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Experimentación en Síntesis Orgánica

NORMAS GENERALES _____________________________________________________________________________ Antes de comenzar las prácticas de laboratorio es OBLIGATORIO QUE EL ALUMNO HAYA LEÍDO DETENIDAMENTE LAS NORMAS QUE SE RECOGEN A CONTINUACIÓN. Seguridad en el laboratorio Un laboratorio de química es un lugar siempre peligroso (sustancias inflamables, explosivas y tóxicas). En todo momento es imprescindible guardar una actitud de vigilancia y atención, aunque no se esté haciendo nada. Pensar y actuar de forma segura es parte integral de la educación química. No debe realizarse ningún experimento antes de estar seguro de que se comprende bien lo que se va a hacer, y tras dar respuesta a estas dos preguntas: ¿Qué es lo peor que puede pasar? ¿Cómo lo puedo solucionar? Preguntar a los profesores, en caso de duda, es una buena costumbre. Lee detenidamente los manuales de seguridad y preocúpate en todo momento de tu propia seguridad y de la de los demás en el laboratorio. Si observas cualquier situación peligrosa, dirígete por tu propia seguridad y sin prejuicios al profesor, para que éste tome las medidas oportunas en el menor tiempo posible. Las siguientes normas son obligatorias para todo el que entre o permanezca en el laboratorio: 1) No está permitido fumar, ni encender ninguna llama ni mechero en el laboratorio. 2) No conectar aparatos eléctricos sin asegurarse de que no hay peligro de vapores de disolventes

próximos. No colocar jamás productos inflamables cerca de fuentes de calor. 3) Las gafas de protección homologadas (deben proteger frontal y lateralmente los ojos) son

obligatorias siempre, aunque no se haga ningún experimento (una persona cercana podría sufrir un accidente involucrándote a ti también). No usar nunca lentes de contacto (los vapores orgánicos podrían dañarlas; por otro lado, los reactivos caústicos no pueden ser eliminados del ojo si las lentillas están puestas). Fíjate dónde están situados los baños lavadores de ojos.

4) No tocar nunca directamente los productos químicos con las manos. Usar guantes protectores constantemente y no tocarse la cara con los guantes (esto es algo que se hace frecuentemente de forma distraida). En caso de contacto de productos corrosivos o irritantes con los ojos o la piel, lavar inmediatamente la zona afectada con abundante agua (varios minutos en el caso de los ojos), y avisar urgentemente a algún responsable del laboratorio. Evítese cualquier iniciativa no contrastada previamente con el responsable.

5) Nunca pipetees conla boca. Utiliza cualquier otro método disponible (chupetes, etc.) 6) Todas las operaciones químicas que impliquen reactivos o disolventes tóxicos, lacrimógenos o

malolientes deberán llevarse a cabo en las campanas de extracción de gases (vitrinas), que deben estar siempre limpias y en orden, con el extractor funcionando.

7) No está permitido introducir alimentos, comer o consumir bebidas en el laboratorio.

2 8) Residuos: Muchos de los reactivos, disolventes y productos generados en los laboratorios de

química orgánica son considerados tóxicos. Por tanto, además de su correcta manipulación, es necesario llevar a cabo una eliminación adecuada, que elimine en lo posible los riesgos para la salud y el medio ambiente. El Servicio de Prevención de Riegos Laborales de la UAM ha clasificado los residuos que se generan en los laboratorios en los grupos siguientes:

• Grupo I: Disolventes y reactivos orgánicos halogenados. • Grupo II: Disolventes y reactivos orgánicos no halogenados. • Grupo III: Disoluciones ácidas de metales no incluidos en el grupo VIII. • Grupo IV: Disoluciones básicas de metales no incluidos en el grupo VIII. • Grupo V: Aceites usados. • Grupo VI: Vidrio contaminado. • Grupo VII: Basura contaminada con productos químicos (no vidrio contaminado).

• Grupo VIII: Tóxicos especiales: Disoluciones o sólidos metálicos u otros compuestos de especial toxicidad. Este grupo se divide en subgrupos de residuos que se recogerán separadamente: VIII-A: Arsénico y sus compuestos. VIII-B: Antimonio y sus compuestos. VIII-C: Berilio y sus compuestos. VIII-D: Cadmio y sus compuestos. VIII-E: Cromo y sus compuestos. VIII-F: Cobre y sus compuestos. VIII-G: Derivados orgánicos de Estaño. VIII-H: Mercurio y sus compuestos. VIII-I: Plomo y sus compuestos. VIII-J: Selenio y sus compuestos. VIII-K: Talio y sus compuestos. VIII-L: Teluro y sus compuestos.

9) No ausentarse jamás del laboratorio sin autorización de un reponsable del mismo, y sin dejar a alguien a cargo de los experimentos en curso. Al finalizar la jornada de trabajo, revisar detenidamente y desconectar aparatos y reacciones, así como los grifos de agua. No se pueden dejar reacciones y procesos en marcha durante la noche, salvo autorización y supervisión del responsable del laboratorio.

10 Todo el material de vidrio roto o desechable debe ser retirado de las mesas de trabajo o de las vitrinas, situándolo en los recipientes disponibles al efecto con la etiqueta “Residuos de vidrio” o “Material de vidrio recuperable” o similares.

11) Informarse de la ubicación de los extintores, manta ignífuga y duchas, y aprender su manejo. 12) La limpieza y el orden, en todo momento, son imprescindibles en el laboratorio. Ayudan, además, a

prevenir accidentes. Normas específicas en caso de accidente a) Procurar en lo posible contener el pánico y mantener el orden y disciplina. b) Si un producto químico entra en contacto con tus ojos, corre al baño lavador de ojos más próximo,

y lávalos con abundante cantidad de agua. Ten cuidado de no usar demasiada potencia de chorro de agua, para evitar lesiones al ojo. Avisa, o haz avisar, inmediatamente al profesor de prácticas más cercano.

c) Si se declara un incendio, el mejor consejo es apartarse de él y dejar que el profesor de prácticas se encargue de la situación. No te dejes dominar por el pánico. Si el fuego es pequeño puede apagarse poniendo encima una manta ignífuga. Si el fuego está concentrado en el interior de un matraz o vaso de precipitados, puede ser asfixiado simplemente tapando la boca del matraz/vaso de precipitados con un vidrio de reloj o un vaso más grande. Si estas soluciones no funcionan, o si el fuego es de amplias proporciones hay que recurrir a los extintores de CO2. Nunca uses agua. Siempre avisa, o haz avisar, inmediatamente al profesor de prácticas más cercano.

3 d) Si tu ropa se incendia no corras (avivarías las llamas). Avanza decididamente hacia la manta ignífuga

o ducha más cercana. Envolver la zona en llamas con la manta bastará para zanjar el incidente. Avisa, o haz avisar, inmediatamente al profesor de prácticas más cercano.

e) Si sufres pequeñas quemaduras por haber tocado objetos calientes "refrigera" la zona con abundante agua fría. Acude a un profesor de prácticas, pues en el botiquín hay cremas para estos casos.

f) En caso de quemadura por producto químico, este habrá de ser neutralizado. Si el responsable ha sido un ácido se puede emplear una disolución diluida de bicarbonato sódico; en caso de haber sido una base, se puede usar ácido acético al 2%. Avisa, o haz avisar, inmediatamente al profesor de prácticas más cercano.

g) En caso de corte, lavar la herida con abundante agua. Avisa, o haz avisar, inmediatamente al profesor de prácticas más cercano.

h) Si se declara un incendio o se produce una fuga/derrame de algún producto que no puedan ser controlados,

• Desconectar todos los aparatos a tu alcance. • Abandonar el laboratorio utilizando la salida más cercana y dirigirse a la salida del módulo. • No detenerse a recoger objetos personales. • No entrar de nuevo en el edificio hasta que se den las instrucciones oportunas.

Riesgos asociados a los disolventes Es esencial recordar que la mayoría de los disolventes orgánicos son inflamables, y arden si están expuestos a una llama o espontáneamente si alcanzan la temperatura correspondiente a su punto de ignición. Además, muchos son tóxicos o carcinógenos. Por ejemplo, muchos disolventes clorocarbonados, si se acumulan en el organismo, causan un deterioro del hígado similar a la cirrosis originada por uso excesivo de etanol. El cloroformo y el éter son anestésicos, causando somnolencia y náuseas. En otras palabras, los disolventes orgánicos son tan peligrosos como los compuestos químicos corrosivos (p.ej. el ácido sulfúrico), aunque manifiestan sus efectos de manera más soterrada. A continuación se citan algunos ejemplos: - Acido acético glacial: es suficientemente corrosivo para causar quemaduras. Sus vapores

pueden irritar los ojos y los conductos nasales. - Acetona: no es muy tóxica comparada con otros disolventes. Sin embargo es extremadamente

inflamable. - Benceno: se absorbe facilmente a través de la piel, y puede afectar a la médula ósea y provocar

leucemia. Esta considerado como agente carcinógeno. También afecta al hígado y los riñones. Además es muy inflamable. Siempre se sustituirá por tolueno.

- Diclorometano: no es inflamable y, a diferencia de otros disolventes clorocarbonados, no está considerado como carcinógeno. Es menos tóxico que el cloroformo y el tetracloruro de carbono, aunque si se ingiere puede deteriorar el hígado, y sus vapores pueden originar somnolencia y náuseas.

- Etanol: es un conocido agente intoxicante y es extremadamente inflamable. - Eter etílico: es extremadamente inflamable (está considerado como el disolvente habitual

más inflamable que existe, debido a su volatilidad y a que sus vapores son más densos que el aire) y puede originar explosiones (debido a la presencia de peróxidos). No es particularmente tóxico, pero en grandes concentraciones puede originar somnolencia y náuseas.

4 - Hexano, pentano, éter de petróleo: pueden irritar el tracto respiratorio y la piel. También

pueden actuar como intoxicantes y depresivos del sistema nervioso central. Son altamente inflamables.

- Metanol: es más tóxico que el etanol, pudiendo provocar, por ingestión, ceguera y muerte. Es extremadamente inflamable.

