Download Orgánica en Viales - ENP Plantel 8 "Miguel E. Schulz"

Orgánica en VialesTM
Tom Russo
Mark W. Meszaros, Ph. D.
Published by:
FLINN SCIENTIFIC, INC.
P. O. Box 219
Batavia, IL 60510
(800) 452-1261
La traducción no formal del manual Vial Organic, tiene como objetivo poner a la
disposición de los profesores de Química, Biología y Opción Técnica de la ENP
Plantel 8, su indiscutible valioso contenido.
Se trata de un manual de prácticas de química orgánica realizadas en viales.
Estas prácticas son fáciles de realizar, interesantes y didácticas, también,
requieren mínimas cantidades de reactivos, 50 minutos para efectuarlas, se
corren menos riesgos de accidentes, se conserva un ambiente más limpio en los
laboratorios y el material utilizado es más durable y resistente que en la
experimentación tradicional.
Por lo anteriormente mencionado, se decidió realizar la traducción de las doce
prácticas contenidas en el manual, sin algún fin de lucro ni reproducción masiva,
únicamente para ser utilizado con fines didácticos en la ENP Plantel 8 y facilitar la
experimentación en química orgánica.
El título original es Vial Organic y los autores son: Tom Russo y Mark W.
Meszaros, Ph. D.
Publicado por: FLINN SCIENTIFIC, INC.
P. O. Box 219
Batavia, IL 60510
Responsables de la traducción y diseño:
Q. F. B. Olivia Anaya de Anda
M. en E. Raquel Enríquez García
Revisión de redacción:
Q. F. B. Laura A. Sánchez
Acerca de los autores
Tom Russo
Tom Russo es un profesor retirado con 25 años de experiencia en la
enseñanza de la química en todos los niveles académicos. Fue supervisor de
Ciencias y profesor de Química de Maestría de Woodrow Wilson. Recibió una
licenciatura en Ciencias de la Educación por Colegio de Jersey City, un grado
de maestría en Biología de la Universidad Seton Hall y un grado de maestría en
Química en el Simmon’s College. Es candidato a Doctor en Química por la
Universidad de Cincinnati. Ha escrito ocho manuales de laboratorio y entrenado
un incontable número de profesores en el empleo de técnicas en microescala
para currículos de ciencias en química, biología y física.
Mark W. Meszaros
Mark W. Meszaros es Vicepresidente de Servicios Técnicos en Flinn Scientific.
Recibió su B.S. en Química en la Universidad de Creighton y Doctorado en
Química Orgánica por la Universidad de Wisconsin-Madison. Pasó nueve años
en la Amoco Chemical Company en sus departamentos de investigación y
desarrollo, y plásticos reciclables. También trabajó de manera cercana con el
American Plastic Council desarrollando métodos novedosos para el reciclado
de plásticos. Tiene cuatro U.S. patentes y más de 25 artículos publicados.
Prefacio
El conocimiento de la Química Orgánica es un prerrequisito en muchos
programas de licenciatura y generalmente provoca una de dos respuestas
emocionales de los estudiantes: “la odio” o “la amo”. Generalmente no hay
ambivalencia cuando se recuerda la “experiencia orgánica”. Orgánica en Viales
fue desarrollado para apoyar la enseñanza de los fundamentos de la química
orgánica en el bachillerato pero de manera fácil, a bajo costo y con métodos
seguros. La exposición temprana a la química orgánica, proporcionará
experiencias posteriores más agradables y valiosas.
Orgánica en Viales es el primer currículo de laboratorio de química orgánica,
diseñado especialmente para profesores de bachillerato y sus estudiantes. El
laboratorio de química orgánica provee los fundamentos para su estudio. En el
pasado, estos laboratorios requerían aparatos y material de vidrio de alto costo,
reactivos químicos peligrosos y caros y periodos de laboratorio de tres horas.
Orgánica en Viales supera estos obstáculos. Las reacciones se llevan a cabo
en viales durables, baratos y reusables; empleando un simple baño de agua
caliente con un calentador de inmersión. Aún se requieren reactivos orgánicos,
pero las cantidades son mínimas y se usan reactivos menos peligrosos. Lo
mejor de todo es que el experimento ha sido especialmente seleccionado para
ser completado (o convenientemente detenido) en un periodo de laboratorio de
45 minutos.
Orgánica en Viales conserva la emoción y belleza de la química orgánica. Así,
los alumnos serán capaces de experimentar de primera mano, la emoción de la
extracción de su primer producto natural, sintetizar un producto natural o uno
elaborado por el hombre, o recristalizar un polvo café para obtener unos
bellísimos cristales blancos.
Nosotros sabemos que usted y sus estudiantes disfrutarán mucho el desarrollo
de estas actividades experimentales y descubrirán el encanto de la química
orgánica, tanto como nosotros lo hemos hecho al escribir este manual.
Estamos agradecidos con Chris Friedrich y Michele Stevanovich de Flinn
Scientific, Inc., y con Ken Lyle del St. John´s High School en Houston, Texas,
por la revisión de los procedimientos de laboratorio y proporcionar orientación.
Tom Russo
Cincinnati, Ohio
Mark, W. Meszaros
Batavia, Illinois
Tabla de contenidos
Introducción Orgánica en Viales
Introducción………………………………………………………………………1
Materiales…………………………………………………………………………5
Métodos y procedimientos………………………………………………………11
Determinación de propiedades físicas
Lab. 01 Determinación del punto de fusión…………………………………..17
Lab. 02 Determinación del punto de ebullición………………………………24
Separación de productos naturales
Separación de la clorofila de la espinaca……………………………………..30
Extracción del cinamaldehído de la canela……………………………………41
Hidrólisis del almidón…………………………………………………………….47
Reacciones de alcoholes alifáticos
Formación de un alqueno……………………………………………………….54
Formación del cloruro de terbutilo……………………………………………...62
Reacciones de cetonas
Reacción de condensación aldólica mixta……………………………………68
Preparación de yodoformo……………………………………………………...77
Preparación de ésteres
La formación de un éster………………………………………………………..83
La formación de un éster muy utilizado: aspirina…………………………….90
Oxidación
Oxidación del benzaldehído…………………………………………………….97
Orgánica en viales
Introducción
La química orgánica es una de las ramas más excitantes de la química porque
es la química de la vida. Todos los organismos vivos están formados por
compuestos orgánicos y sobreviven debido a que desarrollan reacciones
químicas orgánicas. Las plantas y los animales requieren para sobrevivir, una
dieta basada en el carbono. Muchos productos que usamos en la vida
cotidiana, son compuestos orgánicos que forman parte de nuestra comida, ropa
y medicinas. La industria petroquímica está basada en la química orgánica y
los combustibles, aceites y plásticos son compuestos orgánicos. El número de
compuestos orgánicos es casi infinito y cada día se descubren nuevos
compuestos orgánicos.
La química orgánica forma parte de los campos de estudio de la biología,
bioquímica, medicina y otros campos de la salud relacionados. Muchos de los
compuestos orgánicos que son usados como medicamentos, fueron
primeramente descubiertos en la naturaleza, por los químicos orgánicos. El
descubrimiento de nuevos compuestos orgánicos en la naturaleza es un
afanoso proceso que empieza con la cuidadosa extracción de compuestos a
partir de plantas, usando técnicas como la extracción con disolventes. Después,
hay que especificar el compuesto orgánico separado, usando técnicas de
cromatografía y posteriormente purificarlo por recristalización. Se adquiere una
idea de la estructura del compuesto empleando análisis cuantitativos, para
determinar la presencia de ciertos grupos funcionales. Más adelante, se
emplean una gran variedad de métodos espectroscópicos y/o de cristalografía
con rayos X, para determinar la estructura precisa. El siguiente reto para los
químicos orgánicos, es sintetizar estos compuestos naturales en el laboratorio.
Este proceso de separación de compuestos orgánicos, identificación de su
estructura, síntesis en el laboratorio y finalmente la determinación de su valor
médico, puede llevar años de trabajo. Pero este es el reto y el potencial de
encontrar la cura para el resfriado común o para el cáncer, lo que hace que la
química orgánica sea una de las más populares y emocionantes ramas de la
ciencia.
El estudio de la química Orgánica, ha sido más bien relegado en su mayor
parte, a los laboratorios universitarios. Tradicionalmente, la química orgánica
ha requerido material de vidrio caro y complejo y un equipo de análisis. Esto
también requiere mucho más tiempo y espacio, haciendo que el estudio de la
química orgánica sea costoso para la mayoría de las instituciones. El currículo
de química del bachillerato, sólo toca la química orgánica, incluso bajo las
mejores circunstancias. El currículo de colocación avanzada, está limitado a la
nomenclatura y a la escasa comprensión de algunas reacciones orgánicas
clásicas. El programa ACS ChemCom intenta mostrar la importancia de los
compuestos orgánicos en la comunidad, pero le da poca atención a las
características de esta rama de la química.
1
Orgánica en Viales les proporciona a los estudiantes de bachillerato, la
oportunidad de experimentar la separación de compuestos orgánicos a partir
de productos naturales y explorar algunas de las reacciones más importantes
en química orgánica. Además no requiere de costosos equipos de vidrio,
servicios de análisis electrónico o el problema de grandes cantidades de
desechos peligrosos.
Las actividades de laboratorio de Orgánica en Viales, pueden ser completadas
de reactivos a productos, en una sesión de clase de laboratorio de 50 minutos.
Las prácticas están diseñadas para utilizar eficientemente el tiempo de
laboratorio. Los procedimientos de laboratorio se inician con la adición de
reactivos al vial de reacción y colocar el vial en un baño de agua caliente. A
medida que avanza la reacción, hay tiempo suficiente para discutir el
procedimiento y la reacción química que está ocurriendo en el vial de reacción.
Hay suficiente tiempo para detener y enfriar la reacción, aislar el producto y
quizá iniciar la purificación o análisis del producto.
Un sistema de seguridad alterna en el laboratorio de Química Orgánica.
La seguridad es una responsabilidad prioritaria en todos los laboratorios de
química. Los profesores y estudiantes deben entender que los laboratorios de
química orgánica son inherentemente más peligrosos que los procedimientos
inorgánicos. Con la propuesta de Orgánica en Viales, a través del uso de
microcantidades de reactivos, viales fuertemente sellados y el uso de baños de
agua para el control de temperatura, son métodos extremadamente seguros
para realizar procedimientos simples en el laboratorio de química orgánica.
Los procedimientos de seguridad más comunes de los laboratorios de química
orgánica, se describen a continuación.
1. En el laboratorio de orgánica se requiere el uso de disolventes orgánicos
los cuales son combustibles o flamables, por lo que siempre existe el
riesgo de incendio. Las microcantidades de líquidos flamables, si se
incendiaran, se extinguen fácilmente usando una trapo húmedo o un
vaso invertido. Para incrementar la seguridad en el laboratorio, hay que
proporcionarles a los estudiantes únicamente la cantidad requerida para
cada experimento.
2. Muchos compuestos orgánicos son peligrosos (tóxicos y/o cancerígenos)
por lo que tienen límites muy cortos de tiempos de exposición (TLV). No
hay sustituto de una buena ventilación en el laboratorio de química, sin
embargo, Orgánica en Viales minimiza el uso y la exposición a los
compuestos orgánicos, de muchas maneras.
• Los materiales peligrosos han sido sustituidos hasta donde ha
sido posible.
• Las microcantidades de productos químicos que son usadas,
reducen la superficie de contacto y evaporación de compuestos
orgánicos.
• Las microcantidades también reducen la cantidad de material
presente en el caso de un accidente.
2
Los procedimientos orgánicos que se llevan a cabo en viales
sellados, reducen la evaporación de compuestos orgánicos.
3. Los procedimientos orgánicos, en especial la oxidación, algunas veces
puede involucrar reacciones altamente exotérmicas, las cuales aceleran
la reacción provocando una situación potencialmente peligrosa. Los
procedimientos de Orgánica en Viales minimizan este riesgo con el uso
de microcantidades de reactivos, no calienta los reactivos por encima del
punto de ebullición del agua y se desarrolla la reacción completamente
sumergida en un vaso con agua. Como protección adicional, la parte
externa del vial de reacción puede ser cubierta con plástico transparente
de tipo quirúrgico o cinta eléctrica, para mantener unidas todas las
piezas del vial de reacción, en caso de una sobrepresurización.
Típicamente, si se usa demasiado reactivo o la reacción se acelera, el
sello de la tapa puede fallar y entrar agua del baño al interior del vial. El
uso de un calentador de agua portátil es una valiosa medida de
seguridad en el desarrollo de la Orgánica en Viales.
4. Frecuentemente es difícil deshacerse de los reactivos orgánicos. Las
legislaciones locales respecto a los procedimientos para el manejo de
desechos, pueden variar. Orgánica en Viales, afortunadamente
simplifica la deposición, debido a las mínimas cantidades que maneja.
Una clase de 25 estudiantes produce entre 50 y 100 mL de desechos
orgánicos o productos del laboratorio. Esta cantidad, puede ser
evaporada con seguridad o procesar los residuos con métodos simples.
•
Un sistema de laboratorio químico alterno fácil de usar.
1. Uno de los mayores inconvenientes para desarrollar procedimientos de
química orgánica, ha sido el costo elevado de material de vidrio. El
equipo ensamblado de vidrio, matraces de bola, aparatos de destilación,
son complicados, frágiles y costosos. La propuesta de Orgánica en
Viales ha sido desarrollada a partir del empleo de viales pequeños que
generalmente resultan resistentes a las caídas, pipetas beral o Pasteur
para microescala y baños de agua. Por un costo menor a 25 dólares, se
puede equipar un laboratorio, para desarrollar actividades en Orgánica
en Viales. También se reducen los costos, al usar microcantidades de
reactivos químicos.
2. Las reacciones orgánicas, incluso en microescala, pueden tomar más
tiempo que los periodos de clase de laboratorio. Esta situación requiere
guardar y proteger la reacción hasta la siguiente sesión de laboratorio.
El guardar en el laboratorio, reacciones parcialmente realizadas,
significa accidentes potenciales.
Orgánica en Viales permite a los estudiantes guardar con seguridad una
reacción incompleta y continuar el experimento en la siguiente sesión,
sin complicaciones. Una vez iniciada la sesión, el profesor puede
continuar discutiendo el procedimiento del laboratorio, mientras la
reacción continúa. Todas las reacciones de Orgánica en Viales requieren
de mínimas manipulaciones durante el tiempo de reacción.
3
El tiempo de reacción generalmente lleva de 10 a 20 minutos, lo cual
permite un tiempo suficiente para terminar la reacción y separar el
producto en una sola sesión. Si una reacción se completa, pero el
producto debe ser separado en la sesión siguiente, es tan simple como
recolectar los viales, etiquetarlos y almacenarlos en lugar seguro. Los
baños de agua, calentadores eléctricos, recipientes y pipetas, se pueden
desensamblar y almacenar en menos de tres minutos.
3. Los compuestos orgánicos generalmente son identificados por
complejos equipos electrónicos como el uso de rayos infrarrojos,
resonancia magnética nuclear y espectroscopia ultravioleta.
Orgánica en Viales permite a los alumnos desarrollar sus propias
reacciones y probar sus productos usando propiedades físicas sencillas
y pruebas químicas en un medio húmedo. Muchos laboratorios tienen
varios métodos analíticos opcionales para analizar los productos. Sin
embargo, a nivel bachillerato y en nivel básico de química orgánica, es
suficiente con ilustrar que la reacción química se ha llevado a cabo,
monitoreando propiedades físicas y simples propiedades químicas entre
reactivos y productos.
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Materiales
Los procedimientos de Orgánica en Viales descritos en este manual, son
diseñados para ser usados con un material de vidrio y equipo de laboratorio
muy específico. El material de vidrio y el equipo no es caro, pero es
ampliamente recomendado para su uso, sólo en los términos descritos en esta
sección y siguiendo todas las recomendaciones de seguridad. La química
orgánica frecuentemente involucra reactivos químicos volátiles y peligrosos, y
Orgánica en Viales no es la excepción. Sin embargo, usando el material de
vidrio, los materiales descritos, y siguiendo cuidadosamente todos los
procedimientos de seguridad, se reducirá cualquier riesgo potencial y se
mejorará la seguridad, convirtiendo el laboratorio de química orgánica en una
experiencia agradable.
Viales de reacción.
Fig. 1
Los viales de reacción de vidrio vienen en varios tamaños, pero en Orgánica en
Viales se usan los de 1 y 2 volúmenes que equivalen a 4 y 8 mL. El vial de 1
volumen (45 mm x 15 mm y con peso de 1.77 g), se le llama el vial de reacción
y tiene un volumen aproximado de 4 mL. El vial de 2 volúmenes (60 mm x 17
mm), se le llamará el vial de reacción grande y puede alojar aproximadamente
8 mL. Los viales están hechos de vidrio de borosilicato y son extremadamente
durables. Cuando se caen, generalmente resisten el impacto. Se limpian
fácilmente empleando un cepillo para tubos de ensayo y detergente o algún
solvente para sustancias orgánicas. Hay que tener cuidado de no dañar o rayar
los viales. No se debe calentar un vial si se encuentra dañado.
La más importante contribución para el éxito de Orgánica en Viales, es la tapa
del vial. Para Orgánica en Viales, solamente son recomendables tapas de
plástico resistente con sellos de teflón. Cualquier tapón con sellos de anillo,
plástico o papel, no va a funcionar. La mayoría de las reacciones de este
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manual usan disolventes orgánicos volátiles a elevada temperatura y presión.
Los viales con tapas de teflón están diseñados para resistir los disolventes
orgánicos y contener la presión generada durante el desarrollo de la reacción.
Es importante que sólo se empleen tapas con sellos de teflón en buenas
condiciones. Los viales con tapones con sellos de teflón son más caros (0.50 a
0.75 dólares), que los que tienen sellos de plástico o papel, pero funcionan muy
bien y son útiles para muchos experimentos.
También es muy importante que la tapa se ajuste bien. Si el sello falla, los
reactivos se derramarán en el baño de agua. Para obtener un sello firme, hay
que sostener la tapa y el vial con manos opuestas y apretar lo más fuerte que
sea posible. Nunca usar pinzas para apretar los tapones. Algunas veces resulta
útil emplear guantes de látex o un trapo húmedo para conseguir más fuerza
para apretar el tapón. Después de un poco de práctica se podrá “sentir” cuando
está bien sellado el tapón, sin emplear demasiada fuerza.
Ocasionalmente, el vial puede presentar una fuga por donde entre agua. Esto
queda en evidencia por la pequeña columna de burbujas de aire provenientes
de la tapa del vial, lo que significa que la tapa del vial no está lo
suficientemente apretada. Simplemente, hay que retirar el vial del baño de
agua, permitir que se enfríe por unos segundos y apretar fuertemente la tapa.
Los viales se enfrían rápidamente y las tapas de plástico no retienen el calor,
por lo que no estarán excesivamente calientes. Sin embargo, se deben tener
precauciones para no quemarse, por ejemplo, usar guantes y revisar la
temperatura del vial antes de tomarlo con la mano.
Siempre hay que usar pinzas para colocar el vial dentro del baño de agua
hirviendo o retirarlo. Se recomienda emplear pinzas especiales. No aventar el
vial dentro del vaso ya que uno o ambos se podrían romper. El vial de reacción
no tiene que permanecer vertical dentro del baño de agua caliente.
Pipetas.
Hay diferentes tipos de pipetas que son empleadas en este manual. En general
las pipetas plásticas del tipo Beral con disoluciones acuosas o alcohólicas y las
pipetas de vidrio, las Pasteur se emplean con todos los disolventes orgánicos.
Muchos disolventes orgánicos como cetonas, hidrocarburos alifáticos e
hidrocarburos halogenados, disolverán y dañarán las pipetas de plástico.
Pipetas Pasteur
Las pipetas Pasteur son pipetas de vidrio que están disponibles comúnmente
en dos tamaños, 9” y 5 ¾ “de largo. Ambos tamaños funcionan bien para
Orgánica en Viales. Las pipetas más cortas no se rompen y son fáciles de usar,
pero las grandes pueden contener un poco más de volumen. Ambas pipetas
necesitan un bulbo de goma de unos 2 a 3 mL de capacidad. No hay que
permitir que los disolventes se introduzcan al bulbo. Bajo ninguna circunstancia
se les permitirá a los estudiantes utilizar una pipeta de vidrio con la boca.
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Una buena idea, es entrenarse en el uso de las pipetas antes de iniciar las
actividades en el laboratorio de Orgánica en Viales. El manejo y manipulación
aproximada de volúmenes se puede practicar retirando pequeñas cantidades
de agua de una probeta graduada de 10 mL. Las pipetas de 9” pueden
transportar fácilmente 2.5 mL de disolvente y las de 5 ¾” unos 1.8 mL. En la
figura siguiente se muestra una guía aproximada del volumen de líquido
contenido en las pipetas.
Fig. 2
El pipetear disolventes volátiles como éter etílico o hexanos, también requiere
algo de práctica. Normalmente los disolventes volátiles chorrearán o se saldrán
de la pipeta. Esto se debe a que la presión de vapor del disolvente incrementa
la presión en la pipeta y el bulbo, empujando el disolvente hacia fuera. Para
disminuir este problema presature la pipeta y el bulbo con vapores del
disolvente. Para hacer esto, hay que succionar y expeler disolvente de la pipeta
varias veces. Una vez que el vapor llena la pipeta y el bulbo estos problemas
disminuirán.
Las pipetas Pasteur pueden ser limpiadas y reutilizadas. El tallo de las pipetas
se puede romper fácilmente, pero si se manejan con cuidado, estas pipetas
“desechables” pueden ser reutilizadas.
Pipetas Beral
Una pipeta Beral es una pequeña pipeta de plástico también muy usada en
química en microescala. El nombre Beral proviene del nombre de la compañía
que originalmente desarrolló estas pipetas de polietileno para su uso en
hospitales. En la química en microescala se usan principalmente cuatro tipos
de pipetas: de tallo delgado, de punta micro, de bulbo extra grande y graduada.
Sólo los dos primeros tipos son usados en el laboratorio de Orgánica en Viales.
Estas pipetas son recomendadas para transferir pequeñas cantidades de
disoluciones acuosas (como ácidos y bases) y alcoholes. No usar pipetas de
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polietileno para las cetonas (por ejemplo acetona), hidrocarburos (hexanos) o
hidrocarburos halogenados (cloruro de metileno).
La pipeta de tallo delgado tiene una capacidad de 4 mL. La pipeta
generalmente proporciona 25 gotas por mililitro. Otra ventaja de la pipeta de
tallo delgado es que el tallo puede ser jalado y estirado para formar un micro
goteo o una pipeta larga de recuperación. Simplemente hay que sostener el
tallo con ambas manos, usando el pulgar y el dedo índice y jalar suavemente.
La pipeta alargada se usa para remover una capa de líquido de otra o para
retirar líquido de una mezcla de cristalización. También es ideal para
transportar pequeñas gotas y puede proporcionar hasta 50 gotas por mililitro.
Fig. 3
Una pipeta de punta micro, está hecha del mismo material que una pipeta de
tallo delgado, tiene un barril más ancho y la punta adelgazada, de manera que
proporciona unas 50 gotas por mililitro. Esta pipeta es útil para retirar
pequeños precipitados, gotas de agua o disolventes o adicionar cantidades
precisas de reactivos.
Pipetas serológicas graduadas.
Fig. 4
Algunos procedimientos de Orgánica en Viales requieren de un volumen
específico de un reactivo. El volumen puede ser medido usando una pequeña
probeta graduada. Las pipetas serológicas son de uso pesado, desechables y
graduadas, por lo que funcionan muy bien para Orgánica en Viales. Estas
pipetas “desechables” son muy durables y pueden ser lavadas y reutilizadas al
menos unas 10 veces o más, antes de que las graduaciones empiecen a
desaparecer.
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Baño de agua caliente y calentador de inmersión.
Fig. 5
La mayoría de los procedimientos de Orgánica en Viales, requieren
calentamiento y un modo seguro de usar un baño de agua caliente, es
empleando un calentador de inmersión. Este dispositivo de calentamiento es
una resistencia de alambre en espiral dentro de un tubo metálico protector. Se
utilizan comúnmente para calentar café, té o chocolate. El baño de agua
caliente es simple de preparar, se adicionan 300 mL de agua desionizada en
un vaso de precipitados de 400 mL (el usar agua desionizada, alarga
considerablemente la vida del calentador) y se introduce el calentador de
inmersión. No tiene que sujetarse al vaso de precipitados; puede permanecer
en el fondo. Hay cinco simples reglas que deben ser estrictamente observadas
siempre que el calentador se use:
1. Colocarlo en el agua antes de encenderlo.
2. Desconectarlo antes de retirarlo del agua.
3. Siempre desconectarlo y retirarlo del baño caliente tan pronto como la
reacción se complete.
4. Únicamente calentar agua. No calentar aceites o disolventes orgánicos.
5. Nunca beber el agua calentada con este dispositivo.
Una parrilla puede también usarse para preparar el baño de agua caliente pero
será más tardado y considerablemente más caro. Una buena costumbre es
preparar el baño de agua caliente en el momento que empieza la práctica, de
esta manera el baño estará hirviendo cuando el vial de reacción esté listo. Si se
siguen las reglas anteriormente mencionadas y se usa agua desionizada, el
calentador de inmersión durará un largo tiempo.
El tamaño del baño de agua no es importante para Orgánica en Viales. Si no
hay disponibilidad de vasos de precipitados de 400 mL, se pueden utilizar
vasos de mayor capacidad o de 250 mL. Sólo hay que asegurarse de que el
calentador de inmersión esté siempre sumergido. Sin embargo, si el vaso es
muy pequeño, no habrá mucho espacio para el vial de reacción y si es muy
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grande, tardará mucho tiempo en calentarse el agua. Siempre estar seguro de
que el vaso sea Pyrex o de vidrio de borosilicato.
Baños de agua fría.
Varios procedimientos de Orgánica en Viales requieren un baño de agua fría. A
menos que se especifique, un baño de este tipo es agua fría de la llave en un
vaso de precipitados de 250 o 400 mL. Este baño se usa para enfriar el vial de
reacción y su contenido por abajo de la temperatura ambiente antes de
empezar la preparación y aislamiento de los productos.
Ocasionalmente, se requiere un baño de agua helada para bajar la temperatura
del vial de reacción y su contenido por debajo de la temperatura ambiente. Esto
se consigue llenando un vaso de precipitados de 250 o 400 mL con hielo
picado o pequeños pedacitos de éste.
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Métodos y procedimientos
Todas las reacciones orgánicas de este manual, tienen lugar en un vial sellado.
