Universidade Universidade Federal do Ceará Centro de Ciências Departamento de Química Orgânica e Inorgânica Engenharia de Energias e Meio Ambiente Química Experimental Experimental
PREPARAÇÃO DA ACETANILIDA E RECRISTALIZAÇÃO
Aluna: Tácia C S M Matrícula: Prof.: Pablyana L R C
Fortaleza, setembro de 2010
SUMÁRIO 1. Fundamentação teórica.........................................................................01 2. Objetivos...........................................................................................02 3. Parte experimental............................................................................03 3.1. Materiais utilizados.............................................................03 3.2. Reagente utilizados.............................................................03 3.3. Procedimento experimental ...............................................03 4. Resultados e discussão....................................................................05 5. Considerações finais.......................................................................09 6. Bibliografia.......................................................................................10
1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA A substância química acetanilida, é um produto orgânico da família das amidas, ocorrendo na forma sólida na temperatura ambiente, de cor branca, praticamente inodora; solúvel em água (quente) e na maioria dos solventes orgânicos. Está no grupo dos primeiros analgésicos a serem introduzidos , em 1884, com o nome de febrina, a fim de substituir os derivados da morfina. No entanto, seu uso deve ser controlado, uma vez que essa substância é tóxica e pode causar sérios problemas no sistema fisiológico. A acetanilida, ou N-feniletanamida, é uma amida secundária que pode ser sintetizada através de uma reação de acetilação da anilina (fenilamina) a partir do ataque nucleofílico do grupo amino sobre o carbono carbonílico do anidrido acético (anidrido etanóico), seguido de eliminação de ácido acético. Percebe-se a formação da acetanilida, durante a síntese orgânica, em virtude da formação de cristais brancos que se aglomeram no fundo do recipiente (essa reação será vista mais adiante com detalhes). Compostos orgânicos sólidos, quando isolados ou obtidos em reações químicas raramente são puros, e apresentam outros compostos “impurezas” que se formam em reações secundárias juntamente com o produto desejado. A utilização de um solvente apropriado e posterior recristalização é uma técnica simples para a eliminação de impurezas, principalmente as insolúveis. A purificação do sólido por recristalização está fundamentada nas diferentes solubilidades das substâncias e consiste primeiramente, na dissolução do material impuro num solvente apropriado, seguido de um aquecimento até o próximo à ebulição. Efetua-se uma filtração a quente para remover os insolúveis nesta temperatura. Em seguida, deixar esfriar para produzir os cristais da substância dissolvida que podem ser separados em uma filtração a frio. O processo é repetido até a obtenção do composto puro. As características desejáveis do solvente para a recristalização são: alto poder de dissolução da substância a ser purificada em temperaturas elevadas e um relativo baixo poder de dissolução, em temperaturas comuns. Deve ser facilmente isolado dos cristais obtidos; não reagir com a amostra e ter ponto de ebulição não muito alto para que possa ser recuperado. Após sua síntese, a acetanilida pode ser purificada através de uma recristalização.
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2. OBJETIVOS Preparar a acetanilida a partir de uma reação de acetilação da anilina e realizar procedimento de purificação do produto reacional através de recristalização.
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3. PARTE EXPERIMENTAL 3.1. Materiais utilizados: 1) Balança digital 2) Bastão de vidro 3) Béquer de 250 ml 4) Erlenmeyer de 250 ml 5) Estufa 6) Funil comum 7) Funil de Büchner 8) Kitassato 9) Mangueiras para filtração a vácuo Manta aquecedora 10) 11) Papel de filtro Pipeta graduada (5ml) 12)
13)Pisseta 14)
Vidro relógio
3.2. Reagentes utilizados: 1) Água destilada (H 2O) 2) Anidrido acético (C 4H6O3) 3) Anilina (C 6H7 N) 3.3. Procedimento experimental: 1ª parte: preparação da acetanilida.
Mediu-se, com uma pipeta graduada e com a ajuda de uma pêra para sucção, 2,3 ml (2,3g) de anilina e transferiu-se para um béquer de 250 ml. Em seguida adicionou-se 25 ml de água destilada (medida com o auxílio de uma bureta e pisseta). Mediu-se 2,6 ml (2,75g) de anidrido acético (também com a pipeta e o auxílio da pêra) e adicionou-se ao béquer cuidadosamente em pequenas porções. Enquanto o anidrido era acrescentado, o béquer era mantido em movimento circulares para facilitar a reação. As operações anteriores foram realizadas no interior da capela, em virtude dos fortes odores dos reagentes utilizados. Fez-se a filtração a vácuo da acetanilida obtida. Utilizou-se o kitassato, o funil de büchner foi acoplado na parte superior e o papel de filtro foi umedecido com água destilada (para permitir uma perfeita aderência ao fundo do funil) e posto no interior do funil. Ligou-se uma mangueira a saída lateral do erlenmeyer a um dispositivo que ocasionava vácuo, com o objetivo de acelerar o processo de filtragem. 3
Mediu-se a massa do vidro relógio: 43,32g. Após a filtração, o material contido no papel de filtro foi transferido para o vidro relógio e pesado: 47,27g. O papel foi posto na estufa para uma maior eficiência de secagem dos cristais. O material permaneceu na estufa por 6 minutos a uma temperatura de 108ºC. Fez uma nova pesagem; massa do vidro + cristais: 46,85g. 2ª parte: Recristalização da acetanilida.
