• Author / Uploaded
• Erick Hernandez

Citation preview

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

QUÍMICA ORGÁNICA I

“CLASIFICACIÓN DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS POR SU SOLUBILIDAD EN DISOLVENTES ORGÁNICOS Y SOLUCIONES REACTIVAS “

Objetivos de la actividad experimental: 1. Conocer el comportamiento de solubilidad de los compuestos orgánicos y soluciones reactivas. 2. Aprender a utilizar las pruebas de solubilidad para la selección del disolvente ideal en la recristalización. 3. Aprender a utilizar la información obtenida de las pruebas de solubilidad. 4. Reconocer la solubilidad como fenómeno físico que se relaciona con la estructura y polaridad de una molécula. 5. Clasificar lo disolventes como próticos y apróticos. Solubilidad: La solubilidad es la propiedad física de los compuestos que determina la cantidad de materia que se disolverá en un volumen determinado de disolvente a una temperatura específica. Una disolución es una mezcla entre uno o más solutos y un disolvente. En una disolución “al aumentar la proporción de soluto se obtienen soluciones cada vez más concentradas” Choppin, 1991. Pero existe un límite en la cantidad de soluto que puede disolverse. La solubilidad, como la mayoría de las propiedades físicas de una molécula, tiene origen en la estructura molecular del compuesto. En la mayoría de los compuestos orgánicos el tipo de enlace que une a los átomos es covalente, el cual se subdivide en enlace covalente polar y no polar. El primero (polar) se da cuando el momento dipolar de la molécula “μ” es diferente de cero, lo que quiere decir que existe una diferencia de electronegatividad entre los átomos que conforman la estructura como se ilustra en la imagen (1). La diferencia de electronegatividad se representa con cargas parciales, una positiva y otra negativa. El elemento con mayor electronegatividad adquiere la carga parcial negativa, y al de menor electronegatividad se le asigna la positiva. Imagen1. Enlace covalente polar. μ=0

El enlace covalente no polar se caracteriza por tener un momento dipolar “μ” igual a cero, lo que significa que la diferencia de electronegatividad entre los átomos de la molécula es muy pequeña o nula, como sucede con la molécula diatómica del hidrógeno. Imagen (2)

Imagen 2. Enlace covalente no polar entre átomos de H, con μ=0. Cabe destacar que la geometría molecular de un compuesto y la composición de la misma afectan la distribución en la electronegatividad de la molécula, como se ejemplifica a continuación con la molécula del agua. Imagen (3) Imagen 3. Geometría molecular del agua y distribución electrónica. Las flechas indican hacia dónde se concentra la electronegatividad.

Si bien la solubilidad de un compuesto orgánico está determinada principalmente por su estructura molecular, también es importante considerar el medio en el que se disolverá, es decir, el disolvente. Los disolventes también poseen cierta polaridad, y dependerá mucho de esta, la capacidad que tenga para disolver un soluto. La solución se da básicamente cuando existe una cantidad de energía alta entre las moléculas del disolvente capaz de romper los enlaces entre los átomos o grupos funcionales del soluto, que en este caso es un compuesto orgánico. Cuando se disuelve un soluto sus moléculas o iones quedan distribuidas más o menos al azar entre las del disolvente. El trabajo requerido para separar dos placas de cargas opuestas se disminuye con la introducción de materia entre ellas, por un factor llamado constante dieléctrica. Entonces el agua con una constante dieléctrica de 80, favorece la separación inteligente de iones sodio y cloruro, mientras que el ether (constante dieléctrica de 44), es un disolvente excesivamente malo para este tipo de sales. Una elevada constante dieléctrica es necesario pero no suficiente. El ácido cianhídrico (constante dieléctrica de 116) es un disolvente muy malo para las sales como el NaCl. La eficiencia del agua y otros disolvente oxihidrilados es su capacidad para formar enlaces de hidrógeno, por lo que hacen el agua un buen disolvente para las sales; también la hacen un disolvente malo para sustancias no polares.

