1 

LABORATORI DE QUÍMICA ORGÀNICA II

3r curs GRAU EN QUÍMICA

MÒDUL 34207

Curs 2015-2016

 

 

2 

3

OBJECTIUS

1 Reforçar els coneixements de l’alumne sobre les normes de seguretat, maneig de material i reactius, tractament de residus en un laboratori de química orgànica, cerca bibliogràfica i anàlisi de dades.

2 Reforçar els coneixements de l’alumne en la preparació, desenvolupament i registre del treball experimental en química orgànica (quadern de laboratori).

3 Realitzar aïllaments de productes orgànics des de les fonts naturals

4.Realitzar diferents síntesis de productes orgànics.

5 Iniciar l’alumne en la síntesi per passos.

6 Iniciar l’alumne en el disseny d’una síntesi.

4

PROGRAMA

Sessió Contingut

0 Seminari 1: Presentació del curs. Estudi i maneig de diferents fonts bibliogràfiques

1, 2, 3 -Aïllament de la cafeïna de diferents fonts:

-Aïllament i purificació de la cafeïna del te.

-Separació de la cafeïna d’Hemicraneal©

-Comparació qualitativa amb la cafeïna extreta d’altres fonts: Coca-Cola, cafè soluble.

4 Síntesi d’un heterocicle: tetrahidrocarbazole.

5,6,7 Síntesi de l’àcid 4-vinilbenzoic:

-Preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic

-Preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni

-Preparació de l’àcid 4-vinilbenzoic

8,9 Reactius de Grignard. Síntesi de trifenilmetanol:

-Obtenció del bromur de fenilmagnesi

-Reacció del bromur de fenilmagnesi amb benzofenona

10,11 Estudi del control cinètic i termodinàmic en les reaccions:

-Preparació de les semicarbazones de la ciclohexanona i del 2-furaldehid

-Formació competitiva de les semicarbazones de la ciclohexanona i del 2-furaldehid sota control cinètic

-Formació competitiva de les semicarbazones de la ciclohexanona i del 2-furaldehid sota control termodinàmic

12,13 Finalització de treballs pràctics.

-Seminari 2: Comentari i debat sobre el disseny i la posada a punt d’un procés sintètic.

-Comentari i debat sobre els resultats obtinguts i les dificultats trobades durant les pràctiques.

-Exposició de possibles treballs addicionals suggerits pel professor

-Realització d’examen pràctic i/o examen escrit

Les sessions pràctiques (sessions 15-19,30 h, de 4,5 h. de durada) seran al LABORATORI DE QUÍMICA ORGÀNICA (FACULTAT DE QUÍMICA. BLOC F, planta baixa).La sessió de Seminari 1 (sessió 0) tindrà lloc a les aules d’informàtica PC-I ,PCII, PCIII o PCIV (FACULTAT DE QUÍMICA. BLOC F, planta primera o planta segona en el cas de la PCIV) a l’hora que indicarà el professorat.

5

AVALUACIÓ

L’avaluació de l’aprenentatge la realitza de forma contínua el professorat atès l’estret contacte que es manté al llarg del curs. Els apartats que s’avaluen són els que segueixen:

a) TREBALL DE LABORATORI I RESULTATS: (40%). Es té en compte l’observació de les normes de seguretat, l’actitud, la preparació, el treball al laboratori i els resultats obtinguts, a més de la seua anàlisi.

La durada de cada sessió experimental és de 4 h i 30 min, i les sessions no es recuperen, per tant les faltes d’assistència i puntualitat han de ser degudament justificades. La falta d’assistència a més de dues sessions de pràctiques suposa la pèrdua de la qualificació corresponent al treball de laboratori i resultats.

Per a començar una sessió és una condició indispensable que l’estudiant porte el quadern de laboratori degudament emplenat. El professorat pot revisar els quaderns en qualsevol moment.

Tant al començament com al final de la sessió de pràctiques s’han de dur a terme les tasques generals assignades per al bon funcionament del laboratori i s’efectuarà un recompte del material per lloc de treball.

b) SEMINARIS (10%). Hi ha dos tipus de seminaris:

1. Abans de cada sessió es fa un seminari que consisteix en una exposició sobre la pràctica que han de realitzar els alumnes. Es té en compte la preparació, l’exposició i les respostes a les preguntes que es realitzen.

2. Seminaris 1 (sessió 0) i 2 (sessions 12 i 13). En aquests seminaris de cerca bibliogràfica i disseny i posada a punt d’un procés sintètic, es té en compte tant el treball elaborat com la presentació i l’exposició.

c) EXÀMENS (50%). En aquest apartat cal obtenir un mínim de 4 punts sobre 10 per a poder sumar la resta de percentatges. Es considera tant l’examen final com els possibles exàmens i/o qüestions plantejats durant el curs.

En l’avaluació de la segona convocatòria es manté la qualificació obtinguda en l’avaluació continuada (punts «Treball de laboratori i resultats» i «Seminaris») de la primera convocatòria i es tornarà a avaluar la part corresponent a «Exàmens».

6

NORMES DE SEGURETAT

Aquestes normes són de compliment obligat i estricte. L’INCOMPLIMENT DE QUALSEVOL D’AQUESTES NORMES POT IMPLICAR L’EXPULSIÓ DE L’ESTUDIANT DEL LABORATORI.

1) En entrar per primera vegada al laboratori, cal localitzar les eixides d’emergència, les dutxes d’emergència, els rentaülls, els extintors i la manta ignífuga.

2) Abans de realitzar la pràctica, cal conèixer les característiques i la perillositat dels compostos que s’utilitzaran i dels compostos que es poden formar durant l’experiment.

3) Queda terminantment prohibit fumar o consumir aliments al laboratori.

4) La bata i les ulleres de seguretat s’han d’usar mentre s’estiga al laboratori. Les lents de contacte poden ser molt perilloses en cas d’esgitades accidentals als ulls. Per tant, cal usar ulleres graduades i ulleres de seguretat adequades.

5) Els guants s’han d’usar sempre durant la manipulació de productes o del material que en continga. A fi d’evitar contaminacions, no s’ha d’eixir del laboratori amb els guants posats.

