quimica organica - libro de practicas de lab oratorio - curso 2006 2007 - 1º licenciatura en...

QUÍMICA ORGÁNICA

PRÁCTICAS DE LABORATORIO

LICENCIATURA EN BIOTECNOLOGÍA 2º SEMESTRE

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E.T.S.I. AGRÓNOMOS UNIDAD DOCENTE QUÍMICA ANALÍTICA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA

ÍNDICE Unidad temática 1 .......................................................................................1 Técnicas básicas de purificación y caracterización (I) La recristalización Unidad temática 2 ........................................................................................9 Técnicas básicas de purificación y caracterización (II) Extracción sólido-líquido Unidad temática 3 ......................................................................................17 Técnicas básicas de purificación y caracterización (III) Extracción líquido-líquido Unidad temática 4 ......................................................................................25 Operaciones básicas de síntesis orgánica La separación cromatográfica Unidad temática 5 ......................................................................................35 Identificación de grupos funcionales orgánicos

PRÓLOGO La enseñanza de la Química en general, y de la Química Orgánica en particular, es inconcebible si los aspectos teóricos no van acompañados de una componente práctica, llevada a cabo en el laboratorio, que cada vez va adquiriendo mayor relevancia. No tiene sentido que un alumno conozca las familias de compuestos orgánicos y las reacciones químicas que tienen lugar entre éstos, si nunca las ha realizado con sus propias manos. También a lo largo de una sesión de prácticas se han de abordar otros aspectos que habitualmente no se tratan en las clases teóricas, pero que tienen una gran importancia desde el punto de vista práctico. Nos referimos a las técnicas básicas de laboratorio de obtención, separación y purificación de sustancias, tanto naturales como de origen sintético, así como a las técnicas que permiten caracterizar, reconocer e identificar las sustancias orgánicas. En este sentido, las prácticas de laboratorio en una asignatura de introducción a la Química Orgánica complementan a los contenidos teóricos, pero de forma distinta a como puede ocurrir en otras asignaturas, donde en cada sesión de prácticas se ponen de manifiesto los conceptos teóricos adquiridos en clase. En la asignatura "Química Orgánica" de la Licenciatura en Biotecnología, los contenidos teóricos y los prácticos se desarrollan en paralelo, de manera que es el propio alumno el que, poco a poco, los va integrando. De este modo, el objetivo a cumplir es que el alumno a final del curso sea capaz no sólo de escribir sobre el papel una reacción orgánica correctamente, sino que conozca las bases que hacen que dicho proceso se lleve a cabo en la realidad, desde el principio hasta el final. Todo ello teniendo en cuenta las limitaciones inherentes al plan de estudios de la titulación. Este manual comprende un total de cinco unidades temáticas, cada una correspondiente al desarrollo de una sesión de prácticas de laboratorio. En cada unidad temática, el alumno encontrará los objetivos que se pretenden alcanzar, la descripción de las actividades a desarrollar durante las sesiones de laboratorio, una hoja de resultados y una propuesta de ejercicios de autoevaluación para resolver fuera del laboratorio, y afianzar así los conceptos y destrezas adquiridos. Finalmente, la bibliografía recomendada se considera suficiente para abordar los aspectos teóricos contemplados en la totalidad del temario de la asignatura.

Valencia, Enero de 2006

Química Orgánica Técnicas básicas de purificación y caracterización (I)

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UNIDAD TEMÁTICA 1

TÉCNICAS BÁSICAS DE PURIFICACIÓN Y

CARACTERIZACIÓN (I)

LA RECRISTALIZACIÓN

I.- INTRODUCCIÓN Cuando se lleva a cabo una reacción orgánica conocida y controlada, en muchos casos no se obtiene un único producto, ya que a menudo ocurren procesos químicos colaterales que compiten con el principal. Incluso en reacciones químicas en condiciones controladas, en las que estos procesos están minimizados, los reactivos de partida contienen impurezas, que se mantienen durante la reacción o que pueden reaccionar dando lugar a otros compuestos no deseados. De este modo, el producto de una reacción química, aunque el rendimiento de la misma sea elevado, rara vez se obtiene en estado puro, sino que es necesario, una vez obtenido, someterlo a un proceso posterior de purificación. Cuando se trabaja con sustancias sólidas, una de las técnicas más empleadas para eliminar impurezas es la recristalización. Esta técnica está basada en el hecho de que la solubilidad de un soluto en un determinado disolvente es función de la temperatura. En general, los sólidos orgánicos son más solubles cuanto mayor es la temperatura de la disolución. Puede darse el caso de que, para un soluto y un disolvente concretos, el soluto es prácticamente insoluble a temperatura ambiente, pero se disuelve fácilmente a la temperatura de ebullición del disolvente. Si tenemos un soluto A impuro y lo disolvemos en un disolvente adecuado, a su temperatura de ebullición, parte de las impurezas -aquellas que sean insolubles en el disolvente- permanecerán en estado sólido. Así pues, si filtramos la disolución en caliente, el filtrado estará libre de impurezas “insolubles”. Por otro lado, al enfriar la disolución, se producirá la precipitación del soluto, permaneciendo en disolución las impurezas “solubles”. De este modo, tras filtrar la mezcla, se obtendrá el soluto A purificado. Un aspecto clave para llevar a cabo la recristalización de un producto es la elección del disolvente. Es indispensable que la solubilidad del producto a purificar sea elevada a la temperatura de ebullición del disolvente, pero baja en frío. Por otro lado, y por motivos de seguridad, es conveniente que el disolvente no sea muy volátil, inflamable o tóxico. Así, por ejemplo, si la recristalización puede llevarse a cabo utilizando agua, ésta se seleccionará con preferencia a cualquier otro disolvente. Una vez purificado el compuesto problema, y si se trata de un producto de propiedades físicas conocidas y tabuladas, se ha de determinar experimentalmente


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su punto de fusión, ya que esta medida es un indicador de si el producto está totalmente purificado o es necesario someterlo a una nueva etapa de purificación. Esto se debe a que la temperatura de fusión de un producto que contiene impurezas es ligeramente inferior a la del mismo producto en estado puro. De este modo, cuando la temperatura de fusión medida sea, al menos, 5 ºC inferior a la recogida en la bibliografía, será necesario volver a purificar el compuesto. En esta práctica, se utilizará la recristalización como método de purificación de la ciclohexanonoxima obtenida al hacer reaccionar ciclohexanona e hidroxilamina (Esquema 1.1) en medio acuoso ligeramente alcalino, midiendo su punto de fusión con el fin de estimar la pureza del producto (valor teórico 88-91 ºC). Asimismo, a partir de la cantidad de ciclohexanona empleada y de ciclohexanonoxima obtenida, se calculará el rendimiento de todo el proceso.

N OHH2N OHO +

Esquema 1.1. Obtención de la ciclohexanonoxima

II. OBJETIVOS

•••• Obtener ciclohexanonoxima a partir de ciclohexanona e hidroxilamina •••• Purificar la ciclohexanonoxima por recristalización •••• Comprobar cualitativamente la pureza del producto final por medida del punto de fusión •••• Calcular el rendimiento total del proceso (síntesis y purificación)


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III.- PARTE EXPERIMENTAL A) MATERIAL Y REACTIVOS

Material Reactivos

Placa calefactora Ciclohexanona Soporte con pinza y aro Clorhidrato de hidroxilamina Baño de hielo Acetato sódico Embudo de vidrio Pipeta graduada de 1 mL Probeta de 25 mL 2 Matraces Erlenmeyer de 100 mL con tapón Vaso de precipitados de 100 mL Embudo Büchner Matraz kitasatos 250 mL Varilla de vidrio Medidor de punto de fusión Tubos capilares Pinza de madera Espátula

B) PROCEDIMIENTO B.1) Reacción química. Obtención de ciclohexanonoxima Introducir en un erlenmeyer 3,5 g de clorhidrato de hidroxilamina, 5 g de acetato sódico y 15 mL de agua destilada. Una vez se ha disuelto el sólido añadir 3,5 g (3,7 mL) de ciclohexanona, en porciones de 1 mL (utilizar la pipeta), a intervalos de 30-40 segundos entre cada adición y agitando suavemente. La reacción es exotérmica, por lo que el erlenmeyer se calienta, y casi de inmediato se aprecia la formación de ciclohexanonoxima, en forma de cristales de color blanco. Tras enfriar el erlenmeyer (sumergiéndolo en agua si fuera necesario), taparlo y agitar durante 2 o 3 minutos. Posteriormente, enfriar la mezcla en baño de hielo y filtrar a vacío en un embudo Büchner, lavando los cristales formados con 2 porciones de 10 mL de agua muy fría. B.2) Purificación por recristalización El sólido obtenido en B1 se ha de recristalizar, utilizando agua destilada como disolvente. Para ello, introducir los cristales en un erlenmeyer, añadir 15 mL de agua destilada y calentar a ebullición, agitando suavemente. Si al hervir el sólido no se ha disuelto completamente, añadir fracciones de 1 mL de agua, calentando cada vez hasta nueva ebullición, hasta conseguir la disolución total de la oxima. Seguidamente, filtrar la disolución resultante utilizando un embudo provisto de un filtro de pliegues, previamente atemperado para evitar que la disolución se enfríe en el embudo y se produzca la precipitación de la oxima.


