EXPERIMENTOS ALTERNOS

EXPERIMENTO ALTERNO I

REACCIONES DE COPULACIÓN DE SALES DE DIAZONIO

OBTENCIÓN DE ANARANJADO DE METILO OBJETIVOS a) Ilustrar la reacción de copulación de sales de diazonio con sustratos aromáticos. b) Obtener un colorante azoico, mediante las reacciones de diazoación del ácido sulfanílico y copulación de la sal de diazonio con N,Ndimetilanilina. c) Probar las propiedades como colorante textil del producto obtenido en diferentes fibras. REACCIONES Diazoación:

H2N

SO3H

HCl, NaNO2

Cl N

Ácido sulfanílico

N

SO3H

Sal de diazonio del ácido sulfanílico

Copulación:

Cl N

N

SO3H

CH3

+

N CH3

NaOH

H3C N

N

SO3 Na

N

H3C Anaranjado de metilo pH 3.1 = rojo pH 4.1 = amarillo

N,N-dimetilanilina

MATERIAL Agitador de vidrio Probeta graduada de 25 mL Embudo Buchner con alargadera Vaso de precipitados de 100 mL Matraz Erlenmeyer de 125 mL Mechero con manguera Pinza de tres dedos con nuez SUSTANCIAS Ácido sulfanílico

1 1 1 1 1 1 1 1.0 g

Espátula Baño maría eléctrico Matraz Kitasato con manguera Anillo metálico Pipeta graduada de 10 mL Tela de alambre con asbesto

Nitrito de sodio

1 1 1 1 1 1

0.3 g

Ácido clorhídrico concentrado Hidróxido de sodio al 10% INFORMACIÓN.

0.5 mL N,N-dimetilanilina 5.0 mL Cloruro de sodio

0.6 mL 2.0 g

REACCIONES DE DIAZOACIÓN DE AMINAS AROMÁTICAS. REACCIONES DE COPULACIÓN DE SALES DE DIAZONIO CON COMPUESTOS AROMÁTICOS

Las aminas primarias aromáticas reaccionan con ácido nitroso para formar sales de diazonio relativamente estables, éstas pueden actuar como electrófilos débiles y reaccionar con anillos aromáticos activados en reacciones de sustitución electrofílica aromática. Los fenoles y las aminas aromáticas poseen un anillo activado que permite que las sales de diazonio reaccionen con ellos, produciendo compuestos azo (ó azoicos), los cuales pueden ser utilizados como colorantes. Reacción de diazoación La reacción de diazoación consiste en la interacción de una amina primaria con ácido nitroso para generar una sal de diazonio. El ácido nitroso (HNO2) es un gas, pero se pueden preparar disoluciones acuosas diluidas, haciendo reaccionar nitritos alcalinos, como el nitrito de sodio (NaNO 2), con algún ácido mineral como el ácido clorhídrico, el ácido sulfúrico, el ácido perclórico o el ácido fluorobórico. Si la amina primaria es alifática, la sal de diazonio que se genera es muy inestable y se descompone inmediatamente; en contraste, cuando se utilizan aminas primarias aromáticas, las sales de diazonio formadas son relativamente estables en disolución y a temperaturas menores de 10 °C, por lo que se tiene la oportunidad de manipularlas y convertirlas en una variedad de grupos funcionales diferentes. Esto le da a la reacción de diazoación una gran aplicación sintética. Si R = alquilo, esta sal es muy inestable

R = alquilo ó arilo

R

NH2

NaNO2, HCl

Amina primaria

R

N

N

Cl

-

Sal de diazonio

Las sales de diazonio aromáticas secas pueden descomponerse e incluso estallar, por lo tanto, se deben preparar en disolución y emplear las disoluciones en forma directa e inmediata.

El ácido nitroso en disolución acuosa se encuentra en equilibrio con especies tales como el trióxido de dinitrógeno (N2O3), también llamado anhídrido nitroso. 2

O

N

OH

Acido nitroso

O

N

O

N

O

+

H2O

Trióxido de Dinitrógeno

En la reacción de diazoación, el verdadero reactivo puede ser el N 2O3. El mecanismo de la reacción se inicia con el ataque de la amina, con su par de electrones libre, al trióxido de dinitrógeno; el intermediario formado expulsa un ión nitrito, el cual, actuando como base, abstrae un protón del intermediario, recuperando así el nitrógeno su par de electrones y generándose un compuesto N-nitroso. Posteriormente, mediante una serie de transferencias rápidas de protones y la pérdida final de una molécula de agua, se obtiene la sal de diazonio.