En general debe esperarse que un disolvente polar sólo disuelve fácilmente solutos polares y un disolvente no polar solo solventes no polares “semejante disuelve semejante”. Ya que la mayoría de las moléculas orgánicas tiene tanto una parte polar como una no polar por lo que debería esperarse que la solubilidad dependiera del balance entre ambas partes. La selección de un disolvente en particular puede ser el factor más importante para determinar la rapidez de una reacción e incluso si se realiza o no, puede determinar cuál de los distintos caminos alternativos seguirá realmente una reacción. Los disolventes suelen clasificarse en: a. Disolventes polares: Son aquellos cuyas moléculas constituyentes tienen regiones densas electrónicamente (con grandes momentos dipolares y mayores constantes dieléctricas). Ejemplos de disolventes polares son: agua, etanol y ácido acético. b. Disolventes no polares: Son sustancias que carecen de un polo positivo y negativo en sus moléculas. Esto no implica que algunos de sus enlaces sean polares. Todo dependerá de la geometría de sus moléculas. Los disolventes polares particularmente se pueden clasificar como: A. Próticos. Son un conjunto de moléculas en general muy polares que contienen protones (H+) ácidos por lo tanto pueden formar enlaces de hidrógeno con el soluto. B. Apróticos. Son aquellos disolventes que no contienen hidrógenos ácidos, por lo que no pueden formar puentes de hidrógeno. Lo anterior nos da una ligera idea de que los compuestos polares próticos tienden a disolver sustancias polares con protones (H+) debido a la interacción puente de hidrógeno que puede darse a lugar entre las moléculas de la disolución. Análogamente es razonable considerar que los disolventes polares apróticos son capaces de disolver sustancias polares que carecen de protones.

En la siguiente tabla, se establece una clasificación general de los disolventes considerando su carácter polar o apolar y la capacidad para ceder protones y formar enlaces de hidrógeno. Tabla 1. Clasificación de disolventes Tipo de disolvente Próticos

Características Poseen grupo funcional capaz de ceder protones (Oh, NH, SH).

Capacidad para formar puentes de hidrógeno. Polares. Ejemplos: agua, ácidos carboxílicos, alcoholes, aminas. Apróticos polares

Carecen de grupos funcionales capaces de ceder protones. Constante dieléctrica alta. Polares. Ejemplos: nitrilos, cetonas, nitrocompuestos.

Apróticos apolares

Carecen de grupos funcionales capaces de ceder protones. Constante dieléctrica baja. Apolares Ejemplos: hidrocarburos, éteres, ésteres, halogenuros de alquilo.

También se anexa una tabla con datos referentes a los principales disolventes polares y no polares. Tabla 2. Disolventes polares y no polares.

Cristalización Es una de las técnicas más utilizadas para la purificación de sustancias sólidas. Se basa en el hecho de que la mayoría de los sólidos son más solubles en un disolvente a temperatura elevada que a temperatura baja, debido a la dependencia del producto de solubilidad de la temperatura. El método consiste en disolver el sólido que se va a purificar en el disolvente expuesto al calor (generalmente hasta el punto de ebullición); la mezcla se filtra en caliente para eliminar las impurezas insolubles y entonces se deja enfriar la disolución para que se

produzca la cristalización. Así, las impurezas solubles quedan en las aguas madres. Por último los cristales se separan por filtración y se dejan secar. El proceso se repite hasta que sustancia cristalizada sea completamente pura, lo cual se comprobará determinando el punto de fusión Importancia de las pruebas de solubilidad Las pruebas de solubilidad ayudan a determinar el grupo funcional que puede tener un compuesto desconocido. Información que se debe considerar: a) Agua Los compuestos solubles en agua tienen varias características: no tienen más de cuatro carbonos y tienen grupos polares de nitrógeno, oxígeno y azufre. Los compuestos que tienen cuatro carbonos o de bajo peso molecular los hace altamente solubles en agua. Los que tienen cinco o seis carbonos pueden ser insolubles o de solubilidad límite. b) HCl Una solución de ácido clorhídrico al 5% disuelve fácilmente las aminas de un compuesto, formando sal hidrocloruro, que también es soluble en medio acuoso. Esto sucede debido a una reducción en la composición base el ácido clorhídrico, que no puede disolver algunas aminas de los grupos di-arilo y tri-arilo, y otros elementos de alto peso molecular. c) NaOH o NaHCO3 Los ácidos fuertes se disuelven rápidamente en una base débil como el NaHCO3 al 5%. Una base fuerte como el NaOH reaccionará para disolver tanto ácidos fuertes como débiles. Por lo general, los ácidos carboxílicos, que son ácidos fuertes, son solubles tanto en NaOH como en NaHCO3. Los fenoles o los ácidos débiles solo se disuelven fácilmente en NaOH. d) H2SO4 /H3PO4 concentrado El ácido sulfúrico frío y concentrado disuelve muchos compuestos bastante rápido, alcoholes, aldehídos, alquenos, alquinos, amidas, ésteres, nitroaromáticos y cetonas. Esto ocurre debido a dos factores: el ácido sulfúrico tiene elevadas propiedades ionizantes y es un ácido fuerte. Las bases extremadamente débiles y los compuestos inertes (haluros de alquilo, muchos aromáticos simples y alcanos) no se disuelven en ácido sulfúrico. El ácido fosfórico es un disolvente ionizante relativamente más débil que el ácido sulfúrico, aunque aun así es capaz de disolver aldehídos, alcoholes y éteres, pero no aromáticos, alquinos y alquenos.

