Pruebas de caracterización de hidrocarburos 1. RESUMEN La práctica se inició con la prueba de solubilidad en agua y posteriormente en éter de petróleo, en estas se utilizaron 0,05 g de hexano heptan ano o 2, hex hexeno 3, octe cteno 4, hexin xino 5, 1, hept octino 6, tolueno 7 y naft aftaleno . Para la primera prueba se agregaron 0.5 mL de agua a cada compuesto y se eidenció la formación de dos fases en esta solución. Para la solubilidad de éter de petróleo se agregaron 0.5 mL de este y se obser obseró ó una fase fase en la solució solución. n. !sto !sto ocurre ocurre debido a "ue lo seme#ante disuele lo seme#ante, por ello la solubilidad de los hidrocarburos en el éter de petróleo ya "ue son compuestos apolares "ue poseen fuerzas intermoleculares de an der $alls, $alls, mientr mientras as "ue el agua presenta presenta fuerza fuerzass dipo dipolo lo%d %dip ipol olo o y puen puente tess de hidr hidrog ogen eno. o. La segunda prueb ueba fue la de oxid xidació ción en permanganato de potasio al &' en temperatura ambiente, en esta se utilizaron 5 gotas de los compuestos compuestos 3, 4! 5! 6 y 7. !n esta esta prueb pruebaa los hidr hidroca ocarb rbur uros os reac reacci ciona onaro ron n forma formando ndo un precipitado marrón a excepción del compuesto 7 "ue no esta estaba ba en las las condi condici cion ones es para para esta esta reac reacci ción ón.. Por Por lo ante anteri rior or,, esta esta reac reacci ción ón es caracter(stica de al"uenos y al"uinos, pues en los aromáticos se oxida la la cadena lateral. !n la prueba de halogenación )bromación*, se utilizó 5 gota gotass de los los comp compue uest stos os 1,3 y 5 y se les a+adió solución de bromo en diclorometano. !n esta esta prueba prueba se obser obseró ó "ue el compue compuesto sto 1 no reac reacci cion onó ó debi debido do a "ue "ue no est estaba aba en las condiciones necesarias, esto se eidencio ya "ue este este no fue fue inco incolo loro ro en comp compar arac ació ión n a los los demás, por esto, el tubo se ubicó cerca de la luz ultraioleta. inalmente, esta prueba se utilizó para identificar la presencia de instauración )enlaces doble y triple*. La -ltima prueba fue la
del efecto de los actiadores y los desactiador desactiadores. es. !n esta esta utilizaron utilizaron 5 gotas gotas de de anilina ", nitrobenceno 1# y el compuesto 7 y se les les agre agregó gó brom bromo o en dicl diclor orom omet etan ano. o. /e obser obseraro aron n difere diferente ntess elocid elocidade adess en estas estas reacci reacciones ones,, las cuales cuales se eidenc eidenciar iaron on con el camb cambio io de colo colorr. !l comp compue uest sto o tien tienee un acti actia ador dor fuer fuerte te lo "ue acele aceleró ró la reacc reacció ión, n, proocando un desprendimiento de humo. !l 7 tiene un actiador débil, por esto la reacción se dio de manera lenta. 1ientras "ue, el 1# tiene un desactiador y por ende la reacción no se dio en condiciones ambientales y no se obseró cambio de color olor.. 2e acu acuerdo a lo anterior, or, los acti actia ador dores es y desa desact cti iado adore ress dete determ rmin inan an la elocidad de una reacción.