6) Cal revisar el material de vidre per a comprovar possibles fissures, especialment abans d’usar-lo a buit o a pressió.

7) Els flascons de reactius i dissolvents s’han de tancar immediatament després d’usar-los. Cal evitar la inhalació de vapors de sòlids i de líquids, o de partícules sòlides. Si algun producte allibera vapors tòxics, s’ha de manejar dins la vitrina.

8) Si algun líquid o sòlid vessa o cau, s’ha de netejar immediatament i de manera adequada. En cas de trencament de termòmetres, cal avisar el professorat per eliminar el mercuri.

9) Cal utilitzar embuts de vidre per a transvasar líquids. Si es fan servir pipetes, cal utilitzar les peres de goma apropiades. Els líquids no s’han de pipetejar mai amb la boca.

10) Els residus o el material d’un sol ús han de ser separats de la manera següent:

a) Dissolvents orgànics: s’aboquen als bidons corresponents tenint en compte que s’han de separar segons la composició en clorats (p. ex. CHCl3 i CH2Cl2) i no clorats. En el cas de mescles de clorats i no clorats, la mescla s’ha d’abocar al bidó de clorats.

b) Residus sòlids: en les papereres, mai en les piles.

c) Material de vidre trencat i capil·lars, en els recipients habilitats a aquest efecte. En cas de trencament d’un termòmetre, cal avisar el professorat per eliminar el mercuri.

d) Dissolucions de metalls pesants: al bidons disponibles amb aquesta finalitat. 11) Cal mantenir perfectament net i sec el lloc de treball i el material que es faça servir, ja que s’usa material elèctric. La manipulació de qualsevol element d’aquest material s’ha de fer amb l’aparell en qüestió desconnectat de la xarxa.

12) En les calefaccions amb manta calefactora o agitador, cal utilitzar un gat o bloc de fusta a sota perquè es puga retirar i refredar ràpidament en cas de necessitat.

7

13) Els dissolvents orgànics mai no s’han de calfar directament sinó en banys d’aigua, i cal manipular-los sempre en matrassos Erlenmeyer o tubs d’assaig, NO EN VASOS DE PRECIPITATS.

14) Mai no s’han de manipular productes o dissolvents inflamables prop de mantes i plaques calefactores que no es troben a temperatura ambient. No s’han d’utilitzar els reguladors elèctrics a més de mitja potència sense consultar-ho al professorat.

15) No s’han de tenir mai engegades mantes o plaques calefactores en buit, és a dir, sense un recipient (vas, matràs, etc.) per a calfar.

16) En els muntatges de reflux i destil·lacions cal afegir el germen d’ebullició («plat porós») en fred. Abans de començar la calefacció, s’ha de verificar que el muntatge –i en particular, les juntes esmerilades– estiga ben ajustat.

17) No s’ha d’abandonar mai el lloc de treball mentre es duga a terme alguna reacció o destil·lació!

8

BIBLIOGRAFIA GENERAL

(A) Característiques dels compostos (propietats fisico-químiques, manipulació, toxicitat) i bases de dades d’interès per a productes orgànics (síntesis i reaccions)

1) Les Chemical Safety Cards (versió en castellà) de l’Institut Nacional de Seguretat i Higiene en el Treball es troben disponibles en l’adreça http://www.insht.es (Aneu a Documentación. En Colecciones de INSHT busqueu Fichas Internacionales de Seguridad Química).

2) http://www.chemnetbase.com. Base de dades de química amb accés mitjançant connexió des del Servei de Bibliografia i Documentació de la Universitat de València o des del servidor de la Universitat de València. Conté entre d’altres: Properties of Organic Compounds, Dictionary of Organic Compounds i Handbook of Chemistry and Physics.

3) Merck Index en l’edició en paper disponible al laboratori o en l’adreça https://www.rsc.org/merck-index amb accés mitjançant nom d’usuari i contrasenya.

4) Scifinder Scholar Database. Base de dades de química amb accés electrònic mitjançant connexió des del Servei de Bibliografia i Documentació de la Universitat de València.

5) Organic Synthesis: www.orgsyn.org Procediments experimentals detallats per a la preparació de compostos orgànics en un o més passos. L’accés electrònic es realitza mitjançant connexió des del servidor de la Universitat de València.

6) http://webbook.nist.gov/chemistry/. Base de dades de lliure accés que permet buscar propietats i dades espectroscòpiques de nombrosos compostos orgànics.

7) http://www.organic-chemistry.org/reactions.html. Portal de química orgànica de lliure accés on es poden trobar les principals reaccions orgàniques i els seus mecanismes, a més de les seues aplicacions a la síntesi orgànica publicades en revistes especialitzades.

8) http://www.sigmaaldrich.com/technical-service-home/product-catalog.html. Catàleg comercial de la casa Sigma Aldrich, disponible també al laboratori.

(B) Llibres de text sobre tècniques de laboratori i experiments de laboratori de

química orgànica

� “TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN SÍNTESIS ORGÁNICA” A. G. Csákÿ, M. A. Martínez

Grau , Editorial Síntesis, Madrid, 2a edició, Febrer 2012, ISBN: 84-7738-605-6.

� "VOGEL´s TEXTBOOK OF PRACTICAL ORGANIC CHEMISTRY”.B.S. Furniss,

A.J.Hannaford, P.W.G. Smith, A.R. Tatchell, Editorial Longman (1989).

� "EXPERIMENTAL ORGANIC CHEMISTRY" L. M. Harwood and C.J. Moody, Editorial

Blackwell Science, 2a edició (1999), ISBN: 978-0-6320-4819-9.

� “ORGANIC CHEMISTRY LAB EXPERIMENTS”, S.F. Martin, JC Gilbert, 5a edició

(2011), Editorial Cengage Learning, ISBN: 978-1-4390-4916-7.

