1. normas en el laboratorio - infquimi/programaspdf/blabqo-i.pdf · normas en el laboratorio ......

Portilla S., J. A., Departamento de Química, Uniandes, 2009

1. Normas en el laboratorio

Dentro de las normas básicas que se deben seguir en cualquier laboratorio de

química experimental, las normas de seguridad son las más importantes, y en ellas se centrará

esta primera sección de laboratorio, con el objetivo que el alumno las conozca y las aprenda

para hacer más seguro su trabajo. De este modo, el alumno conocerá sobre el reglamento básico

en el laboratorio de química orgánica, sobre primeros auxilios y las principales causas de

incendio y explosiones.

Por otra parte, es necesario que el alumno cumpla a cabalidad las normas básicas que

rige el laboratorio de química orgánica en el Departamento de Química de la Universidad de los

Andes, las cuales harán más fácil y segura su experiencia en el laboratorio. El alumno debe

llevar para cada práctica: bata de laboratorio, gafas de seguridad, guantes, espátula de acero y

su respectivo cuaderno. Con el incumplimiento de esta norma el estudiante no podrá acceder al

laboratorio. Además, los alumnos serán responsables de dejar los reactivos comunes cerrados y

sin contaminar por otros, las mesas y vitrinas limpias, lo mismo que las balanzas y lavaderos.

1.1. Reglamento básico

Conocer las propiedades físicas, químicas y toxicológicas de las sustancias a utilizar; no

trabajar solo en el laboratorio; usar siempre bata y cuando sea necesario gafas de seguridad y

guantes; saber manipular el equipo caliente (con guantes de asbesto o pinzas); mantener la mesa

de trabajo libre de objetos incendiarios; no perder de vista el experimento en curso; no jugar,

comer o fumar en el laboratorio; utilizar el material limpio y seco; no pipetear con la boca; no

devolver al recipiente original remanentes de reactivos no utilizados; lavar bien las manos al

finalizar la práctica. Verificar bien los datos etiquetados en los reactivos a utilizar antes de su

uso (propiedades físicas, químicas y toxicológicas); no probar el sabor u olor de ningún

producto, a menos que sea estrictamente necesario y seguro; no oler una sustancia directamente,

hay que mover la mano sobre ella para percibir su aroma sin peligro; no tocar directamente los

productos químicos con las manos, en especial aquellos que además de tóxicos producen

quemaduras (manejarlos con espátula); todo compuesto volátil o que desprenda vapores tóxicos

se debe manejar en las vitrinas.

2

Si se derrama un ácido, limpiar de inmediato y lavar la superficie varias veces con agua;

no mirar dentro de un recipiente que contenga una reacción o sustancia calientes; no desechar

soluciones concentradas de ácidos o bases sin su previa neutralización; no tirar por el lavadero

líquidos inflamables, lacrimógenos o tóxicos; cuando utilicé ácidos, hacerlo en la vitrina con

guantes y gafas de seguridad; preparar las soluciones ácidas añadiendo lentamente, con

agitación y enfriamiento externo, el ácido sobre el agua, nunca adicionar el agua sobre el ácido

porque la reacción es muy exotérmica y pueden haber salpicaduras; calentar líquidos de forma

adecuada, éstos deben mezclarse bien (si son miscibles), de lo contrario pueden haber

salpicaduras al hervir el de menor punto de ebullición; en una destilación no se debe obstruir los

condensadores ni las mangueras de salida.

1.2. Incendios y explosiones

Las razones más comunes de incendio son: hacer hervir un líquido volátil o inflamable

con un mechero y sin condensador, o mantenerlo cerca de alguna fuente de calor o chispa; tirar

por el lavadero reactivos y desechos de reacciones exotérmicas u organometálicas; mezclar

sustancias que al reaccionar generen vapores o gases inflamables; almacenar de forma incorrecta

los reactivos (si son inestables o volátiles puedan reaccionar violentamente con temperatura,

agua, ácidos, bases o con agentes oxidantes o reductores). Por lo tanto, se debe conocer bien las

precauciones de cada reactivo al usarlo, evitar el uso de mecheros (usar baños de agua, de arena,

etc.), ser cuidadosos al utilizad disolventes inflamables o volátiles y conocer la temperatura de

ignición de las sustancias.

De otro lado, las explosiones pueden ocurrir por una reacción exotérmica no controlable,

por residuos de peróxidos al concentrar a sequedad soluciones etéreas, por tratar de forma

incorrecta compuestos inestables (calentamiento, secado, destilación o golpeteo), por mezclar

sustancias incompatibles que generan vapores o gases inflamables o explosivos. La regla

esencial para evitar explosiones, es conocer las condiciones de almacenamiento y uso de cada

sustancia.

1.3. Preguntas

1. Mencione ejemplos de sustancias explosivas e incendiarias en el laboratorio. Describa

brevemente como podría solventar un accidente que implique algunas de estas sustancias.

2. Defina con sus palabras lo siguiente: ácido tánico y normas de seguridad en el laboratorio.

3

3. ¿Qué se debe conocer de una sustancia antes de manipularla?

4. Mencione las principales causas de incendio y de explosiones en el laboratorio.


2. Destilación sencilla y fraccionada

La destilación constituye uno de los métodos más frecuente, importantes y conocidos

para separar y purificar sustancias orgánicas. Se usa cuando las sustancias a separar no se

descomponen a la temperatura de ebullición, cuando se quiere separar de un líquido de sus

impurezas no volátiles y siempre que sea posible, en la separación de dos o más líquidos. Una

mezcla de líquidos se logra separar si la composición del vapor formado en el proceso de

destilación y la del líquido difiere. Si se introduce un líquido puro en un recipiente cerrado, parte

del mismo se evapora hasta que el vapor alcanza una determinada presión, que solo depende de

la temperatura. La presión ejercida por el vapor en equilibrio con el líquido se denomina presión

de vapor del líquido a esa temperatura. Si la temperatura aumenta, la presión de vapor aumenta

regularmente hasta alcanzar los 760 mm. Así, el líquido comienza a hervir si está en contacto en

el exterior y la temperatura a la que esto ocurre es el punto de ebullición del líquido y es una

constante que depende de la naturaleza de cada líquido.

Para solución o una mezcla de dos o más líquidos, el punto de ebullición es la

temperatura a la cual la presión de vapor total de la mezcla se iguala a 760 mm. La presión de

vapor total (PT) de una mezcla es igual a la suma de las presiones de vapor parciales de cada

componente. En las soluciones ideales, las únicas que se consideran son las que cumplen la ley

de Raoult “la presión parcial (Pa) de un componente en una disolución a una temperatura dada

es igual a la presión de vapor de la sustancia pura multiplicado por su fracción molar (Xa) en la

solución”.

PT = Pa + Pb = ΧΧΧΧaPaº + ΧΧΧΧbPbº

En resumen, el punto de ebullición de una mezcla depende de los puntos de ebullición de

sus componentes y de sus proporciones relativas. En cualquier mezcla de dos líquidos, el punto

de ebullición está comprendido entre los puntos de ebullición de los componentes puros; el

vapor producido será siempre más rico en el componente de punto de ebullición más bajo. Una

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mezcla de dos o más componentes de suficiente diferencia en sus puntos de ebullición, se podrá

separar en sus componentes por destilación. Una mezcla cuya composición y punto de

ebullición son constantes recibe el nombre de mezcla azeotrópica. En general, las destilaciones

se pueden clasificar en: destilación sencilla, destilación fraccionada y destilación a vacío.

La destilación sencilla es el método más utilizado para purificar líquidos. Se utiliza para

separar un líquido de sus impurezas no volátiles o para separar líquidos con una diferencia

mínima de 60-80 ºC en sus puntos de ebullición. Para este fin se utiliza el montaje representado

en la figura 3a (tener cuidado con la ubicación del termómetro y el calentamiento que sea

adecuado). El líquido se vaporiza en un balón de destilación colocado sobre una fuente de

calor. Parte del vapor se condensa en el termómetro o en las paredes del destilador, pero la

mayor parte pasa al condensador, licuándose el vapor por el contacto con la superficie fría del

condensador. Para evitar sobrecalentamiento que pueda producir salpicaduras por burbujas de

vapor, se añaden uno o dos trocitos de porcelana porosa (piedras de ebullición).

Para mezclas de sustancias cuyos puntos de ebullición difieren de 30-60 °C se realizan

destilaciones sencillas repetidas, recogiendo fracciones enriquecidas en uno de los componentes,

las cuales se vuelven a destilar. Dichas mezclas se separan mejor por destilación fraccionada,

que es una técnica para realizar una serie completa de pequeñas separaciones continuamente.

Una columna de destilación fraccionada (figura 3b) proporciona gran superficie para el

intercambio de calor, estableciéndose un equilibrio entre el vapor ascendente (más caliente) y el

condensado descendente (más frío). Cuando el condensado en algún punto de la columna se

calienta con el vapor, parte se evapora de nuevo y el vapor formado es más rico que el

condensado en el componente más volátil, a la vez, como el vapor cede calor al condensado,

parte del mismo se condensa, siendo éste condensado más rico en el componente de mayor

punto de ebullición. El proceso se repite a través de toda la columna produciéndose vapor puro

(que pasa al condensador) del componente de menor punto de ebullición y quedando el balón

con el residuo del componente menos volátil

Una destilación a presión reducida se denomina destilación al vacío y puede ser sencilla

o fraccionada. Algunas sustancias no se logran purificar por destilación a presión atmosférica,

ya que se descomponen antes de alcanzar su temperatura de ebullición normal; otras tienen

temperaturas de ebullición muy alta y su destilación es difícil a presión atmosférica. Para ello se

emplea la destilación a presión reducida. Como un líquido comienza a hervir a la temperatura en

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que su presión de vapor se hace igual a la atmosférica, al disminuir la presión se logrará que el

líquido destile a una temperatura inferior a su punto de ebullición normal.

2.1. Materiales y equipos

Cantidad Material Cantidad Material

1 Balón de 50 mL 2 Picnómetro de 1 mL

1 Cabezal de destilación 1 Termómetro

1 Condensador de reflujo 2 Pinza con nuez 1 Columna fraccionada 1 Soporte universal

1 Baño de arena o de aceite 1 Plancha agitadora

3 Tubo de ensayo con tapón 1 Barra magnética

3 Piedras de ebullición 1 Manguera para reflujo

2.2. Reactivos, disolventes y soluciones

Sustancia Cantidad

Solución de cristal violeta en agua al 0.01% 10 mL

Mezcla hexano/tolueno (1/1) 10 mL

2.3. Procedimiento experimental

Nota: pesar los tubos antes del experimento y taparlos después de recoger cada fracción.

Procedimiento para destilación sencilla (Figura 3a). Se colocan 10 mL de la solución de

cristal violeta en un balón de 50 mL y se introduce una barra magnética (o piedras de

ebullición). Se tapa el balón con el cabezal de destilación provisto de un termómetro y un

condensador de reflujo (el bulbo del termómetro debe quedar al mismo nivel de la cabeza de

destilación). Se pone a circular agua en contracorriente por el condensador, se calienta el balón

en un baño de arena y el destilado se recoge en un tubo de ensayo.

Procedimiento para destilación fraccionada (Figura 3a). Se colocan 10 mL de la mezcla

hexano/tolueno en un balón de 50 mL y se introduce una barra magnética (o piedras de

ebullición). Se calienta el balón manteniendo una velocidad de destilación constante y sin

interrupciones. Se recoge la fracción que destila hasta 72 ºC en un tubo de ensayo (cambiar

rápidamente el colector). Se continúa el calentamiento y se colecta la fracción que destila hasta

111 ºC en otro tubo. Se determina el peso y volumen de cada una de las fracciones para calcular

la densidad y comparar con la literatura.