Orgánica en Viales no necesita de un complejo equipo de vidrio como
condensadores de reflujo o trampas de vapor. El equipo para calentar o enfriar
la reacción también ha sido simplificado. El vial sellado es colocado en un baño
de agua hirviendo y calentado sin un monitoreo cuidadoso de la temperatura de
reacción. Si el agua del baño está en ebullición, la temperatura de la reacción
estará cercana a los 100 ° C. También resulta simple enfriar un pequeño vial de
reacción. Los pequeños volúmenes empleados en la reacción, permiten un
enfriado casi instantáneo del vial.
El uso de un vial sellado, tiene la ventaja adicional de aumentar la presión en el
interior del vial. Los vapores no se pueden escapar y un pequeño incremento
en la presión favorece la formación del producto en la mayoría de las
reacciones orgánicas, al mantener todos los reactivos en disolución. No se
deben usar viales que estén lastimados. Un vial fracturado puede fallar durante
la reacción. No hay que sostener un vial caliente con las manos. Hay que usar
pinzas o guantes para retirar el vial caliente del baño de reacción.
Hay que aplicar una ligera presión para abrir o cerrar los viales de reacción. No
hay que apretar demasiado el tapón. Si se aprieta demasiado, se puede romper
el sello entre la tapa y el vial.
Cada una de las reacciones presentadas en Orgánica en Viales, debe ser
tratada con cuidado. Aunque la cantidad de reactivos químicos empleados ha
sido reducida, es importante usar todo el tiempo gogles, guantes resistentes y
bata de laboratorio. La reducción en la masa y el volumen de los reactivos
químicos, no debe reducir las medidas de seguridad.
Es importante lavar perfectamente y secar cada vial y tapón, antes de ser
empleados nuevamente. Las pequeñas cantidades de reactivos residuales
pueden impedir o inhibir la siguiente reacción.
Cantidades de los Reactivos.
La cantidad de reactivos en la mayoría de los procedimientos de Orgánica en
Viales, ha sido determinada con precisión, basada en los reactivos limitantes y
la competición con las reacciones secundarias. Las cantidades de reactivos
deben ser medidas con cuidado, para asegurar que se obtenga una alta
cantidad de producto y disminuir la posibilidad de obtener otros productos no
deseados.
Si un reactivo es un sólido, debe ser pesado en una balanza que lea hasta
centésimas de gramo. Si el reactivo es un líquido, el volumen debe ser medido
con probetas graduadas o pipetas graduadas (pipetas serológicas). Como la
densidad de la mayoría de los líquidos ya está considerada, es posible
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adicionar el líquido al vial de reacción, al momento en que se va pesando.
Pesar los reactivos es más preciso que medir volúmenes de los líquidos.
Siempre registrar las cantidades de reactivos usados en los procedimientos de
Orgánica en Viales.
Agentes Secantes.
Los agentes secantes se usan en los procedimientos de laboratorio de
Orgánica en Viales, para retirar agua de los disolventes orgánicos. El agua es
una impureza en los productos líquidos orgánicos que son obtenidos, o una
solución orgánica, o un producto sólido obtenido. Los agentes secantes son
generalmente sales anhídridas, que al combinarse con agua en disolución
forman un hidrato. La efectividad de un agente secante está basada en la
cantidad de agua que puede absorber y la velocidad de absorción de agua.
Algunos de los agentes secantes más comunes, se enlistan a continuación:
a. Sulfato de magnesio anhidro, MgSO4. Es el mejor de todos los
agentes secantes. Tiene una alta capacidad, funciona rápidamente y no
es caro. Es un polvo muy fino y puede decantarse o succionarse con la
pipeta. Si esto es un problema, se puede filtrar la solución a través de un
tapón de algodón en la pipeta pasteur.
b. Sulfato de sodio anhidro, Na2SO4. No funciona tan rápido como el
sulfato de magnesio, pero aún así es muy efectivo.
c. Cloruro de calcio anhidro, CaCl2. Es un agente secante muy efectivo,
pero puede formar complejos con alcoholes y algunos ésteres. También
puede estar muy pulverizado.
d. Sulfato de calcio anhidro, CaSO4. También llamado Drierite. Es muy
rápido pero no tiene alta capacidad. Es el mejor para mantener un
desecador seco.
Es imposible predecir la cantidad apropiada de agente secante requerida para
secar un producto. Depende de qué tanta agua haya en la disolución y que tan
fresco se encuentra el agente secante. Para secar una disolución, colocar el
líquido dentro de un vial de reacción o un tubo de ensayo pequeño. Agregar
una pequeña cantidad de agente secante, generalmente la suficiente para
cubrir el fondo del vial o tubo de ensayo. Agitar el líquido, si el líquido ya no se
pone opaco, entonces probablemente está seco. Agregar una pequeña
cantidad extra de agente secante y dejar reposar de 3 a 5 minutos. Retirar el
líquido usando una micropipeta, decantando y filtrando usando papel filtro o
con un tapón de algodón en una pipeta pasteur. Siempre enjuagar el agente
secante con algún disolvente limpio para retirar cualquier producto que pueda
estar adherido al agente secante.
Extracción o lavado
La extracción es una de las operaciones más complejas de Orgánica en Viales.
Extracción es cuando un componente es retirado de una mezcla, utilizando un
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disolvente. La infusión de té o café, es un buen ejemplo para una extracción.
En química orgánica, la extracción de un compuesto orgánico, de una
disolución acuosa, por un disolvente orgánico es un procedimiento de
separación bastante común.
El primer paso para una extracción, es seleccionar un disolvente en el cual el
producto sea muy soluble. El disolvente utilizado en la extracción no debe ser
miscible en la mezcla, si lo es, la separación no será posible. Los disolventes
para la extracción, están identificados en todos los procedimientos de Orgánica
en Viales. Para extraer un compuesto, colocar la mezcla líquida en un vial de
reacción y agregar uno o dos mililitros del disolvente seleccionado para la
extracción. Remover o agitar la mezcla y permitir que se separen las dos fases.
Generalmente, si el disolvente empleado en la extracción es un disolvente
orgánico, éste se encontrará en la fase superior. Retirar esta fase utilizando
una pipeta pasteur o una pipeta beral. Adicionar a la mezcla nuevamente 1 o 2
mL del disolvente y repetir el procedimiento. Combinar las dos extracciones y
emplear un agente secante. Después, el disolvente es evaporado para separar
el producto.
El lavado es muy similar a la extracción. En una extracción, un producto es
retirado (o extraído) de una mezcla de reacción. En el lavado, las impurezas
son retiradas del producto. Si el producto es un sólido, debe ser lavado con
agua para retirar cualquier sal inorgánica o impurezas solubles en agua. Un
producto sólido también puede ser lavado con un disolvente orgánico,
solamente si es insoluble o sólo parcialmente soluble en el disolvente. La
disolución de un producto también puede ser lavada con agua para remover las
sales inorgánicas o las impurezas solubles en agua.
Filtración
Un producto sólido puede ser separado de una mezcla acuosa o suspensión,
por filtración o centrifugación. Existen varias opciones disponibles y la mejor
elección está determinada por el equipo disponible y la cantidad de producto
que debe ser separado.
La mejor opción para separar productos sólidos es un embudo Büchner, un
matraz de filtración y un aspirador de agua. Utilizar una pieza de papel filtro lo
suficientemente grande para cubrir todos los orificios del embudo y colocarlo en
la placa plana. Colocar el embudo Büchner en la parte superior de un matraz
de filtración utilizando un tapón de corcho o una adaptación de filtro como sello.
Encender el aspirador de agua y lentamente adicionar la mezcla acuosa que
contiene el producto sobre el papel filtro. Después de que todo el disolvente
haya sido removido por succión, usar una pequeña cantidad de disolvente frío
para lavar cualquier remanente o impurezas de la superficie del producto sólido,
dejar el aspirador por unos cuantos minutos más para favorecer el secado del
producto.
También funciona adecuadamente la filtración por gravedad, usando papel filtro
y un embudo de tallo corto. Asegurarse de utilizar piezas de papel filtro
13
dobladas de tal manera que se ajusten adecuadamente con el embudo (el
extremo del papel debe estar un centímetro por encima del borde superior del
embudo). Utilizar un embudo de tallo corto, un anillo metálico para sostenerlo y
un pequeño matraz erlenmeyer. Emplear un vaso pequeño o un vial grande
para recolectar el disolvente. Colocar el papel filtro en el embudo y lentamente
adicionar la mezcla. Después de que se ha completado la filtración, lavar
lentamente el producto con pocos mililitros de disolvente frío.
El disolvente también puede ser retirado de los cristales usando un vástago
delgado o una micropipeta. Para lograrlo, jalar el tallo de la pipeta (descrito en
la sección de Materiales) para adelgazarlo. Si se hace con cuidado, el
disolvente puede ser retirado sin que pase demasiado sólido a la pipeta.
Una centrífuga original en microescala se puede preparar fácilmente y funciona
bien para la separación de sólidos de una suspensión o una mezcla acuosa.
Para prepararla, usar una pipeta de tallo angosto e introducir la mezcla o
suspensión dentro del bulbo de la pipeta. Asegurarse de que toda la mezcla
líquido-sólido se encuentre en el bulbo y no ocupe el tallo de la pipeta. Estirar
el tallo de la pipeta teniendo cuidado de no agitar la mezcla del bulbo.
Cuidadosamente dar vuelta al bulbo de la pipeta en un círculo. Esto creará una
fuerza giratoria que colocará el sólido en el fondo de la pipeta. Sostener
fuertemente la pipeta mientras da vuelta.
Cuando el sólido se encuentra firmemente compactado en el fondo del bulbo,
parar de dar vuelta a la pipeta. El sólido debe estar pegado en el fondo del
bulbo. Es fácil retirar el líquido simplemente apretando el bulbo. Invertir la
pipeta y retirar el líquido. Con el bulbo de la pipeta todavía apretado, colocar el
extremo abierto de la pipeta en algún líquido fresco (generalmente agua
destilada.), para lavar el producto sólido. Para retirar el producto, con unas
tijeras cortar por la mitad el bulbo de la pipeta y retirar el producto sólido con
una espátula.
Recristalización.
La recristalización es el primer método de purificación de Orgánica en Viales.
La clave de la recristalización es encontrar el disolvente adecuado, de tal
manera que cuando se caliente disuelva el sólido y las impurezas, y cuando se
enfríe, cristalice el producto, pero no las impurezas. En la mayoría de los
procedimientos de Orgánica en Viales, han sido identificados los disolventes
más adecuados para la recristalización.
El procedimiento adecuado para una recristalización, es el siguiente:
1. Pesar el producto crudo.
2. Colocar el producto sólido en un vial de reacción grande, un tubo de
ensayo pequeño o un matraz pequeño.
3. Adicionar de 3 a 5 mL de disolvente (las cantidades exactas del
disolvente, aparecen descritas en el procedimiento). Agitar suavemente
el compuesto acuoso.
14
4. Calentar el compuesto acuoso usando un baño de agua caliente hasta
que el disolvente esté en ebullición o que todo el sólido esté disuelto. Si
el sólido se disuelve antes del punto de ebullición del disolvente,
significa que probablemente fue usado demasiado disolvente y alguno
debe ser retirado por evaporación. Si el sólido aún persiste cuando el
disolvente ha empezado a ebullir, entonces agregar un poco más de
disolvente. Todo el sólido debe disolverse.
5. Retirar el recipiente del calentamiento, cubrir y dejar que se enfríe. Un
enfriamiento lento provocará la formación de cristales más grandes. Un
enfriamiento rápido usando agua fría o hielo, generará cristales más
pequeños. Para obtener mejores resultados, permitir que la disolución se
enfríe lentamente hasta alcanzar la temperatura ambiente y entonces
enfriar a 5 °C, usando un baño de hielo.
6. Filtrar los cristales usando un embudo Büchner o filtración por gravedad
(ver la sección de filtración)
7. Lavar los cristales con disolvente frío.
8. Los cristales pueden ser secados colocándolos en un pedazo seco de
papel filtro o en un vidrio de reloj limpio y dejarlos que se saquen al
ambiente durante toda la noche.
Cálculos de laboratorio
Uno de los grandes retos en química orgánica es obtener buenos rendimientos
de compuestos puros. Los procedimientos de Orgánica en Viales, resultarán
con rendimientos menores que los que se obtienen en los procedimientos en
macroescala, pero sin embargo es posible obtener buenos resultados. La
cantidad de material obtenido se llama rendimiento. El rendimiento teórico es la
cantidad de material que puede ser obtenido, basado en la estequiometría y las
cantidades de reactivos. El porciento de rendimiento es la cantidad de producto
realmente obtenido, dividido entre el rendimiento teórico del producto. En las
reacciones orgánicas, raramente se obtiene un rendimiento del 100 % debido a
reacciones competitivas o a condiciones del equilibrio de la reacción.
Para determinar el rendimiento teórico, primero hay que determinar el reactivo
limitante balanceando la ecuación de la reacción y determinando el número de
moles de cada reactivo. El reactivo limitante será el reactivo que se encuentra
presente en menor cantidad molar y controlará la cantidad de producto
producido. El rendimiento teórico está determinado por la multiplicación del
número de moles del reactivo limitante, por el peso molecular del producto.
El rendimiento real es determinado por el peso directo del producto. El
porciento de rendimiento está determinado por la siguiente ecuación:
Porciento de rendimiento = Rendimiento real/Rendimiento teórico) x 100 %
Asegurarse de que el producto esté seco y relativamente puro antes de calcular
el porciento de rendimiento.
15
Almacenamiento de los productos
Los productos obtenidos a partir de los procedimientos de Oránica en Viales,
deben ser recolectados por el instructor e incluso almacenados para futuros
análisis o desecharlos. Los viales de reacción son excelentes recipientes para
guardarlos
Manejo de desechos.
Los procedimientos para desechos químicos y productos, están incluidos en
todos los procedimientos de Orgánica en Viales. La mayoría de los métodos
para tratar desechos químicos, están referidos en el Flinn Suggested Laboatory
Chemical Disposal Procedures y puede ser encontrado en el Flinn Chemical
Catalog/Reference Manual. Los disolventes usados comúnmente, pueden ser
eliminados por simple evaporación en una campana de extracción. (Flinn
Suggested Disposal Method # 18ª). Para obtener instrucciones completas,
consultar el current Flinn Chemical Catalog/Reference Manual.
16
Determinación del punto de fusión
Propósito
Familiarizarse con el procedimiento de medición del punto de fusión y entender
el valor de esta determinación como una herramienta para caracterizar los
compuestos orgánicos.
Antecedentes
El punto de fusión es definido como la temperatura a la cual las fases líquida y
sólida están en equilibrio. En el punto de fusión, un sólido empezará a fundirse
en un líquido, o de manera inversa, el líquido empezará a solidificar. El punto
de fusión de una sustancia, es una de las propiedades físicas que pueden
ayudar a identificar un compuesto y también es un buen indicador de la pureza
de la sustancia. Un compuesto puro no solamente tiene un punto de fusión
característico, sino que el proceso de fusión ocurre en un rango de temperatura
muy estrecho. En situaciones donde el compuesto en cuestión no es puro, el
punto de fusión no es tan distinto. A pesar de que el cambio es rápido, un punto
de fusión generalmente se refiere a un rango de temperatura y no a un solo
número de punto de fusión. Si una sustancia es muy pura, su rango de punto
de fusión es generalmente de dos grados Celsius o menos. Si el rango de
temperaturas de fusión es mayor a dos grados, generalmente indicará la
presencia de impurezas en la muestra.
El punto de fusión será utilizado en Orgánica en Viales, como una de las
herramientas diagnósticas más importantes para la identificación y
caracterización de compuestos sólidos y la determinación de su pureza. Para
realizar la determinación de punto de fusión, se requieren cuatro materiales: un
tubo capilar de punto de fusión, una liga pequeña, un baño de agua y un
termómetro.
El tubo capilar para el punto de fusión, es un tubo de vidrio Pyrex de diámetro
muy pequeño. El tubo generalmente mide de 1.1 a 1.2 mm de diámetro interior
y unos 100 mm de longitud. Está cerrado en un extremo. Si se coloca una
pequeña cantidad de un compuesto en el interior del capilar, se podrá
determinar el punto de fusión, sin el problema de la contaminación del baño de
agua o del vapor de agua. Para cargar una muestra en el tubo capilar, primero
colocar una pequeña cantidad del sólido seco sobre un pedazo de papel filtro o
en un vial limpio. Cuidadosamente insertar el extremo abierto del capilar, sobre
la sustancia acumulada. Algo del sólido quedará atrapado en el interior del tubo.
Voltear el tubo capilar y suavemente golpear el fondo del extremo cerrado
sobre la mesa, hasta que todo el sólido caiga sobre el extremo cerrado del tubo.
Asegurarse de que el sólido esté bien empacado en el fondo del capilar. Un
sólido mal empacado, se calentará de manera desigual y dará un amplio rango
de temperatura de fusión. Hay que ser cuidadoso al golpear los tubos capilares,
son muy frágiles y se rompen fácilmente.
17
Para la determinación de punto de fusión, se debe usar la cantidad más
pequeña de sustancia que pueda ser vista en el tubo capilar, Sólo se requiere
una cantidad muy pequeña de sustancia, generalmente será suficiente de 1 a 2
mm del sólido en el fondo del tubo capilar. Si se usa demasiada sustancia, se
calentará de manera desigual y requerirá más energía para una fusión
completa. Esto conduce a un mayor rango de temperaturas de fusión.
Es muy importante contar con un termómetro de buena calidad para obtener
temperaturas de fusión precisas. Se recomienda un termómetro digital o de
mercurio con escala en grados Celsius.
El baño de calentamiento para la determinación de punto de fusión puede ser
un baño de agua o un baño de aceite. Para sólidos con punto de fusión menor
a 90 °, hay que contar con un vaso de 250 o 400 mL, llenarlo con agua a dos
terceras partes y colocarlo sobre una parrilla de calentamiento con agitación.
Introducir al vaso una varilla de agitación. Si no se cuenta con una parrilla de
calentamiento, utilizar un calentador de inmersión (sin embargo éste calentará
el agua mucho más rápido y de manera desigual). Para sólidos que tienen
puntos de fusión más elevados, utilizar un baño de aceite y una parrilla de
calentamiento. El aceite de silicón es la mejor opción, porque no se decolora y
no es flamable, el problema es que su costo es elevado y no se consigue
fácilmente en la mayoría de los laboratorios escolares de bachillerato. Para
sólidos que tienen puntos de fusión entre 90 y 150 °C, funciona bien el aceite
mineral o aceite de cocina de alta calidad. Un aceite de cocina claro como el
aceite de cacahuate es una buena opción. Nunca utilizar el calentador de
inmersión para calentar un baño de aceite, utilizar siempre parrilla de
calentamiento. Para puntos de fusión elevados, se puede usar un vaso más
pequeño (de 50 o 100 mL) ya que se utiliza menor cantidad de aceite y se
calienta más rápidamente.
Para la determinación del punto de fusión, se requiere una liga, hay que sujetar
el tubo capilar que contiene el sólido y el termómetro, como se muestra en la
figura. El extremo del fondo del tubo capilar, debe estar al mismo nivel que la
parte baja del bulbo del termómetro. Colocar el termómetro y el capilar dentro
del baño caliente, de tal manera que el bulbo del termómetro se encuentre a
una pulgada por debajo de la superficie del líquido. Fije el termómetro en su
lugar usando una pinza de tres dedos. Iniciar el calentamiento del baño. La
velocidad de calentamiento no debe exceder a 10 °C por minuto. A medida que
se aproxima el punto de fusión, apagar la fuente de calentamiento y permitir
que la temperatura se acerque lentamente a la de fusión, pero mantener la
observación del sólido para detectar el momento en que esté completamente
fundido. Anotar esos datos de temperatura que es el rango del punto de fusión.
Un poco antes del punto de fusión, las sustancias algunas veces pueden
cambiar su apariencia, como un ligero cambio de color o una pérdida de brillo.
Eso no corresponde al punto de fusión. La fusión generalmente es detectada,
porque unos cuantos cristales se vuelven transparentes. Finalmente se
recomienda repetir siempre la determinación del punto de fusión, para
confirmar los resultados.
18
Fig. 6
Procedimiento para la determinación del punto de fusión
La determinación de puntos de fusión de sólidos orgánicos con temperatura de
fusión menor a 90 °C, se llevan a cabo mejor, empleando un baño de agua con
un agitador magnético o el equipo de baño de agua usando un calentador de
inmersión. Sólidos con una temperatura de fusión más elevada (entre 90 y
150 ° C), requerirán el uso de un baño de aceite y una parrilla de calentamiento
con agitador magnético. Nunca utilizar el calentador de inmersión en el baño de
aceite. También se puede utilizar aceite de cocina de buena calidad, aceite
mineral o aceite de silicón que es el más recomendado.
Materiales para el procedimiento a baja temperatura (< 90°)
Dos tubos capilares cerrados en un extremo.
Dos ligas pequeñas.
Termómetro con rango de -20 a 110 °C.
Placa de calentamiento con agitación magnética, varilla de agitación y
un vaso de 250 mL con agua
-o• Equipo de calentamiento de agua.
• Guantes aislantes o pinzas para vaso.
• Pinzas para termómetro.
•
•
•
•
Materiales para el procedimiento a alta temperatura ( 90 - 150°C)
•
•
•
Dos tubos capilares cerrados en un extremo.
Dos ligas pequeñas.
Termómetro con rango de – 10 a 150 °C.
19
•
•
•
Placa de calentamiento con agitación magnética, varilla de agitación y
un vaso de 50 mL con aceite.
Guantes aislantes o pinzas para vaso.
Pinzas para el termómetro.
Medidas de seguridad y manejo de desechos.
Nunca manipular con las manos el baño de agua o el baño de aceite, usar
siempre guantes aislantes o pinzas para vaso. No usar capilares rotos o
desgastados, sólo usar tubos nuevos en buenas condiciones. Siempre colocar
el calentador de inmersión en el baño de agua antes de conectarlo. Siempre
usar gogles, guantes resistentes a los reactivos químicos y bata de laboratorio.
Procedimiento experimental.
1. Colocar una pequeña muestra del compuesto orgánico en un pedazo de
papel filtro, un vidrio de reloj, un portaobjetos o un vial limpio.
2. Colocar suavemente el extremo abierto del tubo capilar sobre la muestra
del sólido.
3. Cuando una pequeña cantidad del sólido se encuentre en el interior del
tubo, invertir el tubo y golpearlo suavemente para que la muestra caiga
hacia el extremo cerrado. Asegurarse de que el sólido esté firmemente
empacado en el extremo cerrado del capilar. El tubo sólo debe tener 1 o
2 mm de muestra en su interior.
4. Repetir los pasos 2 y 3 para preparar un segundo tubo capilar.
5. Utilizar una liga para sujetar el tubo capilar a un termómetro. El capilar
debe tener el extremo cerrado hacia abajo. Asegurar el tubo cerca de la
parte baja del bulbo del termómetro, de tal manera que el extremo
cerrado del tubo capilar coincida con el extremo del bulbo del
termómetro. Ver la figura.
6. En un vaso de 250 mL, colocar agua destilada hasta las dos terceras
partes de su capacidad y colocarlo en una parrilla de calentamiento con
agitación. Adicionar la varilla de agitación y empezar a calentar el baño
de agua. Si se usa un calentador de inmersión, colocar el calentador en
el agua, conectarlo y empezar a calentar la muestra. Usar un agitador
magnético o varilla de agitación, para mover el agua del baño. No utilizar
el termómetro como varilla de agitación. La velocidad de calentamiento
no debe exceder de 10 °C por minuto. Usar un baño de aceite si el
sólido tiene un punto de fusión por encima de 90 °C.
7. Mientras el agua se empieza a calentar, colocar el termómetro y el
capilar en el baño de agua, de tal manera de que el bulbo del
termómetro se encuentre una pulgada por debajo de la superficie del
líquido. Sostener el termómetro en su lugar, utilizando una abrazadera
(opcional). El extremo abierto del capilar, no debe estar cerca de la
superficie del baño de agua.
8. Cuando ocurra la primera señal de fusión, anotar la temperatura.
Mantener en observación el sólido hasta que los últimos cristales se
20
fundan. Anotar la temperatura. Estas dos temperaturas son el rango de
temperatura de fusión de la muestra.
9. Retirar el termómetro y la muestra del baño. Apagar la parrilla de
calentamiento. Utilizar guantes aislantes o pinzas para vaso para retirar
cuidadosamente el baño de agua de la parrilla. Si se está utilizando un
calentador de inmersión, desconectar primero el calentador.
10. Eliminar aproximadamente una cuarta parte del agua del vaso. Agregar
agua fría para reemplazar el agua eliminada. Si se está usando un baño
de aceite, no desechar ninguna cantidad de aceite, sólo adicionar un
poco más de aceite frío y mezclar bien.
11. Retirar el primer tubo capilar y sujetar la segunda muestra al termómetro.
Nunca reutilizar la muestra, siempre desechar la mezcla que ya haya
sido fundida.
12. Repetir los pasos 6 al 10. Utilizar una velocidad de calentamiento más
baja (1 – 2 °C por minuto) para lograr un punto de fusión más preciso.
Manejo de desechos
Todos los tubos capilares que contienen los sólidos fundidos, deben regresarse
al profesor y desecharlos de acuerdo a las instrucciones de Flinn Suggested
Disposal Method. El aceite de los baños se puede reutilizar.
Notas para el profesor.
Recomendaciones de laboratorio.
1. Es mejor trabajar en una habitación con poca humedad. Los cristales
húmedos o cristales que han absorbido agua de la atmósfera, son
difíciles de introducir en los tubos capilares.
2. Cuando se estén llevando a cabo determinaciones de puntos de fusión
de muestras que requieren altas temperaturas, recomendar a los
alumnos colocar sus muestras en el baño de aceite cuando falten unos
10 °C para llegar al punto de fusión. Esto asegurará la total atención
hacia la muestra.
3. No permitir que los alumnos reusen sus muestras. Siempre preparar una
nueva para cada determinación de punto de fusión.
4. Se puede asignar una muestra desconocida y evaluar a los alumnos en
la identificación de un sólido, de una lista de compuestos posibles. Al
final de este experimento se muestran algunas sugerencias de
sustancias que pueden dar buenos resultados.
5. Asegurarse de que los alumnos coloquen el serpentín de calentamiento
en el agua, antes de conectarlo. También asegurarse de que
desconecten el calentador antes de retirarlo del baño.
6. Revisar las secciones de Materiales y Métodos y Procedimientos para
información adicional sobre la preparación de baños de agua caliente.
21
Procedimiento del Punto de Fusión, para sólidos de bajas temperaturas
de fusión (< 90 °C).
Los siguientes sólidos pueden ser usados para determinaciones de puntos de
fusión bajos. Los sólidos han sido seleccionados para permitir a los alumnos
practicar sus determinaciones de punto de fusión, antes de intentar usar esta
técnica para caracterizar los productos sólidos que se obtienen en los
procedimientos de este manual. Seleccionar preferentemente las sustancias
que están en negritas, ya que son menos peligrosas. Todos los puntos de
fusión están dados con un rango de ± 1 °C.