9

SEMINARIS: ESTUDI I MANEIG DE DIFERENTS FONTS BIBLIOGRÀFIQUES

ESTUDI COMPARATIU DE DIFERENTS PROCEDIMENTS DE SÍNTESI

Seminari 1

Introducció

Durant el desenvolupament de les pràctiques de laboratori, l’estudiant disposa d’un guió on s’especifica el procediment experimental per a dur a terme la transformació química objecte de la pràctica. Aquesta situació no sempre es dóna en la vida professional, ja que generalment és necessari buscar el procediment experimental per a fer la síntesi. Aquesta cerca es fa a través de llibres, revistes científiques i bases de dades. En aquest seminari es durà a terme la cerca de la síntesi de trifenilmetanol en diferents revistes científiques.

Desenvolupament del seminari

En el seminari s’aprendrà a buscar referències científiques en revistes electròniques disponibles a la Universitat de València.

Les referències que es buscaran són aquestes

G. Cravotto, A. Procopio, M. Oliverio, L. Orio, D. Carnaroglio, Green Chemistry, 2011, 13, 2806-2809.

C. Berini, O. Navarro, Chem. Comm. 2012, 48, 1538-1540.

M. A. G. Berg, R. D. Pointer, J. Chem. Edu. 2007, 84, 483-484.

En cada una de les publicacions (directament en l’article o bé en el material suplementari) es buscarà el procediment de síntesi del trifenilmetanol

Proposta de treball

Una vegada familiaritzats amb les bases de dades, es proposa un treball sobre una molècula d’interès comercial que s’haurà de presentar al final del període de pràctiques. Per a elaborar-lo s’ha de buscar la informació necessària, organitzar-la, analitzar-la i redactar l’informe corresponent, en què s’han d’incloure, en diferents apartats, aspectes relacionats amb les seues característiques, aplicacions, mètodes d’anàlisi, mètodes de síntesi, etc.). El professor o la professora donarà les instruccions adequades sobre el model i la manera com s’ha de realitzar aquest informe.

Seminari 2 (es realitzarà en les últimes sessions de laboratori)

En aquest segon seminari els estudiants posaran en comú el treball realitzat i es discutiran avantatges i inconvenients de cada un dels procediments experimentals

10

11

PRÀCTICA 1

AÏLLAMENT DE LA CAFEÏNA DE DIFERENTS FONTS

Objectius

Aïllament de la cafeïna de les fulles de te, mitjançant una extracció sòlid-líquid, seguida d’una extracció líquid-líquid. Purificació de la cafeïna aïllada mitjançant cristal·lització amb un dissolvent orgànic i/o una sublimació.

Separació, mitjançant extracció líquid-líquid, dels components actius majoritaris de l’Hemicraneal©, basant-se en les diferents propietats àcid-base d’aquests components.

Extracció i anàlisi per cromatografia de capa fina de la cafeïna obtinguda de diferents fonts.

Qüestions prèvies a l’inici de la pràctica

1. Citeu les fonts més comunes de les quals s’aïlla la cafeïna.

2. La cafeïna és una xantina. Representeu l’estructura base de les xantines.

3. Busqueu informació sobre la utilització de les xantines com a fàrmacs.

4. Quins altres compostos s’extrauen del te amb la cafeïna?

5. Expliqueu en quins estats d’ionització es pot trobar la cafeïna en dissolució aquosa segons que el pH siga bàsic o àcid.

6. Basant-se en el valor de pKa de la cafeïna, quin serà el percentatge d’ionització de la cafeïna en aigua (pH = 7)? I a l’estómac (pH = 2).

7. Quina és la solubilitat de la cafeïna en aigua? A quin pH serà més soluble en aigua: àcid, neutre o bàsic?

8. Indiqueu els usos farmacològics del paracetamol (acetamidofenol)

9. Indiqueu les dosis habituals del paracetamol i el grau de toxicitat.

10. Quin és el pKa del paracetamol i quines bases es poden emprar per a formar el fenòxid?

1. Aïllament de la cafeïna del te

En un vas de precipitats de 400 mL es calfa a ebullició, durant aproximadament 20 minuts, una mescla de 5g de fulles de te, 5g de carbonat càlcic en pols, i 100 mL d’aigua destil·lada. Si s’evapora molta aigua, es va reposant afegint-hi petites quantitats d’aigua freda. A continuació es filtra la mescla a buit en calent a través d’una capa de celite (aproximadament de 5-8 mm de gruix. Si s’embossa el filtre caldrà canviar-lo per un de nou). El filtrat es dilueix amb 30 mL de salmorra. Es deixa refredar el filtrat a temperatura ambient en un bany d’aigua i s’extrau tres vegades amb porcions d’uns 25 mL de diclorometà usant un embut de decantació de 250 mL. S’ha d’agitar molt suaument per evitar la formació d’emulsions;

amb un simple moviment de balanceig de l’embut de decantació durant uns 5 minuts n’hi ha prou per a una bona extracció. La presència de saponines en l’extracte afavoreix la formació d’emulsions. Si es forma una mica d’emulsió, es recull junt amb la fase orgànica. Es reuneixen les fases orgàniques, es renten amb salmorra, s’assequen sobre sulfat sòdic

N

N N

N

O

O

H3C

CH3

CH3

Cafeína

12

anhidre, es filtren sobre un matràs de fons redó de 100 mL prèviament tarat i es concentren a sequedat en l’evaporador rotatiu.

El residu que queda al matràs després de l’evaporació del diclorometà és cafeïna bastant pura, que es pesa per calcular el percentatge de cafeïna en el te. La cafeïna es pot purificar per cristal·lització d’acetona (o d’acetona-èter de petroli) o per sublimació.1 En tot cas, es guarda per a l’anàlisi cromatogràfica que es realitzarà al final de la pràctica (apartat 4).

2. Separació de la cafeïna de l’Hemicraneal

Es tritura una tableta d’Hemicraneal humitejada amb unes quantes gotes de metanol i se suspèn en 10 mL de metanol i 40 mL d’acetat d’etil, agitant manualment per facilitar la dissolució dels components actius en la mescla de dissolvents. La mescla resultant es filtra per gravetat per separar el residu groc insoluble. El filtrat es transfereix a un embut de decantació i s’extrau ràpidament amb tres porcions de NaOH al 5%. La fase orgànica es guarda per processar-la posteriorment i la dissolució aquosa bàsica s’acidifica amb HCl concentrat i s’extrau amb tres porcions de 20 mL d’acetat d’etil. Les fases orgàniques reunides es renten amb dissolució de NaHCO3 al 5%, amb salmorra, i s’assequen sobre sulfat sòdic anhidre, es filtren en un baló de 100 mL sec i pesat, i es concentren en el rotavapor. L’acetamidofenol s’obté com un residu (a vegades oliós), que

es pot purificar per cristal·lització d’aigua o d’una petita quantitat d’acetat d’etil2.

