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• Deisy Julieth Jimenez Corzo

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REACCIONES DE ACIDOS CARBOXILICOS Y DERIVADOS. Stefany De León, Nathalie García, Deisy Jiménez. Universidad del Atlantico Ingenieria Química Fecha de entrega: 11/09/2015 Resumen Los acidos carboxílicos son identificados por ser más acidos que el agua y el acido carbónico, gracias a esta propiedad química de ellos y con base en varias pruebas realizadas en el laboratorio se busca conocer e identificar las propiedades de los acidos carboxílicos y sus derivados, diferenciándolos por pruebas de solubilidad y de acidez, clasificándolos asi por medio de estos ensayos para conocer las caracteristicas que nos permitan identificarlos. Palabras claves: saponificación, solubilidad, derivados de acidos carboxílicos. Abstract The carboxylic acids are identified as being more acid than water and carbonic acid, thanks to this chemical property of them and based on several tests in the lab seeks to understand and identify the properties of carboxylic acids and their derivatives, differentiating by solubility tests and acidity, so classifying them through these trials for feature that allow us to identify them. Keyword: hydrolysis, solubility, derivatives of carboxylic acids.

I. Introducción La combinación de un grupo carbonilo y un grupo hidroxilo en el mismo atomo de carbono se denomina grupo carboxilo (ver figura 1.), a su vez los compuestos que contienen al grupo carboxilo tienen un carácter acido y por esto son denominados acidos carboxílicos. [2]

reemplazado por cualquier otro grupo. [1] Un acido carboxílico cede protones por ruptura heterolitica del enlace O-H dando un proton y un ion carboxilato (ver figura 2).

R

O

O

C

C OH

Ácido carboxilico

R

O

-

+

+

H

Ion carboxilato

O

Figura 2. Formación del ion carboxilato.

C R

OH

Figura 1. Grupo carboxilo. Un acido carboxílico alifático tiene un grupo alquilo unido al grupo carboxilo, mientras que un acido carboxílico aromatico tiene un grupo arilo. Los derivados de estos acidos organicos se originan en el momento en el cual el grupo funcional OH de la función carboxilo es

Los acidos organicos son compuestos muy polares y debido a esto sus moléculas pueden formar enlaces de hidrogeno entre si y con el agua[1], por eso tienen un punto de ebullicion muy superior a los alcoholes, cetonas o aldehídos de pesos moleculares semejantes [2]. Sin embargo los acidos carboxilicos de bajo peso molecular presentan solubilidad apreciable en agua, en cambio los que presentan largas cadenas de carbono (de por

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lo menos 10 carbonos) son esencialmente insolubles en agua pero son mas solubles en alcoholes debido a la formación de puentes de hidrogenos entre ellos.

estos presentan frente a otras sustancias.  Conocer la reacción de los compuestos con el grupo carboxilo frente a una base y saber por medio de esta las caracteristicas de ellos.  Diferenciar las propiedades fisicas de algunos acidos carboxilicos y sus derivados.  Analizar comos e pueden obtener productos euso cotidiano por medio de reacciones quimicas de compuestos carboxílicos.

[2]

Los acidos carboxílicos reaccionan por medio de adicion nucleofilica al grupo acilo, donde un nucleofilo reemplaza a otro en el atomo de carbono carboxilico. (Ver figura 3). O

O

+

C R

Nuc:

+

C

X

R

:X

III. Procedimiento experimental

Nuc

Figura 3. Sustitución nucleofilica en el grupo acilo.

Para la prueba de solubilidad y acidez se coloco en un tubo de ensayo aproximadamente 10 gotas de acido acetico y en otro tubo de ensayo, acido benzoico (solido). Luego se le adiciono agua a los tres tubos y se observo la solubilidad de cada sustancia. A la sustancia insoluble se le adiciono posteriormente NaOH al 10% (2mL) y se comparó nuevamente la solubilidad de este y del contenido de los otros tubos.

Los derivados de acidos se diferencian en la naturaleza de los grupos salientes enlazados al carbono carboxílico. La sustitución nucleofilica en el grupo acilo es el método mas frecuente de interconvenir estos derivados y dependen si se da en un medio acido o basico. O

O

C

C R

X

-

OM

R

Haluros de acido

O

Sales

+

C R

O

O

C

C

O Anhí dridos

R

R

O C OR

Ésteres

R

Aparte, en 4 tubos de ensayo se coloco 5 gotas de acido acético al primero, acido benzoico (solido) al segundo, fenol (solido) al tercero y β-naftol (solido) en el ultimo. A cada uno se le adiciono 2 mL de NaOH al 10% y se observo lo ocurrido.

