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INFORME Nº6 LAB. QUIMICA ORGANICA I AROMÁTICOS 1 DOCENTE: ING. M.Sc. ROBERTO PARRA ZEBALLOS ESTUDIANTE: TAMBO CHOQUE ALVARO CARRERA: ING. INDUSTRIAL FECHA: 25/10/2021 LA PAZ - BOLIVIA UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES 1.- OBJETIVOS 1.1. Objetivo genera Sintetizar la aspirina mediante la acetanilidación catalizada en medio acido de ácido salicílico con anhidro acético. 1.2. Objetivo especifico ➢ Aprender sobre los hidrocarburos aromáticos y sus diferentes funciones en laboratorio. ➢ Calcular el rendimiento teórico y experimental que obtenemos. ➢ Obtener aspirina. ➢ Aprender más sobre la acetanilidación. 2.- MARCO TEORICO 2.1. Hidrocarburos aromáticos Los hidrocarburos aromáticos son aquellos hidrocarburos que poseen las propiedades especiales asociadas con el núcleo o anillo del benceno, en el cual hay seis grupos de carbono-hidrógeno unidos a cada uno de los vértices de un hexágono. Los enlaces que unen estos seis grupos al anillo presentan características intermedias, respecto a su comportamiento, entre los enlaces simples y los dobles. Así, aunque el benceno puede reaccionar para formar productos de adición, como el ciclo hexano, la reacción característica del benceno no es una reacción de adición, sino de sustitución, en la cual el hidrógeno es reemplazado por otro sustituto, ya sea un elemento univalente o un grupo. También tenían bajas relaciones de hidrogeno a carbono y aromas agradables; se podían convertir en benceno o compuestos relacionados. A este grupo de compuestos se les llamo aromáticos, por sus olores agradables. A otros compuestos que no tienen estas características se les llamo alifáticos, que significa como grasa. Los orbitales moleculares (OM) del sistema Π conjugado de un hexatrieno se construyen combinaciones lineales independientes de los orbitales p (OA) de los carbonos implicados. Los orbitales van teniendo un carácter enlazante menor a medida que poseen más nodos donde la fase de los OA cambia. Los seis electrones se sitúan en los OM de más energía. Los OM del benceno se construyen de una formula molecular muy similar, pero el hecho de que los OA estén encerrados en un anillo cerrado cambia las cosas. Existen dos OM con un nodo y con dos nodos. como los nodos marcan la energía de los orbitales, la distribución resulta diferente que en el hexatrieno y aparecen dos pares de OM degenerados. Los seis electrones implicados se colocan de la forma indicada, que resulta mucho más estable que en el trieno conjugado. Los hidrocarburos aromáticos y sus derivados son compuestos cuyas moléculas están formadas por una o más estructuras de anillo estables del tipo antes descrito y pueden considerarse derivados del benceno de acuerdo con tres procesos básicos: 1. Por sustitución de los átomos de hidrógeno por radicales de hidrocarburos alifáticos 2. Por la unión de dos o más anillos de benceno, ya sea directamente o mediante cadenas alifáticas u otros radicales intermedios. 3. Por condensación de los anillos de benceno. 2.2. La regla de Hückel Relaciona la aromaticidad con el número de electrones deslocalizados en orbitales sp2 de una molécula orgánica plana y cíclica que tiene enlaces simples y enlaces dobles conjugados. En concreto, la regla de Hückel indica que una molécula plana es aromática si tiene 4n+2 electrones π, y anti aromática si tiene 4n electrones π. La importancia de la regla radica en la gran diferencia de estabilidad entre compuestos aromáticos, no aromáticos y anti aromáticos, de forma que se pueden hacer predicciones cualitativas sobre la estabilidad