MECANISMO DE REACCIÓN DE DIAZOACIÓN O NH2 O

N

O

N

Ataque del par de electrones sin compartir de la amina al nitrógeno del N2O3, con la polarización del doble enlace hacia el oxígeno

H

O

O

O

N

N

N

NH

O

NH H

H

N N

H

O

N

N

N

NH H2O

H

Protonación del oxígeno

NO 2

Pérdida de un protón para compensar la carga positiva del nitrógeno

El oxígeno introduce su carga negativa y expulsa a un ión nitrito

HO

HO

+

Pérdida del protón del nitrógeno para formar un doble enlace N-N y compensar la carga positiva del oxígeno

+ Compuesto N-nitroso

Protonación del oxígeno del compuesto N-nitroso

H2O N N

N

N

Cl

+

HNO 2

H2O

Sal de diazonio

El nitrógeno introduce su par de electrones libres para formar la triple ligadura N-N y expulsar una molécula de agua, por esta razón el nitrógeno queda con carga positiva y se encuentra neutralizado con un anión del medio.

Reacción de copulación En condiciones apropiadas, las sales de diazonio pueden reaccionar como reactivos electrofílicos en sustituciones aromáticas, para dar productos

llamados compuestos azo ó azoicos. A esta reacción se le conoce como reacción de copulación. Los compuestos azo son sustancias intensamente coloridas, por lo que una gran variedad de este tipo de compuestos se utilizan como colorantes artificiales. Las coloraciones pueden ser amarillas, naranjas, rojas, cafés, azules e incluso verdes, dependiendo de la estructura del compuesto. Como las sales de diazonio son poco electrofílicas, sólo reaccionan con compuestos aromáticos muy activados, es decir, que tengan grupos fuertemente electrodonadores como OH, NR2, NHR ó NH2. Por lo general, la sustitución se realiza en la posición para con respecto al grupo activante.

Anillo arómatico con un grupo fuertemente electrodonador como -NR2 , -NHR, -NH2, -OH

Anillo arómatico

Ar

N

N

Sal de Diazonio

+

Ar'

H

Ar

Sustrato aromático muy activado

N

N

Ar'

Compuesto Azo

Mecanísticamente, la reacción se inicia con el ataque del par de electrones de un enlace  del anillo aromático al nitrógeno externo de la sal de diazonio, lo cual induce el desplazamiento de uno de los enlaces de la triple ligadura nitrógeno-nitrógeno hacia el nitrógeno central, que lleva a la neutralización de la carga positiva que éste soportaba, y al mismo tiempo, a la formación de un intermediario con carga positiva estabilizado por resonancia. Posteriormente, dicho intermediario pierde un protón para reestablecer la aromaticidad del anillo, formándose de esta manera el compuesto azo.

MECANISMO DE LA REACCIÓN DE COPULACIÓN

N

N

N

N H

R Sal de diazonio

NR 2

R

NR 2 Intermediario estabilizado con la ayuda del electrodonador

Ataque del sistema aromático a la sal de diazonio, con la ayuda de la resonancia del par de electrones libre del sustituyente electrodonador

Eliminación de un protón para regenerar la aromáticidad del sistema

N

N

R

NR 2 Compuesto azo

PROCEDIMIENTO En un matraz Erlenmeyer de 125 mL, coloque 1.0 g de ácido sulfanílico, 0.6 mL de N,N-dimetilanilina y 0.5 mL de HCl concentrado. Agite, agregue 5 mL de agua y enfríe la mezcla de reacción en baño de hielo a una temperatura entre 0 a 5 °C. Manteniendo dicha temperatura, adicione con agitación 0.3 g de nitrito de sodio. Una vez concluida la adición, retire el matraz del baño de hielo y continúe agitando hasta que la mezcla llegue a temperatura ambiente (la mezcla adquiere una coloración rojo oscuro). Agregue gota a gota y agitando una disolución de NaOH al 10% hasta obtener un pH = 10. Adicione a la mezcla de reacción 2.0 g de cloruro de sodio y caliéntela con mechero a través de tela de asbesto con agitación constante; suspenda el calentamiento cuando inicie la ebullición. Deje enfriar a temperatura ambiente y después enfríe en baño de hielo; filtre al vacío el sólido formado y lávelo con un poco de agua helada. Una vez seco, pese el producto y determine el rendimiento; el anaranjado de metilo se obtiene como sal sódica. Pruebas de Tinción En un vaso de precipitados, prepare 10 mL de una disolución acuosa al 1% del colorante, caliente a ebullición e introduzca cortes pequeños de telas de algodón, lana y seda (de preferencia blancos). Mantenga la ebullición durante 5 minutos con agitación. Saque los cortes de tela y enjuáguelos con agua. Registre los resultados de las pruebas.