- Tolueno: no está considerado como agente carcinógeno, pero es tan tóxico como el benceno. Puede actuar como anestésico, y afectar al sistema nervioso central.

Normas específicas de funcionamiento del laboratorio de prácticas de Q. Orgánica 1) El trabajo experimental de laboratorio tiene una duración de quince días hábiles distribuidos en tres

semanas no consecutivas. 2) Las prácticas se realizan de manera individual. 3) Cada alumno deberá llevar al laboratorio, desde el primer día, una bata (en buen estado), unas

gafas de seguridad, una espátula de aluminio, unas tijeras, unas pinzas, un rotulador para vidrio y un cuaderno (DIN A4 vertical cuadriculado) de hojas no intercambiables, que se numerarán correlativamente.

4) Al iniciar y finalizar cada semana de laboratorio, el alumno deberá comprobar el material de la taquilla, anotando las incidencias en la hoja disponible para tal efecto. Lo mismo se hará en caso de rupturas durante las prácticas. No está permitida la entrada en los almacenes.

5) Al comenzar cada jornada de prácticas, se anotará la fecha en el cuaderno, así como la práctica que se va a realizar. Todas las operaciones realizadas se anotarán detalladamente a continuación en el cuaderno de laboratorio, con especial cuidado de reflejar lo que ocurre realmente (taras y pesadas, cantidades empleadas, tamaño de los recipientes, tiempos de reacción reales, cambios observados, etc.) más que lo que describe la receta. El criterio a seguir es que cualquier químico, con sólo los datos del cuaderno, pueda reproducir fielmente el experimento realizado.

6) Las vitrinas son de uso común. Deben dejarse limpias cada día, retirando todo el material trasladado para llevar a cabo el experimento.

7) Los reactivos, de uso general, deben devolverse a su lugar inmediatamente después de su empleo. 8) Las balanzas deben estar siempre limpias. No está permitido pesar productos químicos

directamente sobre los platillos. Si involuntariamente se produce algún derrame sobre ella, limpiarlo inmediatamente.

9) Los cuadernos de laboratorio no podrán sacarse fuera del laboratorio tras la jornada de trabajo. No "se pasa a limpio" un cuaderno de laboratorio, sino que se escribe en él constantemente, a medida que se hacen las cosas.

10) Nadie podrá ausentarse del laboratorio sin comunicarlo al responsable de prácticas. No está autorizada la permanencia en el laboratorio de ninguna persona ajena al turno de prácticas.

Evaluación Docente

• La asistencia a las clases teórico-prácticas de la asignatura será obligatoria al tratarse de una asignatura experimental. Por tanto, la no asistencia al laboratorio durante más de dos sesiones, justificadas o no, será por sí mismo causa suficiente para suspender la asignatura.

• La calificación final de la asignatura en la convocatoria ordinaria vendrá dada por: a) en un 30%, por la calificación obtenida por el alumno durante el desarrollo de los trabajos

experimentales realizados en el laboratorio (valorándose en esta parte el interés, la asistencia

5puntual, el cumplimiento de las normas, el trabajo experimental, el diario de laboratorio y la contestación a las preguntas del profesor.

El alumno deberá superar esta parte de la evaluación continuada con una nota mínima de 5,0. En caso de no superar esta nota mínima, el estudiante no habrá superado la parte experimental de la asignatura y será calificado como suspenso en la convocatoria ordinaria y no presentado en la extraordinaria.

b) en un 10%, por la calificación obtenida en tres exámenes escritos cortos relativos a las prácticas realizadas, que se realizarán al final de cada semana.

c) en un 60%, por la calificación obtenida por el alumno en un examen final escrito que se realizará al final del trabajo experimental. Este examen será el mismo para todos los grupos y su contenido incidirá sobre el conocimiento y manejo del material utilizado en los experimentos, los fundamentos teóricos tanto de las técnicas empleadas como de las reacciones llevadas a cabo en las diferentes prácticas realizadas, y los aspectos más importantes de seguridad.

El alumno deberá superar esta prueba con un mínimo de 4,0 sobre diez para poder hacer la media ponderada con las notas de la evaluación continuada (apartados a) y b)).

• En el caso de no superar la evaluación final en la convocatoria ordinaria, durante el mes de julio se realizará el examen extraordinario y consistirá en una prueba escrita, que hará media con la nota de evaluación continuada de acuerdo con lo expuesto anteriormente.

Bibliografía Para el trabajo experimental del laboratorio: • “Técnicas Experimentales en Síntesis Orgánica”, M.A. Martínez Grau y A.G. Csaky. Editorial Síntesis, 1998. • “Laboratorio de Química Orgánica”, M. M. Ramos Gallego y C. Vargas Fernández, Editorial Ramón Areces, 2006. • “Experimental Organic Chemistry, Standard and Microscale”, L.M. Harwood, C.J. Moody, J.M. Percy 2ª Edición, Editorial Blackwell Scientific Publications, 1998. • “Organic Experiments”, K.L. Williamson, 9ª Edición, Editorial Houghton Mifflin Company, 2004. • “Techniques in Organic Chemistry”, J.R. Mohrig, C.N. Hammond, P.F. Schatz, 2ª Edición, Editorial W.H. Freeman, 2007. • “Student Lab Companion”, J. W. Lehman, 2ª Edición, Editorial Prentice Hall, 2007. • “The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student's Guide to Techniques, J. W. Zubrick, 7ª Edición, Editorial John Wiley & Sons, 2007. Para los fundamentos teóricos de las reacciones orgánicas desarrolladas pueden utilizarse los mismos textos recomendados en la asignatura teórica “Química Orgánica” de 2º curso.

6MATERIAL DE LABORATORIO

Columna Vigreux

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SEMANA 1

• Práctica 1: Recristalización. • Práctica 2: Destilación

• Práctica 3: Extracción y Cromatrografía

8PRACTICA 1: Recristalización.

Utilización del punto de fusión para la caracterización de sólidos Introducción: La recristalización es uno de los procedimientos más adecuados y sencillos para la purificación de sustancias sólidas. El procedimiento se basa en la diferente solubilidad de los compuestos orgánicos en un disolvente (o mezcla de disolventes) a dos temperaturas diferentes (temperatura ambiente o inferior y temperatura de ebullición). En primer lugar, el sólido se disuelve en la mínima cantidad de disolvente apropiado en caliente, con lo que se obtiene una disolución saturada. Al enfriar, la solución se sobresatura, con lo que el soluto empieza a formar pequeños núcleos cristalinos que van aumentando gradualmente de tamaño y cantidad a medida que disminuye la temperatura y con el tiempo. Las impurezas solubles permanecen en disolución, ya que no están en suficiente proporción como para saturar la disolución y cristalizar. Las impurezas insolubles se eliminan por filtración en caliente. El sólido obtenido se recoge por filtración. El factor más importante del que depende el éxito de esta técnica de purificación es la elección del disolvente. El disolvente debe cumplir varios requisitos, entre los cuales los dos más importantes son:

a) debe existir una gran diferencia de solubilidad del compuesto a purificar a baja y elevada temperatura. Lógicamente esta propiedad se cumplirá más fácilmente con los disolventes de punto de ebullición relativamente elevado, ya que de esta forma se dispone de un mayor intervalo de temperatura para establecer la diferencia de solubilidad necesaria.

b) ha de ser químicamente inerte frente a la sustancia a purificar. Entre los disolventes más comúnmente utilizados en la recristalización de compuestos orgánicos

se encuentran el tolueno (p.e. 111º), el acetato de etilo (p.e. 77º), la acetona (p.e. 56º), el hexano (p.e. 69º), el metanol (p.e. 65º), el etanol (p.e. 78º), y el agua (p.e. 100º). Con frecuencia se encuentra que una sustancia es muy soluble en unos disolventes y muy insoluble en otros, como para realizar una precipitación. En estos casos, se suele utilizar con buen resultado una mezcla de disolventes, siempre que sean miscibles.

El punto de fusión (p.f.) de un compuesto orgánico es una constante física característica del

compuesto y constituye un valioso criterio de pureza. Un sólido puro funde a una temperatura bien definida y en un intervalo muy pequeño de temperatura (1-2ºC). Por el contrario, un sólido impuro presenta generalmente un intervalo de fusión amplio (de varios grados) cuyo límite superior es claramente menor que el del compuesto puro. Por tanto, tras una recristalización acertada de un compuesto impuro debe observarse un incremento del punto de fusión del compuesto y/o una disminución del intervalo de fusión. Medida del punto de fusión La determinación del punto de fusión se lleva a cabo colocando unpoco de sólido en el fondo de un tubo capilar cerrado por uno de sus extremos. Para la introducción del producto en el capilar se coloca un poco del sólido pulverizado sobre papel de filtro y se presiona con el tubo capilar por el extemo abierto hasta conseguir que un poco se introduzca en el interior (1-2 mm de altura). Para bajarlo hasta el extremo cerrado, se golpea suavemente sobre la mesa por el extremo cerrado hasta que el sólido quede firmemente empaquetado en el fondo.

