por destilación y purificación purificaci ón del producto. Aplicar el principio de Le Chatelier para desplazar el equilibrio equilibri o de una reacción reversible hacia la formación del producto deseado.
2. FUNDAMENTO TEORICO El grupo éster es un importante grupo funcional que puede ser sintetizado de maneras diferentes. Los ésteres de bajo peso molecular tienen olores muy agradables y, de hecho, son los principales componentes de los aspectos de sabor y olor de algunos frutos. Aunque el sabor natural puede contener casi un centenar de diferentes compuestos, solo los ésteres éster es se aproximan a los olores naturales y se utilizan utili zan a menudo en la industria alimentaria para los sabores y fragancias artificiales. Por ejemplo, acetato de isoamilo (que se muestra en la tabla 1) tiene la fragancia de plátano. En este experimento se basa a desarrollar la síntesis de este éster afrutado. Tabla 1. Fragancias y puntos de ebullición de los esteres. Ester
Punto de ebullici ón (°C)
Fragancia
Formiato de isobutilo
98,4
Frambuesa
Acetato de n-propilo
101,7
Pera
Butirato de metilo
102,3
Manzana
Butirato de etilo Propionato de isobutilo
121
Piña
136,8
Ron
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Acetato de isoamilo
142
Plátano
Acetato de bencilo
206
Melocotón
Acetato de octilo
210
Naranja
Salicilato de metilo
222
Gaulteria
El acetato de isoamilo (etanoato de 3-metilbutil), conocido también como esencia de plátano, por su olor característico, ha sido identificado como uno de los constituyentes activos de la feromona de alarma de la abeja reina. Un algodón impregnado con acetato de isoamilo, pone en estado de alerta y agitación a las abejas guardianes, las que se colocan cerca de la entrada de la colmena. Este éster puede ser preparado por el método de Fisher a partir de 3-metil-1-butanol (alcohol isoamílico) y ácido acético por calentamiento en presencia de ácido sulfúrico. El ácido acético se usa en exceso para que la reacción sea completa. Después de la extracción con diclorometano, el éster es purificado por destilación a presión atmosférica. Los ésteres son las sales alcohólicas, tanto de los ácidos inorgánicos como de los ácidos carboxílicos. Los ésteres líquidos se han empleado como sustitutos de esencias de algunas frutas debido a su olor agradable. Si se pone en contacto una base inorgánica con un ácido inorgánico, se forman agua y la sal correspondiente, de modo cuantitativo. En cambio, si se mezcla un alcohol con un ácido carboxílico, la reacción no se verifica de manera sencilla y completa como lo indica la ecuación de abajo. La velocidad de formación de la sal disminuye continuamente hasta llegar a un estado en el que, aparentemente, ya no hay formación del éster; el sistema se encuentra en estado de equilibrio. Frecuentemente el equilibrio es desfavorable para la formación de la sal. Se puede favorecer la esterificación empleando un exceso de alguno de los reactivos o eliminando alguno de los productos. Por ejemplo, con exceso de etanol o por destilación del éster, respectivamente.
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3. SECCIÓN EXPERIMENTAL Materiales y equipos
1 montaje de fraccionamiento con relleno 1 montaje de destilación sencilla 1 embudo de decantación 2 erlenmeyer de 50 mL 1 beaker 250 mL 1 beaker 50 mL 1 probeta 10 mL 2 pipeta 10 mL 1 pipeteador 1 balanza analítica 1 vidrio de reloj 1 espátula 1 varilla de agitación 1 tubo de CaCl 2 1 churrusco 1 bomba de vacío 1 matraz kitasato 1 embudo Buchner
Reactivos, disolventes y soluc iones
Ácido acético (CH 3COOH) Ácido sulfúrico concentrado (H 2SO4) Agua destilada Alcohol isoamílico ((CH 3)2 -CH -(CH2)2 -OH) Cloruro de calcio (CaCl 2) Sulfato de sodio anhidro (Na 2SO4) Bicarbonato de sodio al 5% (NaHCO 3) Solución saturada de cloruro de sodio (NaCl) Papel indicador Papel filtro
*Kit de laboratorio (paño o toalla, encendedor o caja de fósforos, marcador, cinta de enmascarar, guantes de nitrilo, gafas de seguridad) *Hielo
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Procedimiento
Etapa 1: síntesis de acetato de isoamilo
1. Coloque 25 mL de ácido acético, seguidos de 20 mL de alcohol isoamílico y perlas de ebullición en un matraz esmerilado de 100 mL, agregue 5 mL de ácido sulfúrico concentrado, agítese el matraz para homogeneizar mientras se añade el ácido (se desprende calor) y caliente a reflujo por 1 hora con mechero, tal como se indica en la figura 1.