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2.4. Recomendaciones

La destilación debe realizarse lentamente pero sin interrupción, con una velocidad no

mayor a 3 gotas por minuto. Como la lectura del termómetro determina el punto de ebullición de

la sustancia, su posición debe ser la adecuada, de tal forma que el bulbo quede a la altura de la

horizontal que pasa por la parte inferior de la cabeza de destilación, de este modo todo el bulbo

es bañado por el vapor ascendente. En la destilación de agua se puede utilizar tapones de

caucho, pero en la de sustancias orgánicas es mejor utilizar de corcho. La destilación de líquidos

con punto de ebullición por encima de 120 ºC se puede llevar a cabo con un condensador de

aire. Las pinzas del montaje deben estar recubiertas por tubos de goma o asbesto para evitar

ruptura del vidrio por calor o golpes.

Los pequeños poros de las piedras de ebullición constituyen un lugar adecuado para la

formación de núcleos de burbujas, hirviendo el líquido normalmente. Si el líquido se abandona

cierto tiempo a una temperatura inferior a su punto de ebullición, los poros se llenan de líquido y

las piedras pierden su efectividad. Para la adición de un nuevas piedritas, el líquido debe

enfriarse por debajo de su punto de ebullición; la adición de una piedrita de ebullición a un

líquido sobrecalentado provoca una ebullición repentina que puede ser violenta (peligro).

2.5. Resultados y observaciones

Destilación sencilla:

Destilación fraccionada:

2.6. Preguntas

1. Defina brevemente con sus palabras lo siguiente: punto de ebullición, presión de vapor,

plato teórico, cabeza de destilación y piedra de ebullición.

2. Un líquido orgánico comienza a descomponerse a 80 °C. Su presión de vapor a esa

temperatura es de 36 mm ¿cómo podría destilarse?

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3. ¿Cómo se determina el punto de ebullición? Describa brevemente dos procedimientos y

dibuje 5 tipos de columnas de destilación indicando su efectividad.

4. ¿Cómo se separa una mezcla azeotrópica? Describa brevemente un procedimiento.

5. Comparar los resultados de los dos tipos de destilación ¿cuál es más eficaz?

6. Cualitativamente, ¿qué influencia ejercerán cada una de las siguientes impurezas en el punto

de ebullición del agua?: (a) alcohol etílico (78,8 ºC), (b) éter etílico (35 ºC), (c) azúcar.

7. Mencione dos razones que justifiquen que el agua fría circule en un condensador en sentido

ascendente.


3. Recristalización y sublimación de compuestos orgánicos

Dada la diferente solubilidad de las sustancias orgánicas sólidas en un disolvente dado,

se puede utilizar el método de recristalización y extracción. Además, la separación y

purificación de sustancias sólidas se puede realizar con ayuda de la sublimación y los diferentes

tipos de destilación. La recristalización es el procedimiento más útil para purificar sustancias

sólidas tanto en el laboratorio como en la industria. El procedimiento se basa en que la mayoría

de los sólidos son más solubles en un disolvente en caliente que en frío. La sustancia a purificar

se disuelve en caliente, la mezcla se filtra en caliente para eliminar impurezas insolubles y el

filtrado se deja enfriar para que se de la cristalización. Los cristales se separan por filtración y se

dejan secar. El proceso puede repetirse empleando el mismo u otro disolvente si con una sola

vez no basta. El éxito de la recristalización depende de la acertada elección del disolvente, el

cual debe cumplir con los siguientes requisitos:

(a) La sustancia a recristalizar se debe disolver en caliente y no en frío (no debe

reaccionar con el disolvente); (b) el disolvente no debe disolver las impurezas (las cuales se

deben filtrar) o debe disolverlas mejor que a la sustancia a purificar, para que al enfriar el

disolvente, no cristalice conjuntamente con la sustancia principal, y por tanto se queden

disueltas en el disolvente; (c) el punto de ebullición del disolvente debe ser menor que el punto

de fusión de la sustancia a recristalizar, en por lo menos unos 10 ºC. La solución de la sustancia

a purificar se debe disolver en la mínima cantidad de disolvente a su temperatura de ebullición

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(figura 5a). El compuesto finamente pulverizado se introduce en un balón provisto de un

condensador de reflujo. Se añade un volumen adecuado del disolvente y la mezcla se calienta en

un baño de agua, de aceite o de arena. Si el disolvente hierve y no se disuelve el sólido, se añade

más disolvente en porciones y con agitación.

Si la solución esta coloreada, seguramente presenta impurezas orgánicas de peso

molecular elevado. En estos casos, se puede eliminar el color calentando la solución durante

unos minutos con carbón activado. La solución se filtra en caliente rápidamente utilizando un

embudo de caña corta (o sin caña) previamente calentado en estufa, para que no cristalice nada

de soluto en el papel de filtro o el embudo (figura 5b). Cuando la solución se enfría se espera

que cristalice la máxima cantidad de la sustancia deseada con un mínimo de impurezas. El

proceso se realiza en un recipiente tapado.

Es preferible que los cristales tengan tamaño medio, porque los grandes pueden contener

disolvente intersticial, el cual lleva impurezas disueltas, mientras que los cristales pequeños no.

El tamaño del cristal se controla por la velocidad de cristalización (la rápida favorece la

formación de cristales pequeños/la lenta origina cristales grandes). Lo mejor es dejar que el

enfriamiento de la disolución sea lento. Si la cristalización es muy lenta, se puede acelerar

raspando con una varilla de vidrio la superficie interior del recipiente o añadir durante el

enfriamiento un pequeño cristal del producto para provocar su cristalización. Los cristales se

separan por filtración al vacío (figura 5c), se lavan con un disolvente adecuado y deben quedar

libres del disolvente mediante un proceso de secado a temperatura ambiente (cuidar que no

caigan impurezas, se pueden introducir los cristales en un desecador de vacío). El secado

también se puede realizar en una estufa, pero se debe tener en cuenta que la muestra al principio

esta humedecida con el disolvente, por lo tanto fundirán a una temperatura inferior a la del

punto de fusión de la sustancia pura.

En algunos casos, una sustancia es muy soluble en un disolvente (A) y poco soluble en

otro (B) para realizar su recristalización. Por lo tanto se puede utilizar pares de disolventes

(metanol/agua, éter/acetona, etc.), los cuales dan buen resultado para recristalizar. En estos

casos el compuesto se disuelve en A (a su temperatura de ebullición o ligeramente por debajo de

ésta), después se añade gota a gota el disolvente B caliente, en el que la sustancia es ligeramente

soluble, hasta que aparezca una turbidez persistente. Luego se añaden unas gotas del otro

disolvente para eliminar la turbidez y la solución se deja enfriar de la forma habitual.

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Hay sólidos que su presión de vapor alcanza el valor de 760 mm antes de llegar a su

punto de fusión, es decir, por debajo de la temperatura en la que la presión de vapor de la

sustancia sólida es igual a la de su modificación líquida. Para estos sólidos, en la curva de

presión de vapor (P) contra temperatura (T), la presión de 760 mm corresponde a una

temperatura inferior a Tt, o la presión de vapor Pt, correspondiente al punto de fusión Tt, es

superior a 760 mm (gráfico 1). Si un sólido de este tipo de calienta a una atmósfera de presión,

cuando la presión de vapor alcanza los 760 mm, el sólido pasa directamente a la fase de vapor a

temperatura constante. Cuando el sólido se enfría pasa directamente a la fase sólida. Este

proceso recibe el nombre de sublimación. En el punto triple del diagrama coexisten los estados

sólido, líquido y gaseoso. Estos puntos tienen cierto interés, ya que es invariante y se pueden

utilizar para calibrar termómetros.

Gráfico 1. Diagrama de P vs. T para un proceso de sublimación

El proceso de sublimación se puede llevar a cabo tanto a presión atmosférica como a

presión reducida y para ello se han ideado diferentes montajes, dentro de los cuales uno de los

más sencillos es el utilizado en el desarrollo de esta práctica. Se purificarán la acetanilida y el

ácido benzoico por medio de recristalización y sublimación.

OH

O

NH

O

Acido benzoicoAcetanilida

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3 Tubo de ensayo con tapón 1 Cápsula de porcelana

1 Baño de arena o de aceite 1 Baño de hielo

1 Embudo de caña corta 1 Plancha 1 Equipo de filtración de 50 mL 1 Fusiómetro

1 Beaker de 50 mL 1 Vidrio de reloj

3.2. Reactivos y disolventes

Sustancia Cantidad

Muestra problema de ácido benzoico 0.5 g Muestra problema de acetanilida 0.5 g

Agua destilada 10 mL


Recristalización de acetanilida y del ácido benzoico. Se determina el punto de fusión

de las muestras de acetanilida y de ácido benzoico. Se pesan 0.2 g de acetanilida, se colocan en

un tubo de ensayo (rotulado) y se añaden 6-8 mL de agua destilada. La mezcla se calienta en un

baño de arena hasta que empiece a hervir y se disuelva la acetanilida. La solución caliente se

filtra a gravedad (figura 5b), con el objetivo de eliminar las impurezas insolubles en agua. El

filtrado se divide en dos porciones iguales, se enfría rápidamente una porción utilizando un baño

de hielo y la otra porción se deja enfriar a temperatura ambiente (observe la diferencia). Los

cristales formados se filtran al vacío utilizando un embudo pequeño con puntilla, los cristales se

ponen en un papel de filtro y se dejan secar para pesarlos y calcular el porcentaje de

recuperación. Se determina el punto de fusión para compararlo con el de la sustancia impura y

con el reportado en la literatura. Repetir el mismo procedimiento pero utilizando ácido benzoico.

Sublimación del ácido benzoico. Se pesan 0.2 g de ácido benzoico y se colocan en una

capsula de porcelana, se tapa el sistema con un embudo invertido cubriendo su extremo con

algodón. La cápsula se coloca en un baño de arena y se calienta cuidadosamente aumentando

paulatinamente la temperatura. De este modo, los vapores de la sustancia sublimada se

condensan en las paredes frías del embudo. Una vez terminada sublimación, la sustancia pura se

pasa desde el embudo a un papel (o vidrio de reloj) para pesarlo y calcular el porcentaje de

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recuperación. Se determina el punto de fusión para compararlo con el de la sustancia impura y

con el reportado en la literatura.


La metodología utilizada para desarrollar esta práctica es amigable para el ambiente, ya

que las cantidades de las sustancias utilizadas son mínimas. Utilizando el montaje que se

observa en la figura 5a (el más adecuado para llevar a cabo un proceso de recristalización) se

trabaja con mayor cantidad de sustancia, lo cual generaría costos y contaminación. En la

recristalización de acetanilida, la muestra puede tener impurezas sólidas insolubles, si se forma

un aceite oscuro es porque hay acetanilida sin disolver. En la recristalización, después de

disolver la sustancia impura, se debe filtrar a gravedad con el fin de eliminar las impurezas

insolubles. Al filtrar al vacío utilizando el embudo con puntilla, se debe mojar el papel filtro que

se coloca sobre la puntilla con el mismo disolvente utilizado en el procedimiento. Algunos

disolventes utilizados en una recristalización son inflamables, por lo tanto no se deben calentar

directamente sobre una llama (utilizar mantas, planchas o baños). Siempre que realice una

recristalización o una filtración al vacío en las prácticas siguientes, recuerde lo aprendido…


Recristalización:

Sublimación:

3.6. Preguntas

1. Defina brevemente: punto de fusión, cómo se determina, describa dos procedimientos y

describa la diferencia entre punto de fusión de un compuesto puro y una mezcla. Explique.

2. ¿Cómo se corrigen los puntos de fusión y cómo se utilizan en criterio de pureza?

