SÍNTESIS Y PROPIEDADES DE LOS COLORANTES________________________________________________________________________________

Daniela Santoyo Alemán; Jhon Edinson Gálvez; Sara Natalia MoyaUniversidad del Quindío

Facultad de Ciencias Básicas y TecnologíasPrograma de Química20 de Mayo de 2014

RESUMEN

Esta práctica de laboratorio tiene como objetivo principal realizar la síntesis y estudiar algunas de las propiedades de los colorantes, los cuales están compuestos por aminas, tema estrechamente relacionado con las clases teóricas. La síntesis de los colorantes se llevó a cabo a partir de cinco diferentes mono y diaminas. Actualmente los colorantes son capaces de absorber determinadas longitudes de onda del espectro visible. Estos nuevos colorantes son utilizados en diferentes industrias, un de ellas es la industria textil. Dependiendo del tipo de tela, se realizó un proceso de teñido diferente, para tinturar el dacrón, se utilizó el teñido por dispersión el cual se aplica de una suspensión en lugar de una solución del colorante, y para tinturar el algodón se usó la tintura directa.

RESULTADOS

PREPARACIÓN DE MONOAMINAS Y DIAMINAS: Se usaron soluciones 0.05N de aminas aromáticas (anilina, o-toluidina, o-nitroanilina, p-toluidina, bencidina) en HCl 0.1M. Cada solución contenía 0.05 mmol de monoamina por mL, y 0.025 mmol de diamina por mL.

PREPARACION DE LA SAL DE DIAZONIO:

- o-nitroanilina: Al agregar los 5 mL al tubo de ensayo, se determinó que la reacción es exotérmica, ya que las paredes del tubo de ensayo se calentaron, ésta es de color amarillo intenso.

- Anilina: ésta es de color transparente.- p-toluidina: ésta es de color transparente.- o-toluidina: ésta es de color transparente.- Bencidina: al agregar los 5 mL, las paredes del tubo de

ensayo se calentaron, indicado que la reacción es exotérmica, ésta es incolora.

Las diferentes aminas se dejaron enfriar en un baño de hielo durante varios minutos, tras los cuales se les agregó 4 gotas de NaNO2 0.5M a cada tubo de ensayo, la única a la cual se le pudo determinar un cambio observable fue a la bencidina, la cual se tornó de un color naranja oscuro.

TEÑIDO DE LA FIBRA: Se humedecieron los extremos de una parte de tela de algodón con una solución básica de β-naftol, luego se le agregó una gota de las respectivas sales de diazonio:

- β-naftol + Bencidina= se obtuvo un color violeta.- β-naftol + o-nitroanilina = se obtuvo un color naranja.

- β-naftol + Anilina= se obtuvo un color rosado.- β-naftol + p-toluidina= se obtuvo un color rojo.- β-naftol + o-Toluidina= se obtuvo un color salmón.- β-naftol + o-Toluidina= se obtuvo un color salmón.

TEÑIDO POR DISPERSIÓN: Para teñir el dacrón, a los tubos de ensayo que tenían la o-nitroanilina y la o-toluidina, se les agregó 5 gotas de NaOH para neutralizar, después se les agregó el β-naftol, 5 gotas de bencidina y un poco de sal, tras esto, a cada tubo de ensayo se le agregó un tira de dacron, y se puso a calentar, durante los 15 minutos que duró el calentamiento, los colorantes se adhirieron a la tela, y se evaporó todo el líquido de la solución.

El dacrón que estaba en el tubo de ensayo que tenía la o-nitroanilina tomo un color naranja, y el dacrón que se sumergió en la o-toluidina se tornó rojo.

 ANÁLISIS DE RESULTADOS

Los tintes sintetizados en esta práctica, tienen en sus estructuras anillos aromáticos y grupos azo -N=N- y son denominados colorantes azoicos.

La implementación de un método determinado para teñir una fibra, depende tanto de la naturaleza del tinte como de la estructura de la fibra. Utilizando dos tipos de fibras, una natural como el algodón y una sintética como el dacrón, se realizó el teñido de éstas por dos métodos, el teñido directo para el primero y el teñido por dispersión para el segundo.

En la síntesis de los tintes azoicos, el paso más importante lo constituye la formación de las sales de diazonio, éstas se

realizaron en un baño de hielo ya que estas sales se descomponen para evolucionar a gas nitrógeno reactivo incoloro, entre otros productos. Estas sales son más estables que las sales de diazonio con grupos alquilo comunes. La mayor estabilidad del catión diazonio benceno en comparación con el catión diazonio alquilo se atribuye a que el grupo diazo del primero pasa a ser del sistema deslocalizado con el anillo de benceno en donde la carga positiva se deslocaliza sobre el anillo.

Figura 1. Deslocalización de la carga positiva sobre el anillo bencénico.

La formación de las sales de diazonio se realizó con las monoaminas y diaminas ya preparadas y nitrito de sodio, éstas reaccionan con el ácido nitroso que se forma debido al nitrito de sodio acuoso, este ácido nitroso es inestable y se forma en el instante, en donde el poco ácido nitroso formado gradualmente se puede protonar y perder agua para dar lugar al ion nitrosonio +N=O , que al parecer es el intermediario reactivo, aunque generalmente la producción de estos iones es llevada a cabo con ácidos diluidos para desplazar el equilibrio hacia la formación del ácido nitroso.[1]

La o-nitroanilina, es una amina primaria que reacciona vía ion nitrosonio para formar cationes diazonios mediante un proceso de diazotización. Lo mismo ocurre con la diamina, pero se forman dos cationes debido a la presencia de dos grupos –NH2. El mecanismo de la formación de las sales de diazonio, comienza con un ataque nucleofílico al ion nitrosonio para formar una N-nitrosoamina. [2]

Figura 2. Reacción de o-nitroanilina con nitrito de sodio.

