Prácticas Integradas De Química Orgánica

09526CP01A01

s a c i t c á r P e d o n r e d a u C

PRÁCTICAS INTEGRADAS DE QUÍMICA ORGÁNICA

Químicas

Paloma Ballesteros García M.a del Pilar Cabildo Miranda Rosa M.a Claramunt Vallespí Amelia García Fraile Fraile Concepción López García Dionisia Sanz del Castillo Enrique Teso Vilar

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

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Prácticas integradas de Química Orgánica Paloma Ballesteros García M.a del Pilar Cabildo Miranda Rosa M.a Claramunt Vallespí Amelia García Fraile Concepción López García Dionisia Sanz del Castillo Enrique Teso Vilar

UNIVERSIDAD N ACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

PRÁCTICAS INTEGRADAS DE QUÍMICA ORGÁNICA

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© UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA - Madrid, 20 

© Paloma Ballesteros García, M.a del Pilar Cabildo Miranda, Rosa M.a Claramunt Vallespí, Amelia García Fraile, Concepción López García, Dionisia Sanz del Castillo, Enrique Teso Vilar

ISBN :  84-362- dición :  de 20

Índice

Prólogo ..............................................................................................

9

Experimento 1. Síntesis de 1-etoxi-1-ciclohexeno ...........................

11

Experimento 2. Síntesis de 3-nonen-2-ona ......................................

21

Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona .......

31

Experimento 4. Síntesis de trans-estilbeno. Reacción de Wittig ......

41

Experimento 5. Síntesis de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa .......................................................................

49

Experimento 6. Síntesis de terc-butilmetilcetona. Transposición pinacolínica ...............................................................

57

Experimento 7. Reacciones de orto-fenilendiamina con acetilacetona .......................................................................

65

Experimento 8. Síntesis de bencimidazol y benzotriazol .................

75

Experimento 9. Síntesis de 3,5-dimetilpirazol. Reactividad frente a agentes electrófilos: bromación .............................

85

Experimento 10. Preparación de 2-fenilindol. Síntesis de Fischer ......

95

Experimento 11. Síntesis de ácido barbitúrico y derivados ............... 105 Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por cromatografía gas-líquido. Identificación de los compuestos mediante técnicas espectroscópicas ............................ 115 Experimento 13. Síntesis de alcanfor a partir de canfeno ................. 133 Experimento 14. Resolución de la (±)-feniletilamina ........................ 149

Prólogo

El presente texto titulado Prácticas Integradas de Química Orgánica recoge los contenidos relacionados con las prácticas de las asignaturas de quinto curso (o de segundo ciclo) de la licenciatura en Ciencias Químicas del área de química orgánica: Síntesis Orgánica, Análisis Orgánico y Química Or gánica Heterocíclica. Está compuesto por catorce experimentos, en los cuales se han tratado de integrar los aspectos más relevantes de las tres materias mencionadas en un intento por mostrar al alumno la complementariedad de las mismas. Así, en los seis primeros se presentan diferentes métodos de síntesis que permiten la creación de nuevos enlaces, carbono-oxígeno en la preparación de enoléteres en el Experimento 1, carbono-carbono en la obtención de cetonas ,-insaturadas, en el Experimento 2 mediante condensación aldólica, y en el Experimento 3 a través de una enamina intermedia. En el Experimento 4 se realiza la síntesis de un alqueno por reacción Wittig. Un ejemplo de la utilidad de los grupos protectores se presenta en el Experimento 5 mediante la formación de un acetal cíclico de un hidrato de carbono con la ciclohexanona. En el Experimento 6 se describe una reacción de transposición, la pinacolínica. A continuación, en los experimentos 7 a 11, se presentan diferentes estrategias sintéticas que permiten la preparación de compuestos heterocíclicos: benzodiazepinas y macroheterociclos (Experimento 7), bencimidazoles y benzotriazoles (Experimento 8), pirazoles y su reactividad frente a electrófilos (Experimento 9), síntesis de Fischer de indoles (Experimento 10) o derivados del ácido barbitúrico (Experimento 11), con buenos rendimientos. El análisis de los componentes de una mezcla de compuestos orgánicos mediante cromatografía de gases y su identificación mediante técnicas es-

10 Prólogo

pectroscópicas se aborda en el Experimento 12, estableciendo las pautas generales que permitirán con éxito al futuro químico resolver, con la metodología propuesta, problemas similares. La transformación del canfeno en alcanfor mediante una transposición de Wagner-Meerwein, constituye un excelente ejemplo de cómo seguir el curso de una reacción orgánica e identificar los diferentes intermedios (Experimento 13). Por último, el Experimento 14 ilustra la separación o resolución de una mezcla racémica mediante un reactivo ópticamente activo. Se completa con las medidas de poder rotatorio y determinación del enriquecimiento enantiomérico. Con objeto de facilitar su ejecución, todos los experimentos presentan un desarrollo similar: después de una introducción teórica, se detallan el material, productos y métodos necesarios, así como el procedimiento experimental. Se complementa cada práctica con el cálculo de la estequiometría de la reacción y rendimientos de los productos formados y la resolución de una serie de cuestiones o ejercicios que permitirán al alumnado evaluar el grado de aprendizaje en el laboratorio. Es nuestro deseo que este texto sea una herramienta útil y agradable para profundizar en el conocimiento de la química orgánica y en la introducción al trabajo de investigación. LOS AUTORES

E XPERIMENTO 1 Síntesis de 1-etoxi-1-ciclohexeno Paloma Ballesteros García

Objetivo general

Sintetizar un enoléter a partir de un acetal por 1,2-eliminación de etanol con catálisis ácida. Objetivos específicos

1. Preparar y purificar ciclohexanona dietilacetal*. 2. Estudiar el método de acetalización de una cetona por reacción con un ortoformiato en medio ácido. 3. Calentar el ciclohexanona dietilacetal con TosOH para transformarlo en 1-etoxi-1-ciclohexeno. 4. Purificar el enoléter por destilación fraccionada. 5. Calcular el rendimiento global obtenido. Duración del experimento

Diez horas.

* Los términos cetal y hemicetal utilizados para nombrar a los derivados de cetonas han sido suprimidos por la regla C-331.1 de la IUPAC.

12 Prácticas integradas de Química Orgánica

ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de ciclohexanona dietilacetal 4.B. Preparación de 1-etoxi-1-ciclohexeno 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

13 Experimento 1. Síntesis de 1-etoxi-1-ciclohexeno

1

Introducción teórica

Los enoléteres son intermedios de síntesis muy versatiles para la formación de enlaces carbono-carbono en posición  a un grupo carbonilo. Su reactividad está muy relacionada con la de las enaminas y sililenoléteres. La presencia del grupo alcoxi les confiere un carácter de alquenos nucleófilos o «ricos en electrones» con capacidad de reaccionar facilmente con electrófilos.

Esta propiedad se ha utilizado para proteger alcoholes, principalmente en forma de acetales tetrahidropiranílicos, por reacción de los alcoholes con dihidropirano en presencia de catalizadores ácidos. También, son capaces de reaccionar con alquenos electrófilos o «deficientes en electrones» para dar reacciones de cicloadición [2+2]. Dependiendo del carácter electrófilo de estos últimos, los enoléteres pueden reaccionar en ausencia o en presencia de catalizadores de Lewis.


La reacción con tetracianoetileno, de elevado carácter electrófilo, conduce en ausencia de catalizadores, a cicloaductos [2+2] a través de intermedios de tipo zwitteriónico. Sin embargo, cuando la cicloadición transcurre con alquenos de carácter electrofilo intermedio, como el metilenmalonato de di-terc-butilo, se requiere la presencia de Zn 2Br. Los enoléteres pueden prepararse de diferentes maneras utilizando diversos productos de partida, pero una de las vías de síntesis más común es la descomposición térmica de acetales en medio ácido. Esta ruta es muy conveniente para preparar enoléteres a partir de compuestos carbonílicos, siempre que los otros grupos funcionales presentes en la molécula sean resistentes a las condiciones ácidas de la reacción. En este caso el acetal de partida se ha preparado por reacción de la ciclohexanona con ortoformiato de etilo (transacetalización):

Este método es muy útil en el caso de cetonas, ya que la reacción directa de estas con alcoholes suele dar lugar a rendimientos bajos de los correspondientes acetales. 2

Material y productos

Material

— — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de 250 mL. Un matraz de fondo redondo de 50 mL. Una probeta de 50 mL. Una pipeta de 5 mL o probeta de 10 mL. Una pera de goma. Un refrigerante de reflujo. Un refrigerante de destilación. Una cabeza de destilación.


— — — — — — — — — — — — — — — —

Una columna Vigreux de 10 cm. Un termómetro de 0 a 200 °C. Un adaptador a vacío. Tres matraces colectores de 50 mL. Placa calefactora de agitación magnética. Baño de silicona de temperatura de calefacción >250 °C. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética.

Productos

— — — — — — —

Ciclohexanona. Etanol absoluto. Ortoformiato de etilo. Ácido p-toluensulfónico monohidrato. Sodio metálico. Xileno. Hielo.

3

Referencias bibliográficas

L. F., TIETZE, TH., EICHER, Reactions and Synthesis, págs. 204-205, University Science Books, Mill Valley, California (1989). R. A., WOHL, Synthesis, 1974, 38. Descripción de un método muy conveniente para la síntesis de enoléteres cíclicos.


4 4.A

Procedimiento experimental Preparación de ciclohexanona dietilacetal

En un matraz de fondo redondo de 250 mL, provisto de agitación magnética, se introducen 8,0 g (0,082 moles) de ciclohexanona, 37 g (0,804 moles) de etanol absoluto (d = 0,79) y 37 g (0,250 moles) de ortoformiato de etilo (d = 0,891). A la mezcla de reacción se añade 1 mg de ácido p-toluensulfónico monohidrato en 2 mL de etanol absoluto. Se conecta a un refrigerante de reflujo y se coloca en un baño de silicona. El baño se calienta con la placa calefactora a una temperatura con la que se consiga la ebullición del etanol y se mantiene a reflujo durante 10 minutos. La solución resultante se enfría con un baño de hielo y se neutraliza con etóxido sódico (0,2 g, 8,7 mmol de sodio en 2 mL de etanol) previamente preparado. El etanol y el formiato de etilo se evaporan en el rotavapor (a 30 °C). El residuo se destila a vacio (Nota 1), utilizando una columna Vigreux de 10 cm. Se separan dos primeras fracciones: Pto. eb. 11 45-50 °C, (ortoformiato de etilo) y Pto. eb 11 50-73 (ortoformiato de etilo y producto). Finalmente el acetal destila como un líquido incoloro con olor a menta (12 g, 85%), Pto. eb.11 73-75 °C, nD20 = 1,4360. Características espectroscópicas: IR (film): 2990, 2940, 2875, 1460, 1165, 1060 cm–1. H-RMN (CDCl3):  = 3,43 (c, J = 7 Hz, 4 H); 1,7 (m, 10H); 1,15 (t, J = 7 Hz, 6 H) ppm. 1

4.B

Preparación de 1-etoxi-1-ciclohexeno

En un matraz de 50 mL se introducen 12 g (0,07 moles) de ciclohexanona dietilacetal y 40 mg de ácido p-toluensulfónico. Se conecta una cabeza y un refrigerante de destilación y se calienta en un baño de silicona (ta > 250 °C) hasta reflujo. El etanol formado durante la reacción se recoge por destilación continua (Pto. eb. 760 78 °C).


Cuando la reacción ha terminado, la temperatura del baño se eleva hasta que el enoléter comienza a destilar como un líquido incoloro (7 g, 80%), Pto. eb.760 156-157 °C, nD25 = 1,4525 (Nota 2). Características espectroscópicas: IR (film): 3075, 1670, 1210-1180, 1055 cm–1. H-RMN (CDCl3):  = 4,38 (t, J = 3 Hz,1 H); 3,55 (c, J = 7 Hz, 2 H); 2,151,80 (m, 4 H); 1,70-1,35 (m, 4H); 1,22 (t, J = 7 Hz, 3 H) ppm. 1

NOTAS 1. Ver Experimento 1 del Texto Curso Experimental de Química Orgánica para el montaje de la destilación a vacío. 2. El 1-etoxi-1-ciclohexeno puede ser sintetizado en una sola reacción de manera análoga al 1-metoxi-1-ciclohexeno (Wohl, 1974): Una mezcla formada por 12,3 g (0,125 moles) de ciclohexanona, 13 g (0.121 moles) de formiato de metilo y 99 mg de ácido p-toluensufónico se deja agitar a temperatura ambiente durante 36 horas. Se conecta un equipo de destilación con una columna Vigreux de 30 cm y se comienza a destilar recogiendo las siguientes fracciones: Pto. eb.760 34-37 °C (formiato de metilo); Pto. eb. 760 65-67 °C (metanol); Pto. eb.760 137-140 °C (1-metoxi-1-ciclohexeno).

5

Cálculos y resultados

Cálculos

Calcule el rendimiento obtenido según: % rendimiento =

cantidad real obtenida cantidad teórica



100


Resultados

1. Rendimiento de ciclohexanona dietilacetal Peso de ciclohexanona............................................................ g Moles de ciclohexanona ......................................................... moles Peso de etanol ........................................................................ g Moles de etanol...................................................................... moles Peso de ortoformiato de etilo................................................. g Moles de ortoformiato de etilo............................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de ciclohexanona dietilacetal. g Cantidad de ciclohexanona dietilacetal obtenida.................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2. Rendimiento de 1-etoxi-1-ciclohexeno Peso de ciclohexanona dietil acetal......................................... g Moles de ciclohexanona dietilacetal ....................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de 1-etoxi-1-ciclohexeno...... g Cantidad de 1-etoxi-1-ciclohexeno obtenida .......................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 3. Rendimiento global Se calcula mediante la fórmula indicada en el Experimento 12 del Texto Curso Experimental de Química Orgánica . 6

Ejercicios

1. En la parte teórica se ha reseñado que los enoléteres se pueden obtener mediante otras vías de sintesis. Indicar al menos tres métodos que puedan utilizarse para la preparación de enoléteres. 2. Proponer un mecanismo para la reacción que se utiliza para proteger alcoholes en forma de acetales tetrahidropiranílicos. 3. Explicar como transcurre la cicloadición de los enoléteres con alquenos «deficientes de electrones» en ausencia y en presencia de ácidos de Lewis.


4. ¿Qué otros métodos alternativos existen para la preparación de acetales? 5. De acuerdo con los espectros de 1H-RMN de ciclohexanona dietilacetal y de 1-etoxi-1-ciclohexeno que se indican en la parte experimental, asigne cada uno de los protones. Dar una explicación de las multiplicidades observadas. 6. El residuo de la destilación de 1-etoxi-1-ciclohexeno al enfriarse solidifica, para dar lugar a un subproducto originado en el proceso de termólisis. Algunos autores lo han identificado con 1,4-dietoxiciclohexa-1,4-dieno. Explicar como ha podido formarse y como puede ser identificado espectroscópicamente.

E XPERIMENTO 2 Síntesis de 3-nonen-2-ona Pilar Cabildo Miranda

Objetivo general

Sintetizar una cetona ,-insaturada por condensación aldólica entre un aldehído y una cetona, seguida de deshidratación. Objetivos específicos

1. Estudiar la condensación aldólica entre un aldehído y una cetona. 2. Estudiar la reacción de deshidratación de una -hidroxicetona. 3. Purificar compuestos mediante técnicas de destilación, tanto a presión normal como reducida. 4. Calcular el rendimiento global. Duración del experimento

12 horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de 3-hidroxinonan-2-ona 4.B. Preparación de 3-nonen-2-ona 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

23 Experimento 2. Síntesis de 3-nonen-2-ona

1


La 3-nonen-2-ona se prepara por condensación aldólica a partir de un aldehído y una cetona. La condensación aldólica se produce a través de un mecanismo característico de la química de enolatos. El primer paso consiste en la formación del enolato, éste ataca a un carbono carbonílico para dar un compuesto hidroxicarbonílico llamado «aldol» , el cual por pérdida de agua conduce a aldehídos o cetonas , -insaturados. Mecanismo de formación del aldol

Generación del enolato:

Ataque nucleófilo:

Protonación:


Mecanismo de deshidratación

La -hidroxicetona, que se obtiene de la condensación aldólica, se puede deshidratar con gran facilidad. Tanto la facilidad como la orientación de la eliminación tienen relación con el hecho que el alqueno que se obtiene es particularmente estable, puesto que el doble enlace carbono-carbono se conjuga con el del carbono-oxígeno carbonílico.

2

Material y produtos

Material

— — — — — — — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de 50 mL. Un matraz de fondo redondo de 100 mL. Una probeta de 50 mL. Una pipeta de 5 mL o probeta de 10 mL. Una pera de goma. Un refrigerante de reflujo. Un refrigerante de destilación. Una cabeza de destilación. Una columna Vigreaux. Un termómetro de 0 a 200 °C. Un adaptador a vacío tipo cerdito. Tres matraces de 25 mL colectores. Un embudo cónico de decantación de 100 mL.


— Tres erlenmeyers de 100 mL. — Dos vasos de precipitado de 100 mL. — Un matraz de fondo redondo de tres bocas de 250 mL. — Un pesasustancias. — Un embudo aleman de 5 cm de diámetro. — Una espátula. — Un embudo de adicción de presión compensada de 50 mL. — Un baño o cristalizador de 30 cm de diámetro. — Un rotavapor. — Una placa calefactora de agitación magnética. — Una pieza de agitación magnética. — Un baño de silicona. — Un aparato de puntos de fusión y capilares. — Un vacuómetro. — Un soporte metálico. — Pinzas para sujetar matraces con nuez. — Aros metálicos con nuez. — Varillas de vidrio. — Una balanza. — Unas tijeras. — Tubo de goma. — Tubo de goma para vacío. — Papel de filtro. — Una trompa de agua. Productos

— Hexanal. — Hidróxido sódico. — Acido p-toluensulfónico. — Éter etílico. — Sulfato sódico anhidro.


— Acetona. — Bicarbonato sódico. — Acido clorhídrico. — Cloruro sódico. — Tolueno. — Hielo. — Papel de tornasol. — Grasa de vacío. 3


TIETZE, L. F. Reactions and Synthesis in the Organic Chemistry Laboratory . University Science Books. 1989 (Exp. K- 11. pág. 174).

