Prólogo ..............................................................................................

Experimento 1. Síntesis de 1-etoxi-1-ciclohexeno ...........................

Experimento 2. Síntesis de 3-nonen-2-ona ......................................

Experimento 3. Síntesis de 2-(2-metil)propilciclopent-2-enona .......

Experimento 4. Síntesis de trans-estilbeno. Reacción de Wittig ......

Experimento 5. Síntesis de 1,2:4,5-di-O-ciclohexiliden-D-fructopira-nosa .......................................................................

Experimento 6. Síntesis de terc-butilmetilcetona. Transposición pi-nacolínica ...............................................................

Experimento 7. Reacciones de orto-fenilendiamina con acetilace-tona .......................................................................

Experimento 8. Síntesis de bencimidazol y benzotriazol .................

Experimento 9. Síntesis de 3,5-dimetilpirazol. Reactividad frente aagentes electrófilos: bromación .............................

Experimento 10. Preparación de 2-fenilindol. Síntesis de Fischer ......

Experimento 11. Síntesis de ácido barbitúrico y derivados ...............

Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla bi-naria de compuestos orgánicos por cromatografíagas-líquido. Identificación de los compuestos me-diante técnicas espectroscópicas ............................

Experimento 13. Síntesis de alcanfor a partir de canfeno .................

Experimento 14. Resolución de la (±)-feniletilamina ........................

Índice

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95

105

115

133

149

1 Introducción teórica

1.A Aplicaciones de la cromatografía gas-líquidoal análisis cualitativo y cuantitativo decompuestos orgánicos

En el experimento n.o 2 del texto Curso experimental de Química Orgá-nica se ha expuesto los fundamentos teóricos de la cromatografía de gases,por lo que aquí no se va a insistir mucho más sobre este punto. La CGL esuna técnica de suma utilidad para realizar separaciones, resultando inme-jorable cuando se aplica a mezclas complejas de compuestos orgánicoscon las únicas condiciones de que éstos sean suficientemente volátiles y nodemasiado termolábiles.

En lo que respecta al análisis cuantitativo, las áreas de los picos de uncromatograma, debidamente calibradas, proporcionan valiosa informa-ción acerca de la composición cuantitativa de la mezcla, ya que dichasáreas son directamente proporcionales a los porcentajes en peso de loscomponentes de la misma. En otras palabras, el registro de un cromato-grama permite determinar la composición porcentual (expresada en peso)de una mezcla de componentes volátiles. La cromatografía de gases, portanto, proporciona resultados muy satisfactorios cuando se aplica al análi-sis de extractos de productos naturales volátiles, brutos de reacción, mez-clas de disolventes utilizados en pintura, etc. Los cromatogramas se utilizantambién con mucha frecuencia como criterio de pureza, ya que las impu-rezas aparecen como picos adicionales cuyas áreas dan idea del grado decontaminación de un determinado compuesto. En este sentido, la técnicaes muy útil a la hora de evaluar la efectividad de cualquier procedimientode purificación, como por ejemplo la destilación o la cromatografía encolumna, ya que el análisis de las diversas fracciones permite determinar sucomposición porcentual y el grado de enriquecimiento en un determinadocomponente de cada una de ellas.

1.A.1 Tiempos de retención y sustancias patrones

Cuando se realiza un análisis por cromatografía de gases, una carac-terística muy importante de cada compuesto presente en una mezcla es sutiempo de retención. Éste puede definirse como el tiempo transcurrido

117Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

desde el inicio del registro del cromatograma (en una buena aproxima-ción, desde la introducción de la muestra en la cámara de inyección delcromatógrafo) y el máximo del pico que origina el compuesto en dichocromatograma. Ello representa, también con mucha aproximación, eltiempo requerido para su elución a través de la columna. Dicho tiempo deretención depende de diversos factores, pero para una columna y gasportador determinados es función de la temperatura de dicha columna ydel caudal de gas portador. Un aumento de la temperatura de la columnao del caudal de gas portador provoca una disminución del tiempo de re-tención y viceversa. Si una serie de análisis se realiza bajo unas determi-nadas condiciones de trabajo, el tiempo de retención de cada componentepuede considerarse como una constante física que no varía mientras no lohagan dichas condiciones (temperatura de la columna y caudal de gasportador). De esta manera, el tiempo de retención puede utilizarse en aná-lisis cualitativo de una mezcla como buen criterio identificativo de cadauno de los componentes de ésta, siempre que se disponga de aquéllos enestado puro para utilizarlos como patrones. Por comparación de los tiem-pos de retención del compuesto patrón y el compuesto problema presenteen la mezcla, puede determinarse con alto grado de seguridad la identi-dad de éste, sobre todo si la prueba se repite con columnas de diferentenaturaleza o polaridad y a diferentes temperaturas, ya que en estas con-diciones la coincidencia de los tiempos de retención es un claro indicio deque ambos compuestos, problema y patrón conocido, son la misma sus-tancia.