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Recoger el filtrado en un erlenmeyer y dejarlo enfriar, primero a temperatura ambiente y a continuación en un baño de hielo. Si se desea acelerar el proceso de cristalización, el método a seguir consiste en rascar las paredes interiores del erlenmeyer con una varilla para generar núcleos de cristalización, o añadir a la disolución unos cristales de ciclohexanonoxima previamente preparada y purificada. Cuando la oxima haya precipitado, filtrar a vacío en un embudo Büchner, lavando los cristales con 2 porciones de 10 mL de agua destilada muy fría. Si se aprecia la formación de grumos, deshacerlos utilizando la varilla de vidrio. Secar el producto final, primero con papel de filtro y luego al aire. Dado que el secado al aire es un proceso lento, envolver el producto en papel de filtro, identificado convenientemente, y guardarlo en un desecador hasta la siguiente sesión de prácticas, en la que se pesará el producto seco, con el fin de calcular el rendimiento del el proceso, y se determinará el punto de fusión del mismo. B.3) Determinación del punto de fusión En primer lugar, pulverizar finamente el sólido utilizando una varilla de vidrio, e introducir una pequeña cantidad del mismo en el tubo capilar. El dispositivo utilizado para la medida del punto de fusión (Figura 1.1) consiste en un bloque provisto de un sistema calefactor de potencia programable en el que se introduce el capilar conteniendo el sólido problema. El dispositivo dispone de una ventana que permite visualizar lo que le ocurre al sólido problema y de un termómetro para medir la temperatura de fusión.

Figura 1.1. Equipo de medida del punto de fusión La temperatura se ha de registrar tanto en el momento en que empieza como en el que termina la fusión (Figura 1.2).


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Figura 1.2. Fusión de un sólido Paralelamente, medir también el punto de fusión de la oxima sin recristalizar, obtenida directamente en la reacción química, y que será proporcionada por el profesor de prácticas, con el fin de realizar comparaciones. Nota: el producto final se ha de entregar al profesor de prácticas para su posterior procesamiento.


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IV.- RESULTADOS 1) Anota la temperatura de fusión del producto recristalizado y del producto sin recristalizar. A la vista de los resultados, ¿la recristalización ha incrementado la pureza del producto? ¿Sería necesaria una purificación adicional para obtener un producto de elevada pureza? 2) Anota la masa del producto obtenido y calcula el rendimiento de todo el proceso, detallando los cálculos realizados.


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V.- CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN I.- Consultando un texto de teoría, citar otras reacciones químicas del grupo carbonilo análogas a la llevada a cabo en esta unidad temática. II.- Elegir una de las reacciones químicas citadas en la cuestión anterior y calcular la cantidad del producto obtenido a partir de 5 gramos de ciclohexanona con exceso de los demás reactivos, si todo el proceso tiene un rendimiento del 69%. Consultar las masas atómicas en una tabla periódica. III.- ¿Qué producto se obtiene al hacer reaccionar benzaldehído con hidroxilamina? Escribir la reacción química que tiene lugar. IV.- Indicar los criterios a seguir para seleccionar el disolvente más adecuado a emplear en la recristalización. ¿Se podría recristalizar un sólido cuya solubilidad en el disolvente es de 5 g/L a baja temperatura y de 25 g/L a la temperatura de ebullición del disolvente? Justificar la respuesta.


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VI.-BIBLIOGRAFÍA "QUÍMICA ORGÁNICA BÁSICA Y APLICADA. De la molécula a la industria". Primo Yúfera, E. Ed. Reverté, Barcelona, 1994. “MÉTODOS Y TÉCNICAS EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA”. Carda, M.; Rodríguez, S.; Murga, J.; Falomir, E.; Castillo, E. Publicaciones de la Universitat Jaume I, Castellón de la Plana, 1996. Ciclohexanonoxima, C.A.S. Nº 100-64-1 www.unex.es/qoceres/qgapr05.pdf www.uma.es/investigadores/grupos/nanotec/esqoguion0405.PDF

Química Orgánica Técnicas básicas de purificación y caracterización (II)

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UNIDAD TEMÁTICA 2


CARACTERIZACIÓN (II)

EXTRACCIÓN SÓLIDO-LÍQUIDO

I.- INTRODUCCIÓN Genéricamente, se conoce como extracción al proceso de separación de una o más sustancias contenidas en una mezcla compleja, empleando dos fases no miscibles y haciendo uso de las interacciones entre dichas fases y los componentes a separar. Cuando se desea aislar un compuesto de interés de un producto natural, generalmente se emplea un proceso de extracción. Existen varias modalidades de extracción, clasificadas en función de la naturaleza de las fases que intervienen. Cuando la mezcla problema es un sólido y el componente de interés se extrae mediante un disolvente líquido, es decir es soluble en dicho disolvente, hablamos de extracción sólido-líquido. El modo más sencillo de extracción sólido-líquido consiste en poner en contacto el sólido problema con el disolvente extractante. Cuando todo el soluto se ha disuelto, se filtra la mezcla y se recoge el filtrado. Esta metodología se conoce también como “lixiviación”, y el filtrado como “lixiviado”. Una alternativa a la lixiviación es el empleo de la técnica conocida como “soxhlet”. Esta metodología se emplea cuando la lixiviación simple requiere grandes cantidades de disolvente -solubilización lenta del soluto, porcentajes elevados del soluto en la muestra, etc.-. La ventaja de este procedimiento se basa en el hecho de que el disolvente puede reutilizarse tantas veces como se quiera. El fundamento de la técnica consiste en llevar a cabo la extracción y posteriormente separar el disolvente puro del soluto extraído por destilación (ver el fundamento más abajo). Esta secuencia se repite varias veces de modo automático. La técnica soxhlet se puede emplear no sólo con fines preparativos –aislar un componente de una mezcla- sino también con fines analíticos, para determinar la riqueza del componente extraído en una muestra, ya que la posibilidad de repetir el proceso de extracción muchas veces permite que esto se lleve a cabo de modo cuantitativo. El soxhlet se emplea muy a menudo para extraer componentes procedentes de productos naturales de origen animal y vegetal. Un ejemplo típico consiste en la extracción, con fines analíticos, de aceites procedentes de diversas materias primas. La determinación del contenido total en aceites de muchos productos, entre ellos los frutos secos, se lleva a cabo de modo oficial utilizando extracción mediante soxhlet,

Química Orgánica Técnicas básicas de purificación y caracterización

(II)

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seguido de eliminación del disolvente empleado mediante destilación y posterior pesada del residuo. La destilación es el nombre genérico de todos aquellos procesos de separación de dos o más sustancias en base a la diferencia de volatilidad de las mismas. La llamada “destilación simple” permite separar un disolvente volátil de todos los solutos que contenga, siempre y cuando dichos solutos sean compuestos no volátiles, o de volatilidad mucho menor que la del disolvente. Otro requisito indispensable es que los solutos no se descompongan o sufran procesos colaterales a la temperatura de ebullición del disolvente. El proceso de destilación consiste en calentar la mezcla (disolvente más solutos no volátiles) hasta la temperatura de ebullición del disolvente, de modo que éste se vaporiza. El vapor se condensa y recoge en otro recipiente. Si se mide la temperatura del vapor en la conducción entre ambos recipientes, se observa que el valor registrado corresponde a la temperatura de ebullición del componente que se está evaporando. La medida de la temperatura del vapor que se está generando es interesante, ya que es el parámetro principal de control del proceso de destilación. Además, es el modo más habitual de medir la temperatura de ebullición de una sustancia líquida moderadamente volátil. La destilación simple se puede llevar a cabo a presión atmosférica, si bien una interesante alternativa consiste en realizarla a presión reducida, en un sistema cerrado conectado a una bomba de vacío. Al disminuir la presión exterior, la ebullición (que tiene lugar cuando la presión de vapor de un líquido se iguala a la presión exterior) ocurre a temperatura inferior a la habitual a presión atmosférica. A baja presión, se puede hacer hervir agua a temperaturas tan bajas como 30-35 ºC. Este fenómeno se visualiza en el llamado “diagrama de fases” de una sustancia (Figura 2.1).