4

Procedimiento experimental

4.A Preparación de 4-hidroxinonan-2-ona

En un matraz de fondo redondo de tres bocas de 50 mL, provisto de agitación magnética, se introduce una mezcla de 17.5 mL de acetona y 5 mL de una solución 2.5 N de hidróxido sódico. Mediante un embudo de presión compensada se añade, gota a gota, una solución de 10 g (0.1 moles) de hexanal (recién destilado; p.eb. = 131 °C) en 7.5 mL de acetona, manteniendo la temperatura entre 10 y 15 °C con un baño de agua y hielo. Se continúa la agitación una hora más a temperatura ambiente. (La reacción debe llevarse a cabo en vitrina). La solución se neutraliza (pH 7) (Nota 1) con una solución, enfriada con hielo, de clorhídrico 6 N; después se concentra en el rotavapor hasta tener un volumen de unos 15 mL y se extrae tres veces con un total de 30 mL de éter. Los extractos combinados se lavan con soluciones saturadas de NaHCO3 y NaCI (~25 mL) y se seca sobre Na 2SO4 anhidro. Se evapora el disolvente en rotavapor y el residuo se destila a presión reducida obteniéndose un rendimiento de 10.3 g (65%; p.eb. 10 = 108 °C) de aldol o -hidroxicetona (Nota 3).


4.B Preparación de 3-nonen-2-ona

En un matraz de fondo redondo provisto de refrigerante de reflujo, se introduce una mezcla de 9.5 g (0.06 moles) del aldol, obtenido en el apartado anterior, 30 mg de ácido p-toluensulfónico y 4 g de sulfato sódico anhidro en 20 mL de tolueno y se calienta a reflujo durante 1 hora. El Na2SO4 se elimina por filtración y la solución orgánica se lava con soluciones saturadas de NaHCO 3 y NaCI y se seca de nuevo con Na 2SO4 anhidro. El tolueno se evapora en el rotavapor y el residuo se destila a vacío sobre una pequeña columna Vigreaux. El rendimiento es de 6 g (72%; p.eb.10 = 88 °C) de 3-nonen-2-ona. Características espectroscópicas: IR (film): 2970, 2974, 2888, 2870(CH), 1685(C=0), 1630(C=C), 1360 cm–1. H-NMR(CDCl 3):  = 6.83 (dt; 1J = 16 Hz, 2J= 7 Hz; 1 H, HC=C-C=O), 6.06 (dt; 1J = 16Hz, 2J = 1.5 Hz; 1 H, C=CH-C=O), 2.20 (s; 3 H, CO-CH3), 2.5-2.0 (m; 2 H, CH 2-C=C), 1.7-1.1 (m; 6 H, CH 2), 0.90 (t; J =5 Hz; 3 H, CH3) ppm. 1

NOTAS 1. Asegurarse que se ha neutralizado bien a pH 7. 2. Ver Experimento 1 del texto Curso experimental de Química Orgánica UNED. 1989, para el montaje de la destilación a vacío. 3. Se produce como producto secundario el alqueno de autocondensación del hexanal. No se separan fácilmente. Se recomienda pasar al segundo paso sin destilar.


5


Cálculos





100

Resultados

1. Rendimiento de 3-hidroxinonan-2-ona. Peso de hexanal...................................................................... g Moles de hexanal.................................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de 3-hidroxinonan-2-ona..... g Cantidad de 3-hidroxinonan-2-ona obtenida.......................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2. Rendimiento de 3-nonen-2-ona. Peso de 3-hidroxinonan-2-ona................................................ g Moles de 3-hidroxinonan-2-ona ............................................. moles Cantidad teórica que se obtiene de 3-nonen-2-ona................ g Cantidad de 3-nonen-2-ona obtenida .................................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 3. Rendimiento global Se calcula mediante la siguiente expresión: R1 R2 Rendimiento global (%) =    100 100



6





100

Ejercicios

1. Indicar los productos secundarios que pueden aparecer en el primer paso de la reacción.


2. Indicar el producto que se obtiene cuando se calienta acetaldehído en medio básico. 3. Justificar si podría llevarse a cabo o no una condensación aldólica entre dos aldehídos sin hidrógenos en . 4. Nombrar todos los productos que se forman en una disolución conteniendo benzaldehído, acetofenona e hidróxido sódico diluido. 5. Indicar la estructura, en base a sus datos espectroscópicos, del producto secundario formado en la reacción de formación de la 4-hidroxinonan-2-ona.

E XPERIMENTO 3 Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona Pilar Cabildo Miranda

Objetivo general

Sintetizar una cetona cíclica ,-insaturada. Objetivos específicos

1. Obtener una enamina a partir de una cetona y una amina. 2. Estudiar la condensación aldólica entre un aldehído y una enamina. 3. Isomerizar una cetona cíclica , -insaturada con el doble enlace en posición exo a posición endo. 4. Utilizar la técnica de cromatografía en capa fina. 5. Calcular el rendimiento global.

Duración del experimento

20 horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de N-(1-ciclopent-1-il)morfolina 4.B. Preparación de 2-(2-metil)propilidenciclopentanona 4.C. Preparación de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

33 Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona

1


La 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona se prepara a partir de una molécula sencilla, como la ciclopropanona, a través de una ruta que implica tres etapas: preparación de una enamina, a partir de ella síntesis de una cetona ,-insaturada y por último una isomerización del producto obtenido. Preparación de enamina

El método más general de síntesis de enaminas es el de tratar una cetona o un aldehído, con hidrógenos en  con una amina secundaria:


Condensación aldólica de un aldehído con una enamina

La condensación aldólica tiene muchas variantes, es decir no solo se da entre aldehídos y cetonas, como se vio en el experimento 2, sino que engloba muchas otras reacciones. En definitiva se trata de un ataque nucleófilo a un carbonilo. En el caso de las enaminas el carbono  del doble enlace posee un carácter nucleófilo como lo demuestran las estructuras de resonancia siguientes:

Así pues, al reaccionar una enamina con un aldehído se forma un intermedio que es sensible a los ácidos dando una cetona ,-insaturada.

Isomerización

Las cetonas cíclicas ,-insaturadas con el doble enlace en posición exo se isomerizan fácilmente a la forma endo, ya que termodinámicamente son más estables.

35 Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona

2


Material

— Un matraz de fondo redondo de 250 mL. — Un matraz de fondo redondo de 50 mL. — Tres matraces de fondo redondo de 25 mL. — Una probeta de 100 mL. — Dos vasos de precipitado de 100 mL. — Una pera de goma. — Un refrigerante de reflujo. — Un refrigerante de destilación. — Una cabeza de destilación. — Un termómetro de 0 a 200 °C — Un adaptador a vacío tipo cerdito. — Un embudo cónico de decantación de 250 mL. — Un embudo cónico de decantación de l00mL. — Tres erlenmeyers de 100 mL. — Un matraz de fondo redondo 500 mL. — Un pesasustancias. — Un embudo aleman de 5 cm de diámetro. — Capilares. — Un Dean-Stark. — Columna Vigreux de 12 cm. — Baño o cristalizador de 30 cm de diámetro. — Una cubeta de TCL. — Cubeta para yodo. — Rotavapor. — Placa calefactora de agitación magnética. — Una pieza de agitación magnética. — Baño de silicona. — Aparato de puntos de fusión. — Soporte metálico.


— Pinzas para sujetar matraces con nuez. — Placa calefactora de agitación magnética. — Aros metálicos con nuez. — Espátula. — Varillas de vidrio — Una balanza. — Tijeras. — Tubo de goma. — Tubo de goma para vacío. — Papel de filtro. — Una trompa de agua. — Cromatofolios de sílica gel. — Lámpara ultravioleta. — Espectrómetro de masas acoplado a un cromatrógrafo de gases. Productos

— Ciclopentanona. — Ácido p-toluensulfónico. — Cloruro sódico. — Morfolina. — Tolueno. — Sulfato sódico anhidro. — Cloruro sódico. — Éter etílico. — Isobutiraldehído. — Ácido clorhídrico. — Ácido oxálico. — Acetato de etilo. — Acetona. — Bicarbonato sódico. — Cloruro sódico. — n-Butanol. — Yodo.

37 Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-e 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona nona

3


TIETZE, L. F. Reactions and Synthesis in the Organic Chemistry Laboratory. University Science Books. 1989. Exp. K-14 a-b. pág. 176.

4


4.A Preparación de N-(1-ciclopent-1-il)morfolina N-(1-ciclopent-1-il)morfolina

A una mezcla de 21 g (0,25 moles) de ciclopentanona y 26 g (0,29 moles) de morfolina disuelta en 50 mL de tolueno, se añade una punta de espátula de ácido p-toluensulfónico, y se calienta a reflujo vigoroso con un Dean-Stark hasta que no se observe la formación de agua. El disolvente y el exceso de morfolina se evaporan en el rotavapor (Nota 1), y el residuo se destila a vacío, con columna Vigreux de 12 cm, para dar la enamina como un aceite incoloro. El rendimiento es de 29 g (78%), (p.eb.12 =107 °C, n2OD = 1.51). 4.B Preparación de 2-(2-metil)propilidenciclo2-(2-metil)propilidenciclo pentanona

En un matraz de fondo redondo se introduce una mezcla de 6,5 g (0,04 moles) de la enamina, obtenida en el apartado anterior, y 2,54 g (10,03 mmoles) de isobutiraldehído (destilado previamente; p.eb. 760 = 63 °C) en 40 mL de tolueno, se agregan 6 g de tamiz molecular 4Å, se calienta primero a 80 °C durante 10 minutos y finalmente se deja con agitación magnética a temperatura ambiente durante toda la noche. El tamiz molecular se elimina por decantación y la mezcla se hidroliza con 50 mL de HCl 6 N, dejándolo con agitación, a temperatura ambiente, durante dos horas. La capa orgánica se separa en un embudo de decantación y la capa acuosa se extrae dos veces con un total de 25 mL de tolueno. Las fases orgánicas se juntan y se lavan con agua, y a continuación con NaHCO 3 y NaCl; se seca sobre Na2SO4 anhidro y se evapora el disolvente en el rotavapor. El residuo se destila a vacío, dando un aceite amarillo pálido. El rendimiento es de 4,2 g (90%) (p.eb.11 = 86-88 °C; n2OD = 1.47).


Características espectroscópicas: IR (film): 1720 (C=O), 1645 (C=C), 830 cm–1. H-NMR (CDCl3):  = 6.35 (dt. 1J = 9 Hz, 2J = 2 Hz; 1 H, C=CH). 3.0-1.9 (m; 7 H, CH y CH2), 1.02 (d, J = 7 Hz; 6 H, CH3) 1

NOTA 1 El tiempo de calentamiento es aproximadamente 12 horas y la temperatura del baño 180 °C. La reacción se analiza mediante un espectrómetro de masas acoplado a un cromatógrafo de gases.

4.C Preparación de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona

Una disolución de 4 g (28 mmoles) de 2-(2-metil)propiliden 2-(2-metil)propilidenciclopentaciclopentanona en 30 mL de n-butanol (destilado previamente; p.eb. 760 = 117 °C) y 3 mL de ácido clorhídrico concentrado, se calienta a reflujo durante dos horas. La disolución adquiere un color marrón. Una vez enfriada la mezcla se evapora a vacío el n-butanol en el rotavapor. Se añaden a continuación 30 mL de agua y la mezcla se extrae tres veces con 50 mL de éter repartidos en tres porciones. Los extractos se juntan y se lavan con agua y disoluciones saturadas de NaHCO 3 y NaCl, y se secan sobre Na2SO4 anhidro. Se evapora el disolvente en el rotavapor y el residuo se destila a vacío para dar un aceite incoloro. El rendimiento de la reacción es de 2,1 g (54 %; p.eb. 12 = 85-89 °C; n20 D = 1.46; Rf = 0.63: sílica gel, acetato de etilo/acetona 3:2). Características espectroscópicas: IR (film): 3020 (CH, olefínico), 1695 (C=O), 1630 (C=C), 830 cm–1. H-NMR (CDCl3):  = 7.3 (m; 1 H, C=CH), 2.55 (m; 2 H), 2.35 (m; 2 H), 2.1 (m; 2 H), 1.8 (m; 1 H, CH), 0.87 (d; J = 7 Hz; 6 H, CH 3). 1

39 Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-e 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona nona

5


Cálculos





100

Resultados

1. Rendimiento de N-(1-ciclopent-1-il)morfolina. Peso de ciclopentanona ciclopentanona ............ ........................ ........................ ........................ ...................... .......... g Moles de ciclopentanona.. ciclopentanona.............. ........................ ........................ ........................ .................. ...... moles Cantidad teórica que se obtiene de N-(1-ciclopent-1-il)morfolina ............ ........................ ........................ ........................ ......................... ......................... ..................... ......... g Cantidad de N-(1-ciclopent-1-il)mor -(1-ciclopent-1-il)morfolina folina obtenida obtenida............ ............... ... g Rendimiento obtenido......................... obtenido..................................... ........................ ....................... ........... % 2. Rendimiento de de 2-(2-metil)propilidenciclopentanona 2-(2-metil)propilidenciclopentanona.. Peso de N-(1-ciclopent-1-il)morfo -(1-ciclopent-1-il)morfolina lina ............ ........................ ........................ .............. g Moles de N-(1-ciclopent-1-il)morfo -(1-ciclopent-1-il)morfolina lina........... ....................... ........................ ............ moles Cantidad teórica que se obtiene de 2-(2-metil)propilidenciclopentanonaa ........... ciclopentanon ....................... ........................ ........................ ........................ .................... ........ g Cantidad de 2-(2-metil)propilid 2-(2-metil)propilidenciclopentanona enciclopentanona obtenida ... g Rendimiento obtenido......................... obtenido..................................... ........................ ....................... ........... % 3. Rendimiento de de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona.. Peso de 2-(2-metil)propiliden 2-(2-metil)propilidenciclopentanona ciclopentanona ............ ........................ .............. g Moles de 2-(2-metil)propiliden 2-(2-metil)propilidenciclopentanona ciclopentanona........... ....................... ............ moles Cantidad teórica que se obtiene de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona............ pent-2-enona ........................ ......................... ......................... ........................ ..................... ......... g Cantidad de 2-(2-metil)propilciclopent2-(2-metil)propilciclopent-2-enona 2-enona obtenida...... g Rendimiento obtenido.......................... obtenido....................................... ......................... ..................... ......... %


4. Rendimiento global Se calcula mediante la siguiente expresión: R1 R2 R3 Rendimiento global (%) =      100 100 100



6





100

Ejercicios

1. Indicar el producto obtenido al tratar la ciclopentanona con una amina primaria, en las mismas condiciones del experimento. 2. Nombrar el producto que se obtiene al tratar la 4-metilciclohexanona con pirrolidina en benceno. 3. ¿Qué producto se obtendría al tratar el producto obtenido en el apartado anterior con acrilato de metilo y posterior tratamiento con agua?

E XPERIMENTO 4 Síntesis de trans -estilbeno. Reacción de Wittig Paloma Ballesteros García

Objetivo general

Sintetizar un alqueno por reacción de un iluro con un aldehído: Reacción de Wittig. Objetivos específicos

1. Preparar y purificar cloruro de benciltrifenilfosfonio. 2. Estudiar la reacción del iluro, generado a partir de la sal de fosfonio, con benzaldehído. 3. Emplear condiciones de transferencia de fase en la reacción, utilizando la sal de fosfonio como catalizador. 4. Separar y purificar el trans-estilbeno de la mezcla de estilbenos obtenidos. 5. Calcular el rendimiento global obtenido. Duración del experimento

Dos días.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de cloruro de benciltrifenilfosfonio 4.B. Preparación de trans-estilbeno 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

43 Experimento 4. Síntesis de trans-estilbeno. Reacción de Wittig

1


La reacción de Wittig, descrita por primera vez en los años cincuenta, está constituida por una secuencia de tres etapas consecutivas y tiene como objetivo final la obtención de alquenos. El tratamiento de la trifenilfosfina con un haluro de alquilo conduce a una sal de fosfonio que por tratamiento en medio básico se transforma en un iluro de fosfonio (ó fosforano). La reacción de este iluro con un aldehído o cetona da lugar a un alqueno. Este método de formación de alquenos se utiliza muy a menudo desde entonces como consecuencia de su simplicidad, conveniencia y eficacia. Los iluros de fosfonio se clasifican de acuerdo con su reactividad. Los estabilizados son aquellos que tienen en el carbono ilidénico sustituyentes muy conjugados (COOMe, CN ó SO 2C6H5), y dan lugar, generalmente a (E)alquenos. Los semi-estabilizados con sustituyentes moderadamente conjugados (fenilo ó alilo) que suelen dar mezclas de (Z) y (E)-alquenos. Y finalmente, los no-estabilizados, con ausencia de grupos como los anteriores, que conducen normalmente a (Z)-alquenos. El mecanismo de la etapa fundamental de la reacción de Wittig, es decir la reacción del iluro de fosfonio con el compuesto carbonílico, es el siguiente:


A pesar de que de los dos intermedios propuestos, betaína y oxafosfetano, sólo existen evidencias (de aislamiento ó espectroscópicas) del último, las formas dipolares o betainas se siguen considerando como intermedios iniciales de esta etapa. En el procedimiento experimental que se ha utilizado en esta práctica, se ha empleado la técnica de catálisis de transferencia de fase (CTF). Con este método se evita la utilización de bases fuertes que es un serio inconveniente de la reacción de Wittig. Además, en este caso el cloruro de benciltrifenilfosfonio se utiliza como reactivo y a la vez como catalizador de CTF. 2


Material

— — — — —

Un matraz de fondo redondo de 50 mL. Un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL. Una probeta de 50 mL. Un embudo de adición de 100 mL. Una pipeta de 5 mL o probeta de 10 mL.


— — — — — — — — — — — — — — — — — —

Una pera de goma. Un refrigerante de reflujo. Un termómetro de 0 a 200 °C. Un buchner. Un kitasato. Un embudo de decantación de 100 mL. Placa calefactora de agitación magnética. Baño de silicona. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética.

Productos

— — — — — — — — — —

Trifenilfosfina. Cloruro de bencilo. Tolueno. Éter de petróleo (50-70 °C). Pentóxido de fosforo. Benzaldehído. Cloruro de metileno. Sulfato sódico anhidro. Etanol absoluto. Hielo.


3


L. F. TIETZE, TH. EICHER, Reactions and Synthesis, pág. 180, University Science Books, Mill Valley, California (1989). J. S. NIMITZ, Experiments in Organic Chemistry: From Microscale to Macroscale, pág. 294, Prentice-Hall, New Jersey (1991).