9 La medida se realiza en un aparato, introduciendo el capilar verticalmente en uno de sus orificios

superiores. El sólido debe ser visible a través del visor-lupa del aparato. Si el punto de fusión es desconocido, la calefacción debe hacerse lentamente. Si, por el contrario, se conoce el punto de fusión aproximado, puede calentarse rápidamente hasta unos 20ºC por debajo del valor esperado, continuando la calefacción lentamente de forma gradual. El valor inferior del interalo de fusión es la temperatura a la que aparecen las primeras gotas de líquido en el seño del sólido y el superior, la temperatura que se alcanza cuando todo el sólido ha fundido. El punto de fusión se expresa sin decimales, incluyendo entre paréntesis el disolvente empleando en la recristalización. Objetivos Esta práctica consiste en la purificación de un compuesto sólido utilizando la técnica de la recristalización, y la determinación de su pureza mediante la medida de su punto de fusión. Procedimiento

• Entregar un tubo de ensayo al profesor para que os de la muestra problema. • Medir el punto de fusión de la muestra antes de recristalizarla. • Para llevar a cabo la elección del disolvente para la recristalización se realizarán distintas pruebas

de solubilidad en tubos de ensayo. El procedimiento a seguir es el siguiente: en un tubo de ensayo se deposita un poco de sólido problema (una punta de espátula, aprox. 0,1 g) y sobre él se añade el disolvente a ensayar (aprox. 1 ml). Se agita vigorosamente durante unos segundos y se observa qué cantidad se ha disuelto a temperatura ambiente: a) si el sólido problema se ha disuelto completamente o casi por completo, el disolvente no es adecuado para la recristalización. b) si el sólido problema es poco soluble, se procede a calentar el tubo de ensayo con su contenido en una manta eléctrica hasta la ebullición del disolvente. Si el sólido no se disuelve en caliente añadir un poco más de disolvente y calentar hasta ebullición (se puede añadir hasta un volumen total de 4-5 ml). Si finalmente no se logra disolverlo, descartar este disolvente. Si se consigue disolver el sólido en caliente, dejar enfriar el tubo de ensayo lentamente hasta temperatura ambiente o incluso enfriar a 0ºC si no se observa la aparición de cristales. (En el caso de que no cristalice en frío se puede intentar inducir la cristalización rascando las paredes interiores del tubo de ensayo con la espátula; los pequeñísimos fragmentos de vidrio desprendidos pueden actuar como núcleo de cristalización).

• Una vez elegido el disolvente, colocar toda la muestra problema pulverizada (previamente pesada) en un erlenmeyer y añadir poco a poco el disolvente caliente con agitación continua hasta la completa (o casi completa) disolución del producto (mientras se realiza esta operación, la mezcla debe mantenerse caliente para evitar la rápida cristalización o precipitación del producto). Concluida esta operación, si se observan impurezas no solubles la mezcla caliente se filtra por gravedad (ver figura 1) lo más rápidamente posible utilizando un embudo cónico y un filtro de pliegues (ver figura 2) (a ser posible, previamente calientes).

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Figura 1 Figura 2

• Dejar enfriar la solución hasta temperatura ambiente sin mover el erlenmeyer. Puede ser conveniente, si la cristalización no ha sido completa, introducir el erlenmeyer en un baño de hielo con el fin de aumentar la masa cristalina.

• La separación de los cristales de las aguas madres de cristalización se efectúa mediante filtración a presión reducida (bomba o trompa de agua) utilizando un embudo Buchner, un kitasato y un filtro circular (ver figura 3). Para recoger los últimos cristales residuales del erlenmeyer puede añadirse un poco del disolvente frio utilizado, vertiéndolo sobre el Buchner, lo que permite además el lavado del sólido. Este debe mantenerse en el embudo durante algunos minutos adicionales sin eliminar la succión para conseguir el máximo secado de los cristales. Figura 4 Figura 3

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• Pesar la cantidad de sólido obtenido tras la recristalización. Secarlo en un desecador (ver figura 4) hasta conseguir una masa constante. Calcular el rendimiento del proceso.

• Proceder a la medida del punto de fusión. • Compararlo con el obtenido antes de la recristalización y sacar conclusiones.

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PRACTICA 2: Destilación. Aplicación de esta técnica a la separación de líquidos

Introducción La destilación es el método más frecuentemente empleado para la purificación de líquidos. Se utiliza para la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando es posible, para la separación de dos o más líquidos. En el caso más sencillo, el líquido se calienta hasta su punto de ebullición produciéndose su paso al estado gaseoso. A continuación, este vapor se condensa por contacto con una superficia fría (el refrigerante) formando el destilado, que se recoge separadamente. La técnica de destilación puede adaptarse a líquidos que descomponen antes de alcanzar su punto de ebullición. Esta modificación se denomina destilación a vacío. Líquidos puros El punto de ebullición (p.eb.) de un líquido puro es una constante física característica del compuesto y se define como la temperatura a la cual su presión de vapor se iguala a la presión exterior. Debido a su dependencia con la presión exterior, el p. eb. debe expresarse siempre como un intervalo indicando la presión a la que ha sido determinado (ejemplo, p.eb. 110-112 ºC (20 mm Hg). Cuando la presión exterior es la presión atmosférica (760 mm Hg) se habla de punto normal de ebullición. Azeótropos Un líquido destila a una temperatura constante. Sin embargo, un punto de ebullición constante no implica necesariamente que el líquido esté puro, ya que alguna mezclas de compuestos forman azeótropos. Azeótropo o mezcla azeotrópica es una mezcla de composición constante que, debido a la existencia de interacciones intermoleculares entre sus componentes, se comportan como líquidos puros y destilan a temperatura constante. Por ejemplo, el etanol ordinario es un azeótropo de p.eb. 78ºC, formado por un 95,5% de etanol y un 4.5% de agua. El benceno (p.eb. 80ºC) forma un azeótropo con el agua (p.eb. 100ºC) que hierve a 69ºC, y está constituido por un 91% de benceno y un 9% de agua. Mezclas de líquidos Cuando se calienta una mezcla de dos o más líquidos, el punto de ebullición normal es entonces la temperatura a la cual la tensión de vapor total (la suma de las tensiones de vapor parciales ejercidas por cada uno de los líquidos que forman la mezcla) se iguala a la presión atmosférica (760 mm Hg). Pt = Px + Py En las disoluciones ideales se cumple la ley de Raoult, es decir, la presión parcial ejercida por un componente de la disolución a una temperatura dada es igual a la tensión de vapor de la sustancia pura multiplicada por su fracción molar en la disolución. Px = Px

oNx donde: Px es la presión parcial de x en la mezcla Px

o es la tensión de vapor de x puro Nx es la fracción molar de x en la mezcla

13De esta ley se decuce: a) el punto de ebullición de una mezcla depende de los puntos de ebullición de sus componentes y sus proporciones relativas. b) en una mezcla de dos líquidos, el punto de ebullición está comprendido entre los puntos de ebullición de los componentes puros. c) el vapor producido siempre será más rico en el componente de punto de ebullición más bajo que el líquido con el que está en equilibrio. Por tanto, siempre que se tenga una mezcla de dos o más componentes que se diferencien suficientemente en los puntos de ebullición se podrá separar en cada uno de sus componentes por destilación. A) DESTILACIÓN SENCILLA. Este tipo de destilación se utiliza para separar mezclas de componentes

líquidos que hiervan con una diferencia en sus respectivos puntos de ebullición de al menos 80ºC. También se emplea para purificar líquidos que contengan una pequeña proporción de impurezas sólidas o líquidas. (Ver montaje en figura 1a).

Figura 1(a) (b)

B) DESTILACIÓN FRACCIONADA. Se utiliza para la separación de líquidos cuyos p.eb. difieran entre 30-80ºC. Es equivalente a hacer varias destilaciones sencillas sucesivas de forma continua. Para ello se utiliza una columna de destilación fraccionada (columna Vigreaux, por ejemplo) que proporciona una gran superficie de intercambio continuo de calor en las condiciones de equilibrio entre el vapor ascendente y el condensado descendente (ver figura 1b). Esto posibilita una serie de evaporaciones y condensaciones parciales a lo largo de la columna que, en definitiva, permite alargar el camino entre el matraz de destilación y el refrigerante incrementando el número de pequeños ciclos de evaporación-condensación. Cuanto mayor sea el número de estos ciclos más se enriquecerá el vapor en el componente más volatil. Estos ciclos tambien más numerosos cuanto mayor sea la superficie de contacto de la columna así como cuanto mayor sea la longitud de la columna. La columna de destilación es una columna de vidrio sencilla rellena de materiales inertes con una gran superficie como cuentas o hélices de vidrio.

C) DESTILACIÓN A VACÍO. Muchas sustancias no pueden destilarse a presión atmosférica porque se

descomponen antes de alcanzar su p.eb. o porque éste es tan elevado que su destilación no es conveniente. En tales casos, los líquidos pueden destilarse a presión reducida, ya que, como se compentó anteriormente, la temperatura de ebullición disminuye a medida que lo hace la presión exterior. La destilación a vacío es aplicable tanto a la destilación sencilla como a la destilación

14fraccionada. Conociendo el punto de ebullición normal de un compuesto se puede conocer el punto de ebullición a una presión diferente (menor) haciendo uso del siguiente diagrama.

D) DESTILACIÓN EN ROTAVAPOR (evaporador rotativo). Esta destilación no es más que una

destilación a vacío llevada a cabo en un aparato especialmente diseñado para eliminar el disolvente de una disolución, recuperando el soluto (que normalmente es el compuesto de interés y que puede ser sólido o líquido) en el matraz de destilación y el disolvente en el matraz colector (figura 2).

Figura 3

Objetivos Esta práctica consiste en la separación de dos compuestos líquidos por destilación aprovechando el distinto punto de ebullición de ambos. Procedimiento

- El alumno entregará un Erlenmeyer de 100 ml para que le sea proporcionada la mezcla a separar. Una vez comprendido el mecanismo de operación se procederá a destilar la muestra problema mediante destilación fraccionada a presión atmosférica.

15- Introducir la mezcla problema en el matraz de destilación con ayuda de un embudo para evitar

manchar el esmerilado. Situarlo en el baño de arena (o silicona) sujetándolo con una pinza e introducir un imán o unos trozos de plato poroso.

- Engrasar ligeramente la boca esmerilada macho de la columna de fraccionamiento y colocarla sobre el matraz girándola dentro de éste para repartir uniformemente la grasa.

- Operando de la misma forma, montar el resto del aparato de destilación según la figura 1b. Todas las piezas deberán estar sujetas mediante clips o muelles para evitar su separación. Para sujetar el equipo sólo es necesario poner otra pinza (en otro soporte) en el refrigerante, evitando tensiones en el montaje (esta pinza no hace falta apretarla fuertemente, basta con que impida que el equipo se caiga).

- Abrir el grifo de agua, graduando la corriente de manera que el flujo sea pequeño pero suficiente para la renovación de agua continua en el refrigerante.

- Comenzar la calefacción. El líquido empezará a hervir y se observará como los vapores comienzan a ascender por la columna de fraccionamiento, produciéndose un reflujo (condensación-evaporación) más o menos acusado a lo largo de toda ella. Cuando los vapores alcanzan el bulbo del termómetro comenzará a aumentar la temperatura hasta estabilizarse. Todo el condensado inicial que se pueda recoger antes de esta estabilización constituye la “cabeza de destilación” y, en principio, debe despreciarse.