NH2 Amí das

Respecto a la reactividad de los derivados de acidos carboxílicos, los haluros de acidos son los mas reactivos ya que presentan mayor tendencia a perder el halógeno por una especie nucleofilica. Las amidas son las menos reactivas hacia un ataque nucleofilica. Para hidrolizar las amidas estas se deben calentar hasta ebullición con acidos o bases inorgánicas. La hidrolisis básica de una amida primaria produce amoniaco y el ion carboxilato y la hidrolisis acida produce el acido carboxilico y el ion amonio.[1] Los acidos carboxílicos se encuentran en el centro de los compuestos carbonilicos, no solo son importantes por ellos mismos sino también por que sirven como materias de partida para la preparacion de numerosos derivados acidicos.

Posteriormente en un tubo de ensayo con una pizca de acetamida (solida) se adicionó 1 mL de NaOH al 10% y se calentó hasta ebullición, se repitió el mismo procedimiento reemplazando el NaOH al 10% por H2SO4 al 10%. Mientras se mantenía el calentamiento, debian notarse los olores provenientes del tubo sometido a calor. Finalmente se coloco una pequeña cantidad de aceite en un tubo de ensayo y se le adicionó metanol e hidróxido de sodio al 25% y se mezclo en calentamiente aproximadamente de 20 a 25 minutos. Luego a la grasa ya disuelta se dejó en reposo para posteriormente agregarle 15 mL de NaCl al 25%.

II. Objetivos  Identificar acidos y sus derivados por medio de sus propiedades físicas como la solubilidad asi como los cambios de que

IV. Discusión de resultados Solubilidad 2

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pero lo interesante fue que se forma una sola fase liquida uniforme como se muestra en la figura 5.

La primera parte de la practica fue colocar a prueba la solubilidad y acidez del acido benzoico (C6H5OOH) y acido acético (HC2H3O2). Se utilizó dos tubos de ensayo y se agrego acido benzoico en ambos siendo una pizca la cantidad inicial y luego se agrego 2 mL de agua destilada. Este acido benzoico es un solido incoloro en condiciones normales como las que se presentan en el laboratorio de organica, posee en su estructura molecular un anillo fenilico y un total de 7 carbonos que al contacto con agua a temperatura ambiente (26°C) no será soluble como se observa en la figura 4.

Figura 5. Acido Benzoico solubilizado La razón por la que esto sucede es debido a que el acido con el hidróxido de sodio presentan la siguiente reaccion acido-base: C6H5COOH + NaOH

El resultado de ello fue la sal benzoato de sodio (C6H5COONa) que por observacion presenta una gran solubilidad en agua por que su molecula se disocia formando la mezcla homogénea incolora que se muestra en la figura 5.

Figura 4. Acido benzoico El acido benzoico tiene la propiedad que su solubilidad aumenta con el agua a medida que aumenta la temperatura, y su restricción de formar puentes de hidrogeno con el agua es por la parte apolar de su anillo fenilico aunque el aumento de temperatura rompe dicha restricción y de hecho esta molecula puede perder electrones y formar un ion como se muestra en la reacción: C6H5COOH +H2O

C6H5COO-

En un tercer tubo se agrego acido acetico y agua, este presento una mezcla homogénea incolora por que el acido acético con formula molecular HC 2H3O2 donde solo hay dos carbonos y la presencia de un OH nos permite concluir que esta es una molecula completamente polar formando puentes de hidrogeno con el agua y de hecho el acido acético puede formar puentes de hidrogeno con el mismo como se observa en la figura 6.

C6H5COO-

Dicha propiedad de solubilidad en el agua del acido benzoico se puede “contrarrestar” al agregarles una base preferiblemente fuerte, en uno de los tubos de ensayo que tenia agua y acido benzoico cuando se agrego 2mL de una solución acuosa de NaOH al 10% como era de esperarse aumento su volumen 3

Universidad del Atlantico O ..........................H

ligeramente básico no tuvo la fuerza suficiente de desprotonar al acido benzoico para lograr disolverlo. Para el fenol no ocurre una reacción debido a que la mezcla fue insoluble. Y por ultimo el β-naftol también fue insoluble. (Ver figura 8.)