En caso de duda, debido a pequeñas diferencias entre los tiempos de re-tención que se comparan, puede obtenerse una evidencia adicional si se in-yecta una mezcla del compuesto desconocido y el patrón. En el cromato-grama debe aparecer un único pico indicativo de que ambos compuestosson idénticos. Por el contrario, si son diferentes se observarían dos picosmuy próximos, con tiempos de retención muy parecidos. Otra manera de re-solver esta duda es añadir dicho patrón a una mezcla donde está presenteel compuesto desconocido cuya identidad se quiere comprobar. En estecaso no debe aparecer ningún pico nuevo, pero sí producirse un aumentode intensidad de aquél que coincide con el patrón, ya que ambos sonidénticos.

No obstante, la utilización para el análisis cualitativo de esta técnica ais-lada presenta limitaciones ya que puede ocurrir, aunque es muy improba-ble, que dos compuestos orgánicos posean el mismo tiempo de retención

118Prácticas integradas de Química Orgánica

aún en diferentes columnas y a diferentes temperaturas. Por otra parte, nosiempre puede disponerse de los correspondientes compuestos patronespuros y a veces, ni siquiera se tienen indicios acerca de las estructuras de loscompuestos que se van a identificar.

Una identificación rigurosa de los compuestos presentes en una mezclarequiere el empleo combinado de técnicas cromatográficas (u otras técnicasde purificación y separación) y técnicas espectroscópicas.

1.B Cromatografía gas-líquido/espectrometríade masas (CGL/EM)

Alrededor de la década de 1960 el uso de la espectrometría de masasestuvo estrechamente ligado al desarrollo de la cromatografía de gases. Así,a partir de 1970, el acoplamiento de cromatógrafos de gases a espectró-metros de masas comenzó a desarrollarse como un método de rutina parael análisis de mezclas complejas de compuestos orgánicos volátiles.

El acoplamiento o tandem cromatógrafo gas-líquido/espectrómetro demasas (CGL/EM), ha resultado ser una técnica muy potente de análisis decompuestos orgánicos. El fundamento de dicha técnica se basa en conectarla salida de un cromatógrafo de gases directamente a la cámara de ioniza-ción de un espectrómetro de masas, es decir, básicamente supone la susti-tución del detector habitual de un cromatógrafo (FID o TC) por el propio es-pectrómetro de masas que actúa como tal.

En las figuras 12.1, 12.2 y 12.3 se muestran, respectivamente, un cro-matógrafo de gases, un espectrómetro de masas acoplado a un cromató-grafo de gases y una representación esquemática de este equipo. El gasportador, que arrastra a los compuestos separados previamente en la co-lumna, se hace pasar por una interfase caliente (con objeto de que nocondensen los compuestos eluidos) y a continuación penetra en la cámarade ionización del espectrómetro de masas. De esta manera puede regis-trarse no sólo el cromatograma de una mezcla de compuestos, sino tam-bién el espectro de masas de cada uno de los componentes de ésta, quevan eluyéndose sucesivamente y que dan lugar a un pico en aquél. Ello pro-porciona una información valiosa acerca de la composición, por ejemplo, deun bruto de reacción, un crudo petrolífero, un extracto de productos natu-rales, etc.

119Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

120Prácticas integradas de Química Orgánica

FIGURA 12.1. Cromatógrafo de gases y diferentes columnas.

FIGURA 12.2. Cromatógrafo de gases acoplado a un espectrómetro de masas.

FIGURA 12.3. Representación esquemática del acoplamiento de un cromatógrafode gases a un espectrómetro de masas.

La utilización de estas técnicas combinadas ha experimentado un nota-ble avance en los últimos diez años, debido al desarrollo de los ordenado-res, de espectrómetros de masas de alta velocidad de barrido, como los cua-drupolares, y de la disponibilidad de columnas capilares que, además de sugran eficiencia separadora, poseen la ventaja de que el caudal de gas por-tador que fluye a través de ellas es muy reducido, lo que permite su cone-xión directa a la cámara de ionización del espectrómetro de masas sin quese produzcan pérdidas de vacío que afectarían al buen funcionamientodel instrumento.

1.C Elucidación estructural de compuestosorgánicos por aplicación conjunta de técnicascromatográficas y espectroscópicas

En el presente experimento se analizarán por cromatografía de gasesmezclas binarias de compuestos orgánicos desconocidos, cuya estructura seelucidará finalmente a partir de datos espectroscópicos proporcionadospor las técnicas 1H-RMN, IR y EM.