3. ¿Por qué es conveniente lavar el sólido cristalizado con disolvente puro después de la

segunda filtración? ¿Con qué disolvente se lava? ¿Es necesario que el disolvente para lavar

este caliente?

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4. Cuando se filtra un sólido con succión, ¿por qué se debe interrumpir siempre la succión

antes de cerrar el vacío?

5. ¿En qué se diferencian las dos filtraciones efectuadas en el proceso de recristalización ¿Qué

tipo de impurezas se eliminan en cada una de ellas?

6. Dibuje un montaje para sublimar una sustancia a presión reducida.

7. ¿Por qué es conveniente lavar el sólido cristalizado con disolvente puro después de la

segunda filtración? ¿Con qué disolvente se lava? ¿Es necesario que el disolvente para lavar

este caliente?


4. Extracción y agentes desecantes

Los métodos para llevar a cabo separaciones son herramientas muy usadas por los

químicos para obtener compuestos puros. Mientras que la recristalización es una técnica

empleada para separar y purificar sólidos. Otros métodos de separación se fundamentan en la

partición de los componentes de una mezcla entre dos fases. Los componentes se distribuyen en

forma desigual entre las dos fases y después de varias operaciones de esta índole, se obtiene la

separación fraccionada de ellos. La extracción y las técnicas cromatográficas aplican la teoría y

práctica de la partición a la purificación de compuestos. La extracción es el aislamiento de una

sustancia a partir de una mezcla mediante la aplicación de un disolvente en el que se disuelve

dicha sustancia. La sustancia a separar puede ser líquida o sólida. En síntesis orgánica es

frecuente que al terminar un proceso de síntesis, la sustancia de interés se encuentre

contaminada con otras sustancias, las cuales deben separarse (si las otras sustancias están en la

fase acuosa, se adiciona un disolvente hidrofóbico, al cual se transfiere el producto deseado, se

separa la solución orgánica y se elimina el disolvente por evaporación).

Cuando un compuesto se encuentra en contacto con dos fases líquidas se establece un

equilibrio controlado por la solubilidad del compuesto en los dos disolventes. La relación de

solubilidad se denomina coeficiente de reparto o de distribución KD, que es una constante de

equilibrio que posee un valor característico para un compuesto y un par de disolventes a una

temperatura determinada (cuando se agita una solución acuosa (A) de una sustancia con un

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disolvente orgánico (O) en el que la sustancia es algo soluble, el compuesto se disuelve

parcialmente en cada disolvente y la relación de las concentraciones en ambos (CO y CA) es

proporcional a las solubilidades respectivas, SO y SA), y viene dado por la expresión:

KD = CO/CA SO/SA=

Para un volumen determinado de líquido de extracción, entre más extracciones se lleven

a cabo, se aumenta la eficacia del proceso. Sin embargo, debe tenerse en cuenta el tiempo y el

trabajo requeridos al realizar extracciones repetidas, además de los inconvenientes por

manipular pequeñas cantidades de disolvente. El tolueno, éter de petróleo, diclorometano,

cloroformo, tetracloruro de carbono, acetato de etilo y alcohol n-butílico son disolventes muy

utilizados. La elección del disolvente se realiza en cada caso teniendo en cuenta la solubilidad

de la sustancia a extraer y la facilidad con que puede separarse ésta del disolvente. El éter etílico

es el más utilizado por su gran solubilidad en la mayor parte de los compuestos orgánicos y por

su bajo punto de ebullición (35°C).

El equipo utilizado en las extracciones es el embudo de separación (figura 9). El tapón y

la llave deben estar bien ajustados. Como indica la figura, el embudo de extracción debe

manejarse con ambas manos. Se invierte el embudo y se abre la llave para liberar la presión de

su interior; se agita con suavidad durante uno o dos segundos y se abre de nuevo la llave.

Cuando deja de aumentar la presión en el interior, se aseguran el tapón y la llave y se agita

fuertemente durante uno o dos minutos. Se vuelve a liberar la presión y se apoya el embudo en

posición normal, en un aro metálico. Se destapa y se deja en reposo hasta se vea la separación

entre las dos fases de líquido. En la parte inferior debe tenerse siempre un beaker para recoger

todo el líquido en caso de que el embudo se rompa por accidente. Después de separar las fases,

se seca el embudo en sus extremos para prevenir posibles contaminaciones. El número de

extracciones necesarias en cada caso depende del KD y de los volúmenes relativos de agua y de

disolvente.

La posición de las fases acuosa y orgánica depende de sus densidades. Es prudente, en

especial cuando se trata de reacciones nuevas, conservar todos los extractos y líquidos

residuales hasta comprobar que se obtiene el producto final con el rendimiento esperado.

Cuando se trabaja con soluciones alcalinas, se pueden forman emulsiones durante el proceso de

extracción. Estas pueden romperse mediante: movimiento suave al líquido del embudo de

separación (mantenido en su posición normal), agitación vigorosa de la capa emulsionada con

una varilla de vidrio, saturación de la capa acuosa con sal común y, centrifugación. La

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saturación con sal hace disminuir la solubilidad en agua de la mayor parte de los solutos y de los

disolventes orgánicos (efecto salino).

Se pueden conseguir separaciones completas de compuestos orgánicos utilizando

soluciones ácidas o básicas que sean capaces de formar sales (solubles en agua e insolubles en

éter) de dichos compuestos. Una solución de NaOH convierte los ácidos carboxílicos, RCOOH,

en sus sales RCOO-Na+. Los compuestos fenólicos experimentan una transformación semejante

con el mismo reactivo. Por lo tanto, puede utilizarse una solución de hidróxido de sodio para

extraer ácidos carboxílicos y fenoles de soluciones orgánicas, o liberar estos tipos de

compuestos de sus impurezas orgánicas por extracción de sus soluciones acuosas con un

disolvente adecuado. Las soluciones de NaHCO3 convierten los ácidos carboxílicos en sus sales,

pero no pueden formar sales de fenoles. Así, se puede lograr la separación de ácidos

carboxílicos y fenoles disueltos en un disolvente orgánico (primero se extrae el ácido con una

solución de NaHCO3 y posteriormente el fenol con solución de NaOH).

R

OH

O

R

O

O

R

OH

O

OHR

OR

OHR

NR

R''

R'

N+

R

R''

R'

H

NR

R''

R'

+ NaHCO3

+ NaCl

+ H2O+ Na+ + CO2

Soluble en éter

Fase acuosaSoluble en agua

Insoluble en agua

+ NaOH + Na+ + H2O

Insoluble en aguaHCl

+ NaCl

+ HClNaOH

+ NaCl +H2O

Insoluble en aguaSoluble en agua

Fase acuosa

Soluble en éter

Los ácidos inorgánicos se eliminan de los disolventes orgánicos por extracción con

soluciones de NaOH o NaHCO3. El HCl diluido se emplea para extrae sustancias básicas

(mezcladas con sustancias neutras o ácidas) o para eliminar impurezas básicas. El ácido diluido

convierte la base orgánica (una amina R3N), en el correspondiente hidrocloruro (R3NH+Cl-),

soluble en agua. De otro lado, las impurezas orgánicas de una amina pueden eliminarse por

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extracción con un disolvente orgánico de una solución ácida. Las sales de los ácidos

carboxílicos y de los fenoles se convierten fácilmente en los compuestos libres por tratamiento

de ácido sulfúrico o fosfórico. Los hidrocloruros de las aminas se transforman de nuevo en

aminas libres por adición de una solución de NaOH.

Agentes desecantes. Cuando ha finalizado una extracción, el componente orgánico

queda saturado de agua, lo cual puede inhibir la cristalización de muchos sólidos. Además,

muchos líquidos cuando destilan en presencia de agua, reaccionan con ésta o se arrastran con el

agua. Por lo tanto, es necesario secar la solución antes de eliminar el disolvente. Para el secado

se pueden usar sales inorgánicas que pueden generar hidratos con facilidad. En general, una

sustancia orgánica se seca mejor en solución. Los desecantes químicos se utilizan más que los

procedimientos mecánicos. La calidad de un desecante químico depende de su intensidad (hasta

que tanto seca), de su capacidad (su grado de hidratación) y su cinética de hidratación

(velocidad a la cual absorbe agua).

Los desecantes más comunes son: (a) sulfato magnésico anhidro, barato y ampliamente

usado, presenta alta capacidad, intensidad intermedia y rápida acción; (b) sulfato se sodio

anhidro, presenta alta capacidad pero baja intensidad y se puede usar solo a temperatura

ambiente o menor; (c) cloruro de calcio, posee alta capacidad pero forma complejos con la

mayoría de compuestos que contienen oxígeno o nitrógeno, aunque es útil al aplicarlo a

hidrocarburos o haluros de alquilo y arilo; (d) sulfato de calcio (Drierita), presenta alta

intensidad y rapidez, pero baja capacidad; (e) carbonato de potasio, presenta propiedades

intermedias de capacidad e intensidad, y es usado para secar compuestos básicos; (f) mallas

moleculares, corresponden a silicatos complejos de estructura porosa que atrapan

selectivamente moléculas de agua en sus poros. Son reciclables.

No se puede especificar con exactitud la cantidad de agente desecante a usar en cada

caso pero se recomienda utilizar ±1/20 del volumen del líquido a secar. Para líquidos puros se

requiere menos. La solución se deja con el agente secante durante 10 minutos, agitando

ocasionalmente y después se separa el agente secante por filtración y se lava con una pequeña

porción del disolvente. Finalmente, se elimina el disolvente por destilación, evaporación a

temperatura ambiente y a presión reducida, o por filtración si el soluto de interés se puede

convertir en sólido.

16



4 Tubo de ensayo con tapón 1 Fusiómetro 1 Embudo de separación de 50 mL 1 Gotero 1 Equipo de filtración de 50 mL 1 Beaker de 50 y de 100 mL


Sustancia Cantidad

Ácido benzoico y 4-diclorobenceno 0.1 g

Solución de cristal violeta en agua al 0.01% 10 mL Éter etílico 5 mL

Diclorometano 10 mL Soluciones de HCl 10% y NaOH 10% 5 mL


Extracción de cristal violeta. Extracción simple. Se introducen 5 mL de una solución de

cristal violeta/agua en un embudo de separación de 50 mL limpio y seco, y se agregan 3 mL de

diclorometano. Se tapa el embudo, se invierte y se abre la llave para liberar presión. Se cierra la

llave, se agita y se vuelve a abrir la llave. El proceso se repite las veces sea necesario hasta que

al abrir la llave no se aprecie sobrepresión en el interior. Se cierra la llave, se agita fuertemente

durante 1 minuto y finalmente se coloca el embudo en el soporte; se quita el tapón y se espera

hasta que ambas capas se separen. Se recoge la fase orgánica (diclorometano) en un tubo de

ensayo y la acuosa (superior) en un segundo tubo, se tapan y se guardan. Extracción múltiple.

Otros 3 mL de la solución de cristal violeta se extraen con tres porciones de diclorometano (2

mL cada una); se recogen los extractos orgánicos en tubos de ensayo y la solución acuosa en

otros tubos. Se compara la intensidad del color en las soluciones orgánicas y en las acuosas.

Anote los resultados.

Extracción con solución de hidróxido de sodio. Se disuelven 0,1 g de ácido benzoico

(C6H5CO2H) y 0,1 g de p-diclorobenceno (4-C6H4Cl2) en 5 mL de éter. La disolución se extrae

con 3 mL de NaOH al 10%. Se recoge la fase acuosa (inferior) y la etérea se pasa a un beaker.

Se agrega a la disolución etérea cuatro gránulos de cloruro de calcio y se agita la mezcla, de vez

en cuando, hasta que desaparece la turbidez inicial. Se decanta la solución etérea en un beaker.