ANTECEDENTES a) Reacciones de formación de sales de diazonio (diazoación), características y condiciones de reacción. b) Reacciones de copulación de sales de diazonio con compuestos aromáticos, características y condiciones de reacción. c) Efecto del pH en la copulación de las sales de diazonio con aminas y fenoles. d) Métodos para la aplicación de colorantes azoicos en distintos tipos de fibras textiles.

CUESTIONARIO 1) ¿Cuál es la razón por la cual las sales de diazonio aromáticas son relativamente estables? 2) ¿Cómo se evita que se descompongan las sales de diazonio? 3) Compare las características y métodos de síntesis de los dos colorantes preparados durante el curso e identifique sus diferencias y similitudes. 4) En la obtención del anaranjado de metilo, ¿la sal de diazonio proviene del ácido sulfanílico o de la N,N-dimetilanilina? Explique. 5) ¿Qué pH se requiere para que la copulación de las sales de diazonio con aminas y fenoles sea óptima? Explique. 6) ¿Por qué el anaranjado de metilo es eficiente en la tinción de fibras de elevada polaridad?

BIBLIOGRAFÍA A.I. Vogel, Elementary Practical Organic Chemistry, Part 1, Scale Preparations, Longmans, 2da. edición, Londres, 1970. R.Q. Brewster, Curso Práctico de Química Orgánica, Editorial Alhambra, Madrid, 1970. J.D. Caseiro, Basic Principles of Organic Chemistry, W. A. Benjamin, Estados Unidos, 1965.

OBTENCIÓN DE ANARANJADO DE METILO Ácido sulfanílico + N,N-dimetilanilina + HCl conc.+ agua 1) Enfriar a 5 °C 2) Agregar NaNO2 3) Agitar hasta llegar a temp. ambiente

Mezcla de reacción 4) Agregar gota a gota NaOH al 10% hasta pH = 10 5) Adicionar NaCl y calentar agitando hasta inicio de ebullición 6) Enfriar en baño de hielo 7) Filtrar al vacío y lavar con agua helada Sólido

Sal sódica del anaranjado de metilo

Líquido

Disolución acuosa de la sal sódica del anaranjado de metilo, NaOH, NaCl D1

D1: Neutralizar. Filtrar los residuos sólidos. Desechar el filtrado y almacenar el sólido para su posterior uso, incineración o confinamiento.

EXPERIMENTO ALTERNO II

SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES

OBTENCIÓN DE BROMURO DE n-BUTILO

OBJETIVOS a) Ejemplificar una reacción de sustitución nucleofílica alifática bimolecular (SN2) b) Obtener un bromuro de alquilo a partir de un alcohol primario empleando bromuro de sodio y ácido sulfúrico. c) Identificar al haluro de alquilo obtenido a través de pruebas químicas. REACCIÓN OH

H3C

n-Butanol p.e. = 171°C

+

NaBr

+

H2SO4

H3C

Br

+

NaHSO4

Bromuro de n-butilo p.e. = 101°C

MATERIAL Matraz pera de dos bocas 1 Embudo de separación 1 Columna Vigreaux 1 Tapón esmerilado 1 T de destilación 1 Tubos de ensayo 2 Termómetro 1 Espátula 1 Portatermómetro 1 Pipeta graduada de 10 mL 1 Refrigerante con mangueras 1 Vaso de precipitados de 250 mL 1 T de vacío 1 Matraz Erlenmeyer de 50 mL 1 Colector 1 Vidrio de reloj 1 Tela de alambre con asbesto 1 Recipiente de peltre 1 Anillo metálico 1 Probeta graduada de 25 ml 1 Mechero con manguera 1 Pinzas de tres dedos con nuez 2 Matraz Erlenmeyer de 250 mL con tapón horadado y tubo de vidrio. 1

+

H2O

SUSTANCIAS n-Butanol 3.5 mL Etanol 0.5 mL Bromuro de sodio 5.8 g Nitrato de plata 0.5 mL Ácido sulfúrico concentrado 3.3 mL Agua de bromo 1.0 mL Carbonato de sodio al 10% 2.0 mL INFORMACIÓN. SÍNTESIS DE HALUROS DE ALQUILO A PARTIR DE ALCOHOLES PRIMARIOS. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA ALIFÁTICA BIMOLECULAR (SN2). Los haluros de alquilo tienen la fórmula general R-X, donde R es un grupo alquilo y X es un halógeno. Los haluros de alquilo se pueden obtener a partir de alcoholes. Se utilizan diversos reactivos para realizar esta transformación. Reacciones de alcoholes con haluros de hidrógeno Un método de síntesis de haluros de alquilo, consiste en la reacción de un alcohol con un haluro de hidrógeno, generalmente HCl ó HBr. R