Sustancia
p-diclorobenceno
naftalina
Ácido láurico
Alcohol cetílico
ter-octil-fenol
P. F. (°C)
53
80 - 81
44
50
44 - 44
Sustancia
Acetamida
Ácido palmítico
Ácido esteárico
1-octadecanol
di-t-butilhidroxitolueno
P. F. (°C)
80
63
71 – 72
59 – 60
71
Procedimiento del Punto de Fusión, para sólidos de altas temperaturas de
fusión (> 100 °C).
Para la determinación de puntos de fusión de sólidos con temperatura de fusión
mayor a 100 °C, se recomiendan los siguientes sólidos. Estas sustancias han
sido seleccionadas para permitir que los alumnos practiquen sus
determinaciones de punto de fusión empleando un baño de aceite. Las
sustancias marcadas en negritas, son las menos peligrosas. Todos los puntos
de fusión están dados con un rango de ± 1 °C.
Sustancia
Urea
Acido benzóico
Fructosa
p-nitrofenol
1-naftol
Glucosa
P. F. (°C)
133
122-3
103-5
115-6
94
146
Sustancia
Iodoformo
Benzoina
Ácido cítrico
Resorcinol
Ácido malónico
P. F. (°C)
120
135
152
110
135-6
Precaución: No usar un termómetro o microtermómetro común de laboratorio
con rango de –20 a 110 °C. Usar termómetros para temperaturas más elevadas
con rango de –20 a 150 °C. Nunca utilizar calentadores de inmersión en un
baño de aceite.
Preguntas:
1. ¿Por qué nunca debe ser reutilizada una muestra a la que ya se le haya
determinado el punto de fusión?
22
Muchos compuestos orgánicos que son calentados por encima de su
punto de fusión, sufren rearreglos, oxidaciones o descomposiciones.
Algunos compuestos orgánicos no tienen un punto de fusión, pero tienen
un punto de descomposición, que es la temperatura en la cual el
compuesto se descompone y se funde. Es por ello que se emplea una
segunda muestra para la determinación del punto de fusión, pueden
estar presentes impurezas o compuestos adicionales.
2. ¿Por qué es importante usar solamente pequeñas cantidades de sólido
en una determinación del punto de fusión?
Para obtener un punto de fusión preciso, la muestra de sólido debe
fundirse completamente en el mismo instante. Si la muestra es pequeña,
entonces la muestra completa se encontrará a la misma temperatura y
se fundirá al mismo tiempo. Si se emplea una muestra más grande, le
tomará más tiempo a la muestra completa, alcanzar cierta temperatura y
podría haber puntos fríos que no se fundan al mismo tiempo.
3. ¿La presión atmosférica afecta el punto de fusión?
No, el punto de fusión depende de la fuerzas de la red cristalina que
mantienen unido al sólido orgánico. Por tanto, el punto de fusión no es
dependiente de fuerzas externas, solamente de las fuerzas internas que
mantienen unidos los cristales.
23
Determinación del punto de ebullición
Propósito
Familiarizarse con los procedimientos de determinación del punto de ebullición
para entender la importancia de esta determinación como una herramienta para
caracterizar a los compuestos orgánicos.
Antecedentes
Punto de ebullición se define como la temperatura en la cual la presión de
vapor de un líquido es igual a la presión atmosférica que se encuentra por
encima del líquido. Se caracteriza por el cambio del estado líquido al gaseoso o
el cambio de un gas al estado líquido. El punto de ebullición de un líquido
depende de la presión atmosférica ejercida sobre el líquido y de la temperatura
a la que se encuentre el líquido. En la mayoría de los casos, la presión
atmosférica a la que se encuentra el líquido, está muy cercana a una atmósfera
y pequeños cambios en la presión atmosférica, no afectan significativamente el
punto de ebullición de los líquidos.
Cuando se calienta un líquido, las moléculas del líquido ganan energía. El
calentamiento de cualquier sustancia, hace que las moléculas de esa sustancia
se muevan más rápido. En cualquier momento, algunas moléculas del líquido
tienen suficiente energía para dejar la superficie del líquido. Este proceso se
llama evaporación. Conforme aumenta la temperatura, un número mayor de
moléculas, ganan suficiente energía para dejar la superficie del líquido y
entonces aumenta la presión de vapor. Cuando la presión de vapor de un
líquido es igual a la presión por encima del líquido, entonces cualquier molécula
del interior del líquido tiene suficiente energía para pasar a la fase gaseosa y
entonces se dice que el líquido está en ebullición.
Los puntos de ebullición serán utilizados en los procedimientos de Orgánica en
Viales, como una herramienta de identificación y caracterización de sustancias
líquidas. El punto de ebullición no es útil para determinar la pureza, porque las
pequeñas cantidades de impurezas, no siempre afectan el punto de ebullición
de la misma manera en que se afecta el punto de fusión de una sustancia. Sin
embargo, los puntos de ebullición son propiedades físicas muy importantes y
serán útiles para caracterizar un líquido.
La preparación de la determinación del punto de ebullición, es similar a la
determinación del punto de fusión. Se requieren varias piezas del equipamiento
básico: un tubo de calentamiento, un tubo capilar cerrado por un extremo, una
liga, baño caliente y termómetro.
Es importante contar un termómetro de buena calidad para obtener una lectura
precisa del punto de ebullición. Se recomienda un termómetro de mercurio o
digital graduado en grados Celsius.
24
El baño caliente también puede ser un baño de agua o de aceite. Para líquidos
con punto de ebullición menor a 90°C, colocar agua en un vaso de 250 o 400
mL, aproximadamente a dos terceras partes de su capacidad y colocarlo sobre
una parrilla de calentamiento con agitación. Adicionarle una varilla de agitación.
Si no se cuenta con una parrilla de calentamiento, se puede utilizar un
calentador de inmersión, pero éste calentará el agua mucho más rápido y de
manera desigual. Para líquidos con puntos de ebullición más altos, usar un
baño de aceite y una parrilla de calentamiento. La mejor opción es utilizar
aceite de silicón, porque no se decolora y no es flamable, pero es caro y no
está disponible fácilmente en los laboratorios escolares. Para líquidos que
tienen puntos de ebullición entre 90 y 150 °C, funciona muy bien el aceite para
cocinar de alta calidad o aceite mineral. Nunca colocar el calentador de
inmersión para calentar un baño de aceite, utilizar siempre una parrilla de
calentamiento. Si se usa un vaso de 50 o 100 mL, se utilizará menor cantidad
de aceite y el calentamiento será más rápido en la determinación de puntos de
ebullición elevados.
Un tubo de calentamiento para esta determinación, puede ser un tubo de
microescala de 6 mm x 50 mm. Un tubo capilar cerrado por un extremo y
partido por la mitad, se emplea como piedra de calentamiento y trampa de
vapor. La presión dentro del capilar permanece a una atmósfera y ayuda en la
determinación del punto de ebullición en un rango muy estrecho.
Se coloca la muestra del líquido cuyo punto de ebullición se va a determinar,
dentro del tubo de calentamiento y se le introduce el tubo capilar con el
extremo cerrado hacia arriba. Mientras la muestra de líquido se va calentando,
va aumentando la presión de vapor por encima de la muestra, hasta que
alcanza la presión de la atmósfera que lo rodea. En ese momento, el vapor
atrapado dentro del tubo capilar, empieza a escapar y por el extremo abierto
empezará a salir una pequeña columna de burbujas. El líquido está ahora en
su punto de ebullición.
Al suspender el calentamiento y el baño de calentamiento se enfría, la
temperatura de la muestra también desciende. Cuando el baño de agua
caliente y la muestra alcanzan la temperatura de ebullición, la presión de vapor
del líquido dentro del capilar es equivalente a la presión atmosférica que se
encuentra por encima del tubo que contiene la muestra y la columna de
burbujas se detendrá. Ya que la presión de vapor del líquido ahora equivale a
la presión atmosférica, el punto de ebullición se ha alcanzado. En este
momento el termómetro puede ser leído para determinar su temperatura
característica.
25
Fig. 7
Procedimiento para la determinación del punto de ebullición.
Los puntos de ebullición de sólidos orgánicos de bajas temperaturas, (menores
a 90 °C, se pueden determinar usando un baño de agua con un agitador
magnético, en una parrilla de calentamiento, o bien un baño de agua usando un
calentador de inmersión. Sólidos con puntos de ebullición más elevados (entre
90 y 150°C), requerirán el uso de un baño de aceite y un agitador magnético
con parrilla de calentamiento. Nunca utilizar el calentador de inmersión en un
baño de aceite. Se puede utilizar aceite de cocina de buena calidad, o aceite
mineral o el mejor de todos que es el aceite de silicón.
Materiales para procedimientos a bajas temperaturas (menores a 90°C)
• Dos tubos capilares con un extremo cerrado.
• Dos tubos de ensayo de microescala (6 x 55 mm)
• Dos ligas
• Termómetro de -20 a 110 °C
• Parrilla de calentamiento con agitador magnético, varilla de agitación y
un vaso de 250 mL con agua.
-o• Baño de agua caliente
• Guantes aislantes o pinzas para vaso.
Materiales para procedimientos a altas temperaturas (90-150°C)
• Dos tubos capilares con un extremo cerrado.
26
•
•
•
•
•
Dos tubos de ensayo de microescala (6 x 55 mm)
Dos ligas
Termómetro de -10 a 150 °C
Parrilla de calentamiento con agitador magnético, varilla de agitación y
un vaso de 250 mL con aceite.
Guantes aislantes o pinzas para vaso.
Medidas de seguridad y Riesgos Químicos
Nunca manipular los baños de agua caliente o de aceite con las manos,
siempre utilizar guantes protectores o pinzas para vaso. Siempre colocar
primero el calentador de inmersión dentro del vaso con agua antes de
conectarlo. Nunca utilizar el calentador de inmersión en el baño de aceite.
Siempre usar gogles, guantes resistentes a los reactivos químicos y bata de
laboratorio.
Parte experimental
1. Con guantes, romper por la mitad un tubo capilar y colocarlo en el tubo
de microescala, con el extremo cerrado hacia arriba.
2. Colocar con una pipeta, aproximadamente 0.5 mL (2 cm) del líquido
dentro del tubo de microescala.
3. Sujetar el primer tubo de prueba al termómetro de tal manera que el
fondo del tubo se encuentre al mismo nivel que el extremo del bulbo del
termómetro. (Ver la figura)
4. Si el punto de ebullición es conocido, calentar el baño de agua unos
5 °C, por encima del punto de ebullición esperado. Detener el
calentamiento del baño de agua y colocar el dispositivo del termómetro y
el tubo de prueba en el baño de agua, de tal manera que el bulbo del
termómetro esté una pulgada por debajo de la superficie del líquido. Si
no se conoce el punto de ebullición, colocar el dispositivo del termómetro
con el tubo de prueba en el baño de agua e iniciar el calentamiento.
Cuando empieza a surgir del tubo capilar, una rápida y continua columna
de burbujas, suspender el calentamiento y permitir que se enfríe el baño
de agua. Si se pierde demasiada muestra, retirar del baño el termómetro
con el tubo de prueba y agregar más muestra.
5. Agitar suavemente el baño de agua con un agitador de vidrio, hasta que
cese la corriente constante de burbujas provenientes capilar. Registrar
esta temperatura, este es el punto de ebullición.
6. Agregar más muestra al tubo de ensayo de microescala y repetir la
determinación del punto de ebullición.
27
Notas para el profesor.
Recomendaciones de laboratorio
1. Es mejor determinar el punto de ebullición de la muestra mientras se
está enfriando que cuando se está calentando. Algunas veces una
muestra puede supercalentarse y no ebullir hasta que la temperatura se
encuentra por encima del punto de ebullición. Esto se presenta
especialmente, cuando se usan micro tubos de ensayo nuevos. Se
puede obtener un punto de ebullición consistente y exacto cuando la
muestra se enfría y la ebullición se detiene.
2. No permitir que el agua entre al tubo de ensayo de microescala que
contiene la muestra del líquido. Si la muestra es soluble en agua, la
presencia de agua puede afectar de manera dramática el punto de
ebullición. Si la muestra no es soluble en agua, la presión de vapor por
encima de la muestra o dentro del tubo capilar, puede ser afectada. La
muestra del tubo y el capilar, deben estar totalmente libres de agua.
3. No enjuagar los tubos de ensayo o los tubos capilares con acetona para
secarlos, a menos que se les dé un tiempo suficiente para la total
evaporación. El tubo de ensayo y el tubo capilar deben estar
completamente secos y libres de cualquier contaminación.
4. Primero tratar de determinar un punto de ebullición aproximado. Para
obtenerlo, buscar el dato en un manual de referencia o realizar una
determinación de prueba. Para la determinación final del punto de
ebullición, prevenir la evaporación de la muestra colocando dentro del
baño, el tubo de ensayo, el capilar y el termómetro cuando la
temperatura está muy cercana al punto de ebullición. Como en el
experimento del punto de fusión, calentar la mezcla suavemente para
determinar el punto de ebullición exacto.
5. Revisar la sección de Materiales y Métodos y Procedimientos, para
información adicional sobre la preparación de baños de agua caliente.
Los siguientes líquidos, pueden ser usados para las determinaciones del punto
de ebullición. Los líquidos han sido seleccionados para permitir a los
estudiantes, practicar el procedimiento de la determinación del punto de
ebullición antes de intentar utilizar la técnica para caracterizar cualquier otro
producto líquido elaborado con los procedimientos de este manual. Prefiera
aquellos líquidos escritos en negritas ya que son menos peligrosos. Todos los
puntos de ebullición están dados con un rango de ± 1 °C.
Sustancia
acetona
etanol
metanol
n-propanol
acetato de etilo
Punto de
ebullición ( °C)
56
80
65
97
77
Sustancia
s-butanol
t-butanol
metil etil cetona
isopropanol
n-heptano
Punto de
ebullición ( °C)
98
83
80
82
98
28
Preguntas
1. ¿Cómo afecta el incremento en la presión atmosférica en el punto de
ebullición de una sustancia?
Un incremento en la presión atmosférica provoca un incremento en el
punto de ebullición de un líquido. El punto de ebullición se define como
la temperatura a la cual la presión de vapor de un líquido es igual a la
presión atmosférica por encima del líquido. Si se incrementa la presión
atmosférica por encima del líquido, la temperatura a la cual la presión de
vapor del líquido igualará una presión más alta y por lo tanto , también
será mayor.
2. Si las condiciones atmosféricas en la superficie de un planeta son de
0.01 atm y –5 °C, cuál es el más probable estado de agregación para el
agua de ese planeta?
A pesar de que la temperatura del planeta es baja, la presión de la
atmósfera es extremadamente baja. La presión de vapor del agua será
mayor que la presión atmosférica y toda el agua bajo estas condiciones
se encontraría en forma gaseosa. De hecho, el agua que podría
formarse en forma de hielo, inmediatamente sublimaría a la fase
gaseosa.
3. ¿Por qué una olla express acelera la cocción?
La presión dentro de la olla express es mayor a una atmósfera. El punto
de ebullición del agua será mayor y la energía adicional transferida del
agua de cocción a la comida en el interior de la olla express. Esto
provoca una cocción más rápida de los alimentos.
29
Separación de la clorofila de la espinaca
Propósito
Investigar la separación de productos naturales usando la extracción con
disolventes y aprender cómo separar productos empleando técnicas de
cromatografía en placa fina.
Antecedentes
Uno de los aspectos más atractivos de la química orgánica es la separación y
síntesis de productos naturales. Cada ser vivo, plantas, animales, insectos y
microorganismos, están formados por compuestos orgánicos. Los compuestos
orgánicos son una parte importante de los ciclos de vida de todos los
organismos, especialmente de sus ciclos metabólicos. El ciclo metabólico es
una colección de procesos químicos que un organismo emplea para crear y
mantener las sustancias que requiere y obtener energía para su crecimiento y
funcionamiento. Casi todos los procesos metabólicos involucran compuestos
orgánicos y sus reacciones. Compuestos de diferentes clases, juegan papeles
importantes y son encontrados en la mayoría de los organismos. El tipo más
común de compuestos son los carbohidratos, grasas, proteínas y aminoácidos.
El estudio de los compuestos orgánicos y su procesos en los organismos, es
variado y complejo y es la materia de estudio de una ciencia completa llamada
bioquímica.
Las plantas son en particular, una fuente rica en moléculas orgánicas
complejas, pero fácilmente aislables. Algunos compuestos orgánicos fabrican la
comida que necesita una planta usando la energía de la luz solar, mientras que
otros son los responsables del almacenamiento del alimento. Muchos de estos
compuestos son comunes en una gran diversidad de plantas. Una clase
importante de compuestos orgánicos son las porfirinas, las cuales incluyen a la
clorofila. La clorofila es el componente principal del cloroplasto, que es el
componente principal de la fotosíntesis en las plantas verdes. La fotosíntesis es
el proceso metabólico de las plantas en el que se absorbe la luz solar y se
convierte en energía química, la cual se almacena en moléculas energéticas
como azúcares y carbohidratos. Las plantas utilizan estas moléculas para su
crecimiento. En el proceso de fotosíntesis, el dióxido de carbono y agua se
combinan en presencia de luz y enzimas para formar glucosa y oxígeno. El
oxígeno es un producto de la fotosíntesis de las plantas y es arrojado a la
atmósfera. La ecuación general de la fotosíntesis, se muestra a continuación.
Fig. 8
30
El mecanismo de la fotosíntesis es complejo e involucra muchas moléculas y
reacciones. El primer paso es la absorción de luz solar por las moléculas de
clorofila. La clorofila es una porfirina de magnesio y es muy similar a la porfirina
de hierro llamada hemoglobina, que es el principal acarreador de oxígeno en la
sangre. Las reacciones subsecuentes involucran otros compuestos que
separan la molécula de agua en oxígeno e hidrógeno. El hidrógeno es usado
por las enzimas para convertir el dióxido de carbono en una estructura
intermedia de tres carbonos y después en el más básico de los azúcares de
seis carbonos, la glucosa, que junto con la fructosa formará la sacarosa.
Hay dos moléculas de clorofila primarias, que pueden ser extraídas de las
plantas, clorofila α y clorofila β. La clorofila α absorbe la energía luminosa en
la región roja, mientras que la clorofila β, absorbe más luz en la región azul del
espectro.
Fig. 9
Ninguna clorofila absorbe en las regiones verde o amarilla del espectro, pero el
reflejo de la luz verde es el responsable del color precisamente verde de
muchas plantas. Debido a su color brillante, estas moléculas también son
llamadas pigmentos. La mayoría de las plantas también contienen otros
pigmentos que absorben luz en otras partes del espectro. Estas otras
moléculas como carotenos y xantofilas son los responsables de los colores
amarillo, anaranjado y rojo de las hojas de árboles que pierden sus hojas en el
otoño, después de que la clorofila se ha descompuesto.
En esta actividad experimental, serán extraídos muchos pigmentos orgánicos
de hojas verdes de plantas, usando extracción con disolventes y separándolos
31
empleando una cromatografía en placa fina. Algunas de las moléculas serán
identificadas por su color característico.
Cromatografía en placa fina. Antecedentes.
La cromatografía es probablemente el método más útil para separar
compuestos orgánicos para su identificación o purificación. Hay muchos tipos
de cromatografía, pero la mayoría trabajan con el concepto de absorbancia.
Los dos componentes importantes de una cromatografía son el absorbente y el
eluyente. Un buen absorbente es generalmente un material sólido que atraerá
y absorberá el material que será separado. El papel, la sílica gel o la alúmina,
son muy buenos absorbentes. El eluyente es el disolvente que acarrea el
material que va a ser separado, a través del absorbente.
La cromatografía trabaja bajo el concepto de que los compuestos que van a ser
separados, son ligeramente solubles en el eluyente y pasarán algún tiempo en
el eluyente (o disolvente) y algún tiempo en el absorbente. Cuando los
compuestos que van a ser separados, requieren diferente cantidad de tiempo
para ser absorbidos, entonces pueden separ unos de otros. La polaridad de
las moléculas que van a ser separadas y la polaridad del eluyente, son muy
importantes. Al cambiar muy poco la polaridad del eluyente, la solubilidad de
las moléculas tendrá grandes cambios en su afinidad de absorción sobre el
absorbente. Esta afinidad por el eluyente contra el absorbente, es lo que
separa las moléculas.
Un ejemplo simple de cromatografía, es la separación de varios pigmentos de
tintas, usando papel cromatográfico. En este ejemplo, el papel es el absorbente
y el agua es el eluyente. Los diferentes pigmentos con distintos tiempos de
absorción sobre el papel, debido a su solubilidad en agua, empezarán a
separarse conforme el agua los acarrea a partir del punto inicial.
Para separar moléculas orgánicas complejas, se emplea frecuentemente la
cromatografía en placa fina, el absorbente es generalmente sílica gel (SiO2) o
alúmina (Al2O3) y el eluyente, un disolvente orgánico. La polaridad del eluyente
es muy importante en la cromatografía en placa fina, ya que un pequeño
cambio en la polaridad, puede dramáticamente incrementar o disminuir la
solubilidad de algunas moléculas orgánicas. Muchas veces, una mezcla de un
disolvente no polar (hexano) y un disolvente polar (acetona), se emplean para
conseguir una polaridad óptima.
Una gran cantidad de productos químicos, no son separados por cromatografía
en placa fina. Éste es un método analítico empleado para verificar la presencia
de un producto específico. La cromatografía en columna, la destilación
fraccionada, la separación de fases y la extracción con disolventes son los
métodos preferidos para la separación de cantidades comerciales del producto,
de una mezcla de reacción. La cromatografía en placa fina se lleva a cabo
fácilmente sobre placas de plástico o vidrio, las cuales han sido recubiertas
con sílica gel o alúmina.
32
La separación de los productos en una reacción orgánica es tan importante
como la obtención del producto. La cromatografía en placa fina es el método
seleccionado por los químicos orgánicos ya sea para seguir el curso de una
reacción química, como para analizar la eficiencia de la reacción. Normalmente,
cuando se inicia una reacción orgánica, se corre una prueba base de
cromatografía en placa fina, para localizar todos los reactivos orgánicos
presentes. Conforme la reacción avanza, las placas subsiguientes de
cromatografía revelan la producción de otros compuestos por la aparición de
otros puntos en la placa. Muchos químicos orgánicos calculan el valor Rf de
los reactivos y los productos. El valor Rf es la distancia del desplazamiento del
punto contra la distancia del desplazamiento del eluyente.
Si se hace una prueba estándar, será posible identificar los componentes de la
mezcla, a partir de muestras conocidas de reactivos y productos deseados.
Para ello, se ubica la localización final de las sustancias conocidas y se
compara con las marcas dejadas por la mezcla de reacción.
Preparación de la prueba experimental de cromatografía en placa fina.
Se requieren diferentes materiales para preparar una cromatografía en placa
fina: un tubo capilar abierto de un extremo, una placa de cromatografía en
placa fina, un recipiente para desarrollar la cromatografía, un eluyente o
disolvente, y un método para observar los productos separados.
El material para su separación, es colocado en la placa de cromatografía en
placa fina, usando el tubo capilar. Éstos pueden ser comprados o elaborados
fácilmente. Los tubos capilares con un extremo cerrado, también pueden ser
utilizados, pero el extremo cerrado, debe ser cuidadosamente removido,
utilizando una sierra triangular para hacer una muesca en el tubo y después
romperlo cuidadosamente en la marca. Una pipeta de plástico tipo pipeta beral,
también puede utilizarse, si se estira primero para adelgazar el tamaño del
bulbo. Idealmente, el capilar debe ser tan angosto como sea posible (menos de
1 mm de diámetro) para ser efectivo.
Una placa de cromatografía en placa fina consiste de un absorbente, ya sea
alúmina o sílica gel, en un soporte. El soporte puede ser una placa de vidrio o
una hoja de plástico. Las hojas de plástico para la cromatografía son muy
convenientes de usar, porque pueden ser cortadas a cualquier tamaño. Usar
tijeras para cortar las láminas. La mayoría de las actividades de Orgánica en
Viales requieren láminas de 2 pulgadas por media pulgada.
Un recipiente revelador de cromatografía puede ser un frasco pequeño o un
vaso. Un vaso de precipitados de 50 o 100 mL, un vidrio de reloj o una
envoltura plástica adherente, usados como tapa, funcionan bastante bien. Para
mantener condiciones de equilibrio durante el desarrollo de la cromatografía, el
recipiente revelador debe estar saturado con el vapor del disolvente (eluyente).
Al colocar un pedazo de papel filtro en el recipiente revelador, sirve como un
pabilo (mecha) y ayuda a mantenerlo saturado, con el disolvente en vapor.
Para preparar el recipiente revelador, colocar el papel filtro a lo largo de la
33
pared interna de éste, adicionar el disolvente hasta alcanzar una altura de 0.5
cm y colocar una tapa. Esperar unos pocos minutos para alcanzar el equilibrio,
antes de introducir la placa de cromatografía en placa fina, dentro de éste.
La decisión más difícil es la elección del eluyente o disolvente. Seleccionar la
correcta polaridad es crítico, porque esto determina el nivel de separación que
se logrará. Los disolventes comúnmente usados en la cromatografía en placa
fina, en orden creciente de polaridad son: petróleo, éter o hexano, ciclohexano,
tolueno, cloroformo, éter etílico, acetona, etanol y metanol. En algunas
ocasiones se usan mezclas de disolventes para conseguir el nivel deseado de
polaridad. Por regla general, si las sustancias para ser separadas son polares,
el disolvente revelador debe ser ligeramente menos polar. Por otro lado, las
sustancias no polares deben requerir disolventes ligeramente polares.
Después de que los componentes han sido separados por cromatografía en
placa fina, tienen que ser observados. Algunos compuestos orgánicos son
altamente coloridos y fáciles de detectar, pero la mayoría son incoloros y no
pueden ser observados directamente a simple vista. Se emplean diferentes
técnicas para no perder de vista los compuestos orgánicos incoloros.
a) Yodo. Adicionar unos cuantos cristales de yodo (I2) al recipiente tapado.