Se pesa el residuo y se determina su punto de fusión (p-diclorobenceno, 53 °C). El ácido

17

benzoico precipita de la solución alcalina por tratamiento con ácido clorhídrico. El sólido se

colecta por filtración al vacío, se lava, se seca, se pesa y se determina el punto de fusión.


Probar la no presencia de fugas en el embudo de separación agitándolo con un poco de

agua antes de su uso. Liberar periódicamente la presión en el interior del embudo al adicionar

reactivos que al contacto con el sistema bajo extracción liberen gases, o al utilizar disolventes

volátiles (éter, diclorometano, etc.). En la extracción de ácidos o bases asegurarse de haber

convertido todo el compuesto original en la apropiada sal, como punto final de la extracción.

Conservar la fase orgánica después de la extracción acuosa de las sales de ácidos o bases. La

fase orgánica contiene otras sustancias que también serán objeto de separación de acuerdo al

procedimiento experimental. Evite respirar los vapores de los disolventes utilizados y percatarse

de la ausencia de llamas.


4.6. Preguntas

1. Los ácidos carboxílicos se convierten en aniones solubles en agua mediante tratamiento con

bicarbonato de sodio (NaHCO3). El fenol (C6H5OH), no da esta reacción pero se convierte

en su sal soluble al tratarlo con hidróxido de sodio. Según estos resultados, diseñe un

procedimiento para separar una mezcla de ácido benzoico, fenol y naftaleno. Describa las

ecuaciones de las reacciones que fundamentan el procedimiento diseñado.

2. ¿Por qué se debe destapar el embudo de separación cuando se saca el líquido extraído?

3. ¿Qué desventajas presentaría un disolvente con densidad muy semejante a la del agua?

4. ¿Qué efecto ejerce la adición de K2CO3 sobre la solubilidad del alcohol terc-butílico en éter

y en agua? ¿Qué relación guarda con el KD de este alcohol determinado experimentalmente?

18


5. Destilación por arrastre con vapor

La separación de líquidos o de sólidos volátiles insolubles en agua caliente, de una

muestra que los contiene, puede llevarse a cabo por destilación al vapor. Este es uno de los

métodos más efectivos para separar sustancias orgánicas insolubles o poco solubles en agua y es

una técnica favorable, ya que permite separar mezclas de sustancias con punto de ebullición

alto, a temperatura menor de 100 ºC y a presión atmosférica. Si se considera una mezcla de dos

líquidos inmiscibles A y B, cada uno ejerce su propia presión de vapor. Por lo tanto, la presión

de vapor total de la mezcla será en todo momento la suma de las presiones de vapor de cada uno

de los componentes puros.

PT = PA + PB

Las presiones de vapor son independientes de las cantidades relativas de A y B presentes en la

mezcla. El punto de ebullición de la mezcla será la temperatura en la que la presión de vapor

total PT es igual a 760 mm. A menos que PA o PB sean iguales a cero, ésta temperatura será más

baja que los puntos de ebullición normales de A y B. Como la presión ejercida por un gas es

proporcional a la concentración, la relación de las presiones de vapor de A y B en el punto de

ebullición de la mezcla, será igual a la relación entre el número de moléculas de A y de B (NA y

NB). Es decir que la proporción de los componentes en el destilado, será igual a la relación entre

sus presiones de vapor (1). Los pesos relativos de los dos líquidos que se recogen son

proporcionales a las presiones de vapor de los dos líquidos a la temperatura de destilación, y a

sus pesos moleculares (2). En ésta práctica se llevará a cabo el aislamiento de un aceite esencial

utilizando destilación por arrastre con vapor de agua.

WA/WB = MANA/MBNB = MAPA/MBPB (2)NA/NB = PA/PB (1)



1 Microdestilador de 50 mL 1 Erlenmeyer de 50 mL

50g Canela (o anís, cáscaras de limón, etc.) 1 Gotero, Termómetro 1 Vaso de precipitado (beaker) 50 mL 1 Baño de arena o de aceite

1 Embudo de separación de 50 mL Papel de filtro

19


Sustancia Cantidad

Agua destilada 30 mL

Hexano, pentano, heptano o ciclohexano 25 mL

Sulfato de sódio anhídro 2g Diclorometano 15 mL Éter etílico 15 mL


En el balón de destilación de 50 mL se depositan unas piedras de ebullición y se colocan

2 g de astillas de canela (de anís, cáscaras de limón, clavos, etc.) picadas (o cortadas en trocitos)

y 25 mL de agua. Se coloca el montaje en un baño de aceite (o arena) que se mantiene entre

150-160ºC. La canela tiende a formar espuma durante la destilación, por lo cual debe tenerse

cuidado para prevenir la contaminación del destilado con partículas de canela. Se ubica un

termómetro en el microdestilador para controlar la temperatura (cercana a 100ºC). El destilado

lechoso de agua y cinamaldehído se colecta en un erlenmeyer de 50 mL. Se continúa la

destilación aproximadamente por una hora.

Se adicionan otros 15 mL de agua al balón durante el curso de la destilación para

mantener el volumen original de agua en el balón. El agua se adiciona usando un gotero y

retirando momentáneamente el termómetro. El destilado se extrae con tres porciones sucesivas

de 6 mL de hexano (o ciclohexano, pentano, etc.). Después de cada extracción se transfiere la

capa superior a un erlenmeyer de 50 mL y los extractos combinados se secan sobre sulfato de

sodio anhídro. La solución de hexano seca se transfiere en dos porciones, usando un gotero, a un

beaker y se calienta en un baño de arena. Después que toda la solución se ha transferido y se

haya evaporado el disolvente, se enjuaga el sulfato de sodio con dos porciones adicionales de 1

mL de hexano. Los enjuagues se transfieren al mismo beaker y se concentran como se indicó

antes. Se mide el índice de refracción y se compara el resultado con el reportado de la literatura.

20


Sostenga el balón con pinzas. Las conexiones deben estar bien ajustadas. Emplee 10-12

g de muestra. Al poner la muestra en el matraz “B”, primero coloque las conexiones y luego la

muestra para evitar que se obstruya el tubo que llega al fondo del matraz. Caliente el balón en

forma permanente. Ponga piedras para regular la ebullición. Únicamente realizará la extracción

cuando la cantidad de aceite sea considerable. El aceite obtenido lo puede recoger en un frasco

pequeño. Si la cantidad de aceite obtenida es pequeña únicamente humedezca un lienzo o

algodón con el aceite. El hexano debe evaporarse en a cabina. Para una mejor extracción con el

solvente orgánico se puede adicionar NaCl a la solución acuosa.


5.6. Preguntas

1. Exprese en palabras la última ecuación de la teoría.

2. Consultar cinco aceites esenciales de importancia, indicando: nombre, estructura,

propiedades fisicoquímicas y los grupos funcionales presentes.

3. Describa un procedimiento para realizar una destilación al vapor a macroescala.

4. Compare el anterior proceso y el utilizado en esta práctica.

5. El punto de ebullición de un compuesto para destilarlo con arrastre de vapor debe ser

¿inferior o superior al del agua?

6. Mencionar las aplicaciones de la destilación con corriente de vapor de agua.

7. ¿Qué desventajas se podrían citar de la destilación con corriente de vapor, como método de

separación y purificación? ¿Cuándo se debe utilizar este método y cuándo éste método

sustituye a la destilación al vacío?

8. A 90.3°C la presión de vapor del clorobenceno es de 230 mm y la del agua es de 530 mm.

Calcúlese el porcentaje en peso de clorobenceno en el destilado cuando este derivado

halogenado se somete a una destilación en corriente de vapor a la presión atmosférica.

21


6. Cromatografía

La técnica que permite separar los componentes de una mezcla se llama cromatografía.

La separación se logra utilizando una fase estacionaria que retenga los compuestos a separar y,

una fase móvil que desplaza diferentemente los compuestos a través de la fase estacionara. Hay

diferentes tipos de cromatografía: cromatografía sólido-líquido, la fase estacionaria es un sólido

y la fase móvil un líquido; cromatografía líquido-líquido, ambas fases son líquidos y en la

estacionaria el líquido se ancla a un soporte sólido; cromatografía líquido-gas: la fase

estacionaria es un líquido no volátil sobre soporte sólido y la fase móvil un gas; cromatografía

sólido-gas: la fase estacionaria es un sólido y la móvil un gas. La mezcla a separar se deposita

sobre la fase estacionaria y la fase móvil atraviesa el sistema desplazando los componentes de la

mezcla a velocidades que dependen de la afinidad de los mismos por cada una de las fases

(gráfico 1). Se denomina elución a la migración de los componentes de la mezcla a lo largo de la

fase estacionaria impulsados por la fase móvil.

Gráfico 1. Elución de los componentes de una mezcla

Hay otras clasificaciones para los distintos tipos de cromatografía. La que depende de la

interacción que se establece entre los componentes de la mezcla y las fases móvil y estacionaria:

cromatografía de adsorción, se producen interacciones de tipo polar siendo la fase estacionaria

un sólido; cromatografía de partición, la separación se basa en las diferencias de solubilidad de

los componentes de la mezcla entre las dos fases siendo ambas líquidas; cromatografía en fase

inversa, la fase estacionaria es menos polar que la móvil; cromatografía de intercambio iónico,

hay intercambios entre iones presentes en la fase estacionaria y los del compuesto orgánico

22

solubilizado e ionizado en la fase móvil. La que depende del tipo de soporte empleado para la

fase estacionaria: cromatografía en columna, utiliza como soporte una columna de vidrio;

cromatografía en capa delgada, el soporte es una placa de vidrio, aluminio o plástico. La

cromatografía se puede emplear para conocer el número de componentes de una mezcla e

identificarlos por comparación - cromatografía analítica y para separar mezclas de compuestos

- cromatografía preparativa.

Cromatografía de adsorción: emplea una fase estacionaria sólida de carácter polar

(adsorbente) y una fase móvil líquida (eluyente). Se utiliza con fines analíticos y preparativos, la

separación de los componentes de la mezcla se determina por las interacciones polares de los

componentes de la misma con las fases estacionaria y móvil. Por lo tanto, los compuestos más

difíciles de separar mediante este tipo de cromatografía, serán aquellos que tengan una polaridad

muy similar. La Fase estacionaria (adsorbente) está constituida por un sólido poroso, finamente

granulado, con centros activos polares en su superficie donde se adsorben las moléculas de los

analitos. A menor tamaño de partícula de este material, mayor capacidad de adsorción. La

adsorción se debe a interacciones intermoleculares del tipo dipolo-dipolo, dipolo-dipolo

inducido o enlaces de hidrógeno entre el adsorbente y el soluto. El adsorbente más utilizado es

la sílica gel (gráfico 2), donde las interacciones tienen lugar entre los grupos Si-OH y Si-O-Si;

también se emplea con relativa frecuencia alúmina (Al2O3). El adsorbente debe ser inerte con el

a analito. La sílica gel presenta carácter ácido y la alúmina puede adquirirse con carácter neutro,

ácido o básico.