Disolvente

Fórmula

Masa molar (g/mol)

Densida d (g/mL)

Punto de ebullición (°C)

Punto de fusión (°C)

Metanol

CH OH

32.04

0.81

-97.80

64.7

Etanol

CHO

46.06

0.78

78.37

-114

Acetona

CH (CO)CH

58.08

0.78

56.50

-94

3

2

6

3

3

Ácido acético

CHO

60.05

1.05

118

16

Cloroformo

CHCl

119.38

1.48

61

-64

Tetracloruro de carbono

CCl

4

153.82

1.59

76.72

-22.92

Hexano

CH

14

86.17

0.66

69

-95.6

2

4

2

3

6

Resumen de las pruebas de solubilidad.

DIAGRAMA DE FLUJO

Mezclar en un matraz el sólido a purificar y la mínima cantidad de disolvente ↓ Se calienta hasta obtener una disolución

↓

Si al llegar a la temperatura de reflujo quedan pequeñas partículas sólidas, será necesario filtrar

↓ En este caso será necesario que el material utilizado para la filtración también esté caliente a fin de evitar precipitación al entrar en contacto con la disolución. ↓ Precaución: si el proceso de enfriamiento se realiza muy rápido, puede producirse una precipitación en lugar de cristalización ↓ Una vez filtradas, las aguas madre pueden recuperarse y podemos esperar la cristalización. Bibliografía    

Shriner, Ralph L. Identificacion sistematica de compuestos orgánicos. Limusa. México Casabo, J. Estructura atómica y enlace químico. Reverté. México Petrucci, Ralph H. Química general Autor Ralph H. Prentice Hall. México Morrison, R. T. y Boyd, R. N.: Química Orgánica. Addison-Wesley Iberoamericana. E.U.A.

Pruebas de solubilidad.

¿Qué es una prueba de solubilidad? Es el estudio del comportamiento de solubilidad de una sustancia desconocida en diversos reactivos, el cual puede proporcionar información valiosa respecto a su composición estructural. Las pruebas de solubilidad son una herramienta que los químicos utilizan principalmente para la identificación de compuestos orgánicos.

Dado que hasta la fecha se han preparado o aislado aproximadamente cinco millones de compuestos orgánicos. La identificación de estas sustancias es de gran importancia en las industrias química, La química forense (la identificación de drogas y otro tipo de evidencia policiaca), la química ambiental (identificación de contaminantes tóxicos, entre otros), el desarrollo de productos farmacéuticos, el desarrollo de nuevos polímeros, las áreas de investigación y desarrollo y de control de calidad de las empresas, sólo para nombrar algunas, dependen, en gran parte, de la habilidad de aislar, purificar e identificar compuestos químicos específicos

La determinación de las características de solubilidad de un compuesto orgánico puede dar información valiosa respecto a su composición estructural. Esta información es especialmente útil si se correlaciona con los datos espectroscópicos del compuesto. Se han propuesto varios esquemas para clasificar a una sustancia de acuerdo a los grupos funcionales que contiene, y de acuerdo a la solubilidad en varios solventes. Una versión simplificada se discute a continuación.