Colocar la placa completa de cromatografía dentro de él. Los vapores de
yodo serán absorbidos y formarán parte de las marcas que contienen
compuestos orgánicos, porque el yodo forma complejos con la mayoría
de los compuestos orgánicos. Mantener la placa de la cromatografía en
la cámara reveladora de yodo, solamente por unos minutos o hasta que
las marcas oscuras aparezcan. Estas marcas oscuras corresponderán a
los diferentes compuestos orgánicos que fueron separados. Al retirar la
placa de cromatografía de la cámara de yodo, se evaporará el yodo y las
marcas desparecerán lentamente. Señalar cuidadosamente la ubicación
de las marcas empleando un objeto puntiagudo, como un lápiz o un tubo
capilar, Trazar una marca en el borde de las manchas de la placa, antes
de que el yodo se decolore, para conservar un registro de la
cromatografía.
b) Luz ultravioleta de gran longitud de onda. La mayoría de los
absorbentes de la cromatografía, contienen un polvo fluorescente que
presenta un brillo verde que frecuentemente se oscurecerá. Señalar
cuidadosamente la localización de las marcas usando un objeto
puntiagudo como un lápiz o un tubo capilar, mientras que la placa de
cromatografía se coloca bajo una lámpara de luz ultravioleta. Dibujar la
línea exterior de las manchas para poder conservar un registro de la
cromatografía.
c) Calor. Algunos compuestos orgánicos se carbonizarán al ser calentados
y se oscurecerán. Hay que colocar la placa de cromatografía en una
parrilla caliente, lo que provocará la descomposición de algunos
compuestos orgánicos, los cuales se oscurecerán.
d) Reacción química. Algunas veces, la localización de compuestos
individuales puede ser visualizada por reacciones químicas si un
reactivo específico es usado en forma de spray. Por ejemplo, cuando la
ninhidrina disuelta en butanol, se adiciona en forma de spray en una
34
placa de cromatografía que contiene varios aminoácidos, la ninhidrina
los manchará de color violeta.
Procedimiento experimental de cromatografía en placa fina.
Preparar una disolución concentrada del material que va a ser separado,
disolviéndolo en tan poco disolvente como sea posible. En un experimento de
extracción, usar solamente una pequeña cantidad de disolvente e intentar
extraer tanto material como sea posible.
En la placa cromatográfica, mantener la mancha de la muestra tan pequeña
como sea posible y asegurarse de que esté por encima de la línea disolvente
dentro del recipiente revelador. Colocar la mancha aproximadamente 0.5 cm
por encima del extremo del fondo de la placa y en el centro de ella trazar una
marca tan pequeña como sea posible, no mayor a 2 mm. El mejor método para
mantener la mancha de un tamaño pequeño, es usar un tubo capilar abierto por
un extremo, tomar una muestra pequeña, tocando suavemente al colocarla en
la placa cromatográfica. Una pequeña cantidad de la disolución será transferida
a la placa de cromatografía en placa fina. Permitir que el disolvente se evapore
antes de tocar el tubo capilar en la placa cromatográfica. Soplar suavemente en
la mancha para ayudar a que se evapore. Poner otra vez el capilar en el mismo
punto. Retirar el capilar y suavemente soplar sobre la mancha para evaporar el
disolvente. Repetir este procedimiento de cinco a ocho veces hasta que se
observe una mancha oscura en la placa cromatográfica. La marca no debe ser
mayor a 3 mm cuando se haya terminado el proceso.
Colocar cuidadosamente la placa cromatográfica dentro del depósito revelador,
asegurándose de que la muestra esté hacia abajo, pero por encima del
disolvente. Es importante que el disolvente no alcance inmediatamente la
mancha de la muestra. El disolvente ascenderá por la placa por acción de la
capilaridad. En cuanto esto ocurra, se acarrearán los componentes de la
muestra hacia arriba de la placa a diferentes velocidades dependiendo de las
características individuales de cada componente. La corrida cromatográfica es
detenida cuando el disolvente alcanza lo alto de la placa. En este punto, la
placa debe ser retirada, permitiendo que el disolvente se evapore y la placa se
seque.
Determinar el mejor método para observar la localización de los materiales
orgánicos separados. Si los materiales son coloridos, no se requieren métodos
adicionales de observación.
Procedimiento Experimental
•
•
•
•
Materiales
Dos viales de reacción
Pinzas
Baño de agua caliente
Dos pipetas pasteur
Reactivos
• Acetona
• Hexano
35
•
•
•
•
•
•
Placas cromatográficas de plástico de 2” x ½”
Espinaca
Depósito revelador, un recipiente pequeño o vaso
Tubo capilar con un extremo cerrado
Un vidrio o envoltura plástica
Palillo de dientes
Seguridad y desechos químicos
La acetona es flamable y presenta un riesgo peligroso de incendiarse. Es tóxica
por ingestión e inhalación. Los hexanos son flamables y peligrosos, con riesgo
de incendiarse, pueden ser irritantes al tracto respiratorio. Usar siempre gogles,
guantes resistentes a los reactivos químicos y bata de laboratorio. Siempre
colocar el calentador de inmersión dentro del recipiente con agua, antes de
conectarlo.
Procedimiento
1. Adicionar aproximadamente 300 mL de agua en un vaso de 400 mL.
Colocar el calentador de inmersión, conectarlo y esperar que el agua
llegue a la ebullición. No conectar hasta que el calentador esté inmerso
en el agua.
2. Colocar aproximadamente 1 g de hojas de espinaca en el vial de
reacción. La sección de hoja de la espinaca funciona mejor que los tallos.
Se puede usar espinaca fresca o congelada. Si se usa espinaca
congelada, permitir que se descongele y remover el exceso de agua.
3. Adicionar de 1 a 1.5 mL de acetona al vial. Usar un palillo de dientes
para agitar y presionar la espinaca dentro de la acetona. Asegurarse de
que la acetona cubra la espinaca por lo menos 1 cm. La acetona
empezará a ponerse de color verde.
4. Cerrar el vial con la tapa de teflón. Asegurarse de que la tapa esté bien
sujeta. Si la tapa no está bien apretada, la acetona se saldrá y entonces
el baño de agua se pondrá de color verde.
5. Usar pinzas para colocar el vial sellado en el vaso que contiene agua
caliente. La mezcla de espinaca/acetona debe permanecer en
calentamiento durante 10 minutos.
6. Al finalizar los 10 minutos, retirar el vial del agua utilizando pinzas y
colocarlo en forma vertical sobre la mesa. Permitir que el vial se enfríe
durante un minuto.
7. Colocar el vial en un baño de agua fría por algunos minutos. Retirarlo del
agua fría y abrirlo cuidadosamente.
8. Usar una pipeta pasteur para retirar tanta disolución de acetona como
sea posible y colocarla en un segundo vial limpio. La disolución de
acetona contiene clorofila y otros productos naturales de fácil extracción.
36
Separación del producto
9. Adicionar 1 mL de acetona y 4 mL de hexano en un vaso pequeño (50 –
100 mL) el vaso servirá como recipiente de revelación. La disolución de
acetona/hexano no debe ser mayor a 3 mm de alto.
10. Colocar el tubo capilar abierto por un extremo dentro del vial que
contiene la disolución verde de acetona, la que ascenderá por el tubo.
Retirar el capilar y permitir que quede un remanente de
aproximadamente 1 cm en el interior del tubo debido a la acción de la
capilaridad.
11. Manchar una placa cromatográfica de 2 “ x ½ “, tocando suavemente
con el tubo capilar que contiene la disolución verde de acetona en la
placa cromatográfica. La mancha debe estar aproximadamente 0.5 cm
por encima de la base inferior de la placa cromatográfica. Repetir varias
veces hasta que se presente una mancha verde oscura de 2 a 3 mm de
diámetro. Soplar hacia la mancha entre cada aplicación, para evaporar
la acetona.
12. Colocar la placa cromatográfica dentro del recipiente revelador y
asegurarse de que la mancha esté por encima del nivel del disolvente.
Colocar un vidrio de reloj o envoltura plástica para taparlo.
13. Observar que el disolvente ascienda por la placa cromatográfica y
empiece a separar los componentes de la disolución de espinaca.
Cuando el disolvente casi alcanze lo alto de la placa, retirar la placa y
permitir que se seque.
14. Observar y registrar cualquier marca colorida en la placa. Deben estar
presentes una mancha amarilla cerca de lo alto y varias manchas
verdosas cerca del extremo inferior.
Análisis
Como la mayoría de los productos naturales separados de la espinaca son
pigmentos, la visualización de los productos es relativamente simple. Dibujar en
el reporte de laboratorio una representación de la placa reveladora, señalando
la marca inicial, punto final de avance del disolvente y el color de las diferentes
manchas que aparecieron.
Manejo de desechos
Las placas cromatográficas pueden depositarse directamente en la basura. La
disolución de acetona y cualquier remanente de disolventes orgánicos de la
cromatografía en placa fina, deben ser regresados al profesor y desechados de
acuerdo al Flinn Suggested Disposal Method Método # 18a
37
Notas para el profesor
Esta actividad de laboratorio es un buen ejercicio introductorio para familiarizar
a los estudiantes con el uso de viales, los baños de agua caliente y el
desarrollo de cromatografías en placa fina. Los alumnos también apreciarán la
presencia de productos naturales en los compuestos orgánicos y el importante
rol que juegan en la naturaleza. Esta relación entre biología y química,
generalmente no es discutida en detalle en el primer año de los cursos de
química, pero es un buen ejemplo de cómo todas las ciencias están
interrelacionadas y no son solamente materias aisladas para estudiar en la
escuela. Este procedimiento se completa fácilmente en una sesión de
laboratorio de 50 minutos.
Si el procedimiento se ha realizado correctamente, la placa de cromatografía
revelará de 5 a 6 diferentes pigmentos. Los pigmentos pueden ser identificados
por sus colores y sus posiciones relativas en el cromatograma. Los principales
pigmentos en orden desde la mancha original; son:
1. clorofila β (verde olivo)
2. clorofila α (azul verdoso)
3. violaxantina (amarillo)
4. luteína ( amarillo)
5. β- caroteno (amarillo-naranja), cerca de la marca del disolvente.
Otros pigmentos podrán ser visibles, pero más difíciles de identificar. Algunas
veces también está presente la neoxantina, pero generalmente está muy cerca
de la clorofila β y no es visible. La neoxantina, vilaxantina y luteína, son
xantofilas.
Fig.10
Experimentos adicionales
Para una explicación más detallada de la fotosíntesis y el ciclo de Calvin,
consultar un libro de bioquímica. Se podrían incluir experimentos adicionales
comparando la extracción de productos de hojas de diferentes plantas verdes o
árboles. Una selección interesante podría ser con las hojas de árboles caducos
que cambian su color a rojo o amarillo en el otoño. ¿Aumenta la proporción de
pigmentos rojos o amarillos?
38
Correr largas placas cromatografías y separar los pigmentos. Los pigmentos
son separados cortando las manchas y extrayendo el pigmento con acetona.
La absorción del espectro de cada pigmento o grupo de pigmentos, puede ser
determinado usando un espectrofotómetro.
Recomendaciones de laboratorio
1. Si se usa espinaca congelada, asegurarse de que esté descongelada y
tan seca como sea posible. No secar las espinacas con una toalla de
papel ya que algunos pigmentos de la espinaca se absorberán en ella.
2. Se requiere una buena técnica de cromatografía para que los
estudiantes distingan bien la separación de las manchas en sus placas.
Algunas razones por las que se obtienen separaciones o resultados
deficientes son:
• Una equivocada mezcla de disolventes.
• Demasiada cantidad de material inicial colocada en la mancha.
• Una mancha inicial demasiado grande
• La mancha inicial se encuentra por debajo del nivel del disolvente en la
cámara reveladora.
3. Es necesario dar suficiente tiempo para de desarrollo de la
cromatografía en placa fina. El tiempo es un factor determinante. La
placa debe ser colocada y dejarla el tiempo suficiente para que el
disolvente ascienda hasta el final de la placa. No suspender el desarrollo
de la cromatografía, hasta que el disolvente se encuentre cerca del final
de la placa. Un revelado incompleto proporcionará una separación
incompleta.
4. Los disolventes empleados para el revelado pueden ser reciclados. No
desechar los disolventes sobrantes. Hay que conservarlos para
utilizarlos en otra clase o en otra cromatografía.
5. Favor de revisar las secciones de Materiales, Métodos y Procedimientos
para consultar información adicional sobre la preparación de baños
calientes, uso de viales y técnicas de microescala.
Preguntas
1. ¿Cuál es la principal ventaja de la cromatografía en placa fina sobre
otras técnicas de separación? ¿Hay algunas desventajas para esta
técnica?
La cromatografía en placa fina es fácil, rápida y barata. Separa los
compuestos de una mezcla con un nivel satisfactorio de confianza y con
resultados reproducibles. Los componentes de interés pueden ser
separados y probados posteriormente por otros métodos analíticos.
La principal desventaja de la cromatografía en placa fina es la falta de
identificación de los productos finales y el hecho de que no se pueden
separar grandes cantidades del producto.
39
2. ¿Qué esperarías encontrar si usaras la hoja de un árbol en lugar de
espinacas en este experimento?
Ambas clorofila α y clorofila β pueden estar presentes, la diferencia sería
en el tipo y cantidad de otros pigmentos separados en la placa. Las
hojas de espinaca y las hojas de árbol, podrían tener las mismas dos
clorofilas pero los pigmentos remanentes pueden diferir.
3. La disolución de acetona/hexano usada en la cromatografía en placa
fina ¿es una disolución polar o no polar?
Es un disolvente de ambos tipos ya que el hexano es no polar y la
acetona es polar. Ambos son sustancias orgánicas y son solubles y en
pequeñas cantidades la acetona proporciona algunas características
polares a la disolución de hexano.
4. ¿Cómo sería el desarrollo de la placa de cromatografía si el eluyente
fuera 100 % acetona? ¿Y si fuera 100 % hexano?
La acetona es un disolvente muy polar y todos los productos extraídos
son solubles en acetona. Sin embargo, la acetona al 100 % sería un
disolvente pobre, porque todos los componentes permanecerían
remanentes en la acetona y serían acarreados junto con la acetona. Se
presentaría una mínima separación.
Por otro lado, el hexano es un disolvente no polar, y la mayoría de los
componentes de la mezcla de clorofila, no serían solubles en el hexano
Sólo uno o dos de los componentes se desplazarían del punto inicial.
Ocurriría .una mínima separación.
La combinación de acetona y hexano provee justo la mezcla correcta de
disolvente polar y no polar, para separar los pigmentos en esta actividad
de laboratorio.
40
Extracción del cinamaldehído de la canela
Propósitos
Extracción y purificación del ingrediente activo de una especia de su fuente
natural, utilizando el método de extracción por disolvente.
Antecedentes
Uno de los métodos físicos más fáciles para aislar un compuesto, es la extracción
por disolvente. Por este método, un compuesto se separa del material inerte o de
impurezas al emplear un disolvente. Escoger el disolvente es lo más importante,
porque éste deberá disolver primordialmente el material deseado. Un ejemplo
diario de extracción por disolvente, es la preparación del café o té, en estos casos,
una gran variedad de compuestos orgánicos son separados del café o té molidos,
al usar agua caliente. Muchos sabores, extractos y medicamentos se aíslan de las
plantas usando simples técnicas de extracción por disolventes.
En esta práctica, se usará agua muy caliente para iniciar la extracción del aceite
esencial de la canela. Se empleará un disolvente orgánico, éter etílico, para aislar
la mayor cantidad del aceite esencial, el cinamaldehído. El cinamaldehído, es un
compuesto que da su aroma y sabor característico a la canela. Es un compuesto
orgánico que contiene un grupo funcional aldehído.
Muchos sabores naturales como la canela, la vainilla y el limón, deben sus
características de sabor y aroma a los aldehídos. Los aldehídos contienen un
grupo carbonilo (doble enlace carbono- oxígeno) y son similares en estructura a
las cetonas. La diferencia es que los aldehídos tienen un átomo de hidrógeno
unido al grupo carbonilo, mientras que las cetonas tienen dos grupos funcionales
unidos a ambos lados de este grupo. Los aldehídos son generalmente más
reactivos que las cetonas y se oxidan más fácilmente hasta ácidos.
Las fórmulas estructurales generales de los aldehídos y las cetonas son:
Fig. 11
41
El material que se aislará en esta práctica no es cinamaldehído puro, sino una
mezcla de componentes orgánicos, constituida en su mayor parte por este
compuesto. Para comprobar la presencia de un aldehído en el producto obtenido,
será utilizada la prueba de Tollens. Esta prueba es un buen análisis cualitativo
para comprobar su presencia. Su principio se basa en que los aldehídos son
fácilmente oxidados a ácidos orgánicos y reducen el ion (Ag+) a plata metálica
(Ag0), obteniéndose un espejo de plata. La reducción química de iones plata a
plata metálica usando aldehídos, se utilizó por primera vez en el siglo XVIII para
elaborar espejos.
Reacción y propiedades físicas
Fig.12
Cantidad
Peso molecular
mmol
densidad (g/mL)
Punto de fusión (°C)
Punto de ebullición (°C)
Materiales
2 viales largos
Baño de agua caliente
Baño de agua fría
2 pipetas Pasteur
Pinzas para tubo
Cinamaldehído
---132.16
---1.05
-7.5
253
Reactivos
Ramas de canela
Agua destilada
Éter etílico
Sulfato de magnesio
Disolución de nitrato de plata al 10 %
42
Tubo de ensayo de 16 x 125 mm
Caja Petri o vidrio de reloj
Espátula
Disolución de hidróxido de sodio al 10 %
Hidróxido de amonio 6M
Medidas de seguridad y riesgos químicos.
El éter etílico es muy inflamable y explosivo, puede formar peróxidos explosivos;
sus vapores son dañinos, utilizar campana de extracción o realizar el experimento
en un área bien ventilada. El cinamaldehído es combustible e irritante de la piel. El
sulfato de magnesio puede irritar los ojos y el sistema respiratorio. Siempre
colocar el calentador de inmersión dentro del agua, antes de conectarlo. Utilizar
gogles, guantes resistentes a productos químicos y bata de laboratorio resistente.
Procedimiento experimental.
1. En un vaso de 100 mL adicionar aproximadamente 80 mL de agua. Colocar
el calentador de inmersión en el agua, conectarlo y esperar a que hierva.
No conectar el calentador hasta que se encuentre sumergido (se puede
utilizar una parrilla de calentamiento en lugar de éste).
2. Romper las ramas de canela en pequeñas piezas utilizando una espátula.
Esto permitirá una mejor superficie de contacto. Colocar las piezas en un
vial largo de reacción. Para realizar cálculos, pesar las astillas de canela
antes de introducirlas en el vial. Utilizar entre 1.5 y 2.0 g de canela.
3. Adicionar 5 mL de agua y cerrar el vial.
4. Cerrar el vial con tapa de teflón. Asegurarse que la tapa esté apretada.
5. Con la ayuda de pinzas, colocar el vial bien cerrado en el vaso de agua en
ebullición. Si se desprenden pequeñas burbujas de vapor, retirar el vial,
dejar enfriar y apretar la tapa del vial.
6. Después de 25 minutos, retirar el vial del agua con pinzas, colocarlo sobre
la mesa y dejar que se enfríe. Apagar la fuente de calentamiento.
7. Para un enfriamiento más rápido, colocar el vial en un vaso con agua fría
durante tres minutos. Retirar el vial y destaparlo cuidadosamente.
8. Quitar la tapa y vaciar la disolución acuosa de cinamaldehído en un vial
limpio. Tener cuidado de no transferir ningún pedazo de canela. Los
remanentes de canela se pueden tirar en el bote de basura.
9. Oler la mezcla.
Separación del cinamaldehído.
10. Extracción del cinamaldehído con éter etílico. Adicionar entre 2 y 3 mL de
éter a la mezcla de cinamaldehído-agua. Tapar con fuerza el vial e invertirlo
varias veces para mezclar las dos fases. Si se agita demasiado la mezcla,
se forma una emulsión que toma mucho tiempo en separarse. Usar guantes
43
resistentes al abrir el vial; el contenido puede estar bajo ligera presión y
salpicar.
11. Esperar a que las dos capas se separen. Si se forma una emulsión (una
capa de burbujas entre las dos capas), dar tiempo hasta que se separen.
Transferir la capa superior de disolventes orgánicos a un nuevo vial,
utilizando una pipeta. Esta capa contiene el éter etílico y el cinamaldehído.
12. Repetir los pasos 10 y 11. Juntar las disoluciones de las dos extracciones
en un nuevo vial.
13. Secar la disolución de cinamaldehído con sulfato de magnesio anhidro.
Adicionar una pequeña cantidad (de 2 a 3 mm del fondo del vial) de sulfato
de magnesio. Si éste se aglomera, adicionar un poco más hasta que se
separe. Transferir con una pipeta la disolución del éter con el
cinamaldehído a una caja Petri o vidrio de reloj. Enjuagar el sulfato de
magnesio con 2 o 3 mL de éter y vaciarlo a la disolución de cinamaldehído.
Si se van a realizar cálculos, pesar la caja Petri o vidrio de reloj antes de
vaciar la disolución.
14. Colocar nuevamente la disolución en otra caja Petri o vidrio de reloj,
previamente pesado y dejar que el éter se evapore en una campana de
extracción por espacio de 5 a 10 minutos. Pequeñas gotas de
cinamaldehído quedarán al evaporarse el éter. El éter etílico tiene un bajo
punto de ebullición de 35 °C y el cinamaldehído de 248 °C.
Análisis
15. Oler la caja Petri o vidrio de reloj después de la evaporación del éter. Las
pequeñas gotas oleosas tienen un fuerte olor a canela.
16. Prueba para identificar un aldehído con el reactivo de Tollens (reducción de
la plata). Colocar 1 mL de nitrato de plata al 10 % y 1 mL de hidróxido de
sodio al 10 % en un vial corto, adicionar gota a gota hidróxido de amonio 6
M hasta que se disuelva por completo el nitrato de plata y agregar 1 o 2
gotas del cinamaldehído. Tapar el vial y agitar un minuto. La prueba es
positiva si se forma después de cinco minutos un espejo de plata en el vial.
Si esto no ocurre, introducir el vial en agua caliente por algunos minutos.
Manejo de desechos
Todas las capas acuosas se pueden tirar al drenaje y enjuagar. El sulfato de
magnesio es conveniente ponerlo en la campana de extracción hasta que se
evapore el éter y vaciarlo al drenaje enjuagando. Las pequeñas gotas de
cinamaldehído se pueden desechar de la misma manera.
Notas para el profesor
Todos los alumnos deben realizar con éxito el aislamiento del producto. Las
propiedades físicas del cinamaldehído, presión de vapor baja a temperatura
44
ambiente, alto punto de ebullición, excelente solubilidad y fácil manejo; hacen que
esta práctica sea muy fácil de llevar a cabo. Sin embargo, la cantidad de producto
es poca y sólo se obtendrán algunas gotas del cinamaldehído. Se obtiene entre
0.02 y 0.04 g, por lo que el profesor y los estudiantes sabrán que han aislado
cinamaldehído, simplemente por el agradable aroma del laboratorio.
Realizar la práctica se lleva aproximadamente una hora. Si esta es la primera vez
que se trabaja con viales, se puede dificultar terminar en este tiempo, si es así, se
podrá parar después de realizar el paso 9. La disolución acuosa que contiene el
cinamaldehído se puede almacenar por varios días. El aislamiento y análisis del
cinamaldehído se hará en la próxima sesión de laboratorio.
Este es un buen experimento para discutir cuántos productos orgánicos se extraen
de fuentes naturales. También, para mostrar las dificultades y el tiempo que lleva
aislar productos naturales y, la poca cantidad que se obtiene de ellos. Así, algunas
veces es más fácil sintetizar los productos en el laboratorio que aislarlos de sus
fuentes naturales.
Recomendaciones de laboratorio
1. Realizar la práctica con un paquete recientemente abierto de ramas de
canela. La canela vieja no producirá una cantidad significativa de
cinamaldehído, ya que algunos de los activos químicos se evaporan.
Utilizar una espátula para romper las ramas de canela.
2. El éter etílico es difícil de pipetear por su alta presión de vapor. Mantener
cerca la botella del lugar en el que se utilizará. También, es conveniente
succionar algo del disolvente seguido de aire, esto aminorará la cantidad de
goteo.
3. Ver la sección de procedimientos de laboratorio para mayor información
sobre agentes secantes.
4. El reactivo de Tollens es una disolución de nitrato de plata amoniacal, la cual
reacciona con los aldehídos para producir plata metálica. Tres disoluciones
se requieren para realizar esta prueba: nitrato de plata al 10 % (disolver 3 g
de nitrato de plata en 30 mL de agua), hidróxido de sodio al 10 % (disolver
3 g de hidróxido de sodio en 30 mL de agua) y disolución de hidróxido de
amonio 6M (disolver 10.5 g en 50 mL de agua).
5. Revisar las secciones de Materiales, y Métodos y Procedimientos para
mayor información sobre la preparación de baños de agua caliente, el uso
de viales y técnicas en microescala.
Preguntas
1. Después de realizar este experimento, identificar otros componentes o
productos que se aíslan de la naturaleza a través de la extracción por
disolvente.
Las respuestas serán diversas. Muchos de los sabores y aromas naturales
que se encuentran en los alimentos y en los perfumes son aislados de la
45
naturaleza. ¿Cuáles son manufacturados después de ser aislados de la
naturaleza este método?
2. La manufactura de saborizantes y aromatizantes artificiales es un negocio
multimillonario. Realizar una visita al supermercado y buscar saborizantes
y aromatizantes artificiales en la sección de pastelería y panadería. Escribir
los nombres de los compuestos químicos artificiales que se encuentran en
el reverso de las envolturas.
Habrá diferentes respuestas. Esta es una pequeña lista de posibles
respuestas.
Aroma
Piña
Nuez
Cereza
Nombre del éster
Acetato de amilo
Valeriato de etilo
Acetato de bencilo
3. ¿Por qué los aldehídos y las cetonas son compuestos químicos asociados
con los saborizantes y aromatizantes?
Las enzimas de los receptores olfativos y gustativos se activan cuando su
superficie es estimulada por formas específicas moleculares. La molécula
debe coincidir en la enzima en los “tres puntos” de su configuración.
Cuando la molécula de forma específica corresponde en el sitio, el nervio
se estimula y detectamos aromas o sabores placenteros. Sin la forma
específica de los tres puntos, la molécula no estimulará el nervio.
46
Hidrólisis del almidón
Propósito
Entender la relación entre el almidón y los azúcares básicos y aprender a usar
las pruebas químicas tradicionales para detectar la presencia de estas
sustancias.
Antecedentes
Los carbohidratos son el tipo de compuestos orgánicos más abundantes en los
vegetales. El término “carbohidratos”, se emplea para caracterizar un amplio
grupo de productos naturales y son nombrados de esta manera porque muchos
de ellos tienen una fórmula molecular simplificada que parece ser un hidrato de
carbono (C•H2O)x. Los bloques básicos de construcción de muchos
carbohidratos son azúcares simples (también llamados sacáridos) como la
fructosa y la glucosa que tiene la fórmula molecular C6H12O6. Otros
carbohidratos más complejos son simplemente los productos de la adición de
dos, tres o hasta cientos de moléculas de azúcares. Los nombres comunes
para estos compuestos son disacáridos, trisacáridos o polisacáridos. Por
ejemplo la sacarosa (azúcar) es un disacárido formado por una molécula de
fructosa y una de glucosa.