Figura 2.1. Diagrama de fases de una sustancia pura

En esta práctica se determinará el contenido graso en alimentos oleosos como frutos secos (cacahuete, almendra), coco rallado y chocolate en polvo.

II.- OBJETIVOS

•••• Utilizar la técnica de extracción sólido-líquido mediante soxhlet. •••• Aplicar la destilación simple para separar el aceite del extractante y medir el punto de ebullición del disolvente. •••• Determinar el contenido en aceite (%) de diversos alimentos.

Presión

Temperatura

SólidoLíquido

Gas

Punto

crítico

Punto

triple

Presión

Temperatura

SólidoLíquido

Gas

Punto

crítico

Punto

triple


(II)

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Material Reactivos

Manta calefactora Tricloroetileno Dos soportes con dos pinzas Piedra pómez Soxhlet de 100 mL Cacahuete tostado molido Refrigerante Dimroth Coco rallado de pastelería 2 Matraces erlenmeyer de 250 mL Matraz balón de 250 mL Tubo acodado Refrigerante de camisa Tubo colector Probeta de 100 mL Termómetro Espátula

B) PROCEDIMIENTO B.1) Extracción Pesar aproximadamente 20 g de muestra (cacahuete o almendra bien molturados, coco rallado de pastelería, cacao en polvo) e introducirlos en un cartucho de papel de filtro. Posteriormente, colocar el cartucho en la cámara de extracción del soxhlet. Introducir en el matraz balón, limpio y seco, unos gránulos de piedra pómez y pesar el conjunto (P1). A continuación añadir 125-130 mL de tricloroetileno medidos en probeta y colocar el balón sobre una manta calefactora. Adicionar el cuerpo del soxhlet y a continuación el refrigerante Dimroth (ver Figura 2.2). Calentar el tricloroetileno a ebullición con la calefacción al máximo, hasta que el cuerpo del soxhlet esté lleno de disolvente y éste sifone de nuevo al matraz, arrastrando el aceite. El proceso puede repetirse indefinidamente para conseguir una extracción cuantitativa. En la práctica, la sifonación se realizará cuatro o cinco veces, en función del tiempo empleado en el llenado completo del soxhlet y el tiempo disponible. Como precaución, se ha de apagar la placa calefactora 2-3 minutos antes de que se produzca la última sifonación, y esperar hasta cese la ebullición del disolvente contenido en el matraz balón. Toda la operación se realizará en vitrina de gases.


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Figura 2.2. Montaje para la extracción soxhlet

A continuación, desmontar el sistema y trasvasar el líquido remanente del cuerpo del soxhlet al matraz balón. Acoplar un sistema de destilación simple, consistente en el tubo acodado con un termómetro incorporado, un refrigerante de camisa y un tubo colector (Figura 2.3). Finalmente, destilar el tricloroetileno hasta que todo el disolvente se haya separado y quede dentro del balón únicamente un residuo de aceite.

Figura 2.3. Montaje de destilación simple

Refrigerante

Cámara de extracción

Contenedor

Sifonador

Disolvente

Matraz balón

Vapor

Refrigerante

Cámara de extracción

Contenedor

Sifonador

Disolvente

Matraz balón

Vapor

Termómetro

Tubo acodado

Refrigerante de camisa

Tubo colector

Termómetro

Tubo acodado

Refrigerante de camisa

Tubo colector


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El tricloroetileno destilado se recoge en un erlenmeyer y se devolverá a la botella para su reutilización. La primera fracción (unos 5 mL) de destilado se ha de desechar, ya que puede estar contaminada, y se entregará al profesor de prácticas para su posterior reciclaje o eliminación.

Por otro lado, se ha de tomar la precaución de apagar la placa calefactora unos minutos antes de que finalice la destilación, para evitar que el aceite se recaliente.

Por último, pesar (P2) el balón conteniendo el aceite, una vez se haya enfriado completamente.

Como alternativa, y en función de la disponibilidad de equipos, algunos

alumnos llevarán a cabo la destilación a vacío, utilizando el evaporador rotatorio o rotavapor (Figura 2.4).

Figura 2.4. Montaje de destilación a vacío (rotavapor)


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IV.- RESULTADOS 1) Anota el tipo de muestra empleada y la cantidad utilizada, así como los pesos P1 y P2. 2) Calcula el porcentaje de aceite presente en la muestra empleada. Compara el resultado obtenido con el de tus compañeros que hayan utilizado el mismo tipo de muestra. 3) Anota el punto de ebullición normal del tricloroetileno, así como la temperatura de trabajo del baño del rotavapor. ¿Por qué los dos valores son diferentes?


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V.- CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN I.- ¿Qué ventajas presenta el soxhlet frente a un procedimiento de lixiviación convencional, consistente en extraer la misma muestra varias veces sucesivas con distintas porciones de tricloroetileno? II.- ¿Qué ventajas presenta la destilación a vacío frente a la destilación simple? III.- Durante la extracción con el soxhlet, cuando el nivel de líquido del interior del mismo llega a un punto, éste desciende hasta el matraz balón por sifonación. Explicar el mecanismo físico de este proceso. IV.- Citar al menos dos cualidades que se requieren del disolvente a emplear en esta práctica.


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VI.- BIBLIOGRAFÍA "QUÍMICA ORGÁNICA BÁSICA Y APLICADA. De la molécula a la industria". Primo Yúfera, E. Ed. Reverté, Barcelona, 1994. “MÉTODOS Y TÉCNICAS EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA”. Carda, M.; Rodríguez S.; Murga, J.; Falomir, E.; Castillo, E. Publicaciones de la Universitat Jaume I, Castellón de la Plana, 1996. “MÉTODOS OFICIALES DE ANÁLISIS”. Ministerio de Agricultura, Pesca y Alimentación, Madrid, 1993.

Química Orgánica Técnicas básicas de purificación y caracterización (III)

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UNIDAD TEMÁTICA 3


CARACTERIZACIÓN (III)

EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO

I.- INTRODUCCIÓN La cafeína es un alcaloide con propiedades estimulantes cardíacas y del sistema nervioso central. Se encuentra principalmente en el café, el té y la cola. Aunque la cafeína no presenta toxicidad a las dosis de consumo habitual, en exceso (10 g en una ingesta) puede llegar a ser letal. Una taza de café contiene aproximadamente 100 mg de cafeína, y la mitad de esta cantidad se puede encontrar en una taza de té. La estructura química de la cafeína se muestra en la Figura 3.1.

N

N N

N

O

H3C

O

CH3

CH3

Figura 3.1. Estructura de la cafeína La cafeína es soluble en agua caliente, hecho que puede aprovecharse para su extracción en este disolvente mediante lixiviación o maceración, que consiste simplemente en poner en contacto el sólido a extraer, en nuestro caso hojas de té, con agua a ebullición. Una etapa de filtración posterior permitirá obtener el extracto acuoso de la cafeína. Sin embargo, dicho extracto contendrá, además de cafeína, todos aquellos componentes de las hojas del té que sean solubles en agua caliente. El componente principal de las hojas del té es la celulosa, un polisacárido insoluble en agua que no va a interferir por esa misma razón. Sin embargo, otras sustancias solubles en agua, como las clorofilas, unos pigmentos de la familia de las flavonas (flavonoides), y un grupo de sustancias que se denominan genéricamente “taninos” pueden co-extraerse junto con la cafeína. Los taninos son un grupo de sustancias de estructura química muy heterogénea, con masas moleculares entre 500 y 3000, si bien la mayoría de ellos son polifenoles, es decir, anillos aromáticos condensados o encadenados, con grupos hidroxilo unidos a los mismos. En agua caliente, algunos taninos se hidrolizan, pero no pierden el carácter fenólico. Un producto típico de la hidrólisis de los taninos del té es el ácido gálico (Figura 3.2), de modo que este compuesto, entre otros, estará presente en el extracto acuoso.