- Una vez estabilizada la temperatura, cambiar el matraz de recogida para obtener el compuesto más volátil. Anotar el punto de ebullición. Cuando éste se agota, disminuirá la temperatura hasta que los vapores del componente menos volátil no alcancen el bulbo del termómetro. Cuando vuelva a estabilizarse se cambiará el matraz del destilado para recoger el segundo componente. Anotar el p.eb. Durante todo el proceso la calefacción debe graduarse de manera que el flujo de destilado sea continuo.

- Dejar enfriar el equipo y desmontarlo en el sentido inverso al que se montó. La desconexión de las gomas del refrigerante deben comenzar por el extremo que está unido al grifo (una vez cerrado), dirigiéndolas a la pileta de desagüe.

- Anotar los volúmenes de destilado obtenidos en cada una de las fracciones separadas. - Analizar los resultados obtenidos.

16PRACTICA 3: Extracción y Cromatografía.

Aplicación de la extracción a la separación de los componentes de una mezcla

Introducción La extracción es la técnica más empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de

reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente.

Cuando se realizan reacciones orgánicas es muy habitual que se requiera un tratamiento acuoso, debiendo aislarse el compuesto orgánico final de este medio por extracción. El proceso se lleva a cabo en un embudo de decantación, en el que tras agitación se dejan separar las fases (acuosa y orgánica). Los distintos productos presentes se distribuyen entre las fases acuosa y orgánica de acuerdo con sus solubilidades relativas. De este modo, las sales inorgánicas, prácticamente insolubles en disolventes orgánicos permanecerán en la fase acuosa mientras que los compuestos orgánicos insolubles en agua se encontrarán en la fase orgánica.

Esta técnica está basada en el coeficiente de reparto que presenta el soluto entre dos disolventes (en nuestro caso un disolvente orgánico y agua). En función de este coeficiente, se puede demostrar que, en general, para un volumen determinado de líquido extractivo, la eficacia de la extracción aumenta con el número de las mismas. Es decir, con el fin de asegurar la extracción total del producto es mejor extraer varias veces con pequeñas cantidades de disolvente (por ejemplo 2 x 25 ml) que una sola vez con una cantidad mayor (75 ml).

Existen una gran variedad de disolventes orgánicos utilizados en la extracción. Los más empleados son éter dietílico, diclorometano, cloroformo, acetato de etilo y tolueno. La elección del disolvente se realiza en cada caso teniendo en cuenta la solubilidad de la sustancia a extraer y la facilidad con la que puede separarse ésta del disolvente. Extracción ácido-base Esta técnica permite además la separación de compuestos orgánicos basándose en sus propiedades ácido-base. Así, compuestos orgánicos tales como los ácidos carboxílicos o los fenoles presentan propiedades ácidas, mientras que las aminas tienen propiedades básicas. Mientras que en su forma neutra todos ellos suelen ser poco solubles en agua y bastante solubles en disolventes orgánicos inmiscibles con el agua (típicamente, acetato de etilo, diclorometano), tras el tratamiento con una base acuosa, los compuestos con propiedades ácidas forman los correspodientes aniones carboxilato o fenóxido con características de solubilidad totalmente opuestas ya que poseen un carácter iónico que los hace mucho más solubles en medios acuosos. De manera análoga, las aminas se convierten tras tratamiento con un ácido acuoso en las correspondientes sales de amonio solubles en agua.

17 Por otra parte, los carboxilatos y fenóxidos son fácilmente convertibles en el ácido carboxílico o fenol de partida por tratamiento de las disoluciones acuosas que los contienen con ácido clorhídrico recuperando así su insolubilidad en agua. Las aminas se regeneran a partir de los hidrocloruros correspondientes por tratamiento con una disolución de hidróxido sódico. En esta práctica se aprovecharán estos cambios de solubilidad para la separación de una mezcla de varios compuestos. Además, dada su diferencia de pKa, los ácidos y los fenoles pueden separarse en función de la base acuosa empleada: tanto los ácidos carboxílicos como los fenoles reaccionan con NaOH (10%) formando las correspondientes bases conjugadas. Sin embargo, si se utiliza una disolución saturada de NaHCO3 sólo se desprotonan los ácidos más fuertes (ácidos carboxílicos y fenoles con grupos fuertemente atractores de electrones). Secado de compuestos orgánicos

Pequeñas cantidades de humedad pueden inhibir la cristalización de muchos sólidos. Además, muchos líquidos, cuando destilan en presencia de agua, reaccionan con ésta o destilan junto a ella a unas temperaturas diferentes a las de sus puntos de ebullición. Por ello es necesario eliminar el agua de las disoluciones mediante algún procedimiento de secado. En la extracción, como consecuencia del contacto entre la fase acuosa y orgánica, es necesario realizar el secado de la disolución orgánica antes de eliminar el disolvente.

Los agentes desecantes. Los agentes desecantes son sólidos inorgánicos anhidros que se utilizan

para eliminar trazas de agua. Se dividen en tres grupos en función del mecanismo por el que actúan:

18a) sustancias que eliminan el agua de modo reversible por hidratación. Suelen utilizarse para el

secado preliminar y, debido a que actúan reversiblemente, no son aptas cuando hay que refluir o destilar ya que la calefacción revertiría el equilibrio: CaCl2 + nH2O CaCl2.nH2O

El desecante hidratado se separa por filtración. Los desecantes más utilizados de este grupo son: MgSO4, Na2SO4, CaSO4, y K2CO3. De ellos, el sulfato sódico presenta una gran capacidad de secado pero es lento y de baja eficacia. Por el contrario, el sulfato magnésico anhidro es un desecante excelente para todos los fines. Presenta una gran capacidad de secado y es bastante rápido.

b) desecantes que reaccionan químicamente con el agua en un proceso no reversible. En este

caso los productos de reacción son completamente estables y el producto seco se separa del desecante generalmente por destilación. Los más comunes de este tipo son: el ahnídrido fosfórico, que elimina el agua con mucha eficacia y rápidamente, sin embargo es caro y de difícil manejo. El sodio metálico es un agente muy eficaz, especialmente cuando se utliza en forma de hilo muy fino. El sodio debe manejarse con cuidado ya que en contacto con el agua puede ocasionar una explosión violenta. El hidruro cálcico es un desecante poderoso y de gran capacidad de desecación.

P2O5 + 3 H2O → 2 H3PO4 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2 c) agentes adsorbentes que eliminan agua de modo reversible por adsorción de agua en su

superficie. Son la gel de sílice y los tamices moleculares. Estos desecantes no son aptos para calentar a reflujo o destilaciones.

La elección del desecante debe hacerse considerando los siguientes factores:

a) que no reaccione con la sustancia que se va a secar b) cantidad de agua presente y grado de secado necesario c) capacidad de secado: cantidad de agua que elimina por unidad de peso de desecante d) rapidez e) peligrosidad y facilidad de desactivación del residuo f) precio

Secado de las disoluciones orgánicas. Al finalizar el proceso de extracción, antes de eliminar el disolvente en el rotavapor debemos eliminar las trazas de agua que contiene la disolución orgánica como consecuencia del contacto entre las fases acuosa y orgánica y de que los disolventes orgánicos y el agua no son totalmente inmiscibles. Con objeto de minimizar la cantidad de agua en la disolución orgánica, antes de añadir el desecante se suele lavar la fase orgánica con una solución acuosa saturada de cloruro sódico (salmuera) que arrastra el agua presente en la fase orgánica por tener tendencia a incrementar la solvatación de la sal. Por otra parte, al estar la fase acuosa saturada de cloruro sódico hace que el disolvente orgánico y los compuestos orgánicos sean prácticamente insolubles en esta fase. Posteriormente, se añade el desecante. Los más utilizados son el sulfato sódico y el sulfato magnésico anhidros. Ambos son muy eficaces, baratos e inertes a cualquier grupo funcional. La presencia de agua en una disolución orgánica se manifiesta por la aparición de cierta turbidez, que desaparece una vez que el desecante ha cumplido su misión. Si el agente desecante, que es un sólido pulvurulento, queda apelmazado en el fondo del Erlenmeyer es síntoma de agua abundante, y será necesario añadir más desecante hasta que no se observe formación de grumos en el fondo del recipiente. Los pasos a seguir se encuentran representados en las figuras 1 y 2.

19Al desecante que ha quedado en el filtro de pliegues hay que pasarle una cantidad adicional de disolvente para lavarlo, y esta porción unirla a la disolución que se va a eliminar en el rotavapor. Figura 2 Figura 1

Secado de sólidos. El secado de compuestos sólidos se lleva a cabo en un desecador (ver figura 4, práctica 1), que lleva como desecante cloruro cálcico escoriforme en el fondo, separado por una placa perforada. Si el desecador se conecta al vacío, cuando al final se tenga que abrir la llave a la atmósfera, se recomienda colocar un trozo de papel de filtro en la llave de apertura para frenar la entrada de aire y evitar que el sólido y el desecante sean arrastrados por la corriente de aire. CROMATOGRAFIA La cromatografía en capa fina (en inglés thin layer chromatography o TLC) es una técnica analítica rápida y sencilla, muy utilizada en un laboratorio de Química Orgánica. Entre otras cosas permite: - Determinar el grado de pureza de un compuesto. Se puede determinar así, por ejemplo, la efectividad

de una etapa de purificación. - Comparar muestras. Si dos muestras corren igual en placa podrían ser idénticas. Si, por el contrario,

corren distinto entonces no son la misma sustancia. - Realizar el seguimiento de una reacción. Es posible estudiar cómo desaparecen los reactivos y cómo

aparecen los productos finales o, lo que es lo mismo, saber cuando la reacción ha acabado. La muestra a analizar se deposita cerca de un extremo de una lámina de plástico o aluminio que previamente ha sido recubierta de una fina capa de adsorbente (fase estacionaria). Entonces, la lámina se coloca en una cubeta cerrada que contiene uno o varios disolventes mezclados (eluyente o fase móvil). A medida que la mezcla de disolventes asciende por capilaridad a través del adsorbente, se produce un reparto diferencial (similar al que se produce en el proceso de extracción líquido-líquido) de los productos presentes en la muestra entre el disolvente y el adsorbente. ADSORBENTES Y ELUYENTES Los dos adsorbentes (fase estacionaria) más ampliamente utilizados son la gel de sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3), ambas de carácter polar. La alúmina anhidra es el más activo de los dos, es decir, es el que retiene con más fuerza a los compuestos; por ello se utiliza para separar compuestos relativamente apolares (hidrocarburos, haluros de alquilo, éteres, aldehidos y cetonas). La gel de sílice, por el contrario,

20se utiliza para separar sustancias más polares (alcoholes, aminas, ácidos carboxílicos). El proceso de adsorción se debe a interacciones intermoleculares de tipo dipolo-dipolo o enlaces de hidrógeno entre el soluto y el adsorbente. El adsorbente debe ser inerte con las sustancias a analizar y no actuar como catalizador en reacciones de despomposición, etc. La gel de sílice presenta un carácter ácido, mientras que la alúmina puede adquirirse con carácter neutro, ácido y básico. El orden de elución de un compuesto se incrementa al aumentar la polaridad de la fase móvil o eluyente. El eluyente puede ser un disolvente único o dos miscibles de distinta polaridad. En el siguiente recuadro se recoge por orden creciente de fuerza eluyente los disolventes más comunmente empleados en cromatografía sólido-líquido.