química de los diferentes compuestos de forma sencilla. En concreto se puede aplicar la regla de Hückel del siguiente modo: 4n+2 debe ser igual al número de electrones π (número de dobles enlaces x 2), si el número de electrones π es igual a "4n", será anti aromático. Si no cumple las reglas es no aromático. ➢ Benceno El benceno se conoce generalmente como “Benzol” cuando se encuentra en forma comercial (que es una mezcla de benceno y sus homólogos) y no debe confundirse con la bencina, un disolvente comercial compuesto por una mezcla de hidrocarburos alifáticos. ➢ La estructura del benceno Es una estructura cerrada con forma hexagonal regular, pero sin alternancia entre los enlaces simples y los dobles (carbono-carbono). Sus seis átomos de carbono son equivalentes entre sí, pues son derivados mono sustituidos, lo que les hace ser idénticos. Las longitudes de enlace entre los carbonos vecinos entre sí son iguales en todos los casos. La distancia es de 139 pm, no coincidiendo con la longitud media de un doble enlace, que es de 133 pm, ni siquiera a la de un enlace simple, que es de 154 pm. Los átomos de carbono del benceno, poseen una hibridaciónsp^2, en tres de los orbitales atómicos, y estos son usados para poder unirse a los dos átomos de carbono que se encuentren a su lado, y también a un átomo de hidrógeno. El orbital p (puro) de cada carbono restante, se encuentra orientado perpendicularmente al plano del anillo de hexágono, éste se solapa con los demás orbitales tipo p de los carbonos contiguos. Así, los seis electrones deslocalizados formarán lo que se conoce como, nube electrónica (π), que se colocará por encima, y también por debajo del plano del anillo. La presencia de la nube electrónica de tipo π, hace que sean algo más pequeños los enlaces simples entre los carbonos (C-C), otorgando una peculiar estabilidad a los anillos aromáticos. A través de reacciones de sustitución, los átomos de hidrógeno del benceno se pueden ver remplazados por diferentes sustituyentes de gran variedad, pudiendo ser éstos, halógenos, grupos alquilo, nitro, NO2, y un largo etc. De este modo podemos encontrarnos derivados mono sustituidos, di sustituidos y tri sustituidos. Podemos tener otros compuestos como ser: ➢ Naftaleno El naftaleno es un sólido blanquecino que predomina fundamentalmente en los combustibles fósiles. Posee un olor fuerte pero no desagradable, es bastante inflamable y fácilmente evaporable. Cuando se encuentra expuesto al aire es degradado por la humedad, la luz solar y por determinadas bacterias. Es insoluble en agua, pero bastante soluble en disolvente orgánicos como el tolueno y el benceno. La distancia C-C en el naftaleno son iguales. El enlace C (2)-C (3) es más corto porque tiene carácter doble en dos de las tres formas resonantes. Los demás enlaces son más largos porque tienen carácter doble en una sola de las formas resonantes. ➢ Antraceno El antraceno es un hidrocarburo aromático policíclico utilizado como materia prima para elaborar antraquinona. Ésta es una sustancia de partida en la síntesis de una amplia gama de colorantes. La estabilidad del antraceno no es triple de la del benceno. Es solo un poco mayor que en el naftaleno. En ninguna de las cuatro formas resonantes pueden reconocerse tres anillos de benceno. El antraceno puede sacrificar una parte de su aromaticidad para dar una reacción de Diels-Alder, actuando como dieno. Reacciona el anillo central porque así se obtiene un aducto que posee la aromaticidad completa de dos anillos de benceno. Cualquier otra posibilidad conduciría a un producto de aromaticidad más baja, y, por