4 4.A

Procedimiento experimental Preparación de cloruro de benciltrifenilfosfonio

En un matraz de fondo redondo de 50 mL, provisto de agitación magnética, se introducen 2,62 g (0,01 moles) de trifenilfosfina y 1,4 g (0,011 moles) de cloruro de bencilo y 15 mL de tolueno. Se conecta un refrigerante, se coloca en un baño de silicona y se calienta a reflujo durante 12 horas. La sal de fosfonio precipita como cristales incoloros que se recogen por filtración a vacio. Se lava con éter de petróleo (50-70 °C) y se seca en un desecador a vacio sobre P 2O5 con calentamiento a 60 °C durante 1 h. Se obtienen 3,55 g (91%) de un producto de P. F. = 329-330 °C. 4.B

Preparación de trans-estilbeno

En un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL, equipado con agitador magnético y refrigerante de reflujo, se introducen 1,06 g (0,01 moles) de benzaldehído, 1,27 g (0,33 moles) de cloruro de benciltrifenilfosfonio y 10 mL de cloruro de metileno. Se agita vigorosamente y se añaden, a través de un embudo de adición, 7,5 mL de una solución 10N de hidróxido sódico. La disolución se calienta espontáneamente y se vuelve amarilla. Se coloca en un baño de silicona y se calienta, manteniendo la agitación vigorosa, a reflujo moderado durante 30 minutos. Después de este tiempo se enfría la solución en un baño de hielo, se transfiere a un embudo de decantación de 100 mL y se añade una pequeña cantidad de agua para favorecer la separación de las capas orgánica y acuosa (Nota 1). Se recoge la fase orgánica y se seca sobre sulfato sódico anhidro. Se filtra o se decanta y el cloruro de metileno se concentra en el rotavapor. Se obtiene un residuo de aspecto de caramelo que está constitudo por una mezcla de trans- y cis-estilbenos junto con el óxido de trifenilfosfina. Se añaden


al residuo 8 mL de etanol absoluto y se agita con una varilla hasta disolver la mezcla (puede calentarse ligeramente si es necesario). Una vez disuelto todo el sólido, se enfría en un baño de hielo durante 10 minutos hasta que precipita el trans-estilbeno el cual se recoge por filtración a vacío. Se recristaliza en una pequeña cantidad de etanol (6-10 mL) y unas cuantas gotas de agua en caliente hasta conseguir enturbiamiento. P.F. = 122-124 °C. Características espectroscópicas: IR (nujol): cm–1 3020, 1598, 1496, 1072, 962, 910, 766, 693, 526. 1

H-RMN (CDCl3):  = 7,10-7,60 (m, 1 H); 7,09 (s, 2 H) ppm.

NOTA 1. Si no se añade agua, la alta densidad de la disolución de NaOH produce una inversión en las fases y el CH2Cl2 se coloca en la parte superior. Sin embargo, al diluir la disolución de NaOH disminuye su densidad y el CH 2Cl2 vuelve a su situación normal en la capa inferior.

5


Cálculos

Calcule el rendimiento obtenido según: cantidad real obtenida % rendimiento = cantidad teórica



100

Resultados

1. Rendimiento de cloruro de benciltrifenilfosfonio Peso de trifenilfosfina............................................................. g Moles de trifenilfosfina........................................................... moles Peso de cloruro de bencilo...................................................... g


Moles de cloruro de bencilo ................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de cloruro de benciltrifenilfosfonio.............................................................................. g Cantidad de cloruro de benciltrifenilfosfonio ......................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2. Rendimiento de trans-estilbeno Peso de benzaldehído............................................................. g Moles de benzaldehído .......................................................... moles Peso de cloruro de benciltrifenilfosfonio ................................ g Moles de cloruro de benciltrifenilfosfonio .............................. moles Peso de hidróxido sódico........................................................ g Moles de hidróxido sódico...................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de trans-estilbeno................ g Cantidad de trans-estilbeno.................................................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 3. Rendimiento global Se calcula mediante la fórmula indicada en el Experimento 12 del Texto Curso Experimental de Química Orgánica . 6

Ejercicios

1. Indicar que otros métodos existen para preparar alquenos. ¿Qué ventaja tiene la reacción de Wittig? 2. ¿Qué modificación introduce la reacción de Horner-Emmons? ¿En qué consiste la reacción de Arbuzov? 3. Justificar por qué en la reacción de este experimento se obtiene una mezcla de isómeros cis- y trans-estilbenos. ¿Por qué se purifican tan facilmente ambos isómeros? 4. Explicar en que consiste la técnica de transferencia de fase (CTF). ¿Qué ventajas ofrece esta metodología? 5. Preparar mediante la reacción de Wittig los siguientes alquenos: cis3-hexeno; trans 2-penteno; trans-3-fenilpropenoato de etilo.

E XPERIMENTO 5 Síntesis de 1,2:4,5-di-O-ciclohexilidenD-fructopiranosa Paloma Ballesteros García

Objetivo general

Proteger los grupos hidroxílicos de un hidrato de carbono, la Dfructosa, mediante la formación de un acetal cíclico con la ciclohexanona. Objetivos específicos

1. Estudiar la formación de acetales cíclicos con dioles vecinales. 2. Preparar y purificar 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa. 3. Calcular el rendimiento obtenido. Duración del experimento

Dos días.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

51 Experimento 5. Síntesis de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa

1


La funcionalización de los hidratos de carbono requiere, en multitud de ocasiones, la reacción selectiva de sólo uno de los grupos hidroxílicos. Como la reactividad de casi todos estos grupos es muy semejante, se requiere la protección de alguno de ellos para dejar libre el grupo hidroxilo que debe ser funcionalizado. En este experimento se lleva cabo la protección de los hidroxilos 1, 2, 4 y 5 de la D-fructosa para dejar libre el grupo hidroxilo de la posición 3. Se utiliza como grupo protector de dioles vecinales un acetal cíclico derivado de la ciclohexanona. Los acetales se forman por reacción de alcoholes con aldehídos o cetonas en medio ácido y transcurre por el siguiente mecanismo:


Cuando los alcoholes son 1,2- ó 1,3-dioles se producen acetales cíclicos de 5 ó 6 miembros de gran utilidad en la protección de monosacáridos. En general, las cetonas reaccionan preferentemente con 1,2-dioles para dar compuestos de 5 eslabones (A), mientras que los aldehídos reaccionan con 1,3-dioles y originar anillos de 6 miembros (B).

La protección de hidratos de carbono por esta vía produce estructuras piranósicas o furanósicas protegidas, dependiendo de la geometría más favorable para la formación del acetal cíclico. En este caso se obtiene un derivado de fructopiranosa ya que los grupos hidroxílicos vecinales se encuentra en una disposición más accesible para la formación del acetal cíclico con la ciclohexanona. 2


Material

— — — — — — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de dos bocas de 50 mL. Una probeta de 50 mL. Un embudo de decantación de 100 mL. Dos erlenmeyer de 100 mL. Un kitasato. Un buchner. Placa de agitación magnética. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras.


— — — — —

Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética.

Productos

— — — — —

D-Fructosa pulverizada.

Ciclohexanona. Ácido sulfúrico concentrado. Cloruro de metileno. Hielo.

3


VOGEL’S, Textbook of Practical Organic Chemistry, 5.a Ed. Longman Scientific & Technical NY 1989, pág. 654.

4 4.A

Procedimiento experimental Preparación de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden- Dfructopiranosa

En un matraz de fondo redondo de 50 mL, provisto de agitación magnética, se introducen 4,19 g (4,4 mL, 0,045 moles) de ciclohexanona y 0,3 mL de ácido sulfúrico concentrado. Se enfría en un baño de hielo y se añade, mientras se agita vigorosamente, 2 g (0,011 moles) de D-fructosa pulverizada y seca. Se retira el baño de hielo y la mezcla de reacción se transforma en un sólido después de aproximadamente 30 minutos. Se disuelve el producto resultante en 5 mL de cloruro de metileno. Se transfiere la solución orgánica a un embudo de decantación de 100 mL y se lava con una disolución de NaOH diluida (10%), HCl diluido (10%) y agua hasta pH neutro. Se seca la disolución orgánica con sulfato sódico anhidro, se filtra y se evapora en el rotavapor. El residuo solidifica para dar 1,42 g (37%) de


1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa que se recristaliza en heptano. P. F. = 145-146 °C, []D20 -133,5 (c 1 en cloroformo). 5


Cálculos




100

Resultados

1. Rendimiento de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopiranosa Peso de D-fructosa .................................................................. g Moles de D-fructosa................................................................ moles Peso de ciclohexanona............................................................ g Moles de ciclohexanona ......................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de 1,2:4,5-di-O-ciclohexilienD-fructopiranosa ................................................................. g Cantidad real de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden D-fructopiranosa . g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. Indique que otros grupos protectores se han utilizado en la química de hidratos de carbono. Ponga ejemplos concretos. 2. Teniendo en cuenta las consideraciones geométricas necesarias para la formación de acetales cíclicos, proponer la estructura más favorable (furanósica ó piranósica) obtenida en la protección 1,2:5,6 de la D-glucosa con ciclohexanona.


3. Formule los productos protegidos y la reacción implicada en la protección de los siguientes azúcares en forma de acetónidos cíclicos 1,2: — — — — —

D-Alosa L-Gulosa D-Talosa L-Manosa D-Arabinosa

4. En este experimento no se han incluido las características espectrocópicas del producto sintetizado. Realice su espectro de 1H RMN así como su IR y caracterice y asigne cada uno de ellos.

E XPERIMENTO 6 Síntesis de terc -butilmetilcetona: -butilmetilcetona: transposición transposició n pinacolínica Paloma Ballesteros García

Objetivo general

Sintetizar terc-butilmetilcetona (pinacolona) por transposición de 2,3-dimetil-2,3-butanodiol 2,3-dimetil-2,3-bu tanodiol (pinacol) en medio ácido.

Objetivos específicos

1. Preparar y purificar terc-butilmetilcetona. 2. Estudiar la reacción reacción de transposición transposición en medio ácido ácido de dioles vecinales. 3. Calcular el rendimiento rendimiento obtenido. obtenido.

Duración del experimento

Seis horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de terc-butilmetilceton -butilmetilcetonaa (Pinacolona) 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

59 Experimento 6. Síntesis de terc -butilmetilcetona: -butilmetilcetona: transposición pinacolínica

1


Cuando los dioles vecinales (glicoles) se tratan con ácidos sufren una transposición que da lugar a aldehídos o a cetonas. Esta reacción se denotransposici osición ón pinaco pinacolínica línica por referencia a la conversión del pinacol mina transp (2,3-dimetil-2,3-butanodiol) en pinacolona ( terc-butilmetilcetona) pero tiene lugar en una gran variedad de glicoles. El mecanismo por el que transcurre esta transposición implica un sencillo desplazamiento 1,2.

Como se observa en el esquema, el carbocatión inicial se forma en un carbono terciario, por lo tanto muy estable, sin embargo la transposición tiene lugar, como consecuencia de que los carbocationes estabilizados por un átomo de oxígeno son todavía más estables que los terciarios.


En este caso, al ser el pinacol un diol simétricamente sustituido por grupos metilo, es un metilo el grupo que migra. Sin embargo, existen ejemplos en los que se observa migración de otros grupos alquilo, arilo, hidrógeno e incluso etóxicarbonilo. En la mayoría de los casos los dos carbonos del glicol contienen al menos un grupo alquilo o arilo, aunque normalmente este tipo de transposiciones tienen lugar en glicoles tri- y tetra-sustituidos. 2


Material

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL. Una probeta de 50 mL. Un embudo de adición de 100 mL. Una pera de goma. Un refrigerante de destilación. Una cabeza de destilación. Un termómetro de 0 a 200 °C. Dos erlenmeyer de 100 mL. Dos matraces de fondo redondo de 50 mL. Placa calefactora de agitación magnética. Baño de silicona. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética.

61 Experimento 6. Síntesis de terc -butilmetilcetona: transposición pinacolínica

Productos

— — — —

Pinacol. Ácido sulfúrico concentrado. Sulfato sódico anhidro. Hielo.

3


Vogel’s, Textbook of Practical Organic Chemistry , 5.a Ed. Longman Sientific & Technical NY 1989, pág. 623.

4 4.A

Procedimiento experimental Preparación de terc-butilmetilcetona (Pinacolona)

En un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL, provisto de agitación magnética, embudo de adición y sistema de destilación, se introducen mediante un embudo de sólidos 5 g de pinacol y 25 mL de ácido sulfúrico 3M. Se coloca en un baño de silicona y se destila (Nota 1) hasta que la capa superior del destilado no aumenta más (5 a 10 minutos). Se separa la capa superior de pinacolona y el agua se devuelve al matraz a través del embudo de adición. Se añaden 2,4 mL de ácido sulfúrico concentrado al agua del matraz y otra porción de 5 g de pinacol hidrato. Se repite la destilación y se combinan los dos destilados de pinacolona y se secan con sulfato sódico anhidro. Se decanta y se destila para obtener la pinacolona pura, Pto. eb. 103-107 °C. Características espectroscópicas: IR (film): 2970, 1709, 1478, 1355, 1275, 1137, 954, 674, 554 cm–1. 1

H-RMN (CDCl3):  = 2,11 (s, 3 H); 1,15 (s, 9H) ppm.


NOTA 1. Al principio de la destilación se recogen fracciones de bajo punto de ebullición durante aproximadamente 1,5 horas. Seguidamente, comienza la destilación a un punto de ebullición de aproximadamente 100 °C.

5


Cálculos





100

Resultados

1. Rendimiento de terc-butilmetilcetona Peso de pinacol ...................................................................... g Moles de pinacol .................................................................... moles Peso de ácido sulfúrico ........................................................... g Moles de ácido sulfúrico......................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de terc-butilmetilcetona ...... g Cantidad real de terc-butilmetilcetona ................................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. Explicar mecanísticamente porqué el tratamiento ácido del 2-metil1,2-propanodiol conduce a 2-metilpropanal en lugar de a 2-butanona.

63 Experimento 6. Síntesis de terc -butilmetilcetona: transposición pinacolínica

2. Indicar que transposición tiene lugar en la siguiente transformación:

¿Podría producirse algún producto secundario en la reacción? 3. Escribir para los siguientes alcoholes la estructura del ión oxonio que se produce por protonación con ácido fuerte. Si el ión oxonio es capaz de perder fácilmente agua, escribir la estructura del carbocatión formado. Y finalmente, si este carbocatión es susceptible de sufrir una transposición, escribir las estructuras de todos los nuevos carbocationes que se podrían formar.

E XPERIMENTO 7 Reacciones de orto -fenilendiamina con acetilacetona Paloma Ballesteros García

Objetivo general

Ilustrar que las condiciones de reacción son esenciales para la obtención de productos distintos a partir de los mismos productos de partida. Objetivos específicos

1. Preparar y purificar el sulfato ácido de 2,4-dimetil-6,7-benzo1,5-diazepina. 2. Estudiar la reacción de ciclocondensación en medio ácido de una 1,3-dicetona con una 1,2-diamina aromática: «Reacción de Thiele». Obtención de una sal de benzo-1,5-diazepina. 3. Estudiar la reacción de o-fenilenodiamina con acetilacetona en presencia de sales de Níquel(II): «Efecto Template». 4. Aislar y purificar un macroheterociclo. Duración del experimento

Tres días.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de sulfato ácido de 2,4-dimetil-6,7-benzo-1,5diazepina 4.B. Preparación de 5,7,12,14-tetrametildibenzo[ b,i ][1,4,8,11]tetraazaciclotetradecahexaenato de níquel (II) 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

67 Experimento 7. Reacciones de orto-fenilendiamina con aceilacetona

1


La reacción de condensación de o-fenilendiamina con pentan-2,4-diona para dar lugar a 1,5-benzodiazepinas, fue descrita por primera vez en 1907 por los químicos alemanes Thiele y Steimming. Estudios posteriores demostraron que esta reacción, de gran utilidad sintética, es dependiente del pH y que los mejores rendimientos se obtienen en condiciones ligeramente ácidas. Las 1,5-benzodiazepinas se aíslan, generalmente, como sales de su forma tautómera 1 H que presentan una fuerte coloración, debido a su similitud estructural con un sistema cíclico de cianina. La liberación de la base produce 1 H-1,5-benzodiazepinas, de color amarillo, que tautomerizan espontáneamente a su isómero 3 H de mayor estabilidad.


Sin embargo, cuando esta reacción de condensación transcurre en presencia de iones Ni(II) se produce un macroheterociclo de catorce miembros formado por dos moléculas de aducto. El uso de iones metálicos es muy común para aumentar los rendimientos de ciclocondensaciones en las que estan implicadas bases de Schiff. El fenómeno se conoce como «efecto tem plate» y es una consecuencia directa de las propiedades de coordinación del ión metálico utilizado. Los grupos amino de la base de Schiff se sitúan en una correcta yuxtaposición a través de la coordinación con el metal, de tal manera que la formación del macroheterociclo está favorecida. El compuesto cíclico suele aislarse como su complejo metálico, aunque puede ser desmetalado para liberar el ligando macrocíclico.


2


Material

— — — — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL. Una probeta de 50 mL. Una pipeta de 5 mL o probeta de 10 mL. Un embudo de adición de 10 mL. Una pera de goma. Un refrigerante de reflujo. Un termómetro de 0 a 200 °C. Un septum. Un globo con adaptador de aguja. Una aguja.


— — — — — — — — — — — — — — —

Un buchner Un kitasato Placa calefactora de agitación magnética. Baño de silicona. Un desecador a vacío Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez.. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética.

Productos

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Acetilacetona. Etanol absoluto. o-Fenilendiamina. Ácido acético glacial. Ácido sulfúrico concentrado. Éter etílico. Acetato de níquel(II) tetrahidrato. Metanol absoluto. P2O5 Hielo. Referencias bibliográficas

L. F. TIETZE, TH. EICHER, Reactions and Synthesis, págs. 341-342, University Science Books, Mill Valley, California (1989).