Hexano ~ éter de petróleo < tetracloruro de carbono < cloroformo < cloruro de metileno < tetrahidrofurano

< acetato de etilo < acetona < isopropanol < metanol < agua

En general, estos disolventes se caracterizan por tener bajos puntos de ebullición y viscosidad, lo que les permite moverse con rapidez. Raramente se emplea un disolvente mas polar que el metanol. Usualmente se emplea una mezcla de dos disolventes en proporción variable; la polaridad de la mezcla será el valor promediado en función de la cantidad de cada disolvente empleada. El eluyente idóneo para cada caso ha de encontrarse por "el método del ensayo y del error". Determinación del Rf: La retención se puede explicar en base a la competencia que se establece entre el soluto a separar y la fase móvil por adsorberse a los centros activos polares de la fase estacionaria. Así, las moléculas de soluto se encuentran adsorbidas en la fase estacionaria y a medida que se produce la elución van siendo desplazadas por la fase móvil. La retención y la selectividad en la separación dependen de los valores respectivos de las constantes de los diferentes equilibrios químicos que tienen lugar, que están en función de: - la polaridad del compuesto, determinada por el número y naturaleza de los grupos funcionales presentes. Los solutos más polares quedarán más retenidos puesto que se adsorben más firmemente a los centros activos de la fase estacionaria, mientras que los no polares se eluirán con mayor facilidad. - naturaleza del disolvente. Así, para un mismo compuesto, un aumento en la polaridad del disolvente facilita su desplazamiento en la placa.

21Polaridad Orden de

elución Tipo de compuesto

Menor

Mayor

Menor retención

Mayor retención

Alcanos Alquenos Dienos Eteres

Derivados halogenados Aromáticos

Aldehídos y cetonas Esteres Aminas

Alcoholes y tioles Fenoles

Acidos carboxílicos Acidos sulfónicos

La relación entre las distancias recorridas por el soluto y por el eluyente desde el origen de la placa se conoce como Rf, y tiene un valor constante para cada compuesto en unas condiciones cromatográficas determinadas (adsorbente, disolvente, tamaño de la cubeta, temperatura, etc.). Debido a que es prácticamente imposible reproducir exactamente las condiciones experimentales, la comparación de una muestra con otra debe realizarse eluyendo ambas en la misma placa. Para calcular el Rf se aplica la siguiente expresión: Rf = distancia recorrida por el compuesto (X) / distancia recorrida por el eluyente (Y) La distancia recorrida por el compuesto se mide desde el centro de la mancha. Si ésta es excesivamente grande se obtendrá un valor erróneo del Rf. Se recomienda elegir un eluyente en el que los componentes de la mezcla presenten un Rf medio entorno a 0.3-0.5. Para compuestos poco polares, se debe utilizar un disolvente apolar como el hexano. En el caso de compuestos con polaridad media, se aconseja utilizar mezclas hexano/acetato de etilo en distintas proporciones. Los productos más polares, requieren disolventes más polares como mezclas de cloruro de metileno/metanol en distintas proporciones. Revelado de las placas: La mayor parte de las placas de cromatografía llevan un indicador fluorescente que permite la visualización de los compuestos activos a la luz ultravioleta (254 nm). El indicador absorbe la luz UV y emite luz visible. La presencia de un compuesto activo en el UV evita que el indicador absorba la luz en la zona en la que se encuentra el producto, y el resultado es la visualización de una mancha en la placa que indica la presencia de un compuesto. En el caso de compuestos que no absorben luz UV, la visualización (o revelado) del cromatograma requiere utilizar un agente revelador (vapores de yodo, mezclas basadas en: ácido sulfúrico, 2,4-dinitrofenilhidrazina, permanganato, ninhidrina, p-anisaldehido, vainillina, ácido fosfomolíbdico,...). Este tiene que reaccionar con los productos adsorbidos proporcionando compuestos coloreados. Objetivos

22En esta práctica se llevará a cabo la separación de tres compuestos orgánicos, ácido benzóico, 4-aminobenzoato de etilo y 9-fluorenona, aprovechando sus propiedades ácido-base. Ácido benzoico 4-aminobenzoato de etilo 9-fluorenona En concreto, se aprovecharán las propiedades ácidas del ácido benzoico y las propiedades básicas del 4-aminobenzoato de etilo. Sin embargo, la 9-fluorenona, que contiene un grupo carbonilo en su estructura, es un compuesto neutro. Una vez separados, se determinará la efectividad de la separación y por tanto la pureza de cada uno de los componentes por cromatografía en capa fina. Procedimiento - Entregar al profesor un Erlenmeyer de 50 ml para la muestra problema. - Comprobar que el embudo de decantación funciona perfectamente. Tanto el tapón como la llave deben ajustar perfectamente para evitar pérdidas. Si la llave es de vidrio debe darse una pequeña cantidad de grasa en el esmerilado (muy poca, para no obstruir el canal) para que ésta gire perfectamente sin que haya pérdidas. Esto no es necesario si la llave es de teflón. El tapón no debe engrasarse nunca. Para evitar que se quede adherido deben estar perfectamente limpios tanto el tapón como la boca, sin restos de compuestos orgánicos. - Guardar en un vial una pequeña cantidad de disolución problema (aprox. 0,5 ml) para utilizarla más adelante como referencia en la cromatografía. - El resto de la disolución se introduce en un embudo de decantación de 100 ml. Previamente, el embudo se ha debido colocar en un soporte (con la ayuda de una pinza o un aro metálico) y se ha comprobado que la llave está cerrada. Por precaución se coloca debajo un recipiente (vaso de precipitados o erlenmeyer) con capacidad suficiente para contener el volumen total de las disoluciones que se van a introducir en el embudo. La muestra problema se introduce con la ayuda de un embudo cónico. A continuación se tapa la parte superior. Ver figura 3. Figura 3 - Separación y aislamiento del compuesto básico: Se añaden 10 ml de HCl 10% y se efectúa una primera extracción. Para ello la mezcla se agita con ambas manos. Al principio debe agitarse suavemente

OH

O

OCH2CH3

O

H2N

O

23eliminando el exceso de presión que se produce abriendo la llave con cuidado mientras se mantiene el embudo invertido (cuidado no apuntar a otra persona cercana). Cuando ya no hay sobrepresión, agitar vigorosamente para el mejor mezclado de las fases, abriendo de vez en cuando la llave. Al agitar se aumenta el área de contacto entre las fases inmiscibles, produciendo una equilibración más rápida del soluto entre los dos líquidos. Se coloca de nuevo el embudo en el soporte, se quita el tapón y se espera a que la separación de fases sea completa. En cualquier separación, la fase inferior siempre se saca a través de la llave, mientras que la superior debe hacerse por la boca del embudo, una vez eliminada la parte inferior. Si la fase superior tiene que extraerse de nuevo, no es necesario sacarla del embudo! Asimismo, como consejo, no debe tirarse ninguna de las fases separadas hasta no estar seguro de saber cual es la que nos interesa. Verter la fase acuosa en un Erlenmeyer de 100 ml y extraer la fase orgánica con otros 10 ml de HCl al 10%. Verter la nueva fase acuosa en el otro Erlenmeyer. Enfriar en un baño de hielo las fases acuosas ácidas y añadir lentamente NaOH 10% hasta que el pH sea básico (papel indicador). Mantener el Erlenmeyer un tiempo en el baño de hielo para permitir la precipitación de la amina. Algunas veces primero aparece un aceite que solidifica con el tiempo. Si aparece precipitado en los dos Erlenmeyer, repetir la operación una vez más, hasta que la amina no precipite tras añadir NaOH al 10%. Filtrar el sólido a presión reducida utilizando un embudo Buchner y colocarlo a continuación sobre un vidrio de reloj para que termine de secarse en el desecador. Medir el punto de fusión del producto seco. - Separación y aislamiento del compuesto ácido: Utilizando la disolución orgánica procedente de la extracción anterior realizar el mismo procedimiento con 2 x 10 ml de NaOH al 10%, reuniendo las fases acuosas en Erlenmeyer de 100 ml diferentes. Nunca tirar la fase orgánica residual. Enfriar los Erlenmeyer en una baño de hielo y añadir lentamente la candidad suficiente de HCl 10% para alcanzar pH ácido (2-3). Mantener el erlenmeyer durante 10-15 min. en el baño de hielo hasta la que la precipitación sea completa. Filtrar el sólido a presión reducida utilizando el embudo Buchner y lavarlo con dos porciones de 4 ml de agua. Dejar que el sólido se seque un poco en el Buchner ya continuación pasarlo a un vidrio de reloj para que termine de secarse en el desecador. Medir el punto de fusión del producto seco. - Aislamiento del compuesto neutro: Lavar la fase orgánica en el embudo de decantación con dos porciones de disolución saturada de NaCl, despreciando las fases acuosas. Transferir la fase orgánica a un