Determineu el punt de fusió de l’acetamidofenol i calculeu-ne el contingut (%) en el comprimit d’Hemicraneal.

D’altra banda, la fase orgànica que s’havia reservat es renta amb salmorra, s’asseca sobre sulfat sòdic anhidre i, en evaporar-se el dissolvent, queda un residu de cafeïna que es pot purificar com s’ha comentat adés3. Determineu el contingut de cafeïna en el comprimit d’Hemicraneal. En tot cas, es guarden les mostres per a l’anàlisi cromatogràfica que es realitzarà al final de la pràctica (apartat 4).

1 Si el professor ho considera oportú, és aconsellable guardar totes les remeses de cafeïna i ajuntar al final de la pràctica una porció de les cafeïnes de cada parella, per exemple 1/3, per a una única sublimació (realitzada pel professor) . La resta de cada parella, que la cristal·litzen d’acetona (a penes un parell de mL) 2 És aconsajable una vegada concentrat en el rotavapor i pesat, dissoldre-ho amb la mínima quantitat d'AcOEt calent i passar-ho a un vial perquè cristal·litze. 3 Vegeu Nota 1

13

3. Comparació qualitativa amb la cafeïna extreta d’altres fonts4

Extracció de la cafeïna d’un cafè soluble: Es pesen 2 g de cafè soluble i es trituren en un morter junt amb la mateixa quantitat de celite. La mescla polvoritzada es transfereix amb l’ajuda d’un embut de sòlids a un erlenmeyer de 100 mL i s’extrau amb 50 mL de diclorometà en calent (calfeu amb l’agitador magnètic alhora que agiteu amb una vareta magnètica de 3 a 5 minuts, anant amb compte que no s’evapore el dissolvent). La mescla es deixa refredar, es filtra i es transfereix a l’embut de decantació. Es renta amb salmorra i s’asseca amb sulfat sòdic anhidre. Es filtra i es concentra a sequedat en el rotavapor. Peseu i calculeu el percentatge de cafeïna en el cafè soluble. La cafeïna es transfereix a un vial amb l’ajuda de petites porcions de diclorometà i es reserva per a l’anàlisi cromatogràfica.

Extracció de la cafeïna de la Coca-Cola: Afegiu 10 mL d’hidròxid d’amoni concentrat a una mescla de 50 mL de Coca-Cola i 50 mL d’aigua destil·lada. Transvaseu la mescla a un embut de decantació i afegiu-hi 50 mL de diclorometà. Agiteu suaument amb moviment de balanceig per evitar formació d’emulsions i capgireu l’embut repetidament durant 5 minuts. Repetiu l’extracció amb altres 50 mL de diclorometà. Reuniu els extractes, renteu-los amb salmorra, assequeu amb abundant sulfat sòdic anhidre, filtreu i elimineu el dissolvent a pressió reduïda. Peseu el residu obtingut per determinar el contingut de cafeïna en la Coca-Cola. Reserveu el producte per a l’anàlisi cromatogràfica posterior.

4. Anàlisi cromatogràfica de la cafeïna. Es compara per cromatografia de capa fina la cafeïna aïllada del te, de l’Hemicraneal, del cafè soluble i de la Coca-Cola. Realitzeu tres cromatografies fent servir com a eluents: 1.- CH2Cl2. 2.- CH2Cl2-MeOH 87:13. 3.- CH2Cl2-MeOH 60:40). Comenteu les diferències observades.

Bibliografia:

"Técnicas experimentales en síntesis orgánica". M.A. Martínez Grau i A.G. Csákÿ. Editorial Síntesis, Madrid, 1998 (Capítols 6 i 10)

"Natural Products". R. Ikan. Academic Press, 2a edició ,1991.

"Experimental Organic Chemistry". D. R. Palleros. John Wiley and Sons, New York, 2000 (unitat 5, pàg. 103-112).

Qüestions posteriors al desenvolupament de la pràctica

1) Dibuixeu un diagrama de flux del procediment seguit per a aïllar la cafeïna i indiqueu el destí final dels compostos següents: cel·lulosa, glucosa, tanins hidrolitzats, clorofil·les i carbonat de calci.

2) Per què s’afegeix clorur sòdic a la fase aquosa abans de l’extracció de la cafeïna amb diclorometà?

3) Es podria utilitzar metanol en comptes de diclorometà per a dur a terme l’extracció líquid-líquid de la cafeïna?

4) Es podria utilitzar bicarbonat sòdic per a efectuar la separació de la cafeïna de la pastilla de l’Hemicraneal?

14

PRÀCTICA 2

SÍNTESI D’UN HETEROCICLE: TETRAHIDROCARBAZOLE

Introducció

L’1,2,3,4-tetrahidrocarbazole és la forma tetrahidrogenada del carbazole. La seua estructura correspon a un heterocicle que conté un nucli d’indole. El sistema d’anells de l’indole s’ha trobat en molts compostos naturals de gran interès químic i bioquímic, raó per la qual s’afirma que és el més abundant en la natura. Així, el triptòfan és un aminoàcid essencial, l’indi un colorant i l’àcid indolil-3-acètic, una hormona de creixement vegetal. D’altra banda, l’interès en aquestes molècules sorgeix del seu ús farmacològic; són exemples de fàrmacs antimigranya com el sumatriptan i el frovatriptan.

Hi ha diversos procediments per a obtenir anells d’indole. En aquest cas es farà servir l’anomenada síntesi de Fischer d’indoles.

Qüestions prèvies a l’inici de la pràctica

1. Descriviu la síntesi de Fischer d’índoles i el seu mecanisme detallat.

2. Quina ha de ser la diferència estructural entre la cetona que s’utilitze per a preparar indoles o tetrahidrocarbazoles per mitjà d’una síntesi de Fisher.

