REACCIONES DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS Joelle P. Anaya; Osnayder Y. Vilardy Facultad de Ingeniería Universidad del Atlántico RESUMEN En el estudio de ácidos carboxílicos se pudo comprobar que muchas de las características del grupo carboxilo, tales como polaridad de enlace C-O, formación de puentes de hidrogeno y puntos de ebullición relativamente altos, son de carácter fundamental para las interacciones de los grupos grupos carbonilos presentes en algunas especies con otro tipo de sustancias. De acuerdo a lo anterior pudimos observar la solubilidad de ácidos carboxílicos en agua tales como el ácido acético (CH3COOH), se realizó hidrolisis básica y acida de aminas, se obtuvieron derivados como el anhídrido ftálico, a partir de su respectivo acido, es decir, el ácido ftálico (a dicho proceso se le conoce como intercambio intercambio de anhídridos) y también se observó como de un ácido carboxílico largo podemos obtener moléculas de carácter anfipatico, en la formación de detergentes. Palabras claves: polaridad de enlace, hidrolisis básica, hidrolisis acida, carácter anfipatico, detergentes.
INTRODUCCIÓN Los ácidos carboxílicos presentas presentas moléculas con características que otorgadas a estas, por los grupos carboxilos presentes, dichas características le permiten a este tipo de compuestos interaccionar con determinadas sustancias, ya sea en procesos de disolución o de reacción. En algunos casos cuando los ácidos son de bajo peso molecular notamos la formación de enlaces o puentes de hidrogeno, lo cual permite la solubilidad en agua, en otros casos más particulares vemos cómo se pueden obtener derivados de los ácidos carboxílicos por medio de reacciones que giran en torno al grupo carbonilo, debido a su polaridad de enlace y capacidad reactante. Lo denominado “intercambio de anhídridos” donde donde a partir del ácido anterior es evidente el proceso denominado carboxílico (CH2O2), el cual se somete a deshidratación con anhídrido acético (C 4H6O3), se obtiene el ácido correspondiente. De los derivados que podemos obtener del grupo carboxilos, notamos una diferencia en la capacidad de reactividad, siendo los haluros de ácidos los más reactivos, ya que presentan tendencia a perder el halógeno por una especie nucleofila y las amidas son las menos reactivas.
ANALISIS Y RESULTADOS 1)
Solubilidad y acidez
En tres tubos de ensayo se le agregan al primero 10 gotas de ácido acético (CH 3COOH), al segundo y al tercero se le agrega una punta de espátula de ácido benzoico (C 6H5COOH), a los tres tubos se le agregan 2 ml de agua, luego a uno de los tubos que contenía acido benzoico se le agrego 2 ml de hidróxido de sodio al 10% (NaOH), y por último se realizó una medición del PH de las muestras obteniendo los siguientes resultados: Compuesto Ácido Acético Acido Benzoico Acido Benzoico
Solvente Agua Agua Agua y NaOH
Solubilidad Soluble Insoluble Soluble
PH 2 4 11-12
El ácido acético al ser un ácido carboxílico con una cadena carbonada pequeña forma puentes de hidrogeno entre sí y con las moléculas del agua, por tanto disuelve completamente y mantiene las propiedades acidas en la solución, el ácido benzoico pierde la solvencia en agua debido a que es una molécula con un peso molecular mayor que el ácido acético por lo cual genera dos fases mantiene su potencial de hidrógenos constante. Sin embargo al añadirle a la mezcla hidróxido de sodio podemos observar que disuelve completamente, lo anterior debido a la generación de una sal sódica (Benzoato de Sodio) por la interacción del ácido benzoico con la base, y la presencia de esta sal en la solución le otorga propiedades básicas a la mezcla. Ácido Acético + Agua.
O H3C
O
+
H2O
+
H3C -
OH
+
H3O
O
Acido Benzoico + Agua + NaOH
O
O
OH
H2O
-
O Na
+
+
H2O
NaOH
Ensayo de clasificación
En cuatro tubos de ensayo se colocan respectivamente ácido acético (CH 3COOH) 5 gotas, acido benzoico (C6H5COOH) una punta de espátula, fenol (C 6H5OH) una punta de espátula, y β-naftol (C₁₀H₇OH) una punta de espátula, se le adicionan a los 4 tubos 2 ml de bicarbonato de sodio (NaHCO3) al 5%, observando los siguientes resultados: Compuesto Ácido Acético Acido Benzoico Fenol β-naftol
Solvente NaHCO3 NaHCO3 NaHCO3 NaHCO3
Observaciones Soluble y desprendimiento de burbujas Soluble Soluble y desprendimiento de burbujas Soluble
En el caso del ácido acético y del fenol se generaron burbujas debido a que son las moléculas con menor peso molecular y de una u otra forma las más pequeñas y esto se hizo visible por el desprendimiento de las burbujas de dióxido de carbono (CO 2).