OCH2CH3

O

H2N

HCl OCH2CH3

O

H3N ClNaOH soluble en H2Oinsoluble en H2O

OH

O

HCl

NaOHO

O

Na

insoluble en H2O soluble en H2O

24erlenmeyer y añadir NasSO4 anhidro. Dejar actuar el desecante durante 10-15 minutos, agitando de vez en cuando; si el desecante se apelmaza (es decir, no tiene aspecto pulvurulento cuando se agita) habrá que añadir más. Filtrar la mezcla a través de un filtro de pliegues, recogiéndola en un matraz seco previamente tarado (ver figura 2). Eliminar el disolvente a presión reducida usando un rotavapor. Medir el punto de fusión del producto seco. - Cromatografía: En tres viales diferentes disolver una pequeña cantidad de las muestras aisladas en la práctica de extracción (usualmente en diclorometano o acetato de etilo). Con ayuda de un fino capilar de vidrio se depositan unas gotas de estas disoluciones en la placa de cromatografía, a cierta distancia del borde (Figura 4(a) y (b). También se depositan unas gotas de la muestra problema inicial para que sirva de referencia. Figura 4 Tras dejar evaporar el disolvente de la placa, ésta se deposita dentro de una cubeta de cromatografía, a la que previamente se ha añadido una pequeña cantidad del eluyente deseado. Hay que tener cuidado de que el nivel de eluyente esté por debajo del punto donde ha sido "pinchado" el producto (Figura 4 (c)). Se tapa la cubeta y se deja que el eluyente ascienda por capilaridad. Antes de que el frente del disolvente llegue al otro extremo de la placa, esta se saca de la cubeta con unas pinzas y con un lápiz se hace una señal indicando hasta dónde ha llegado el eluyente. Tras dejar evaporar el disolvente de la placa, revelar la placa mirando en el visor de UV. Una vez que se ha encontrado el eluyente adecuado para separar la mezcla de productos, determinar el Rf de los compuestos. Concluir acerca de la eficiencia en la separación de ácido benzóico, 4-aminobenzoato de etilo y 9-fluorenona mediante la técnica de extracción.

25

SEMANA 2

• Práctica 4: Síntesis del Cloruro de terc-butilo • Práctica 5: Extracción de la cafeína

• Práctica 6: Síntesis de la aspirina

26PRACTICA 4: La Sustitución Nucleófila Alifática: Síntesis del Cloruro de terc-butilo

INTRODUCCIÓN En una sustitución nucleófila, un nucleófilo (Nu-) reemplaza a un grupo saliente (X-) unido a un átomo de carbono. Dependiendo de las condiciones de reacción, la fortaleza del nucleófilo y sobre todo de la estructura del sustrato de partida, el mecanismo por el que transcurre la reacción de sustitución nucleófila es diferente: se favorece un mecanismo concertado, de tipo bimolecular (SN2), en el caso de sustratos primarios y nucleófilos fuertes, mientras que la sustitución unimolecular (SN1) transcurre en dos etapas: a) el grupo saliente es expulsado y se forma un carbocatión intermedio (etapa lenta) y b) el nucleófilo ataca al carbocatión intermedio (etapa rápida). Etapa 1: Etapa 2: Los alcoholes no dan reacciones de sustitución nucleófila debido a que el grupo saliente (OH-) es poco estable. La estabilidad del grupo saliente aumenta al hacerlo la acidez del ácido conjugado (en este caso, el agua). Por este motivo, suelen ser los haloalcanos los sustratos más utilizados en reacciones de sustitución, ya que los correspondientes aniones halogenuro son bases muy débiles y estables.

CH3CH2CH2CH2–OH + Na(+) CN(–) No reacciona

De manera indirecta, los alcoholes pueden participar en reacciones de sustitución nucleófila transformando el grupo funcional hidroxilo (OH) en un buen grupo saliente. Una de las posibilidades consiste en llevar a cabo la reacción de sustitución en un medio ácido fuerte, de tal manera que el grupo –OH se convierte en –OH2

+. Ahora sí, el ión hidronio (H3O(+)) es un ácido fuerte, y su base conjugada, el

H2O, un buen grupo saliente. La mayoría de los nucleófilos (incluyendo el cianuro) son básicos, y al protonarse pierden su carácter nucleófilo en medios ácidos. Sin embargo, esto no ocurre con los iones

C C

H X

Nu C C

H Nu

X

R X

Nu

R X

R R Nu

27haluro, ya que son bases más débiles que los alcoholes. Por tanto, los ácidos HBr y HCl suelen emplearse con frecuencia para transformar alcoholes en los correspondientes haluros de alquilo.

OBJETIVOS Se va a sintetizar el cloruro de terc-butilo a partir de terc-butanol, utilizando el ión cloruro como nucleófilo.

Reactivos Cantidad (peso/volumen)

HCl concentrado 70 ml terc-butanol (2-Metil-2-propanol)

18,5 g

Precauciones El ácido clorhídrico es corrosivo y debe manejarse en la vitrina. Procedimiento En un erlenmeyer de 100 ml se coloca el ácido clorhídrico concentrado y se enfría exteriormente con un baño de hielo hasta que la temperatura interior sea de unos 5 ºC. El ácido frío se añade a un embudo de decantación que contenga el terc-butanol. La mezcla se agita vigorosamente durante 5 minutos, y de vez en cuando durante unos 20 minutos. Se deja en reposo el embudo de decantación para que las dos fases se separen nítidamente y se decanta, despreciando la capa de ácido clorhídrico acuoso. El producto se lava con 10-15 ml de agua, y una o varias veces con porciones de 10 ml de disolución saturada de bicarbonato sódico hasta neutralizar el ácido. El cloruro de tert-butilo se transfiere a un erlenmeyer y se seca con CaCl2 anhidro. El líquido se filtra sobre un matraz y se destila. Cuestiones - Calcular el rendimiento de la reacción. - ¿Por qué se debe mantener la temperatura de la reacción por debajo de 5 ºC? - ¿Porque se seca con cloruro cálcico? ¿Qué otro desecante se podría utilizar?

CH3

C OHH3CCH3

HClCH3

C ClH3CCH3

28PRACTICA 5: Extracción de un Producto Natural: la Cafeína

Introducción Los alcaloides son una familia de productos naturales que se caracterizan por la presencia de nitrógeno en su estructura, lo que les confiere propiedades básicas, (o alcalinas). Suelen ser sustancias amargas y/o tóxicas, cuyo papel es proteger a las plantas de los insectos y otros animales herbívoros, haciéndolas poco atractivas. Muchos de ellos son drogas que son utilizadas en la industria farmacéutica debido a sus propiedades anestésicas, como la morfina, la cocaina y la codeina, entre otros usos.

Dependiendo de su estructura, existen diferentes tipos de alcaloides, entre los que encontramos los de tipo purina. La purina es un heterociclo aromático que contiene un anillo de pirimidina fusionado a un anillo de imidazol. Por tanto, su estructura está muy relacionada con la de bases púricas como la guanina, constituyente de los nucleótidos que componen el ADN. Dentro de este grupo de alcaloides se encuentran también la xantina y su derivado trimetilado, la cafeína.

N

N NH

N

purina

HN

N NH

N

guanina

O

H2N

HN

NH

NH

N

xantina

O

O

N

N N

NO

O

CH3H3C

CH3

cafeina La cafeína es uno de los alcaloides más conocidos debido a que se halla presente en muchas bebidas y medicamentos corrientes, como por ejemplo, en el té, café, mate, cacao, gaseosas del tipo cola, analgésicos y estimulantes. Entre los alcaloides del tipo xantina, la cafeína es el más potente y provoca euforia, evita la fatiga y actúa como vasomotor a nivel medular, entre otros efectos. Como muchas drogas, puede producir adición. La ingesta excesiva de cafeína puede producir inquietud, irritabilidad, insomnio y dolores musculares. Puede llegar a ser letal, aunque para ello sea necesario consumir 5.000 mg de cafeína, el equivalente a 40 tazas cargadas de café consumidas en un periodo excesivamente corto de tiempo. Una taza de café contiene entre 60 y 100 mg de cafeína, una taza de té contiene aproximadamente la mitad de la cantidad anterior, una chocolatina 10 mg y una lata de coca-cola unos 43 mg de cafeína. La cafeína presenta una alta solubilidad en agua (2,2 mg/mL a 25ºC, 670 mg/mL a 100ºC), aunque también es muy soluble en disolventes orgánicos tales como el diclorometano. En nuestra vida cotidiana extraemos la cafeína utilizando agua como disolvente cuando preparamos un café o una infusión de té. Se trata en este caso de una extracción sólido-líquido. El sólido es en realidad una mezcla de compuestos, de la que queremos separar idealmente uno solo de sus componentes aprovechando sus diferentes solubilidades en el disolvente empleado para la extracción. Así conseguimos aislar nuestro compuesto deseado de la disolución, obteniendo un residuo sólido que se desecha. El residuo sólido no deseado puede eliminarse simplemente por filtración (como en el caso de preparar una taza de café) o decantación (retirando las bolsitas de té después de la extracción).

29 Sin embargo, el método más eficaz para realizar una extracción sólido-líquido en el laboratorio es usando un aparato denominado Soxhlet (Figura 1). El sólido que debe extraerse se coloca en un cartucho de celulosa, que se introduce en el Soxhlet tal como indica la figura. El matraz contiene el disolvente utilizado en la extracción, que al evaporarse por calefacción se condensa en el refrigerante y así va extrayendo el componente deseado del sólido que se encuentra en el cartucho, que pasa a la disolución. Cuando el nivel de la disolución alcanza la parte superior del sifón, la disolución se sifona y pasa por completo al matraz, donde se acumula el material extraído. El proceso se repite varias veces, puediendose utilizar muy poca cantidad de disolvente ya que éste se recupera en cada ciclo.