OH

Si

O

O

Si

O

O

Si

Si

O

Si

O

SiO

Si O

O

Si

OHO

Si O

Si

Si OSi

OH

OH

O

O

OSi O

Si

O

O

Si

OO

O

O

R R

O RH

RO H

: :

::

Gráfico 2. Estructura de la sílica gel e interacciones con algunos compuestos polares

La fase móvil (eluyente) es un disolvente en el que los componentes de las mezcla sean

algo solubles. Al aumentar la polaridad del disolvente aumenta la velocidad de elución de los

23

compuestos de la mezcla. Se puede utilizar un único disolvente o una mezcla de disolventes e

incluso llevar a cabo la elución con un gradiente de polaridad aumentando progresivamente la

proporción del disolvente más polar. Las moléculas de soluto S se adsorben en los centros

polares de la fase estacionaria X y, a medida que se produce la elución, van siendo desplazadas

por las moléculas de disolvente/s que constituyen la fase móvil M. la retención de un soluto se

puede justificar por la competencia que se establece entre S y M por adsorberse a los centros

polares X, es decir, depende de los valores de las constantes de los equilibrios que están en

función de la polaridad del compuesto a eluir (depende de sus grupos funcionales) y la

naturaleza del adsorbente y del disolvente

X X S X X M+ S + M

El orden de polaridad de los compuestos orgánicos es: ácidos carboxílicos > fenoles >

alcoholes/tioles > aminas > ésteres > aldehídos/cetonas > hidrocarburos aromáticos >

hidrocarburos halogenados > éteres > hidrocarburos insaturados > alcanos. Cuanto más polar

sea un compuesto mas se retendrá en la fase estacionaria. Por ejemplo, se retiene más un alcohol

que un hidrocarburo. El Orden de polaridad de los eluyentes más habituales es: H2O > CH3OH

> (CH3)2CHOH (isopropanol) > CH3CN (acetonitrilo) > dioxano > CH3COOEt (acetato de

eltilo) > THF (tetrahidrofurano) > CH2Cl2 (diclorometano DCM) > CHCl3 (cloroformo) > CCl4

(tetracloruro de carbono) > CH3(CH2)4CH3 (hexano). Para un mismo compuesto, un aumento en

la polaridad de la fase móvil hace que se desplace con más facilidad. Por ejemplo, se eluirá más

rápido una amina en acetonitrilo que en hexano. Para compuestos poco polares, que se retienen

poco en el adsorbente, se utilizan eluyentes apolares o poco polares como el hexano. Para

compuestos muy polares, que quedan muy retenidos en el adsorbente, se emplean eluyentes muy

polares como metanol o mezclas metanol/DCM. Para compuestos de polaridad media se

emplean eluyentes de polaridad intermedia y son muy aconsejables en estos caso las mezclas en

distintas proporciones de hexano/acetato de etilo.

En La cromatografía en capa delgada (CCD), la fase estacionaria (adsorbente) se

encuentra depositada formando una capa fina de un espesor uniforme sobre una placa de vidrio,

plástico o una lámina metálica (aluminio). La mezcla a analizar se deposita con un capilar a una

pequeña distancia del borde inferior de la placa (figura 10a) y se introduce en una cubeta donde

está la fase móvil (eluyente), que ascenderá a lo largo de la capa por capilaridad eluyendo a los

componentes de la mezcla a distintas velocidades, lo que provoca su separación (Figura 10b).

Cuando el frente del disolvente se encuentra a ±0.5 cm del borde superior, se saca la placa, se

24

marca hasta donde ha llegado el eluyente y se deja secar para proceder a observar las manchas

correspondientes.

Se conoce como Rf (rate factor) a la relación entre las distancias recorridas por un

compuesto y por el disolvente desde el origen del cromatograma (Rf = Distancia recorrida por el

compuesto/Distancia recorrida por el disolvente). Cada compuesto en unas condiciones

cromatográficas determinadas: adsorbente, disolvente, temperatura, etc., tiene un valor constante

y característico de Rf. Sin embargo, solo se pueden establecer comparaciones entre los Rf de

dos compuestos cuando los dos se eluyan juntos en la misma placa. La distancia recorrida por el

compuesto se mide desde el centro de la mancha (gráfico 3).

Gráfico 3. Determinación del Rf de dos compuestos A y B

La placa cromatográfica se visualiza con luz UV. Las placas llevan incorporado un

indicador fluorescente que absorbe luz UV y emite luz visible, generalmente verde. Cuando se

le hace placa a sustancias que absorben en el UV, se ve una mancha que indica su presencia, si

no se observa mancha alguna se utiliza un agente revelador, el cual reacciona con los productos

absorbidos dando lugar a compuestos coloreados y por tanto se utilizará uno u otro en función

del compuesto que se quiera visualizar (Ej. H2SO4/EtOH para azúcares, yodo para compuestos

insaturados, etc.). La CCD es una técnica cualitativa muy usada en los laboratorios de Química

Orgánica para determinar el número de componentes de una muestra. Si solo hay una mancha

muy retenida o aparece junto al frente del disolvente hay que probar otro eluyente (gráfico 4).

Gráfico 4. Separación de dos componentes A y B. Eluyente: (a) poco polar (b) polaridad adecuada (c) muy polar

25

Al comprobar la pureza de un compuesto aparecerá una sola mancha. Se debe comprobar

que solo hay una mancha utilizando distintos eluyentes (a-c). En la determinación de la

identidad de dos compuestos hay que tener precaución, ya que los valores de Rf iguales (o muy

parecidos) para dos compuestos en una misma placa no garantizan inequívocamente su

identidad. En la misma placa hay que cromatografiar una mezcla de los compuestos cuya

identidad se quiere comprobar (gráfico 5a).

Gráfico 5. (a) Comprobación de la no identidad de dos compuestos A y B. M, mezcla de ambos; (b) Evolución de

una reacción entre dos compuestos A y B (reactivos) para dar lugar a un compuesto C. MR, mezcla de reacción. (c)

Análisis de las fracciones (1,2...8) de una cromatografía en columna. M, mezcla antes de cromatografiar

Para seguir la evolución de una reacción, cada cierto tiempo se le hace cromatografía en

una misma placa a los reactivos y la mezcla de reacción (gráfico 5b). La CCD sirve para

determinar el disolvente más apropiado para llevar a cabo una separación mediante una

cromatografía preparativa (en columna o en placa) y para seguir el progreso de una

cromatografía en columna CC (gráfico 5c).

La Cromatografía en columna (CC) es el método más utilizado para separar y purificar

compuestos orgánicos (sólidos o líquidos) a escala preparativa. La fase estacionaria se coloca en

una columna de vidrio que termina con una llave y se impregna con la fase móvil. La mezcla a

separar se deposita en la parte superior de la columna y la fase móvil atraviesa el sistema

(gráfico 6). Los compuestos se van eluyendo disueltos en el eluyente, se van recogiendo

ordenadamente en fracciones de pequeño volumen (1,2,...) y se analizan por CCD (gráfico 5).

Los productos van saliendo de la columna según su polaridad, primero salen los menos polares

que son los menos retenidos por el adsorbente y los últimos los más polares por su mayor

retención en la fase estacionaria (la sílica gel es el adsorbente más utilizado). El tamaño de

partícula del adsorbente es importante para la separación y su elección depende en gran medida

de que la elución de la cromatografía se realice por gravedad o a media presión. En una elución

26

a media presión se pueden emplear tamaños de partícula más pequeños, que permiten una

separación más eficaz. Sin embargo, en una elución por gravedad el uso de tamaños de partícula

pequeños impide el flujo del disolvente. Antes de realizar una separación por CC se elige el

disolvente adecuado haciendo ensayos en CCD.

Gráfico 6. Montaje para una Cromatografía en Columna CC



1 Montaje para cromatografía de columna 1 Varilla de vidrio

10 Tubo de ensayo 1 Gotero

1 Embudo con caña, Beaker, Erlenmeyer 1 Vidrio de reloj 10g Sílicagel 60F254 (0063-0.2 mm) Algodón o lana de vidrio

1 Cromatoplaca(AlSílicaGel)60F254 4X8 cm Papel de filtro


Sustancia Cantidad

Agua destilada 80 mL Etanol 70 mL

Solución de cristal violeta y naranja de metilo (1/1) 2 mL Trietilamina 5 mL


Separación por CC de una mezcla cristal violeta/naranja de metilo. Se sujeta la

columna, en posición vertical, a un soporte utilizando dos pinzas: una cerca de la llave y otra en

la parte superior y se introduce un pequeño copo de algodón en su extremo inferior. Se coloca

un erlenmeyer debajo de la columna y un embudo en la parte superior (gráfico 6). En un vaso de

27

precipitado se prepara una suspensión con 5g de sílica gel (adsorbente) y 50mL de etanol

(eluyente). Se añade un poco de etanol a la columna y luego se vierte la suspensión previamente

preparada en su interior. Se abre la llave, se golpea suavemente las paredes de la columna

mientras dura la sedimentación del adsorbente para que este se compacte adecuadamente

procurando que no se formen burbujas y evitando que se seque la sílica. El etanol que se va

recogiendo de la columna se incorpora al vaso donde se preparó la suspensión

adsorbente/eluyente para así recuperar la sílica que hubiera podido quedar y se transvasa todo de

nuevo a la columna.

Se deja que el eluyente baje hasta una altura sobre el adsorbente de 1-2 mm, se cierra la

llave de la columna se quita el embudo y con un gotero se añade cuidadosamente un poco de

una solución preparada de cristal violeta y naranja de metilo (±1 mL). Se abre la llave de la

columna para que esta disolución quede inmersa en la sílica y se vuelve a cerrar cuando la

disolución de colorantes alcanza una altura de 1 mm sobre el adsorbente. Se añaden con una

pipeta 5mL de etanol con mucho cuidado y muy lentamente para no distorsionar el frente de la

columna. A continuación, se abre la llave y se continúa añadiendo etanol para desarrollar la

columna hasta que se recoja el primer colorante. Después se utiliza una mezcla de disolventes:

etanol/trietilamina en proporción 9:1 como eluyente para el segundo colorante (gráfico 7)

¡Durante todo el proceso nunca debe secarse la columna!

SO3NaN

NN

N+

Cl-

Cristal violetaNaranja de metilo

- +

Gráfico 7. Esquema de separación de dos componentes por Cromatografía en Columna

28

El naranja de metilo es un colorante azoico (los azo-derivados contienen el grupo -N=N-,

son compuestos intensamente coloreados y muchos se emplean como colorantes) que se utiliza

como indicador ácido-base y es amarillo en medio básico y rojo en medio ácido. El cristal

violeta es un colorante derivado del trifenilmetano. Ambos compuestos son muy polares

(gráfico 7). Anotar los resultados obtenidos y discutir la separación obtenida. Las diferentes

fracciones de la separación cromatogáfica se recogen en tubos de ensayo rotulados (No.1,

No.2,…). Para notar mejor el experimento, se coloca un papel de blanco detrás de las gotas que

van cayendo).

Cromatografía en capa delgada. Se toman 2 vasos de precipitado (beaker) de 50 mL

con 2 vidrios de reloj (como tapas) como cámaras para cromatografiar y se rotulan (No.1 y

No.2). Los disolventes de elución son: beaker No.1 agua/etanol (1/10) y beaker No.2

agua/etanol (10/1). Se coloca en los baekers alrededor por la parte interna una tira de papel y

una cantidad de la mezcla de disolventes para elución, suficiente para que al introducir la placa,

se humedezca completamente el borde inferior de ésta (el nivel del disolvente debe quedar por

debajo de las siembras (manchas) aplicadas). Reciba de su instructor dos placas cromatografía

en capa delgada. Se coloca en cada una un punto de la mezcla de tintes y un punto de la

disolución del tinte puro soluble en etanol (que también le entregará el instructor), a

aproximadamente 0.5 cm del borde. Para esto se sumerge un capilar bien fino en la mezcla de

tintes y se toca levemente la superficie de la placa para transferir una cantidad bien pequeña de

mezcla. La mancha que se forma no debe ser más grande que la cabeza de un alfiler. Con

capilares diferentes (¡no confundir los capilares de cada disolución!) haga lo mismo con las

soluciones de los tubos de ensayo No.3 y No.5. Se coloca la placa en el beaker No.1 hasta que

llegue el disolvente hasta 0.5 cm del borde superior de la placa. Note el tipo de separación

obtenida. Se saca la placa y antes que se evapore el disolvente, se marca con un lápiz hasta

donde llegó éste. Se repite el proceso con otra placa, pero en el beaker No.2. Se calcula el Rf

para cada mancha en las dos placas. Cuál sistema de disolventes es mejor para separar la mezcla

de tintes.