tanto, menos estable. ➢ Fenantreno El fenantreno es un hidrocarburo (posee en su estructura carbono e hidrógeno) cuyas propiedades tanto físicas como químicas son estudiadas por la química orgánica. Pertenece al grupo de los llamados compuestos aromáticos, cuya unidad estructural fundamental es el benceno. A los aromáticos también pertenecen los compuestos policíclicos fusionados, formados por varios anillos aromáticos que comparten un enlace carbono- carbono (C-C). El fenantreno es uno de estos, presenta en su estructura tres anillos fusionados. Sele considera isómero del antraceno, compuesto que tiene sus tres anillos fusionados en forma lineal. En condiciones relativamente enérgicas el fenantreno puedo hidrogenarse parcialmente. Se hidrogena el enlace 9,10 porque así se obtiene un producto que posee la aromaticidad completa de dos anillos de benceno. 2.3. Sustitución Aromática La reacción se produce cuando el HOMO del benceno traspasa electrones al LUMO del electrófilo, para dar un intermedio no aromático cargado positivamente. El carbono del benceno se re híbrida de sp2 inicial a sp3 en el intermedio. Este, aunque de mayor contenido energético que reactivos y productos, tiene una cierta estabilidad porque la carga positiva se deslocaliza entre las posiciones orto y para al lugar de ataque. La pérdida de un protón regenera el anillo aromático. El protón es captado por el contra ion negativo E+. 2.4. Reacciones de hidrocarburos Las reacciones más importantes del benceno y del hidrocarburo aromático son: la nitración, la sulforación, la halogenación, la alquilación, y la acilación de fridel-crafts. Estas reacciones y el análisis del comportamiento de orientación y de velocidad de reacción, de un anillo aromático sustituido, está en función de la inducción y la resonancia del grupo sustituyente, elementos fundamentales para la profundización del tema. En la nitración, para lograr un agente nitrante de carácter electrofílico, se mezcla ácido nítrico y ácido sulfúrico ambos concentrados, este último provee el medio suficientemente ácido para generar un ion nitrónio a partir del ácido nítrico, este a su vez el reactivo nitrante. Los mecanismos de sustitución en los hidrocarburos aromáticos comienzan con el ataque electrofílico por parte del ion nitrónio para formar al ióncarbonio intermedio, el cual en una segunda etapa transfiere un protón al ion bisulfato, por ser este la base más fuerte en la mezcla reaccionante, dando como resultado la formación del nitrocompuesto y la regeneración del ácido sulfúrico. 2.5. Reacciones ➢ Sustitución electrofílica 𝛗 − 𝐇 + 𝐇𝐍𝐎 𝟑 → 𝛗 − 𝐍𝐎 𝟐 + 𝐇 𝟐 𝐎 𝛗 − 𝐇 + 𝐇 𝟐 𝐒𝐎 𝟒 → 𝛗 − 𝐒𝐎 𝟑 𝐇 + 𝐇 𝟐 𝐎 𝛗 − 𝐇 + 𝐁𝐫 𝟐 + 𝐅𝐞 → 𝛗 − 𝐁𝐫 + 𝐇𝐁𝐫 + 𝐅𝐞 ➢ Reacción Fridel-Crafts 𝝋 − 𝑯 + 𝑹𝑪𝒍 + 𝑨𝒍𝑪𝒍 𝟑 → 𝝋 − 𝑹 + 𝑯𝑪𝒍 + 𝑨𝒍𝑪𝒍 𝟑 Otras reacciones de compuestos aromáticos incluyen sustituciones de grupos fenilos. 2.6. Aplicación y toxicidad Los hidrocarburos aromáticos pueden ser cancerígenos. Se clasifican como 2ª o 2B. La importancia económica de los hidrocarburos aromáticos ha aumentado progresivamente desde que a principios del siglo XIX se utilizaba la nafta de alquitrán de hulla como disolvente del caucho. En la actualidad, los principales usos de los compuestos aromáticos como productos puros son: la síntesis química de plásticos, caucho sintético, pinturas, pigmentos, explosivos, pesticidas, detergentes, perfumes y fármacos. También se utilizan, principalmente en forma de mezclas, como disolventes y como constituyentes, en proporción variable, de la gasolina. La absorción de los hidrocarburos aromáticos tiene lugar por inhalación, ingestión y, en