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COOH

HO

OH

OH

Figura 3.2. Estructura del ácido gálico En cualquier caso, tanto los productos de hidrólisis, como otros taninos no hidrolizados posee grupos fenólicos, lo que les confiere cierto carácter ácido, de modo que si la extracción se lleva a cabo en presencia de carbonato cálcico (CaCO3), se formarán las correspondientes sales de calcio, la mayoría insolubles en agua. La separación de la cafeína del resto de componentes extraídos se realiza de modo efectivo mediante una técnica habitual de laboratorio denominada extracción líquido-líquido. La extracción líquido-líquido está basada en la diferente solubilidad de un soluto en dos disolventes inmiscibles. Si ponemos en contacto dos disolventes inmiscibles A y B, uno de ellos conteniendo el soluto de interés X, éste se reparte entre los dos disolventes en función de la solubilidad del mismo en cada uno de los disolventes. Si X es más soluble en el disolvente A, pero las impurezas que lo acompañan se disuelven preferentemente en el disolvente B, cuando se alcance el equilibrio el disolvente A se habrá enriquecido en el componente de interés y las impurezas se encontrarán en el disolvente B. El coeficiente de reparto D se define como el cociente entre la concentración de X en el disolvente B y la concentración de X en el disolvente A, una vez se haya alcanzado el equilibrio.

[ ][ ]A

BBA X

XD =

La recuperación (R) del producto X, definida como el cociente entre la cantidad de X recuperado y la cantidad inicial, depende directamente de los volúmenes de los disolventes A y B empleados en la extracción y del valor del coeficiente de reparto, de modo que R es mayor cuanto mayor es el valor de D. Es fácil deducir la expresión que relaciona la recuperación con estos parámetros:

AB

B

VDV

DVR

+⋅

⋅=

Si la extracción se realiza n veces sucesivas, siempre con el mismo volumen de extractante:

n

AB

B

VDV

DVR

+⋅

⋅=

Esta ecuación se simplifica si VA y VB coinciden, y se cumple que, para una única extracción:


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1

11

+−=

DR

Mientras que para n extracciones consecutivas:

( )nDR

1

11

+−=

En el extracto acuoso del té, la separación de la cafeína del resto de componentes co-extraídos se lleva a cabo de modo muy eficaz mediante extracción líquido-líquido utilizando diclorometano, ya que la cafeína es soluble en este disolvente, mientras que los flavonoides y los posibles taninos son prácticamente insolubles. Las clorofilas son ligeramente solubles, de modo que la extracción con este disolvente dará lugar a cafeína ligeramente contaminada con clorofilas. El coeficiente de reparto de la cafeína entre el diclorometano y el agua es de 8, por lo que es fácil conseguir buenas recuperaciones utilizando cantidades moderadas de diclorometano, y llevando a cabo un número de extracciones relativamente bajo. Una vez extraída la cafeína, la fracción de diclorometano obtenida está generalmente contaminada con restos de agua, ya que los componentes del extracto acuoso del té favorecen la formación de una emulsión. Para eliminar el agua de la disolución de diclorometano, se añade una pequeña cantidad de un sólido desecante –e.g. Na2SO4 anhidro-, y se filtra, de modo que el agua es absorbida por el desecante y el filtrado contiene el diclorometano con la cafeína. Por último, la eliminación del diclorometano destilación simple, a presión atmosférica normal o a vacío, utilizando el procedimiento descrito en la práctica anterior, permitirá obtener la cafeína sólida.

II.- OBJETIVOS

•••• Aislar un producto natural mediante extracción sólido-líquido por lixiviación. •••• Separar sustancias mediante extracción líquido-líquido. •••• Estimar el porcentaje de cafeína en hojas de té.


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Material Reactivos Campana de extracción de gases Diclorometano 2 Soportes con pinza y aro CaCO3 Probeta de 125 mL Na2SO4 anhidro Baño de hielo Piedra pómez Equipo de filtración a vacío Hojas de té Vaso de precipitados de 250 mL Varilla de vidrio 2 Matraces erlenmeyer de 250 mL Espátula Pinza de madera Embudo de vidrio Embudo de decantación de 250 mL Equipo de destilación simple

B) PROCEDIMIENTO B.1) Extracción sólido-líquido. Lixiviación Pesar aproximadamente 10 g de té e introducirlos en un vaso de precipitados. Añadir 100 mL de agua y 7 g de CaCO3. Calentar la mezcla a ebullición durante 5 minutos, agitando constantemente con la varilla de vidrio. Montar el equipo de filtración al vacío y filtrar la mezcla agua-té en caliente. Como precaución, sumergir el kitasatos en un baño de hielo mientras se realiza la filtración. Lavar el residuo de té con un volumen de agua caliente de aproximadamente 25 mL, recoger el filtrado y enfriar a temperatura ambiente. B.2) Extracción líquido-líquido mediante embudo de decantación Introducir el filtrado, una vez enfriado, dentro del embudo de decantación (Figura 3.3) y, trabajando en vitrina de gases y con protección ocular, añadir 50 mL de diclorometano. Agitar la mezcla vigorosamente durante unos segundos unas 7-8 veces, abriendo el embudo entre agitación y agitación para permitir la salida de los vapores generados en su interior. A continuación, colocar el embudo de decantación en el aro metálico y dejarlo reposar durante 5 minutos hasta que se produzca una buena separación de fases. Recoger la fase inferior (diclorometano) en un erlenmeyer y repetir el proceso, recogiendo la fase orgánica en el mismo recipiente.


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Figura 3.3. Embudo de decantación Para eliminar el agua arrastrada con el diclorometano añadir al erlenmeyer 2 cucharadas de Na2SO4 anhidro y agitar (la cantidad de Na2SO4 puede aumentarse, en función de la cantidad de agua arrastrada). A continuación, tomar el matraz balón, perfectamente limpio y seco (si la parte interior está húmeda, se ha de eliminar el agua arrastrándola con un poco de acetona y calentando suavemente el matraz), introducir unos gránulos de piedra pómez y pesar el conjunto (P1), teniendo cuidado de que en el momento de la pesada, el matraz esté a temperatura ambiente. Filtrar la mezcla contenida en el erlenmeyer utilizando un embudo de vidrio provisto de un filtro de pliegues, y recoger el filtrado en el matraz balón previamente tarado. Montar un sistema de destilación simple y destilar completamente el diclorometano, recogiendo el destilado en otro erlenmeyer. Enfriar el balón a temperatura ambiente y pesar el conjunto conteniendo el residuo de cafeína (P2). La diferencia de pesos permitirá determinar la cantidad obtenida de este alcaloide. Finalmente, extraer la mayor cantidad posible de cafeína utilizando una espátula y entregarla al profesor de prácticas.


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IV.- RESULTADOS 1) Anota el peso de la muestra utilizada, del matraz balón vacío y del matraz balón con la cafeína extraída. En el caso de los alumnos que hayan realizado la extracción en fase sólida, se ha de tener en cuenta que la cafeína obtenida corresponde a cuatro parejas de prácticas. 2) Calcula el contenido en cafeína del té, expresando el resultado en mg de cafeína por g de muestra. Compara el resultado con el obtenido por tus compañeros. 3) Anota el punto de ebullición normal del diclorometano y compáralo con el dato bibliográfico.


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V.- CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN I.- El porcentaje de cafeína en el té varía entre un 2 y un 5%. Sin embargo, en ocasiones el resultado obtenido en la práctica es superior. ¿Por qué? II.- ¿Por qué se aconseja sumergir el kitasatos en un baño de hielo para realizar la filtración al vacío del extracto acuoso caliente? III.- Citar algún producto de uso cotidiano que sea una emulsión. IV.- Calcular el rendimiento teórico del proceso de extracción líquido-líquido llevado a cabo, utilizando los datos recogidos en esta unidad temática. ¿Cuántas etapas de extracción sucesivas habría que aplicar para conseguir un rendimiento cuantitativo (99,9%)? V.- Demostrar que un proceso de extracción es más efectivo (mayor rendimiento) utilizando 5 porciones sucesivas de 100 mL en lugar de una única porción de 500 mL.


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VI.-BIBLIOGRAFÍA "QUÍMICA ORGÁNICA BÁSICA Y APLICADA. De la molécula a la industria". Primo Yúfera, E. Ed. Reverté, Barcelona, 1994. “MÉTODOS Y TÉCNICAS EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA”. Carda, M.; Rodríguez, S.; Murga, J.; Falomir, E.; Castillo, E. Publicaciones de la Universitat Jaume I, Castellón de la Plana, 1996. “QUÍMICA ORGÁNICA EXPERIMENTAL”. Pavia, D.L.; Lampman, G.M.; Kriz, G.S. Ed. Eunibar Barcelona, 1978. Ault, A.; Craig, R. J. Chem. Ed. 1969, 46, 767. Cafeína, C.A.S. Nº 58-08-2

Química Orgánica Operaciones básicas de síntesis orgánica. La separación cromatográfica

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UNIDAD TEMÁTICA 4

OPERACIONES BÁSICAS DE SÍNTESIS ORGÁNICA

LA SEPARACIÓN CROMATOGRÁFICA

I.- INTRODUCCIÓN Cuando el benzaldehído, un componente característico de las almendras amargas, se calienta en presencia de cianuro potásico (catalizador), se condensan dos moléculas de benzaldehído dando lugar a un compuesto denominado "benzoína" (2-hidroxi-1,2-difeniletanona), tal como se muestra en el esquema 4.1.

