INTERCAMBIO DE ANHÍDRIDOSAngy M. Leira, Marco F. Ortiz amlo_52@hotmail.com

Facultad De Ingeniería Programa de Ingeniería Química

Octubre del 2013

ResumenMediante un intercambio de anhídrido, se realizó la obtención del anhídrido ftálico, un intermediario químico en la producción de plásticos a partir del ácido ftálico y el anhídrido acético como agente deshidratante. Para que la reacción se llevara a cabo se mezcló 0.2 g de ácido ftálico y 2 mL de anhídrido acético, con 3 carborundos en un balón de 5 mL y se sometió a un condensador de reflujo en presencia de calor, posteriormente después de 30 minutos, la mezcla se retiró y se dejó en reposo para proceder a un baño de hielo y así obtener un precipitado (Anhídrido ftálico), filtrar y pesar la muestra para realizar el cálculo del rendimiento, en donde se obtuvo 0.156 g de Anhídrido ftálico y un porcentaje de rendimiento del 87.78 %.

Palabras claves: Intermediario anhídrido, deshidratación anhidrica, anhídridos cíclicos, ácidos dicarboxilicos.

Introducción

Las reacciones químicas de los distintos derivados de ácidos carboxílicos están representadas por un tipo de reacción general: la reacción de sustitución nucleófilica en el acilo. Estas reacciones se realizan por medio de la adición de un nucleófilo al grupo carbonilo polar del derivado de ácido, seguida de la expulsión de un grupo saliente del intermediario tetraédrico: La reactividad de un derivado de ácido hacia la sustitución nucleófilica depende tanto del entorno estérico alrededor del grupo carbonilo como de la naturaleza electrónica del sustituyente. Todos ellos pueden ser obtenidos de los respectivos ácidos carboxílicos, los cloruros de ácidos a su vez se pueden transformar en cualquier otro derivado de ácido.

El anhídrido ftálico es el compuesto orgánico de fórmula C6H4(CO)2O. Es el anhídrido del ácido ftálico. Este sólido es un producto químico industrial importante, especialmente para la producción a gran escala de plastificantes para plásticos además de ser un intermediario en la obtención de colorantes.1 El anhídrido ftálico, también conocido como ftalandiona, se presenta en estado físico como cristales incoloros, su punto de fusión corresponde a 131ºC y una densidad correspondiente a 1.527 g/cm3 (20 °C).2

Se utiliza en la producción de resina poliéster insaturada UPR (utilizada en la elaboración de embarcaciones, muebles, en la industria de la construcción, autopartes, tuberías, tanques de almacenamiento, etc.), también se utiliza en la fabricación de resina alquidal (usada en la formulación de pinturas, barnices y recubrimientos). Adicionalmente se utiliza en la elaboración de plastificantes base ftalato como DOP, DINP, DBP. Es usado como materia prima en la fabricación de tintes y pigmentos, y en la elaboración de poliol poliéster (usado en la formulación de sistemas de poliuretano). Materia prima en la fabricación de fenolftaleina y otras aplicaciones farmacéuticas.4

Resultados y Discusión Para la síntesis de Anhidrido ftálico se mezclaron 0.2 g de ácido ftálico y 2 mL de anhídrido acético en un balón de 5mL, luego se hizo el montaje del condensador de reflujo con una trampa de cloruro de calcio, posteriormente la solución reaccionante se calentó con agitación, donde luego de que la presión de vapor de la solución se igualó a la presión del medio; la mezcla permaneció evaporacion aproximadamente 30 minutos.1 Después se dejó reposar a temperatura ambiente, se procedió a un baño de hielo y seguidamente se agregaron 10 mL de etanol y finalmente colectar el sólido por filtración.

Resultados

Tabla N° 1. Datos de la experiencia

Ácido Ftálico Anhídrido Acético Anhídrido Ftálico

m= 0.2 g V= 2 mL m= 0.156 g

ρ= 1.53 g/mL ρ= 1.08 g/mL PM= 148.1 g/mol

v= 0.130 mL m= 2.16 g n= 0.00105 mol

PM= 166.14 g/mol PM= 58.04 g/mol

n= 0.0012 mol n= 0.0372 mol

Rendimiento

Moles ProductoMolesReactivo l í mite

∗100=0.00105mol0.0012mol

∗100=87.78%

Cuando los ácidos dicarboxílicos tiene 2 y 3 átomos de Carbono entre los grupos carboxílicos, la formación de anhídridos se da por pérdida de agua debido al calor expuesto en la reacción, pero cuando el número de átomos de carbono es mayor a tres (3), se excluye la formación de éstos; debido al

incremento de la distancia entre los grupos carboxílicos. Algunos de estos ácidos experimentan descarboxilación térmica pero solo a temperaturas elevadas y en presencia de catalizadores.1 Para la obtención del anhídrido ftálico, en donde la molécula sobrepasa los tres átomos de carbono, se preparó por calentamiento del correspondiente ácido dicarboxílico en presencia de anhídrido acético, un agente deshidratante [Ec.1].