4 4.A

Procedimiento experimental Preparación de sulfato ácido de 2,4-dimetil-6,7benzo-1,5-diazepina

En un matraz de fondo redondo de dos bocas de 100 mL, provisto de agitación magnética, se disuelven a 40 °C, 2,37 g (0,022 moles) de o-fenilendiamina (Nota 1) en 9 mL de etanol absoluto y 4 mL de ácido acético glacial. A la solución resultante se añaden, en porciones a través del embudo de adición, 2,19 g (0.022 moles) de acetilacetona (Nota 1). Una vez finalizada la adición se añaden 13 mL de agua. Se enfría en un baño de hielo y a la solución púrpura se añaden 3 mL (0,012 moles) de ácido sulfúrico concentrado. El producto cristalino que precipita se recoge por filtración a vacío y se lava, sucesivamente, con la mínima cantidad de agua enfriada a 0 °C y éter etílico. La sal de color púrpura se lava con etanol y se seca en un desecador a vacío (4,9 g, 82%), P. F. = 224-226 °C. Características espectroscópicas: IR (KBr): 3450, 3280, 3220, 2980, 1640, 1600, 1220-1170 cm–1. H-RMN (DMSO-d6):  = 9,65 [s (ancho), 2 H]; 8,7 [s (ancho) 1 H]; 7,06,65 (m, 2H), 6,65-6,30 (m, 2 H); 4,12 (s, 1H); 1,79 (s, 6 H) ppm. 1

4.B

Preparación de 5,7,12,14-tetrametildibenzo[b,i] [1,4,8,11]tetraazaciclotetradecahexaenato de níquel(II)

En un matraz de dos bocas de 100 mL con 50 mL de metanol desgasificado (Nota 2) se introducen 5 g (0,020 moles) de acetato de níquel(II) tetrahidrato y 4,35 g (0.040 moles) de o-fenilendiamina (Nota 1). Se coloca, en una de las bocas, el embudo de adición de presión compensada con 4,3 g (0,040 moles) de acetilacetona (Nota 1). Se conecta un refrigerante de reflujo con un septum de goma en el extremo que sostiene un globo inflado con argon. Se deja circular el argon del globo a través del sistema de matraz, refrigerante y embudo de adición. Se tapa entonces, el embudo de


adición, se infla otra vez el globo con argon y se pincha en el septum para mantener una atmósfera inerte. Por el embudo de adición se añade la acetilacetona. La mezcla de reacción se calienta en atmósfera de argon a reflujo durante 48 horas. La solución se enfria en un baño de hielo y el precipitado de color oscuro que se forma se recoge por filtración a vacío y se lava tres veces con 10 mL de metanol a 0 °C. El producto así recogido se seca en un desecador a vacío para dar lugar al complejo de níquel como un polvo cristalino de color verde oscuro (6,7 g, 83%). P. F. = 254-256 °C. Características espectroscópicas: IR (KBr): 1540, 1460, 1390, 1270, 1200, 1030, 735 cm–1. 1

H-RMN (CDCl3):  = 6,62 (s, 8 H); 4,85 (s, 2H); 2,08 (s, 12 H) ppm.

NOTAS 1. La acetilacetona se destila (Pto. eb. 760 137-138 °C) y la o-fenilendiamina se recristaliza de agua (ver experimento 8) y se seca sobre P 2O5 antes de usarse. 2. La desgasificación desgasificación de un disolvente disolvente puede realizarse de varias maneras maneras pero una de las más sencillas es la que consiste en burbujear un gas químicamente inerte (Ej. Helio) a través del disolvente. Es aconsejable que el gas sea forzado a pasar por todo el volumen del líquido, para lo cual se utiliza un difusor en la salida de la tubería del gas.

5


Cálculos





100

73 Experimento 7. Reacciones de orto orto-fenilendiamina -fenilendiamina con aceilacetona

Resultados

1. Rendimiento de de sulfato ácido de 2,4-dimetil-6,7-benzo-1, 2,4-dimetil-6,7-benzo-1,5-diazepina 5-diazepina Peso de o-fenilendiamina ........... ....................... ........................ ........................ .................... ........ g Moles de o-fenilendiamina ........... ....................... ........................ ........................ .................. ...... moles Peso de acetilacetona ........... ........................ ......................... ........................ ......................... ............. g Moles de acetilacetona acetilacetona........... ....................... ........................ ........................ ........................ ............ moles Cantidad Cant idad teórica teórica que se obtiene obtiene de sal bezodiazepin bezodiazepinaa .... ........ ....... ... g Cantidad de sal de benzodiazepina benzodiazepina obtenida ............ ........................ .............. g Rendimiento obtenido obtenido ............ ........................ ......................... ......................... ....................... ........... % 2. Rendimiento de 5,7,12,14-tetrametildibenzo[ b,i ][1,4,8,11]tetraaza][1,4,8,11]tetraazaciclotetradecahexaenato ciclotetradecahexaen ato de níquel(II) Peso de o-fenilendiamina ........... ....................... ........................ ........................ .................... ........ g Moles de o-fenilendiamina ........... ....................... ........................ ........................ .................. ...... moles Peso de acetilacetona ............ ........................ ........................ ......................... ......................... ............ g Moles de acetilacetona acetilacetona........... ....................... ........................ ........................ ........................ ............ moles Peso de acetato de níquel(II) tetrahidrato............ tetrahidrato........................ ................... ....... g Moles de acetato acetato de níquel(II) níquel(II) tetrahidrato ........... ....................... ................. ..... moles Cantidad teórica que que se obtiene obtiene de complejo de níquel(II) ..... g Cantidad de complejo de níquel(II) obtenida.................. obtenida.......................... ........ g Rendimiento obtenido obtenido............ ......................... ......................... ........................ ....................... ........... % 6

Ejercicios

1. En la parte teórica se ha comentado que las 1 H-benzodiazepinas tautomerizan espontáneamente a su isómero 3 H más estable. Sin embargo, investigadores japoneses comunicaron comunicaron en 1970, que habían obtenido un hidrato del tautómero 1 H, en la condensación de benzoilacetona con o-fenilendiamina -fenilendiamina.. Más tarde, se ha sugerido que el compuesto obtenido por el grupo japones no es el citado hidrato, sino el compuesto acíclico formado inicialmente en la reacción. ¿Cómo podrían distinguirse, espectroscópicamente, ambos compuestos para asignar inequívocamente la estructura?


2. Sintetizar las siguientes siguientes 1,5-benzodiazepinas 1,5-benzodiazepinas por por el método de condensación de Thiele: 2-metoximetil-4-metil-1,5-benzodiazepina; 2,4di(bromometil)-1,5-benzodiazepina; 2-(2-selenofenil)-4-metil-1,5benzodiazepina; benzodiazep ina; 2-(3-etoxi-2-q 2-(3-etoxi-2-quinoxalil)-4-me uinoxalil)-4-metil-1,5-bezod til-1,5-bezodiaze-pina iaze-pina y 2-(4-hidroxi-3-cumarinil)-4-metil-1,5-benz 2-(4-hidroxi-3-cumar inil)-4-metil-1,5-benzodiazepina. odiazepina. 3. Indicar, consultando consultando la bibliografía, que otras otras síntesis se han propuesto para la preparación de 1,5-benzodiazepinas. 4. De acuerdo con los datos datos espectroscópicos espectroscópicos de 1H-RMN que se refle jan en la parte experimental, asigne cada uno de los protones. Dar una explicación de las multiplicidades observadas. observadas. 5. Ilustrar algunos algunos ejemplos de síntesis en los los que se haya utilizado utilizado el «efecto template».

E XPERIMENTO 8 Síntesis de bencimidazol y benzotriazol Dionisia Sanz de Castillo

Objetivo general

Estudiar la reactividad de 1, 2-diaminas (en este caso del 1, 2-diaminobenceno) para la síntesis de heterociclos nitrogenados. Objetivos específicos

1. Estudiar la condensación de aminas con ácidos carboxílicos para la obtención de 1, 3-azoles. 2. Estudiar la diazotación de o-fenilendiamina para la síntesis de benzotriazoles. 3. Purificar los productos obtenidos por cristalización. 4. Purificar el benzotriazol por sublimación. 5. Calcular el rendimiento obtenido. Duración del experimento

Diez horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 1.A. Síntesis del bencimidazol 2.B. Síntesis del benzotriazol 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación del bencimidazol 4.B. Síntesis del benzotriazol 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

77 Experimento 8. Síntesis de bencimidazol y benzotriazol

1

1.A


Síntesis del bencimidazol

El método más general para la síntesis de bencimidazoles consiste en la reacción de condensación de la o-fenilendiamina con ácidos carboxílicos y derivados, como podemos observar si se hacen las desconexiones de los enlaces carbono-nitrógeno del anillo pentagonal.

El mecanismo de esta reacción es el siguiente:


Aunque la ciclación conduce directamente al bencimidazol cuando se realiza con el ácido fórmico, en algunos casos el intermedio puede ser aislado. En esta reacción también puede formarse el derivado de doble adición que evoluciona al bencimidazol por calefacción en medio ácido.

Como se observa, se pueden sintetizar una gran variedad de bencimidazoles 2-sustituidos en función del reactivo utilizado; además por este procedimiento también pueden prepararse bencimidazoles sustituidos en el nitrógeno funcionalizando previamente uno de los grupos amino. 1.B

Síntesis del benzotriazol

El análisis retrosintético del benzotriazol muestra que el reactivo más adecuado para su síntesis, es a partir de la o-fenilendiamina.

Esta reacción consiste en la reacción de monodiazotación de la o-fenilendiamina para formar la correspondiente sal de diazonio que cicla para dar el benzotriazol.


2


Material

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Un matraz de fondo redondo de 100 mL. Una pieza de agitación magnética. Placa calefactora de agitación magnética. Probetas de 10 mL y 50 mL. Un refrigerante de reflujo con tubos de goma. Un termómetro de 0 a 200 °C. Baño de silicona. Papel pH indicador universal. Pipetas Pasteur. Tetinas de goma. Vaso de precipitado de 200 mL. Un embudo cónico de 5 cm de diámetro. Un erlenmeyers de 20 mL y 250 mL. Baño de agua/hielo. Trompa de agua. Un kitasato de 250 mL. Junta cónica de goma para kitasato. Un embudo buchner de 5 cm de diámetro. Aparato de puntos de fusión y capilares. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma para refrigerante. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Estufa. Sublimador.


Productos

— — — — — — —

o-fenilendiamina. Ácido fórmico 90%. Hidróxido sódico al 10%. Carbón activo. Ácido acético glacial. Nitrito sódico. Hielo.

3


VOGEL’S, Texbook of Practical Organic Chemistry, pág. 1162. 1989 ELLIS, Heterocyclic Compounds. Syntheses of fused heterocycles, 47, cap. 76, pág. 398.

4 4.A

Procedimiento experimental Síntesis del bencimidazol

En un matraz de fondo redondo de 100 mL, provisto de una pieza de agitación magnética, se introducen 6.75 g (0,0625 moles) de o-fenilendiamina (Nota 1) y se añaden 4,375 g (4 mL, 0,085 moles) de ácido fórmico del 90%. Se conecta un refrigerante de reflujo y se introduce en un baño de silicona. La mezcla se calienta con agitación durante dos horas a una temperatura de 100 °C . Se deja enfriar y se añade lentamente, manteniendo la agitación, una disolución de hidróxido sódico al 10% hasta un pH ligeramente alcalino. El sólido formado se filtra sobre un embudo büchner en una trompa de vacío y se lava dos veces con 6 mL de agua fría (mezcla de agua-hielo) dejando la mínima cantidad posible de agua en el crudo del bencimidazol. Este crudo se purifica recristalizando con agua, para esto se disuelve en la mínima cantidad de agua caliente. Una vez disuelto se añade 0,5 g de carbón activo (para decolorar) y se deja a ebullición durante 15 minutos. Filtrar rápidamente con un embudo cónico sobre un filtro de pliegues en un erlenmeyer


de 250 mL y dejar enfriar el filtrado a 10 °C, después se recoge el producto cristalizado por filtración a vacío sobre un embudo Buchner, lavar con 6 mL de agua fria y secar el producto en una estufa a 100 °C. Rendimiento del bencimidazol es de aproximadamente 6,25 g (85 %) Pf=171-172 °C. IR (KBr): 3200-2400(NH) cm–1. IR (solución): 3470-3400(NH) cm–1. H-RMN (DMSO-d6):  = 12.4(s ancho, 1H); 8.23(s, 1H), 7.59(m, 2H) y 7.18(m, 2H)ppm. 1

4.B

Síntesis del benzotriazol

En un erlenmeyer de 250 mL, se disuelven 5,4 g (0,05 moles) de o-fenilendiamina (Nota 1) con una mezcla de 6 g (5,75 mL, 0,1 moles) de ácido acético glacial y 15 mL de agua, es posible que se tenga que calentar ligeramente. A esta disolución se le pone una pieza de agitación magnética y se enfría a 15 °C con un baño de agua/hielo, se comienza a agitar la disolución y se adiciona rápidamente una disolución de 3,8 g (0,055 moles) de nitrito sódico en 7,5 mL de agua. La mezcla de reacción aumenta su temperatura y en dos o tres minutos llega aproximadamente a 85 °C; al enfriarse el color va evolucionando de un rojo intenso a marrón claro. Se continúa la agitación durante 15 minutos más y cuando la temperatura llega a 35-40 °C, se pone la mezcla de reacción en un baño de agua/hielo y se deja agitando durante 30 minutos más. El sólido marrón que se ha formado se recoge filtrando sobre un embudo buchner en la trompa de vacío, se lava tres veces con porciones de 15 mL de agua helada. Para purificar el producto (Nota 2) se disuelve el sólido en la mínima cantidad de agua a ebullición (aproximadamente 50 mL), una vez disuelto se añade carbón activo para decolorar dejándolo actuar durante 10 minutos. Filtrar en caliente sobre un filtro de pliegues y dejar enfriar el filtrado a 50 °C, si a esta temperatura no comienza la cristalización, añadir los cristales del crudo de benzotriazol para favorecer la cristalización. Dejar que la disolución se enfríe lentamente a temperatura ambiente (para evitar que se forme un aceite) y después enfriar con un baño de agua/hielo durante 10


minutos. Filtrar a vacío sobre un embudo Büchner y recoger el benzotriazol, que cristaliza en agujas poco coloreadas de pf = 99-100 °C. Se puede obtener más producto concentrando el filtrado. El rendimiento es de 4 g aproximadamente (67%). El producto puro se obtiene por sublimación calentando el sublimador a 90-95 °C a un vacío de 0.2 mmHg. IR (solución): 3200-3100(NH) cm–1. H-RMN (DMSO-d 6): 2H)ppm. 1



= 15.6(s ancho, 1H); 7.90(m, 2H) y 7.42(m,

NOTAS 1. La o-fenilendiamina está generalmente contaminada con pequeñas cantidades de impurezas muy coloreadas, por lo que para obtener los productos sin color hay que purificar previamente este reactivo. Disolver la o-fenilendiamina en la mínima cantidad de agua caliente que contiene ditionito sódico (1 g en 100 mL H 2O / 20 g de amina), añadir carbón activo (2 g / 20 g de amina) para decolorar y mantener a ebullición durante 15 minutos, filtrar en caliente sobre un filtro de pliegues y enfriar rápidamente en una mezcla de hielo/sal. Filtrar los cristales no coloreados del producto sobre un embudo buchner y secar en un desecador sobre pentóxido de fósforo a vacío. 2. Se guardan aproximadamente 50 mg del crudo que serán utilizados para favorecer la cristalización.

5


Cálculos





100


Resultados

1. Rendimiento del bencimidazol Peso de o-fenilendiamina ....................................................... g Moles de o-fenilendiamina ..................................................... moles Peso de ácido fórmico ............................................................ g Moles de ácido fórmico .......................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene bencimidazol ....................... g Cantidad bencimidazol obtenido............................................ g Rendimiento obtenido............................................................ % 2. Rendimiento del benzotriazol Peso de o-fenilendiamina ....................................................... g Moles de o-fenilendiamina ..................................................... moles Peso de nitrito sódico ............................................................. g Moles de nitrito sódico........................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene benzotriazol......................... g Cantidad benzotriazol obtenido ............................................. g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. Indique algún método para la preparación de 1-metilbenzotriazol. 2. Proponga un método para la síntesis del 2-metilbencimidazol. 3. ¿Qué diferencias puede haber entre los espectros del bencimidazol y el 1-metil-bencimidazol? 4. ¿Por qué en la síntesis del benzotriazol, cuando se añade el nitrito sódico se calienta la disolución? 5. ¿Qué productos se obtienen si el benzotriazol se trata con sulfato de dimetilo o yoduro de metilo en medio básico?

E XPERIMENTO 9 Síntesis de 3,5-dimetilpirazol. Reactividad frente a agentes electrófilos: bromación Rosa María Claramunt Vallespí

Objetivo general

Sintetizar heterociclos aromáticos de cinco eslabones con dos heteroátomos en posiciones 1,2. Estudiar su reactividad frente a agentes electrófilos. Objetivos específicos

1. Utilizar la estrategia general de formación de anillos de cinco eslabones a partir de fragmentos 3+2. 2. En el caso concreto de 3,5-dimetilpirazol efectuar la desconexión de los dos enlaces carbono-nitrógeno y determinar qué reactivos son los equivalentes sintéticos de los dos fragmentos obtenidos, 2,4-pentanodiona e hidrazina, como fragmentos de tres y dos eslabones, respectivamente. 3. Condensar un compuesto 1,3-dicarbonílico, la 2,4-pentanodiona, con hidrazina. 4. Purificar el 3,5-dimetilpirazol por cristalización o sublimación. 5. Efectuar la reacción electrófila de bromación en posición 4 del 3,5-dimetilpirazol. 6. Aislar, purificar e identificar el 3,5-dimetil-4-bromopirazol. Duración del experimento

8 horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 1.A. Síntesis de 3,5-dimetilpirazol 1.B. Reacción de bromación del 3,5-dimetilpirazol 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Síntesis de 3,5-dimetilpirazol 4.B. Reacción de bromación del 3,5-dimetilpirazol 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

87 Experimento 9. Síntesis de 3,5-dimetilpirazol. Reactividad frente a agentes...

1

1.A


Síntesis de 3,5-dimetilpirazol

Uno de los métodos más utilizados para la síntesis de pirazoles consiste en la reacción de condensación de compuestos 1,3-dicarbonílicos con hidrazinas, como puede observarse al efectuar las desconexiones de los enlaces carbono-nitrógeno.


El mecanismo de esta reacción consiste en la doble reacción de condensación (adición-eliminación) de los grupos NH 2 de la hidrazina con los grupos carbonilo de la 1,3-dicetona.