OH

Alcohol

+

R X Haluro de alquilo

H X Haluro de hidrógeno

+

H2O Agua

Los alcoholes se protonan en presencia de un ácido fuerte como lo es el haluro de hidrógeno. La protonación transforma al grupo hidroxilo (OH), un grupo saliente pobre, en un buen grupo saliente (H2O). Una vez formado el alcohol protonado, es factible que ocurra una reacción de sustitución ‫־‬ nucleofílica, donde el ión haluro ( X ) actúa como nucleófilo y una molécula de agua es el grupo saliente. El mecanismo mediante el cual se lleva a cabo dicha sustitución depende de la estructura del alcohol. H R

OH

+

Grupo saliente pobre Alcohol

H

+

R

O

+

H

Buen grupo saliente

X SN1 o SN2

R

X

Alcohol protonado

Las reacciones de los alcoholes terciarios y secundarios con haluros de hidrógeno siguen un mecanismo SN1, que implica la formación de carbocationes intermediarios, estas reacciones suelen ser relativamente rápidas. Esto es una consecuencia de la estabilidad relativa de los carbocationes terciarios y secundarios. El mecanismo mediante el cual el alcohol metílico y los alcoholes primarios se transforman en haluros de alquilo, no involucra carbocationes intermediarios, debido a que los

carbocationes metilo y primarios son demasiado inestables. El mecanismo que se lleva a cabo con dichos sustratos consiste en dos etapas. 1.- El primer paso es la transferencia de un protón desde el haluro de hidrógeno (o desde un catalizador ácido adicionado a la mezcla de reacción) al alcohol, dando lugar a la formación de un ión oxonio (alcohol protonado). Esta es una reacción rápida y reversible. 2.- El segundo paso es el ataque nucleofílico al ión oxonio por el ión haluro. Éste forma un enlace covalente con el carbono primario (o metilo), desplazando al mismo tiempo a una molécula de agua. Esta reacción es una sustitución nucleofílica bimolecular (SN2) y es más lenta que la reacción del primer paso, de manera que el segundo paso es el determinante de la rapidez de reacción. En el esquema de abajo se muestra el mecanismo S N2 de la reacción entre un alcohol primario protonado (ión oxonio) y un ión haluro. Como se indica en el esquema, el átomo de carbono primario es electrofílico, debido a que el oxígeno con carga positiva atrae la densidad electrónica. El carácter electrofílico de dicho carbono lo hace propenso a ser atacado por el nucleófilo: el ión haluro; este ataque se efectúa por el lado opuesto al enlace con el grupo saliente, de manera que si el carbono que sufre la sustitución es quiral, se presenta la inversión completa de la configuración. MECANISMO DE LA REACCIÓN DE PROTONADO CON UN IÓN HALURO (SN2)

UN

ALCOHOL

PRIMARIO

Carbono electrofílico H X Ión haluro (nucleófilo)

H  + C O

H

R

H

Grupo saliente: H2O Alcohol protonado

Ataque del nucleófilo desde el lado opuesto del enlace con el grupo saliente

H  X

H H  C O R

H

H X

C

R

+

H Haluro de alquilo

Estado de transición SN2 Estado de transición de relativamente baja energía debido al poco aglomeramiento estérico.

Como la mayoría de las reacciones SN2, la reacción anterior sigue una cinética de segundo orden. Su rapidez depende de la concentración de ambos reactantes: el alcohol protonado y el ión haluro.

H2O

RCH 2OH2

+

X

Rapidez = k

RCH 2X ROH 2

+

H2O

X

Las reacciones tipo SN2 se rigen por factores estéricos. Como el nucleófilo debe aproximarse al carbono portador del grupo saliente para formar un nuevo enlace covalente, entre menos sustituyentes se encuentren unidos a dicho carbono, la reacción será más fácil. Además, el estado de transición (mostrado en el esquema de arriba) también es sensible al impedimento estérico, por lo que entre menos aglomeramiento de sustituyentes presente, su estabilidad será mayor, y por ende, la energía de activación será más pequeña. El metanol y los alcoholes primarios, al presentar poco impedimento estérico en torno al centro de sustitución, reaccionan rápidamente con nucleófilos mediante un mecanismo SN2. Una vez que se protonan los alcoholes, es factible que ocurran, además de las reacciones de sustitución nucleofílica, reacciones de eliminación. Con alcoholes primarios predomina por lo general la sustitución nucleofílica. Obtención de bromuros de alquilo a partir de alcoholes primarios El HBr reacciona con alcoholes primarios para producir los correspondientes bromuros de alquilo con elevados rendimientos. Generalmente se utilizan altas temperaturas para acelerar las reacciones (~ 80 a 120°C). Ejemplo: CH 3(CH 2)5CH 2OH