30

Figura 1. Equipo Soxhlet Objetivos Extracción de la cafeína presente en el café molido común. Procedimiento Se pesan 20 g de café molido común y se colocan dentro del cartucho del equipo Soxhlet. El Soxhlet se conecta a un matraz de 500 ml que contiene 250 ml de diclorometano y a un refrigerante. Se calienta el matraz bajo agitación y se deja extraer durante dos horas. El extracto se deja enfriar y se concentra un poco en el rotavapor. Se analiza por cromatrografía en capa fina, utilizando como referencia cafeína pura y como eluyente una mezcla de diclorometano:acetato de etilo (2:3). En esta placa se observará más de una mancha, debido a que junto a la cafeína se extraen otros componentes del café. Finalmente, el disolvente se elimina a sequedad en el rotavapor. El residuo se recristaliza de una mezcla de acetona caliente/hexano. La disolución se enfría en un baño de hielo, recogiéndose el sólido por filtración a vacío. Debería obtenerse un sólido blanco (P.f. 236ºC). Cuestiones - Calcular el porcentaje de cafeína presente en el café molido utilizado. - Teniendo en cuenta que la cafeína es un sólido blanco, ¿a qué se debe el color del extracto de cafeína? - Identificar los nitrógenos básicos en las estructura de la cafeína.

refrigerante

Cartucho de celulosa

Sólido a extraer sifón

Placa calefactora

31PRACTICA 6: Reacciones de Esterificación: Síntesis del Ácido acetilsalicílico (aspirina)

INTRODUCCIÓN La reacción entre un alcohol (o fenol) y un derivado de ácido carboxílico en presencia de un catalizador ácido fuerte da lugar a la formación de un ester. Los anhídridos de ácido experimentan las mismas reacciones que los cloruros de ácido, pero de forma más lenta. Además, el subproducto formado en la reacción es un ácido carboxílico y no HCl. En las reacciones de acetilación de alcoholes (o fenoles) suele utilizarse más el anhídrido acético que el cloruro de acetilo. A las razones anteriores se suma que el anhídrido acético es más barato, menos volatil y más manejable.

R-OHO

O O H+ (cat.)

OH

O

R-O

O

Reacción de acetilación

La aspirina es un medicamento muy versátil, con propiedades analgésicas, antipiréticas y antiinflamatorias. Aunque como todos los medicamentos presenta efectos secundarios, la aspirina es uno de los medicamentos más seguros, baratos y eficaces que se consumen. Fué introducido en el mercado por la compañía Bayer en 1899. Actualmente aún sigue siendo muy utilizada con fines terapeúticos, por lo que su síntesis presente un gran interés desde el punto de vista industrial. La preparación de la aspirina (ácido acetilsalicílico) puede realizarse por acetilación del ácido 2-hidroxibenzoico (ácido salicílico):

El problema de esta síntesis es la presencia de dos grupos funcionales reactivos en el ácido salicílico (ácido carboxílico y fenol) que en presencia de un catalizador ácido pueden dar lugar también a la formación de un éster, en este caso un polímero, por reacción del hidroxilo de una molécula con el grupo funcional ácido carboxílico de otra. Afortunadamente, el polímero formado puede separarse facilmente de la aspirina debido a que las correspondientes sales sódicas formadas por tratamiento con una base presentan una diferente solubilidad en agua. Objetivo

OH

O OH

O

O O H2SO4 (cat.) O

O OH

O

OH

O

Acido salicílicoo

2-hidroxibenzoicoAnhídrido acético Acido acetilsalicílico

Acido acético

32Se llevará a cabo la síntesis de la aspirina, a partir del ácido 2-hidroxibenzoico y del anhídrido acético, como ejemplo de rección de acetilación de fenoles. Asimismo, se aplicará el concepto de extracción ácido-base aprendido en la práctica 3 en el proceso de aislamiento y purificación de la aspirina. Reactivo Cantidad/práctica Acido salicílico (Ac. 2-hidroxibenzoico)

2 g

Anhídrido acético 5 ml Ácido sulfúrico concentrado

5 gotas

Precauciones

• El ácido salicílico es tóxico y un irritante de la piel, ojos, mucosas y tracto respiratorio superior. Evitar respirar el polvo. Evitar el contacto con la piel, ojos y ropa.

• El anhídrido acético es un producto tóxico e irritante, por tanto evitar respirarlo y ponerlo en contacto con la piel. Manipular en vitrina.

• El ácido sulfúrico es muy corrosivo, por lo que hay que manejarlo con mucho cuidado. Procedimiento Se coloca el ácido salicílico en un matraz de 100 ml y se añaden el anhídrido acético y el ácido sulfúrico concentrado. Se agita suavemente hasta que el ácido salicílico se disuelva. Se calienta la disolución a 80-100 ºC durante 15 minutos. Se deja enfriar la reacción a temperatura ambiente y a continuación se enfría externamente con un baño de hielo. Cuando la mezcla está fría se adicionan 50 ml de agua fría (manteniendo la mezcla en el baño de hielo). El sólido formado se filtra y se lava varias veces con agua-hielo. El sólido se pasa a un erlenmeyer y se adicionan 25 ml de una disolución acuosa saturada de NaHCO3. Cuando termina el burbujeo de CO2 la mezcla se filtra, y el filtrado se pasa a un erlenmeyer limpio al que se adiciona lentamente HCl 3M hasta pH ácido. Después de enfriar la mezcla en un baño de hielo el producto se filtra y se lava varias veces con agua-hielo. Se deja secar el producto y se recristaliza de una mezcla de etanol/agua. Cuestiones - Determinar el rendimiento de la reacción y el punto de fusión de la aspirina. - Durante la acetilación se forma también una pequeña cantidad de un producto polimérico. Escribir su estructura. - Escribir las reacción ácido-base que tienen lugar en el procedimiento.

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SEMANA 3

• Práctica 7: Síntesis de un colorante azoico • Práctica 8: Síntesis de estilbenos por reacción de Wittig

34PRACTICA 7: Preparación de un colorante azoico: el rojo para

INTRODUCCIÓN Un colorante (o tinte) es una sustancia capaz de teñir las fibras vegetales y animales. Los colorantes se han usado desde los tiempos más remotos, empleándose para ello diversas materias procedentes de vegetales (cúrcuma, índigo natural, etc.) y de animales (cochinilla, moluscos, etc.) así como distintos minerales. En la actualidad, la industria química de los colorantes desarrolla tintes sintéticos, cubriendo una alta gama de colores. Por ejemplo, un colorante para la industria textil debe cumplir algunas características esenciales como estabilidad a la luz, resistencia al lavado, además de las condiciones sanitarias correspondientes. Los colorantes se clasifican en función de la unidad estructural que los caracteriza. Los principales grupos son: los azoicos, los colorantes de tipo índigo y los de tipo trifenil metano. El grupo azo es un grupo funcional del tipo R-N=N-R'. Los compuestos que contienen este grupo funcional se denominan azoderivados, compuestos azoicos, o azocompuestos. Cuando el grupo azo está conjugado con dos anillos aromáticos, el compuesto azoico absorbe intensamente la radiación electromagnética en el espectro visible, por lo que presenta coloración. Estos compuestos se emplean por tanto como colorantes en la industria textil, papelera, alimentaria, etc. Por ejemplo, el p-dimetilaminoazobenceno se empleó como colorante en la margarina. La fabricación de los colorantes azoicos tiene lugar mediante reacción de acoplamiento de una sal de diazonio procedente de una arilamina primaria con otra amina aromática o un fenol.

N N

sal de diazonio

XH

R2

X = NH, O

N N

R2

R1

R1azocompuesto

Funcionalización de derivados aromáticos por Sustitución Electrófila Aromática: Las anilinas son compuestos de partida en la síntesis de los colorantes azoicos. La funcionalización de los derivados aromáticos (especialmente los que poseen sustituyentes activantes, dadores de electrones) puede hacerse por reacción de sustitución electrófila aromática. Una de las más comunes es la reacción de nitración de derivados aromáticos. La nitración de anilinas debe llevarse a cabo sobre sustratos “protegidos” para evitar, por una parte la protonación de la amina, que daría lugar a un sustrato aromático desactivado frente a la sustitución electrófila aromática, y por otra parte debido a la sensibilidad de las anilinas frente a la oxidación. Por ello suelen utilizarse los N-acetilderivados, es decir, las acetanilidas. Al contrario que las anilinas, la acetanilidas no son básicas y son más estables a la oxidación. Además, es un grupo funcional moderadamente activante de la sustitución electrófila aromática que orienta mayoritariamente a la posición para del anillo aromático.

NHCCH3

ONCCH3

ONCCH3

O

etc

35Hidrólisis de Amidas: Las amidas son compuestos bastante inertes: por ejemplo, no son susceptibles al ataque del agua como nucleófilo (reacción de hidrólisis) en ausencia de un catalizador. Sin embargo, las amidas pueden hidrolizarse en condiciones ácidas, ya que se aumenta la electrofilia del grupo carbonilo frente al ataque del nucleófilo mediante la protonación del oxígeno del grupo carbonilo.

RNHCCH3

O HRNHCCH3

OH H2ORNHCCH3

OH2

OH

H2ORNHCCH3

OH

OHH3O

RNH2CCH3

OH

OHCCH3

OH

HORNH2CCH3

O

HORNH3

Formación de sales de diazonio (reacción de diazotación): Las sales de diazonio se forman por reacción de una amina con el ácido nitroso en condiciones ácidas. El ácido nitroso (HNO2) no es estable y debe preparse in situ por reacción de una disolución acuosa de nitrito sódico y HCl (o H2SO4). El ión nitroso (NO+) atacará al nitrógeno de la amina, formándose la sal de diazonio tras varios pasos de reacción. OBJETIVOS Síntesis del colorante azoico rojo para a partir de p-nitroanilina y 2-naftol. La p-nitroanilina se preparará también en el laboratorio a partir de acetanilida a pesar de ser un reactivo comercial. El procedimiento global consta de dos partes diferenciadas:

1) Preparación de la p-nitroanilina a partir de acetanilida. Esta síntesis requiere a su vez dos etapas: la primera de ellas una reacción de nitración de la acetanilida, y la segunda la desprotección del grupo amino, por hidrólisis ácida de la amida.