cantidades pequeñas, por vía cutánea. En general, los derivados monoalquilados del benceno son más tóxicos que los dialquilados, y los derivados de cadena ramificada son más tóxicos que los de cadena simple. Los hidrocarburos aromáticos se metabolizan mediante la biooxidación del anillo. Si existen cadenas laterales, preferiblemente de grupos metilo, éstas se oxidan y el anillo permanece sin modificar. En gran parte se convierten en compuestos hidrosolubles y posteriormente se conjugan con glicina, ácido glucurónico o ácido sulfúrico y se eliminan en la orina. Los hidrocarburos aromáticos pueden causar efectos agudos y crónicos en el sistema nervioso central. La intoxicación aguda por estos compuestos produce cefalea, náuseas, mareo, desorientación, confusión e inquietud. 2.7. Nomenclaturas ➢ Monosustituidos − Se conocen muchos derivados de sustitución del benceno. Cuando se trata de los compuestos Monosustituidos, las posiciones en el anillo bencénico son equivalentes. Los sustituyentes pueden ser: alquenilos, alquilos, arilos. − Nombrar el sustituyente antes de la palabra benceno. ➢ Di sustituidos Cuando hay dos sustituyentes en el anillo bencénico sus posiciones relativas se indican mediante números o prefijos, los prefijos utilizados son orto-, meta- y para-, de acuerdo a la forma: − orto- (o-): Se utilizan en carbonos adyacentes. Posiciones 1,2. − meta- (m-): Se utiliza cuando las posiciones de los carbonos son alternadas. Posiciones 1,3. − ara- (p-): Se utiliza cuando las posiciones de los sustituyentes están en carbonos opuestos. Posiciones 1,4. ➢ Polisustituidos − Si hay más de dos grupos en el anillo benceno sus posiciones se deben indicar mediante el uso de números, la numeración del anillo debe ser de modo que los sustituyentes tengan el menor número de posición; cuando hay varios sustituyentes se nombran en orden alfabético. − Cuando alguno de los sustituyentes genera un nuevo nombre con el anillo, este pasa a ser el nombre padre y se considera a dicho sustituyente en la posición uno (Ej.: 1-amina-2-yodo benceno / 2-yodo anilina / orto-yodo anilina). ➢ Benceno como radical − El anillo benceno como sustituyente se nombra fenilo. − Cuando está unido a una cadena principal es un fenil. ➢ Aromáticos policíclicos − Para nombrar a este tipo de compuestos se indica el número de posición de los sustituyentes, seguido del nombre del sustituyente y seguido del nombre del compuesto. − El orden de numeración de estos compuestos es estricto, no se puede alterar y por ende tienen nombres específicos. 2.8. Sintesis De La Aspirina La acetilación es un mecanismo por el cual se añade un grupo acetil (CH3COO-), en este caso anhídrido acético, a un compuesto, en este caso a ácido salicílico. En el mecanismo de reacción se observa que el grupo hidróxido (-OH) del ácido salicílico es el nucleófilo, quien ataca al electrófilo, en este caso el carbono del carbonilo del anhídrido. Es importante destacar que la molécula de anhídrido acético es una molécula simétrica, teniendo dos carbonilos enlazados entre sí por un Oxígeno (como un Ester) y tiene también dos grupos metilos enlazados al otro extreme de cada carbonilo. Otro detalle importante es que el ácido salicílico también posee un grupo carbonilo, pero este, en comparación al anhídrido acético, no recibe el ataque nucleofílico en su carbonilo porque el anhídrido es más reactivo. Para esta reacción los productos deseados son Ácido Acetilsalicílico (Aspirina) y Ácido Acético. Todo este proceso se logra a través de la práctica. 3.