Los dos polisacáridos más comunes son el almidón y la celulosa. Estos
materiales se conocen como polímeros naturales. Un polímero es una
macromolécula muy larga formada por cientos y hasta miles de unidades
moleculares simples que se repiten. En este caso, la unidad que se repite es la
molécula de glucosa. La glucosa es un azúcar de seis carbonos y en disolución
existe en forma lineal y cíclica.
Fig. 13
47
La celulosa es probablemente la molécula orgánica más abundante sobre la
Tierra. Es el principal componente estructural de las células vegetales y
representa alrededor del 50 % del peso de los árboles. La celulosa es un
polímero de glucosa y contiene en promedio 3 000 unidades de ésta, por cada
molécula de celulosa. La celulosa tiene un peso molecular promedio de 500
000 uma.
La celulosa es un importante producto comercial para el hombre. Todos los
productos derivados de la madera como la cimbra, madera de construcción,
papel, tablas, muebles, deben su fortaleza a la celulosa. El algodón es casi
celulosa pura y es la fibra natural más fuerte y durable .La celulosa puede ser
hidrolizada a glucosa por la adición de ácido clorhídrico concentrado o por la
acción de algunas enzimas. Desafortunadamente, la mayoría de los animales
(incluido el ser humano) no tiene enzimas que puedan catalizar la degradación
de celulosa a glucosa. Por ello, la celulosa no es una fuente de alimento.
Fig.14
El almidón es el segundo polisacárido más abundante y se presenta tanto en
vegetales como animales. El almidón también es un polímero de glucosa de
peso molecular similar a la celulosa. La principal diferencia entre el almidón y la
celulosa, es la configuración del enlace que une las moléculas de glucosa, ya
que es un enlace de tipo α en el almidón y de tipo β en la celulosa. El almidón
es hidrolizado a glucosa por la acción de ácidos fuertes y enzimas, es la
principal fuente de carbohidratos para los animales. La enzima amilasa,
presente en la saliva de los fluidos digestivos, es la responsable de convertir
almidón en glucosa.
48
Fig. 15
En este experimento, la molécula de almidón será desnaturalizada en simples
moléculas de glucosa por una reacción de hidrólisis catalizada por un ácido. El
avance y término de la reacción será monitoreado por la consiguiente
formación de glucosa, identificando su presencia con el reactivo de Benedict, y
la disminución de almidón, por la prueba del yodo.
La prueba del reactivo de Benedict.
La prueba de Benedict indica la presencia de un agente reductor. La presencia
del grupo aldehído (el cual es fácilmente oxidado a ácido orgánico) en la
molécula de glucosa, causa la reducción del ión cobre (II) soluble y de color
azul, a un compuesto insoluble café rojizo de óxido de cobre (I). En suspensión
acuosa, el óxido de cobre (I) puede aparecer con colores que van del verde al
rojo ladrillo, dependiendo de la concentración. Un precipitado rojo brillante es
debido a una alta concentración de cobre (I), y esto indica que se encuentra
presente una alta concentración de glucosa.
La prueba del yodo.
El yodo y el almidón forman un complejo, porque la molécula del almidón
puede formar una estructura espiral que se enrolla alrededor del yodo (I 2) y
permite que el yodo sea soluble en disolución acuosa. Una prueba para
determinar la presencia de almidón es la adición de una solución café-rojiza de
yodo/yoduro de potasio (I 3 - ). Si la disolución cambia de color azul oscuro a
negro después de la adición de la solución de yodo/yoduro, es porque se ha
formado un complejo yodo-almidón. Mientras más oscuro es el color, es más
abundante la presencia de almidón.
49
Reacción y propiedades físicas.
Fig.16
Característica
Cantidad
Peso molecular
Molaridad
mmol
Densidad g/mL
Punto de fusión (°C)
Almidón
5 mL
----------------------------------
Ácido sulfúrico
6 gotas
98.08
18.0
0.5
1.84
-------
Glucosa
------180.16
------------------153
Materiales
Sustancias
1 vial grande
8 viales pequeños
Baño de agua caliente
Baño de agua fría
5 pipetas pasteur
2 pipetas beral
pinzas para tubo
papel pH
solución de almidón
ácido sulfúrico concentrado
hidróxido de sodio 1 M
reactivo de Benedict
disolución de yodo/yoduro de
potasio
Medidas de seguridad
El ácido sulfúrico es altamente corrosivo para la piel y los ojos. La disolución de
hidróxido de sodio es corrosiva y muy peligrosa para los ojos y la piel. Siempre
colocar el calentador de inmersión dentro del agua, antes de conectarlo.
Utilizar gogles, guantes resistentes a los reactivos químicos y bata de
laboratorio.
Procedimiento experimental. Obtención
1. Poner 300 mL de agua en un vaso de precipitados de 400 mL. Colocar
el calentador de inmersión dentro del agua, conectarlo y permitir que el
agua empiece a hervir. No conectar el calentador de inmersión hasta
que esté colocado dentro del agua.
50
2. Rotular 4 viales pequeños con los números 1, 2, 3 y 4. Los otros cuatro
viales pequeños se rotulan como 1B, 2B, 3B y 4B.
3. En un vial grande colocar 5 mL de disolución de almidón.
4. A la disolución de almidón agregar 6 gotas de ácido sulfúrico
concentrado, empleando una pipeta pasteur.
5. Cerrar el vial con la tapa de teflón. Asegurarse de que el tapón esté bien
cerrado. Agitar para mezclar perfectamente.
6. Usando unas pinzas colocar el vial cerrado en el vaso que contiene agua
en ebullición.
7. Después de 5 minutos, retirar el vial del agua caliente y colocarlo sobre
la mesa. Permitir que el vial se enfríe por uno o dos minutos.
8. Cuando la temperatura del vial permita tocarlo, tomar 1 mL de muestra
de la solución de almidón del vial grande y colocarlo en el vial pequeño
marcado con el número 1. Cerrar ambos viales con sus tapas de teflón.
Asegurarse que queden bien cerrados.
9. Empleando pinzas colocar de vuelta el vial grande en el baño de agua
en ebullición. Colocar el vial pequeño marcado con el número 1, dentro
del baño de agua fría por unos minutos.
10. Una vez que el vial 1 se ha enfriado, abrirlo cuidadosamente y adicionar
unas gotas de NaOH 1M hasta que la disolución sea neutra o
ligeramente básica. Aproximadamente se requieren unas 5 gotas de
NaOH para conseguir la neutralización. Utilizar papel pH para determinar
la neutralización.
11. Repetir los pasos 7 a 10 cada 5 minutos y colocar 0.5 mL de muestra en
los viales pequeños marcados con los números 2, 3 y 4.
Análisis.
12. Transferir aproximadamente la mitad de la solución de cada uno de los
cuatro viales pequeños 1, 2, 3 y 4 en los correspondientes viales 1B, 2B,
3B y 4B usando pipetas beral. Los viales 1, 2, 3 y 4 serán utilizados para
la prueba del yodo almidón y los viales 1B, 2B, 3B y 4B se utilizarán en
la prueba de Benedict.
13. Colocar 2 gotas de una disolución de yodo/yoduro de potasio dentro de
los viales 1, 2, 3 y 4. Registrar las observaciones.
14. Colocar 10 gotas del reactivo de Benedict en cada uno de los viales 1B,
2B, 3B y 4B. Cerrar cada vial con las tapas de teflón y colocarlos en el
baño de agua en ebullición durante 5 minutos. Registrar las
observaciones.
Desechos.
Todas las soluciones pueden ser arrojadas al drenaje con abundante agua.
Notas para el profesor.
Este es un experimento clásico, que demuestra la importancia de las
reacciones orgánicas y los compuestos que se encuentran en la naturaleza. El
51
almidón y los carbohidratos son moléculas orgánicas y son una importante
fuente de alimentos, pero que no pueden ser utilizadas por los animales hasta
que se descomponen en azúcares simples. Este proceso de ruptura del
almidón en moléculas de glucosa, puede ser realizado fácilmente en el
laboratorio.
Esta actividad puede ser desarrollada durante una clase de laboratorio de 50
minutos. El tiempo que se ahorra puede ser empleado para preparar una
solución de almidón hidrolizado, trabajo en equipos, y la preparación del
análisis, mientras se espera que el almidón se hidroliza.
Experimentos adicionales.
La reacción de digestión del almidón puede ser seguida por un procedimiento
de cromatografía en placa fina. Colocar en la placa cromatográfica, pequeñas
manchas de la disolución inicial de almidón y de cada una de las muestras. La
desaparición del almidón y la formación de glucosa, pueden ser monitoriadas
durante el progreso de la reacción. El agua es un buen disolvente para esta
cromatografía.
Sugerencias de laboratorio.
1. Usar almidón soluble para el experimento. Las moléculas de gran peso
molecular del almidón pueden, durante el calentamiento, cocinarse en el
fondo del vial de reacción y ocurrir una digestión limitada. El almidón de
papa es generalmente soluble y recomendado en este experimento.
2. La disolución de almidón, también puede ser preparada por cada equipo
de alumnos, o bien se puede preparar una cantidad suficiente para toda
la clase. Una buena preparación de la almidón se consigue cocinando
100 g de pasta, la noche anterior a la sesión de laboratorio. El agua de
la cocción se deja reposar y se refrigera durante la noche. También se
recomienda el empleo de hojuelas de papa deshidratadas a las que se
les agregan pequeñas cantidades de agua para prepara la disolución de
almidón. De igual forma, se puede emplear una disolución diluida del
almidón en spray que se emplea para planchar.
3. La disolución cualitativa del reactivo de Benedict, se prepara disolviendo
17.3 g de citrato de sodio dihidratado (Na3C6H5O7• 2H2O) y 20 g de
bicarbonato de sodio decahidratado (Na2CO3•10 H2O) en 80 mL de agua
destilada. Se calienta suavemente para disolver los sólidos. En otro
recipiente se disuelven 1.73 g de sulfato de cobre (II) pentahidratado
(CuSO4• 5H2O) en 10 mL de agua destilada. Lentamente y con agitación
constante, se adiciona la disolución de sulfato de cobre a la primera
disolución. Dejar enfriar y diluir a 100 mL con agua destilada.
4. La disolución de yodo/yoduro de potasio, puede ser preparada, o bien
emplear disolución de yodo lugol (KI3 al 2 %).
52
5. Revisar la sección de Materiales, Métodos y Procedimientos para
información adicional respecto a la preparación de baños calientes, uso
de viales, pipetas y técnicas de microescala.
Preguntas.
1. ¿Cómo cambió la concentración de almidón durante la reacción y
cómo lo notaste?
La concentración de almidón disminuyó en la medida en que
avanzaba la hidrólisis provocada por el ácido sulfúrico. El complejo
de color negro-azul oscuro desapareció gradualmente conforme
avanzaba la reacción.
2. ¿Qué le pasó al almidón que fue digerido? ¿Cómo lo sabes?
El almidón fue digerido gradualmente hasta glucosa. El complejo
color azul-negro fue desapareciendo gradualmente. La concentración
de glucosa fue incrementándose debido a la digestión del almidón.
Esto fue demostrado por el incremento gradual en la formación del
cobre metálico proveniente del ión cobre del reactivo de Benedict.
3. Menciona algunos ejemplos de polímeros hechos por el hombre.
¿Qué similitudes y diferencias tienen estos materiales con los
polisacáridos?
Los polímeros sintéticos o hechos por el hombre, son muy comunes
en nuestras vidas. Por ejemplo los plásticos son polímeros de base
orgánica elaborados por la simple repetición de unidades como el
etileno o el propileno. Telas sintéticas como el nylon, poliéster o
acrílicos son polímeros formados por unidades de ésteres y amidas
alternadas.
53
Formación de un alqueno
Propósito.
Explorar la formación del doble enlace carbono-carbono, por la deshidratación
de un alcohol secundario.
Antecedentes.
El doble enlace carbono-carbono puede ser obtenido por reacciones de
eliminación o de deshidrogenación. La formación de un alqueno por reacciones
de eliminación, involucra la pérdida de un protón y un grupo saliente rico en
electrones. En un paso intermedio se forma un carbocatión, el cual puede
conducir a un reacomodo del esqueleto de carbono. Dos grupos salientes
comunes son los alcoholes y los derivados halogenados. La ecuación general
de una reacción de eliminación es la siguiente:
Formación de un alqueno
Fig. 17
Las reacciones de eliminación involucran la eliminación de moléculas pequeñas,
pero la reacción puede proceder por dos mecanismos diferentes. La
deshidratación de alcoholes, especialmente alcoholes secundarios y terciarios,
ocurre por medio de un mecanismo de eliminación unimolecular E1. El primer
paso en este mecanismo es la protonación del alcohol. El segundo paso que
además determina la velocidad, es la pérdida de una molécula de agua.
Después de salir la molécula de agua, se forma un carbocatión. El paso final es
la desprotonación del carbocatión intermediario, para producir el alqueno. Los
alcoholes primarios siguen un mecanismo de reacción diferente llamado E2 o
de eliminación bimolecular. En este mecanismo, la molécula de agua no sale,
hasta que el compuesto es desprotonado y el doble enlace se empieza a
formar. El paso que determina la velocidad, requiere la interacción de una base
con el reactivo inicial.
54
Fig.18
En muchos procesos comerciales, los alquenos se forman a altas temperaturas,
en procesos de cracking o de deshidrogenación. . En las reacciones de
deshidrogenación, se remueven dos hidrógenos de un alcano, de carbonos
vecinales, utilizando un catalizador (principalmente platino o paladio), para
producir un alqueno y se libera hidrógeno gaseoso. Por ejemplo el ciclohexano
se deshidrogena fácilmente en presencia de catalizadores de Pt o Pd para
producir benceno y 3 moléculas de H2. Las reacciones de cracking son un tipo
de reacciones de deshidrogenación pero requieren temperaturas muy elevadas
(de 500 a 1000 °C) en las que se rompen muchos enlaces carbono-carbono y
carbono-hidrógeno. Como los enlaces se rompen, se forman carbocationes
después de la desprotonozación y se forman los alquenos. Tradicionalmente,
las refinerías usan altas temperaturas para romper largas cadenas de alcanos y
formar cadenas más pequeñas, en las que se incluyen muchos alquenos.
El etileno (eteno), es el alqueno comercial más importante. Anualmente, se
producen en el planeta, más de 35 millones de kg. Es utilizado para fabricar
polietileno y una gran variedad de productos intermedios en otros procesos
químicos. Los intermediarios químicos más importantes obtenidos a partir del
etileno son: etanol, etilenglicol para anticongelantes y poliéster, ácido acético,
alfa-olefinas para fabricar jabón y estireno para el poliestireno. El etileno puede
ser obtenido por deshidratación de alcohol, pero es producido casi
exclusivamente en refinerías con enorme facilidad, por el cracking del petróleo
crudo a altas temperaturas.
En este procedimiento de laboratorio, el ácido fosfórico se utiliza para
deshidratar ciclohexanol y producir ciclohexeno. El ácido fosfórico es un
excelente agente deshidratante y la reacción mayormente procede por un
mecanismo E1.
55
Fig. 19
Otros ácidos fuertes también deshidratan el ciclohexanol, pero
desafortunadamente promueven otras reacciones indeseables. El ácido
clorhídrico es preferentemente usado para reacciones de sustitución, en lugar
de las de eliminación, ya que el ión cloruro es un excelente nucleófilo. El ácido
nítrico es un agente oxidante demasiado fuerte. El ácido sulfúrico es un
excelente agente deshidratante y se usa frecuentemente en reacciones de
eliminación por deshidratación. Sin embargo, bajo las condiciones de reacción
usadas en Orgánica en Viales, el ácido sulfúrico conducirá a reacciones
adicionales como la polimerización del ciclohexeno obtenido. El ácido fosfórico
fue seleccionado porque es un buen agente deshidratante, un nucleófilo débil y
no cataliza reacciones posteriores del producto.
No se llevará a cabo ningún procedimiento para purificar el ciclohexeno
producido. La mezcla de productos contiene ciclohexeno, ciclohexanol y agua.
El ciclohexeno puede ser fácilmente separado y purificado por destilación, pero
esto requiere de una reacción a gran escala y un costoso equipo de destilación.
La presencia de un alqueno es verificada usando pruebas para detectar la
presencia del doble enlace carbono-carbono.
Existen dos pruebas cualitativas tradicionales, son las pruebas del bromo y del
reactivo de Baeyer. En la prueba de Baeyer, se detecta la presencia de un
doble enlace, agregando una disolución acidificada de permanganato de
potasio. El ión permanganato atacará el doble enlace carbono-carbono para
producir un anillo de cinco miembros, que se descompone en un 1,2-diol y
dióxido de manganeso. Como el ión permanganato se consume en la reacción
y desaparece su distintivo color morado.
Fig.20
56
En la prueba del bromo, la molécula de bromo se adiciona al doble enlace y
forma un ión bromonio. Como el bromo es consumido en la reacción, también
desaparece su distintivo color café. En cualquier caso, el color característico
del agente empleado en la prueba de identificación del doble enlace, cambia
debido a la presencia del doble enlace.
Fig. 21
Reacción y Propiedades Físicas
Fig.22
Ciclohexanol
Ácido fosfórico
Ciclohexeno
2 mL
1.5 mL
--------
110.16
98.0
82.15
--------
14.8
--------
19
22
--------
0.96
1.70
0.81
25.1
--------
- 103.5
161
--------
83
Cantidad
Peso molecular
Molaridad
Mmol
densidad (g/mL)
Punto de fusión
(°C)
Punto de ebullición
(°C)
Medidas de seguridad y riesgos químicos.
El ciclohexanol es un combustible líquido, moderadamente tóxico por
inhalación y una absorción por piel de LD50 2060 mg/kg. El ácido fosfórico es
57
corrosivo, irritante de la piel y ojos, tóxico por ingestión e inhalación, y quema
tejidos. El agua de bromo es tóxica por inhalación e ingestión y es un irritante
de la piel. Siempre colocar el calentador de inmersión dentro del agua, antes de
conectarlo. Siempre utilizar gogles, guantes resistentes a productos químicos y
una bata de laboratorio resistente.
Materiales
- 4 viales de reacción
pequeño
- baño de agua caliente
- baño de agua fría
- 2 pipetas beral
- pipetas pasteur
Reactivos
tamaño - ciclohexanol
- ácido forfórico H3PO4 14.8 M
- carbonato de sodio Na2CO3 al 10 %
- agua de bromo
- permanganato de potasio KMnO4 al
1%
- pinzas para tubo
- probeta graduada pequeña
- tubo de prueba
Procedimiento Experimental.
1. Agregar 300 mL de agua desionizada en un vaso de 400 mL. Colocar el
calentador de inmersión en el interior del vaso con agua, conectar y
esperar a que empiece la ebullición. No conectar el calentador de
inmersión hasta después de que se haya introducido en el vaso con
agua.
2. Usando una pipeta Pasteur, colocar 2 mL (2 g) de ciclohexanol en un
vial de reacción de tamaño pequeño. El ciclohexanol es muy viscoso.
Agregar 1.5 mL de ácido fosfórico concentrado (14.8 M) al vial de
reacción. Usar una pequeña probeta graduada o una pipeta serológica.
3. Cerrar el vial con la tapa de teflón Asegurarse de que la tapa esté bien
cerrada. Agitar la mezcla de reacción. Ambas soluciones son viscosas y
necesitan ser bien agitadas antes de calentarlas.
4. Empleando pinzas, colocar el vial sellado dentro del vaso que contiene
agua en ebullición y el calentador eléctrico.
5. Después de 20 minutos, usar pinzas para retirar el vial del baño de agua
en ebullición y colocarlo sobre la mesa durante un minuto para alcanzar
temperatura ambiente.
6. Llenar el tubo de prueba con 8 a 10 mL de disolución de carbonato de
sodio al 10 %.
7. Colocar el vial de reacción en un baño de agua fría durante 2 o 3
minutos para enfriarse.
Separación del producto.
8. Abrir cuidadosamente el vial de reacción. Usar guantes resistentes a
reactivos químicos, porque el vial puede estar presionado y podría
salpicar.
58
9. Lentamente vaciar la mezcla de reacción, dentro del tubo de ensayo que
contiene la disolución de carbonato de sodio. El exceso de ácido
fosfórico se neutraliza y la mezcla empezará a burbujear debido a la
generación de dióxido de carbono. Agitar suavemente la mezcla unas
cuantas veces hasta que termina el burbujeo.
10. Usando una pipeta Pasteur, transferir la fase superior del tubo de
ensayo hacia un vial de reacción limpio. La fase orgánica es un líquido
turbio, viscoso e incoloro. Lavar con agua la fase orgánica, en dos
ocasiones. Tratar de remover cuanta agua sea posible, en cada ocasión.
Análisis
11. El ciclohexeno es un líquido claro e incoloro con un suave pero
penetrante olor y punto de ebullición de 83 °C. La mezcla contiene algo
de ciclohexanol que no reaccionó, agua y ciclohexeno. Esto no impide
que se pueda secar el producto.
12. Colocar de 4 a 5 gotas de la mezcla de ciclohexeno en un vial de
reacción pequeño. Llevar a cabo la prueba del bromo, agregando unas
cuantas gotas de agua de bromo al vial de reacción. Sellar el vial con la
tapa de teflón y mezclar la disolución agitando el vial. Si el color café del
agua de bromo desaparece, significa que la mezcla contiene un alqueno.
Adicionar unas gotas más de agua de bromo y repetir el procedimiento.
La mayor cantidad de gotas de agua de bromo que se requieren para
producir una disolución incolora, implica una mayor cantidad de
ciclohexeno en la muestra.
13. Colocar de 4 a 5 gotas de la mezcla de ciclohexeno en un vial de
reacción limpio. Llevar a cabo la prueba de Baeyer agregando una gota
de disolución de ácido sulfúrico, seguido de la adición gota a gota, de
disolución de permanganato de potasio al 1 %. Sellar bien el vial con la
tapa de teflón y mezclar la solución agitando el vial suavemente. La
desaparición del color púrpura del permanganato de potasio de la
mezcla de reacción, confirma la presencia de un alqueno.
Manejo de desechos.
Todas las disoluciones acuosas pueden ser desechadas en el drenaje con
exceso de agua corriente, de acuerdo con el Método No. 26b de la Sugerencias
de Manejo de Desechos de Flinn. El ciclohexeno obtenido y las disoluciones de
las pruebas de Baeyer deben ser entregadas al profesor para su adecuado
desecho.
Notas para el profesor.
La deshidratación de un alcohol para formar un alqueno, es uno de los
procedimientos introductorios de laboratorio más comunes en química orgánica.
Sin embargo, para producir una buena cantidad de producto puro, el alqueno
resultante es generalmente destilado de la mezcla que contiene el alcohol y el
ácido. Esto incrementa el rendimiento de varias maneras. En primer lugar,
59
muchas reacciones de eliminación son reacciones en equilibrio y retirando el
producto formado de la mezcla de reacción, el equilibrio se desplaza hacia los
productos. Al retirar el alqueno producido de la mezcla de reacción, también se
previene que puedan ocurrir otras reacciones posteriores. Finalmente, el
alqueno por lo general, tiene un punto de fusión menor que el alcohol. Por ello
la destilación conduce hacia un producto que es relativamente puro y seco,
eliminando con ello, la mayoría de los pasos de lavado y purificación.
En los procedimientos de laboratorio de Orgánica en Viales, se han realizado
varios cambios respecto al procedimiento tradicional de deshidratación, para
producir ciclohexeno relativamente puro, sin un gran desorden y ahorro en el
tiempo que se consume en el paso de destilación. El ácido fosfórico fuciona
mejor que el tradicional ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico trabaja bien, pero
cataliza reacciones adicionales, produciendo un producto de color oscuro que
dificulta ver el resultado colorido de las pruebas analíticas de alquenos.
Se obtiene un buen rendimiento de ciclohexeno, pero está contaminado con
ciclohexanol y agua. Secar la disolución o tratar de remover el ciclohexanol,
acarrea una significativa pérdida del producto. Afortunadamente, el agua y el
ciclohexanol, no interfieren con las pruebas analíticas. Lo valioso de este
procedimiento de laboratorio, no es la producción de una gran cantidad de
producto puro, sino la introducción de pruebas cualitativas para determinar la
presencia de un grupo funcional en particular.
Esta actividad de laboratorio puede completarse en un periodo de laboratorio
de 50 minutos. Si las disoluciones para la prueba de yodo y del reactivo de
Baeyer se preparan con anterioridad, la parte del análisis también puede ser
completada en el mismo periodo.
Los estudiantes deben saber que la prueba del bromo y la prueba de Baeyer,
proporcionan el significado químico para confirmar la presencia de alquenos.
Recomendaciones de laboratorio.
1. Si no se dispone de agua de bromo, ésta puede producirse agregando
50 mL de blanqueador casero, 5 % de hipoclorito de sodio, en una
botella de vidrio. Agregar 3 g de bromuro de sodio y agitar hasta disolver
completamente. Agregar lentamente 1 mL de ácido nítrico concentrado
(o 4 mL 3M). La solución resultante contiene aproximadamente de 3 a
5 % de bromo (ac). Preparar el agua de bromo en una campana
extractora de gases.
2. Asegurarse de que los estudiantes manipulen cuidadosamente el agua
de bromo. El bromo es tóxico por inhalación e ingestión. El
permanganato de potasio mancha la piel y la ropa. Los alumnos deben
usar todo el tiempo, guantes resistentes a los productos químicos y bata.
3. Las mezclas de ciclohexeno de la reacción y de las pruebas, pueden ser
eliminadas por evaporación en una campana de extracción de acuerdo
al método 18ª, del Flinn Chemical Catalog/Referente Manual. La mezcla
producida no puede ser evaporada por secado. Cualquier líquido
60
remanente, probablemente consiste de agua y una pequeña cantidad de
ciclohexanol y puede ser arrojada al drenaje con exceso de agua.
4. Revisar la sección de Materiales, Métodos y Procedimientos, para
información adicional sobre la preparación de baños de agua caliente,
uso de viales, pipetas y técnicas de microescala.
Preguntas.
1. ¿Cuál es la estructura de los dobles enlaces en los compuestos
orgánicos?
Los dobles enlaces son sitios ricos en electrones a lo largo de una
cadena carbono-carbono. Los reactivos electrofílicos, son atraídos por
esta área rica en electrones y los alquenos son un buen punto de inicio
para adicionar grupos funcionales a la cadena carbonada.
2. ¿Qué propiedades físicas asociarías con las moléculas insaturadas?
Un compuesto insaturado debe tener presentes dobles enlaces. Los
compuestos insaturados tienden a ser líquidos, mientras que sus
análogos saturados son generalmente sólidos. Los aceites son grasas
con ácidos grasos insaturados.
3. ¿Cuáles son los productos de deshidratación del 2-metil-2-butanol?