+

HBr

T=120°C

1- Heptanol

CH 3(CH 2)5CH 2Br 1-Bromoheptano (87 - 90 %)

+

H2O

Puede llevarse a cabo la misma clase de transformación, calentando un alcohol primario con bromuro de sodio y ácido sulfúrico concentrado. Ejemplo: CH 3CH 2CH 2CH 2OH 1- Butanol (alcohol n-butílico)

NaBr, H2SO4 calor

CH 3CH 2CH 2CH 2Br 1 - Bromobutano (bromuro de n-butilo) ( 70 - 83 %)

El reactivo NaBr / H2SO4 genera el HBr en la mezcla de reacción. El ácido fuerte que protona al grupo hidroxilo del alcohol para convertirlo en un buen grupo saliente, puede ser el H2SO4 mismo, ó bien, el HBr generado in situ. El ión bromuro, actuando como nucleófilo, desplaza una molécula de agua del alcohol protonado mediante un mecanismo S N2. Más adelante se muestra el mecanismo de la reacción entre alcoholes primarios y HBr para obtener bromuros de alquilo primarios.

El tribromuro de fósforo (PBr3) se utiliza frecuentemente para transformar alcoholes primarios y secundarios en bromuros de alquilo. Una mol de PBr3 convierte a tres moles de un alcohol en el bromuro de alquilo correspondiente. En esta reacción se forma ácido fosforoso (P(OH) 3) como subproducto. 3 R-OH + PBr3

3 R-Br + P(OH)3

El ácido fosforoso es soluble en agua, por lo que puede eliminarse fácilmente lavando el bromuro de alquilo con agua ó con una base acuosa diluida. Ejemplo: (H 3C) 2

CH

CH 2

OH

PBr3

(H 3C) 2

Alcohol isobutílico

CH

CH 2

Br

Bromuro de isobutilo ( 55-60%)

El mecanismo de la reacción de alcoholes primarios con tribromuro de fósforo involucra un desplazamiento SN2. MECANISMO DE LA REACCIÓN DE ALCOHOLES PRIMARIOS CON HBr 1er. paso: transferencia de un protón desde el HBr (o un catalizador) al alcohol para generar un ión oxonio (alcohol protonado). Esta es una reacción ácido-base rápida y reversible.

R

H

CH 2 O Alcohol (base)

H

+

H

Br

R

Bromuro de hidrógeno (ácido)

CH 2 O

H

+

Ión oxonio (alcohol protonado)

Br Ión bromuro

2do. paso: ataque nucleófilico del ión bromuro al carbono portador del ión oxonio, desplazando a una molécula de agua. Esta es una reacción tipo SN2 y es el paso determinante de la rápidez de reacción. H Br

R

CH 2

O

R



H

Br



OH2

C H

H

Estado de transición

Br

CH 2 R

+

Bromuro de alquilo

H2O

PROCEDIMIENTO Mezcle en un matraz pera de dos bocas, 5.8 g de bromuro de sodio, 6.0 mL de agua y 3.5 mL de n-butanol, agite y agregue piedras de ebullición. Monte un sistema de destilación fraccionada como el que se muestra en la siguiente figura.

Agregue gota a gota y con agitación 3.3 mL de H2SO4 concentrado a través del embudo de separación (la temperatura no debe pasar de 75 ºC). Una vez terminada la adición, caliente suavemente la mezcla de reacción con mechero a través de tela de asbesto usando un baño de aire (cubra la columna Vigreaux con fibra de vidrio). Colecte la fracción que destila entre 90-95ºC. Transfiera el destilado a un embudo de separación limpio y separe la fase acuosa (la densidad del bromuro de n-butilo es 1.286 g/mL). Lave la fase orgánica con 2 mL de disolución de carbonato de sodio al 10% y después con 2 mL de agua. Seque la fase orgánica con sulfato de sodio anhidro. Decante el producto a una probeta seca para medir el volumen obtenido. Determine el rendimiento del bromuro de n-butilo. Pruebas de identificación 1. Presencia de halógenos: en un tubo de ensayo limpio y seco, coloque tres gotas del producto obtenido, adicione 0.5 mL de etanol y 5 gotas de disolución de nitrato de plata al 5 %. Agite y caliente en baño maría por espacio de 5 minutos. La prueba es positiva si se forma un precipitado blanco, insoluble en ácido nítrico. 2. Presencia de insaturaciones: en un tubo de ensayo limpio y seco coloque 5 gotas del producto obtenido, adicione 1 mL de reactivo de bromo en agua y agite, observe e interprete los resultados.