3. Localitzeu l’estructura del compost anomenat frovatriptan i indiqueu quina funció farmacològica posseeix.

4. Quins productes serien necessaris per a sintetitzar el frovatriptan per mitjà d’una síntesi de Fisher?

Procediment

NHNH2

OHN

NHOAc

NH

+

En un matràs esfèric de 100 mL s’introdueix fenilhidrazina (2,46 g). S’hi afegeix una dissolució de ciclohexanona (2,38 g) en àcid acètic glacial (15 mL) i es calfa a reflux durant 10 min. Es deixa refredar, s’hi afegeixen 25 mL d’aigua i es recull el residu sòlid marró per filtració. Es renta el sòlid amb aigua (3x25 mL). El tetrahidrocarbazole es cristal·litza de metanol-aigua i, a causa de la presència d’elements acolorits no desitjables, usant carbó actiu per a descolorir. Amb aquesta finalitat, és més adequat dissoldre el producte en un

15

bon dissolvent en calent, com ara el metanol (uns 30 mL si està bastant sec; si està molt humit, en calen de 60 a 70 mL), procedir al tractament amb carbó actiu i filtrar en calent. Si apareix abundant producte precipitat al paper de filtre, es pot recollir amb uns mL addicionals de metanol calent. Encara en calent, afegiu al filtrat el mal dissolvent (aigua) a poc a poc fins que aparega terbolesa. Deixeu refredar i filtreu. Determineu el rendiment de la reacció i realitzeu un punt de fusió.

Nota-1: Si s’asseca en estufa no calfeu, ja que s’oxida amb facilitat a hidroperòxid.

Bibliografia

Recepta (en anglès) treta de: PRACTICAL HETEROCYCLIC CHEMISTRY A. O. Fitton and R. K. Smalley. Acad Presss. London 1968

Per a mecanisme, consulteu els llibres següents:

Joule J.A., Mills K.; Smith G.F. “Heterocyclic Chemistry”. 3 ed. Chapman & Hall, London, 1995. Reprinted 1998 by Stanley Thornes (Pubbl.)Ltd..

Davis, D.T. “Aromatic Heterocyclic Chemistry”, Oxford Chemistry Primers, Oxford, 1992

Gilchrist, T. L.,”Heterocyclic Chemistry” 3a ed., Longman, Essex, 1997 (traduït per Addison-Wesley Iberoamericana, “Química Heterocíclica” 1995)

C. O. Rogers i B. B. Corson, Org. Synth., 1963, Coll. Vol. IV, 884

R. J. S. Beer, L. McGrath i A. Roberson, J. Chem, Soc., 1950, 2118

16

PRÀCTICA 3

SÍNTESI DE L’ÀCID 4-VINILBENZOIC

Introducció

En general, els reactius orgànics els podem classificar en dues categories: electròfils (o deficients en electrons) i nucleòfils (o rics en electrons). Dins de la segona categoria hi ha una gran diversitat de substrats útils en la preparació de molècules orgàniques.

Una de les reaccions més utilitzades en síntesi orgànica per a formar nous enllaços C-C és la reacció de Wittig i les seues variants. La reacció de Wittig permet formar un enllaç doble C=C per addició nucleofílica d’un carbanió estabilitzat per l’heteroàtom fòsfor al carboni carbonílic electrofílic d’aldehids i cetones. En aquesta pràctica es durà a terme la preparació d’àcid 4-vinilbenzoic en tres etapes: 1) preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic mitjançant una reacció de bromació benzílic radicalària amb N-bromosuccinimida (NBS) d’àcid 4-metilbenzoic; 2) preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni per reacció de SN2 de trifenilfosfina amb el bromur obtingut en la primera etapa; i 3) generació de l’ilur de fòsfor en medi bàsic, que en presència de formaldehid portarà a la formació de la base conjugada de l’àcid 4-vinilbenzoic; l’acidificació successiva de la mescla de reacció permetrà obtenir el producte final.

Qüestions prèvies a l’inici de la pràctica

1. Quin és paper del peròxid de benzoïl en la reacció de bromació de l’àcid p-metilbenzoic?

2. Descriviu el mecanisme detallat per a la formació de l’àcid 4- bromometilbenzoic.

3. Descriviu el mecanisme per a la formació de bromur de 4- carboxibenziltrifenilfosfoni a partir de l’àcid 4-bromometilbenzoic.

4. Descriviu el mecanisme per a la formació de l’àcid 4-vinilbenzoic a partir de bromur de 4 carboxibenziltrifenilfosfoni.

5. Què té de particular la reacció de Wittig anterior? Seria possible realitzar la reacció de Wittig en les mateixes condicions experimentals amb una sal de fosfoni equivalent no aromàtica bromur de [(4-carboxiciclohexil) (metil) trifenilfosfoni]?

6. Escriviu l’estructura i el mecanisme de formació de l’àcid poli(4- vinilbenzoic).

1. Preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic

S’introdueixen 2,7 g d’àcid 4-metilbenzoic i 3,6 g de N-bromosuccinimida en un matràs esfèric de 100 mL. S’hi afegeix el peròxid de benzoïl (l’equivalent a 0,20 g de producte pur) vigilant que no s’adherisca a l’esmerilat del matràs. Finalment, s’hi afegeixen 25 mL de clorobenzè, arrossegant el sòlid que puga haver quedat a les parets interiors del matràs.

17

Seguidament, es calfa la mescla suaument a reflux durant 1 hora amb agitació magnètica. Després d’aquest període, es refreda el matràs en un bany de gel durant 10 minuts i es filtra el precipitat a buit. El residu sòlid obtingut es renta amb hexà (3 x 10 mL) i es transfereix a un vas de precipitats. S’hi afegeixen 50 mL d’aigua i s’agita durant 10 minuts per dissoldre la succinimida. Es torna a filtrar per succió i el precipitat es renta amb aigua (2 x 10 mL). S’asseca el producte una estona en el Büchner i se’n guarda una petita quantitat per realitzar el punt de fusió, quan estiga perfectament sec. Amb aquest procediment, el producte cru obtingut pot tenir fins a un 10% d’impuresa, que és compost de partida sense reaccionar. Es realitza una CCF (hexà:AcOEt; 1:1) per verificar-ne la puresa. Si cal, es pot cristal·litzar el producte cru per obtenir l’àcid desitjat pur: es dissol en la mínima quantitat de MeOH a ebullició, es deixa refredar a temperatura ambient i després amb bany de gel. Es filtra i una vegada sec el compost desitjat, es pesa per calcular el rendiment de la reacció i se’n guarda una mostra per a la determinació del punt de fusió. En el pas següent s’utilitzaran 5 mil·limols de l’àcid, per tant es lliurarà el compost sobrant al professor, de manera que, si hi ha alumnes que no n’hagen obtingut prou per al pas següent, ho puguen fer a l’escala indicada.

2. Preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni

En un matràs de 100 mL es dissolen 5 mmol d’àcid 4-bromometilbenzoic (cal utilitzar guants per a manejar aquest producte) i 5 mmol de trifenilfosfina en 15 mL d’acetona grau reactiu. El matràs de reacció es connecta amb un refrigerant de reflux i la mescla de reacció es calfa a reflux durant 45 min.5 A continuació es deixa refredar i es filtra a buit la sal de fosfoni. El sòlid es renta en l’embut amb èter dietílic (2 x 10 mL) i s’asseca. Es pesa, es calcula el rendiment de la reacció i se’n mesura el punt de fusió. El producte és prou pur per a ser utilitzat en l’etapa següent.

3. Preparació de l’àcid 4-vinilbenzoic

En un matràs de fons redó es disposen 1,9 g del bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni, 16 mL de formaldehid aquós, 8 mL d’aigua i una barra agitadora. El matràs es tapa lleugerament i s’hi afegeix, en porcions i amb agitació, una dissolució d’1,3 g d’hidròxid sòdic en 7 mL d’aigua. L’addició es realitza durant uns 10 min. La mescla de reacció s’agita durant 45 min i a continuació es filtra el precipitat a buit i es renta amb petits volums d’aigua, 1 arreplegant junts el filtrat i l’aigua dels rentats. La dissolució aquosa s’acidifica amb àcid clorhídric concentrat i el precipitat format es filtra a buit. El producte es recristal·litza d’etanol aquós.2 El producte es pesa, es calcula el rendiment i se’n registra el punt de fusió.3

                                                            5 A causa de l'aparició d'abundant precipitat és aconsellable muntar el reflux amb agitació magnètica, usant el bloc d'alumini i l'agitador. 6 En cas de no disposar de suficient quantitat, utilizar la disponible i recalculeu les quantitats de reactius i disolvents a utilitzar 7 Si s’ usa molta aigua el producte es pot perdre 8El producte és molt soluble en etanol, per això és millor en aquest cas procedir suspenent el producte en un volum d’aigua al sòlid obtingut i després algunes gotes d’etanol per a solubilitzar-lo. 9L’àcid vinilbenzoic pot polimeritzar en fondre i donar un polímer d’estructura similar al poliestirè, ja que la mateixa molècula conté un grup carboxil, que pot actuar com a catalitzador àcid de la polimerització. Per aquest motiu, és freqüent que es veja bé el principi de la fusió, a uns 148 ºC, però no el final. En pujar la temperatura per damunt del punt de fusió, el producte es descompon clarament (potser a causa de la polimerització).

18

Bibliografia:

Experimental Organic Chemistry, L.M. Harwood and C.J. Moody, Ed. Blackwell Sci. Publ. Oxford, 1989, 588

Llibre de text recomanat: Advanced Organic Chemistry, M. Smith; J. March., Wiley 5th Ed, 2001.

PRÀCTICA 4

REACTIUS DE GRIGNARD. SÍNTESI DE TRIFENILMETANOL

Introducció

Els reactius de Grignard (halogenurs d’alquilmagnesi) constitueixen una de les classes de reactius més versàtils disponibles per a la síntesi orgànica. Es tracta de compostos que presenten un àtom de carboni molt polaritzat per un enllaç amb un element metàl·lic que fa que tinga un caràcter aniònic marcat. Es preparen per reacció d’un halur amb magnesi en dissolució d’èter (Et2O o THF).

Aquest carbanió és alhora un nucleòfil i una base de Lewis, per tant és capaç de reaccionar amb diversos substrats: compostos carbonílics, halurs d’àcid, èsters, etc. No obstant això, la reacció sintèticament més útil implica l’addició dels organometàl·lics als grups carbonil, tant d’aldehid com de cetona, per donar els corresponents alcohols secundaris i terciaris respectivament. El resultat global és la formació d’un enllaç C-C entre les dues agrupacions.

Com ja hem indicat, els reactius de Grignard són bases molt fortes i el reactiu, una vegada format, pot reaccionar violentament amb l’aigua, per això el material i els dissolvents han d’estar secs. En cas contrari no es formarà correctament el reactiu i la segona etapa no tindrà lloc.

Un aspecte que cal no oblidar és que les reaccions en química orgànica poden conduir a productes secundaris que hem de separar del producte que es persegueix. Les causes per les quals apareixen aquests són diverses: competència de diversos processos, transformacions progressives dels productes de reacció o fins i tot que els reactius es descomponguen per un camí de reacció paral·lel. Atès que el mecanisme de formació del reactiu d’alquilmagnesi transcorre a través d’una transferència electrònica, és probable que aquest substrat vaja acompanyat del producte d’acoblament radicalari, procés, d’altra banda, molt comú en els mecanismes homolítics. Fins ara no havíem vist cap transformació d’aquest tipus. Totes les reaccions que hem estudiat són processos heterolítics o pericíclics, ara ens trobem davant d’un tipus de reacció que té com a

19

característica diferenciadora respecte a les d’abans que transcorre a gran velocitat, i, per tant, és difícil de controlar.

En aquesta pràctica observarem l’aparició dels productes secundaris anomenats anteriorment, que haurem de separar del producte de reacció per cromatografia de columna de silicagel..