¿Cuál es el producto que se encuentra en mayor proporción y por qué?
La deshidratación del 2-metil-2-butanol produce un carbocatión muy
estable en un átomo de carbono terciario (un átomo de carbono unido a
tres radicales alquilo). Ocho protones adyacentes están disponibles para
la desprotonización, los seis protones de los dos grupos metilo y los dos
protones del grupo metileno. Los protones unidos al grupo – CH2 – son
más ácidos y se desprotonizarán más fácilmente. La reacción es la
siguiente.
Fig. 23
61
Formación de cloruro de terbutilo
Propósito
Explorar la reacción de sustitución nucleofílica al convertir alcohol terbutílico a
cloruro de terbutilo.
Antecedentes
Los grupos funcionales heteroatómicos como halógenos, alcoholes y aminas,
juegan un papel importante en los compuestos orgánicos y en las síntesis
orgánicas. En los compuestos orgánicos, los heteroátomos son con mayor
frecuencia, el sitio activo de la molécula y le proporciona sus características
propias. En síntesis orgánicas, los grupos funcionales representan dos retos. El
primero es cómo colocar el grupo funcional en la posición deseada de la
cadena hidrocarbonada. El segundo reto es cómo conseguir el adecuado grupo
funcional en la configuración o estereoisómería correcta. Sin embargo, una vez
colocado correctamente, los grupos funcionales heteroatómicos pueden ser
sustituidos por otros grupos funcionales heteroatómicos o por nuevos enlaces
carbono-carbono. Por ello, el reemplazo y sustitución de grupos funcionales, es
una parte importante de las síntesis orgánicas.
En este experimento, el grupo hidroxilo del alcohol terbutílico, es reemplazado
por un átomo de cloro vía una reacción de sustitución nucleofílica. En una
reacción de sustitución nucleofílica, un nucleófilo (especies ávidas de cargas
positivas), ataca a un átomo de carbono cargado positivamente y desplaza a
otro nucleófilo. Hay dos tipos de reacciones de sustitución nucleofílica: SN1 y
SN2. Las reacciones de sustitución nucleofílica unimolecular (SN1), tienen un
mecanismo de dos pasos, donde en el primer paso se forma un carbocatión y
en el segundo paso el nucleófilo ataca. Las reacciones de sustitución
nucleofílica bimolecular (SN2), involucran al llamada paso de “concertación”, en
el cual el nucleófilo ataca al átomo de carbono de la molécula, del lado
contrario al grupo saliente.
Fig. 24
62
Estos dos mecanismos de reacción parecen similares, pero realmente ocurren
a diferente velocidad y producen diferentes configuraciones en el producto final.
El mecanismo que toma una reacción en particular, depende de muchos
factores incluyendo la naturaleza de las sustancias iniciales, el nucleófilo, el
grupo saliente y el disolvente.
En este experimento, la reacción se desarrolla por el mecanismo de reacción
vía SN1. En el primer paso el grupo hidroxilo es protonado por el ácido, sale
como una molécula de agua neutra y forma un ión carbocatión. El carbocatión
que se forma, tiene una configuración plana del tipo sp2 . El ión cloruro
nucleofílico puede atacar la carga positiva del otro lado de la molécula y formar
un nuevo enlace químico. El producto tiene ahora un átomo de cloro donde
estaba el grupo hidróxido.
Fig.25
Reacción y Propiedades físicas.
Fig.26
Alcohol
terbutílico
Ácido
clorhídrico
Cloruro de
terbutilo
agua
Cantidad
Peso
molecular
2.0 mL
2.0 mL
-----
-----
74.12
36.48
92.57
18.01
Molaridad
-----
12.1
-----
-----
mmol
densidad
(g/mL)
21.3
24.2
-----
-----
0.7887
1.19
0.842
1.00
63
Punto de
fusión (°C)
Punto de
ebullición (°C)
25.5
-----
-25.4
0
82
-----
52
100
Medidas de seguridad y riesgos químicos.
El alcohol terbutílico tiene un riesgo moderado de incendiarse, es tóxico si se
inhala prolongadamente, es irritante para los ojos y se absorbe por la piel. El
ácido clorhídrico es fuertemente corrosivo para piel y ojos, altamente tóxico por
inhalación. Siempre colocar el calentador de inmersión dentro del agua, antes
de conectarlo. Utilizar gogles, guantes resistentes a reactivos químicos y bata
de laboratorio.
Materiales
Reactivos
• Tres viales pequeños
• Alcohol terbutílico
• Baño de agua caliente
• Ácido clorhídrico concentrado
• Baño de agua fría
• Sulfato de magnesio anhidro
• Pipeta beral
• Agua helada
• Tres pipetas pasteur
• Tubo de ensayo de 15 x 150
mm con tapa
• Pinzas para tubo
• Probeta graduada pequeña
Parte experimental
Procedimiento. Obtención.
1. En un vaso de 400 mL, agregar aproximadamente 300 mL de agua
desionizada. Colocar el calentador de inmersión dentro del agua,
conectarlo y permitir que el agua empiece a hervir. No conectar el
calentador de inmersión, hasta después de haberlo introducido dentro
del agua.
2. Colocar en un vial de reacción pequeño, 2.0 mL (1.6 g) de alcohol
terbutílico y 2.0 mL de ácido clorhídrico concentrado. Si se van a realizar
cálculos de rendimiento, pesar ambos reactivos en la medida en que van
siendo adicionados al vial. Si el alcohol terbutílico se encuentra en
estado sólido, fundirlo colocando el envase en un vaso que contenga
agua caliente.
3. Cerrar el vial con la tapa de teflón. Asegurarse de que la tapa esté bien
cerrada. Como el producto es un líquido con un punto de ebullición muy
bajo, la tapa debe estar fuertemente cerrada, tanto como sea posible.
Agitar la mezcla de reacción.
4. Con pinzas, colocar le vial cerrado dentro del vaso que contiene agua
hirviendo y el calentador de inmersión.
64
5. Después de dos o tres minutos, usar pinzas para retirar el vial del agua
hirviendo. Usar guantes resistentes a reactivos químicos o guantes
protectores del calor, para evitar quemaduras en las manos al momento
de intentar apretar la tapa. Regresar el vial al baño de agua. Si empieza
a fluir una columna de pequeñas burbujas, retirar el vial del agua
caliente, permitir que se enfríe y apretar la tapa.
6. Después de 20 minutos, retirar el vial del baño de agua hirviendo y
colocarlo en la mesa por uno o dos minutos para que se enfríe.
Separación del producto
7. Colocar el vial dentro de un vaso que contenga agua de hielo, durante
unos tres minutos.
8. En el tubo de ensayo, colocar de 5 a 10 mL de agua helada.
9. Observar el contenido del vial de reacción. Debe haber dos capas, una
inferior que es la fase acuosa con el ácido clorhídrico que no ha
reaccionado, y la fase orgánica, que es la capa superior que contiene
cloruro de terbutilo. Usando una pipeta pasteur, retirar cuidadosamente
la fase superior del vial de reacción. Lentamente adicionar esta fase, al
tubo de ensayo que contiene agua helada. Si la adición se realiza
demasiado rápido, algo del producto puede salpicar.
10. Tapar el tubo firmemente con un tapón de corcho e invertirlo
cuidadosamente una o dos veces, para mezclar el contenido. (¡no
agitar!). Liberar la presión interna retirando cuidadosamente el tapón de
corcho. Colocarlo nuevamente en posición vertical.
11. Utilizando una pipeta Pasteur, retirar la capa superior de cloruro de
terbutilo del tubo de ensayo.y colocarlo en un vial de reacción limpio.
12. Agregar una pequeña cantidad de sulfato de magnesio anhidro, para
secar el cloruro de terbutilo. Agregar la cantidad suficiente para cubrir el
fondo del vial. Hacer girar el vial suavemente, el producto está seco
cuando el cloruro de terbutilo está claro y el sulfato de magnesio fluye
libremente.
13. Transferir el cloruro de terbutilo limpio a otro vial. Si se va a calcular el
porciento de rendimiento, tarar el vial antes de adicionar el producto.
Análisis
El cloruro de terbutilo es un líquido claro con un olor penetrante. El punto de
ebullición está entre 51 y 52 °C. Es insoluble en agua, pero soluble en éter de
petróleo.
Manejo de desechos
La fase acuosa remanente en el vial de reacción, contiene algo de ácido
clorhídrico y alcohol terbutílico y deberá ser entregada al profesor. Todas las
demás disoluciones acuosas, pueden desechadas en el drenaje dejando correr
65
el agua durante varios minutos. El cloruro de terbutilo también debe ser
entregado al profesor, para su análisis posterior.
Notas para el profesor
Esta actividad de laboratorio es una buena introducción a las reacciones de
sustitución y una demostración de qué tan fácil es intercambiar grupos
funcionales. También se demuestra el uso de la solubilidad para separar
productos de los reactivos iniciales. Si se cuenta con un embudo de separación,
puede ser útil una demostración macroscópica. Este procedimiento de
laboratorio puede ser completado en una sesión de 50 minutos. La
determinación del punto de ebullición, puede llevarse a cabo en la siguiente
sesión de laboratorio. El rendimiento del producto impuro cloruro de terbutilo,
se ubica en un rango del 45-50 %.
Las reacciones de sustitución SN1 y SN2, son dos herramientas básicas en las
síntesis orgánicas y sus mecanismos y velocidades de reacción han sido
estudiadas ampliamente. Parecen ser reacciones muy similares, pero después
de una revisión más profunda, son claramente diferentes. Este experimento es
una buena introducción a esas diferencias. Esto también es un buen punto de
inicio para discutir velocidades de reacción y estereoismería. Las velocidades
de reacción del tipo SN1 y SN2, pueden ser muy diferentes y dependen de la
concentración de los reactivos. También es muy importante el mantener los
centros quiriales durante una síntesis orgánica, y este experimento es una
buena oportunidad para discutir cómo algunas reacciones como la SN2,
mantienen la pureza de los isómeros, mientras que otras como la SN1 producen
una mezcla racémica.
Recomendaciones de laboratorio
1. Tener cuidado cuando se distribuya el ácido clorhídrico concentrado. Los
vapores del líquido pueden impulsar el ácido fuera de la pipeta.
2. El cloruro de terbutilo es extremadamente volátil y tiene una tendencia a
escapar del vial de reacción, por lo que la tapa debe ser ajustada
firmemente. Se obtienen mejores resultados si el vial se retira
cuidadosamente del baño de agua hirviendo después de dos o tres
minutos y nuevamente volver a cerrar la tapa con fuerza.
3. Para incrementar el rendimiento de la reacción y prevenir que se
evapore el cloruro de terbutilo, se recomienda enfriar la mezcla de
reacción en un baño de agua helada y después agregar la fase orgánica
(la superior) al tubo que contiene también agua helada. Si se adiciona la
fase acuosa del vial de reacción al agua, el exceso de ácido clorhídrico
proporciona suficiente calor de disolución, que evapora parte del cloruro
de terbutilo.
4. Cuando se retira una fase orgánica de la parte superior de una fase
acuosa, es mejor usar una pipeta Pasteur para tener mayor precisión.
Para obtener mejores resultados, retirar cuidadosamente en el primer
intento, tanta fase orgánica como sea posible. En el segundo intento,
66
retirar el líquido que se encuentra cerca de la interfase acuosa/orgánica.
Un poco de la fase acuosa puede ser atrapada por la pipeta, pero como
es más densa, se descarga fácilmente y ser regresada a la mezcla.
5. La separación del producto obtenido, de los reactivos es fácil, ya que
cualquier remanente de ácido clorhídrico y de alcohol terbutílico, se
disolverán en agua y el cloruro de terbutilo no. El cloruro de terbutilo es
más claro e insoluble en agua, por lo que flotará en la parte alta del tubo.
6. Recuperar todas las muestras de cloruro de terbutilo y desecharlas por
evaporación en una campana de extracción de acuerdo al Método 287j,
del Flinn Suggested Disposal Method. También hay que permitir que se
evaporen todas las disoluciones acuosas dentro de una campana de
extracción durante toda la noche. La fase acuosa aún contiene algo de
alcohol terbutílico.
7. Revisar las secciones de Materiales y Métodos y Procedimientos, para
información adicional acerca de la preparación de baños de agua
caliente, uso de viales, pipetas y técnicas de microescala. Revisar la
actividad de laboratorio de Punto de Ebullición para el procedimiento y
recomendaciones.
Preguntas
1. ¿Cuál es el papel del disolvente en la velocidad de reacción tipo SN1 y
SN2?
El disolvente es un factor importante en la velocidad de las reacciones
orgánicas del tipo SN1 y SN2, El disolvente tenderá a estabilizar o
desestabilizar la formación de un carbocatión. Las reacciones que
requieren la formación de un carbocatión, procederán más rápidamente.
Las reacciones en las que se forma un intermediario, no.
2. ¿Cuáles de los siguientes compuestos orgánicos siguen mecanismo de
reacción SN1 o SN2?
Fig. 27
67
Reacción de condensación aldólica mixta
Propósito
Investigar la reacción de condensación aldólica, como un método para formar
nuevos enlaces carbono-carbono.
Antecedentes
La mayoría de los compuestos orgánicos que se encuentran en la naturaleza,
provienen de materiales simples como CO2 y H2O o bloques de construcción
como los azúcares o los aminoácidos. La formación de moléculas más
complejas, requiere la formación de nuevos enlaces carbono-carbono. Cuando
estos mismos compuestos se sintetizan en el laboratorio, se emplean
diferentes sustancias iniciales, pero el crear nuevos enlaces carbono-carbono,
es todavía un componente importante de las síntesis orgánicas. La
condensación aldólica es uno de los métodos de síntesis más útiles, para la
generación de nuevos enlaces carbono-carbono.
Una reacción de condensación ocurre cuando se unen dos moléculas y se
produce una molécula de agua. La condensación aldólica se inicia con dos
moléculas que tienen grupos carbonilo (> C = O), dando lugar a la formación de
un doble enlace carbono-carbono y la pérdida de una molécula de agua. El
mecanismo general y la ecuación se muestran a continuación.
Fig. 28
En este procedimiento de laboratorio, la acetona sufre una doble condenación
aldólica con dos moléculas del benzaldehído para formar dibenzalcetona. La
reacción es catalizada con hidróxido de sodio. El primer paso en esta
condensación aldólica es la formación del ión enolato acetona, por la remoción
del protón más ácido del metilo α hacia el grupo carbonilo en la acetona. (La
posición α es la que se encuentra cercana al grupo carbonilo). Este protón es
ácido porque los aldehídos y cetonas existen en disolución en un equilibrio
formado por la mezcla de dos formas isoméricas, la forma ceto y la forma enol.
68
(ver figura). Incluso si el porcentaje de la forma enol en el equilibrio es pequeña,
da lugar a una naturaleza ácida en el protón. Bajo condiciones alcalinas, un
hidrógeno, el cual es α respecto a un grupo carbonilo, puede ser removido por
una base fuerte.
Fig. 29
El segundo paso en esta condensación alcohólica, es la adición nucleofílica del
ión enolato acetona, al benzaldehído. (ver figura). Este paso genera el nuevo
enlace carbono-carbono. La fuerza direccional para este paso es que el ión
enolato es un buen agente nucleofílico (solicitante de área positiva) y ataca el
átomo de carbono de un grupo carbonilo, el cual tiene una carga parcial
positiva debido a la polarización del enlace. El enlace carbono-oxígeno es
polarizado en la dirección del oxígeno C+–O-, porque el oxígeno es más
electronegativo que el carbono y atrae con mayor fuerza a los electrones del
enlace.
Fig. 30
El siguiente paso en la reacción del aldol es el paso de condensación en dos
partes, en donde se genera un doble enlace carbono-carbono y se produce una
molécula de agua. (figura siguiente). El anión del paso previo es protonado
para producir un β-hidroxicarbonilo, (la posición β se encuentra a dos carbones
del grupo carbonilo). Bajo condiciones básicas, el grupo hidroxilo es un buen
grupo saliente, debido a la acidez del protón cerca del grupo hidroxilo, y la
estabilidad resultante de la cetona α, β – insaturada.
Fig. 31
69
El otro lado de la molécula de acetona, contiene un grupo metilo enolizable y
también da lugar a una reacción de condensación aldólica con otra molécula de
benzaldehído, para formar el producto final dibenzalacetona.
Fig.32
Un problema de la reacción del aldol, es que todos los grupos carbonilo que
contienen un hidrógeno α, conducirán a reacciones de condensación con
cualquier otro grupo carbonilo o con sí mismo. Por ejemplo, si dos diferentes
compuestos carbonilo, (por ejemplo A y B), son usados en una reacción de
condensación aldólica, se pueden formar cuatro diferentes productos, si es que
los dos compuestos iniciales pueden formar enolatos. (AA, AB, BA, BB). Para
que resulte útil la reacción aldólica entre dos diferentes compuestos con grupos
carbonilos, uno de los compuestos carbonilo iniciales, no debe de tener átomos
de hidrógeno en posición α y por lo tanto no podrá formar el enolato inicial. En
estos casos sólo se forman dos productos posibles, la mezcla de condensación
deseada (AB) y el producto de autocondensación (AA).
En este procedimiento de laboratorio, no hay hidrógenos α en la molécula de
benzaldehído, por lo tanto solamente la acetona forma un enolato. El resultado
es que el ión enolato acetona, atacará el grupo carbonilo disponible. Sin
embargo, con dos moléculas que contienen grupos carbonilos disponibles,
benzaldehído y acetona, se debe tener cuidado para fomentar que el enolato
acetona ataque al carbonilo del benzaldehído. Esto se consigue de dos
maneras. Primero se puede emplear un exceso de hidróxido de sodio para
convertir rápidamente la mayoría de la acetona en el enolato el cual ya no atrae
nucleófilos. En segundo lugar, se emplea un ligero exceso de benzaldehído,
para asegurarse de que la cantidad de benzaldehído esté siempre en exceso
respecto a la cantidad de acetona disponible.
Hasta el paso final donde se produce el doble enlace, todos los pasos de la
reacción aldólica están en equilibrio y la reacción entera es reversible. La
70
fuerza que dirige la reacción, es la estabilidad del producto final, la cetona α, βinsaturada.
Después de que un ión enolato acetona ataca el grupo carbonilo del
benzaldehído, el hidróxido de sodio cataliza la eliminación de un grupo
hidróxido y la formación del doble enlace carbono-carbono. Este proceso
completo se repite cuando otra molécula de hidróxido de sodio ataca otro
hidrógeno α del otro lado del carbonilo de la acetona. Nuevamente el ión
resultante puede atacar otra molécula de benzaldehído, para formar el producto
final, dibenzalacetona.
Reacción y Propiedades Físicas
Fig. 33
acetona
benzaldehído
NaOH
dibenzalacetona
Cantidad
Peso
molecular
0.5 g
2.0 g
0.75 mL
-----
58.08
106.13
40.0
234.30
Molaridad
-----
-----
-----
-----
mmol
Densidad
(g/mL)
Punto de
fusión (°C)
Punto de
ebullición (°C)
8.6
18.9
2.86
-----
0.79
1.045
-----
-----
-95
-26
-----
113
56.2
178
-----
-----
Material
•
•
•
•
•
•
2 viales de reacción
baño de agua caliente
baño de agua fría
3 pipetas pasteur
pipeta beral o micropipeta
pinzas para tubo
Reactivos
•
•
•
•
•
acetona
benzaldehído
disolución de
sodio en etanol
etanol
hielo
hidróxido
de
71
•
•
•
•
•
tubo de ensayo con tapón
(15 x 150 mm)
vidrio de reloj
papel filtro (opcional)
vial de reacción grande
probeta graduada pequeña
Medidas de seguridad y riesgos químicos
La acetona es flamable y con riesgo de incendio, tóxica por ingestión e
inhalación. El benzaldehído es flamable y tóxico por inhalación, ingestión o
absorción por la piel. El hidróxido de sodio es un sólido corrosivo, que puede
causar quemaduras de piel, desprende mucho calor cuando es adicionado al
agua o al alcohol, muy peligroso para los ojos. Utilizar protección para la piel y
los ojos cuando se utilicen estas sustancias. Siempre colocar el calentador de
inmersión primero en el agua, antes de conectarlo. Utilizar gogles, guantes
resistentes a reactivos químicos y bata de laboratorio.
Parte experimental
Procedimiento. Obtención
1. Adicionar aproximadamente 300 mL de agua de la llave a un vaso de
400 mL. Colocar el calentador de inmersión en el agua, conectarlo y
permitir que el agua empiece a bullir. No conectar el calentador de
inmersión, hasta que se encuentre dentro del agua.
2. Colocar 2.0 g (2 mL) de benzaldehído y 0.5 g (0.6 mL) de acetona en un
vial de reacción pequeño. Si se va a calcular el rendimiento de la
reacción, pesar ambos reactivos mientras están siendo adicionados al
vial. Utilizar pipetas Pasteur, no utilizar pipetas de plástico para adicionar
los reactivos orgánicos al vial.
3. Agregar al vial de reacción, 0.75 mL de disolución de hidróxido de sodio
en etanol.
4. Cerrar el vial con la tapa de teflón. Asegurarse de que esté cerrado
firmemente. Agitar la mezcla de reacción.
5. Empleando unas pinzas, colocar el vial cerrado en el vaso que contiene
agua hirviendo y el calentador de inmersión. Si en algún momento
durante la reacción, se observa que sale por la tapa del vial una ligera
columna de burbujas, retirar el vial del baño de agua, permitir que se
enfríe y apretar nuevamente la tapa.
6. Después de 10 minutos, usar pinzas para retirar el vial de reacción del
baño de agua. Invertir el vial de reacción varias veces para mezclarlo.
Apretar la tapa y regresar el vial al baño de agua hirviendo, por otros 10
minutos.
7. Después de los 10 minutos, usar pinzas para retirar el vial del baño de
agua caliente y colocarlo sobre la mesa. Permitir que se enfríe por unos
minutos.
72
8. Colocar el vial dentro del baño de agua fría durante tres minutos. Retirar
el vial del agua fría y abrir la tapa con mucho cuidado.
9. En un tubo de ensayo, colocar 10 mL de agua de hielo.
10. Vaciar el contenido del vial, dentro del tubo que contiene agua fría. Si el
producto del vial ya solidificó, retirarlo con una espátula pequeña y
colocarlo en el agua fría.
11. Enjuagar el vial de reacción con agua, para remover todo el producto.
Separación del producto
12. El tubo de ensayo contiene agua fría y el producto obtenido. Taparlo y
agitarlo vigorosamente. Se formará un precipitado amarillo. Si el sólido
amarillo no se forma, colocar el tubo de ensayo en un baño de agua fría
por varios minutos hasta que se forme el sólido.
13. Permitir que el precipitado se asiente. Decantar el líquido sobrenadante
usando una micropipeta y lavar el sólido amarillo con otros 10 mL de
agua fría.
14. Permitir que el producto se asiente. Decantar el líquido una vez más y
colocar el producto sobre un vidrio de reloj o sobre varios pedazos de
papel filtro doblado.
15. Permitir que el producto se seque. El secado puede apresurarse
colocando el producto bajo una lámpara incandescente.
Purificación y análisis
16. El producto amarillo es dibenzalacetona. Pesar el producto impuro.
Calcular el rendimiento bruto.
17. La dibenzalacetona impura puede ser purificada por recristalización de
etanol al 95 %. Para cristalizar la dibenzalacetona, usar de 3 a 4 mL de
etanol al 95 % por cada gramo de producto obtenido. Colocar el
producto impuro y el etanol en un vial de reacción grande. Cerrar con
tapa de teflón y colocarlo en un baño de agua caliente por unos cuantos
minutos. Retirar del baño de agua caliente y agitar la mezcla hasta que
la dibenzalacetona esté completamente disuelta en el etanol caliente.
Permitir que el vial se enfríe por unos cuantos minutos sobre la mesa, y
pasarlo al baño de agua fría. Se formarán unos cristales de color
amarillo brillante. El producto se separa por filtración o por decantación
del etanol y colocar los cristales en un pedazo de papel filtro para
secarlos.
18. Pesar la dibelzalacetona recristalizada, calcular el porciento de
rendimiento.
19. Determinar el punto de fusión del producto obtenido y compararlo con el
dato reportado en la literatura.
20. El producto puede ser caracterizado posteriormente, agregándole a la
cetona 2,4-dinitrofenilhidracina, para formar la ozazona.La 2,4dinitrofenilhidracina es un derivado de la dibenzalacetona y funde a
180 °C.
73
Manejo de desechos
Todas las disoluciones acuosas deben ser regresadas al profesor. Pueden
contener algo de acetona o de benzaldehído y deberían colocarse bajo una
campana extractora durante toda la noche, hasta que todos los compuestos
orgánicos se evaporen.
Notas para el profesor
Este experimento de laboratorio es una de las condensaciones más fáciles y
siempre produce un sólido amarillo en grandes cantidades. El producto impuro
siempre es recristalizable fácilmente dando unos hermosos cristales de color
amarillo claro. Es una excelente actividad de laboratorio para desafiar a los
estudiantes a maximizar el rendimiento y revisar sus procedimientos de
laboratorio. El producto es separado fácilmente y puede ser pesado para
calcular el rendimiento obtenido. El punto de fusión también puede ser una
determinación que indique la pureza de la dibenzalacetona obtenida. Usando
los procedimientos de Orgánica en Viales, se obtiene un buen rendimiento del
90 % de la dibenzalacetona impura y aproximadamente un 60 % de
rendimiento del producto purificado, que funde a 113 °C con descomposición.
Esta actividad de laboratorio lleva aproximadamente 45 minutos para completar
los 16 primeros pasos. El producto impuro puede ser almacenado en un vial y
analizado durante la siguiente sesión de laboratorio.
La reacción de condensación aldólica es un buen ejemplo de cómo las
reacciones orgánicas son diferentes de las reacciones inorgánicas. La
condensación aldólica empieza como una simple reacción ácido-base, pero es
mucho más complicada que la reacción entre un ácido inorgánico y una base.
En una reacción inorgánica, el ácido y la base reaccionan para formar agua y
una sal. El química orgánica, hay muchos átomos de hidrógeno ácidos
diferentes presentes en ambos reactivos y productos, y cualquiera de ellos
puede estar involucrado en la reacción y esto dirige a varios productos
diferentes posibles. En síntesis orgánicas, hay que pensar bastante para
determinar, cuál hidrógeno o grupos funcionales pueden estar involucrados en
una reacción y realizar ajustes en las condiciones de reacción para favorecer el
producto deseado.
Recomendaciones de laboratorio
1. Asegurarse de utilizar cantidades estequiométricas
de acetona,
benzaldehído e hidróxido de sodio. En este experimento, la acetona es
el reactivo limitante. Si se emplea exceso de acetona, se obtendrá un
producto café aceitoso, proveniente de la autocondensación de la
acetona.