2. $N% $N%R& R&'U 'U( (($) ($)N* 3Los 3Los hidr hidroc ocar arbu buro ross son son comb combin inaci acione oness de carbonos e hidrógenos, considerados estructur cturaalmente como omo los es"ue "ueleto etos fundamentales de las moléculas orgánicas. 4iene como caracter(stica la insolubilidad en agua por ello ello son consid considera erados dos molécul moléculas as apolar apolares. es. /e clas clasif ific icaa en hidr hidroc ocar arbu buro ross alif alifát átic icos os y los los 7 aromáticos6 . 3Los 3Los alif alifát átic icos os son son comp compue uest stos os de cade cadena na abie abiert rtaa "ue sufr sufren en de reacc reaccio ione ness de adici adición ón electrofilica. /e distinguen seg-n el grado de satu satura raci ción ón entr entree átom átomos os de carb carbon ono o ecin ecinos os )tipo de enlaces existentes entre los átomos de carbono* Los alcanos )hidrocarburos saturados* poseen -nicamente enlaces sencillos, los al"uenos )hidrocarburos etilenicos no saturados* poseen enlaces dobles y los al"uinos
)hidrocarburos acetilénicos no saturados* tienen enlaces triples6&. Por otra parte, 3los aromáticos se identifican por su anillo de benceno el cual tiene gran estabilidad debido a las energ(as de deslocalización68. 3La aromaticidad del benceno hace "ue presente reacciones de sustitución electrofilica y nucleofilica. !ntre las reacciones más comunes estan la halogenación, la nitración, la sulfonación, la al"uilación y la acilación de riedel%9rafts6:. !n los hidrocarburos aromáticos se encuentran dos grupos de sustituyentes 3Los sustituyentes actiadores determinan "ue el anillo de benceno sea más reactio en la sustitución electrof(lica aromática y los sustituyentes desactiadores "ue inducen menor reactiidad del anillo de benceno65. !n esta práctica se utilizaran diferentes hidrocarburos para determinar sus propiedades f(sicas y "u(micas y para ello se hará pruebas de solubilidad, oxidación, halogenacion y se mirará el efecto de actiadores y desactiadores en ellos. La pruebas realizadas en esta práctica de laboratorio serán de gran importancia para nuestra futura carrera, pues con la reducción de la solubilidad podremos 3disimular el sabor de un fármaco original, eitar la degradación excesia del fármaco original en el intestino y faorecer la absorción de los fármacos en el tubo digestio6;.
de los fármacos "u(micas6=
proceden
de
reacciones
3. RESU+%,'&S !n la práctica de laboratorio se utilizaron diferentes hidrocarburos tanto aromáticos como alifáticos con el fin de realizar las reacciones "ue se deseaban. < continuación se presentara las estructuras de los compuestos 1! 2! 3! 4! 5! 6!
7! ! " - 1#.
1
2
3
4
6
7
"
5 1# !n la 4abla 7 se muestran los resultados "ue se obtuieron durante la práctica de laboratorio luego de llear acabo la prueba de solubilidad
%aba 1. Prueba de solubilidad en agua y éter de petróleo de aromaticos
hidrocarburos
alifáticos
y !n la 4abla 8 se mostraran los resultados de la prueba de halogenaciAn con diferentes hidrocarburos alifáticos.
Soubiidad (o/0uesto en aua 1 2 3 4 5 6 7
>nsoluble >nsoluble >nsoluble >nsoluble >nsoluble >nsoluble >nsoluble >nsoluble
Soubiidad en ter de 0etróeo /oluble /oluble /oluble /oluble /oluble /oluble /oluble /oluble
!n la siguiente tabla se muestra el resultado de la prueba de oxidación luego de eidenciar el comportamiento de la reacción entre permanganato de potasio al &' en temperatura ambiente con hidrocarburos alifáticos y aromáticos.
%aba 2. Pruebas de oxidación con ?1n@: al & ' de hidrocarburos alifáticos y aromáticos de 8% =.
%aba
3. Pruebas de halogenaciAn con
Br &C9D&9l& al &' de hidrocarburos alifáticos del 1! 3 y 5.
&bseració n
%ie/0o de reacción
1
Lila )no reacciono*
3 5
>ncoloro >ncoloro
Eeaccionó después de 70 minutos en la luz ultraioleta Eápido Eápido
(o/0uesto
La 4abla : contiene los resultados de cada efecto proocado por la presencia de los grupos actiadores y desactiadores en los aromáticos.