- Metódica Experimental INICIO En un matraz de 100 mL. 2.5 g de ácido salicílico 5 mL de anhídrido acético 4 gotas de ácido sulfúrico concentrado Añadir un trocito de porcelana porosa Acoplar al matraz un refrigerante (engrasar los esmerilados). Mantener una temperatura de 60°C a 70°C Introducir en un baño de agua previamente calentado, utilizando la placa calefactora. Comparar temperatura con un termómetro. Enfriar hasta que el matraz llegue a temperatura ambiente Formación de una masa sólida. Se añaden entonces 25 cc de agua fría. Agitar bien la suspensión Recoger los cristales por filtración al vació Presionar el producto sobre el filtro con una espátula. Eliminar mayor cantidad de disolución acuosa acida. Extender el producto sobre el papel filtro. Secar minuciosamente. Pesar para determinar el rendimiento obtenido. Determinar el punto de fusión FIN Materiales − Matraz de fondo Redondo − Trocitos de porcelana porosa − Refrigerante − Vaso de precipitado − Pinzas − Placa calefactora − Vidrio de reloj −Espátula − Lubricante − Soporte universal Reactivos − Ácido salicílico − Ácido sulfúrico − Anhídrido acético − Agua destilada 4. Datos, Cálculos y Resultado REACTIVO PUREZA, peso/peso DENSIDAD CANTIDAD Acido salicílico 99.8 % - 2.5 g Anhidrido acético 99 % 1.083 g/cc a 15 oC 5 cc Masa papel filtro = 0.556 g Masa papel + aspirina = 2.756 g p.f. aspirina = 132 – 136 oC Calcular por Balance de Materia: 1. Para el balance de materia Vemos que se pierde 1,5168 g este mismo queda como residuo. 2. Reactivo Limitante Encontrar la masa de 𝐶4𝐻6𝑂3 =𝟓, 𝟑𝟔 𝒈 𝑪𝟒𝑯𝟔𝑶𝟑 Hallando el reactivo limitante = 𝟏. 𝟖𝟑 𝒈 𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟑 el reactivo limitante 𝟏. 𝟖𝟑 𝒈 𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟑 3. Rendimiento = 𝟐. 𝟖𝟒 𝒈 𝑪𝟗𝑯𝟖𝑶𝟒 𝒏 = 𝟗𝟏, 𝟔𝟕 % Análisis de videos ➢ Síntesis del ácido acetilsalicílico En el video que se vio se observa la síntesis del ácido acetilsalicílico realizando también unas breves referencias de su procedencia y la importancia actual que la sustancia tiene como medicamento. En este se describe todos los detalles de cómo sucede reacción, también como es que esta al proceso experimental para su síntesis y purificación introduciendo aquellos aspectos más importantes desde el punto de vista físico químico de cada una de sus etapas. Describiendo todos los detalles de dicho medicamento, como fue su descubrimiento como composición del mismo. Nos habla de cuáles son sus usos y como este ayuda a nuestra salud. Siendo así que es el farmacéutico más usado del mundo. Nos va narrando como es que ocurre la síntesis del mismo paso por paso usando catalizador en medio acido. Teniendo como resultado ácido acetilsalicílico. Siendo la purificación por recristalización. También nos da un protocolo de seguridad a la hora de manejo del mismo. ➢ Purificación de la aspirina En este video podemos ver cómo es que a la hora de saber si el ácido acetilsalicílico es puro hay dos formas, si este es de color café esto quiere decir que esta puro el compuesto obtenido sin embargo si es de color violeta nos quiere decir que hay que volver a hacer el proceso de purificación que se hace en presencia de etanol y agua en caliente. Luego con un filtro intermedio, en caliente, luego por precipitado y filtrado en presión reducida y con Fe podemos ver la purificación del mismo. Se emplea una reacción de esterificación catalizada en medio ácido H2SO4, donde el ácido salicílico tratado con anhídrido acético da ácido acetilsalicílico (aspirina). En dicha reacción, se transforma un grupo hidroxilo hasta un ester, obteniéndose como subproducto ácido acético. ➢ Reacción de identificación de Síntesis de la aspirina El ácido