Uno de los retos más excitantes que enfrentan químicos e ingenieros químicos es la identificación de los compuestos orgánicos. Hasta la fecha se han preparado o aislado aproximadamente cinco millones de compuestos orgánicos. La identificación de estos materiales es de gran importancia; en las industrias química y de la transformación la identificación de las materias primas y de los productos es indispensable; ¡y parece ser una labor insuperable! Sin embargo, la mayoría de estas sustancias pueden agruparse en un número relativamente pequeño de clases. El ingeniero químico, trabajando con el químico, tiene a su disposición un enorme banco de datos de información química y espectroscópica que se ha obtenido a través de los años. La química forense (la identificación de drogas y otro tipo de evidencia policiaca), la química ambiental (identificación de contaminantes tóxicos, entre

otros), el desarrollo de productos farmacéuticos, el desarrollo de nuevos polímeros, las áreas de investigación y desarrollo y de control de calidad de las empresas, sólo para nombrar algunas, dependen, en gran parte, de la habilidad de aislar, purificar e identificar compuestos químicos específicos. La tarea de identificación se basó originalmente en las características de solubilidad de los compuestos y en ciertas pruebas químicas que pueden utilizarse para detectar la presencia de algunos grupos funcionales. Actualmente se utilizan extensamente técnicas espectroscópicas tales como infrarrojo, resonancia magnética nuclear, ultravioleta, visible y espectrometría de masas.

¿Cuál es la importancia de las pruebas de solubilidad? Estas pruebas pueden dar información útil relativa a la estructura del compuesto orgánico. Sirven para determinar el disolvente ideal de una sustancia y aplicar este conocimiento para llevar a cabo una recristalización. ¿Qué es la recristalización? La recristalización es una técnica instrumental muy utilizada en los laboratorios para llevar a cabo la purificación de sustancias sólidas que contienen pequeñas cantidades de impurezas. Esta técnica se basa en el hecho de que la mayoría de los compuestos incrementan su solubilidad con la temperatura, de modo que la muestra a recristalizar se disuelve en un disolvente o mezcla de disolventes a su temperatura de ebullición. Posteriormente, tras una serie de operaciones sencillas, se deja enfriar lentamente de modo que se genera una disolución del compuesto sobresaturada lo que favorece la formación de cristales de este al encontrarse en mayor proporción. La formación y crecimiento de cristales en una red ordenada de forma lenta favorece la incorporación de moléculas del compuesto excluyendo de esta red cristalina las moléculas de las impurezas, de modo que al final se obtiene un sólido enriquecido en el compuesto que queremos purificar. El primer paso para abordar un proceso de recristalización es la elección del disolvente. Para ello se realizan pruebas de solubilidad en distintos disolventes de modo que se introduce un poco del compuesto a recristalizar en distintos tubos de ensayo y se adiciona en cada uno los diferentes disolventes elegidos, se calienta y se observa que ocurre. El disolvente óptimo será aquél que disuelva completamente el compuesto en caliente y nada o muy poco en frío. Además es importante que cumpla otras dos características que son tener un punto de ebullición no excesivamente alto y ser inerte con respecto al compuesto a recristalizar para no modificar la integridad de éste.

La técnica más empleada para la purificación de compuestos sólidos es la cristalización, que consiste en disolver el soluto en la mínima cantidad de un disolvente caliente apropiado, dejar enfriar la solución para que se formen cristales y separarlos por filtración. • El disolvente ideal para recristalizar una sustancia es aquél en el que el soluto es poco soluble en frío y muy soluble en caliente. El disolvente ideal, no deberá solubilizar ninguna impureza, o deberá solubilizarlas tanto que al enfriar la solución queden disueltas en las aguas madres.