%aba 4. !fecto de grupos actiadores y desactiadores en el benceno reacción con Br &C9D&9l&
4 6
15
12
4. ,N+$S$S 'E RESU+%,'&S
5
!n la 4abla 7 se obseró "ue todos los hidrocarburos fueron insolubles en agua. !sto se debe a "ue lo seme#ante disuele a lo seme#ante, ya "ue los hidrocarburos y el éter de petróleo, además de ser apolares, presentan fuerzas de Fan 2er Gaals. 1ientras "ue el agua )"ue es polar* presenta fuerzas dipolo%dipolo y puentes de hidrogeno. Por lo tanto, esta diferencia de fuerzas intermoleculares entre los hidrocarburos y el agua no permite "ue haya una atracción entre ellos, lo "ue prooca su insolubilidad. @tra prueba realizada fue la de oxidación con permanganato de potasio, donde se obseró en la 4abla & "ue los compuestos 3 y 5 reaccionaron más rápido "ue 4 y 6 y "ue 7 no reaccionó. < continuación se muestras las ecuaciones de estas reacciones
1 3
11
12
2
4
13
12
3
5
14
12
7
Los siguientes compuestos reaccionaron con el ?1n@: el compuesto 3 dio )H* 7,&%hexanodiol 11 y oxido de manganeso )>F* 12! el 4 dio )H* 7,&%octanoodiol 13 y el compuesto 12, el 5 dio 7,&%hexanodiona 14 y el compuesto 12 y el 6 dio 7,&%octanodiona 15 - el compuesto 12. !l compuesto 7 fue el -nico compuesto "ue no reaccionó en esta prueba de oxidación debido a "ue no se encontraba ba#o las condiciones necesarias. Los hidrocarburos "ue reaccionaron en la prueba de oxidación fueron los alifáticos "ue pose(an enlaces triples y dobles es decir al"uinos y al"uenos respectiamente. 3Los hidrocarburos mencionados anteriormente son mucho menos resistentes a la oxidación, es decir "ue son muy reactios en presencia de diersos oxidantes los cuales sufren una ruptura en los enlaces carbono I carbono a diferencia de los alcanos "ue se caracterizan por su inercia "u(mica6J. 3!stos compuestos "ue tienen enlaces etilenicos o acetilénicos reaccionan con solución diluida de ?1n@:. Los al"uenos, en frio, forman glicoles )compuestos con dos grupos hidroxilo en carbonos adyacentes* y los al"uinos forman compuestos con dos grupos de cetonas en carbonos adyacentes. /eg-n proceda
la reacción, el color purpura de ion permanganato se reemplaza por un precipitado marrón de dióxido de manganeso. 2ebido a este cambio de coloración, se puede utilizar esta reacción como una prueba "u(mica para distinguir al"uenos y al"uinos de alcanos, los cuales normalmente no reaccionan6. 3Por otra parte, los hidrocarburos aromáticos son compuestos altamente insaturados, pero con un sistema de dobles enlaces deslocalizados "ue le otorga una estabilidad especial al anillo por esta razón no experimentan las reacciones de adición y oxidación t(picas de al"uenos y al"uinos670.
Esue/a 1
4
16
13
12
El mecanismo para la oxidación de alquenos es el siguiente: el KMnO4 forma un intermediario manganeso cíclico 16 cuando reacciona con el compuesto 4. Las reacciones se efectúan porque el manganeso se halla en un estado de oxidación mu positi!o en consecuencia atrae electrones. "El manganeso tiene estado de oxidación de #$ #%& respecti!amente'. La formación del compuesto 16 es una reacción sn porque los dos oxígenos se adicionan por el mismo lado del do(le enlace.
)uando se hidroli*a& el compuesto 16 se a(re forma el compuesto 13 12. +gualmente& el compuesto 3 reali*a el mismo mecanismo& formando el compuesto 11 el compuesto 12(,,'.
6 17
18
El mecanismo de los alquinos 5 6 es relati!amente similar al de los alquenos. Este se diferencia en la formación de un tetraol 17 que posteriormente& con la hidroli*acion forma una dicetona 18. !n la prueba de halogenación con bromo en diclorometano, se obsera en la 4abla 8 "ue los compuestos 3 y 5 reaccionaron rápidamente mientras "ue el 1 no reaccionó ba#o las condiciones ambientales y por ello fue ubicado cerca de la luz ultraioleta. < continuación se muestran las ecuaciones de las reacciones "ue se llearon a cabo
7
3
1"
5
2#
" 1
21
22
permaneció con color antes de ubicarse en la luz ultraioleta. Los mecanismos de las reacciones anteriores proceden de la siguiente forma
Los compuestos 3 y 5 reaccionaron ba#o temperatura ambiente. !l compuesto 3 dio 7,&% dibromohexano 1" y el 5 dio 7,&% dibromohexeno 2#. Por otra parte, el compuesto 1 reaccionó luego de ser ubicado en la luz ultraioleta y dio &%bromohexano 21 ácido bromhidrico 22. La reacción de halogenacion con bromo en diclorometano es utilizada a menudo para identificar la presencia de instauración, debido a "ue hay un cambio en la coloración de la solución al ocurrir la adición a estos tipos de enlaces. 3!sta reacción en los alcanos sólo se efect-an a temperaturas altas o en presencia de la luz ultraioleta, ya "ue suministra la energ(a necesaria para romper el enlace BrKBr homol(ticamente, formando radicales libres "ue son muy reactios, puesto "ue contiene un átomo con un electrón no apareado67&. Por lo anterior, esta reacción no se pudo realizar durante la práctica a temperatura ambiente, a diferencia de los al"uenos y al"uinos "ue lograron esta reacción en estas condiciones. 3La halogenacion en los al"uenos es posible por"ue el enlace "ue une a los dos átomos de halógeno es relatiamente débil y en consecuencia se rompe con facilidad. Los al"uinos son menos reactios "ue los al"uenos pero al igual "ue este presentan adiciones electrofilicas. /in embargo, las reaccion de adicion de un reactio electrofilico a un al"uino da como resultado un al"ueno678. Lo anterior se eidenció durante la práctica, ya "ue los compuesto 3 y 5 fueron incoloros, mientras "ue el compuesto 1
Esue/a 2
23
24
1
25
21
22
Esquema 3 23 26
3
27
1" 9uando los electrones del compuesto 3 se acercan al compuesto 23, uno de los átomos de bromo acepta esos electrones y libera los electrones del enlace BrKBr al otro átomo de bromo. @bsérese "ue un par libre de electrones no enlazado en el bromo es el nucleófilo "ue se fi#a al otro carbono sp&.