ANTECEDENTES a) Sustitución nucleofílica alifática bimolecular (SN2), características, condiciones de reacción y mecanismo. b) Métodos de obtención de haluros de alquilo primarios a partir de alcoholes; características, ventajas y desventajas de cada método. c) Reacciones de alcoholes primarios con haluros de hidrógeno, características, condiciones de reacción y mecanismo.

CUESTIONARIO 1) Clasifique los siguientes haluros de alquilo como primarios, secundarios, terciarios, alílicos o bencílicos.

a)

Cl

d)

c)

b) Et

Cl

Cl Cl

Cl

e)

2) De las estructuras de los productos de sustitución (si los hay) de las siguientes reacciones, e indique el mecanismo mediante el cual proceden. a)

I

H3C

+

b)

+

HCl

T.ambiente

-

HO H2O

Cl

c) H2C CH3

CH3

+

+

d) HCl

-

HO H2O

CH2 Br

3) Indique cual de los siguientes alcoholes reaccionará más rápido frente a haluros de hidrógeno. Explique. a) Alcohol bencílico b) Alcohol p-metilbencílico c) Alcohol p-nitrobencílico 4) Desarrolle el mecanismo de la reacción entre n-butanol y HBr. 5) Realice un cuadro comparativo de las reacciones tipo SN1 y SN2 respecto a: a) Cinética de reacción b) Estereoquímica

c) d) e) f)

Condiciones de reacción Orden de reactividad del sustrato Reacciones en competencia Subproductos orgánicos

6) ¿Qué sustancias contienen los residuos de este experimento? ¿Qué tratamiento se les debe dar a los residuos antes de desecharlos al drenaje?

BIBLIOGRAFÍA S.H. Pine, Química Orgánica. Mc.Graw Hill Book Co., 2da. edición, México, 1988. R.T. Morrison y R.N. Boyd, Química Orgánica, Addison-Wesley Iberoamericana, Boston Massachusett, 1987. T.W. Solomons, Química Orgánica, editorial Limusa, México, 1979. R.Q. Brewster, Curso Práctico de Química Orgánica, 2da. edición, Editorial Alhambra, Madrid,1979. L.G. Wade, Química Orgánica, 5a edición, Pearson Educación S.A., Madrid, 2004.

OBTENCIÓN DE BROMURO DE n-BUTILO n-Butanol + NaBr + H2O 1) 2) 3)

Adaptar al matraz de reacción un sistema de destilación fraccionada Agregar H2SO4 concentrado (gota a gota) Calentar y destilar. Colectar la fracción destilada entre 90 y95 °C.

Destilado

Residuo

Bromuro de n-butilo, agua, H2SO4, n-butanol

n-Butanol, agua, NaHSO4, H2SO4, NaBr

4) Separar las fases en un embudo de separación.

D1 Fase orgánica

Fase acuosa

Bromuro de n-butilo, H2SO4

n-Butanol, H2SO4

5) Lavar con Na2CO3 al 10% 6) Lavar con agua Fase Acuosa

NaHSO4 Na2CO3

Fase Orgánica

D2

Bromuro de n-butilo húmedo 7) Secar con Na2SO4 anhidro

D3 Bromuro de n-Butilo

D1 = Destilar el n-butanol. Neutralizar el residuo y desecharlo. D2 = Destilar el n-butanol. Neutralizar el residuo y desecharlo. D3= Neutralizar y desechar.

EXPERIMENTO ALTERNO III

REACCIONES DE HIDRÓLISIS DE ÉSTERES

HIDRÓLISIS BÁSICA DEL POLIETILENTEREFTALATO

OBJETIVOS a) Efectuar una reacción de hidrólisis básica sobre un poliéster. b) Obtener ácido tereftálico a partir del polietilentereftalato de envases (PET). c) Conocer un método de reciclado químico del PET.