Ec. 1 Síntesis de Anhídrido ftálico

Para la síntesis de anhídrido ftálico, se utilizó el anhídrido acético como agente deshidratante, puesto que éste actúa como nucleófilo atacando al carbono carboxilo, desprendiendo grupos OH, lo cual sigue actuando como nucleófilo que ataca al grupo carboxilo del ácido ftálico (Ácido dicarboxílico), formándose inmediatamente la ciclación; ya que los carbonos carboxilos se unen al átomo de Oxígeno, produciendo el anhídrido ftálico más ácido acético.3 Posterior a la mezcla de ácido ftálico con el anhídrido acético, se hizo el respectivo montaje del condensador de reflujo con una trampa de cloruro de calcio [Fotografía 1] que se emplea como método para absorber la humedad debido a su propiedad de higroscopia.

Fotografía 1. Trampa de Cloruro de Calcio Fotografía 2. Condensador de reflujo

Ésta mezcla se disolvió en caliente por la descarboxilación térmica. En el desarrollo de la práctica a medida que se aumentaba la temperatura, el reflujo era permanente, puesto que el anhídrido se evaporaba y gracias a la trampa de Cloruro de Calcio se evitaba el escape [Fotografía 2]. Durante el proceso de condensación a la mezcla se le agregaron 3 carborundos, para que la temperatura se distribuyera por toda la mezcla y la reacción se llevara a cabo

en óptimas condiciones. Después de un determinado tiempo la mezcla empezó a ebullir, se esperó 30 minutos para retirar la mezcla del condensador de reflujo y esperar a que llegara a un equilibrio con la temperatura ambiente, para proceder a un baño de hielo [Fotografía 3], encargado de bajar la temperatura de la mezcla para obtener una precipitación de tal forma que se pudo conseguir pequeños cristales de la sustancia en estudio (Anhídrido ftálico).

Fotografía 3. Baño de Hielo

Después de un largo tiempo de la mezcla en el baño de hielo, se filtraron los cristales [Fotografía 4] y se dejó secar el papel filtro para pesar en la balanza y poder determinar el rendimiento; se obtuvo 0.156 g de Anhídrido ftálico y a partir de los respectivos cálculos se logró un rendimiento de 87.78%. Además luego de obtener la cantidad de producto deseado se procedió a determinar el punto de fusión [Fotografía 5], el cual su punto máximo fue de 131.1°C, su mínimo fue de 129,6°C y su punto de fusión promedio fue de 130.35°C; entonces esto comprobó que el producto fue el deseado, puesto que el punto de fusión teórico es de 131°C.

Fotografía 4. Filtración Fotografía 5. Punto de fusión

Preguntas

1. Proponga el mecanismo de la reacción efectuada en esta práctica.

R//

Ec. 2 Síntesis de Anhídrido Ftálico

2. ¿Cuál es el propósito de usar trampa de cloruro de calcio?

R// Se emplea como método para absorber la humedad debido a su propiedad de higroscopia que corresponde a la capacidad de algunas sustancias de absorber humedad del medio circundante.Otra propiedad que hace que el cloruro de calcio sea un buen adsorbedor de humedad es la característica delicuescente; los materiales delicuescentes son sustancias (en su mayoría sales) que tienen una fuerte afinidad química por la humedad y que absorben cantidades

relativamente altas de agua si son expuestos a la atmósfera, formando una solución líquida.

3. ¿Cómo se preparan los anhídridos de cadena abierta?

R// Los anhídridos de cadena abierta no pueden formarse por simple calentamiento del ácido. Uno de los métodos más comunes para formarlos consiste en calentar un ácido carboxílico con anhídrido acético. Se establece un equilibrio entre el anhídrido deseado y el anhídrido acético. Puede completarse la reacción por destilación del ácido acético el cual es el componente más volátil de la mezcla.

Conclusión

En el trabajo realizado experimentalmente se pudo determinar las condiciones para la formación del anhídrido ftálico, como lo es la trampa de cloruro de calcio y la adición de los carborundos a la mezcla reaccionante. Corroborando en la teoría notamos que el producto fue el deseado puesto que se midió cierta propiedad física: el punto de fusión. Mediante un sistema de condensación se obtuvo anhídrido ftálico para el cual se determinó el rendimiento de la reacción que fue de 87.78%. Además, también se conoció para que se usa el anhídrido ftálico en la práctica industrial, como lo es para el uso de y síntesis de plastificantes y sirve de intermediario para la obtención de colorantes.

Referencias

[1] Guía de Laboratorio de Química Orgánica, prácticas de docencia para el programa de ingeniería Química, 2013.[2] Quimica Organica quinta edicion Paula Yurkanis Bruice university of California, Santa Barbara. Editorial Perason educacion mexico 2008. Pág 872-876, Capítulo 18. [3] Cooper, Paul W., Explosives Engineering, New York: Wiley-VCH, 1996. ISBN 0-471-18636-8[4] Allinger.Cava. De Jongh.ohnson.Lebel.Stevens QUÍMICA ORGÁNICA/ Organic Chemistry., 2 edición, Copyright © 1971 by Worth Publishers, Inc.[5] Química Orgánica McMurry, J. 5ª ed. Pág 967[6] [Schaum - H.Meislich.] Quimica Organica, 3 edición, Traducción Cecilia Avila De Barón, Especialista en traducción, Universidad de Los Andes. Pág 394.