acetilsalicílico se sintetiza a partir de ácido salicílico y anhídrido acético en presencia de ácido, según la reacción indicada. Una vez sintetizado el ácido acetilsalicílico es necesario cristalizarlo para eliminar las impurezas que contiene. Este proceso debe realizarse una o más veces hasta lograr el producto puro. Después de la recristalización de la aspirina para ver que se haya obtenido el mismo, agarramos el FeCl3 poniendo unas cuantas gotas en el primer tubo de ensayo, siendo así que este cambia de color medio naranja claro. Siendo así que podemos comprobar que tuvimos como resultado del proceso aspirina. 4I Interpretación de los resultados Realizando cada procedimiento que dimos obtuvimos un resultado óptimo. Y podemos ver que los resultados en el laboratorio eran reales a lo que nos narran en el video. Por lo que podemos decir que nuestro rendimiento como balance de materia son correctos pues hicimos el tratamiento de datos que necesitamos de los mismos para asegurar estos. Podemos ver que nuestro laboratorio fue indicado de manera correcta siendo así que al final de dicho proceso vemos la obtención de aspirina. 6. Conclusiones Con la explicación del docente y los videos del laboratorio llevado a cabo nos ayudó aprender la síntesis de este analgésico tan requerido y usado. Como pudimos ver a lo largo del mismo observamos en los videos tanto buscados como dejados vimos como seria llevarlo en una forma presencial. Desarrollando así todo lo necesario como ser el balance de materia del mismo como también el rendimiento teniendo uno muy optimo, también viendo y aprendiendo la reacción química del mismo. Obtuvimos el reactivo limitante y de este mismo pudimos partir para nuestro balance de materia. Obtuvimos muchos de estos datos nuevos también e los videos que nos propusimos ver para ver este proceso, tomando también el punto de la recristalización, como último podemos afirmar que el laboratorio cumplió su objetivo y nos ayudó mucho. 7. Cuestionario 1. a) Calcular el rendimiento obtenido en la preparación de la aspirina. ¿Cuántos gramos de aspirina podríamos obtener a partir de 2 g de ácido salicílico y 2 g de anhídrido acético? a) Encontrar la masa de 𝐶4𝐻6𝑂3 =𝟓, 𝟑𝟔 𝒈 𝑪𝟒𝑯𝟔𝑶𝟑 Hallando el reactivo limitante = 𝟏. 𝟖𝟑 𝒈 𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟑 el reactivo limitante 𝟏. 𝟖𝟑 𝒈 𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟑 Para rendimiento = 𝟐, 𝟖𝟒 𝒈𝑪𝟗𝑯𝟖𝑶𝟒 𝒏 = 𝟗𝟏, 𝟔𝟕 % b) 𝟐𝑪𝟕𝑯𝟔𝑶𝟑 + 𝑪𝟒𝑯𝟔𝑶𝟑 → 𝟐𝑪𝟗𝑯𝟖𝑶𝟒 + 𝑯𝟐𝑶 Reactivo limitante Entonces el reactivo limitante es = Ácido salicílico La masa obtenida de aspirina será = 2,61 g 2. Si en la síntesis de la aspirina queda ácido salicílico sin reaccionar ¿qué procedimiento experimental, de los estudiados en este curso, podríamos utilizar para separar la aspirina? Pura Se debe hacer una extracción con un disolvente polar al otro menos polar. La sustancia más polar se disolverá en mayor proporción, puede ser necesario varias extracciones en línea para mejorar la separación y esto depende de los disolventes y la diferencia de la polaridad de las dos sustancias y finalizando evaporamos los disolventes y obtenemos el sólido y esta es la aspirina. 7. Bibliografía Guía de Hidrocarburos alifáticos- Ing. Roberto Parra https://www.youtube.com/watch?v=f1d3E5-Y1Bg https://www.youtube.com/watch?v=yiflZB5RYo0 (235) La aspirina, síntesis del ácido acetilsalicílico - YouTube https://www.youtube.com/watch?v=3JT6WfqXFvg https://www.youtube.com/watch?v=yiflZB5RYo0 https://www.youtube.com/watch?v=t5mpnZPXspo https://www.youtube.com/watch?v=3JT6WfqXFvg
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