En los experimentos n.os 22, 23 y 24 del texto Curso experimental deQuímica Orgánica se exponen los fundamentos teóricos de las técnicasque se acaban de mencionar, así como su aplicación a ejemplos concretos yel procedimiento experimental a seguir en cada una de ellas; por ello antesde realizar el experimento que nos ocupa, es necesario consultar aquéllos.

En lo referente a la utilización conjunta de dichas técnicas espectroscó-picas, debe tenerse siempre en cuenta el carácter complementario de unasrespecto de otras. Los datos extraídos y conclusiones deducidas de cada unade ellas, deben ser coherentes y estar en concordancia con los suministradospor las restantes.

Hay muchas maneras de resolver un problema de elucidación estructu-ral pero aquí, y por seguir el orden en que se van a realizar las distintas par-tes del experimento, la pauta que se da es un estudio previo del espectro demasas, del cual pueden extraerse interesantes conclusiones acerca de la es-tructura del compuesto desconocido, posterior análisis del espectro de IR,que dará una idea de la funcionalidad presente en la molécula y una inter-pretación final del espectro de 1H-RMN que permitirá, apoyándose en lasanteriores técnicas, establecer con seguridad la estructura del compuestoorgánico en cuestión.

121Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

2 Material y productos

Material

— 10-15 viales de 5-10 mL.

— Un erlenmeyer de 250 mL.

— Dos erlenmeyer de 100 mL.

— Tres erlenmeyer de 50 mL.

— Pipetas tipo Pasteur.

— Algodón o lana de vidrio.

— Espátula y varillas de vidrio.

— Balanza.

— Tijeras.

— Cromatógrafo de gases.

— Espectrómetro de masas con sus accesorios.

— Espectrómetro RMN.

— Espectrofotómetro infrarrojo.

— Un par de cristales de NaCl.

— Un soporte para células de NaCl o KBr.

— Un par de células para muestras líquidas.

— Una microjeringa de 10 µL.

— Un mortero.

— Una prensa.

— Tubos de RMN.

— Un secador de aire.

Productos

— Diez compuestos orgánicos problema elegidos por el profesor.

— Cloruro de metileno.

— Acetona.

— Tetracloruro de carbono.

— Bromuro potásico.

122Prácticas integradas de Química Orgánica

— Cloroformo sin alcohol.

— Bromoformo.

— Nujol.

— Cloroformo deuterado.

— Tetrametilsilano.

3 Referencias bibliográficas

D. PASTO, C. JOHSON, M. MILLER, Experiments and Thecniques in Organic Chemistry,págs. 62-83, Prentice Hall, New Jersey, 1992.

R. M. ROBERTS, J. C. GILBERT, L. B. RODEWALD, A. S. WINGROVE, Modern Experimental Or-ganic Chemistry, págs. 138-161, Saunders Golden Sunburst Series, Philadelphia,1985.

L. M. HARWOOD, C. J. MOODY, Experimental Organic Chemistry, págs. 155-205, Black-well Scientific Publications, Oxford, 1990.

R. DAVIS, M. FREARSON, Mass Spectrometry, págs. 390-418, John Wiley, New York,1987.

P. BALLESTEROS, P. CABILDO, R. CLARAMUNT, A. GARCÍA, E. TESO, Curso experimental de Quí-mica Orgánica, págs. 53-77, UNED, 1989.

4 Procedimiento experimental

4.A Análisis cualitativo y cuantitativo porcromatografía gas-líquido de una mezclabinaria de compuestos orgánicos porcomparación de sus tiempos de retencióncon los de patrones puros

Se dispondrá de 8-10 compuestos orgánicos puros, cuya estructura sequiere elucidar, en solución de diclorometano al 5-10%, en viales numera-dos consecutivamente o etiquetados con letras. Dichos compuestos son lospatrones cuyo tiempo de retención en CGL se va a determinar.

Para realizar los análisis, se tendrá preparado el cromatógrafo de gasesbajo las siguientes condiciones experimentales aproximadas: Columna ca-pilar de fase apolar, como goma de silicona, de 25 m (0,25 mm de diámetrointerno). Programa de temperatura del horno: Temperatura inicial, 60 °C;

123Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

tiempo inicial, 5 minutos; gradiente de temperatura, 10 °C/min; temperaturafinal, 180 °C. Temperaturas de inyector y detector (o interfase, en el caso deCG/EM), 220 °C. Flujo del gas portador, 0,8-1mL/min. Si no se dispone deuna columna capilar, puede realizarse el experimento con columnas de re-lleno de 2-3 m de una fase apolar, al 10% sobre chromosorb W, comogoma de silicona, apiezón, UCC, etc., bajo las mismas condiciones aproxi-madas de temperatura. El caudal de gas portador se determinará y optimi-zará experimentalmente. (NOTA).