Para golpear la columna durante su empaquetamiento utilice una varilla de vidrio forrada

con un tubo de caucho u otro material que no la rompa. Los pares de tintes que se pueden

29

utilizar para esta práctica son: fluoresceína/azul de metileno, naranja de metilo/azul de metileno

o naranja de metilo/cristal violeta. Trabaje con 1 mg de cada tinte, disuélvalos en etanol

comercial (96%). Se recomienda utilizar lana de vidrio en lugar de algodón, ya que algunos

componentes tiñen el algodón, obstaculizando una buena separación.


6.6. Preguntas

1. ¿Por qué los derivados halogenados suben más que los alcoholes en una cromatografía de

placa delgada?

2. Al cambiar un eluyente menos polar por otro más polar ¿cómo se afecta la velocidad de

elución de un alcohol? ¿y la de una cetona?

3. El valor del Rf ¿depende del adsorbente utilizado? ¿y del eluyente?

4. Sugerir un ensayo para determinar la pureza de un compuesto por CCD.

5. Sugerir un ensayo (utilizando la CCD) para determinar ¿Cuál es el disolvente más adecuado

para separar el ácido difenilacético del bencilfeniléter por cromatografía en columna

utilizando sílica gel como adsorbente.

6. Explique ¿por qué y cómo se separan los compuestos de la mezcla de tintes?

7. ¿En qué consiste la CCD preparativa?

8. ¿Qué es una resina de intercambio aniónica y una catiónica?

9. Indique algunas aplicaciones de la cromatografía de adsorción por columna.


7. Propiedades de los hidrocarburos

Los hidrocarburos son compuestos orgánicos formados únicamente por átomos de

carbono e hidrógeno y se dividen en dos grandes grupos: los hidrocarburos alifáticos y los

aromáticos. El objetivo principal de esta práctica de laboratorio es estudiar las propiedades de

30

los hidrocarburos, principalmente de los alifáticos, ya que los hidrocarburos aromáticos merecen

un estudio aparte, el cual se llevará a cabo en la siguiente sección de laboratorio. Dentro de los

hidrocarburos alifáticos se tienen a los alcanos, alquenos, alquinos y ciloalifáticos; la mayoría de

éstos compuestos son utilizados como fuentes energéticas debido a su fácil combustión. Los

alquenos y alquinos presentan propiedades similares a los alcanos. Son poco polares y sus

temperaturas de ebullición dependen de las fuerzas de dispersión o Van der Waals.

Reactividad en los enlaces múltiples. Los alquenos y alquinos son más reactivos que

los alcanos ya que poseen enlaces múltiples con alta densidad electrónica que constituyen sitios

de reacción hacia reactivos deficientes de electrones. La reacción de adición es característica de

estos enlaces. Con esta reacción los átomos de carbono involucrados en el doble enlace cambian

su hibridación de sp2 a sp3, mientras que los átomos de carbono involucrados en un triple

enlace cambian su hibridación de sp a sp2 y pueden llegar hasta sp3 dependiendo de las

condiciones de la reacción. Los alquinos terminales son lo únicos hidrocarburos que tienen un

comportamiento ácido frente a bases fuertes. El orbital con hibridación sp hace al carbono más

electronegativo que aquellos con hibridación sp2 y p3. De este modo es posible sustituir el H del

acetileno por un metal. Bajo ciertas condiciones se pueden preparar acetiluros metálicos, donde

un metal Cu, Ag, etc., está unido a un carbono del acetileno. Son compuestos inestables (Ej. el

carburo de calcio, CaC2).

H H=Ca2+ H2O

Carburo de calcio Acetileno

Muchos alquenos como el licopeno, el limoneno, el citronelal, etc. se encuentran en la

naturaleza, otros se obtienen principalmente del “cracking” del petróleo y también a partir de

reacciones de eliminación de otros compuestos orgánicos. Los alquinos también se encuentran

en la naturaleza; por ejemplo, en China y en Amazonas se utilizan las glándulas cutáneas de las

ranas con fines medicinales (la rana Dendrobates histrionicus segrega la histrionicotoxina,

sustancia de interés para el tratamiento de la enfermedad de Alzheimer. El alqueno mas sencillo

(etileno, H2C=CH2) es a menudo empleado para acelerar la maduración de frutos como el

tomate o banano, mientras que el alquino mas sencillo (acetileno: HCCH) es un combustible que

arde intensamente en la presencia de oxígeno y puede provocar una llama de hasta más de

3000°C, por lo tanto es utilizado para soldar.

31

Al igual que el doble enlace, el triple enlace de los alquinos también puede presentar

reacciones de adición. El enlace doble C=C puede adicionar un mol de un reactivo, mientras que

el enlace triple puede adicionar dos moles de un reactivo. Si se eligen convenientemente las

condiciones de reacción, puede ser posible que la adición se detenga en el doble enlace.

X

XX

X

X

X

XXX

OH O

X

X

OH

X AlquenoAlquino

Na

NH3(l)

Lindlar

X2CCl4

HX

X = Cl, Br, I

ii. H2O, HgSO4/H2SO4i. Butadieno, Calor

i

iiCat. (Ni, Pt o Pd)

2H2

Cat.

H2

H2

Cat.

X2CCl4

H2O

H+

HX

i

Butadieno

El licopeno es un compuesto insaturado de color rojo y cuando se le adiciona bromo cambia de

color (por un gradiente de concentración causa el efecto de un arcoiris), reacción característica

de los alquenos (y de los alquinos); el color desaparece a medida que se adiciona el bromo a más

dobles enlaces. Los colores indican que en la reacción se forman especies intermedias.



1 Balón de dos bocas o con desprendimiento 1 Probeta graduada de 50 mL 1 Embudo de adición de 50 mL 3 Gotero

10 Tubos de ensayo con tapón 1 Gradilla

1 Varilla de vidrio y cubeta para agua 1 Beaker de mL


Sustancia Cantidad

Carburo de calcio 2 g

Solución amoniacal de AgNO3 y de CuCl 10 mL

32

Solución de KMnO4 basificada 10 mL Hexano (pentano o ciclohexano) 5 mL

Solución de agua de bromo 20 mL Agua destilada 50 mL Jugo de tomate 20 mL


Efecto de arcoíris en el jugo de tomate. Coloque en una probeta 10 mL de jugo de

tomate rojo y añada lentamente 1.0-1.5 mL de una solución saturada de agua de bromo (0.06

mol/L). Espere a que el agua de bromo se difunda y observe los colores. Para probar la

dependencia del color con la concentración, añada a un vaso de precipitados 20 ml de jugo de

tomate y 4 ml de la solución de bromo, agite, y paulatinamente vaya añadiendo, de a 1 mL

solución de bromo. Registre los colores desde el inicio hasta el final.

Gráfico 2. Montaje para obtención de acetileno

Obtención de acetileno y estudio de sus propiedades. Armar el montaje que se

observa en el gráfico 2. Colocar en el balón 2 g de carburo de calcio y llenar el embudo de

adición (o de decantación) con 8 mL de agua. El tubo de desprendimiento del balón se une con

una manguera a un tubo de vidrio (de aproximadamente 8 cm) doblando esta extensión en ‘U’

en el extremo. Desde el embudo de adición se adiciona agua gota a gota. Se recoge el acetileno

en 4 tubos de ensayo (rotulados) invertidos, previamente llenos de agua.

33

Al primer tubo se le adicionan 0.5 mL de agua de bromo, se tapa y se agita ¿qué se

observa? Al segundo tubo se le adicionan 0.5 mL de solución diluida de KMnO4, basificada con

NaOH, se tapa y se agita, ¿qué se observa? Al tercer tubo se le adicionan 0.5 mL de solución

amoniacal de nitrato de plata, obtenida a partir de nitrato de plata y amoniaco, se tapa y se agita,

¿qué se observa? Al cuarto tubo se le adicionan 0.5 mL de solución amoniacal de cloruro de

cobre, se tapa y se agita, ¿qué se observa? Antes de atrapar el acetileno en los tubos de ensayo

se hace combustión ‘con cuidado’ en el extremo del tubo de vidrio acercando una cerilla

encendida, ¿qué se observa? Por último, se toman cuatro tubos de ensayo con 2 mL de hexano

(pentano o ciclohexano) cada uno, y se realizan las pruebas efectuadas para el acetileno observe

lo que sucede y compare los resultados.


Adicione el agua de bromo en la campana de extracción. Los acetiluros metálicos son

explosivos, explotan por golpe o calentamiento; para evitar accidentes, es necesario destruir

estas sustancias con ácido clorhídrico diluido después de cada experimento. En las pruebas

también se puede hacer burbujear directamente el acetileno en las soluciones. El nitrato de plata

amoniacal se obtiene adicionando gotas de hidróxido de amonio a nitrato de plata acuoso; al

principio se forma un precipitado café oscuro de hidróxido de plata, el cual se re-disuelve por

adición de más hidróxido de amonio, formándose el complejo Ag(NH3)2+.


7.6. Preguntas

1. Escriba las ecuaciones para cada una de las reacciones efectuadas en esta práctica.

2. ¿Cómo se obtiene etileno en el laboratorio y cuál sería su comportamiento frente a los

experimentos realizados en esta práctica? Explique con ecuaciones.

3. La síntesis industrial moderna del acetileno se lleva a cabo por craqueo térmico del metano.

Explique este proceso.

4. Explique el comportamiento especial de los alquinos frente a bases fuertes comparando con

los alcanos y alquenos.

34

5. En la adición electrofílica sobre alquenos, explique con ejemplos la selectividad en la

regioquímica de la reacción.

6. Los resultados estequiométricos sugieren que la halogenación tiene lugar a través de un ión

halonio similar al ión halonio intermedio en la halogenación de alquenos. Este mecanismo

explica la observación que los triples enlaces sean mucho menos reactivos frente al cloro y

al bromo que los dobles enlaces. Dibuje los intermedios y explique este comportamiento.

7. Con base a la pregunta anterior complete la siguiente reacción

Br2/CCl

4

-20 ºC

8. Proponga un mecanismo para la adición de agua al propino catalizando la reacción con ácido

sulfúrico y sulfato de mercurio.


8. Compuestos aromáticos

Los compuestos aromáticos o derivados del benceno presentan una particularidad en

cuanto a su reactividad al compararlos con alquenos. Por ejemplo, los alquenos dan

principalmente reacciones de adición, mientras que los derivados bencénicos dan reacciones de

sustitución electrofílica y nucleofílica (SEAr y SNAr), debido a que se conserva la aromaticidad

del anillo en estas reacciones. Por la alta densidad electrónica que presenta la nube π de los

compuestos aromáticos, se tiene que la principal reacción de los derivados bencénicos es la

SEAr, la cual es muy versátil por la amplia variedad de compuestos orgánicos que se pueden

obtener y por la potencial reactividad que presentan los sustratos cuando se contienen grupos

sustituyentes activadores (donores de electrones) y desactivadores (atractores de electrones-

favorecen la SNAr) en el anillo.

Un agente electrofílico que se aproxima a un anillo bencénico donde exista un

sustituyente, puede atacar en cualquiera de las tres posiciones posibles, pudiendo esperarse una

mezcla de productos orto-, meta- y para- sustituidos. Cuando se da la reacción, se observa que

la orientación relativa de los sustituyentes en los productos de la reacción no depende de la

naturaleza del electrófilo que ataca, sino del tipo de sustituyente presente en el anillo. En la SEA,

el paso determinante de la velocidad de la reacción es la formación del ión bencenonio

35

intermediario, el cual contienen exceso de carga positiva. Por lo tanto, cualquier grupo

sustituyente en el anillo aromático que estabilice la carga disminuirá la energía del intermediario

y cualquier sustituyente que tienda a desestabilizarla atrayendo electrones del anillo, tenderá a

desestabilizar el intermediario.