Ácido Acético + NaHCO 3
O
O
H3C
+
NaHCO
+ H2O +
H3C
3
-
OH
CO 2
+
O Na
Fenol + NaHCO3 -
O Na
OH
+
NaHCO
+
+ H2O +
3
CO 2
Hidrolisis de amidas Básica: En un tubo de ensayo se coloca una punta de espátula de acetamida (C ₂H₅NO), se le agrega 1 ml de NaOH al 10%, se calienta hasta ebullición lo cual produjo el desprendimiento de un olor amoniacal debido a la formación de amoniaco (NH 3) en esta reacción. O
H2N
O
CH3
+
NaOH
+
-
Na O
NH3
CH3
Acida: Se realiza el mismo procedimiento anterior pero se reemplaza el NaOH por ácido sulfúrico (H2SO4) al 10%, en este caso se presentó un olor irritante, característico del amoniaco debido a la formación del ion amonio (NH 4+). O
H2N
O
CH3
H2SO4
+ HO
+
NH4
+
SO3
CH3
Hidrólisis de esteres: se coloca una pequeña cantidad de grasa animal (cebo) en un tubo de ensayo, se agregan 3 ml de hidróxido de sodio (NaOH) al 25%, y 3 ml de metanol (CH3OH), al realizar esta mezcla hubo un aumento de la temperatura (Rx Exotérmica), se calienta al baño maría hasta que la grasa se disuelve completamente, luego aun estando caliente se añadieron algunos cristales de cloruro de sodio (NaCl), los cuales sirvieron como activan te de las celdas cristalinas del carboxilato de sodio y de una vez se generó una fase lo suficientemente viscosa para que se anulara la acción capilar de las moléculas. Esta mezcla presento un color lechoso.
Obtención de Anhídrido ftálico Se agregan 0,4 g de ácido ftálico (C 6H4(COOH)2), y 0,8 ml de anhídrido acético ((CH₃CO)₂O), a un balón de 5 ml provisto con un condensador de reflujo protegi do con una trampa de cloruro de calcio (CaCl 2), la mezcla se calienta entre 150-160 °C por 30 minutos. Luego de esto, el balón se enfría en agua helada durante 10 minutos para que se formen los cristales de anhídrido ftálico (C ₆H₄ (CO)₂O), estos se colectan mediante filtración al
vacío, lavando el con hexano (C6H14) frio los cristales que puedan quedar en el balón, luego de la filtración se dejan secar los cristales en el papel filtro al sol y cuando estén bien secos se pesan y se obtiene la cantidad de anhídrido ftálico restando el peso inicial del papel filtro.
O
O
OH OH
O
O
O
O
+
2 H3C
CH3
O
H3C
+
OH O
O
Anhídrido Acético
Acido Ftálico
Anhídrido Ftálico
0,8 ml
0,4 g
R. Exp: 0,6 g
Densidad: 1,08 g/ml
P.M : 166,14 g/mol
P.M : 148.1 g
P.M : 102,09 g/mol
Calculo de moles: Anhídrido Acético
Acido Ftálico
C6H4(COOH)2 + (CH₃CO)₂O
C₆H₄(CO)₂O + 2 CH3CO2H
Como podemos observar en la reacción es de uno a uno y se obtienen las siguientes relaciones molares: ₆₄₂
₃₂ ₆₄₂
Rendimiento Teórico
Rendimiento
Detergentes Preparación de un jabón En un vaso de precipitado se agregan 1 ml de solución de NaOH al 20% y 0.5 ml de aceite de castor (o ácido ricinoleico), esta solución se hierve y se mezcla suavemente durante 5 minutos o hasta que desaparezca la capa aceitosa, se agrega un poco de agua para mantener un volumen constante en la mezcla. La mezcla anterior se diluye con 1 ml de agua y se satura con una punta de espátula de NaCl, se hierve de nuevo por 1 minuto, se deja enfriar y se filtra el sólido. Se disuelve parte del producto en agua y se mezcla con varios compuestos obteniendo las siguientes observaciones: Solución 1 Jabón S Jabón e Jabón
Solución 2 Agua CaCO3 HCl
Observaciones Solubilizo completamente Presento un precipitado color blanco Solubilizo completamente, disminuyo la cantidad de espuma
puede decir que se comporta como un detergente jabonoso ya que como pudimos observar presento una baja solubilidad y la precipitación del carboxilato de calcio.
Ácido Ricinoleico + NaOH OH H3C
O
+
NaOH
OH
OH H3C
O -
O Na
+
+
Preparación de aceite rojo de Turkey, detergente no jabonoso. A 1 ml de aceite de castor se agregan 2 ml de ácido sulfúrico (H 2SO4) concentrado, se agito la mezcla con una varilla de vidrio mientras se mantenía en un baño de hielo durante 5 minutos, el aceite de castor al mezclarse paso de una color amarillo a un color marrón oscuro, transcurridos los 5 minutos se agregó una pequeña cantidad de agua a la mezcla para mantener el volumen inicial constante, en este momento se presentó una reacción exotérmica entre el agua y la mezcla, y se formó una capa aceitosa. Se neutralizo la mezcla con NaOH.