Qüestions prèvies a l’inici de la pràctica

1. Descriviu el mecanisme de formació de l’organomagnesià.

2. Quins productes secundaris es poden formar en la reacció de formació de l’organomagnesià?

3. Quina és la funció del iode en aquesta reacció?

4. Escriviu el mecanisme de la reacció entre l’organomagnesià i la benzofenona.

5. Per què les condicions han de ser anhidres per a ambdues reaccions?

6. Pot la presència d’aire, que conté oxigen i CO2, causar algun problema en aquestes reaccions?

7. Proposeu un altre organometàl·lic que es puga utilitzar per a obtenir el mateix producte i indiqueu com en duríeu a terme la preparació.

8. És estable el trifenilmetanol en els medis àcids no aquosos? Expliqueu que podria passar si es tractava el trifenilmetanol amb clorur d’hidrogen en èter etílic.

Mg OH

Br MgBr

O

Et2O Et2O

1. Preparació de bromur de fenilmagnesi

En un matràs sec de fons redó amb dues boques, que conté les llimadures de magnesi (0,41 g, 17 mmol) i un cristallet de iode104, s’adapten un embut d’addició i un refrigerant amb dos tubs de clorur càlcic. S’addicionen successivament des de l’embut 2 mL d’èter i una dissolució formada per 1,6 mL de bromobenzè (15 mmol) i 2 mL d’èter (aquesta última s’addiciona lentament).

Posteriorment, s’hi afegeixen 4 mL més d’èter en dues porcions per recollir el que ha quedat a l’embut. Una volta acabat aquest procés es manté un suau reflux5 durant 10-20 min i s’observen els canvis de coloració que es produeixen en la dissolució. (Taronja a gris, el magnesi no es consumeix del tot). En aquest punt és opcional fer una cromatografia de capa fina per comprovar que la reacció no genera productes secundaris.

                                                            10 Consulteu amb el profesor la mida del cristall. 11 Aquest suau reflux s’automanté, ja que la reacció de formació de l’organomagnesià és exotèrmica. Es recomana tenir un bany d’aigua-gel preparat en cas que es done una ebullició molt violenta i es necessite refredar la reacció ràpidament.

20

2. Preparació de trifenilmetanol per reacció del bromur de fenilmagnesi amb benzofenona

A continuació es deixa refredar el matràs i des de l’embut s’addiciona una dissolució de 0,93 g de benzofenona (5,1 mmol) en 1 mL d’èter i després 1 mL més d’èter per a recollir (dissolució de color roig). Es deixa la mescla de reacció amb agitació constant a temperatura ambient durant 30 min. S’observa l’aparició d’un sòlid blanc.6 Completat aquest temps s’addicionen 4 mL d’aigua freda,7 2 mL d’èter i s’agita fins que es dissolga el precipitat blanc. La mescla es transfereix a un embut de decantació, s’afegeix més aigua per recollir i, a continuació, se separen les fases (si es formen emulsions, cal afegir més èter): la fase aquosa s’extrau amb èter i les fases orgàniques reunides es renten amb salmorra i s’assequen sobre MgSO4. Al residu obtingut després d’evaporar el dissolvent al rotavapor se li realitza una CCF (n-hexà:dietilèter, 8:2) i una part (0,1 g) es purifica per cromatografia de columna utilitzant n-hexà:dietilèter com a eluent (9:1-8:2). La resta es cristal·litza de AcOEt filtrant en calent per retirar impureses insolubles.

Bibliografia:

Experimental Organic Chemistry, L.M. Harwood and C.J. Moody, Ed. Blackwell Sci. Publ. Oxford, 1989, 539G

Llibre de text recomanant: Advanced Organic Chemistry, M. Smith; J. March., Wiley 5th Ed, 2001.

                                                            12Eluent per a la CCF: hexà-èter 8:2 13Es podria, alternativament, addicionar en aquest punt 4 mL de H2SO4 al 5%, o 4 mL de NH4Cl 5%.

21

PRÀCTICA 5

ESTUDI DEL CONTROL CINÈTIC I TERMODINÀMIC EN LES REACCIONS

Introducció

Quan a partir d’uns determinats compostos de partida hi ha diverses vies de reacció perquè es formen diferents productes, normalment aquests ho fan a diferents velocitats. Si les condicions són tals que la reacció inversa (dels productes als reactius de partida) no és viable, el producte predominant és el que es forma a major velocitat. Una reacció d’aquest tipus es diu que està sota control cinètic. Però les reaccions orgàniques consisteixen sovint en processos d’equilibri en què la reacció inversa (dels productes als reactius de partida) es dóna de forma significativa. En aquests casos, si es dóna prou temps a la reacció perquè s’assolisca l’equilibri, aquesta donarà com a resultat l’acumulació del material més estable com a producte afavorit, i aquest producte termodinàmic sol ser diferent del producte cinètic. El següent diagrama de coordenada de reacció de vies competitives cinètiques i termodinàmiques permet comprovar que el producte cinètic es forma més ràpidament a causa d’una menor barrera d’activació per a la seua formació. Per contra, en el sistema en equilibri predomina el producte termodinàmic, que és el més estable.

Les condicions termodinàmiques es poden aconseguir en molts casos calfant la mescla de reacció (amb la finalitat d’augmentar la velocitat de la reacció directa i també de la inversa i assolir així l’equilibri). Contràriament, les condicions cinètiques requereixen l’ús de baixes temperatures (sovint de -78 ºC o fins i tot inferiors). En molts casos és difícil assolir una selectivitat elevada i així s’obtenen sovint mescles del producte cinètic i del termodinàmic, i predomina l’un o l’altre segons les condicions utilitzades.

En l’experiment següent ens centrarem en la formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid. La reacció de condensació d’un compost carbonílic amb semicarbazida és un procés reversible en què una molècula d’aigua pot provocar la hidròlisi per donar els productes de partida. Els dos compostos carbonílics usats per a aquest experiment s’han triat a causa de les seues

diferents velocitats de reacció amb semicarbazida i les diferents estabilitats de les semicarbazones resultants. L’experiment implica la formació inicial d’ambdues semicarbazones com a productes purs i l’observació de les seues velocitats relatives de formació, seguits d’experiments competitius de formació de les semicarbazones en condicions cinètiques (temps curt de reacció) i termodinàmiques (temps llarg de reacció), en els quals s’identificaran els productes majoritaris obtinguts mitjançant els seus punts de fusió. L’anàlisi per CCF sobre sílice de les semicarbazones pures i de les obtingudes en els experiments de competició, indicarà quina semicarbazona es forma principalment en condicions de control cinètic i en condicions de control termodinàmic.