CHO

KCN2

HO O

Esquema 4.1. Condensación aldólica del benzaldehído Obtención de benzoína

La benzoína es un compuesto aromático conocido como "alcanfor de almendras amargas". Es además el producto de partida en la obtención de otras moléculas de interés, entre las que se encuentra el bencilo (Figura 4.1), un sólido amarillo de punto de fusión 95-96 ºC.

OO

Figura 4.1. Estructura del bencilo La transformación de la benzoína (compuesto α-hidroxicarbonílico) en bencilo (compuesto α-dicarbonílico) puede llevarse a cabo utilizando una sal de Cu (II) como agente oxidante. La reacción global se muestra en el esquema 4.2.


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HO O

2 Cu(CH3COO)2+

OO

+ 4 CH3COOH Cu2O+H2O

Esquema 4.2. Transformación de la benzoína en bencilo Esta reacción también podría llevarse a cabo utilizando otros agentes oxidantes como el ión permanganato MnO4- o sales de Cr (IV). Sin embargo, estos oxidantes pueden provocar la sobreoxidación de los grupos alcohol y aldehído a ácido carboxílico, además de una ruptura del enlace C-C. Por esta razón, se prefiere utilizar un oxidante más suave, como el Cu (II). La reacción ha de tener lugar en caliente, y por esta razón se aplicará una técnica de reflujo, ya que así se evita que se evapore el disolvente, con la consiguiente disminución de riesgos para el operador y el medio ambiente. En un sistema a reflujo, la boca del recipiente de reacción está conectada directamente a un circuito de refrigeración, que condensa el vapor y deja que el líquido condensado caiga en el matraz original (Figura 4.2). El sistema a reflujo se puede mantener trabajando todo el tiempo que se desee -de hecho no es raro encontrar procedimientos en los que una reacción se tiene a reflujo durante varios días- sin pérdidas de ningún componente.

Figura 4.2. Esquema del dispositivo de reflujo Otra técnica de laboratorio en Química Orgánica, y que se va a utilizar en la presente práctica, es la cromatografía en capa fina, con la finalidad de estimar la pureza del producto final y comprobar que la reacción se ha completado, es decir, que todo el reactivo se ha transformado en producto.


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Los métodos cromatográficos están basados en hacer interaccionar los distintos componentes de la muestra con una "fase estacionaria" y una "fase móvil", de manera que todos los componentes tienen afinidad en mayor o menor grado por ambas fases, e interaccionan con ellas en una mayor o menor extensión. La fase estacionaria permanece fija, pero la fase móvil se desplaza a través de la fase estacionaria. Aquellos componentes que tengan una mayor afinidad por la fase móvil y menor por la fase estacionaria, migrarán preferentemente con la primera, mientras que los componentes con mayor afinidad por la fase estacionaria y menor por la fase móvil, quedarán retenidos en mayor extensión y se desplazarán a una velocidad menor. De este modo, cada componente migra a través de la fase estacionaria a una velocidad distinta, y los distintos componentes se separan entre sí en virtud de esta diferente velocidad de migración. En una cromatografía en capa fina habitual, la fase estacionaria es un sólido (alúmina o gel de sílice, de superficie polar) adherido a una placa de vidrio o aluminio de forma rectangular, formando una capa muy delgada -la capa fina-. La fase móvil, también llamada "eluyente" es un líquido, generalmente de polaridad menor que la de la fase estacionaria. De este modo, los componentes más polares quedarán más retenidos por la fase estacionaria, y los menos polares se fluirán mejor con la fase móvil. La muestra se deposita cerca de uno de los lados del rectángulo, de modo que cuando el eluyente fluye a través de la capa fina, arrastrará los distintos componentes de la misma. Para conseguir un flujo de eluyente homogéneo, lo que se hace es sumergir un extremo de la capa fina en el eluyente, dejando el resto al aire. El eluyente asciende por la placa debido a la capilaridad. Cuando el frente del eluyente ha alcanzado la parte superior de la placa, sin llegar al borde, se saca la placa y se deja evaporar el disolvente, quedando los distintos componentes sobre la placa (Figura 4.3).

Figura 4.3. Cromatografía en capa fina. Fundamento Para visualizar la posición de los distintos componentes, es necesario revelar la placa, haciéndolos reaccionar con un reactivo que los transforme en un producto coloreado. Una opción muy utilizada consiste en recubrir toda la capa fina con un producto fluorescente, de modo que los componentes apantallan dicho producto, y al colocar la placa bajo una lámpara ultravioleta, las zonas de la placa cubiertas por los componentes de la muestra aparecen oscurecidas (ya que esas zonas no emiten luz fluorescente, mientras que el resto de la placa sí lo hace).

DF

DC

F

CF D

DR =

Nivel del

eluyente Marca a lápiz

M1 M2 M3 Patrón

DF

DC

F

CF D

DR =

Nivel del

eluyente Marca a lápiz

M1 M2 M3 Patrón


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Cuando la separación de los componentes es efectiva, y éstos no han quedado dispersados a lo largo de la placa, sino que han migrado sin sufrir dispersión, es posible identificarlos mediante el parámetro "razón de migración" RF, que es el cociente entre la longitud recorrida por el componente en la placa y la longitud que recorre el frente del eluyente (Figura 4.3). Para ello, se determina experimentalmente RF para cada uno de los componentes por separado, utilizando patrones, y a continuación, o incluso mejor en paralelo en la misma placa, se mide RF de los componentes de la muestra desconocida. II. OBJETIVOS

•••• Obtener una 1,2-dicetona a partir de una αααα-hidroxicetona •••• Estudiar una reacción de oxidación con una sal de Cu (II) •••• Ensayar la técnica de reflujo como operación de laboratorio •••• Aplicar la cromatografía en capa fina a la separación e identificación de sustancias


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Material Reactivos

Manta calefactora Benzoína Soporte con dos pinzas y aro Acetato cúprico 1-hidrato Matraz balón de 250 mL Ácido acético glacial Refrigerante de camisa Acetona Viales de 1-3 mL Diclorometano Embudo de vidrio Etanol Equipo de filtración a vacío Éter etílico Probeta graduada de 25 mL Piedra pómez 2 matraces erlenmeyer de 100 mL Baño de hielo Medidor del punto de fusión Espátula Cuentagotas Pinzas metálicas y de madera Cromatofolios Cubeta de elución Tubos capilares

B) PROCEDIMIENTO B.1) Reacción química En un matraz balón se introducen 2 g de benzoína, 4 g de acetato cúprico monohidrato, 15 mL de ácido acético glacial, 5 mL de agua y unos gránulos de piedra pómez, calentando la mezcla a reflujo durante 35 minutos. A continuación se filtra la mezcla de reacción en caliente (esta operación se ha de realizar en vitrina, ya que se desprenden vapores irritantes de ácido acético) para eliminar el óxido cuproso, y el filtrado se deja enfriar para que cristalice, unos minutos a temperatura ambiente y a continuación en un baño de hielo. El sólido cristalizado se filtra a vacío, lavándolo primero con agua destilada hasta eliminar todos los restos de Cu (II), y seguidamente con etanol, ambos disolventes previamente enfriados en el baño de hielo. El producto, en forma de cristales de color amarillo, se recoge sobre papel de filtro y se presiona para eliminar la máxima cantidad posible del etanol residual. A continuación, se coge con las pinzas una pequeña porción del sólido obtenido, se introduce en un vial y se disuelve en unas gotas de éter etílico. Esta disolución se cromatografía en capa fina, siguiendo la metodología que se describe en el apartado siguiente, para estimar la pureza. El resto del producto se envuelve en papel de filtro, identificado convenientemente, y se guarda en un desecador hasta la siguiente sesión de prácticas, en la que se medirá el punto de fusión del sólido totalmente seco, y se pesará el producto para determinar el rendimiento.