La reacción ocurre con gran facilidad y el producto una vez aislado (Ver parte experimental) se purifica fácilmente por cristalización o sublimación. 1.B

Bromación del 3,5-dimetilpirazol

Los pirazoles reaccionan con agentes electrófilos como los halógenos en el carbono de la posición 4. Así utilizando bromo en un 5-15% de exceso en ácido acético glacial o en cloroformo, el 3,5-dimetilpirazol conduce al 3,5dimetil-4-bromopirazol con rendimiento cuantitativo.

La sustitución electrófila se produce en posición 4, ya que en ninguna de las formas canónicas para los intermedios de reacción, existe carga positiva en el nitrógeno-2.


2


Material

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

Un matraz de tres bocas y fondo redondo de 100 mL. Un refrigerante de reflujo. Una pieza de agitación magnética. Un embudo de adición. Placa calefactora de agitación magnética. Una pipeta o probeta de 10 mL. 1 juego de pipetas Pasteur Una pera de goma. Un termómetro de –10 a 200 °C. Baño de silicona. Un embudo de decantación de 250 mL. Una probeta de 50-100 mL. Papel pH indicador universal Un embudo de 5 cm de diámetro Dos erlenmeyers de 100 mL. Dos erlenmeyers de 50 mL Trompa de agua. Kitasato de 100 mL. Un embudo Buchner de 5 cm de diámetro Aparato de puntos de fusión y capilares. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Aros metálicos con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro.


— Estufa. — Sublimador. Productos

— — — — — — — — — — — —

2,4-pentanodiona o acetilacetona. Sulfato de hidrazina. Hidróxido sódico 2,5 M. Éter etílico. Etanol. Hexano o éter de petroleo (fracción de p. eb. = 80-100 °C). Bromo. Ácido acético glacial. Hielo. Cloruro sódico. Carbonato sódico o potásico. Carbonato potásico anhidro.

3


VOGEL’S, Texbook of Practical Organic Chemistry , 5.a ed. Longman Scientific & Technical, Essex, 1989, 1146. J. ELGUERO y R. JACQUIER, Bull . Soc. Chim. France 1966, 2832. A. R. K ATRITZKY y CH. W. REES (Eds.), Comprehensive Heterocyclic Chemistry , 1.a ed. Pergamon Press, London, 1984, vol. 5, 167.

4 4.A

Procedimiento experimental Síntesis de 3,5-dimetilpirazol

En un matraz de tres bocas de 100 ml de capacidad equipado con termómetro, refrigerante de reflujo, embudo de adición y pieza de agitación magnética se disuelven 6,5 g (0,05 moles) de sulfato de hidrazina (Nota 1)


en 40 mL de una disolución de hidróxido sódico 2,5 M. El conjunto se dispone en un baño de hielo y cuando la temperatura alcanza 15° C (en este momento puede que se separe sulfato sódico como un precipitado) se añaden mediante el embudo de adición 5 g de 2,4-pentanodiona (0,05 moles, 5,15 mL), gota a gota y con agitación constante, procurando que la reacción no sobrepase los 15 °C. Una vez terminada la adición se agita durante 1 hora a esa misma temperatura observándose la aparición del 3,5-dimetilpirazol. Se añaden 20 mL de agua y se continúa la agitación unos minutos para disolver las sales inorgánicas. La suspensión de 3,5-dimetilpirazol se transfiere a un embudo de decantación y se extrae con 60 mL de éter (en tres veces utilizando porciones de 20 mL). Los extractos etéreos se juntan y la capa etérea se seca sobre carbonato potásico anhidro y se elimina el éter con el rotavapor. El producto obtenido, algo amarillento, se recristaliza de hexano o éter de petróleo de punto de ebullición 80-100 °C. El 3,5-dimetilpirazol cristalizado funde a 107-108 °C y se calcula el rendimiento a partir de la pesada obtenida una vez esté bien seco (Rto. aproximado 75%). El producto puede también ser purificado por sublimación (Temperatura exterior del baño = 80 °C, Presión= 11 mm de Hg). IR (KBr): 3150 (banda ancha), 1565, 1465, 1400, 1280, 1140, 1010, 990, 830, 760, 720, 640 cm–1. 1

H-RMN (CDCl3):  en ppm= 2,25 (s, 6H); 5,75 (s, 1H); 11,5 (s, 1H).

NOTA 1 Aunque es posible realizar la reacción utilizando directamente hidrato de hidrazina comercial (desde 60 hasta 98%), este reactivo es extremadamente corrosivo y requiere trabajar con precaución. La hidrazina es un agente cancerígeno.

4.B

Bromación de 3,5-dimetilpirazol

NOTA DE ADVERTENCIA : Esta reacción debe llevarse a cabo en vitrina, utilizando gafas de seguridad y guantes de protección.


En un matraz de fondo redondo de 100 mL y tres bocas, provisto de termómetro, refrigerante de reflujo, embudo de adición de 50-100 mL y agitación magnética se disuelven 3 g de 3,5-dimetilpirazol (0,031 moles) en la mínima cantidad posible de ácido acético glacial. Se añaden con agitación intensa 5,6 g (0,035 moles) de bromo en 20 mL de ácido acético glacial (NOTA 2) durante 5 minutos (Si la reacción es muy exotérmica se enfriará el matraz con hielo procurando que la temperatura no sobrepase los 1520 °C). Se deja a temperatura ambiente 1 hora, observándose la formación de un precipitado del bromhidrato del producto de reacción, y 30 minutos a 80 °C. Se enfría la mezcla de reacción a temperatura ambiente y se elimina el ácido acético y el exceso de bromo con el rotavapor. El residuo sólido obtenido se disuelve en 20 mL de agua y se neutraliza con carbonato sódico (hasta pH = 8) con objeto de liberar el derivado pirazólico de su bromhidrato y se extrae con 50 mL de cloruro de metileno. La capa orgánica se separa en un embudo de decantación, se seca sobre carbonato potásico anhidro, se evapora el cloruro de metileno a vacío con el rotavapor y el 3,5-dimetil-4-bromopirazol se recristaliza en etanol-agua (1:2). El rendimiento es aproximadamente del 80% y el producto funde a 123 °C. IR (KBr): 3100 (banda ancha), 1570, 1460, 1400, 1290, 1150, 1090, 1030, 790, 760 cm–1. 1

H-RMN (CDCl3):  en ppm = 2,2 (s, 6H); 8,35 (s, 1H). NOTA 2

La disolución de Br2 en ácido acético se prepara en la vitrina añadiendo el bromo (5,6 g; 1,8 mL) en 20 mL de ácido acético.

5


Cálculos




100


Resultados

Rendimiento en 3,5-dimetilpirazol

Peso de 2,4-pentanodiona...................................................... g Moles de 2,4-pentanodiona ................................................... moles Peso de hidrazina (a partir de sulfato de hidrazina)................ g Moles de hidrazina ................................................................. moles Cantidad teórica de 3,5-dimetilpirazol.................................... g Cantidad real de 3,5-dimetilpirazol obtenido ......................... g Rendimiento obtenido............................................................% Rendimiento en 3,5-dimetil-4-bromopirazol

Peso de 3,5-dimetilpirazol ...................................................... g Moles de 3,5-dimetilpirazol.................................................... moles Peso de bromo ....................................................................... g Moles de bromo ..................................................................... moles Cantidad teórica de 3,5-dimetil-4-bromopirazol..................... g Cantidad real de 3,5-dimetil-4-bromopirazol.......................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. ¿Qué producto se obtendría a partir de tetraetoxipropano e hidrazina? ¿Por qué no se utiliza el dialdehído correspondiente? 2. En el caso de utilizar CH 3COCH2CH(OCH3)2 e hidrazina se forman dos productos isómeros. Dar la estructura de cada uno de ellos e indicar cual será el producto mayoritario de la reacción. 3. ¿Es posible obtener derivados de adición al nitrógeno en posición 2 de los pirazoles por reacción con agentes electrófilos? Dar una respuesta razonada. 4. Además del método de ciclación de compuestos 1,3-dicarbonílicos con hidrazina ¿Qué otros procedimientos generales permiten obtener pirazoles?


5. ¿Existen métodos sintéticos de preparación de isooxazoles e isotiazoles que utilicen como productos de partida derivados 1,3-dicarbonílicos?

E XPERIMENTO 10 Preparación de 2-fenilindol. Síntesis de Fischer Rosa María Claramunt Vallespí

Objetivo general

Estudiar el método de preparación de indoles sustituidos a partir de arilhidrazonas, conocido como síntesis de Fischer del indol. Objetivos específicos

1. Estudiar la reacción de formación de fenilhidrazonas, a partir de fenilhidrazina y acetofenona. 2. Conocer el mecanismo de ciclación de la fenilhidrazona de la acetofenona, que permite obtener 2-fenilindol, en presencia de catalizadores ácidos. 3. Examinar qué tipo de catalizador ácido es el más adecuado para efectuar la reacción de ciclación. 4. Purificar el 2-fenilindol por cristalización. Duración del experimento

6 horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 1.A. Preparación de la fenilhidrazona de la acetofenona 1.B. Síntesis de 2-fenilindol 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación de la fenilhidrazona de la acetofenona 4.B. Síntesis de 2-fenilindol 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

97 Experimento 10. Preparación de 2-fenilindol. Síntesis de Fischer

1

1.A


Preparación de la fenilhidrazona de la acetofenona

El mecanismo de esta reacción consiste en una reacción de condensación (adición-eliminación) del grupo NH 2 de la fenilhidrazina con el grupo carbonilo de la acetofenona.

1.B

Síntesis del 2-fenilindol

El calentamiento de la fenilhidrazona de la acetofenona en presencia de un catalizador ácido como cloruro de cinc, trifluoruro de boro, ácido clor-


hídrico, ácido acético glacial o ácido polifosfórico origina el 2-fenilindol. La secuencia de reacción supone una condensación intramolecular con eliminación de amoníaco, siendo el átomo que se pierde el más alejado del anillo bencénico. El paso clave del mecanismo de reacción es una transposición sigmatrópica [3,3] y el intermedio C ha sido detectado por resonancia magnética nuclear de carbono-13 y nitrógeno-15. La función principal del catalizador es desplazar el equilibrio desde A hacia B, aunque la reacción también puede ser realizada en ausencia de catalizador.

2


Material

— — — — — — — — —

Un matraz de tres bocas y fondo redondo de 100 mL. Un vaso de precipitados de 100 mL. Un refrigerante de reflujo. Una pieza de agitación magnética. Un embudo de adición de sólidos. Placa calefactora de agitación magnética. Una pipeta o probeta de 10 mL. 1 juego de pipetas Pasteur Una pera de goma.


— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

Un termómetro de –10 a 200 °C. Baño de silicona. Una probeta de 50-100 mL. Papel pH indicador universal Un embudo de 5 cm de diámetro Dos erlenmeyers de 100 mL. Dos erlenmeyers de 50 mL Trompa de agua. Un kitasato de 100 mL. Un embudo buchner de 5 cm de diámetro Aparato de puntos de fusión y capilares. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Aros metálicos con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Estufa.

Productos

— — — — — — — —

Acetofenona. Fenilhidrazina. Etanol. Acido acético glacial. Acido clorhídrico. Acido polifosfórico. Carbón activo. Cloruro cálcico.


3


VOGEL’S, Texbook of Practical Organic Chemistry, 5.a ed. Longman Scientific & Technical, Essex, 1989, 1161. A. R. K ATRITZKY y CH. W. REES (Eds.), Comprehensive Heterocyclic Chemistry, 1.a ed. Pergamon Press, London, 1984, vol.4, 155.

4

Procedimento experimental

NOTA DE ADVERTENCIA : Es conveniente empezar por la mañana, para poder completar las dos etapas el mismo día.

4.A

Preparación de la fenilhidrazona de la acetofenona

En un vaso de precipitados de 50-100 mL de capacidad equipado con una pieza de agitación magnética se calientan 6 g (0,05 moles) de acetofenona y 5,4 g (0,05 moles) de fenilhidrazina (N OTA 1) en 25 mL de etanol y un par de gotas de ácido acético glacial durante 15 minutos. Pasado ese tiempo se mantiene la agitación y se deja la mezcla a temperatura ambiente durante 1 hora más. A continuación se enfría y se filtra el precipitado en un buchner, se lava el sólido con 10 mL de ácido clorhídrico 5% y seguidamente con etanol frío (N OTA 2). El producto obtenido puede utilizarse sin posterior purificación para la etapa siguiente de la reacción. Sin embargo se recomienda cristalizar en etanol una pequeña porción, por ejemplo 2 g, con objeto de caracterizar a la fenilhidrazona de la acetofenona, que debe fundir a 106 °C. H-RMN (DMSO-d6):  en ppm = 9,24 (s, NH); 7,79 (t, 2H); 7,29-7,39 (m, 2H); 7,19-7,25 (m, 5H); 6,73-6,77 (m, 1H); 2,25 (s, 3H). 1


NOTAS 1. Hay que trabajar en vitrina y tener cuidado al manejar la fenilhidrazina, ya que es un producto muy venenoso y produce graves quemaduras. Para su manejo hay que utilizar siempre guantes. En el caso de que ocurra algún accidente y entre en contacto con la piel, se recomienda lavar esta última inmediatamente con una disolución de ácido acético 2% y después con agua y jabón. 2. Es necesario lavar con etanol en cantidad suficiente para eliminar completamente el ácido clorhídrico. Si quedan trazas de ácido la fenilhidrazona descompone.

4.B

Síntesis del 2-fenilindol

En un matraz de fondo redondo de 100 mL y tres bocas, equipado con termómetro, refrigerante de reflujo, embudo de adición de sólidos y agitación magnética, se disponen 36 g de ácido polifosfórico (también llamado ácido tetrafosfórico, tiene una composición aproximada 2P 2O5 · 3H2O) y 5,6 g (0,027 moles) de fenilhidrazona. A continuación se calienta con la ayuda de un baño exterior de silicona a 100-120 °C durante 15 minutos (la reacción es exotérmica). Se añaden 90 mL de agua fría y se agita vigorosamente hasta la completa disolución del ácido polifosfórico. Se filtra el precipitado en un buchner y ayuda de la trompa de agua y se lava con agua fría. El sólido obtenido se disuelve en la mínima cantidad de etanol y se decolora con carbón activo para lo cual se mantiene a reflujo en contacto con éste durante 15 min. Después se filtra en caliente a través de un buchner precalentado en la estufa. El papel y el embudo buchner se lavan con 10-20 mL de etanol caliente para recuperar parte del producto que ha precipitado durante la filtración. Se deja enfriar la disolución de la que precipita el 2-fenilindol. El 2-fenilindol se separa por filtración a través de un buchner y se lava con una pequeña cantidad de etanol frío. Se seca en un desecador a vacío utilizando cloruro cálcico como agente de desecación. Su punto de fusión es 188-189 °C y el rendimiento global de la reacción es de alrededor del 80%.


IR (KBr): 3430, 3040, 1600-1550, 1475, 1440, 1395, 1345, 1335, 1295, 1250, 1225, 1185, 1145, 1110, 1090, 1070, 1045, 1025, 1000, 930, 900, 790, 760, 740, 685, 500, 420 cm–1. H-RMN (DMSO-d6):  en ppm = 11,54 (s, 1H, NH); 7,86 (dd, 2H, H orto del grupo 2-fenilo); 7,54-7,38 (m, 4H); 7,30 (ddd, 1H); 7,09 (ddd, 1H); 6,99 (ddd, 1H); 6,89 (d, 1H, H-3, 4 JNH: 1,4). 1

5


Cálculos





100

Resultados

Rendimiento en fenilhidrazona de la acetofenona

Peso de acetofenona .............................................................. g Moles de acetofenona ............................................................ moles Peso de fenilhidrazina............................................................. g Moles de fenilhidrazina .......................................................... moles Cantidad teórica de fenilhidrazona......................................... g Cantidad real de fenilhidrazona obtenida............................... g Rendimiento obtenido............................................................ % Rendimiento en 2-fenilindol

Peso de fenilhidrazona ........................................................... g Moles de fenilhidrazona ......................................................... moles Peso de ácido polifosfórico..................................................... g


Moles de ácido polifosfórico................................................... moles Cantidad teórica de 2-fenilindol ............................................. g Cantidad real de 2-fenilindol .................................................. g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. ¿Por qué el método de Fischer da bajos rendimientos en el caso de la preparación del indol no sustituido? 2. ¿Qué procedimiento se utiliza para la síntesis de indol? ¿Cómo se denomina? ¿Cuál es su mecanísmo? 3. ¿En lugar de utilizar ácido polifosfórico en la etapa de ciclación de la arilhidrazona a indol, qué otros catalizadores pueden utilizarse? 4. Citar uno de los inconvenientes más importantes de la síntesis de Fischer de indoles sustituidos. 5. Indicar cómo podría prepararse el 2-fenilindol a partir de o-toluidina. ¿Cómo se conoce dicho procedimiento sintético?

E XPERIMENTO 11 Síntesis del ácido barbitúrico y derivados Dionisia Sanz del Castillo

Objetivo general

Sintetizar el ácido barbitúrico por reacción del malonato de dietilo con urea. Estudiar la reactividad de este heterociclo transformándolo en uramilo (ácido 5-aminobarbitúrico). Objetivos específicos

1. Estudiar la reacción de condensación del malonato de dietilo con la urea. 2. Estudiar la nitración del ácido barbitúrico. 3. Estudiar la reducción del ácido 5-nitrobarbitúrico. 4. Calcular el rendimiento obtenido. Duración del experimento

Setenta y dos horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Preparación del ácido barbitúrico 4.B. Preparación del ácido 5-nitrobarbitúrico 4.C. Preparación del ácido 5-aminobarbitúrico 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

107 Experimento 11. Síntesis del ácido barbitúrico y derivados

1


El ácido barbitúrico puede verse como la 2,4,6-trihidróxipirimidina I, aunque en estado cristalino existe en la forma tricetónica II como muestra la estructura de rayos X tanto en la forma anhidra como en su hidrato. En disolución acuosa tiene un comportamiento ácido como resultado de la ionización de la forma monoenólica, que forma un anión estabilizado por resonancia.

Los reactivos más adecuados para la síntesis del ácido barbitúrico son la urea y el malonato de dietilo según el análisis retrosintético que se muestra bajo estas líneas partiendo de la forma tricetónica. La síntesis que se describe a continuación se realiza por condensación de la urea con malonato de dietilo en presencia de etóxido sódico.