O

CH3

H 3C

O

H ..........................O

O

H 3 COOH + NaHC O3 → H 3 COONa+ H 2 O+ C O2

H3 C

(ecu1) O

H : ..........................O H H

Figura 6. Puentes de H Agua-Acido acético y Ac. Acético- Ac. Acetico. Acidez En los tres tubos de ensayo donde teniamos las muestras se utilizo un indicador univesrsal de pH, los resultados se pueden observar en la figura 7. El acido benzoico tuvo un pH = 14 y el acido acético obtuvo un pH = 1. Figura 8. Ensayo de clasificacion Hidrolisis de amida Inicialmente se tiene un tubo de ensayo con acetamida, al cual se le agrega 1 mL de NaOH y se calienta hasta ebullición, este proceso libera amoniaco. Hidrolisis básica de acetamida O

O

Figura 7. Papel indicador de las pruebas

NaOH,H 2O

C H3C

Ensayos de clasificación En el tubo de ensayo que contenia acido acético al agregarle la solución acuosa de NaHCO 3 al 5% esta se solubilizo pero no hubo ningún cambio notorio, lo que realmente ocurrio fue una reacción de neutralización (ecu1). En el caso del acido benzoico cuando se le agrego los 2ml del NaHCO 3 este empezó a desprender pequeñas burbujas, por lo tanto se observo una reacción exotérmica, la mezcla fue casi soluble pero debido a que el NaHCO 3 es

NH2

C H3C

-

O Na

+

+

NH3

Despues del calentamiento se percibe el olor a amoniaco, lo cual confirma que la reacción se a llevado a cabo. A continuación se uso el papel indicador de pH, y se obtuvo que la basicidad del compuesto es de 14. Con este pH se comprueba el desprendimiento de amoniaco ya que este compuesto es una base fuerte; 4

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entonces decimos que se trata de una hidrolisis en medio básico (Ver figura 9.)

Figura 10. Hidrolisis de amida en medio acido

Saponificacion

Figura 9. Hidrolisis de amida medio basico En la segunda parte de la hidrolisis de amidas se observa la hidrolisis de la acetamida en medio acido. Se tiene acetamida en un tubo de ensayo, a esta se le agrega 1 mL de acido sulfurico, luego se calienta. La reacción que ocurre en esta etapa es: Hidrolisis acida de acetamida O

O H 2SO 4,H 2O

C H3C

NH2

+

C H3C

+

NH4

OH

Se procede a medir el pH, utilizando papel indicador nuevamente. El pH obtenido es 1 lo cual indica presencia del acido acético (Ver figura 10.) Figura 11. Precipitado V. Preguntas 1. El agua y el aceite son insolubles y for-man al mezclarse dos capas líquidas dife-renciadas. De acuerdo a esto, si usted pone a reaccionar hidróxido de sodio acuoso con ácido ben-zoico disuelto en benceno, ¿cuántas capas encon-trará al final y sus respectivos componentes? Se encontraran dos capas, una donde esta el hidróxido de sodio acuoso y otra donse se encuentra 5

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el acido benzoico disuelto en ben-ceno ya que lo semejante disuelve lo semejante. KHKa =

2. ¿Cómo es la disociación del acetato de sodio en agua (parcial o total), el pH de esta solución será basico o ácido? Explicar con reacciones.

OH −¿ ¿ Ac−¿ ¿ ¿ [ AcH ] ¿ ¿

El acetato reacciona con el agua segun la ecuación:

KH =

El acetato reacciona con el agua segun el siguiente equilibrio: C2H3O2- + H2O

Kw Ka

=

10−14 moles 2 litro 2 Ka

→ pKH

3. De los derivados de ácido, ¿Por qué las amidas son los compuestos menos reactivos hacia un ataque nucleofilico?

OH −¿ ¿ C 2 H 3 O2−¿ ¿ ¿ [ C 2 H 3 O2 H ] ¿ ¿¿

Las amidas son menos reacticas que los cloruros de ácidos, los anhídridos y los ésteres, porque el Nitrogeno es menos electronegativo que el Cloro y que el Oxigeno. Estos atomos unidos directamente al carbono carbonilico por ser electronegativos le quitan densidad electrónica a este dejándolo asi mas susceptible para un ataque nucleofilico. Ademas, para una sustitucion nucleofilica es bueno que el grupo saliente sea menos básica, esta condición la cumplen los cloruro de acido, los anhídridos y los ésteres, cuyos grupos salientes serán el cloruro, un ácido o un alcohol los cuales son menos básicos que una amina, que será el grupo saliente en una amida.