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Alternativamente, y en función del tiempo disponible, el producto de la reacción se puede purificar por recristalización, utilizando como disolvente etanol (no más de 10 mL) y siguiendo la metodología general descrita en la Unidad Temática 1. Si se lleva a cabo la recristalización, al producto final purificado también se le estimará la pureza por cromatografía en capa fina, y se guardará en desecador para la posterior pesada y medida del punto de fusión, tal como se describe en los párrafos anteriores para el producto no recristalizado. B.2) Cromatografía en capa fina Se recorta un cromatofolio de 30 por 60 milímetros, y con un lápiz de grafito se traza una línea paralela a uno de los dos lados cortos, a una distancia de aproximadamente 0,8 cm del borde. Se toma un tubo capilar abierto por los dos extremos y se sumerge un extremo en la disolución problema, de manera que ésta ascienda por el mismo debido a la capilaridad. A continuación, se apoya el extremo humedecido del capilar sobre la línea dibujada, a una distancia aproximada de 0,5 cm del borde lateral de la placa, de manera que una pequeña porción de la disolución queda depositada sobre la misma (ha de quedar una mancha de aproximadamente 1-2 mm de diámetro). Esta operación se realiza también con disoluciones patrón de benzoína y bencilo, previo lavado del tubo capilar con acetona, colocando las manchas separadas entre sí aproximadamente 1 cm. Seguidamente, se secan las placas al aire. La placa ha de quedar tal como se muestra en la Figura 4.4.

Figura 4.4. Diseño de la placa para cromatografía en capa fina Paralelamente, se toma una cubeta de elución y se introduce en su interior una pequeña porción de eluyente (diclorometano), de manera que el nivel de líquido esté a una altura de unos pocos milímetros sobre el fondo. Se tapa la cubeta y se mantiene unos minutos para que la atmósfera del interior del mismo se sature de los vapores del disolvente. Seguidamente, con ayuda de unas pinzas, se introduce el cromatofolio con la muestra en la cubeta, de manera que la muestra aplicada quede en la parte inferior, pero en ningún caso ha de quedar sumergida en el eluyente (ver Figura 4.4). Se observará cómo el eluyente asciende por la placa. En un experimento bien hecho, el frente del eluyente se ve como una línea horizontal que se desplaza hacia arriba; si la línea está inclinada o tiene forma de U, es conveniente repetir la cromatografía, ya que la separación no será adecuada.

Nivel del

eluyenteMarca a lápiz

Benzoína BenciloMuestra


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Cuando el nivel del eluyente alcance la parte superior de la placa (ha de llegar hasta una distancia aproximada de 0,5 cm del borde), se saca la placa, se marca con un lápiz el nivel que ha alcanzado el eluyente, y se deja secar. Por último, la placa seca se pone debajo de la lámpara UV, conectando ésta a 254 nm, para visualizar la posición de las manchas, y se marcan las manchas con un lápiz. Esta operación se ha de hacer obligatoriamente con las gafas de protección, para evitar que la radiación UV dañe los ojos. Como se va a hacer una única vez, las gafas de protección normales son suficientes, pero un laborante que utilice la lámpara UV a diario ha de llevar unas gafas especiales de protección UV.


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IV.- RESULTADOS 1) Anota la cantidad de bencilo obtenido y calcula el rendimiento de todo el proceso, indicando si el reactivo limitante es la benzoína o el acetato cúprico. Asimismo, indica si has llevado a cabo o no la purificación por recristalización. 2) Rodea con una un lápiz las manchas que han aparecido en la placa, de modo que se visualice el tamaño de las mismas, y pega con cinta adhesiva la placa al cuadernillo de prácticas. Mide los valores de RF para la benzoína y bencilo patrones, e identifica los componentes del producto de la reacción, utilizando sus respectivos valores de RF. 3) Anota el punto de fusión del bencilo obtenido. Con estos datos, el resultado obtenido en la cromatografía en capa fina, y los resultados obtenidos por otros compañeros -se han de comparar, si es posible, resultados obtenidos con y sin recristalización-, comenta si tras la síntesis y lavado del producto obtenido es necesario purificarlo por recristalización.


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V.- CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN I.- ¿Qué ventajas presenta la técnica de reflujo frente a un procedimiento de calentamiento convencional, tipo calentar a ebullición en un recipiente abierto, o controlando la temperatura en un horno? II.- ¿Por qué en la cromatografía en capa fina el bencilo se desplaza a mayor velocidad que la benzoína? III.- Citar ejemplos de aplicación de la cromatografía en capa fina para la identificación de sustancias en una mezcla compleja.


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VI.- BIBLIOGRAFÍA "QUÍMICA ORGÁNICA BÁSICA Y APLICADA. De la molécula a la industria". Primo Yúfera, E. Ed. Reverté, Barcelona, 1994. “MÉTODOS Y TÉCNICAS EN EL LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA”. Carda, M.; Rodríguez S.; Murga, J.; Falomir, E.; Castillo, E. Publicaciones de la Universitat Jaume I, Castellón de la Plana, 1996. “CURSO PRÁCTICO DE QUÍMICA ORGÁNICA”. Brewster, R.Q.; Calvin, A.; Venderwerf, W. Ed. Alhambra, Madrid, 1982. Benzoína, C.A.S. Nº 119-53-9 Bencilo, C.A.S. Nº 134-81-6

Química Orgánica Identificación de grupos funcionales orgánicos

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UNIDAD TEMÁTICA 5

IDENTIFICACIÓN DE GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS

I.- INTRODUCCIÓN La caracterización de muestras que contienen sustancias orgánicas es un problema químico muy complejo. En primer lugar, es necesario conocer qué tipo de sustancias componen la muestra, es decir, es necesario identificar los distintos componentes, para lo cual se han de aplicar técnicas analíticas cualitativas, muchas veces combinadas con técnicas de separación que permiten aislar los distintos componentes de la muestra. Una caracterización más profunda consistiría en cuantificar estos componentes una vez identificados, lo que requiere el empleo de técnicas analíticas cuantitativas. Dentro de las opciones de identificación de sustancias, y en función del nivel de información requerido, es muy habitual identificar no ya la estructura molecular sustancia en cuestión sino a qué familia o subfamilia pertenece. A modo de ejemplo, muchas veces no es necesario identificar una sustancia como el 2-butanol, sino que es suficiente deducir que la sustancia en cuestión pertenece a la familia de los alcoholes, y además se trata de un alcohol secundario. Los métodos analíticos clásicos, aplicados con fines cualitativos, permiten clasificar sustancias problema en familias y subfamilias de compuestos orgánicos, de un modo muy sencillo y rápido. Estos ensayos están basados en reacciones químicas sencillas que permiten identificar grupos funcionales presentes en la molécula o fragmentos de la misma, en base a un cambio que se produce durante la reacción química, cambio observable por los sentidos humanos. Los ensayos químicos de identificación son en general muy rápidos, y la información generada está disponible en muy poco tiempo. Paralelamente, la identificación de grupos funcionales en una sustancia de estructura desconocida se lleva a cabo utilizando métodos instrumentales, que son complicados y caros y requieren en muchos casos personal especializado para su manejo. No obstante, la descripción y el empleo de tales técnicas queda fuera del alcance de los objetivos del presente curso, existiendo asignaturas en cursos superiores dedicadas el estudio de las técnicas analíticas instrumentales. Los ensayos de identificación que se proponen en esta práctica son algunos de los más comunes y fiables que se conocen. En primer lugar se va a trabajar en la identificación de compuestos carbonílicos. Primero se llevará a cabo un ensayo general de identificación del grupo carbonilo mediante una reacción de condensación. A continuación se diferenciará entre aldehído y cetona mediante una reacción redox. Por último, se identificarán metil-cetonas utilizando la llamada “prueba del yodoformo”.


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Adicionalmente, se propone la identificación del grupo hidroxilo en alcoholes, así como la diferenciación entre alcoholes primarios, secundarios y terciarios. Se aplicará también un test que permite la identificación de fenoles. Asimismo, se llevarán a cabo dos ensayos muy sencillos de caracterización de aminas que permitirán diferenciar entre aminas aromáticas y alifáticas, y dentro de estas últimas, si se trata de amina primaria, secundaria o terciaria.