REACCIÓN

O

O

C

1) NaOH

C OCH2CH 2O

n

2) HCl

HO

O

O

C

C

Ácido tereftálico

Polietiléntereftalato

OH

+

HOCH 2CH 2OH

Etilenglicol

MATERIAL Matraz pera de una boca Refrigerante con mangueras Probeta graduada de 25 ml Embudo de vidrio Vaso de precipitados de 150 ml Embudo Buchner con alargadera Agitador de vidrio

1 1 1 1 1 1 1

Matraz Erlenmeyer de 125 mL Tela de alambre con asbesto Mechero con manguera Espátula Pinza de 3 dedos con nuez Matraz Kitasato con manguera Pipeta graduada de 10 ml

1 1 1 1 2 1 1

SUSTANCIAS Disolución de hidróxido de sodio al 33% 7.0 ml Ácido clorhídrico concentrado 5.0 ml PET de botella finamente cortado 1.0 g. INFORMACIÓN RECICLAJE DEL POLIETILÉNTEREFTALATO. HIDRÓLISIS ÁCIDA Y BASICA DE ÉSTERES. REACCIONES DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA EN EL ACILO (SNAc). El polietiléntereftalato o tereftalato de polietileno mejor conocido como PET, fue descubierto y patentado en 1941 por J. R. Whinfield y J. T. Dickinson. Este

polímero se usa principalmente para fabricar botellas desechables, películas y fibras textiles. Se emplea en la fabricación de la mayoría de recipientes para bebidas, ya que los envases obtenidos son ligeros, transparentes, brillantes y con alta resistencia a impactos; además tienen cierre hermético, no alteran las propiedades del contenido y no son tóxicos. Millones de toneladas de botellas de PET se producen cada año en el mundo, la mayoría de éstas termina en tiraderos de basura coadyuvando al deterioro ambiental. Se conocen tres clases de proceso para reciclar el PET: 1) El reciclado físico o mecánico, el cual consiste en la separación, lavado y triturado, para ser utilizado en procesos de inyección o moldeo de productos de menor calidad, o bien, nuevamente en la fabricación de envases, los cuales debido a posible contaminación, ya no poseen grado alimenticio. 2) El reciclado energético, que consiste en quemar el PET para la recuperación de calor (~6,300 Kcal/Kg). 3) El reciclado químico, que consiste en depolimerizar el PET en fragmentos pequeños por medio de una reacción química. Existen diversos tipos de reciclado químico dependiendo de la reacción implicada y de los productos obtenidos. Entre los métodos más utilizados de reciclado químico se encuentran: la glicólisis, la metanólisis y la hidrólisis. El presente experimento consiste en el reciclado químico del PET de envases mediante una hidrólisis básica. Reacciones de hidrólisis de ésteres Los ésteres se hidrolizan cuando se calientan con agua en presencia de ácidos ó bases fuertes. La hidrólisis de los ésteres es la más estudiada y mejor comprendida de todas las reacciones de sustitución nucleofílica en el acilo. Hidrólisis de ésteres en medio ácido La hidrólisis de los ésteres en ácido acuoso diluido es una reacción en equilibrio, es el proceso inverso de la esterificación de Fisher. Para hidrolizar al éster, la reacción se efectúa en presencia de exceso de agua, con lo cual el equilibrio se desplaza hacia la formación de ácido carboxílico y alcohol. O R

C Éster

OR'

+

O

Ácido

H2O

Agua

R

C

OH

Ácido carboxílico

+

R' OH Alcohol

Como se mencionó anteriormente, la reacción se lleva a cabo a través de un mecanismo de sustitución nucleofílica en el acilo. El ácido se utiliza en cantidades catalíticas, su función es protonar al oxígeno carbonílico del éster para aumentar el carácter electrofílico del carbono del carbonilo, y en consecuencia hacerlo más susceptible al ataque nucleofílico del agua, que es un nucleófilo débil. Este ataque da lugar a la formación de un intermediario tetraédrico, a partir del cual se forma el ácido carboxílico y el alcohol. El catalizador ácido se regenera al final de la reacción. Hidrólisis de ésteres en medio básico

La hidrólisis de los ésteres en presencia de bases se conoce como saponificación, haciendo referencia a su uso para fabricar jabones. Las bases que suelen utilizarse son el NaOH y el KOH. A diferencia de la reacción análoga catalizada por ácidos, la hidrólisis de ésteres en solución acuosa básica es irreversible, lo cual se debe a que los ácidos carboxílicos se convierten en sus iones carboxilato correspondientes, que son estables bajo las condiciones de reacción. Debido a que se consume, el ión hidróxido es un reactivo, no un catalizador; cada mol de éster a hidrolizar requiere una mol de hidróxido. O R

C Éster

O OR'

+

HO Ión hidróxido

R

C

O

Ión carboxilato

+

R' OH Alcohol

Esta reacción se efectúa también a través de un mecanismo de sustitución nucleofílica en el acilo (SNAc), siguiendo un proceso de adición – eliminación que implica al ión hidróxido como nucleófilo. Aunque el grupo carbonilo de un éster no es fuertemente electrofílico, el ión hidróxido es un buen nucleófilo y ataca al carbono del carbonilo para formar un intermediario tetraédrico (adición), que a su vez se disocia en un ácido carboxílico y un ión alcóxido (eliminación). El ácido carboxílico y el ión alcóxido llevan a cabo una reacción ácido-base entre sí, para formar el ión carboxilato y el alcohol. El mecanismo de reacción detallado de la hidrólisis básica de ésteres se muestra a continuación.