C2H3O2- + H+

Donde:

Ka

Kw

C2H3O2H + OH-

Pero para calcular KH debemos tener en cuenta que el acido acético formado por hidrolisis, se disocia parcialmente: C2H3O2H + H2O

=

+ pKa =14

Donde:

KH

=

H +¿ ¿ OH −¿ ¿

Kw = 10-14moles2litro2

C2H3O2- + Na+

C2H3O2Na

Ac−¿ ¿ H+ ¿ ¿ ¿ ¿

C 2 H 3 O 2−¿ ¿ H +¿ ¿ ¿ ¿¿

4. Qué es una reacción de neutralización? Las reacciones de neutralización, son las reacciones entre un ácido y una base, con el fin de determinar la concentración de las distintas sustancias en la disolución. Tienen lugar cuando un ácido reacciona totalmente con una base, produciendo sal y agua. Sólo hay un único caso donde no se forma agua en la reacción, se trata de la combinación de óxido de un no metal, con un óxido de un metal. Las soluciones acuosas son buenas conductoras debido a la presencia de iones positivos y negativos a estos compuestos se les llama electrolitos. Los compuestos iónicos que se diso-cian completamente

Si multiplicamos ambas constantes (KH y Ka) tenemos que:

6

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se conocen como electrolitos fuertes, un ejemplo de ellos es el NaCl.

6. ¿Qué se entiende por saponificación? ¿Cuál es la estructura química general de grasas y aceites?

5. ¿En la hidrolisis básica de una amida, seria fundamental el papel indicador? ¿Por qué?

Se entiende por saponificación la reacción que produce la formación de jabones. La principal causa es la disociación de las grasas en un medio alcalino, separándose glicerina y ácidos grasos. Estos últimos se asocian inmediatamente con los álcalis constituyendo las sales sódicas de los ácidos grasos: el jabón. Esta reacción se denomina también desdoblamiento hidrolítico y es una reacción exotérmica.

Realmente el papel indicador si es fundamental. Porque si bien las amidas son compuestos neutros, cuando son hidrolizadas se reconstituyen los compuestos que le dieron origen: el acido correspondiente y amoniaco (este es una base). Las amidas se transforman en aminas y acidos carboxílicos por tratamiento sosa acuosa bajo calefacción.

La reacción típica es:

O

O NaOH,H 2O

C H3C

NH2

C H3C

[1]

ÁCIDOS GRASOS + SOLUCIÓN ALCALINA = JABÓN + GLICERINA

-

O Na

+

+

Así es como al mezclar los ácidos grasos (principales componentes de las grasas animales y de los aceites vegetales) con una solución alcalina (hecha a partir de una mezcla de agua y un álcali, como por ejemplo la sosa), se obtiene el jabón (que será realmente suave, porque además el otro subproducto que se obtiene de esta reacción es la glicerina).

NH3

[2]

La etanamida [1] se hidroliza en presencia de sosa acuosa, para formar etanoato de sodio [2]. El mecanismo de siguientes pasos:

reacción

transcurre

en los

Etapa 1. Ataque nucleófilo O

-

O

H3C

NH2

OH

Estructura general de las grasas:

H3C C NH2

C

OH

-

Etapa 2. Eliminación

VI. O

-

O H3C

C NH2

+

C

OH

H3C

Los derivados de el acido carboxílico son sustancias que dependiendo su estructura, esta podrá formar puentes de hidrogeno con el agua y solubilizarse en ella. Esto se debe a la polaridad del acido, si la sustancia es apolar deberá calentarse para romper dicha restricción que le impide formar puentes de hidrogeno o por su defecto como en el caso del acido benzoico se le puede agregar hidróxido de sodio.

-

NH2

OH

Etapa 3. Equilibrio ácido base desplazado. O

O

+

C H3C

OH

-

NH2

C H3C

O

-

+

Conclusion

NH3

VII. Referencias 7

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[1] Guía de Laboratorio de Química Orgánica, prácticas de docencia para el programa de ingeniería Química, 2013.

[3] McMurry, Jhon;Quimica Organica, 5ta edición, international Thomson editores, Mexico, 2011. Capitulo 20

[2] Wade Jr; L.G; Química Orgánica, Editorial Pearson, Madrid, España. Capitulo 20 y 21.

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