II. OBJETIVOS

•••• Estudiar diferentes reacciones de identificación de grupos funcionales orgánicos, destacando la facilidad y rapidez de los ensayos propuestos


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Material Reactivos

Placa calefactora 2,4-Dinitrofenilhidrazina Gradilla con tubos de ensayo Reactivo de Tollens 2 Vasos de 250 mL Mezcla crómica diluida Papel de filtro Reactivo de Fehling A y B Pinzas metálicas y de madera I2 0,5 M en KI 1 M 4 Cuentagotas NaOH 10% m/v Varilla agitadora Vanadato amónico 300 mg/L Baño de hielo Oxina 2,5 % en HAc 1 M K2Cr2O7 en H2SO4 50% Reactivo de Lucas FeCl3 2,5% NaNO2 10% m/v Cloruro de benceno sulfonilo 2-Naftol en NaOH 5% m/v NaOH 2 M HCl 2 M Compuestos carbonílicos Alcoholes alifáticos Derivados fenólicos Aminas

B) PROCEDIMIENTO B.1) Identificación del grupo carbonilo La identificación el grupo carbonilo se lleva a cabo mediante una reacción muy selectiva, que es la de condensación con compuestos nitrogenados conteniendo un nitrógeno primario. En concreto, la condensación tiene lugar entre una hidrazina y el grupo carbonilo de un aldehído o una cetona, dando lugar a la correspondiente hidrazona. Como reactivo, se emplea la 2,4-dinitrofenilhidrazina, cuya estructura se muestra en la Figura 5.1.

NO2

O2N NH NH2

Figura 5.1. Estructura de la 2,4-dinitrofenilhidrazina

La 2,4-fenilhidrazona es un compuesto insoluble de color amarillo, por lo que la formación de un precipitado de dicho color cuando se adiciona el reactivo 2,4-dinitrofenilhidrazina a una sustancia problema es indicativo de la existencia del


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grupo carbonilo en dicha molécula. Los puntos de fusión de muchas 2,4-dinitrofenilhidrazonas de compuestos carbonílicos comunes están tabulados, por lo que la purificación del precipitado obtenido y posterior medida del punto de fusión puede ayudar a identificar el compuesto carbonílico problema. El procedimiento a seguir es: poner en un tubo de ensayo 5 gotas de problema. Añadir 1 mL (20 gotas) de disolución de 2,4-dinitrofenilhidrazida y 5 gotas de agua y agitar la mezcla. Observar la aparición de un precipitado. Repetir la experiencia empleando los cinco compuestos carbonílicos problema. Realizar también el ensayo con un alcohol alifático, (alcohol 1) para visualizar un ensayo negativo. B.2) Identificación de aldehídos Los ensayos típicos empleados en la identificación de aldehídos, pero que dan negativo con las cetonas, están basados en la capacidad de los aldehídos de oxidarse a ácidos carboxílicos empleando oxidantes suaves. Uno de los más utilizados está basado en el reactivo de Fehling, empleado tradicionalmente en bioquímica para la identificación y cuantificación de azúcares reductores. La especie química que es reducida por el aldehído es el ión Cu (II), que se encuentra en medio alcalino y complejado por el ión tartrato, lo que evita su precipitación como hidróxido. El producto final de la reacción es óxido cuproso Cu2O, un sólido insoluble de color rojizo. El procedimiento es el siguiente: en un tubo de ensayo introducir 1 mL de reactivo Fehling A y 1 mL de Fehling B. Añadir 10 gotas del compuesto problema e introducir los tubos en baño de agua caliente. Observar la coloración que adquiere la disolución. El ensayo se llevará a cabo simultáneamente con todos los compuestos que hayan dado positivo el ensayo de la 2,4-dinitrofenilhidrazina, lo que permitirá diferenciar los aldehídos de las cetonas. Otro ensayo típico para aldehídos es el test de Tollens. En esta prueba, el oxidante es el ión plata en medio amoniacal (reactivo de Tollens, AgNO3 1 M en NH3 1 M), que se reduce a Ag elemental. La reacción, que pone de manifiesto la existencia del grupo carbonilo aldehídico, resulta muy vistosa, ya que si se lleva a cabo en un tubo de ensayo, la deposición de la plata metálica sobre las paredes del tubo da lugar al llamado “espejo de plata”. El procedimiento es el siguiente: en un tubo de ensayo perfectamente limpio introducir 10 gotas de reactivo de Tollens. Añadir 5 gotas de muestra agitando constantemente hasta que se aprecie oscurecimiento de la disolución. Dejar reposar unos minutos y observar la formación de un espejo de plata en la pared interior del tubo. Si el oscurecimiento de la disolución no es inmediato, introducir el tubo en un baño de agua caliente durante 5 minutos. Posteriormente, añadir con cuidado 1 mL de mezcla crómica y agitar hasta que se produzca la redisolución de la plata metálica. El ensayo se realizará con dos de las muestras de compuestos carbonílicos, una que haya dado positivo el ensayo de Fehling y otra que haya dado negativo, de modo que el test sirva de confirmación.


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B.3) Identificación de metil-cetonas La llamada “prueba del yodoformo” se emplea en la identificación de metil-cetonas. Esta reacción también la producen el acetaldehído y los precursores de las metil-cetonas, es decir, alcoholes de estructura tipo R-CHOH-CH3 que por oxidación darían lugar a una metil-cetona. La reacción que tiene lugar es la sustitución de los hidrógenos en posición α al carbonilo por átomos de yodo, que cuando se sustituyen los tres del grupo metilo, se elimina yodoformo (CHI3), que al ser insoluble precipita como un sólido amarillo. De este modo, la observación de un precipitado amarillo al adicionar yodo molecular a la muestra problema indica la presencia de una metil-cetona. Para proceder, introducir 1 gota de muestra en un tubo de ensayo y añadir, por este orden, 1 mL de agua y 1 mL de NaOH al 10% m/v. Añadir a continuación disolución de I2 en KI 1 M, gota a gota y con constante agitación suave, hasta que el color oscuro del yodo persista. Calentar la mezcla en baño de agua durante dos minutos, si durante este tiempo el color desaparece, añadir unas gotas más de la disolución de I2 en KI, hasta lograr que el color permanezca tras calentar durante 2 minutos. Decolorar la disolución añadiendo 3 o 4 gotas de NaOH al 10%, diluir con agua destilada hasta llenar el tubo casi en su totalidad y dejar reposar la mezcla en un baño de hielo. La formación de un precipitado amarillo de yodoformo indica que la prueba es positiva. Repetir la prueba con todas aquellas muestras de compuestos carbonílicos que hayan dado negativo los ensayos de Fehling y Tollens. B.4) Identificación de alcoholes Los alcoholes, aunque estén mezclados con otros compuestos, son reconocidos mediante la formación de un complejo de color rojo, formado por reacción con la 8-hidroxiquinoleina (oxina) y vanadato amónico. Algunos alcoholes poco solubles en disolventes apolares no dan reacción de modo apreciable, cosa que ocurre también con alcohol alílico y los aminoalcoholes. El alcohol ter-butílico genera un color pardo rojizo. El ensayo se lleva a cabo de la siguiente manera. En un tubo de ensayo introducir 1 mL de ciclohexano y 10 gotas del alcohol problema, adicionando a continuación 10 gotas de disolución de vanadato amónico a 300 mg/L y 3 gotas de disolución de oxina al 2,5%. Mezclar bien y dejar reposar entre 5 y 10 minutos. El desarrollo de una coloración rojiza en la fase superior -fase orgánica del ciclohexano- indica que el problema es un alcohol. Este ensayo se llevará a cabo con los tres alcoholes alifáticos, así como con un compuesto carbonílico, por ejemplo el etiquetado como “compuesto carbonílico 3”, de cara a visualizar un ensayo negativo. Asimismo, también se puede realizar el ensayo sobre los dos compuestos fenólicos, adicionando directamente al tubo de ensayo una punta de espátula de la muestra sólida.