En primer lugar los alumnos, guiados por el profesor de prácticas, inyec-tarán en el cromatógrafo de gases 0,2-0,4 µL de disolución en diclorometanoal 10% de cada uno de los compuestos mencionados y registrarán los co-rrespondientes cromatogramas, con objeto de determinar y anotar el tiempode retención de dichos patrones puros, de estructura aun desconocida.

A continuación, el profesor entregará a cada alumno una mezcla de dosde los componentes anteriores en solución al 5-10% de diclorometano,con objeto de que proceda a su análisis por CGL, bajo las mismas condi-ciones mencionadas anteriormente y utilizadas con los patrones, y deter-mine composición cuantitativa e identidad de cada compuesto por com-paración de sus tiempos de retención con aquellos de los patrones puros.

Una vez que el alumno haya averiguado de qué compuestos patronesestá constituida su mezcla, el profesor entregará una muestra de cada unode ellos en estado puro para que realice los espectros EM, IR y 1H-RMN.

4.B Identificación de los componentesde una mezcla binaria de compuestosorgánicos por utilización conjunta de técnicasespectroscópicas

El procedimiento experimental a seguir en cuanto a preparación demuestras e interpretación de los datos obtenidos está descrito en los expe-rimentos 22, 23 y 24 del texto Curso experimental de Química Orgánica, porlo que aquí no va a repetirse. El registro de los espectros correspondientesa cada técnica se realizará siempre bajo la supervisión del profesor. En loque concierne al registro del espectro de masas, puede llevarse a cabo in-yectando la muestra problema en el cromatógrafo de gases acoplado al es-pectrómetro de masas. Las condiciones de trabajo (volumen y concentraciónde muestra inyectada, temperaturas de la columna e inyector y flujo de gas

124Prácticas integradas de Química Orgánica

portador) serán similares a las utilizadas en el apartado anterior. No obs-tante, debe tenerse en cuenta que dichas condiciones pueden variar en fun-ción de la naturaleza del equipo empleado (NOTA). En cualquier caso, será elprofesor quien las habrá determinado experimentalmente con anteriori-dad al desarrollo de las sesiones de prácticas. De esta manera, en pocotiempo, puede obtenerse, no sólo el cromatograma, sino también los es-pectros de masas correspondientes a cada compuesto desconocido.

NOTA

El programa de temperatura y la columna elegidos aquí, en principio, permitenanalizar en un período razonable de tiempo mezclas de compuestos dentro una am-plia gama de pesos moleculares y polaridades. No obstante, estas condiciones sonorientativas, ya que dependen de muchos factores, como tipo de columna que sedisponga, modelo de cromatógrafo de gases, naturaleza de los compuestos que sevan a analizar, etc. En cualquier caso, será el profesor quien determine experimen-talmente las condiciones de trabajo más idóneas.

5 Cálculos y resultados

Cálculos

Todos los cálculos realizados y las conclusiones que hayan llevado alalumno al establecimiento de las estructuras que propone, por análisis delos datos espectroscópicos suministrados, se reflejarán en el cuaderno de la-boratorio.

Resultados

Elucidación estructural

125Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...

Compuesto T. retención Comp. cuantitativa Estructura(n.o) (min) (%) (fórmula)

6 Ejercicios

1. Los tiempos de retención de una serie de compuestos patrones pu-ros, bajo determinadas condiciones analíticas en CGL, se muestran acontinuación:

1) dietilcetona.................................................. 2,62 min

2) g-butirolactona ............................................ 2,72 min

3) alcohol terc-butílico ..................................... 3,54 min

4) 1-butanol..................................................... 3,63 min

5) formiato de etilo.......................................... 4,14 min

Una mezcla de dos de estos compuestos se inyectó bajo las mis-mas condiciones, obteniéndose un cromatograma con dos picoscon tiempos de retención de 2,66 y 3,58 min. Como la identificaciónpor comparación con los patrones no fue suficientemente precisa,dada la similitud de los tiempos de retención y el error del método,se registraron los espectros de masas de ambos compuestos, repre-sentados bajo estas líneas. ¿De qué compuestos se trata?

126Prácticas integradas de Química Orgánica

2. El análisis por CGL/EM de una mezcla de tres compuestos orgánicosA, B y C, dio como resultado los espectros de masas representados acontinuación, junto a los correspondientes espectros 1H-RMN o IRgrabados posteriormente con los compuestos puros. Establézcanselas estructuras de dichos compuestos.

A

127Experimento 12. Análisis cualitativo y cuantitativo de una mezcla binaria...