22

O

O

H2N NH

NH2

ON NH

NH2

N

HN NH2

CHO

O

OO

Qüestions prèvies a l’inici de la pràctica

1. Descriviu el mecanisme de formació d’una semicarbazona.

2. En general, quina diferència de reactivitat hi ha entre un carbonil de cetona i un d’aldehid? Com influeix la reactivitat en la velocitat de reacció?

3. Quin carbonil és més reactiu, el de la ciclohexanona o el del 2-furaldehid? Justifiqueu la resposta.

4. Què influeix en l’estabilitat de les dues semicarbazones preparades en aquesta pràctica?

5. Per què en condicions termodinàmiques és més fàcil que el producte de reacció revertisca al producte de partida?

Part A: Preparació de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid

En un matràs de fons redó de 100 mL s’introdueixen 10 mmol del clorhidrat de semicarbazida, juntament amb 23,8 mmol de bicarbonat sòdic. S’hi addicionen 25 mL d’aigua desionitzada. Es produeix una forta efervescència i s’agita fins que aquesta cessa i tots els sòlids estan dissolts. Seguidament, s’hi afegeixen 10 mmol de ciclohexanona. S’acobla un refrigerant al matràs i es calfa a reflux amb agitació magnètica durant 30 minuts. S’observa que en la mescla de reacció està tot dissolt. Es retira el matràs de la font de calor i es deixa refredar lentament fins a temperatura ambient i seguidament es refreda en un bany de gel. El sòlid obtingut es recull per filtració, es renta amb aigua freda i es guarda en un sobre de paper fins que estiga totalment sec. Es calcula el rendiment i el punt de fusió.

Es repeteix el procediment anterior, utilitzant ara com a compost carbonílic el 2-furaldehid (10 mmol) seguint els mateixos passos.

Part B: Formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehíd sota control termodinàmic

En un matràs de fons redó de 100 mL s’introdueixen 10 mmol del clorhidrat de semicarbazida, juntament amb 23,8 mmol de bicarbonat sòdic. S’hi addicionen 25 mL d’aigua desionitzada. Es produeix una forta efervescència i s’agita fins que aquesta cessa i tots els sòlids estan dissolts. Seguidament s’hi afegeixen 10 mmol de ciclohexanona i 10 mmol de 2-furaldehid. S’acobla un refrigerant al matràs i es calfa a reflux durant 45 minuts. S’observa que en la mescla de reacció està tot dissolt. Es retira el matràs de la font de calor i es deixa refredar lentament fins a temperatura ambient i seguidament es refreda en un bany de gel. El sòlid obtingut es recull per filtració, es renta amb aigua freda i es guarda en un sobre de paper fins que estiga totalment sec. S’anota el rendiment i el punt de fusió.

23

Part C: Formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid sota control cinètic

En un matràs de fons redó de 100 mL s’introdueixen 10 mmol del clorhidrat de semicarbazida, juntament amb 23,8 mmol de bicarbonat sòdic. S’hi addicionen 25 mL d’aigua desionitzada. Es produeix una forta efervescència i s’agita fins que aquesta cessa i tots els sòlids estan dissolts. El matràs s’introdueix en un bany a 0ºC, s’espera aproximadament 10 minuts i s’hi afegeixen 10 mmol de ciclohexanona i 10 mmol de 2-furaldehid. La mescla s’agita a aquesta temperatura aproximadament 30 minuts. El sòlid obtingut es recull per filtració, es renta amb aigua freda i es guarda en un sobre de paper fins que estiga totalment sec.

Els quatre sòlids que s’han obtingut (apartats A-C) es pesen i seguidament s’analitzen els resultats obtinguts. Es preparen en quatre vials una petita quantitat de cada un dels sòlids obtinguts dissolts en acetona i es procedeix a comparar-los per cromatografia de capa fina [eluent cloroform-metanol (9-1)].

Part D: Reacció d’interconversió entre una semicarbazona i un compost carbonílic en condicions de control termodinàmic

En un matràs de fons redó de 100 mL s’introdueixen 2 mmol de la semicarbazona de ciclohexanona i 2 mmol de 2-furaldehid en 4 mL d’aigua. La mescla es calfa a reflux durant 1 hora. Després de refredar a temperatura ambient, es recull el sòlid per filtració. El producte s’identifica per CCF comparant amb els patrons adequats.

El procés es repeteix utilitzant 2 mmol de la semicarbazona de 2-furaldehid i 2 mmol de ciclohexanona en 4 mL d’aigua. La mescla es calfa a reflux durant 1 hora. Després de refredar a temperatura ambient, es recull el sòlid per filtració. El producte s’identifica per CCF comparant amb els patrons adequats.

Responeu a les qüestions següents:

1. Quin producte s’ha obtingut quan, partint d’una mescla de ciclohexanona i 2-furaldehid en presència de semicarbazida, s’ha treballat en condicions cinètiques?

2. Quin producte s’ha obtingut quan, partint d’una mescla de ciclohexanona i 2-furaldehid en presència de semicarbazida, s’ha treballat en condicions termodinàmiques?

3. Com s’explica que en cada cas s’obtinga només una semicarbazona de les dues possibles?

4. Què passaria si es calfara a reflux durant 1h una dissolució aquosa bàsica amb quantitats equimoleculars de la semicarbazona de la ciclohexanona i 2-furaldehid?

Bibliografia

Harwood, L. M.; Moody, C. J., “Experimental Organic Chemistry. Principles and Practice”, Blackwell Scientific, Oxford 1989, pàg. 726.

Conant, J.B.; Bartlett, P.D. J. Am. Chem. Soc. 1932, 54, 2881-2899.

http://sciencelearningcenter.pbworks.com/w/page/30839633/organic%20Chemistry, en CHEM 204-Lab pdf files: Kinetic vs. Thermodynamic Control of Organic Reactions.pdf