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B.5) Caracterización de alcoholes Los alcoholes terciarios se distinguen de los primarios y secundarios porque reaccionan rápidamente con el reactivo de Lucas (HCl concentrado con ZnCl2), produciendo la sustitución del grupo hidroxilo por un cloro y dando lugar a un haluro de alquilo, que se separa de la disolución ya que es inmiscible con el agua. Esta reacción también la dan los alcoholes secundarios, pero es más lenta, mientras que los alcoholes primarios no reaccionan. El procedimiento es el siguiente: introducir en un tubo de ensayo 10 gotas de alcohol, añadiendo a continuación aproximadamente 3 mL de reactivo de Lucas. Cerrar el tubo y agitar durante 15 segundos. Si la disolución se enturbia de modo casi instantáneo, el alcohol es terciario, mientras que si la turbidez aparece lentamente, se trata de un alcohol secundario. En ambos casos, al dejar el tubo en reposo se apreciará la separación de dos fases. Por último, un alcohol primario no da lugar a turbidez. Este ensayo se llevará a cabo con los tres alcoholes alifáticos. Un ensayo análogo, pero que da positivo en este caso para los alcoholes primarios y secundarios, consiste en la reducción del dicromato. Los alcoholes primarios y secundarios son oxidados rápidamente por el Cr (IV) en medio sulfúrico, reduciendo el Cr (IV) a Cr (III), de color verde. Los alcoholes terciarios no dan esta reacción, pero la reacción da positivo con cualquier compuesto orgánico fácilmente oxidable, como es el caso de los aldehídos. El procedimiento es el siguiente: poner en un tubo de ensayo aproximadamente 2 mL de disolución de dicromato potásico en medio sulfurico, añadiendo a continuación unas gotas de problema. El cambio de color de amarillo a verde indica la presencia de alcoholes primarios o secundarios. Esta reacción también permite detectar la presencia de etanol en el aire espirado, tras la ingesta de una bebida alcohólica. Basta con hacer burbujear aire a través de la disolución de dicromato, utilizando para ello una pajita larga y flexible con el fin de evitar salpicaduras. Este ensayo se llevará a cabo con los tres alcoholes alifáticos. B.6) Identificación de fenoles Muchos derivados fenólicos, contengan o no otros grupos funcionales unidos al anillo aromático, se pueden identificar muy fácilmente ya que el grupo hidroxilo unido a un anillo aromático (fenol) forma un complejo con el Fe (III) cuyo color depende de la estructura del derivado fenólico, pero que en todo caso resulta un color muy vivo (azul, verde, violeta, etc.). Algunos fenoles, como la hidroquinona, no dan positivo esta reacción debido a que el Fe (III) los oxida. El procedimiento para la identificación es el siguiente: a 1 mL de una disolución acuosa diluida de la muestra (los dos compuestos fenólicos) se le añaden varias gotas de disolución de FeCl3 al 2,5%. El color se desarrolla rápidamente, y el resultado es positivo aunque no sea permanente, por lo que es conveniente realizar un ensayo en blanco.


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B.7) Caracterización de aminas En primer lugar se realizará un ensayo muy sencillo que permite diferenciar entre aminas alifáticas y aromáticas. El ensayo de caracterización se lleva a cabo haciendo reaccionar la amina problema con ácido nitroso (nitrito sódico en presencia de ácido clorhídrico), lo que produce la diazotación de la amina, para aminas primarias alifáticas y aromáticas, o la formación de N-nitrosoaminas en aminas secundarias. La posterior adición de otro compuesto aromático, por ejemplo el 2-naftol, no da lugar a reacción en el caso de aminas alifáticas, pero genera colorantes azoicos, de color rojo anaranjado, al acoplarse a una amina aromática diazotada. A modo de ensayo confirmatorio, si se calienta el producto de la diazotación se libera nitrógeno, y además se produce un derivado del fenol detectable por el olfato, ya que el fenol y sus derivados tienen un olor penetrante y característico. Este ensayo se ha de llevar a cabo simultáneamente con las cuatro aminas problema. Para realizarlo, introducir en 5 gotas de cada amina problema en sendos tubos de ensayo, añadir aproximadamente 2 mL de HCl 2 M y a continuación 1 mL de la disolución de NaNO2, gota a gota y con constante agitación, observando los fenómenos que ocurren. Si tras la adición del NaNO2 la disolución resultante es transparente y se aprecia un burbujeo en la misma (N2), se ha de sospechar que la amina problema es una amina primaria alifática, si bien las aminas secundarias y terciarias, en ocasiones, también dan lugar a burbujeo. Por lo tanto, la diferenciación entre los distintos tipos de amina alifática se llevará a cabo en un ensayo aparte Si la disolución resultante es transparente pero no se aprecia burbujeo, puede tratarse de una amina aromática. Para confirmar ésta, trasvasar aproximadamente la mitad de la disolución obtenida a otro tubo de ensayo y añadir unas gotas de disolución de 2-naftol (0,1 g/mL) en NaOH al 5% m/v. La formación de un colorante azoico, que tiñe la disolución de rojo o naranja, indica la presencia de una amina aromática. Este test se confirma también por calentamiento en baño de agua del resto de la disolución tras añadir NaNO2, ya que si la muestra contiene una amina aromática, al calentar se observará burbujeo de N2 y se percibirá el olor característico del fenol. Para la diferenciación de aminas alifáticas primarias, secundarias y terciarias, se llevará a cabo el ensayo de Hinsberg, que consiste en la formación de sulfonamidas por reacción con cloruro de benceno sulfonilo en medio alcalino, cuyo resultado es distinto en función del tipo de amina. Las sulfonamidas de las aminas primarias son solubles en medio alcalino, pero precipitan al acidular, mientras que las sulfonamidas de las aminas secundarias son insolubles tanto en medio básico como ácido. En el caso de aminas terciarias, éstas no reaccionan, por lo tanto la suspensión original no cambia de aspecto, y al acidular, la amina terciaria se disuelve debido a la protonación. El procedimiento es el siguiente: En un tubo de ensayo se introducen 2 mL de NaOH 5 M y 10 gotas de la amina problema, formándose una suspensión. Se añaden 10 gotas de cloruro de benceno sulfonilo y se agita. A continuación, la mezcla resultante se acidula con 3 mL de HCl 5 M. Las aminas primarias forman sulfonamidas que son solubles en medio alcalino pero precipitan en forma de un sólido blanco en medio ácido, por lo que la formación de una disolución transparente tras la adición de cloruro de benceno


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sulfonilo, seguido de formación de un precipitado blanco al acidular, es indicativo de que la amina problema es primaria. Las aminas secundarias forman sulfonamidas insolubles en medio alcalino, por lo que la formación de un precipitado o un aceite al añadir el cloruro de benceno sulfonilo, que se mantiene al acidular, indica que el problema es una amina secundaria. Las aminas terciarias no reaccionan, por lo que tras la adición del reactivo, permanecen en suspensión, y al acidular posteriormente se disuelven. Este ensayo se llevará a cabo para todas las aminas alifáticas, es decir aquellas que hayan dado negativo el test del colorante azoico para aminas aromáticas.


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IV.- RESULTADOS 1) Rellena el siguiente esquema, marcando con positivos (+) y negativos (-) los resultados de los distintos ensayos de identificación en función de la sustancia ensayada.

1. Identificación del grupo carbonilo con 2,4-dinitrofenilhidrazina. Carbonilo 1: Carbonilo 2: Carbonilo 3: Carbonilo 4: Alcohol 1:

2. Identificación de aldehídos con los ensayos de Fehling y Tollens. Carbonilo 1: Carbonilo 2: Carbonilo 3: Carbonilo 4:

3. Identificación de metil-cetonas. Prueba del yodoformo. Carbonilo 1: Carbonilo 2: Carbonilo 3: Carbonilo 4:

4. Identificación de alcoholes. Alcohol 1: Alcohol 2: Alcohol 3: Carbonilo 3:

5. Identificación de alcoholes terciarios con el reactivo de Lucas. Alcohol 1: Alcohol 2: Alcohol 3:

6. Identificación de alcoholes primarios y secundarios con dicromato potásico. Alcohol 1: Alcohol 2: Alcohol 3:

7. Identificación de fenoles con Fe (III). Fenol 1: Fenol 2:

8. Caracterización de aminas: primaria, secundaria, terciaria y aromática Amina 1: Amina 2: Amina 3: Amina 4:


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V.- CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN I.- Consultando la bibliografía pertinente, escribir las reacciones que tienen lugar en todos los ensayos de identificación. II.- Consultando las estructuras en un texto de Química Orgánica general, responder a la siguiente pregunta: ¿Se puede emplear el test del FeCl3 para hacer un seguimiento de la reacción de la transformación del ácido salicílico en ácido acetilsalicílico? III.- Un compuesto desconocido, con C, H y O en su composición elemental, y de masa molecular 120, contiene en su estructura un anillo aromático. El compuesto da negativos todos los ensayos de identificación de alcoholes. Al tratarlo con 2,4-dinitrofenilhidrazina, da lugar a un precipitado amarillo. En presencia de reactivo de Tollens, no origina espejo de plata, pero sí que da positivo la prueba del yodoformo. Deducir la estructura del compuesto problema.


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VI.- BIBLIOGRAFÍA "QUÍMICA ORGÁNICA BÁSICA Y APLICADA. De la molécula a la industria". Primo Yúfera, E. Ed. Reverté, Barcelona, 1994. “VOGEL’S TEXTBOOK OF PRACTICAL ORGANIC CHEMISTRY” Furniss, B.S.; Hannaford, A.J.; Smith, P.W.G.; Tatchell, A.R. Addison Wesley Longeman Ltd., Essex, England, 1989.

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