Interpretación de las pruebas de Solubilidad

Solubilidad en Agua. Como el agua es un compuesto polar es un mal disolvente de los hidrocarburos. Los enlaces oleofínicos y acetilénicos o estructuras bencenoides, modifican muy poco la polaridad, por lo que los hidrocarburos insaturados y aromáticos no difieren mucho de las

parafinas en su solubilidad en agua. La introducción de átomos de halógenos no altera notablemente la polaridad, pero aumenta el peso molecular y por esta razón disminuye la solubilidad en agua. Los compuestos monofuncionales, los del tipo de los éteres y los ésteres, y las cetonas, los aldehídos, los alcoholes, nitrilos, amidas, ácidos y aminas, pueden considerarse en conjunto por lo que respecta a su solubilidad en agua. En la mayoría de las series homologas de éste tipo, el LABORATORIO DE ANALISIS FUNCIONAL ORGÁNICO PRACTICA 2: SOLUBILIDAD DE COMPUESTOS 2 límite superior de la solubilidad en agua se encontrará cerca del miembro que contenga cinco átomos de carbono. Solubilidad en ácido clorhídrico. Las aminas alifáticas primarias, secundarias y terciarias forman sales (compuestos polares), con el ácido clorhídrico diluido. De aquí que las aminas alifáticas sean fácilmente solubles en ácido clorhídrico diluido. Las arilalquilaminas que contienen tan solo un grupo arilo, son solubles. Las amidas di-sustituidas son solubles en ácido clorhídrico. Solubilidad en soluciones diluidas de hidróxido de sodio y bicarbonato de sodio. Los ácidos carboxílicos, ácidos sulfónicos, ácido sulfínicos, fenoles, algunos enoles, imidas, compuestos nitroprimarios, secundarios y terciarios derivados del arilsulfonilo de las aminas primarias, arilsulfonamidas sin sustituir, oximas, tiofenoles y muchos otros tipos de compuestos menos familiares, son solubles en soluciones diluidas de hidróxido de sodio. Solo los tres

primeros grupos funcionales son solubles en soluciones diluidas de bicarbonato de sodio. Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado y frío. Éste disolvente se usa para compuestos neutros insolubles en agua, que no contienen más elementos que de carbono, hidrógeno y oxígeno. Si el compuesto es insaturado, se sulfona fácilmente y si posee un grupo funcional con oxígeno, se disolverá en ácido sulfúrico concentrado y frío. Frecuentemente la disolución en ácido sulfúrico, va acompañada de una reacción tal como la sulfonación, polimerización, deshidratación o adición del ácido sulfúrico a enlaces oleofinicos o acetilénicos.

Prueba de solubilidad en agua. Si la muestra desconocida es soluble en agua, pruebe si la solución es ácida o alcalina, tocando con la punta de la varilla de vidrio un pedacito de papel pH (no sumerja el papel en la solución.). Si el papel pH cambia de naranja a rojo, la solución es ácida y si el cambio es a verde o a azul, es alcalina. En vez de papel pH puede usarse papel tornasol (Litmus). El papel tornasol azul vira a rojo en medio ácido y el papel rojo vira a azul en medio alcalino. 2. Sólo si el compuesto es soluble en agua, determine la solubilidad en éter etílico. Si también es soluble en este solvente, la sustancia puede ser un alcohol, cetona, aldehído, éster, amida o nitrilo menor de cinco carbonos, o mayor, si es polifuncional. Si el compuesto orgánico problema es soluble en agua, pero insoluble en éter, probablemente se tratará de un azúcar, la sal de un ácido carboxílico o sulfónico, la sal de una amina o de un aminoácido. 3. Si la sustancia es insoluble en agua, pruebe su solubilidad en una solución al 5% de NaOH. Si es soluble,

determine la solubilidad del compuesto en una solución al 5% de NaHCO3. El uso de bicarbonato de sodio ayuda a distinguir entre ácidos carboxílicos (más fuertes, solubles) y fenoles (más débiles, insolubles).

Pasos en la recristalización: Los pasos a seguir en una cristalización son: a) Disolución del compuesto sólido en el disolvente ideal a ebullición. b) Eliminación de las impurezas coloridas (si las hay) por ebullición con carbón activado. c) Eliminación de las impurezas insolubles por filtración en caliente. (En el caso de haber usado carbón activado, se puede usar un ayuda-filtro). d) Inducción de la cristalización (formación de los cristales). Además de dejar enfriar a temperatura ambiente y luego en baño de hielo-agua, también se puede inducir la cristalización tallando las paredes del matraz con una varilla de vidrio, sembrando cristales, etc. e) Separación de los cristales de las aguas madres por filtración al vacío. f) Lavado de los cristales con un poco del disolvente frío. g) Secado de los cristales.