O material recém pesado foi transferido para um béquer de 250 ml e adicionou-se 50 ml de água destilada (medida com o auxílio de uma bureta e pisseta). Aqueceu-se a mistura em uma manta aquecedora e fez-se a agitação da referida mistura com um bastão de vidro até que todo o material fosse dissolvido. Filtrou-se a solução, ainda quente, em um funil comum, anteriormente aquecido na estufa para este fim. Foi posta uma bolinha de algodão no interior do funil, e filtrado coletado em um erlenmeyer de 250 ml. Em seguida, o material foi posto em um banho de gelo por 10 minutos, onde se observou a formação de cristais de acetanilida. Os cristais foram filtrados a vácuo, fazendo uso do papel de filtro, funil de büchner e um erlenmeyer (como descrito na 1ª parte). Os cristais foram lavados com água destilada (5 a 10 ml, previamente resfriada) e mantidos sob vácuo durante aproximadamente 5 minutos. A solução remanescente, denominada “água mãe”, contida no kitassato foi armazenada em recipiente apropriado. A acetanilida depois de filtrada foi colocada, juntamente com o papel de filtro, na estufa, onde permaneceu por 6 minutos a uma temperatura de 138ºC. Dando continuidade, o sólido foi transferido para o vidro relógio e pesado: 45,07g. Os cristais foram guardados em material apropriado e fez-se a lavagem das vidrarias utilizadas.
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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO 1ª parte: preparação da acetanilida.
Reação:
Figura1: reação de sintetização da acetanilida.
Mecanismo:
Figura2: mecanismo da reação de sintetização da acetanilida.
A acetanilida 1, uma amida secundária, pode ser sintetizada através de uma reação de acetilação da anilina 2, a partir do ataque nucleofílico do grupo amino sobre o carbono carbonílico do anidrido acético 3, seguido de eliminação de ácido acético 4, formado como um subproduto da reação. A anilina é um composto orgânico e é apenas levemente solúvel em água. Por não estar potencialmente dissolvida na água, quando o anidrido acético foi acrescentado, teve de ser posto cuidadosamente e em pequenas proporções, para que o contato entre os reagente fosse maior e, consequentemente, a cristalização fosse facilitada.
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1ª pesagem (antes da estufa): m (acetanilida) = m (vidro relógio+acetanilida) - m (vidro relógio) m (acetanilida) = (47,27 – 43,32)g m (acetanilida) = 3,95g
2ª pesagem (depois da estufa): m i (acetanilida) = m (vidro relógio+acetanilida) - m (vidro relógio) m i (acetanilida) = (46,85 – 43,32)g m i (acetanilida) = 3,53g Comparando as duas primeiras pesagens, percebe-se que a diferença entre m i e m é de 0.42g. Conclui-se que os cristais ainda estavam úmidos, mesmo depois de terem sido filtrados a vácuo por alguns minutos. O valor de 0,42g de água foi eliminado por evaporação durante o período da substância na estufa. Para sólidos que fundem em temperaturas superiores a 100ºC e que não se decompõem a estas temperaturas, o método de secagem indicado é na estufa ou mufla. È o caso da acetanilida, por isso esse foi o método de secagem utilizado. Nessa prática, a água foi escolhida como solvente. Isso aconteceu devido suas características de um bom solvente, como: alto poder de dissolução do composto (a ser purificado) a quente e baixo poder de dissolução em temperaturas comuns e frias, ser inerte (não reage com a substância) e pode ser facilmente separado do composto. Cálculo do 1º rendimento: M(acetanilida) = M(C8H9ON) = 8x12,01 + 9x1,00 + 1x16,00 + 1x14,01 = 135,09g/mol. M(anilina) = (C6H7 N) = 6x12,01 + 7x1,00 + 1x14,01 = 93,07g/mol. M(anidrido acético) = (C 4H6O3) = 4x12,01 + 6x1,00 + 3x16,00 = 102,04g/mol. m anilina = 2,3g m anidrido = 2,75g n anilina = m anilina / M anilina = 2,3g/93,07g.mol -1 = 0,0247 mol. n anidrido = m anidrido / M anidrido = 2,75g/102,04g.mol -1 = 0,0269 mol. De posse do número de mols de cada reagente, é necessário saber qual o reagente limitante da reação, uma vez que este determina a quantidade de produtos que podem ser formados. A relação estequiométrica é de 1 para 1: 1 mol de anilina --- 1 mol de anidrido 0,0247 mol --- n` O número de mol n’ esperado para o anidrido é 0,0247 mol; como o número de mols real (0,0269 mol) é maior do que o esperado, conclui-se que esse reagente está em excesso e que a anilina é o reagente limitante e, portanto, o reagente no qual os cálculos de rendimentos se basearão.