El ácido barbitúrico experimenta nitración en la posición 5 por tratamiento con ácido nítrico fumante, ya que en medio ácido se encuentra en forma cetoenólica.


2


Material

— — — — — — — — — — — — — —

Un matraz de fondo redondo de tres bocas de 250 mL. Un matraz de fondo redondo de tres bocas de 100 mL. Un embudo de adición de 100 mL. Probetas de 50 mL y 10 mL. Un refrigerante de reflujo. Un tubo de cloruro cálcico. Papel pH indicador universal. Pipetas Pasteur. Tetinas de goma. Una placa filtrante. Un termómetro de 0 a 200 °C con adaptador esmerilado. Un embudo cónico de 5 cm de diámetro. Dos erlenmeyers de 200 mL. Un kitasato 200 mL.


— — — — — — — — — — — — — — — — — —

Rotavapor. Placa calefactora de agitación magnética. Baño de silicona. Baño de hielo. Aparato de puntos de fusión y capilares. Soporte metálico. Pinzas para sujetar matraces con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética. Estufa. Desecador. Vidrio de reloj.

Productos

— — — — — — — — — — —

Sodio. Etanol absoluto. Malonato de dietilo. Urea. Cloruro cálcico. Ácido clorhídrico concentrado. Ácido nítrico fumante d=1,52. Sn granulado. Carbón activo. Ácido sulfúrico concentrado. Hielo.


3


VOGEL’S, Texbook of Practical Organic Chemistry, pág. 1174. 1989.

4 4.A

Procedimiento experimental Preparación del ácido barbitúrico

En un matraz de fondo redondo de tres bocas de 250 mL, provisto de una pieza de agitación magnética, de refrigerante de reflujo con tubo de cloruro cálcico en la parte superior y un embudo de adición, se introducen 25 mL de etanol absoluto y se añaden 1,15 g (0,05 moles) de sodio en trocitos, (si la reacción es muy vigorosa poner momentáneamente un baño de hielo) (Nota 1). Cuando el sodio ha reaccionado añadir 8 g (7,6 mL, 0,05 moles) de malonato de dietilo seguido de una disolución de 3 g (0,05 moles) de urea seca en 25 mL de etanol absoluto caliente (70 °C) (Nota 2). La mezcla de reacción se calienta con agitación en un baño de silicona a 110 °C durante 7 horas. Se forma un sólido blanco. El crudo de reacción se trata con 45 mL de agua caliente (50 °C) (Nota 3) y después se acidifica con ácido clorhídrico concentrado (aproximadamente 4.5 mL) manteniendo la agitación. Después se filtra la solución, ligeramente turbia, resultante y el filtrado se guarda en la nevera durante toda la noche. Se filtra el sólido formado en una trompa de vacío, sobre una placa filtrante y se lava con 3 mL de agua fría después se deja secar en una estufa a 100 °C. El rendimiento del ácido barbitúrico es de 5 g (78%) Pf = 245 °C IR (KBr): 3200 y 3100 (NH), 1750, 1730 y 1700 (CO) cm–1. 1

H-RMN (DMSO-d6): 3.7 (s, 2H) y 10.89 (s, 2H) ppm.

4.B

Preparación del ácido 5-nitrobarbitúrico

En un matraz de fondo redondo de tres bocas de 100 mL equipado con una pieza de agitación magnética, un refrigerante de reflujo y un termómetro, sumergido en un baño de hielo se ponen 7,2 mL de ácido nítrico fu-


mante (d = 1,52) se añade lentamente 5 g (0,039 moles) de ácido barbitúrico manteniendo la temperatura interna a 40 °C (la adición dura aproximadamente 20 minutos), terminada la adición se continúa la agitación durante una hora más y a continuación se añaden 25 mL de agua y se deja enfriar a 10 °C. El sólido formado se filtra a vacío sobre una placa filtrante, se lava con 3 mL de agua fría y se deja secar en una estufa a 100 °C. El crudo seco se purifica por recristalización en aproximadamente 45 mL de agua hirviendo, una vez disuelto se filtra en cliente sobre un filtro de pliegues y se deja enfriar el filtrado para que cristalice el ácido 5-nitrobarbitúrico. Se filtra a vacío sobre una placa filtrante se lava con agua y se seca el producto en una estufa a 90-95 °C durante 3 horas. Se obtienen aproximadamente 7 g del producto trihidratado, pf=181-183 °C(descompone). El ácido barbitúrico anhidro se obtiene secando el sólido anterior a 110-115 °C durante 3 horas. El rendimiento es de 4,7g (70%) pf = 176 °C. 4.C

Preparación de ácido 5-aminobarbitúrico (uramilo)

En un matraz de fondo redondo de tres bocas 250 ml. provisto de un refrigerante de reflujo, una pieza de agitación magnética y un embudo de adición, se introducen 3,8 g (0,022 moles) de ácido 5-nitrobarbitúrico anhidro y 30 mL de ácido clorhídrico concentrado, la mezcla se calienta en un baño de silicona a 100 °C. Se añaden 12,5 g de Sn granulado y 20 mL de ácido clorhídrico concentrado (adición durante 10 minutos). Se continúa calentando hasta que el color amarillo debido al nitro derivado desaparezca. Se añaden 150 mL de ácido clorhídrico concentrado y se calienta hasta que todo el sólido blanco se haya disuelto, se añade un poco de agente decolorante y se filtra en placa filtrante de poro fino. El filtrado se guarda a 0 °C durante una noche y el uramilo se recoge por filtración a vacío sobre una placa filtrante, se lava con ácido clorhídrico diluido y después con agua. El filtrado se concentra en un rotavapor a un volumen de 50 mL y se enfría durante otra noche. El sólido se recoger por filtración como se ha indicado anteriormente. Se juntan las dos fracciones y se seca en un desecador a vacío sobre ácido sulfúrico. El uramilo resultante (2,3 g, 73%) es un polvo blanco de pf > 300 °C.


NOTAS 1. La preparación de etóxido sódico está descrita en el experimento 28, pág. 462 del texto editado por la UNED: C URSO E XPERIMENTAL DE QUÍMICA ORGÁNICA . 2. La adición de la solución saturada de urea se realiza a través de un embudo cónico, previamente calentado para evitar la precipitación de la urea. 3. El sólido blanco no se disuelve totalmente.

5


Cálculos





100

Resultados

1. Rendimiento del ácido barbitúrico Peso de sodio ......................................................................... g Moles sodio............................................................................ moles Peso de urea........................................................................... g Moles urea.............................................................................. moles Cantidad teórica que se obtiene de ácido barbitúrico ............ g Cantidad de ácido barbitúrico obtenido................................. g Rendimiento obtenido............................................................ % 2. Rendimiento del ácido 5-nitrobarbitúrico Peso de ácido barbitúrico ....................................................... g Moles de ácido barbitúrico ..................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de ácido 5-nitrobarbitúrico.. g


Cantidad de ácido 5-nitrobarbitúrico obtenido ...................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 3. Rendimiento del ácido 5-aminobarbitúrico Peso de ácido 5-nitrobarbitúrico ............................................ g Moles de ácido 5-nitrobarbitúrico .......................................... moles Peso de Estaño ....................................................................... g Moles de Estaño ..................................................................... moles Cantidad teórica que se obtiene de ácido 5-aminobarbitúrico. g Cantidad de ácido 5-aminobarbitúrico obtenido.................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 6

Ejercicios

1. Proponer un mecanismo para la reacción que se ha utilizado en la síntesis del ácido barbitúrico. 2. ¿Para qué se pone el tubo de cloruro cálcico en la síntesis del ácido barbitúrico? 3. Escribir los productos de la siguiente secuencia de reacciones: a) Tratamiento de 2-fenil-acetato de etilo con etóxido sódico y oxalato de dietilo , seguido de tratamiento con ácido y posterior calefacción a 175 °C. b) Tratamiento con etóxido sódico del producto obtenido en el apartado anterior y reacción con yoduro de etilo. c) Reacción del producto obtenido en el apartado anterior con urea en presencia de metóxido sódico.

E XPERIMENTO 12 Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por cromatografía gas-líquido. Identificación de los compuestos mediante técnicas espectroscópicas Enrique Teso Vilar Objetivo general

Análisis cualitativo y cuantitativo e identificación, por medio de técnicas espectroscópicas, de los componentes de una mezcla binaria de compuestos orgánicos. Objetivos específicos

1. Conocer el manejo de un cromatógrafo de gases equipado con un detector de ionización de llama (FID). 2. Determinar los tiempos de retención de una serie de compuestos patrones. 3. Identificar los componentes de una mezcla binaria por comparación de sus tiempos de retención con aquellos de los patrones puros. 4. Conocer el manejo de un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas. 5. Registrar los espectros 1H-RMN, IR y EM de cada uno de los componentes en estado puro. 6. Identificar los componentes de la mezcla por análisis de los datos espectroscópicos obtenidos. Duración del experimento

Doce horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 1.A. Aplicaciones de la cromatografía gas-líquido al análisis cualitativo y cuantitativo de compuestos orgánicos 1.A.1. Tiempo de retención y sustancias patrones 1.B. Cromatografía gas-líquido/espectrometría de masas (CGL/EM) 1.C. Elucidación estructural de compuestos orgánicos por aplicación conjunta de técnicas cromatográficas y espectroscópicas 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Análisis cualitativo y cuantitativo por cromatografía gas-líquido de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por comparación de sus tiempos de retención con los de patrones puros 4.B. Identificación de los compomentes de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por utilización conjunta de técnicas espectroscópicas 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

117 Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

1


1.A

Aplicaciones de la cromatografía gas-líquido al análisis cualitativo y cuantitativo de compuestos orgánicos

En el experimento n.o 2 del texto Curso experimental de Química Orgánica se ha expuesto los fundamentos teóricos de la cromatografía de gases, por lo que aquí no se va a insistir mucho más sobre este punto. La CGL es una técnica de suma utilidad para realizar separaciones, resultando inme jorable cuando se aplica a mezclas complejas de compuestos orgánicos con las únicas condiciones de que éstos sean suficientemente volátiles y no demasiado termolábiles. En lo que respecta al análisis cuantitativo, las áreas de los picos de un cromatograma, debidamente calibradas, proporcionan valiosa información acerca de la composición cuantitativa de la mezcla, ya que dichas áreas son directamente proporcionales a los porcentajes en peso de los componentes de la misma. En otras palabras, el registro de un cromatograma permite determinar la composición porcentual (expresada en peso) de una mezcla de componentes volátiles. La cromatografía de gases, por tanto, proporciona resultados muy satisfactorios cuando se aplica al análisis de extractos de productos naturales volátiles, brutos de reacción, mezclas de disolventes utilizados en pintura, etc. Los cromatogramas se utilizan también con mucha frecuencia como criterio de pureza, ya que las impurezas aparecen como picos adicionales cuyas áreas dan idea del grado de contaminación de un determinado compuesto. En este sentido, la técnica es muy útil a la hora de evaluar la efectividad de cualquier procedimiento de purificación, como por ejemplo la destilación o la cromatografía en columna, ya que el análisis de las diversas fracciones permite determinar su composición porcentual y el grado de enriquecimiento en un determinado componente de cada una de ellas. 1.A.1

Tiempos de retención y sustancias patrones

Cuando se realiza un análisis por cromatografía de gases, una característica muy importante de cada compuesto presente en una mezcla es su tiempo de retención. Éste puede definirse como el tiempo transcurrido


desde el inicio del registro del cromatograma (en una buena aproximación, desde la introducción de la muestra en la cámara de inyección del cromatógrafo) y el máximo del pico que origina el compuesto en dicho cromatograma. Ello representa, también con mucha aproximación, el tiempo requerido para su elución a través de la columna. Dicho tiempo de retención depende de diversos factores, pero para una columna y gas portador determinados es función de la temperatura de dicha columna y del caudal de gas portador. Un aumento de la temperatura de la columna o del caudal de gas portador provoca una disminución del tiempo de retención y viceversa. Si una serie de análisis se realiza bajo unas determinadas condiciones de trabajo, el tiempo de retención de cada componente puede considerarse como una constante física que no varía mientras no lo hagan dichas condiciones (temperatura de la columna y caudal de gas portador). De esta manera, el tiempo de retención puede utilizarse en análisis cualitativo de una mezcla como buen criterio identificativo de cada uno de los componentes de ésta, siempre que se disponga de aquéllos en estado puro para utilizarlos como patrones. Por comparación de los tiempos de retención del compuesto patrón y el compuesto problema presente en la mezcla, puede determinarse con alto grado de seguridad la identidad de éste, sobre todo si la prueba se repite con columnas de diferente naturaleza o polaridad y a diferentes temperaturas, ya que en estas condiciones la coincidencia de los tiempos de retención es un claro indicio de que ambos compuestos, problema y patrón conocido, son la misma sustancia.

En caso de duda, debido a pequeñas diferencias entre los tiempos de retención que se comparan, puede obtenerse una evidencia adicional si se inyecta una mezcla del compuesto desconocido y el patrón. En el cromatograma debe aparecer un único pico indicativo de que ambos compuestos son idénticos. Por el contrario, si son diferentes se observarían dos picos muy próximos, con tiempos de retención muy parecidos. Otra manera de resolver esta duda es añadir dicho patrón a una mezcla donde está presente el compuesto desconocido cuya identidad se quiere comprobar. En este caso no debe aparecer ningún pico nuevo, pero sí producirse un aumento de intensidad de aquél que coincide con el patrón, ya que ambos son idénticos. No obstante, la utilización para el análisis cualitativo de esta técnica aislada presenta limitaciones ya que puede ocurrir, aunque es muy improbable, que dos compuestos orgánicos posean el mismo tiempo de retención


aún en diferentes columnas y a diferentes temperaturas. Por otra parte, no siempre puede disponerse de los correspondientes compuestos patrones puros y a veces, ni siquiera se tienen indicios acerca de las estructuras de los compuestos que se van a identificar. Una identificación rigurosa de los compuestos presentes en una mezcla requiere el empleo combinado de técnicas cromatográficas (u otras técnicas de purificación y separación) y técnicas espectroscópicas. 1.B

Cromatografía gas-líquido/espectrometría de masas (CGL/EM)

Alrededor de la década de 1960 el uso de la espectrometría de masas estuvo estrechamente ligado al desarrollo de la cromatografía de gases. Así, a partir de 1970, el acoplamiento de cromatógrafos de gases a espectrómetros de masas comenzó a desarrollarse como un método de rutina para el análisis de mezclas complejas de compuestos orgánicos volátiles. El acoplamiento o tandem cromatógrafo gas-líquido/espectrómetro de masas (CGL/EM), ha resultado ser una técnica muy potente de análisis de compuestos orgánicos. El fundamento de dicha técnica se basa en conectar la salida de un cromatógrafo de gases directamente a la cámara de ionización de un espectrómetro de masas, es decir, básicamente supone la sustitución del detector habitual de un cromatógrafo (FID o TC) por el propio espectrómetro de masas que actúa como tal. En las figuras 12.1, 12.2 y 12.3 se muestran, respectivamente, un cromatógrafo de gases, un espectrómetro de masas acoplado a un cromatógrafo de gases y una representación esquemática de este equipo. El gas portador, que arrastra a los compuestos separados previamente en la columna, se hace pasar por una interfase caliente (con objeto de que no condensen los compuestos eluidos) y a continuación penetra en la cámara de ionización del espectrómetro de masas. De esta manera puede registrarse no sólo el cromatograma de una mezcla de compuestos, sino también el espectro de masas de cada uno de los componentes de ésta, que van eluyéndose sucesivamente y que dan lugar a un pico en aquél. Ello proporciona una información valiosa acerca de la composición, por ejemplo, de un bruto de reacción, un crudo petrolífero, un extracto de productos naturales, etc.


FIGURA 12.1. Cromatógrafo de gases y diferentes columnas.

FIGURA 12.2. Cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas.

FIGURA 12.3. Representación esquemática del acoplamiento de un cromatógrafo de gases a un espectrómetro de masas.


La utilización de estas técnicas combinadas ha experimentado un notable avance en los últimos diez años, debido al desarrollo de los ordenadores, de espectrómetros de masas de alta velocidad de barrido, como los cuadrupolares, y de la disponibilidad de columnas capilares que, además de su gran eficiencia separadora, poseen la ventaja de que el caudal de gas portador que fluye a través de ellas es muy reducido, lo que permite su conexión directa a la cámara de ionización del espectrómetro de masas sin que se produzcan pérdidas de vacío que afectarían al buen funcionamiento del instrumento. 1.C

Elucidación estructural de compuestos orgánicos por aplicación conjunta de técnicas cromatográficas y espectroscópicas

En el presente experimento se analizarán por cromatografía de gases mezclas binarias de compuestos orgánicos desconocidos, cuya estructura se elucidará finalmente a partir de datos espectroscópicos proporcionados por las técnicas 1H-RMN, IR y EM. En los experimentos n.os 22, 23 y 24 del texto Curso experimental de Química Orgánica se exponen los fundamentos teóricos de las técnicas que se acaban de mencionar, así como su aplicación a ejemplos concretos y el procedimiento experimental a seguir en cada una de ellas; por ello antes de realizar el experimento que nos ocupa, es necesario consultar aquéllos. En lo referente a la utilización conjunta de dichas técnicas espectroscópicas, debe tenerse siempre en cuenta el carácter complementario de unas respecto de otras. Los datos extraídos y conclusiones deducidas de cada una de ellas, deben ser coherentes y estar en concordancia con los suministrados por las restantes. Hay muchas maneras de resolver un problema de elucidación estructural pero aquí, y por seguir el orden en que se van a realizar las distintas partes del experimento, la pauta que se da es un estudio previo del espectro de masas, del cual pueden extraerse interesantes conclusiones acerca de la estructura del compuesto desconocido, posterior análisis del espectro de IR, que dará una idea de la funcionalidad presente en la molécula y una interpretación final del espectro de 1H-RMN que permitirá, apoyándose en las anteriores técnicas, establecer con seguridad la estructura del compuesto orgánico en cuestión.


2


Material

— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

10-15 viales de 5-10 mL. Un erlenmeyer de 250 mL. Dos erlenmeyer de 100 mL. Tres erlenmeyer de 50 mL. Pipetas tipo Pasteur. Algodón o lana de vidrio. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Cromatógrafo de gases. Espectrómetro de masas con sus accesorios. Espectrómetro RMN. Espectrofotómetro infrarrojo. Un par de cristales de NaCl. Un soporte para células de NaCl o KBr. Un par de células para muestras líquidas. Una microjeringa de 10 µL. Un mortero. Una prensa. Tubos de RMN. Un secador de aire.