NHCOCH3

H2SO4

HNO3

NHCOCH3

NO2

H2OHCl

NH2

NO2acetanilidap-nitroanilina

2) Reacción de acoplamiento. En primer lugar se genera la sal de diazonio de la p-nitroanilina

(reacción de diazotación) por tratamiento con nitrito sódico en medio ácido. Esta se utiliza inmediatamente en la reacción de acoplamiento con el 2-naftol para dar lugar al colorante rojo para.

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N N

NO2

NH2

NO2

H2O/H+

NaNO2

NaOH/H2O

OH

N N

NO2

OH

Reactivos Cantidad

(peso/volumen) Acetanilida 5,4 g H2SO4 concentrado 14,6 ml HNO3 concentrado 2,6 ml 4-nitroanilina 1,4 g Nitrito sódico 0,75 g 2-naftol 1,5 g NaOH 2N 10 ml Precauciones - El ácido sulfúrico y el ácido nítrico son corrosivos. Las salpicaduras de ácido nítrico provocan manchas amarillentas en la piel que desaparecen al cabo de unos días. - La mezcla sulfonítrica se prepara aparte y por supuesto en la vitrina, añadiendo poco a poco el sulfúrico sobre el nítrico. Se deja enfriar (sin usar baño de hielo). Procedimiento Preparación de la 4-nitroanilina: Se añade la acetanilida en pequeñas porciones sobre 12 ml de ácido sulfúrico concentrado contenidos en un Erlenmeyer, agitando continuamente. Se enfría exteriormente con hielo y se añade lentamente, gota a gota y bajo agitación, una mezcla sulfonítrica formada por 2,6 ml de ácido sulfúrico concentrado y 2,6 ml de ácido nítrico concentrado, evitando que la temperatura de la reacción suba por encima de 35ºC. Tras la adición, se quita el baño de hielo y se deja que la reacción repose a temperatura ambiente durante 10 minutos. El contenido del Erlenmeyer se vierte entonces en un vaso de precipitados de 500 ml que contiene hielo picado hasta la mitad. El precipitado formado se filtra a vacío con un Büchner y se lava varias veces con agua helada (30 ml) (Nota). El sólido resultante se transfiere a un matraz de 250 ml y se añaden 80 ml de agua, agitando hasta conseguir una pasta homogénea. Se añaden cuidadosamente 28 ml de ácido clorhídrico concentrado y se calienta a reflujo unos 30-35 min. El matraz se enfría exteriormente y la mezcla de reacción se vierte nuevamente sobre hielo picado. Se añade hidróxido amónico hasta que la solución sea básica, el sólido obtenido se filtra a vacío y se lava con agua. Se recristaliza una alícuota en agua (p.f. p-nitroanilina = 146 ºC). Nota: para calcular el rendimiento de la reacción de nitración debe tomarse una alícuota y dejarla secar bien, extrapolando entonces la pérdida de peso al total del producto crudo obtenido. Síntesis del colorante rojo para: La sal de diazonio de la 4-nitroanilina se prepara añadiendo gota a gota, bajo agitación, una solución de nitrito sódico en un poco de agua sobre una disolución de 4-nitroanilina en 5 ml de ácido sulfúrico al 50% contenida en un Erlenmeyer de 25 ml y enfriada

37exteriormente con un baño de hielo/sal. El ritmo de la adición se regula de forma que la temperatura de la disolución no sobrepase los 0-5ºC. La solución de sal de diazonio recién preparada y fría se añade bajo agitación sobre una disolución de 2-naftol en 10 ml de hidróxido sódico 2N. Debe controlarse que el pH sea alcalino tras la adición (incluso puede añadirse algo más de hidróxido sódico si es preciso). El colorante precipita en el medio de reacción. Para que la precipitación sea completa puede añadirse algo de cloruro sódico. Se filtra a vacío y se purifica una alícuota del producto por lavado con agua helada y posterior recristalización en tolueno (p.f. rojo para = 246-248 ºC).

Cuestiones - Determinar el rendimiento de cada una de las etapas y el global. - Describir la reacción que se produce entre el ácido sulfúrico y el ácido nítrico. - ¿Por qué es necesario añadir el hidróxido amónico tras la reacción de hidrólisis? - Escribir el mecanismo de la reacción de formación del colorante. - ¿Por qué se utiliza el 2-naftol en una disolución de hidróxido sódico 2N?

38PRACTICA 8: La Reacción de Wittig: Síntesis de Estilbenos

INTRODUCCIÓN La Reacción de Wittig, debe su nombre a su descubridor, Georg Wittig, galardonado con el premio Nobel en 1979. Pertenece a un grupo de procesos químicos muy importantes en los que se crean enlaces carbono-carbono. En concreto, es uno de los mejores métodos para la obtención de alquenos a partir de compuestos carbonílicos. En su formulación original, la reacción de Wittig emplea un iluro de fósforo como nucleófilo, que ataca a un sustrato de tipo aldehído o cetona.

PPh3

R2

R1 O

R3 R4 R2

R3

R4

R1

Ph3P=O

Los hidrógenos en alfa a las sales de fosfonio son particularmente ácidos debido a la posible estabilización por resonancia de las especies carbaniónicas resultantes. La desprotonación de las sales de fosfonio normalmente requiere de bases fuertes (BuLi) para formar el iluro. Los iluros de fósforo pueden representarse bien como una especie con una carga positiva sobre el fósforo y una carga negativa sobre el carbono, o con un doble enlace carbono-fósforo. A estas especies se las denomina fosforanos.

PPh3

R2

R1 PPh3

R2

R1PPh3

R2

R1base

sal de fosfonio iluro de fósforo fosforano Los iluros de fósforo suelen utilizarse in situ, inmediatamente después de formarse, ya que son especies muy reactivas e inestables al agua y al oxígeno. La utilización de la catálisis por transferencia de fase permite la utilización de bases más débiles como hidróxido sódico en medios acuosos, y tampoco requiere una atmósfera inerte. En estos casos, la sal de fosfonio además de cómo reactivo actúa como catalizador de transferencia de fase, intercambiando iones cloruro por iones hidroxido de la fase acuosa. La desprotonación de la sal de fosfonio ocurre en el medio orgánico, donde el ión hidróxido es más básico.

Los iluros de fósforo son especies nucleófilas que atacan a grupos carbonilos, aldehídos y cetonas, generando un intermedio cíclico de cuatro miembros (oxafosfetano). Estos oxafosfetanos son especies inestables que por extrusión conducen al alqueno y al óxido de trifenilfosfina (cuando se utilizan sales de trifenilfosfonio). La fuerza impulsora de la reacción es la formación de un enlace tan fuerte

como el doble enlace fósforo-oxígeno. OBJETIVOS

Fase orgánica

Fase acuosa

PPh3 Cl

Na OH

Fase orgánica

Fase acuosa

PPh3 Cl

Na OH

39En la práctica se van a sintetizar y separar los dos isómeros geométricos (cis y trans) del 1,2-difeniletileno (estilbeno). El procedimiento consta de dos etapas: 1) formación de la sal de la sal de benciltrifenilfostonio. 2) reacción del iluro de benciltrifenilfosfonio generado in situ con benzaldehído.

Reactivos Cantidad (peso/volumen)

Cloruro de bencilo 3,0 g trifenilfosfina 9,0 g benzaldehído 1,0 g Cloruro de benciltrifenilfosfonio 4,0 g Hidróxido sódico al 50% 10 ml Precauciones El cloruro de bencilo es muy lacrimógeno. Manejarlo con mucha precaución y solo en vitrina. Procedimiento En un matraz de 100 ml se añaden el cloruro de bencilo, la trifenilfosfina y el xileno (45 ml). Se conecta a un refrigerante y la mezcla se calienta a reflujo durante al menos 3 horas bajo agitación vigorosa. Tras dejar enfriar y reposar se filtran a vacío los cristales formados de cloruro de benciltrifenilfosfonio. Se lavan con varias porciones pequeñas de xileno y finalmente con un poco de éter, dejándose secar al aire. (Nota: conviene asegurarse que el producto está seco para no cometer errores en la segunda etapa). En un matraz de 100 ml de tres bocas equipado con termómetro, refrigerante y embudo de adición se colocan el de benciltrifenilfosfonio y el benzaldehído disueltos en diclorometano (10 ml). (Nota: recalcular la cantidad de reactivos que han de emplearse si no se dispone de suficiente cantidad de sal de fosfonio). La mezcla se agita vigorosamente con agitación magnética mientras que por el embudo de adición se añade, gota a gota, la disolución de hidróxido sódico al 50%. La temperatura de la reacción aumenta hasta unos 50 ºC y, cuando ya no tiende a aumentar, se mantiene a esta temperatura con ayuda de un baño durante 30 minutos. La fase orgánica se separa de la acuosa en un embudo de decantación, y se lava sucesivamente con 10 ml de agua, 20 ml de solución saturada de bisulfito sódico y 10 ml de agua. La fase orgánica resultante

ClPh3P PPh3 Cl

PPh3 Cl PPh3NaOH

CHO

H H H

H

cis-estilbeno trans-estilbeno

40se seca con sulfato sódico anhidro, se filtra, y se elimina el disolvente orgánico en un rotavapor teniendo mucho cuidado de que el baño esté a temperatura ambiente para no perder el producto. Al residuo se le añaden 7 ml de EtOH absoluto y la disolución se enfría en un baño de hielo hasta la aparición de un precipitado de trans-estilbeno, que se filtra a vacío. El filtrado se concentra hasta sequedad y se añaden 10 ml de éter de petróleo, apareciendo un abundante precipitado de óxido de trifenilfosfina. Este sólido se separa por filtración y se descarta tras haberlo lavado bien con éter de petróleo. Los filtrados de éter de petróleo se juntan y se evaporan, quedando un residuo de cis-estilbeno. Comprobar la pureza de los isómeros obtenidos mediante TLC utilizando hexano como eluyente. Cuestiones - Determinar el rendimiento de cada una de las etapas y el global. - Escribir el mecanismo de la reacción de Wittig que se produce. - ¿Qué es la catálisis por transferencia de fase?