E

H

E

HE+ +

GG

+W

G: Grupo que cede (dona) carga W: Grupo que saca (atrae) carga

W

E+

Iones bencenonio generados por la adición de un electrófilo

Si el ión bencenonio está estabilizado, también lo estará el estado de transición y las

reacciones serán más rápidas, de lo contrario serán lentas. El clorobenceno exhibe efectos

inductivos y de resonancia importantes pero actúan en sentidos opuestos (casi se anulan). El

cloro es muy electronegativo y su efecto inductivo consiste en retirar electrones del anillo

aromático. De otro lado, el cloro tiene pares electrónicos libres en orbitales p, uno paralelo a los

del anillo bencénico, por lo cual se pueden ceder electrones al anillo por efecto de resonancia,

aunque no como la anilina o el fenol (anillo activado), debido al menor solapamiento orbital (el

cloro tiene mayor tamaño).

Cl Cl Cl+

Cl+

Cl+

-..

-..

-..

Efecto inductivo

Efecto de resonancia

De este modo, el efecto inductivo del cloro supera al de resonancia desactivando el anillo

bencénico pero no considerablemente). El resultado de los dos efectos opuestos es que el cloro

orienta orto- y para- y el compuesto reacciona lentamente (el cloro es desactivador). De otro

lado, la anilina y el fenol también orientan orto- y para- pero la reacción es rápida, ya que estos

grupos activan fuertemente el anillo en las reacciones de SEA. En esta sección de laboratorio se

llevarán a cabo reacciones dentro del mecanismo general de SEA, de las cuales tenemos: la

nitración del clorobenceno y la bromación del fenol. De este modo, se llevará a cabo la

obtención de un derivado nitrado y un derivado bromado, a partir de de bencenos sustituidos de

diferente naturaleza.

36



1 Balón de 50 mL con condensador 1 Baño María y baño de hielo 1 Gotero, magneto y plancha agitadora 1 Equipo de filtración de 50 mL 5 Tubos de ensayo con tapón y gradilla 1 Beaker de 100 mL


Sustancia Cantidad

H2SO4 y HNO3 concentrados 5 mL

Clorobenceno 1 g Solución de agua de bromo 1 mL

Fenol 0.1g


Nitración. En un balón de 50 mL provisto de un condensador, coloque 5 mL de HNO3

concentrado. Agregue lentamente y agitando 5 mL de ácido sulfúrico concentrado. Coloque el

balón en un baño María y agregue gota a gota y con agitación 1 g de clorobenceno (0.9 mL).

Caliente la mezcla en un baño María durante 30 minutos. Vacíe el contenido del balón en un

beaker que contenga hielo picado (±15 g). Si se forma un aceite es que se obtuvo el mononitrado

y es necesario volver a calentar (±10 minutos). Agite la mezcla vigorosamente y filtre al vacío.

Lave con agua helada (±20 mL). Recristalice de etanol, seque, pese y determine el punto de

fusión del producto.

Bromación. En un tubo de ensayo se introduce 1 mL de agua de bromo y se agregan

unos cristales de fenol ¿Qué observa al agitar? ¿Qué sugiere ésto? ¿Cómo aparece la mezcla al

cabo de 5 minutos? Se aísla el sólido formado y se determinan sus propiedades. ¿A qué derivado

corresponde?


El 2,4-dinitroclorobenceno es muy irritante (en caso de sentir irritación en alguna parte

de la piel, lavar con agua y alcohol). El fenol, el bromo, el ácido sulfúrico y el nítrico son

corrosivos, evite el contacto con la piel y la ropa. La reacción de nitración debe agitarse

continuamente para obtener el producto dinitrado, de lo contrario se obtiene el mononitrado

(líquido). Al vaciar la mezcla de reacción sobre el hielo, debe agitarse vigorosamente para

37

obtener partículas pequeñas. En la recristalización se debe agitar y raspar las paredes del vaso

(dentro del hielo), para favorecer la formación alotrópica αααα (pf. 53.4 oC). Las formas ββββ y γγγγ

funden a 43 y 27 oC respectivamente y en caso de no efectuar correctamente la recristalización,

son contaminantes del compuesto alfa.


8.6. Preguntas

1. Responda las preguntas que se hacen en la sección experimental y escriba los mecanismos

de todas las reacciones involucradas en éste experimento.

2. ¿Cuáles productos se obtendrán en la sulfonación del fenol o bromación de la anilina?

3. ¿Qué tipo de reacciones presentan los arenos?

4. Si en ésta práctica se utiliza tolueno, cuáles productos se obtendrían? Escriba las ecuaciones

correspondientes.

5. ¿Cómo se lleva a cabo la nitración de los alcanos? Describa las condiciones y el mecanísmo


9. Propiedades químicas de los alcoholes

Una vez terminado el estudio que involucra a los compuestos que solamente

contienen carbono e hidrógeno (hidrocarburos alifáticos y aromáticos), es necesario estudiar la

reactividad de otros grupos funcionales. Por ejemplo, los alcoholes contiene el grupo funcional -

OH (hidroxilo), el cual determina las propiedades de esta interesante serie de compuestos

orgánicos. Los alcoholes se clasifican en monohidroxílicos y polihidroxílicos dependiendo del

número de grupos OH. A su vez, los monohidroxílicos se clasifican en primarios, secundarios y

terciarios dependiendo la posición del grupo -OH en la cadena carbonada; los polihidroxílicos se

clasifican en dioles o glicoles (dos grupos OH), trioles o gliceroles (tres grupos OH), etc. Los

38

alcoholes presentan reacciones basadas en el rompimiento del enlace O-H y reacciones basadas

en el rompimiento del enlace C-O.

Para el desarrollo de esta práctica se llevaran a cabo experimentos que implican

ambos tipos de reacciones, tanto en alcoholes monohidroxílicos como en los polihidroxílicos.



5 Tubos de ensayo con tapón y gradilla 1 Varilla de vidrio 1 Plancha 1 Papel de filtro


Sustancia Cantidad

Etanol, ácido acético y 1 mL

H2SO4 concentrado 0.2 mL Solución acuosa de KMnO4 2 mL

Solución de agua de bromo 1 mL

Alcohol alílico e isopentílico (isoamílico) 1 mL Etilenglicol, Glicerina 1 mL

Ácido butanoico 1 mL Fenolftaleína 0.5 mL

Agua de bromo 2 mL

Sodio metálico


Oxidación de alcohol etílico con KMnO4. En un tubo de ensayo se coloca 1 mL de

etanol y se adicionan 0.5 mL de solución acuosa de KMnO4. La mezcla se clienta y se forma

etanal, el cual presenta un olor característico. ¿Qué le sucede a la solución y cuál es la sustancia

que precipita?

Formación de acetato de isopentilo. En un tubo de ensayo se mezcla 1 mL de ácido

acético glacial, 1 mL de alcohol isopentílico y 0.2 mL (±3 gotas) de H2SO4. La mezcla se clienta

hasta ebullición y se transfiere el contenido del tubo a un vaso con agua fría. Las gotas aceitosas

que se forman en la superficie del agua es acetato de isopentilo ¿a qué fruta le recuerda su olor?

Reacciones del alcohol alílico. En un tubo de ensayo se toma 1 mL de agua de bromo,

se adicionan varias gotas de alcohol alílico diluído y se agita. ¿Qué sucede con la coloración del

39

agua de bromo y por qué? En otro tubo de ensayo se toma 1 mL de solución acuosa de KMnO4

(0.1%) y se adicionan varias gotas de alcohol alílico diluído y se agita. ¿Qué sucede con la

coloración de la solución y por qué? ¿Cuál es el color de la glicerina formada?

Reacción de etilienglicol con sodio. En un tubo de ensayo se toma 0.5-1 mL de

etilenglicol y se adiciona un trocito de sodio limpio y seco con papel ¿qué sucede?, ¿la reacción

es exotérmica o endotérmica? Luego se adicionan unas gotas de fenolftaleína ¿que observa?

Formación de glicolato y glicerato de cobre. Se toma tres tubos de ensayo y se

adiciona a cada uno 1 mL de solución al 10% de NaOH y varias gotas de solución de CuSO4

¿qué se forma? Al primer tubo se adicionan varias gotas de etanol, al segundo etilenglicol y al

tercero glicerina. Se agitan vigorosamente las tres mezclas reaccionantes ¿qué sucede y por qué?


Trabaje con agua de bromo en la cabina. Recuerde que el sodio reacciona violentamente

con el agua. Trabaje con mucho cuidado y teniendo siempre en cuanta las normas de seguridad.


9.6. Preguntas

1. Responda las preguntas que aparecen en la sección experimental y escriba las ecuaciones de

cada uno de los experimentos realizados en la práctica.

2. Realice un cuadro indicando las principales reacciones de los alcoholes.

3. ¿Cómo se diferencian experimentalmente los alcoholes primarios, secundarios y terciarios?

4. Al oxidar los alcoholes con óxido de cobre (II) ¿qué se observa? Escriba la ecuación de esta

reacción.

5. ¿Cómo se prepara industrialmente el etanol?

40


10. Fenolftaleína y fluoresceína

La fenolftaleína 3 es un derivado trifenilmetílico que obtiene a partir de anhídrido ftálico

1 y fenol 2 en presencia de ácido sulfúrico. El valor comercial de esta sustancia radica en su uso

como ingrediente en chicles o caramelos, y en que es un indicador bastante conocido. En

solución ácida, existe en su forma lactónica incolora, ya que el carbono central presenta

hibridación sp3 ocasionando que se aísle o se impida la conjugación de los tres anillos

bencénicos. A pH superior de 8.3, se pierde un hidrógeno fenólico, se abre el anillo lactónico y

el carbono central adquiere hibridación sp2. De este modo, los anillos bencénicos entran en

conjugación, tomando la fenolftaleína una coloración roja. En medio fuertemente alcalino, al

carbono central de 3 se hidroxila adquiriendo una hibridación sp3, se viola la conjugación y la

fenolftaleína se torna de nuevo incolora (gráfico 1).

O

O

O

OH

O

O

OH OH

O

O

O

O

OH OH

OH

O

O

O

O

O

O

Fenolftaleína

incolora en H+

+ H+

OH-

OH-

H+

Incolora en medio fuertemente básico

Roja en medio básico

1 23

Gráfico 1. Estructuras de la fenolftaleína en diferentes medios

La fluoresceína 5 es un derivado xanténico que obtiene a partir del anhídrido ftálico 1

con resorcinol 4 en presencia de H2SO4 concentrado. En medio básico da una solución de color

41

pardo rojizo, que al diluirla produce fluoresceína verde-amarilla. La sal sódica de la fluoresceína

se conoce como uranina, y tiñe de amarillo la lana y la seda en baño ácido; los colores son

fugaces (gráfico 2).



5 Tubos de ensayo con tapón y gradilla 1 Balón de 100 mL con tapón

1 Plancha de calentamiento o mechero 1 Baño de María


Sustancia Cantidad

Anhídrido ftálico 0.4g Resorcinol (m-dihidróxibenceno) 0.2g

Etanol fenol 0.2g

NaOH 2N 2 mL H2SO4 concentrado 1 mL


Preparación de fenolftaleína. En un tubo de ensayo seco se toman 0.2 g de anhídrido

ftálico, igual cantidad de fenol y 3-4 gotas de H2SO4 concentrado. Se calienta la mezcla durante

3 minutos a 160 ºC aproximadamente. Se enfría el tubo de ensayo y se adiciona etanol para

disolver la fenolftaleína obtenida. Preparación de fluoresceína: en un tubo de ensayo seco se

colocan 0.1 g de anhídrido ftálico y 0.2 g de resorcinol (resorcina), con cuidado se adicionan 3-5

gotas de H2SO4 concentrado. Se calienta el tubo de ensayo hasta que aparezca una coloración

rojiza-oscura, se enfría y se adiciona 1 mL de agua para disolver la fluoresceína obtenida. En un

balón de 100 mL se colocan 2-3 gotas de solución de la fluoresceína obtenida, se adiciona 1 mL

de NaOH 2N y se diluye con bastante agua. Aparece fluorescencia de color verde-amarilla, la

cual desaparece con el tiempo, debido a la auto-oxidación de la fluoresceína.