Productos

— — — — —

Diez compuestos orgánicos problema elegidos por el profesor. Cloruro de metileno. Acetona. Tetracloruro de carbono. Bromuro potásico.


— — — — —

Cloroformo sin alcohol. Bromoformo. Nujol. Cloroformo deuterado. Tetrametilsilano.

3


D. P ASTO, C. JOHSON, M. MILLER, Experiments and Thecniques in Organic Chemistry, págs. 62-83, Prentice Hall, New Jersey, 1992. R. M. ROBERTS, J. C. GILBERT, L. B. RODEWALD, A. S. WINGROVE, Modern Experimental Or ganic Chemistry, págs. 138-161, Saunders Golden Sunburst Series, Philadelphia, 1985. L. M. HARWOOD, C. J. MOODY , Experimental Organic Chemistry, págs. 155-205, Blackwell Scientific Publications, Oxford, 1990. R. DAVIS, M. FREARSON, Mass Spectrometry, págs. 390-418, John Wiley, New York, 1987. P. BALLESTEROS, P. CABILDO, R. CLARAMUNT, A. GARCÍA , E. TESO, Curso experimental de Química Orgánica, págs. 53-77, UNED, 1989.

4 4.A

Procedimiento experimental Análisis cualitativo y cuantitativo por cromatografía gas-líquido de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por comparación de sus tiempos de retención con los de patrones puros

Se dispondrá de 8-10 compuestos orgánicos puros, cuya estructura se quiere elucidar, en solución de diclorometano al 5-10%, en viales numerados consecutivamente o etiquetados con letras. Dichos compuestos son los patrones cuyo tiempo de retención en CGL se va a determinar. Para realizar los análisis, se tendrá preparado el cromatógrafo de gases bajo las siguientes condiciones experimentales aproximadas: Columna capilar de fase apolar, como goma de silicona, de 25 m (0,25 mm de diámetro interno). Programa de temperatura del horno: Temperatura inicial, 60 °C;


tiempo inicial, 5 minutos; gradiente de temperatura, 10 °C/min; temperatura final, 180 °C. Temperaturas de inyector y detector (o interfase, en el caso de CG/EM), 220 °C. Flujo del gas portador, 0,8-1mL/min. Si no se dispone de una columna capilar, puede realizarse el experimento con columnas de relleno de 2-3 m de una fase apolar, al 10% sobre chromosorb W, como goma de silicona, apiezón, UCC, etc., bajo las mismas condiciones aproximadas de temperatura. El caudal de gas portador se determinará y optimizará experimentalmente. (NOTA ). En primer lugar los alumnos, guiados por el profesor de prácticas, inyectarán en el cromatógrafo de gases 0,2-0,4 µL de disolución en diclorometano al 10% de cada uno de los compuestos mencionados y registrarán los correspondientes cromatogramas, con objeto de determinar y anotar el tiempo de retención de dichos patrones puros, de estructura aun desconocida. A continuación, el profesor entregará a cada alumno una mezcla de dos de los componentes anteriores en solución al 5-10% de diclorometano, con objeto de que proceda a su análisis por CGL, bajo las mismas condiciones mencionadas anteriormente y utilizadas con los patrones, y determine composición cuantitativa e identidad de cada compuesto por comparación de sus tiempos de retención con aquellos de los patrones puros. Una vez que el alumno haya averiguado de qué compuestos patrones está constituida su mezcla, el profesor entregará una muestra de cada uno de ellos en estado puro para que realice los espectros EM, IR y 1H-RMN. 4.B

Identificación de los componentes de una mezcla binaria de compuestos orgánicos por utilización conjunta de técnicas espectroscópicas

El procedimiento experimental a seguir en cuanto a preparación de muestras e interpretación de los datos obtenidos está descrito en los experimentos 22, 23 y 24 del texto Curso experimental de Química Orgánica , por lo que aquí no va a repetirse. El registro de los espectros correspondientes a cada técnica se realizará siempre bajo la supervisión del profesor. En lo que concierne al registro del espectro de masas, puede llevarse a cabo inyectando la muestra problema en el cromatógrafo de gases acoplado al espectrómetro de masas. Las condiciones de trabajo (volumen y concentración de muestra inyectada, temperaturas de la columna e inyector y flujo de gas


portador) serán similares a las utilizadas en el apartado anterior. No obstante, debe tenerse en cuenta que dichas condiciones pueden variar en función de la naturaleza del equipo empleado (N OTA ). En cualquier caso, será el profesor quien las habrá determinado experimentalmente con anterioridad al desarrollo de las sesiones de prácticas. De esta manera, en poco tiempo, puede obtenerse, no sólo el cromatograma, sino también los espectros de masas correspondientes a cada compuesto desconocido. NOTA El programa de temperatura y la columna elegidos aquí, en principio, permiten analizar en un período razonable de tiempo mezclas de compuestos dentro una amplia gama de pesos moleculares y polaridades. No obstante, estas condiciones son orientativas, ya que dependen de muchos factores, como tipo de columna que se disponga, modelo de cromatógrafo de gases, naturaleza de los compuestos que se van a analizar, etc. En cualquier caso, será el profesor quien determine experimentalmente las condiciones de trabajo más idóneas.

5


Cálculos

Todos los cálculos realizados y las conclusiones que hayan llevado al alumno al establecimiento de las estructuras que propone, por análisis de los datos espectroscópicos suministrados, se reflejarán en el cuaderno de laboratorio. Resultados

Elucidación estructural Compuesto (n.o)

T. retención (min)

Comp. cuantitativa (%)

Estructura (fórmula)


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Ejercicios

1. Los tiempos de retención de una serie de compuestos patrones puros, bajo determinadas condiciones analíticas en CGL, se muestran a continuación: 1) 2) 3) 4) 5)

dietilcetona..................................................  -butirolactona ............................................ alcohol terc-butílico..................................... 1-butanol..................................................... formiato de etilo..........................................

2,62 min 2,72 min 3,54 min 3,63 min 4,14 min

Una mezcla de dos de estos compuestos se inyectó bajo las mismas condiciones, obteniéndose un cromatograma con dos picos con tiempos de retención de 2,66 y 3,58 min. Como la identificación por comparación con los patrones no fue suficientemente precisa, dada la similitud de los tiempos de retención y el error del método, se registraron los espectros de masas de ambos compuestos, representados bajo estas líneas. ¿De qué compuestos se trata?

2. El análisis por CGL/EM de una mezcla de tres compuestos orgánicos A, B y C, dio como resultado los espectros de masas representados a continuación, junto a los correspondientes espectros 1H-RMN o IR grabados posteriormente con los compuestos puros. Establézcanse las estructuras de dichos compuestos.


A


B


C


3. Establézcanse las estructuras de los siguientes compuestos tomando como base los datos espectroscópicos que se suministran. A


B


C

E XPERIMENTO 13 Síntesis de alcanfor a partir de canfeno Amelia García Fraile

Objetivo general

Preparar un terpeno bicíclico mediante un proceso de síntesis por pasos. Seguimiento de cada una de las reacciones por espectroscopía IR y/o cromatografía de gas-líquido/espectrometría de masas (CGL/EM). Estudiar la estereoselectividad del proceso, así como analizar los espectros de los productos. Objetivos específicos

1. Sintetizar acetato de isobornilo a partir de canfeno, a través de un proceso que supone una transposición de Wagner-Meerwein. 2. Controlar el transcurso de la reacción por CGL/EM. 3. Estudiar la estereoselectividad del proceso. 4. Obtener un alcohol por hidrólisis de un éster controlando el transcurso de la reacción por espectroscopía IR y/o CGL/EM. 5. Sintetizar un compuesto carbonílico por oxidación de un alcohol, controlando el progreso de la reacción por CGL/EM. Duración del experimento

Diez horas.


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Obtención de acetato de isobornilo 4.B. Hidrólisis del acetato de isobornilo a isoborneol 4.C. Obtención de alcanfor por oxidación del isoborneol 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

135 Experimento 13. Síntesis de alcanfor a partir de canfeno

1


La preparación de alcanfor a partir de canfeno se lleva a cabo a través de un proceso en tres etapas: Primera etapa: Reacción del canfeno con ácido acético. Transposición de Wagner-Meerwein

Aunque la mayoría de las reacciones orgánicas transcurren de manera que no se altere el esqueleto molecular, existen numerosos ejemplos en los que una parte de la molécula cambia de posición dentro de la misma, resultando una nueva molécula con la estructura modificada. Tales transformaciones se conocen con el nombre de transposiciones moleculares, siendo las más comunes aquellas que tienen lugar hacia un centro deficiente en electrones. A este tipo de transposiciones se las conoce como de WagnerMeerwein y son transposiciones de tipo 1,2. El mecanismo general para estas reacciones es el siguiente:


Existen mumerosas reacciones orgánicas en las que tiene lugar una transposición de Wagner-Meerwein, como la transposición pinacolínica, la bencílica, etc. Un ejemplo de transposición de Wagner-Meerwein lo constituye la deshidratación del alcohol neopentílico.

Análogamente, los sistemas bicíclicos tensos experimentan transposiciones de Wagner-Meerwein con relativa facilidad, siendo la etapa determinante en la síntesis por pasos de alcanfor a partir de canfeno. El mecanismo de la transposición es el siguiente:

El catión terciario, inicialmente formado, experimenta una transposición del enlace C1-C6 para dar lugar a un nuevo catión, el cual es atacado por el nucleófilo presente dando lugar al acetato de isobornilo.


Puede observarse que el ataque del acetato tiene lugar por la cara exo del sistema bicíclico, esto es debido a que el catión formado como intermedio se trata de un carbocatión no clásico tipo puente (especie cuya carga positiva está deslocalizada en tres centros).

Segunda etapa: Hidrólisis del acetato de isobornilo

Los ésteres se hidrolizan fácilmente en medio ácido o básico para dar lugar a un ácido y un alcohol. El mecanismo por el que transcurre la hidrólisis es el siguiente:

La reacción es irreversible porque el anión carboxilato, estabilizado por resonancia, no reacciona con el alcohol. Tercera etapa: Oxidación del isoborneol a alcanfor

Los alcoholes se oxidan con facilidad para originar ácidos, aldehídos o cetonas según sean primarios o secundarios, respectivamente. Los terciarios no se oxidan, aunque el agente ácido utilizado en el proceso de oxidación puede deshidratarlos dando lugar a alquenos y oxidar éstos posteriormente. Los agentes oxidantes más utilizados son: KMnO 4, K 2Cr2O7, MnO2, CrO3 /H2SO4 /H2O, etc. A este último reactivo se le conoce con el nombre de reactivo de Jones, siendo el ácido crómico el agente propiamente oxidante.


La ecuación de oxidación-reducción ajustada para la oxidación de un alcohol secundario con ácido crómico es la siguiente:

2


Material

— Un vaso de precipitados de 100 mL. — Un vaso de precipitados de 250 mL. — Un embudo büchner de 7 cm de diámetro. — Un matraz de fondo redondo de 100 mL. — Un matraz de fondo redondo y dos bocas de 100 mL. — Una probeta de 50 mL. — Dos erlenmeyer de 100 mL. — Un refrigerante de reflujo. — Un sublimador. — Un embudo de forma alemana de 7 cm. — Un termómetro de 0 a 200 °C. — Un embudo de adición con igualador de presión. — Un embudo cónico de decantación. — Pipetas Pasteur. — Rotavapor. — Placa calefactora con agitación magnética. — Baño de silicona. — Aparato para determinar puntos de fusión y capilares. — Soporte metálico. — Pinzas para sujetar matraces con nuez. — Aros metálicos con nuez. — Espátula y varillas de vidrio. — Balanza. — Tubo de goma. — Tubo de goma para vacío.


— — — — — — — — —

Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética. Un cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas. Un par de células para muestras líquidas. Un par de cristales de NaCl. Un soporte para células. Un espectrofotómetro IR. Una microjeringa de 10 mL.

Productos

— Canfeno. — Ácido acético glacial. — Acido sulfúrico concentrado. — Etanol. — Sulfato magnésico anhidro. — Hidróxido potásico. — Trióxido de cromo. — Acetona. — Tetracloruro de carbono. — Diclorometano. — Deuterocloroformo. — Tetrametilsilano. — Bromuro potásico. — Bromoformo. — Nujol. 3


R. M. ROBERTS, J. C. GILBERT, L. B. RODEWALD, A. S. WINGROVE, Modern Experimental Or ganic Chemistry , págs. 465-467, Saunders Golden Sunburst Series, New York 1985. J. S. NIMITZ, Experiments in Organic Chemistry: from microscale to macroscale , págs. 252-254, Prentice-Hall, New Jersey 1991.


4


4.A Obtención de acetato de isobornilo

En un matraz de fondo redondo de 100 mL provisto de regrigerante de reflujo y agitación magnética, se disuelven 10,9 g (0,080 moles) de canfeno en 24,0 g (0,400 moles) de ácido acético glacial (d = 1,05 g/ml) y se añaden 0,43 mL (0,008 moles) de ácido sulfúrico concentrado. El transcurso de la reacción se controla por CGL/EM (Nota 1). Para ello se extraen 0,5 mL de la mezcla de reacción y se disuelven en 10 mL de diclorometano, se lavan con agua, con disolución de carbonato sódico al 10%, secándose la fase orgánica con sulfato magnésico. Se elimina el disolvente en el rotavapor hasta que quede un volumen de ~ 5 mL de disolución. La muestra se pincha en un cromatógrafo de gases (si está acoplado a un espectrómetro de masas se pueden registrar los espectros del canfeno y del acetato de isobornilo) provisto de una columna capilar de goma de silicona de 25 m de longitud y 0,25 mm de diámetro, con las siguientes condiciones experimentales: temperatura del horno 80 °C, temperatura del inyector y detector 220 °C, flujo del gas portador 1mL/min (Nota 2). En este caso, en el cromatograma aparecerán dos picos correspondientes al canfeno y al acetato de isobornilo, respectivamente. La reacción se dará por finalizada cuando el pico correspondiente al canfeno haya desaparecido (es necesario realizar un cromatograma del canfeno puro para conocer su tiempo de retención y registrar su espectro de masas). En ese momento se adiciona a la mezcla 20 mL de agua, se pasa a un embudo de decantación y se extrae con tres porciones de 15 mL de cloruro de metileno. Los extractos orgánicos se juntan lavándose con 15 mL de agua y con 15 mL de una disolución de carbonato sódico al 10%, secándose sobre sulfato magnésico anhidro. Se filtra, se elimina el disolvente a presión reducida, se pesa el producto y se determina el rendimiento; p.eb21 = 115-117 °C. IR (film) : 2955, 1737, 1243, 1055, 1022 cm–1. H-RMN (CDCl3) : 4,68-4,62 (m, 1H); 2,01 (s, 3H); 1,80-1,45 (m, 4H); 1,20-0,93 (m, 3H); 0,97 (s, 3H); 0,83 (s, 6H) ppm. 1


4.B Hidrólisis del acetato de isobornilo a isoborneol

En un matraz de fondo redondo de 100 mL y dos bocas, provisto de refrigerente de reflujo y agitador magnético, se coloca el acetato de isobornilo obtenido en el paso anterior. Se adicionan 2,5 mL de una disolución 2,5 M de hidróxido potásico en 75% etanol/25% agua por cada g de acetato de isobornilo utilizado. La mezcla de reacción se calienta a 50°C. El progreso de la reacción puede controlarse bien por CGL/EM, como se indicó en el apartado anterior, en las mismas condiciones experimentales, bien por espectroscopía IR. La desaparición de la banda carbonílica del acetato de isobornilo a 1750 cm –1 y la aparición de la banda correspondiente al grupo hidroxilo del isoborneol a 3390 cm –1 indican que la reacción ha finalizado. Son necesarias, aproximdamente, dos horas para que se complete la reacción. En ese momento, se enfría el matraz hasta temperatura ambiente y la mezcla de reacción se vierte lentamente sobre un vaso de precipitados que contenga una mezcla de hielo y agua. Se observará la aparición del isoborneol como un sólido blanco. Se filtra en un embudo Büchner y el precipitado se lava con agua fría. Se seca a vacío sobre pentóxido de fósforo, se pesa y se determina el rendimiento; p.f.= 212 °C (Nota 3). IR (film) : 3390, 2960, 1460, 1385, 1365, 1100, 1070 cm–1. H-RMN (CDCl3) : 3,62-3,60 (m, 1H): 1,73-1,62 (m, 6H); 1,55-1,45 (m, 1H); 1,01 (s, 3H); 1,03-0,97 (m, 1H); 0,90 (s, 3H); 0,81 (s, 3H) ppm. 1

4.C Obtención de alcanfor por oxidación del isoborneol

En un matraz de fondo redondo de 100 mL, provisto de refrigerante de reflujo, embudo de adición y agitador magnético se coloca el isoborneol, obtenido en el paso anterior, disuelto en 10 mL de acetona (Nota 4) y se adiciona gota a gota y lentamente el reactivo Jones (3 mL por g de alcohol) (Nota 5). Finalizada la adición se deja la mezcla de reacción durante 30 minutos, agitando ocasionalmente. El progreso de la misma puede controlarse por


CGL/EM en las mismas condiciones experimentales que se indican en los casos anteriores. Cuando se haya oxidado todo el isoborneol (Nota 6), la mezcla de reacción se vierte en un vaso de precipitados que contenga 250 mL de una mezcla de hielo y agua, agitando vigorosamente. El alcanfor, que precipita en estas condiciones, se filtra a vacío en un embudo Büchner, se seca sobre papel de filtro y se purifica por sublimación; p. f.= 176-178 °C (Nota 3). IR (film) : 2960, 1740, 1450, 1390, 1370, 1040 cm–1. H-RMN (CDCl3):  = 2,38-2,31 (m, 1H); 2,09-2,07 (m, 1H); 1,98-1,91 (m, 1H); 1,83 (d, 1H, J= 2Hz); 1,71-1,64 (m, 1H); 1,44-1,30 (m, 2H); 0,95 (s, 3H): 0,91 (s, 3H); 0,83 (s, 3H) ppm. 1

NOTAS 1. Con objeto de comprobar la importancia que tiene en el progreso de la reacción la catálisis por un ácido mineral, sería muy instructivo que algunos alumnos la llevasen a cabo sin adicionar ácido sulfúrico. 2. Las condiciones que aquí se indican pueden variar en función del equipo de que se disponga para llevar a cabo los análisis; por tanto debe ser el profesor responsable de la práctica quien las determine experimentalmente. 3. La determinación del punto de fusión debe llevarse a cabo en capilar cerrado, ya que el producto sublima con facilidad. 4. Es necesario utilizar acetona destilada sobre KMnO4. 5. El reactivo Jones se prepara disolviendo 13,4 g de CrO 3 en 12 mL de ácido sulfúrico concentrado, diluyendo a continuación cuidadosamente hasta 100 mL con agua destilada. 6. Las sales de Cr3+ tienen coloración verde. Si al finalizar la reacción la mezcla tuviese color marrón, sería indicativo de que hay exceso de agente oxidante. Para destruirlo se pueden añadir unas gotas de metanol.