H2O
Con un gotero se toma un poco del aceite y se mezcló con varias soluciones obteniendo los siguientes resultados: Solución 1 Aceite Aceite
Solución 2 Agua CaCO3
Observaciones Solubilizo completamente Presento efervescencia y solubilizo completamente
Ácido Ricinoleico + H 2SO 4 + NaOH OH H3C
O
+
H2SO4
OH
OH H3C
O
+ NaOH
OSO 3H
OH H3C
O
+ -
OSO 3 Na
H2O
+
PREGUNTAS 1. De los derivados de ácido, ¿por qué las amidas son los compuestos menos reactivos hacia una taque nucleofílico? Rta/ Las amidas son menos reactivas que los cloruros de ácidos, los anhídridos y los ésteres, porque el N es menos electronegativo que el Cl y que el O. Estos átomos unidos directamente al C carbonílico al ser electronegativos le quitan densidad electrónica y así "colaboran" en dejarlo más susceptible para un ataque nucleofílico. Además, para una sustitución nucleofílica, es bueno que el grupo saliente sea menos básico, y esa condición la cumplen mejor los cloruros de ácido, los anhídridos y los ésteres. 2. ¿Cómo es la disociación del acetato de sodio en agua (parcial o total), el pH de esta solución será básico o ácido? Explicar con reacciones. Rta/ La disociación es total, debido a que las sales provenientes de ácidos carboxílicos, son sales fuertes y solubles en agua, lo cual al disociarse generan sus bases conjugadas (Ion Acetato), que cuando se hidroliza actúa como una base aceptando un protón del agua; formando su ácido conjugado y el ion hidroxilo (base conjugada). El pH de esta solución será básico, como se muestra en la siguiente reacción:
CH3COONa
CH3COO- + H3O+
CH3COO- + H2O
CH3COOH + OH-
3. ¿En la hidrólisis básica de una amida, sería fundamental el papel indicador? ¿Por qué? Rta/ Si es fundamental el papel indicador porque si bien las amidas son compuestos neutros, cuando son hidrolizadas se reconstituyen los compuestos que le dieron origen: el ácido correspondiente y amoniaco como este último es una base, el papel indicador mostrara cuando la reacción se produzca. 4. Proponga el mecanismo de la reacción efectuada en esta práctica. O
O
O
OH OH
O
+
OH
OH
O
O
OH -
CH3
O
-
O
O
-
O
O
O
OH
O H3C
-
HO
OH
+
O
OH
OH OH
-
O
O
O
O
O
O
O
+
O
O
O O
CH3
+ CH3
O
CH3 -
O
O +
C
CH3
O O
+
H3C
OH
O
5. ¿Cuál es el propósito de usar trampa de cloruro de calcio? Rta/ Se emplea como método para absorber la humedad debido a su propiedad de higroscopia que corresponde a la capacidad de algunas sustancias de absorber humedad del medio circundante. Otra propiedad que hace que el cloruro de calcio sea un buen adsorbedor de humedad es la característica delicuescente; los materiales delicuescentes son sustancias (en su mayoría sales) que tienen una fuerte afinidad química por la humedad y que absorben cantidades relativamente altas de agua si son expuestos a la atmósfera, formando una solución líquida. 6. ¿Cómo se preparan los anhídridos de cadena abierta? Rta/ Los anhídridos de cadena abierta no pueden formarse por simple calentamiento del ácido. Uno de los métodos más comunes para formarlos consiste en calentar un ácido carboxílico con anhídrido acético. Se establece un
equilibrio entre el anhídrido deseado y el anhídrido acético. Puede completarse la reacción por destilación del ácido acético el cual es el componente más volátil de la mezcla.
CONCLUSIÓN Cuando estudiamos el comportamiento general de los ácidos carboxílicos, podemos comprender más a fondo el principio de reactividad de los grupos carboxilos y su importancia en la formación de derivados de dichos ácidos, así como sus características que permiten el desencadenamiento de interacciones químicas entre este grupo y los posibles sustituyentes o simplemente al ser disueltos por sustancias polares como el agua, además al ser sustancias con altos puntos de ebullición permiten el calentamiento como propulsor de algunas de las reacciones de los ácidos carboxílicos, tales como las hidrolisis de amidas, las cuales requieren de calor para la formación de productos.
REFERENCIAS 1. Quimica Organica quinta edicion Paula Yurkanis Bruice university of California, Santa Bárbara. Editorial Perason educación México 2008. Pág 872-876, Capítulo 18. 2. Cooper, Paul W., Explosives Engineering, New York: Wiley-VCH, 1996. ISBN 0-471-186368 3. Allinger.Cava. De Jongh.ohnson.Lebel.Stevens QUÍMICA ORGÁNICA/ Organic Chemistry., 2 edición, Copyright © 1971 by Worth Publishers, Inc 4. PRACTICAS DE DOCENCIA PARA EL PROGRAMA DE INGENIERIA QUIMICA; Practica N° 6, REACCIONES DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS Y DERIVADOS; Practica N° 7, OBTECIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO; Practica N° 8, DETERGENTES.