El fenol es tóxico y produce quemaduras.

42


10.6. Preguntas

1. ¿En qué consiste la fluorescencia? Explique y de ejemplos.

2. Además de la fenolftaleína, otro indicador ácido-base de gran uso en el laboratorio es el

anaranjado de metilo. Como se obtiene.

3. ¿Cómo se prepara la tintura del tornasol?

4. Algunos compuestos fluorescentes se denominan blanqueadores ópticos. Por qué? y Cómo

actúan?

5. Entre las sustancias heterocíclicas fluorescentes tenemos a las bispirazolo[3,4-b:4’,3’-

e]piridinas. Escriba un método de síntesis para la obtención de uno de estos derivados.

Explique el mecanismo de su obtención.

6. Defina brevemente: punto de fusión, cómo se determina, describa dos procedimientos y

describa la diferencia entre punto de fusión de un compuesto puro y una mezcla. Explique.

7. ¿Cómo se corrigen los puntos de fusión y cómo se utilizan en criterio de pureza?


11. Propiedades químicas de aldehídos y cetonas

Continuando con el estudio de los compuestos orgánicos oxigenados, es esta sección

de laboratorio se llevará a cabo el estudio de las propiedades químicas de los aldehídos y las

cetonas, los cuales son sistemas que presentan un estado de oxidación mayor que los alcoholes y

adicionalmente presentan mayor reactividad y versatilidad para su uso en síntesis orgánica. Los

aldehídos y las cetonas son compuestos que se caracterizan por presentar el grupo carbonilo -

(C=O)-. Las causas fundamentales de la reactividad de estos compuestos es la polaridad y la

planaridad que presenta el enlace doble carbono-oxígeno (C=O). Debido a la polaridad de éste

enlace y a que su átomo de carbono presenta deficiencia electrónica (δ+, por la mayor

electronegatividad del oxígeno) se pueden adicionar reactivos nucleofílicos a estos compuestos.

43

El grupo carbonilo de estructura plana presenta poco impedimento estérico, lo que facilita

enormemente el ataque nucleofílico.

O

R'

RO

R'

R

Nu

OH

R'

R

Nu

O

R'

R

Nu

Nu- H2O

δδδδ−−−−

El efecto de atracción de electrones del átomo de oxígeno en el grupo carbonílico

también polariza los enlaces C-H en el átomo de carbono en posición α a este grupo funcional.

De este modo se facilita la substracción de átomos de hidrógeno en forma de protones

(hidrógenos ácidos, H+), obteniéndose especies con átomos de carbono cargados negativamente

(carbaniones) estabilizados por resonancia con el grupo carbonilo.

O

R

H

O

R

B+ HB

αααα

−−−−

Como el grupo carbonilo presenta un estado de oxidación intermedio, los aldehídos

se pueden oxidar a ácidos carboxílicos y, tanto los aldehídos como las cetonas se pueden reducir

por diferentes métodos a alcoholes. En el desarrollo de esta práctica se estudiaran algunas

reacciones de aldehídos acetonas.



5 Tubos de ensayo con tapón y gradilla 1 Equipo de filtración de 50 mL


Sustancia Cantidad

Etanol, etilmetilcetona y benzaldehído 1 mL HCl 5%, H2SO4 concentrado 1 mL

Solución saturada de bisulfito de sodio 1 mL

Pentanal (o butanal) 1 mL Solución de I en KI 2 mL

Solución de 2,4-DNFH 3 mL

Solución alcohólica de KOH al 15% 2.5 mL

HCl y KOH al 10% 1 mL

44


Reacción con bisulfito de sodio. En un tubo de ensayo se toma 1.0 mL de solución

saturada de bisulfito de sodio y se adiciona igual volumen de pentanal, benzaldehído o acetona y

se agita vigorosamente la mezcla. Si es necesario se enfría la mezcla de reacción en un baño de

agua hielo. Los cristales formados se filtran al vacío y se calcula el porcentaje de rendimiento.

Formación de fenilhidrazonas. A 1 mL de solución de 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-

DNFH) se adicionan 0.5 mL de pentanal (butanal o benzaldehído). Se agita vigorosamente y si

es necesario se enfría la mezcla en un baño de agua/hielo. Se repite el mismo procedimiento

pero utilizando etilmetilcetona (butanona). Se filtra al vacío y se calculan los porcentajes de

rendimiento.

Reacción de Cannizzaro. En un tubo de ensayo se introducen 0.5 mL de benzaldehído y

se adicionan 2.5 mL de solución alcohólica de KOH al 15%, se agita vigorosamente. Se

desprende calor y el líquido se solidifica debido a la formación de benzoato de potasio. Se

filtran los cristales obtenidos, se disuelven en la mínima cantidad de agua y se adicionan ±0.5

mL de HCl al 10% para que precipite el ácido benzoico.

Reacción halofórmica. En un tubo de ensayo con 1 ml de agua se adiciona 0.5 ml de

etilmetilcetona y 2 mL de solución de yodo en yoduro de potasio, luego se adiciona gota a gota

solución de KOH al 10% y se calienta hasta que desaparezca el color pardo. Se filtra el

precipitado de amarillo (yodoformo), se pesa y se calcula el contenido de cetona en la solución.


Los productos de cada uno de los experimentos antes de pesarlos deben estar secos; esto

se logra más rápido con ayuda de papel filtro. La solución de 2,4-dinitrofenilhidrazina se

prepara disolviendo con calentamiento 2 g de la 2,4-DNFH en 50 mL de H2SO4 concentrado, se

enfría y se adicionan 50 mL de etanol al 96%.


11.7. Preguntas

45

1. ¿La reacción con bisulfito de sodio es general para todos los aldehídos y cetonas? Explique

su respuesta.

2. ¿Cuáles otras sustancias dan positiva la prueba de yodoformo? ¿Es esta prueba general para

todas las cetonas? ¿Por qué?

3. En un cuadro escriba las principales reacciones de los aldehídos y las cetonas.

4. ¿Cuáles son los agentes oxidantes y reductores mas utilizados en las reacciones de aldehídos

y cetonas?

5. ¿Cuáles son los métodos más empleados en la industria para obtener etanal y propanal?


12. Condensación aldólica

Continuando con el estudio de los compuestos carbonílicos y teniendo en cuenta que

por su naturaleza se permite la substracción de átomos de hidrógeno en forma de protones para

generar carbaniones estabilizados por resonancia, en esta sección de laboratorio se estudiará la

condensación aldólica, la cual es una reacción propia de los aldehídos o las cetonas basada en

los átomos de hidrógeno en posición α de estos compuestos (compuestos con grupo metileno

activo). La condensación aldólica es una reacción entre dos moléculas de un aldehído o una

cetona por la influencia de bases o ácidos diluidos, para formar β-hidroxialdehídos o β-

hidroxicetonas. En medio básico se involucran tres etapas: (1) substracción del protón-α para

generar el carbanión estabilizado por resonancia que actúa como el reactivo nucleofílico.

O

R

H

R'

H

O

R

H

R'

O

R

H

R'

+ OH- + H2Oαααα−−−−

−−−−

(2) La adición nucleofílica del carbanión generado en la primera etapa sobre el

carbono del grupo carbonilo de otra molécula de aldehído o de cetona conlleva a la generación

de un anión alcóxido, (3) el cual es protonado por el agua para generar el aldol en la última

etapa y regenerar la base que actúa como catalizador (OH-) para continuar el proceso.

46

Adicionalmente, los β-hidroxialdehídos o β-hidroxicetonas se pueden deshidratar con gran

facilidad obteniéndose los compuestos carbonílicos α,β-insaturados.

O

RR'

O

RR'

O

R

R'R

R'

O

R R

OH

R' R'

O R

R

O

R' R'

H2O

−−−−

+

−−−−

R = H, alquil o aril, R' = H, alquil o aril

-OH-

-H2O

De otro lado, si el aldehído o la cetona carecen de hidrógenos en posición α, no se

puede dar la condensación aldólica simple. Si los compuestos carbonílicos son diferentes la

reacción se llama condensación aldólica cruzada, y lo que se obtiene es una mezcla de cuatro

productos diferentes (dos de autocondensación y dos cruzados). No obstante, bajo ciertas

condiciones se puede obtener un solo producto, usando la condensación aldólica cruzada en la

cual uno de los reactivos no contenga hidrógenos-α. Por la alta versatilidad de esta reacción, su

uso en síntesis orgánica es muy amplio y las aplicaciones que puede presentar la condensación

aldólica son muy interesantes. En esta práctica se llevará a cabo la síntesis de la dibenzalacetona

a partir de benzaldehído y acetona por medio de una condensación aldólica cruzada. Como el

benzaldehído no contiene hidrógenos-α, se obtendrá un solo producto en la reacción.

CHO

O

O

+

Branzaldehído Acetona Dibenzalacetona



5 Tubos de ensayo con tapón y gradilla 1 Equipo de filtración de 50 mL

1 Plancha 1 Baño de arena


Sustancia Cantidad

Acetona 0.2 mL

NaOH 15% 2 mL Benzaldehído 0.5 mL

Etanol 7 mL Acetato de etilo 5 mL

47


En un tubo de ensayo se toma 2 mL de la solución de NaOH al 15%. Se adicionan 3.0

mL de etanol, 0.4 mL de benzaldehído y finalmente se introducen 0.14 mL de acetona. Se tapa

el tubo inmediatamente y la mezcla se agita vigorosamente. El benzaldehído que inicialmente es

insoluble, se disuelve formándose una solución clara y de color amarillo. Después de

aproximadamente un minuto, la solución se torna turbia formándose un precipitado amarillo que

corresponde a la dibenzalacetona. Se continúa agitando el tubo de vez en cuando durante los

siguientes 20 minutos. El precipitado se filtra al vacío y el sólido depositado se lava con un poco

de agua fría y etanol frío. El producto se recristaliza disolviéndolo en la menor cantidad posible

de acetato de etilo caliente y dejándolo enfriar lentamente, se vuelve a filtrar, se seca y se pesa

para calcular el porcentaje de rendimiento en la reacción y medir el punto de fusión para

compararlo con el reportado en la literatura. Realizar el espectro de IR y su respectivo análisis

con base a la estructura del producto.


Trabaje cuidadosamente con el hidróxido de sodio, puede sufrir quemaduras.


12.6. Preguntas

1. Explique ¿por qué se debe adicionar primero el benzaldehído y después la acetona a la

mezcla de reacción?

2. Escriba ocho fórmulas estructurales con sus respectivos nombres de cetonas y aldehídos sin

hidrógenos en la posición α.

3. Escriba el mecanismo de la condensación aldólica en medio ácido.

4. La naturaleza utiliza una condensación aldólica para sintetizar la fructuosa (un azúcar) ¿Cuál

es la ecuación?

5. ¿Cómo se obtienen las chalconas? Escriba reacciones para obtener chalconas heterocíclicas.

6. ¿Cuándo se efectúa la reacción de Cannizzaro? Escriba el mecanismo de la reacción.

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7. Explique ¿por qué se obtiene un solo producto y no una mezcla de ellos en la realización de

esta práctica?

8. Justifique el diseño experimental e indique por qué se crotoniza fácilmente el aldol

producido

13. Bibliografía

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