inestable por"ue toda(a hay bastante carga positia en lo "ue era el carbono sp&. Por consiguiente, el compuesto 26 reacciona con un nucleófilo, "ue es el ion bromuro 27. !l producto es el compuesto 1" )un dibromuro ecinal ( 75*. !l mecanismo de reacción del compuesto 5 se llea a cabo de la misma forma. !n esta reacción se forma el compuesto 2 "ue reacciona con el 27 formando el compuesto 2# )es"uema 8*.
11
7
31 32
12
Esue/a 4 23
1# 2
5
!l compuesto " reaccionó con el Br &C9D&9l8 al &', dando como resultado o%bromoanilina 2" y p%bromoanilina 3# y el compuesto 7 dio como resultado o%bromotolueno 31 y p%bromotolueno 32. !l compuesto 1# no reaccionó debido a "ue no se encontraba en las condiciones necesarias.
27
2#
En la ta(la - se pudo o(ser!ar que con el r/0)1/)l2 al /3& el compuesto 9 el compuesto 7 reaccionaron& mientras que el compuesto 10 no reaccionó. Las ecuaciones de estas reacciones son las siguientes:
1# "
2" 3#
9omo se obseró en la tabla 5, los compuestos "!7 - 1# presentan diferentes tiempos de reacción los cuales se eidencian con el cambio de coloración. Lo anterior se debe a los sustituyentes actiadores )"ue direccionan en posición orto y para* y los desactiadores )"ue direccionan en posición meta* "ue están presentes en el anillo aromático. !l compuesto " reaccionó instantáneamente, mostrando un cambio de color rápido y presencia de humo, esto ocurre por"ue su sustituyente es un actiador fuerte "ue hace "ue la reacción sea rápida, esto se da por"ue 3Los actiadores donan electrones al anillo de benceno estabilizando tanto al carbocatión intermediario
como al estado de transición "ue llea a su formación67;. 9on !l compuesto 7 se da una reacción lenta )"ue se eidencia con un cambio de color lento* ya "ue posee un actiador débil. Lo anterior se debe a "ue los 3actiadores débiles pueden donar electrones al anillo por resonancia y también pueden retirar electrones del anillo por el mismo mecanismo. Por esto, son un poco más donadores "ue atractores de electrones67=.
5. RE8EREN($,S 7
PE>1@, !duardo. Mu(mica organica básica y aplicada de las molecula a la industria. Barcelona Eeerte, 7;. 778%77: p. &
N<, O.<, et al. Mu(mica teor(a y problemas.
QE?/, Paula. Mu(mica organica. 5 ed. 1exico Pearson !ducacion, &00J. 508 p. :
Ibid ., p.;5J.
Por -ltimo, el compuesto 1# no presenta cambio de color, lo "ue "uiere decir "ue no reacciona. !sta no se da por"ue el compuesto posee un desactiador como sustituyente, y 3los desactiadores desestabilizan al carbocatión intermediario y al estado de transición "ue llea a su formación67J.
Esue/a 5 33
34
35
36
37
!l mecanismo para estos reactios es el siguiente El (enceno 33 reacciona con #
un electrólo "5 ' forma un car(ocatión intermediario. La estructura del car(ocatión intermediario se puede representar con tres estructuras de resonancia 34&35 36. En la me*cla de reacción& una (ase ":' a(strae un protón del car(ocatión intermediario los electrones que forma(an el enlace con el protón pasan al anillo para resta(lecer su aromaticidad formar un (enceno sustituido 37.",6'
5
Ibid ., p.;J7%;J:.
;
N@RH
NQ4/9D!, 2aid y P
QE?/, Paula. @p. cit., &JJ p.