5


Cálculos

El rendimiento obtenido en cada paso se calcula según la siguiente expresión: % rendimiento =

cantidad real obtenida  100 cantidad teórica

Resultados

1. Evolución de las reacciones

A. Cromatografía de gas-líquido Tiempo

% Acetato de isobornilo

% Isoborneol

% Alcanfor

B. Espectrocospía infrarroja Tiempo necesario para la conversión total del acetato de isobornilo en isoborneol ................................................... min Tiempo necesario para laconversión total de isoborneol en alcanfor .................................................................................. min 2. Cálculo de rendimientos

2.A. Rendimiento de acetato de isobornilo Peso de canfeno ..................................................................... g Moles de canfeno................................................................... moles Peso de ácido acético glacial .................................................. g


Moles de ácido acético glacial................................................ moles Cantidad teórica de acetato de isobornilo.............................. g Cantidad de acetato de isobornilo obtenido .......................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2.B. Rendimiento de isoborneol Peso de acetato de isobornilo................................................. g Moles de acetato de isobornilo .............................................. moles Peso de hidróxido sódico........................................................ g Moles de hidróxido sódico...................................................... moles Cantidad teórica de isoborneol............................................... g Cantidad obtenida de isoborneol ........................................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2.C. Rendimiento de alcanfor Peso de isoborneol ................................................................. g Moles de isoborneol............................................................... moles Peso de trióxido de cromo...................................................... g Moles de trióxido de cromo.................................................... moles Cantidad teórica de alcanfor .................................................. g Cantidad obtenida de alcanfor ............................................... g Rendimiento obtenido............................................................ % 2.D. Rendimiento global Se calcula mediante la siguiente expresión: RA RB RC     100 Rendimiento global (%) =  100 100 100



6



Ejercicios

1. La reacción de canfeno con ácido clorhídrico conduce a hidrocloruro de canfeno, el cual puede isomerizarse en presencia de ácidos de Lewis a cloruro de isobornilo. Formúlese el mecanismo por el que transcurre la reacción.


2. La reacción de 1-aminometilciclopentanol con ácido nitroso da lugar a un compuesto cuyos espectros de 1H-RMN, IR y EM se muestran a continuación. Establézcase la estructura de dicho compuesto y propóngase un mecanismo que justifique su formación.


3. El tratamiento de 3-fenil-1,2-propanodiol con un ácido mineral podría originar dos productos, sin embargo en la práctica solo se observa uno. Formúlese la reacción que tiene lugar e indíquese como podrían distinguirse ambos compuestos tomando como base sus propiedades espectroscópicas. 4. El hidrocloruro de -pineno en medio ácido experimenta una transposición de Wagner-Meerwein pudiendo originar cloruro de bornilo o isobornilo. ¿Qué técnica espectroscópica sería la más adecuada para poder discernir entre ambos isómeros? ¿Cuáles serían las diferencias más notables?

5. La oxidación de 1,2-dihidroxinorbornanos, fácilmente accesibles a partir de cetonas bicíclicas tensas como alcanfor o fencona, constituye un buen procedimiento para la obtención de ciclopentanonas 3sustituidas. Por análisis de sus datos espectroscópicos, establézcase la estructura del compuesto que se obtiene en la siguiente reacción.


Datos espectroscópicos del compuesto A: EM m/e (%B): 154 (2), 111 (27), 110 (34), 97 (8), 95 (7), 83 (26), 82 (7), 70 (20), 69 (100), 67 (13), 56 (13), 55 (40), 53 (12), 43 (31), 42 (14), 41 (83). IR (film) : 2960, 2700, 1740, 1725, 1455, 1400, 1380 cm–1.

E XPERIMENTO 14 Resolución de (±)-1-feniletilamina Concepción López García

Objetivo general

Su objetivo es ilustrar la separación (resolución) de una mezcla racémica por medio de un reactivo ópticamente activo, mediante la formación de diastereómeros y la liberación posterior de los enantiómeros. Determinar el poder rotatorio y el enriquecimiento enantiomérico. Objetivos específicos

1. Preparar las sales diastereómeras (+)-amina(+)-tartrato y (–)-amina(+)-tartrato. 2. Liberar la (+)-1-feniletilamina y la (–)-1-feniletilamina. 3. Calcular el rendimiento obtenido 4. Determinar el poder rotatorio de cada uno de los enantiómeros. 5. Medir el enriquecimiento enantiomérico. 6. Calcular la rotación específica. Duración del experimento

Este experimento deberá realizarse en dos días, utilizando una hora el primer día y finalizando al día siguiente (ocho horas).


ESQUEMA

1. Introducción teórica 2. Material y productos 3. Referencias bibliográficas 4. Procedimiento experimental 4.A. Obtención de (–)-1-feniletilamina 4.B. Obtención de (+)-1-feniletilamina 5. Cálculos y resultados 6. Ejercicios

151 Experimento 14. Resolución de (±)-1-feniletilamina

1


Durante los últimos años, ha habido un gran avance en el desarrollo de diversas estrategias para la síntesis de compuestos ópticamente activos con un gran exceso enantiomérico. La generación de una estructura quiral a partir de productos aquirales conduce a una mezcla racémica y esto plantea el problema de la separación de los enantiómeros. Una solución posible es a partir de un racemato y separar un enantiómero del otro. Este procedimiento se denomina resolución de los enantiómeros. La resolución enantiomérica es necesaria para preparar auxiliares quirales ópticamente activos, para purificar los productos con un bajo exceso enantiómerico y, como una estrategia válida para la síntesis quiral. El procedimiento general más importante, para estas resoluciones, fue propuesto y realizado por Pasteur; implica la conversión de la mezcla de enantiómeros en un par de diastereómeros por reacción con un agente ópticamente activo, por ejemplo: 2(±)-X + 2(+)-Y  (+)-X(+)-Y + (–)-X(+)-Y (1) (2) (3) Hay que destacar que mientras los enantiómeros en la mezcla (o racemato) (1) tienen propiedades físicas idénticas (excepto por la forma como interaccionan con el plano de la luz polarizada), los diastereoisómeros (2) y (3) tienen propiedades físicas (como la solubilidad, puntos de ebullición, comportamiento en cromatografia, etc.) que normalmente son significativamente diferentes. El método original de resolución de Pasteur implica la formación de sales diastereómeras de ácidos o bases racémicos por neutralización con bases o ácidos ópticamente activos. Los agentes ópticamente activos requeridos son, en la mayoría de los casos, fácilmente accesibles; idealmente, escogiendo el agente de resolución adecuado, las sales diastereómeras son cristalinas y tienen una solubilidad lo suficientemente diferente como para permitir la separación y purificación de la sal menos soluble por cristalización fraccionada con un disolvente adecuado. La regeneración del enantiómero ópticamente puro normalmente no presenta problemas. Este procedimiento se ilustra en esta práctica con la resolución de la (±)-1-feniletilamina (a-metilbencilamina) con la ayuda del ácido tartárico (Fig. 14.1.)


FIGURA 14.1. Resolución de la feniletilamina con ácido (+)-2,3-dihidroxibutanodioico [(+)-tartárico].

El racemato se trata con el ácido (+)-tartárico para formar los dos tartratos diastereoméricos. El isómero dextrógiro cristaliza espontáneamente y puede separarse de las aguas madres, que contienen el tartrato levógiro, por filtración. En este ejemplo se utiliza el enantiómero puro del ácido para resolver la amina racémica. El recíproco también es posible: la resolución de un ácido racémico con una amina enantioméricamente pura. El método más clásico y antiguo para determinar la pureza enantiomérica es la polarimetría (método que se utilizará en esta práctica); se basa en la propiedad que poseen los enantiómeros de desviar en sentido contrario el plano de polarización de la luz polarizada. Este fenómeno se denomina actividad óptica. La magnitud de la rotación del plano de polarización de la luz se mide en grados y se expesa como la rotación específica [ ]. 2


Material

— Un erlenmeyer de 250 mL. — Un matraz de fondo redondo de 250 mL.


— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —

Una probeta de 100 mL. Una pipeta de 10 mL o probeta de 10 mL. Una pera de goma. Un refrigerante de reflujo. Un refrigerante de destilación. Una cabeza de destilación. Un termómetro de 0 a 200 °C. Un adaptador de vacío. Tres matraces colectores. Un embudo cónico de decantación. Dos erlenmeyers de 100 mL. Vaso de precipitados de 100 mL. Rotavapor. Placa calefactora de agitación magnética. Baño de agua y de silicona. Aparato de puntos de fusión y capilares. Soporte metálico. Pinzas con nuez para sujetar matraces. Aros metálicos con nuez. Espátula y varillas de vidrio. Balanza. Tijeras. Tubo de goma. Tubo de goma para vacío. Papel de filtro. Trompa de agua. Una pieza de agitación magnética. Polarímetro y sus accesorios.

Productos

— Ácido (+)-tartárico. — Metanol.


— — — — — —

Etanol. (±)-1-Feniletilamina. Éter etílico. Sulfato sódico anhidro. Hidróxido sódico. Ácido sulfúrico

3


VOGEL’S, Textbook of Practical Organic Chemistry , 5.a ed. Longman Scientific & Technical, Essex (Gran Bretaña), 1989, pág. 812. J. S. NIMITZ, Experiments in Organic Chemistry , Prentice Hall Inc., New Jersey, 1991, pág. 450. J. R. MOHRIG y D. C. C. NECKERS, Laboratory Experiments in Organic Chemistry , 3.a ed. D. Van Nostrand Company, New York, 1991, pág. 373.

4 4. A

Procedimiento experimental Obtención de (–)-1-feniletilamina

En un matraz de fondo redondo, provisto de refrigerante de reflujo y embudo de adición, de 250 mL, se introducen 10 g (66,6 mmoles) de (+)ácido tartárico y 150 mL de metanol. Se calienta la mezcla, en un baño de silicona, a una temperatura próxima al punto de ebullición hasta disolver el ácido tartárico. Se separa el matraz de la fuente de calor y se añaden lentamente y con precaución 8,6 mL (66,6 mmoles) de (±)-1-feniletilamina (Nota 1). Se agita la mezcla caliente hasta obtener una disolución clara, se tapa el matraz y se guarda durante 24 horas para lograr una lenta separación (Nota 2). Al cabo de este tiempo se recogen los cristales por filtración a vacío. Si los cristales tienen forma de prismas son ópticamente más puros que si son en forma de agujas, en cualquier caso se procede de la misma manera. Los cristales recogidos por filtración, se lavan con metanol, se secan al aire y se pesan. El rendimiento total de (–)-amina (+)-tartrato es de 7g (77% ) (Nota 3). Medir el intervalo de fusión de esta sal. Se disuelven los cristales, obtenidos anteriormente, en 30 mL de agua y se basifica la mezcla, con precaución, añadiendo añadiendo NaOH (50% p/v). Se extrae

155 Experimento 14. 14. Resolución de (±)-1-feniletilam (±)-1-feniletilamina ina

la amina, en un embudo de decantación de 100 mL, con 3 porciones de 15 mL de éter; se seca con sulfato sódico anhidro, se filtra, se concentra en un rotavapor hasta 20 mL y se elimina el éter restante en un aparato de destilación a presión atmosférica, recogiendo la (–)-1-feniletilamina como la fracción de punto de ebullición 184-186 °C, el rendimiento es de 1,6 g (53%). Se determina la rotación óptica del producto y se calcula la rotación específica. Si se tiene suficiente cantidad de compuesto para llenar la cubeta, la determinación se puede hacer del líquido puro, si no se puede utilizar una disolución en etanol de concentración conocida. La rotación específica 20 para la (–)-1-feniletilamina pura es [ ]22 D = –40,3° (líquido puro); [ ] D = –31,5° (c 3,2 en EtOH). 4.B

Obtención de (+)-1-feniletilamina

Este enantiómero se puede recuperar usando el siguiente procedimiento. Se evapora a sequedad, la disolución de metanol de la que se había aislado el tartrato de la (–)-amina, utilizando un rotavapor. Se convierte la sal residual en la amina libre tratando este residuo con una disolución de hidróxido sódico seguido de extracción con éter del mismo modo descrito anteriormente. Eliminar todo el éter calentando a presión reducida. Pesar el producto resultante ( x x g), medir su rotación óptica y calcular la rotación específica. El peso de la (+)amina en exceso presente en la muestra viene dada por la siguiente ecuación: x x []D observado para el líquido puro exceso de (+)-amina = gramos 40,3

Por cada gramo de (+)-amina en exceso, presente en la muestra, se añaden 10 mL de etanol, se calienta y entonces se añade, por cada gramo, una solución caliente de 0,44 g de ácido súlfurico del 98% (1,03 veces la cantidad teórica) en 21,5 mL de etanol. Se deja enfriar lentamente la disolución hasta temperatura ambiente, ambiente, se filtra el sulfato de (+)-amina y se lava con etanol frio. El rendimiento es de alrededor de 1g de sulfato por gramo de (+)-amina (71%). Se libera la amina libre del sulfato como se ha descrito anteriormente para el tartrato, usando 4 mL de agua y 0,5 mL de hidróxido sódico al 50 % por cada gramo de sulfato obtenido.


El rendimiento de la (+)-1-feniletilamina, p.eb.= 184-186 °C, es del 60% del teórico, su pureza óptica es del 95%. NOTAS 1. Si la adición es demasiado rápida, rápida, se produce una una reacción exótermica ácidoácidobase, y puede causar que la disolución se vierta. 2. Si se dispone de cristales de (–)-amina(+)-tartrato, se añaden. añaden. 3. Si no se alcanza este rendimiento, rendimiento, se concentra el filtrado a presión presión reducida, hasta reducir el volumen a la mitad y se le deja otras 24 horas para obtener una segunda fracción.

5


Cálculo del rendimiento

Calcular el rendimiento obtenido según: cantidad real obtenida % rendimiento = cantidad teórica



100

Determinación de la rotación rotación específica

La magnitud de la rotación óptica depende de (i) la naturaleza del producto; (ii) la longitud de la cubeta a través de la cual pasa la luz; (iii) la longitud de onda de la luz utilizada; (iv) la temperatura; y (v) la concentración del compuesto ópticamente activo. A la hora de obtener una medida del poder rotatorio de un compuesto, se deben de tener en cuenta todos estos factores. Normalmente, la longitud de onda empleada es la de la línea D del sodio, 5893 Å (obtenida con una lámpara de vapor de sodio) o la de la línea verde de mercurio, 5461 Å (producida con una lámpara de vapor de mercurio provista de un filtro adecuado). La temperatura seleccionada es 20 °C o la del laboratorio t °C. Para evitar ambigüedades se ha convenido en utilizar valores estándar de , la rotación específica para un líquido puro a la temperatura t para la línea del sodio, viene dada por la siguiente expresión:


[]Dt =



ld

donde  es la rotación angular, l es la longitud de la columna del líquido en decímetros y d es la densidad a la temperatura t. La rotación específica para una disolución de un compuesto ópticamente activo es: 100  [] = lc t D

donde l es la longitud de la columna del líquido en decímetros y c es el número de gramos de la sustancia disueltos en 100 mL de disolución. Determinación de la pureza óptica

Una de las cuestiones más importantes en compuestos ópticamente activos es conocer la pureza tanto química como enantiomérica. La pureza óptica o enantiomérica representa el exceso de un enantiómero en la mezcla. Un enantiómero puro tiene una pureza óptica del 100% y en el caso de la mezcla racémica, el valor es 0%. pureza óptica =

[]calculado []literatura



100%

Resultados

Peso de (±)-1-feniletilamina ................................................... g Moles de (±)-1-feniletilamina................................................. moles Cantidad teórica de (–)-amina(+)-tartrato.............................. g Cantidad obtenida de (–)-amina(+)-tartrato........................... g Rendimiento obtenido de (–)-amina(+)-tartrato..................... % Cantidad teórica de (–)-1-feniletilamina.................................. g Cantidad obtenida de (–)-1-feniletilamina .............................. g Rendimiento obtenido de (–)-1-feniletilamina ........................ %


Rendimiento obtenido de (+)-1-feniletilamina ...................... % Rotación óptica de (–)-1-feniletilamina................................... % Pureza óptica de (–)-1-feniletilamina ...................................... % Rotación óptica de (+)-1-feniletilamina.................................. % Pureza óptica de (+)-1-feniletilamina ..................................... % 6

Ejercicios

1. Indicar otros métodos existentes para la resolución de enantiómeros. 2. Dar ejemplos de otros ácidos y bases ópticamente activos utilizados con frecuencia para la resolución de mezclas racémicas. 3. Métodos de determinación de la pureza enantiomérica. 4. Para cada una de las preguntas que se formulan se debe de suponer que las medidas se realizaron en una célula de polarímetro de 10 cm. a) Una solución de 0,4 g de butanol ópticamente activo en 10 mL de agua muestra una rotación de –0,56°. ¿Cuál es la rotación específica? b) La rotación específica de la sacarosa (azucar común) es +66,4°. ¿Cuál sería la rotación observada en una solución que contuviese 3 g de sacarosa en 10 mL de agua? c) Una solución de (S)-2-bromobutano puro en etanol da lugar a una rotación observada,  = 57,3 °. Si [] para el (S)-2-bromobutano es 23,1°, ¿cuál es la concentración de la solución? 5. La epinefrina natural []25 D = –50° se utiliza en medicina. Su enantiómero es médicamente inactivo y, de hecho es tóxico. Un farmacéutico recibe una solución que contiene 1 g de epinefrina en 20 mL de líquido pero cuya pureza óptica se desconoce. Al determinar la actividad óptica en un polarímetro (con un tubo de 10 cm) se obtiene una lectura de –2,5°. ¿Cuál es la pureza óptica de la muestra? ¿Puede utilizarse en medicina?

Prácticas Integradas De Química Orgánica

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