Las sales de diazonio, pueden sufrir reacciones de acoplamiento diazo, en donde el catión de la sal, se comporta como un electrófilo débil, por lo que el anillo aromático que ataca debe ser acompañado por un grupo de activante. Esto es lo que ocurre en la formación de los azocolorantes, que tienen en sus estructuras la unión azo –N=N-. En la práctica, el compuesto con anillos aromáticos fue el β-naftol, que tiene como grupo activante el –OH. [3]

Figura 3. Molécula de β-naftol.

La formación de los azocolorantes, se realizó de dos formas: la primera, en donde el algodón fue humedecido con β-naftol así que la reacción ocurrió en el interior de los poros de la tela y la segunda en donde la amina reacciona en la solución con el β-naftol para producir un tinte suspendido. 

Dentro del mecanismo de reacción, se tiene en cuenta que el β-naftol, al tener un grupo donador de electrones orto-para director, tiende a dar productos de sustitución α.

El algodón es una fibra celulosa con grupos OH:

Figura 4. Estructura del algodón.

La interacción que existe entre los grupos OH y los grupos de moléculas de colorante es una combinación de fuerzas de van der Waals, bipolares y enlaces de hidrógeno intermoleculares. Esto permitió la fijación del colorante a la fibra. Por otro lado, la celulosa tiene una estructura bastante abierta, lo que permite la entrada en la fibra de moléculas de tinte grandes con relativa facilidad.

El catión diazonio es un electrófilo relativamente débil, y por consiguiente sólo reacciona con sistemas aromáticos altamente activados frente al ataque electrofílico por la presencia de grupos fuertemente donores de densidad electrónica. Los grupos con mucha facilidad de ceder densidad electrónica más comunes son hidroxilo y amino; lo que significa que los compuestos más comunes de sufrir acoplamiento azo son fenoles o aminas aromáticas. Para el caso del β-naftol el cual posee un grupo OH la reacción de acoplamiento fue apropiada, es decir que realizó el acoplamiento, produciéndose un colorante azoico insoluble en agua.

En el teñido por dispersión del dacrón no se utilizó la misma técnica que la del algodón debido a que este tipo de tela no tiene grupos que permitan que el colorante se aloje en su

interior por interacciones directas, por tanto para teñir esta tela se preparó una solución con la o-nitroanilina y o-toluidina; NaOH, β-naftol y sal formando una especie de solución no homogénea, en donde las partículas de colorante empiezan a ir a la superficie debido a que el tinte formado es insoluble en agua. Ambas soluciones se calentaron y se les agregó bencidina, esto con el objetivo de evaporar el agua presente en la solución. [4]

Al igual que en el teñido de una fibra de algodón, el teñido de un trozo de dacrón supone una afinidad tinte-fibra, lo que implica una combinación de fuerzas de Van Der Waals, fuerzas bipolares y enlaces de hidrógeno. Una característica de los tintes dispersos es que poseen grupos polares no iónicos; estos grupos proporcionan a altas temperaturas un grado de solubilidad adecuado.

El algodón es una celulosa que posee grupos hidroxilo, la tendencia de estos grupos a ionizarse en mayor o menor proporción (para dar grupos -O-) significa que las fibras pueden soportar una pequeña carga negativa. El dacrón por el contrario es un poliéster:

Figura 5. Estructura del dacrón.

El poliéster posee un carácter relativamente hidrófobo (no polar) a diferencia de la celulosa, en gran parte como resultado del predominio de los anillos bencénicos y de los grupos etilénicos El dacrón es también una fibra altamente cristalina, como resultado de un empaquetamiento muy compacto de moléculas de polímero altamente ordenadas. Por esto es relativamente inaccesible, incluso para moléculas pequeñas y es por ello muy difícil de teñir. [5]

CONCLUSIONES

Se lograron sintetizar diversos colorantes a partir de sales de diazonio de monoaminas y diaminas y el acoplamiento de estas con β-naftol.

Se observó la eficacia de los colorantes mono y di amínicos sintetizados realizando tintes sobre diferentes telas como el algodón y dacrón.

Por medio de la reacción de diazotizacion se pudo generar la sal de diazonio.

Hay dos aspectos importantes en torno al análisis de una molécula de colorante, la capacidad para quedar fija en una fibra o textil y la causa o razón de su color.

El proceso de tintura, se puede definir como el proceso en donde un material textil al ser puesto en contacto con una solución o dispersante de un tinte, lo adsorbe de tal forma que dentro de la estructura del textil, se generen interacciones tinte-fibra que no permitan que el colorante desaloje la fibra.

BIBLIOGRAFIA

[1] L.F.Fieser, K.L.Williamson “Organic Experiments” Houghton Mittlin Company.  8ª edición, Boston-New York, 1998.

[2] Jerry March “Advanced Organic Chemistry. Reaction, Mechanism and Structure” A Wiley-Interscience Publication. New York-Chuchester-Brisbone-Toronto-Singapore.

[3] J. McMurry  “Química Orgánica”, 6ª Edición 2004, Internaitonal Thonson, México D.F. (páginas 985-986). Louis

[4] F. Fieser. “Experimentos de química orgánica” Editorial Reverté S.A. Barcelona- Buenos Aires-México, 1967.

[5] Mondragón Natarén, V. Y. 2006. “Molienda de pigmentos hasta tamaño de partícula submicron con medición de potencial Z” Tesis Licenciatura. Ingeniería Química con área en Ingeniería de Procesos. Departamento de Ingeniería Química y Alimentos, Escuela de Ingeniería y Ciencias, Universidad de las Américas Puebla. Mayo.