2. No utilizar acetona o benzaldehído viejos. Cuando la acetona se
almacena por largos periodos tiende a autocondensarse. El
benzaldehído se oxida lentamente a ácido benzóico. Usar reactivos
nuevos.
74
3. El benzaldehído es una sustancia de un agradable olor a almendras. Es
moderadamente tóxico por inhalación e ingestión. LD50 1300 mg/kg.
Limite la exposición de los alumnos a esta sustancia. Se recomienda
mantener el suministro de benzaldehído en una campana de extracción
que esté funcionando.
4. Hacer que los estudiantes coloquen el líquido decantado de los lavados,
que aún contiene benzaldehído sin reaccionar, en un vaso contenedor
localizado en el interior de la campana de extracción donde se encuentra
el suministro de benzaldehído.
5. Si el laboratorio no cuenta con campana de extracción, colocar el
suministro de benzaldehído cerca de un ventilador, para reducir el nivel
de vapores en el laboratorio.
6. Asegurarse de que el producto esté totalmente seco. El benzaldehído y
la acetona, tenderán a aferrarse al producto, haciendo que se sienta
elástico. Darle el tiempo adecuado para el completo secado.
7. La dibenzalacetona puede solidificar antes de ser retirada del vial de
reacción. Si el vial se agita vigorosamente, el producto solidificará en
forma de una masa aceitosa color amarillo. Retirar cuidadosamente el
producto del vial y colocarlo en agua fría utilizando una espátula
pequeña. Lavar hasta el fondo y recristalizar utilizando alcohol al 95 %.
8. La disolución de etanol en hidróxido de sodio, debe ser preparada con
anticipación. Prepararla y después distribuirla. Disolver 8 g de hidróxido
de sodio en 40 mL de agua destilada. Después de que se ha completado
la disolución y se ha enfriado, agregar 30 mL de etanol al 95 %.
9. La dibenzalacetona se descompone al llegar a su punto de fusión. No
volver a usar las muestras de la determinación del punto de fusión
10. Revisar la sección de Materiales, Métodos y Procedimientos, para
información adicional acerca de la preparación de baños de agua
caliente, uso de viales, técnicas de microescala y técnicas de
recristalización. Revisar cómo se realiza la determinación de punto de
fusión para el procedimiento y las recomendaciones.
Preguntas
1. ¿Quién es el reactivo limitante en esta reacción aldólica? ¿por qué?
El reactivo limitante es el reactivo que se presenta en menor cantidad
molar y determinará el rendimiento teórico del producto. En esta
reacción, la acetona es el reactivo limitante porque 8.6 mmols son
adicionadas a 19 mmols de benzaldehído. Recordar que en esta
reacción, por cada molécula de acetona consumida, están involucradas
dos moléculas de benzaldehído. Por ello, la acetona debe estar presente
en menor cantidad que la mitad de la cantidad molar de benzaldehído,
para poder ser el reactivo limitante.
La acetona es el reactivo limitante por dos razones. En primer lugar, la
acetona y el intermediario benzalacetona, pueden seguir una reacción
aldólica con un exceso de acetona y esto podría dirigir hacia la
formación de otros productos. En segundo lugar, si se encuentra
presente un exceso de acetona, más de la mitad del benzaldehído, sería
75
consumida en el primer paso y no habría suficiente cantidad disponible
para la reacción de condensación aldólica del segundo paso.
2. El benzaldehído viejo algunas veces está contaminado con ácido
benzóico. ¿qué efecto tendrá en esta actividad de laboratorio?
El hidróxido de sodio podría reaccionar con el ácido benzóico para
producir benzoato de sodio el cual ya no contiene un centro electrofílico.
El benzoato de sodio podría permanecer inactivo en esta reacción y
contaminar el producto final.
3. ¿Por qué la acetona, es tanto un buen como un pobre material inicial
para la condensación aldólica?
La acetona es un buen reactivo en la condensación aldólica porque es
una molécula simétrica y los dos hidrógenos α son idénticos. Otras
cetonas como la metil etil cetona, no son simétricas y podrían dar una
mezcla de productos.
La desventaja de usar acetona se debe a que después de la primera
condensación aldólica, tiene dos partes con hidrógenos α, entonces
podrá ocurrir otra condensación aldólica del otro lado de la molécula.
Afortunadamente, en este experimento se desea obtener el producto de
la doble condensación aldólica, pero en otras circunstancias solamente
se desea un nuevo enlace carbono-carbono.
76
Preparación de yodoformo
Propósito
Explorar una simple reacción de oxidación que convierte las metilcetonas y
algunos alcoholes secundarios en ácidos. Esta reacción, llamada reacción del
yodoformo es también una prueba química húmeda para estos compuestos.
Antecedentes
Uno de los principales retos para los químicos orgánicos es la caracterización y
determinación de la estructura química exacta de una molécula orgánica.
Actualmente están disponibles muchos métodos analíticos avanzados, para
identificar grupos funcionales orgánicos y determinar la estructura de los
compuestos orgánicos. Son tres los métodos más comunes y sus usos son los
siguientes:
• Espectrografía infrarroja. Identifica varios grupos funcionales por el
estiramiento y vibración de sus enlaces.
• Resonancia magnética nuclear. Indica los diferentes tipos de hidrógenos
o carbonos en una molécula, el número de cada tipo y su posición
relativa unos respecto a otros.
• Espectroscopia de masas. Determina la masa molecular de una
molécula y da claves de su estructura por la ruptura de la molécula y
análisis de sus partes.
Por la combinación de estas tres técnicas espectroscópicas, se puede
determinar la estructura de la mayoría de los compuestos orgánicos complejos.
Anteriormente a estos modernos métodos analíticos, la identificación y
caracterización de moléculas orgánicas fue determinada por métodos químicos
“húmedos”. Estos métodos químicos son una serie de pruebas de laboratorio
que indican la presencia o ausencia de grupos funcionales particulares como
un ácido orgánico o un alcohol. Estas pruebas son generalmente reacciones
simples realizadas en materiales de vidrio y que resultan fácilmente
identificables por un cambio de color o la formación de un precipitado. Muchas
de estas pruebas son usadas hoy en día para proporcionar una identificación
preliminar de un grupo funcional.
Una prueba de este tipo es la prueba del yodoformo, que da un resultado
positivo ante la presencia de metilcetonas. La prueba del yodoformo involucra
la hidrólisis y reordenamiento de metilcetonas, para formar un precipitado
amarillo de yodoformo. (CHI3).
Fig. 34
77
La prueba del yodoformo no es solamente una prueba útil de la química
húmeda, sino que también se produce yodoformo, un importante producto
comercial. El yodoformo es frecuentemente usado como antiséptico, para
desinfectar instrumental médico, mobiliario, mostradores, etc. El olor es
inconfundible y el yodoformo es frecuentemente responsable del olor
antiséptico de los consultorios médicos. Anteriormente, el yodoformo fue
también usado como antiséptico tópico. El sólido amarillo era disuelto en
alcohol para desinfectar heridas antes del advenimiento de las sulfas y otros
agentes tópicos.
La reacción del yodoformo se lleva a cabo en dos pasos. En el primer paso,
una base reacciona con acetona, una metilcetona, para formar un ión enolato el
cual es completamente halogenado en pasos sucesivos. Los hidrógenos del
grupo metilo que se encuentran al extremo de la molécula de acetona, son
sustituidos gradualmente por átomos de yodo en una serie de reacciones de
sustitución. El procedo de reemplazo de hidrógenos individuales continúa hasta
que el grupo metilo es halogenado completamente.
Fig.35
En un segundo paso, el ión hidróxilo ataca primero al carbono del grupo
carbonilo y entonces el ión de carbono triyodado es un buen grupo saliente. El
grupo metilo triyodo sustituido, también es un grupo saliente y es retirado de la
molécula de acetona por un ión hidróxilo para formar yodoformo y ácido acético.
Fig.36
En este experimento, el yodo no es agregado directamente a la reacción. El
yodo es generado in situ. Esto significa que la molécula de yodo es generada
78
en el recipiente de la reacción, en el momento en que se necesita. La
generación de yodo es acompañada por la oxidación del anión yoduro por un
agente oxidante. En esta reacción, el yoduro de potasio es oxidado con
blanqueador doméstico (disolución al 5 % de hipoclorito de sodio) de acuerdo a
la siguiente reacción:
Fig. 37
Reacción y Propiedades físicas
Fig. 38
Acetona
Yoduro de
potasio
NaOCl
Yodoformo
Ácido
acético
Cantidad
Peso
molecular
0.5 mL
0.8 g
3 mL
-----
-----
58.08
166.01
74.44
393.73
60.05
Molaridad
-----
-----
2
-----
-----
Mmol
densidad
(g/mL)
Punto de
fusión (°C)
Punto de
ebullición(°C)
6.80
4.8
6.0
-----
-----
0.79
3.13
-----
4.01
1.05
56.2
681
-----
120
16.6
- 95
1330
-----
218
118
Medidas de seguridad y riesgos químicos
La acetona es flamable y con alto riesgo a incendiarse, tóxica por ingestión e
inhalación. El blanqueador comercial (disolución de hipoclorito de sodio al 5 %)
es un líquido corrosivo, puede causar quemaduras en la piel, produce gas cloro
cuando es calentado o cuando reacciona con ácidos, tóxico por ingestión.
Siempre usar gogles, guantes resistentes a los reactivos químicos y bata de
laboratorio.
79
Materiales
Reactivos
• Vial de reacción pequeño
• Yoduro de potasio
• Baño de agua fría con hielo
• Disolución de hipoclorito de
triturado
sodio al 5 % (blanqueador)
• Probeta graduada pequeña
• Probeta graduada pequeña
• 2 pipetas beral
• acetona
• pipeta Pasteur
• agua destilada
• vidrio de reloj
• microespátula
Parte experimental
Procedimiento. Obtención.
1. Preparar un baño de hielo en un vaso pequeño.
2. Colocar 0.8 g de yoduro de potasio y 0.5 mL de agua destilada en un vial
de reacción pequeño. Agitar esta mezcla y disolver tanto yoduro de
potasio como sea posible, sin embargo no todo el yoduro de potasio se
disolverá.
3. Usar una pipeta Pasteur de vidrio para agregar 0.5 mL de acetona a la
disolución de yoduro de potasio. Agitar suavemente o girar la mezcla de
acetona-yoduro de potasio, para mezclar los reactivos.
4. Colocar el vial de reacción en el baño de hielo. Permitir que la disolución
se enfríe por 2 o 3 minutos.
5. Al vial de reacción, agregar 3.0 mL de blanqueador casero (disolución de
hipoclorito de sodio al 5 %) gota a gota, usando una pipeta beral.
Mantener el vial de reacción en el baño de hielo y adicionar el
blanqueador lentamente para permitir que se forme el yodo in situ y
prevenir a la disolución de un sobrecalentamiento. SI el blanqueador se
agrega demasiado rápido, la disolución se puede sobrecalentar.
6. Cuando todo el blanqueador ha sido adicionado, tapar el vial y agitar
aproximadamente por un minuto. Colocar la mezcla de regreso al baño
de hielo por otros 2 o 3 minutos.
Separación del producto
7. El producto amarillo aparecerá en el fondo de la mezcla. Puede ser que
no todo esté en el fondo, algo puede permanecer flotando en la
superficie de la disolución.
8. Lavar el producto con agua destilada fría (1 mL). Usar una pipeta beral
para remover el líquido del vial de reacción. Eliminar el líquido
sobrenadante por el drenaje.
9. Remover el sólido amarillo del vial con una microespátula y colocarlo en
un vidrio de reloj. Permitir que el producto se seque durante toda la
moche en una campana.
Análisis
El yodoformo es un sólido de color amarillo claro insoluble en agua, pero
soluble en alcohol. Tiene un punto de fusión de 119-120 °C. Tiene un
80
característico olor a medicina. El sólido o una disolución alcohólica del sólido
pueden manchar la piel.
Manejo de desechos
La disolución de reacción y de lavado, puede ser arrojada al drenaje con un
exceso de agua. El yodoformo obtenido puede ser desechado en la basura.
Notas para el profesor
La reacción del yodoformo es un experimento muy fácil y rápido de realizar.
Toda la preparación y el procedimiento lleva entre 30 y 40 minutos. El
procedimiento es sencillo y el producto es un sólido fácilmente manipulable que
no necesita purificaciones posteriores. Este experimento de laboratorio es
adecuado para proponerles a los estudiantes que maximicen sus rendimientos.
A los alumnos también les gusta la idea de producir un compuesto que no
solamente es interesante en sí mismo, sino que tiene usos prácticos. Una
perspectiva histórica de los usos en el mundo real, es también un motivante
para los alumnos.
Recomendaciones de laboratorio
1. El yodoformo puede causar una reacción alérgica en personas sensibles
al yodo. Antes de iniciar el experimento, preguntar a los alumnos si
alguno de ellos es alérgico al yodo. Los alumnos que sean sensibles
deberán usar guantes de látex.
2. El yodoformo se puede descomponer con el tiempo, desprendiendo
vapores de yodo. No almacenar el yodoformo obtenido en esta actividad
experimental.
3. Las pequeñas cajas Petri de plástico que se emplean para pesar,
también pueden ser un excelente baño de agua fría para esta práctica.
4. Estirar el tallo de una pipeta beral, para adelgazarlo y formar una
micropipeta.
5. Revisar la sección de Métodos y Procedimientos para información
adicional en el uso de viales, pipetas y técnicas de microescala. Revisar
el experimento de determinación del punto de fusión, respecto a sus
procedimientos y recomendaciones.
Preguntas
1. En la reacción de yodoformo catalizado por una base, ¿cada paso de
halogenación sucesivo ocurre más rápido o más lento que el anterior?
¿por qué?
En la halogenación catalizada por una base en una cetona, cada paso
de halogenación sucesivo, es más rápido que el anterior. El electrón del
81
halógeno atrayente incrementa la acidez del protón del enolato. Es casi
imposible preparar cetonas monohalogenadas usando una base como
catalizador .Estos compuestos deben ser producidos con una catálisis
ácida.
2. ¿Cuál es el nombre del compuesto que tiene cloro en lugar de yodo en
la molécula de yodoformo? Es decir, ¿cuál es el nombre y usos del
CHCl3?
El compuesto CHCl3 es el cloroformo. Este compuesto fue el primero en
ser usado como anestésico. El cloroformo provoca que el sistema
nervioso se vuelva inactivo. Sin embargo, es tóxico. A menos que la
dosificación se administre muy cuidadosamente, las personas pueden
resultar lesionadas o incluso hasta morir. El cloroformo no se usa ya
como anestésico. Ha sido reemplazado por agentes más efectivos y
seguros.
82
La formación de un éster
Propósito
Explorar la catálisis ácida entre un alcohol y un ácido carboxílico para producir
ésteres.
Antecedentes
Los ácidos carboxílicos son muy diferentes de los ácidos inorgánicos minerales.
Una diferencia importante es la vasta colección de reacciones que pueden
llevar a cabo los ácidos carboxílicos para formar nuevas clases de compuestos
orgánicos. La reacción primaria de los ácidos inorgánicos es la reacción con
una base para formar una sal inorgánica. Los ácidos carboxílicos también
reaccionan con las bases para producir sales, pero también reaccionan
alcoholes para formar ésteres, aminas para formar amidas, cloruro de tionilo
para formar cloruros de ácido y participar en reacciones de deshidratación para
formar anhídridos de ácido. Los ácidos carboxílicos son el punto inicial para
obtener varios tipos de compuestos orgánicos y juegan un papel importante en
las síntesis orgánicas.
Fig.39
Un derivado de ácido muy importante es el éster. Los ésteres orgánicos están
ampliamente distribuidos en la naturaleza en forma de grasas, aceites, sabores
y fragancias. La mayoría de los aceites vegetales comestibles (maíz, soya,
oliva) son triésteres del glicerol. Los grupos ácido de los aceites comestibles de
C12 – C18 son ácidos saturados, frecuentemente llamados ácidos grasos. Las
ceras son ésteres de alto peso molecular donde las porciones ácido y alcohol
del éster pueden contener de 25 a 36 átomos de carbono.
83
Fig.40
Los ésteres de bajo peso molecular también se encuentran en la naturaleza y
son los responsables de muchos aromas agradables o fragancias de las frutas,
flores e incluso perfumes y fragancias. Muchos ésteres son manufacturados y
empleados como sabores y olores artificiales y como polímeros. Por ejemplo el
acetato de n-pentilo tiene un fuerte sabor a piña y el acetato de isopentilo tiene
un fuerte sabor a plátano. Estos ésteres pueden ser adicionados a bebidas con
sabor a frutas, a refrescantes del ambiente o a saborizantes de frutas. También
pueden ser extraídos de sus fuentes naturales o fabricados. El poliéster es otro
éster que es una importante fibra empleada en la elaboración de ropa, tapetes,
tapices y hasta botellas de refresco. Se obtiene a través de la polimerización
del ácido tereftálico con etilenglicol.
En esta práctica, el alcohol n-propílico reacciona con ácido acético para formar
acetato de n-propilo y agua. Este tipo de reacción, donde un alcohol reacciona
con un ácido es el camino más común para preparar ésteres y se llama
esterificación de Fischer. La esterificación de Fischer es una reacción en
equilibrio porque cada paso es reversible. Si hay un exceso de agua presente,
el equilibrio se desplazará hacia ácido acético y alcohol n-propílico. En algunos
procedimientos, el agua es removida de la reacción para desplazar el equilibrio
hacia los productos. El mecanismo de reacción general se muestra a
continuación:
84
Fig.41
Los ésteres se nombran diciendo primero el nombre del ácido reemplazando la
terminación oico por “ato” y después el nombre del alcohol terminado en “ilo”.
En el siguiente ejemplo el alcohol n-propílico reacciona con el ácido acético
para formar el éster, acetato de n-propilo.
Fig.42
La presencia de un éster en un producto es identificada por sus características
y olor agradable. El alcohol n-propílico tiene un suave olor a medicina, mientras
que el ácido acético tiene olor a vinagre. Ambas sustancias iniciales, ácido
acético y alcohol n-propílico son también muy solubles en agua y el producto
obtenido es insoluble en agua.
Reacción y propiedades físicas
Fig.43
85
2.5 mL
Ácido
sulfúrico
5 gotas
Acetato de
n-propilo
-----
60.1
60.05
98.08
102.12
-----
17.4
18.0
-----
16
43.5
4
-----
densidad g/mL
0.80
1.05
1.84
0.89
Punto de
fusión (°C)
Punto de
ebullición (°C)
-126.5
16.6
-----
-95
97.4
118
-----
101.6
Cantidad
Alcohol
n-propílico
1.2 mL
Ácido acético
Peso
molecular
Molaridad
mmol
Medidas de seguridad y riesgos químicos.
El ácido acético glacial es corrosivo para la piel y tejidos, con un moderado
riesgo de incendio y moderadamente tóxico por ingestión. LD50 3310 mg/kg. El
alcohol n-propílico es un líquido flamable, sus vapores son moderadamente
tóxicos e irritantes y debe ser manipulado para su distribución, dentro de una
campana de extracción, LD50 1870 mg/kg. El ácido sulfúrico es altamente
corrosivo para la piel y ojos. Siempre colocar el calentador de inmersión dentro
del agua antes de conectarlo. Siempre usar gogles, guantes resistentes a los
reactivos químicos y bata de laboratorio.
Materiales
Sustancias
• Vial de reacción pequeño
• Alcohol n-propílico
• Baño de agua caliente
• Ácido acético glacial
• Baño de agua fría
• Ácido sulfúrico concentrado
• 2 pipetas beral
• carbonato de sodio
• 2 pipetas pasteur
• agua destilada
• tubo ensayo de 15 x 150 mm
con tapón de corcho
• pinzas para tubo
• probeta graduada pequeña
Parte experimental
Procedimiento. Obtención.
1. En un vaso de 400 mL adicionar aproximadamente 300 mL de agua
desionizada. Colocar el calentador de inmersión en el agua, conectarlo y
esperar a que el agua empiece a hervir. No conectar el calentador de
inmersión hasta después de que sea colocado dentro del agua.
86
2. Dentro del vial de reacción colocar 1.2 mL de alcohol n-propílico y 2.5
mL de ácido acético glacial. Para realizar cálculos de rendimiento, pesar
ambos reactivos mientras se están adicionando al vial.
3. Usando una pipeta beral, agregar 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado
al vial de reacción.
4. Cerrar el vial con la tapa de teflón. Asegurarse de que la tapa esté bien
cerrada. Agitar la mezcla de reacción, invirtiendo el vial varias veces.
5. Usando pinzas, colocar el vial cerrado en el baño de agua caliente.
Revisar si se observa una pequeña línea de burbujas saliendo de la tapa
del vial. Si esto ocurre significa que la tapa no está bien cerrada, en este
caso, el vial debe ser retirado y enfriado, para después ajustar y cerrar
firmemente la tapa.
6. Mantener el vial dentro del baño de agua en ebullición, durante 20 a 25
minutos.
7. Con pinzas, retirar el vial del baño de agua caliente y colocarlo sobre la
mesa. Esperar un minuto para permitir que el vial se enfríe.
8. Colocar el vial en el baño de agua con hielo durante 3 minutos
9. En un tubo de ensayo agregar 10 mL de agua de deshielo, para el paso
11.
Separación del producto.
10. Abrir cuidadosamente el vial de reacción. Utilizar guantes resistentes a
los reactivos químicos porque el vial puede estar presurizado y algo de
la disolución puede salpicar.
11. Vaciar el contenido del vial de reacción dentro del tubo de ensayo o
dentro de un vaso que contenga agua fría. Agitar lentamente para
disolver todas las sustancias iniciales que no reaccionaron. Enjuagar el
vial de reacción con agua. La fase orgánica (la superior) que contiene el
éster transferirla de regreso al vial de reacción empleando una pipeta
Pasteur.
12. Lavar el producto obtenido, un éster impuro, dos veces con 2 mL de
disolución de carbonato de sodio al 10 % y una vez con agua destilada.
Agregar la disolución de carbonato de sodio lentamente para prevenir
que se mezcle debido al burbujeo que sale del vial por la generación de
CO2.
13. Retirar tanto como se pueda de la fase acuosa (la de abajo) de la
disolución, usando una pipeta beral. Si se va a llevar a cabo la
determinación del punto de ebullición, secar el éster con una pequeña
cantidad de sulfato de magnesio anhidro.
Purificación y análisis.
14. El acetato de n-propilo tiene un fuerte olor a plátano y se le llama aceite
de plátano. El punto de ebullición del acetato de n-propilo ese de 101 °C.
87
Manejo de desechos.
Todas las disoluciones acuosas pueden ser arrojadas al drenaje con exceso de
agua de acuerdo a la recomendación 26 b del Flinn Suggested Disposal
Method. El producto, acetato de n-propilo, puede ser desechado empleando el
procedimiento 18 a del Flinn Suggested Disposal Method.
Notas para el profesor
Los alumnos disfrutan este experimento porque el producto tiene un olor
maravilloso. La formación de ésteres puede ser fácilmente relacionada con el
mundo real, informándole a los estudiantes acerca del papel que juegan los
ésteres en la naturaleza y cómo son utilizados para proporcionar sabores y
fragancias para muchos de los productos que usamos cotidianamente. La
mayoría de los sabores y olores son ésteres, aldehídos, cetonas o mezclas de
diferentes combinaciones de estos compuestos
Hay muchos ejemplos de olores de ésteres. El aroma de plátano .maduro es
debido a la presencia del éster acetato de isoamilo. La combinación de
diferentes ácidos y alcoholes, dan lugar a otros ésteres con olores conocidos.
A continuación se muestran algunos ejemplos:
Aroma
Piña
Nuez
Durazno
Nombre del éster
Acetato de amilo
Valeriato de etilo
Acetato de bencilo
frambuesa
Formato de isobutilo
ron
Propionato de isobutilo
plátano
Acetato de isoamilo
Reactivos requeridos
Alcohol amílico y ácido acético
Alcohol etílico y ácido valérico
Alcohol bencílico y ácido
acético
Alcohol isobutílico y ácido
fórmico
Alcohol isobutílico y ácido
propiónico.
Alcohol isoamílico y ácido
acético.
Se puede tentar a los estudiantes para que elaboren algunos de estos ésteres.
Hay que prevenirse con los ácidos valérico y butírico que son usados para
preparar ésteres con aromas muy agradables, que por sí mismos tienen olores
muy desagradables. Como medida de precaución, estos ácidos deben ser
utilizados dentro de la campana de extracción.
Este procedimiento de laboratorio puede ser completado fácilmente en una
sesión de 50 minutos. El producto impuro produce un rendimiento entre el 60 y
70 %. El calentar la mezcla de reacción en el baño de agua caliente durante 25
a 30 minutos, puede dar rendimientos más altos. El alcohol n-propílico puede
ser sustituido por otros alcoholes. El alcohol etílico también funciona pero
produce rendimientos mucho más bajos. El alcohol isopentílico funciona bien y
88
produce acetato de isopentilo el cual de igual manera, tiene un agradable olor a
plátano.
Recomendaciones de laboratorio.
1. No utilizar ácido butírico o valérico como reactivos iniciales para la
síntesis de ésteres. Estos ácidos emiten un hedor penetrante y sin la
adecuada ventilación, su escuela necesitará ser evacuada. El olor
permanece por semanas.
2. Resista la tentación de probar otras combinaciones de alcohol y ácido a
menos que haya investigado los desechos y olores de ambos reactivos y
sus posibles productos.
3. No permita que los alumnos se retiren con muestras de sus ésteres. Los
productos obtenidos en el laboratorio no están lo suficientemente puros
como para usarlos en propósitos diferentes a esta experimentación.
4. El calentamiento de la mezcla de reacción más allá de 20 minutos,
puede producir mayores rendimientos. Si es posible, el calentamiento
por 30 minutos resultará en mayores rendimientos.
5. Usar ácido acético glacial nuevo y alcohol n-propílico seco. Cualquier
cantidad de agua presente dirigirá el equilibrio de la reacción hacia
reactivos y disminuirá dramáticamente la cantidad de éster producido.
6. La adición de agentes deshidratantes a la mezcla de ácido acético y
alcohol n-propílico, dirigirá el equilibrio hacia el éster y se obtendrán
mayores rendimientos.
7. Revisar las secciones de Materiales, Métodos y Procedimientos para
información adicional respecto a la preparación de baños de agua
caliente, el uso de viales y técnicas en microescala.
Preguntas
1. ¿Por qué los saborizantes artificiales son menos caros que los
saborizantes naturales?