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Cálculo para encontrar a massa teórica de acetanilida. 1 mol de anilina --- 1 mol de acetanilida 0,0247 mol --- n acetanilida m acetanilida = n acetanilida x M acetanilida = 0,0247 x 135,09g.mol -1 = 3,338g. A massa da acetanilida utilizada para os cálculos de rendimento será a segunda pesagem, depois que os cristais foram secos na estufa: m i (acetanilida) = 3,53g. Rendimento percentual =
=
x100% = 105,75% .
O valor de rendimento obtido, 105,75%, afirma a suspeita em relação à quantidade de impurezas nos cristais, concluindo-se que a massa de 3,53 g não é apenas de acetanilida. 2ª parte: recristalização da acetanilida.
Após os cristais serem dissolvidos em água quente, devem ser filtrados imediatamente com um funil pré-aquecido. O objetivo de aquecer o funil antes da filtração e realizar a filtração imediata, a quente, é impedir que as reações de cristalização ocorram em períodos indesejados durante a prática, uma vez que quanto mais baixa a temperatura, menor será a solubilidade dos cristais em água. É esperada a cristalização dentro do erlenmeyer, inclusive a solução dentro desta vidraria é posta em contato com água e gelo para provocar a cristalização. A bolinha de algodão posta no funil tem a finalidade de reter as impurezas contidas nos reagentes ou vidrarias utilizadas. A quantidade de impurezas encontradas admirou alguns alunos neste momento. Cálculo do 2º rendimento: 3ª pesagem: m f (acetanilida) = m (vidro relógio+acetanilida) - m (vidro relógio) m f (acetanilida) = (45,07 – 43,32)g m f (acetanilida) = 1,75g A massa da acetanilida utilizada para os cálculos de rendimento será a terceira pesagem, depois que os cristais foram recristalizados e secos na estufa: m f (acetanilida) = 1,75g 7
=
x100% = 52,42% .
Percebe-se com nitidez que o rendimento esperado para a quantidade de acetanilida não foi atingido. Isso acontece em virtude de tanto os reagentes utilizados possuírem impurezas (e consequentemente a massa medida destes não é a massa de fato que reagirá) como também os materiais utilizados. Outro motivo nítido é a grande perda dos cristais de acetanilida quando há transferência destes para outra vidraria, tanto quando se encontram na forma de cristais como dissolvidos em solução aquosa. O resfriamento, durante a recristalização, deve ser feito lentamente para que se permita a disposição das moléculas em retículos cristalinos, com formação de cristais puros e as impurezas ficam na solução. Caso o resfriamento seja brusco, há aparecimento de retículos imperfeitos e precipitados, ao qual englobaram as impurezas. Nessa prática, teve-se em rápido resfriamento da solução (banho em água com gelo), o que teve por conseqüência a formação de cristais com impurezas conjugadas à suas redes cristalinas, ou simplesmente adsorvidas em sua superfície. Ao contrário, em um resfriamento lento, a formação dos cristais ocorre também lentamente, camada por camada desde o núcleo do cristal ate sua crosta, assim obtendo um produto de maior pureza, onde o solvente (água mãe) retém totalmente as impurezas do composto. Disso conclui-se que (embora grande parte dos cristais tenham sido purificados) a massa final de acetanilida ainda apresenta impurezas.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Conseguiu-se sintetizar a substâncias acetanilida, através da técnica de acilação nucleofílica. Os reagentes: anidrido acético e anilina reagem rápido entre si. A reação é exotérmica, devido à subida da temperatura, que facilita a reação. A acetanilida sintetizada é solúvel em água quente, mas pouco solúvel em água fria (fato que favorece a sua recristalização). Pôde-se testar a eficiência da recristalização na purificação da acetanilida a través dos cálculos de rendimento para esse produto. Através dos cálculos do primeiro rendimento, percebeu-se que a quantidade de impurezas era muito grande. Quando se obteve o valor do segundo rendimento, houve uma queda drástica de cerca de 50% de rendimento. Isso se deu em virtude da nítida a perda dos cristais durante a passagem de uma vidraria para outra, além disso, muitas impurezas ficaram retiradas no chumaço de algodão no momento da filtração a quente, obtendo-se um grau de pureza desejado. O grau de pureza só não foi maior em virtude de a solução ter sido resfriada rapidamente, como explicado anteriormente nos resultados e discussões.
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6. BIBLIOGRAFIA
(1) MCMURRY, John. Química orgânica. São Paulo, SP: Pioneira Thomson Learning, c2005. 6ªEd. Vol.2. (2) GONÇALVES, Daniel; WAL, Eduardo; ALMEIDA, Roberto Riva de. Química orgânica experimental. São Paulo: McGraw-Hill, c1988. 269 p. (3) Mendes, Aristênio. Manual de química orgânica , teoria, problemas resolvidos e atividades de laboratório. 3º Ed. 2006.
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