Etapa 2: Asilamiento de acetato de isoamilo
2. Finalizando este periodo, enfríe el matraz a temperatura ambiente por unos minutos y luego, transfiera todo el líquido a un embudo de separación con 50 mL de agua. Se agita suavemente, se deja decantar y se separa la capa inferior (acuosa). Se añade otra porción de 25 mL de agua destilada, se agita cuidando de liberar la presión, se decanta y se separa de nuevo la capa acuosa inferior. 3. Lave la capa orgánica con tres porciones de 25 mL de disolución al 5% de bicarbonato sódico, para eliminar el exceso de ácido acético. El último extracto se ensaya con papel indicador de pH y, si no es básico, la capa orgánica se lava con otras dos porciones de 25 mL de disolución de bicarbonato sódico. Una vez eliminado el ácido acético, se lava la capa orgánica con dos porciones de 5 mL de disolución saturada de cloruro sódico, se pasa a un erlenmeyer de 50 mL y seque la fase orgánica, dejándola reposar, en sulfato de sodio anhidro por 5 minutos.
Etapa 3: Purificación
4. Después del secado (el líquido tiene que ser transparente), la capa orgánica se decanta a un matraz esférico de 50 mL (de ser necesario se filtra la fase orgánica en papel plegado múltiple). Se acopla un aparato de destilación sencillo. Se añaden unos trocitos de porcelana porosa y se destila (sobre una llama o una manta eléctrica). Manténgase frío el matraz colector por medio de un baño de hielo. Recójase la fracción que destila entre 135 y 143°C. El líquido incoloro así obtenido (rendimiento: 80 a 90%) posee un fuerte olor a plátano.
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Figura 1. Reflu jo en ausencia de humedad
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Figura 2. Aparato de destilación simple
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Esquema general de trabajo Alcohol isoamílico Ácido acético 1) 2)
H2SO4 concentrado Reflujo 1h
3)
Enfriamiento
Mezcla de reacció n
Decantación
Fase acuosa
Fase orgánica
H2SO4 + H2O
Ester Ácido acético 4) 5) Fase acuosa
Fase orgánica
Acetato de sodio
Ester
Lavado con NaHCO3 Lavado con disolución saturada de NaCl
D1 6)
Cabeza de destilación
A ua D2
D1: Desechos acuosos, bajo riesgo D2: Desechos halogenados, deben ir en contenedor apropiado.
Cola de destilación
Acetato de isoamilo
Destilación
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4. PRECAUCIONES Úsense guantes al manejar el ácido sulfúrico concentrado. Manipúlese el ácido acético en la vitrina. Limpie inmediatamente cualquier derrame de reactivo. 5. NIVEL DE RIESGO El ácido sulfúrico es un ácido fuerte y deshidratante. El ácido acético puede producir quemaduras debido a que se absorbe rápidamente en la piel. Evítese el contacto de cualquiera de ellos con la piel o los vestidos. 6. BIBLIOGRAFÍA 1.
Durst, H. D.; Gokel, G. W. Química Orgánica Experimental. Editorial Reverté, Barcelona, 1985. Reimpresión, 2004.
2.
Pavia, D.; Lampman, G.; Kriz, G. Introduction to organic laboratory techniques – A contemporary approach, third edition. Saunders College Publishing, New York, 1988.
7. CUESTIONARIO o
¿Por qué se calienta la reacción?
o
¿Por qué se utiliza un exceso de ácido acético?
o
o
o
o
o
¿Qué papel desempeña el ácido sulfúrico en la reacción de esterificación de Fischer? ¿Para qué sirve y como debe efectuarse el secado con sales anhidras? ¿Para qué se lava el producto primero con agua y luego con las soluciones de bicarbonato de sodio y de cloruro de sodio? ¿Por qué se seca y se destila el acetato de isoamilo? Para desplazar el equilibrio de la reacción de esterificación, puede eliminarse el agua formada; para ello se emplea una trampa de Dean-Stark. Describa como se hace esto y en qué principios se basa.
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o
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Mencione algunas aplicaciones de importancia industrial de la esterificación Determine el porcentaje de rendimiento experimental y formúlese un mecanismo detallado de la reacción, para las síntesis de acetato de isoamilo.