Los saborizantes naturales son extraídos de frutas y plantas. La cantidad
del ingrediente activo en una fruta o planta es generalmente muy
pequeño y difícil de separar. Por ejemplo, se requieren cientos de libras
de plátanos, para extraer una libra de extracto de plátano. Sin embargo,
una libra de alcohol isopentílico reacciona con una libra de ácido acético
para producir fácilmente una libra del ingrediente activo acetato de
isopentilo. El producto sintético elaborado, puede ser purificado
fácilmente por destilación y producir un éster muy puro con propiedades
idénticas a los productos naturales.
2. ¿Qué es un poliéster?
Un poliéster es una fibra artificial. Las fibras de un poliéster son largas
cadenas de enlaces carbono-carbono y carbono-oxígeno. Las fibras de
poliéster son fuertes y resistentes al uso, al agua y los químicos. Poli es
un prefijo que significa muchos. Un poliéster es una molécula que
contiene muchos enlaces éster.
89
La formación de un éster muy utilizado: aspirina
Propósito
Preparar aspirina, un producto comercial y aprender cómo al convertir un
alcohol en un grupo acetilo se altera su reactividad.
Antecedentes
La aspirina es un analgésico bien conocido, pero también es un compuesto
orgánico sintético conocido cono ácido acetilsalicílico. El ácido acetilsalicílico es
elaborado a partir de ácido salicílico, el cual también es un analgésico. El ácido
salicílico se encuentra en la corteza del sauce y fue usado por los antiguos
griegos y los nativos americanos para aliviar fiebre y dolor. El ácido salicílico
tiene un sabor muy amargo y también irrita el estómago. En 1893, el químico
aleman Féllix Hoffman sintetizó el derivado acetilado del ácido salicílico y
encontró que era menos amargo y menos irritante. Por más de 100 años, fue la
primera opción para disminuir la fiebre, inflamación y dolores leves.
Actualmente es una de las muchas drogas sintéticas que alivian el dolor. Esta
clase de drogas son llamadas analgésicos y actualmente incluyen el
acetaminofen (Tylenol) y el ibuprofeno (Advil) entre otros.
Los químicos orgánicos han jugado un papel muy importante en el desarrollo
de todos los productos farmacéuticos que usamos actualmente. Desde alivios
para el dolor, hasta anestésicos, medicamentos para el corazón, o control natal,
los químicos orgánicos primero sintetizaron estos compuestos orgánicos y
después trabajaron con científicos clínicos (investigadores médicos y
farmacéuticos) para entender los efectos de estas sustancias en la fisiología
humana. Muchas de las drogas que usamos hoy en día, como el ácido
acetilsalicílico, simplemente es es un incremento o adaptación de los
componentes encontrados en la naturaleza.
En esta práctica, se sintetiza el ácido acetilsalicílico por medio de la catálisis
ácida de esterificación del ácido acético y el ácido salicílico. El ácido salicílico
es un ácido inusual porque contiene no sólo un grupo ácido activo, sino que
también tiene un grupo alcohol activo. Cuando el ácido acético reacciona con el
ácido salicílico, el grupo ácido del ácido acético reacciona con el grupo alcohol
de la molécula de ácido salicílico, para formar un éster. El mecanismo de
reacción es el mismo que el mecanismo de esterificación de Fisher, descrito en
las anteriores esterificaciones.
90
Fig. 44
El convertir un grupo alcohol en un grupo acetilo u otro grupo éster, es una
práctica común en síntesis orgánicas. Algunas veces se realiza para alterar la
reactividad o solubilidad del producto, como ocurre en este experimento. Otras
veces, el alcohol se convierte en un éster para protegerlo durante los siguientes
pasos de la reacción. Bajo muchas condiciones, un éster es menos reactivo
que un alcohol y permite que la reacción ocurra en algún otro lugar de la
molécula, sin interferencia. Después de que han ocurrido las reacciones en
otros sitios de la molécula, el grupo acetilo o el grupo éster, pueden ser
fácilmente convertidos de regreso en alcohol. Cuando se sigue este proceso, el
grupo acetilo se llama grupo “protector”, ya que protege al grupo alcohol de
otras reacciones que pudieran ocurrir.
La protección de un grupo funcional o un sitio de la molécula, es muy
importante cuando se están sintetizando moléculas grandes y complejas. Por
ejemplo, en uno de los pasos finales de la síntesis de vitamina A, un grupo de
alcohol primario más reactivo, debe ser protegido de un grupo del alcohol
secundario, que podría conducir a un paso de deshidratación. El último paso de
la síntesis es “desproteger” el grupo alcohol. La síntesis completa de vitamina A
requiere más de una docena de pasos y fue uno de los primeros productos
naturales complejos que fueron sintetizados en un laboratorio.
91
Fig. 45
Reacción y propiedades físicas.
Fig. 46
Cantidad
Peso molecular
Molaridad
mmol
densidad (g/mL)
Punto de fusión (ºC)
Punto ebullición (ºC)
Ácido
salicílico
0.50 g
138.12
----3.6
----158
-----
Ácido
acético
2.0 mL
60.05
17.4
35
1.05
16.6
118
Ácido
sulfúrico
10 gotas
98.08
18.0
9
1.84
---------
Ácido
acetilsalicílico
----180.17
------------135
-----
92
Medidas de seguridad y manejo de desechos.
El ácido acético glacial es corrosivo para piel y tejidos, con un moderado riesgo
de incendio y moderadamente tóxico por ingestión, LD50 3310 mg/kg. El ácido
salicílico es tóxico por ingestión, LD50 891 mg/kg. EL ácido sulfúrico es
altamente corrosivo para piel y ojos. Siempre colocar el calentador de
inmersión, dentro del agua antes de conectarlo. Siempre utilizar gogles,
guantes resistentes a productos químicos y bata de laboratorio.
Materiales
Reactivos
• Vial de reacción pequeño
• Ácido salicílico
• Baño de agua caliente
• Ácido acético glacial
• Baño de agua fría
• Ácido acético concentrado
• 2 pipetas beral
• Alcohol etílico
• Tubo de 15 x 150 mm con
• Hielo
tapón de corcho
• Pinzas para tubo
• Probeta graduada pequeña
• Embudo
büchner
para
extracción al vacío
Procedimiento experimental.
Obtención
1. En un vaso de 400 mL colocar 300 mL de agua desionizada.
Introducir el calentador de inmersión, conectarlo y permitir que el
agua llegue a la ebullición. No conectar el calentador de inmersión
hasta que esté colocado dentro del agua.
2. En el vial de reacción pequeño, colocar 0.5 g de ácido salicílico y
2,0 mL de ácido acético glacial. Si se va a calcular el rendimiento
de producto obtenido, pesar el ácido salicílico mientras está siendo
adicionado al vial. Agregar al vial 10 gotas de ácido sulfúrico
concentrado.
3. Sellar el vial con la tapa con sello de teflón. Asegurarse de que la
tapa esté bien firme. Agitar la mezcla de reacción.
4. Emplear pinzas para colocar el vial sellado en el vaso que contiene
agua hirviendo y el calentador de inmersión.
5. Colocar de 5 a 10 mL de agua destilada en el tubo de ensayo.
6. Después de 15 minutos, usar pinzas para retirar el vial del baño de
agua caliente y colocarlo sobre la mesa por un minuto para que se
enfríe. Si se empiezan a formar cristales, adicionar inmediatamente
el contenido del vial al tubo de prueba que contiene agua destilada.
Separación del producto
7. Vaciar cuidadosamente el contenido del vial de reacción dentro del
tubo de prueba que contiene agua destilada. Se deberán formar
93
inmediatamente, cristales blancos con forma de agujas cuando la
mezcla de reacción entra en contacto con el agua. Enjuagar el vial
de reacción con 1 o 2 mL de agua destilada y agregarlos al tubo de
prueba. Tapar el tubo firmemente y agitar.
8. Colocar el tubo de prueba en el baño de agua fría por 5 a 10
minutos.
9. Filtrar el ácido acetilsalicílico mientras esté todavía frío, usando un
Büchner. Lavar con 2 o 3 mL de agua fría.
Análisis
10. El producto blanco cristalino es ácido acetilsalicílico impuro. El
ácido acetilsalicílico puro tiene un punto de de fusión de 135 º C.
11. Al ácido acetilsalicílico puede ser recristalizado de una disolución
de etanol en agua al 25 %. Se requiere adicionar aproximadamente
1 mL de disolución de etanol al 25 % por cada 0.1 g de ácido
acetilsalicílico impuro. Calentar la mezcla hasta que todo el ácido
acetilsalicílico esté disuelto y enfriar. Filtrar al vacío hasta que
seque.
Confirmar si la temperatura de fusión del producto es de 135 º C.
Manejo de desechos
Todos los residuos acuosos pueden ser desechados arrojándolos al drenaje y
dejando correr el agua. El ácido acetilsalicílico debe ser entregado al profesor
para su análisis posterior.
Notas para el profesor
La producción de aspirina en el laboratorio será uno de los procedimientos
favoritos de sus estudiantes. La aparición de los cristales blancos con forma de
agujas de ácido acetilsalicílico, formadas durante la separación, será muy
emocionante para todos los alumnos. A los alumnos también les agrada la idea
de obtener un producto cotidiano, aunque sea a pequeña escala. Hay que
recordar que el producto final no es adecuado para el consumo humano y debe
ser entregado por los alumnos. Esta actividad de laboratorio se completa
fácilmente en 45 min. El producto puro que se obtiene tiene un rendimiento del
60-70 % y el producto puro recristalizado tiene un rendimiento de 50-55 %.
El ácido acetilsalicílico es producido a escala comercial usando anhídrido
acético y un poco de ácido fosfórico. Después de que la mezcla de reacción es
calentada, se le agrega una pequeña cantidad de agua. La reacción del agua
con el exceso de anhídrido acético, produce suficiente calor para completar la
reacción.
La composición de una tableta de aspirina, también puede ser de interés para
los alumnos. La tableta no es ácido acetilsalicílico puro. La mayor parte de la
composición de la tableta es almidón con pequeñas cantidades de agentes
94
aglutinantes y un agente lubricante. La cantidad de aspirina es muy pequeña.
La cantidad del activo químico en una tableta típica, es de sólo 250 a 500 mg y
sería muy difícil manipular una tableta tan pequeña. Los agentes aglutinantes
mantienen unido el ácido acetilsalicílico al almidón. EL agente lubricante,
estearato de magnesio, se usa para favorecer la expulsión de la tableta de la
prensa de tabletas usada para mantener unidos por presión todos los
ingredientes.
Los alumnos pueden probar la presencia de almidón en una tableta de aspirina.
En un tubo de ensayo colocar agua y agregarle una aspirina. Agitar hasta que
la tableta se separe. Adicionar una gota de tintura de yodo. Si el almidón se
encuentra presente, se formará un complejo de color azul/negro.
Recomendaciones de laboratorio
1. Extremar precauciones cuando se manipule ácido sulfúrico
concentrado y ácido acético. Es recomendable agregar el ácido acético
en una campana o en área bien ventilada ya que tienen un olor irritante.
2. Hay que enfatizar que la aspirina elaborada en los laboratorios
farmacéuticos, está sujeta a procesos de purificación y pruebas de
control de calidad. No permitir bajo ninguna circunstancia que los
estudiantes tomen sus propias aspirinas caseras o prueben el ácido
acetilsalicílico.
3. Si no se tiene disponible equipo Büchner para la extracción al vacío, el
producto obtenido puede ser separado por filtración por gravedad,
usando papel filtro. La disolución acuosa también puede ser retirada
de ácido acetilsalicílico impuro (paso 9), usando una micropipeta beral.
Remover tanta disolución como sea posible antes de lavar unas
cuantas veces con 1 o 2 mL de agua fría. Retirar el agua utilizando
micropipetas beral. El producto obtenido puede ser secado sobre un
vidrio de reloj o en un pedazo de papel filtro.
4. Revisar la sección de Materiales, Métodos y Procedimientos para
información adicional sobre la preparación de baños de agua caliente,
uso de viales, técnicas de microescala, recristalización y filtración.
Revisar el procedimiento experimental para la determinación del punto
de fusión y sus recomendaciones.
Preguntas
1. El ácido acetilsalicílico es uno de los analgésicos más comunes con los
que contamos hoy en día. ¿Cuáles son algunos otros analgésicos (aliviadores
del dolor) y cuáles son sus estructuras? ¿en qué son similares?
95
Fig. 47
2. ¿Por qué un frasco viejo de aspirinas tiene olor a vinagre?
La aspirina contiene ácido acetilsalicílico. Este éster es obtenido a
partir de la reacción entre el ácido acético y el ácido salicílico. Cuando
el ácido acetilsalicílico es almacenado por mucho tiempo, las cadenas
del éster se empiezan a romper. Los productos de la ruptura son las
sustancias iniciales, ácido acético y ácido salicílico. El ácido acético es
el mismo ácido que se encuentra en el vinagre.
96
Oxidación del benzaldehido
Propósito
Explorar el uso del permanganato como un agente oxidante en el proceso de
oxidación de un aldehído a un ácido.
Antecedentes:
La oxidación es un proceso ampliamente usado en química orgánica. Se
emplea principalmente para formar grupos carbonilo en aldehidos, cetonas y
ácidos carboxílicos. Por ejemplo: los alcoholes primarios son oxidados
fácilmente a aldehidos o a ácidos carboxílicos y los alcoholes secundarios son
oxidados a cetonas. Algunos agentes oxidantes son lo suficientemente fuertes
para dividir alquenos en dos grupos de ácidos carboxílicos, o bien oxidar
cadenas laterales de compuestos aromáticos en ácidos carboxílicos.
La oxidación también es un proceso comercial importante. Muchas telas
sintéticas están fabricadas a partir de ácidos carboxílicos los cuales son
preparados por la oxidación de materiales orgánicos primarios. Por ejemplo, el
p-xileno es oxidado a ácido tereftálico, el cual es el material primario para el
poliéster. Para producir nylon, el ciclohexano es inicialmente oxidado para
producir una mezcla de ciclohexanol y ciclohexanona y después con una
oxidación posterior transformarlo en ácido adípico. Todos esos procesos
requieren de una catálisis altamente reactiva que utiliza el oxígeno del aire para
la oxidación de los materiales iniciales.
Fig. 48
97
En el laboratorio, es difícil y peligroso llevar a cabo oxidaciones debido a la alta
presión requerida para usar el oxígeno atmosférico como agente oxidante. Por
ello, los agentes oxidantes que contienen átomos de oxígeno son usados
frecuentemente en pequeña escala en síntesis orgánicas. Los dos agentes
oxidantes más comunes en química orgánica son los compuestos de óxido de
cromo (VI) y permanganato de potasio. Ambos son agentes oxidantes muy
fuertes y son usados en una amplia variedad de reacciones.
En este procedimiento de laboratorio, el permanganato de potasio se usa para
oxidar el benzaldehido a ácido benzóico. El mecanismo para la oxidación del
permanganato, se cree que involucra un grupo éster de permanganato. (Ver
figura). Esta reacción puede ser llevada a cabo bajo condiciones ácidas,
básicas o neutras. Las condiciones básicas son utilizadas en este proceso para
permitir el producto benzoato de sodio, soluble en la mezcla acuosa de
reacción, pueda ser fácilmente removido del dióxido de manganeso insoluble,
por medio de una filtración. En el paso final, la acidificación del benzoato de
sodio, produce ácido benzóico en una gran proporción.
Fig. 49
El ácido benzóico es producido comercialmente por la oxidación del tolueno,
utilizando un catalizador de cobalto y a una presión de 2 a 3 atmósferas, para
producir ácido benzóico con un rendimiento del 90 %. El ácido benzóico es un
producto comercial importante. El ácido benzóico y el benzoato de sodio, son
conservadores importantes en la industria de los alimentos y son adicionados a
muchos jugos de frutas, mieles y aderezos de ensaladas. El ácido benzoico
también es usado como un precursor para fabricar fenol y caprolactama, dos
materiales importantes en la industria de los plásticos. El fenol es usado para
fabricar resinas fenólicas y la caprolactama se emplea para fabricar nylon 6.
98
Fig. 50
Reacción y propiedades físicas.
Fig. 51
Benzaldehído Permanganato
de potasio
Cantidad
Peso
molecular
Molaridad
Mmol
Densidad g/mL
Punto
de
fusión (°C)
Punto
de
ebullición (°C)
Hidróxido de
sodio
Ácido
benzóico
0.2 mL
6.5 mL
4 gotas
----
106.10
---2
1.04
158.04
0.3
2
----
40.00
1M
-------
122.12
------1.075
- 26
----
----
122
178
----
----
249
99
Medidas de seguridad y riesgos químicos.
El benzaldehído es flamable y tóxico por inhalación, ingestión o absorción por
la piel. La disolución de permanganato de potasio puede ser irritante para la
piel. Las disoluciones de hidróxido de sodio son corrosivas, pueden provocar
quemaduras en la piel y sus salpicaduras son muy peligrosas para los ojos. El
ácido clorhídrico es severamente corrosivo para la piel y los ojos y altamente
tóxico por inhalación. Colocar siempre el calentador de inmersión dentro del
agua, antes de conectarlo. Utilizar siempre bata, gogles y guantes resistentes a
los reactivos químicos.
Materiales
Reactivos
- vial de reacción grande
- benzaldehido
- baño de agua caliente
- permanganato de sodio 0.3 M
- baño de agua con hielo
- hidróxido de sodio 1 M
- 3 pipetas beral
- ácido clorhídrico 1 M
- pipeta pasteur
- sulfito de sodio 0.5 M
- pinzas para tubo
- probeta graduada pequeña
- embudo buchner y matraz de filtración
- papel filtro
- Tubo de ensayo o matraz de 50 mL
- papel pH
Procedimiento experimental
Obtención
1. Agregar aproximadamente 300 mL de agua desionizada a un vaso de
400 mL. Colocar el calentador de inmersión dentro del agua, conectarlo
y permitir que el agua alcance la ebullición. No conectar el calentador de
inmersión hasta después de colocarlo dentro del agua.
2. Empleando una pipeta Pasteur, colocar 0.2 mL (0.2 g) de benzaldehído
en el vial de reacción grande. Si se desea realizar cálculos de
rendimiento, pesar el benzaldehído directamente al adicionarlo en el vial.
3. Medir 6.5 mL de disolución de permanganato de potasio 0.3 M y
adicionarla al vial de reacción. Agregar 4 gotas de disolución de
hidróxido de sodio 1 M, usando una pipeta beral.
4. Cerrar el vial con la tapa de plástico con sello de teflón. Asegurarse de
que la tapa esté bien cerrada. Agitar la mezcla de reacción. La
disolución morada empezará a ponerse café en la medida en que el
permanganato es reducido a ión manganato.
5. Con pinzas, colocar el vial sellado dentro del vaso que contiene agua en
ebullición y el calentador de inmersión. Si en algún momento durante la
reacción, empieza a salir una fina columna de burbujas a través de la
tapa del vial de reacción, retirarlo del agua hirviendo, permitir que se
enfríe y cerrar firmemente la tapa.
6. Después de 20 minutos, retirar el vial del baño de agua hirviendo y
colocarlo sobre la mesa durante un minuto para que se enfríe.
100
7. Preparar un baño de agua de hielo.
Separación del producto
8. Colocar el vial dentro del vaso que contiene el baño de agua con hielo
durante 3 minutos.
9. Utilizar guantes resistentes al ataque químico, para abrir
cuidadosamente el vial de reacción, porque éste puede estar
presurizado y al abrir, algo de la sustancia puede salpicar.
10. Revisar la mezcla de reacción para detectar permanganato de potasio
residual, tomando una muestra con una pipeta y colocando una gota en
una pieza de papel filtro. Si la mancha café está rodeada de un anillo
rosa o morado, indica que hay un exceso de permanganato. Agregar
unas cuantas gotas de disolución de sulfito de sodio 0.5 M, para hacer
reaccionar el permanganato remanente. Checar nuevamente la mezcla
de reacción.
11. La mezcla de reacción filtrarla al vacío con un embudo buchner. El sólido
café es dióxido de manganeso y el producto que es benzoato de sodio,
está en el filtrado (líquido). Lavar el sólido café con 2 o 3 mL de agua
tibia. Retirar el sólido café y transferir el filtrado coloreado a un tubo de
prueba o a un matraz erlenmeyer de 50 mL.
12. Lentamente adicionar aproximadamente 1 o 2 mL de ácido clorhídrico 1
M, o hasta que la disolución tenga un pH de 1. Medir el pH de la
disolución usando papel pH. Se empezará a precipitar el ácido benzóico
de color blanco fuera de la disolución.
13. Enfriar la mezcla en un baño de hielo para maximizar la precipitación de
ácido benzóico. Separar el ácido benzóico por filtración al vacío, usando
un embudo buchner. Lavar con 2 mL de agua helada, repetir el lavado.
Secar el producto al vacío y después poner a secar el ácido benzóico
durante toda la noche.
Análisis
14. El ácido benzóico obtenido puede ser blanco o ligeramente café debido
a la presencia de dióxido de manganeso y otras impurezas. El ácido
benzóico puede ser recristalizado del agua.
15. El ácido benzóico puro tiene un punto de ebullición de 122°C. Verificar
el punto de ebullición del producto obtenido.
16. Los ácidos carboxílicos son detectados por su pH y su solubilidad en
agua. Las disoluciones acuosas de ácidos carboxílicos serán ácidas. Los
ácidos carboxílicos también reaccionarán con una disolución diluida (5 %)
de bicarbonato de sodio. La formación de burbujas de dióxido de
carbono verifican la presencia de un grupo de ácido carboxílico.
Desechos
El dióxido de manganeso café y sólido, puede ser desechado arrojándola a la
basura. Cualquier disolución acuosa remanente de la filtración del ácido
benzóico, debe ser entregada al profesor porque pueden contener
101
benzaldehido sin reaccionar. El ácido benzóico obtenido también debe ser
entregado al profesor para su análisis posterior.
Notas para el profesor:
La oxidación de aldehidos a ácidos carboxílicos es una de las reacciones de
oxidación más fáciles y es una reacción muy común para presentarse en un
curso introductorio del laboratorio de química orgánica. El permanganato de
potasio es un agente oxidante bastante común y es empleado para la oxidación
de una amplia variedad de grupos funcionales para pasar a alcohol o a ácido
carboxílico. Por ejemplo, el permanganato oxidará alquenos a dioles, o a
ácidos dicarboxílicos. También oxida alcoholes, aldehídos y la parte aromática
de diferentes grupos a ácidos carboxílicos. Es uno de los más versátiles
agentes oxidantes usado en las reacciones orgánicas de oxidación.
La preparación de ácido benzóico es siempre una buena opción de laboratorio,
ya que el producto se obtiene y separa fácilmente como cristales blancos
suaves y esponjosos. El ácido benzóico puede ser recristalizado del agua y
tiene un punto de fusión relativamente bajo, para su análisis posterior. Esta
actividad de laboratorio representa una buena introducción a las reacciones
orgánicas de oxidación. La obtención y separación de ácido benzóico, se
puede completar en una sesión de laboratorio de 50 minutos. El rendimiento en
la producción de ácido benzóico impuro se encuentra en un rango entre 70 y
80 % y después de la recristalización, el rendimiento es de alrededor de 50 %.
Recomendaciones de laboratorio
1. Es importante utilizar proporciones estequiométricas de benzaldehído y
de permanganato de potasio. Ambos reactivos deben estar presentes en
cantidades equimolares. Es necesario verificar la presencia de un
exceso de permanganato de potasio, después de retirar la reacción del
baño de agua caliente y hacer reaccionar el exceso de permanganato
con sulfito de sodio, antes de proceder a los pasos de purificación de la
sustancia.
2. El benzaldehído es una sustancia de olor agradable con olor a
almendras. Es moderadamente tóxico por inhalación e ingestión, con
dosis letal LD50 1300 mg/kg. Procure que los alumnos no se expongan
demasiado a esta sustancia, almacenándola y distribuyéndola en una
campana de extracción.
3. Hay que colocar recipientes en la campana de extracción, para que los
estudiantes desechen el filtrado acuoso resultante de la filtración del
ácido benzóico. Puede quedar benzaldehído sin reaccionar en la
disolución acuosa. Se recomienda dejar la disolución acuosa dentro de
la campana funcionando, durante toda la noche, para permitir que el
benzaldehido se evapore antes de arrojar al drenaje la disolución
remanente.
4. Si no se dispone de campana de extracción, almacene y deseche el
benzaldehido suministrado cerca de un ventilador para minimizar el nivel
de vapores en el interior del laboratorio.
102
5. Las disoluciones de permanganato de potasio, hidróxido de sodio, sulfito
de sodio y ácido clorhídrico, deben ser preparadas con anticipación.
Preparar un solo lote de cada una y después distribuirlas.
• Disolución de permanganato de potasio 0.3 M: disolver 4.74 g de
permanganato de potasio en suficiente agua destilada para
preparar 100 mL de disolución.
• Disolución de hidróxido de sodio 1.0 M: disolver 2 g de hidróxido
de sodio en suficiente agua destilada para preparar 50 mL de
disolución. Se desprende mucho calor cuando el hidróxido de
sodio es agregado al agua.
• Disolución de sulfito de sodio 0.5 M: disolver 0.6 g de sulfito de
sodio en 10 mL de agua destilada.
• Disolución de ácido clorhídrico 1.0 M: Diluir 4 mL de ácido
clorhídrico concentrado (12 M) en 50 mL de agua destilada.
Siempre adicionar el ácido al agua.
• Favor de revisar la sección de Materiales y Métodos y
Procedimientos para información adicional respecto a la
preparación de baños de agua calientes, uso de los viales,
técnicas de microescala, recristalización y filtración. Revisar la
actividad experimental de determinación del punto de fusión para
los procedimientos y recomendaciones.
Preguntas
1. ¿Qué otros compuestos orgánicos pueden ser oxidados para producir
ácido benzóico?
El tolueno es oxidado comercialmente a ácido benzóico. La acetofenona
y el alcohol bencílico también se oxidan fácilmente a ácido benzóico.
2. ¿Por qué es importante que todo el permanganato sea consumido en
esta reacción de oxidación?
Si el ión permanganato no está completamente reducido a la especie
dióxido de manganeso insoluble, el producto final estará contaminado
con el color intenso del ión permanganato. Puede también ocurrir una
reacción de oxidación adicional si el permanganato no está
completamente reaccionado.
3. El permanganato de potasio es un agente oxidante muy poderoso, que
también oxida los enlaces dobles carbono-carbono a dioles, o a ácidos
dicarboxílicos. ¿Por qué los dobles enlaces del anillo bencénico no son
atacados?
El benceno es inerte para la mayoría de los reactivos químicos debido a
la estabilidad de los orbitales pi aromáticos. Los seis átomos de carbono
comparten de manera equivalente los seis electrones de los tres dobles
enlaces en seis orbitales pi traslapados que componen la nube de
electrones por arriba y por abajo del anillo, a lo que se le llama el enlace
pi. Esta compartición de electrones es llamada también deslocalización y
aumenta de manera importante la estabilidad del anillo bencénico.
103