MECANISMO DE LA HIDRÓLISIS DE ÉSTERES EN MEDIO BÁSICO

Paso 1: adición nucleofílica del ión hidróxido al grupo carbonilo del éster para formar un intermediario tetraédrico.

O R

C

O O R'

+

R

O H

C

O R'

O

H

Intermediario tetraédrico

Paso 2: eliminación de un ión alcóxido con regeneración del grupo carbonilo, dando lugar a un ácido carboxílico.

O R

C

O O

H

+

O R'

R

C

O

Ión carboxilato

+

H O R' Alcohol

Paso 3: transferencia de protón del ácido carboxílico al ión alcóxido para obtener el ión carboxilato y el alcohol.

El paso 1 del anterior mecanismo es el que tiene la mayor energía de activación, por lo que es el que determina la rapidez de reacción. Los primeros dos pasos son reversibles, pero el último paso no lo es, lo que hace que la reacción total sea irreversible. En resumen, las principales diferencias entre la hidrólisis de ésteres en medio ácido y en medio básico son: 1. Para la hidrólisis en ácido acuoso, sólo se requiere una cantidad catalítica del ácido. Para la hidrólisis en base acuosa, se requieren cantidades equimolares de la base, porque ésta es un reactivo. 2. La hidrólisis de un éster en ácido acuoso es reversible. La hidrólisis en medio básico es irreversible: el ión carboxilato no puede ser atacado por el alcohol bajo las condiciones de reacción.

PROCEDIMIENTO Coloque 1.0 g. de PET de botella transparente, finamente cortado, en un matraz pera, adicione 7.0 ml de disolución de hidróxido de sodio al 33% (P/V) y

piedras de ebullición. Caliente la mezcla de reacción a reflujo utilizando un baño de aire, durante aproximadamente 1.0 hora. Una vez transcurrido el tiempo de reacción, filtre la mezcla por gravedad en caliente y lave los residuos sólidos con un poco de agua destilada. Deje enfriar el filtrado a temperatura ambiente. Agregue gota a gota y con agitación, ácido clorhídrico concentrado hasta un pH = 1. Enfríe la mezcla en baño de hielo. Filtre al vacío el sólido formado y lávelo con agua helada. Deje secar el producto y determine el rendimiento de la reacción (Nota). Nota: el ácido tereftálico sublima a 300 C.

ANTECEDENTES a) Hidrólisis de ésteres en medio ácido y básico, características, condiciones de reacción y mecanismos. b) Aplicaciones industriales de la reacción de saponificación. c) Usos del polietiléntereftalato. d) Diferentes métodos de reciclaje del PET; características, ventajas y desventajas.

CUESTIONARIO 1) Describa las características físicas y químicas del polímero polietilentereftalato. 2) ¿Cuál es la relación estequiométrica entre el NaOH y el PET en la reacción de hidrólisis? 3) ¿Cuál es la relación molar experimental entre el NaOH y el PET? 4) ¿Por qué se debe calentar la mezcla de reacción a reflujo? 5) ¿Cuál es la razón de filtrar la mezcla en caliente, una vez terminado el tiempo de reacción? 6) ¿Qué sustancias se encuentran en el filtrado? 7) ¿Qué reacción se lleva a cabo al agregar el ácido clorhídrico? Escriba la ecuación de la reacción correspondiente. 8) ¿En dónde se queda el etilenglicol y como lo recuperaría? 9) Proponga un mecanismo de reacción para la hidrólisis del PET en disolución acuosa de NaOH. 10) ¿Cómo comprobaría que obtuvo el ácido tereftálico? Proponga un experimento. BIBLIOGRAFÍA

D. Kaufman, “New Compounds from Old Plastics: Recycling PET Plastics via Depolimerization”, J.Chem. Ed., 76, 1999. A.N. Cammidge, “An Undergraduate Experiment in Polyester (PET) Synthesis”, J.Chem. Ed., 76, 1999. Ch. Manas y K.R. Salil, Plastics Technology Handbook, 3a. edición, 1998 L.G. Wade, Química Orgánica, 5a edición, Pearson Educación S.A., Madrid, 2004. F.A Carey, Química Orgánica, 6a edición, Mcgraw-Hill Interamericana, México, 2006. W.H. Brown, Introducción a la Química Orgánica, Compañía Editorial Continental, México, 2002.