Síntese de Ácidos Orgânicos

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UNIVERSIDAD DE CARTAGENA
Programa de Química
Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.
Síntesis de ácidos orgánicos
Leydis María López Castro
Universidad de Cartagena. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales. Programa de
Química. Laboratorio de Química Orgánica II
Resumen
En el presente informe se trabajaron con ácidos orgánicos , los cuales son compuestos que
contienen propiedades ácidas y se clasifican en ácidos carboxílicos, sulfónicos, alcoholes,
pero de una forma débil entre ellos el ácido benzoico y 2,4,6-trinitrofenol conocido como
ácido pícrico, el ácido salicílico el cual se utilizó para la síntesis del ácido acetilsalicílico
comúnmente denominada aspirina. Cada síntesis se realizó en diferentes ocasiones, con
metodologías similares, en el caso del ácido benzoico para la obtención del ya dicho se
realiza por medio de hidrólisis de nitrilos.
Palabras claves: Ácidos orgánicos, sulfónicos, carboxílicos, fenoles, propiedades
quimicas.
Abstract
In this report we worked with organic acids, which are compounds that contain acids and
are classified as carboxylic acids, sulfonic acids, alcohols, but in a weak form, including
benzoic acid and 2,4,6-trinitrophenol known as picric acid. , salicylic acid which was
improved for the synthesis of acetylsalicylic acid commonly called aspirin. Each synthesis
was carried out on different occasions, with similar methodologies, in the case of benzoic
acid, to obtain the aforementioned, it is carried out by means of nitrile hydrolysis.
Keywords: Organic, sulfonic, carboxylic acids, phenols, chemical properties.
1.- Introducción
Los ácidos orgánicos son compuestos
oxigenados derivados de los hidrocarburos que
se forman al sustituir en un carbono primario
dos hidrógenos por un oxígeno que se une al
carbono mediante un doble enlace, y el tercer
hidrógeno por un grupo (OH) que se une
mediante un enlace simple, el grupo formado
por esta sustitución, que como hemos dicho se
sitúa siempre en un extremo de la cadena y
reciben el nombre de carboxilo (Geissmann, T.
1974). Los ácidos carboxilos son los más
comunes cuya acidez está asociada con su
grupo carboxilo –COOH. Sin embargo, los
ácidos sulfónicos, que contienen el grupo
–SO2OH, son ácidos relativamente más fuertes.
Los alcoholes, los cuales presentan un grupo
–OH, pueden actuar como ácidos, pero
generalmente son muy débiles. La estabilidad
relativa de la base conjugada del ácido
determina su acidez. Otros grupos también
pueden conferir acidez, generalmente
débilmente: los fenoles, los mercaptanos (que
presentan el grupo tiol –SH), y los compuestos
que presentan el grupo enol (McMurry, J.
2001).
Los ácidos orgánicos especialmente el ácido
benzoico se sintetiza por medio de diversos
procedimientos entre ellos se encuentra la
oxidación de alcoholes, la reacción de un
reactivo de Grignard con dióxido de carbono y
la hidrólisis de nitrilos. Este último método se
desarrollará en la presente experiencia (Wade,
L.2011).
Los fenoles son compuestos orgánicos
aromáticos que contienen el grupo hidroxilo
(OH-)como grupo funcional. La débil acidez del
grupo fenólico ha determinado que estas
sustancias sean agrupadas químicamente junto a
los ácidos carboxílicos y a los taninos. Para la
formación de este fenol se puede realizar por
nitración directa del fenol en ácido nítrico
concentrado y sulfonación. En la síntesis de
aspirina se realiza una esterificación por medio
del ácido salicílico con anhídrido acético, en
presencia de un poco de ácido sulfúrico que
actúa como catalizador (Geissmann, T. 1974).
El ácido acetilsalicílico se comercializa con el
nombre de Aspirina por la casa Bayer, siendo
uno de los medicamentos más consumidos en el
mundo. Fue sintetizado a finales del siglo
pasado por el químico alemán Félix Hofmann.
Actúa como antipirético y fundamentalmente
como analgésico. Como antipirético ejerce su
efecto a dos niveles: aumenta la disipación
térmica mediante vasodilatación (acción poco
significativa) y actúa sobre el termostato
hipotalámico, que es el centro regulador de la
temperatura del organismo. Su vía de
administración es oral, ya que se absorbe bien
por el tracto gastrointestinal (Beyer, et al.
1987).
Objetivos
❖ Sintetizar y purificar el ácido benzoico
utilizando el método de hidrólisis de
nitrilos, y caracterizarlo por métodos
físicos, químicos y espectroscópicos.
❖ Preparar 2,4,6-trinitrofenol (ácido
pícrico)
❖ Preparar, purificar y caracterizar el
ácido acetilsalicílico (ácido
2-acetoxibenzoico), conocido
comercialmente como aspirina.
Materiales
● Balón de fondo redondo de 100 mL
● Refrigerante de bola
● Mangueras
● Pinzas
● Soportes
● Embudo Büchner
● Kitazato
● Bomba para filtrar al vacío
● Tubos de ensayo grandes (2)
● Vaso de precipitado de 250 mL
● Termómetro
● Erlenmeyer de 250 mL
Reactivos
● Benzonitrilo
● solución de NaOH 10%
● Solución diluida de HCl
● Fenol
● Ácido nítrico concentrado
● Ácido sulfúrico concentrado
● Ácido Salicílico
● Anhídrido acético
● Ácido sulfúrico concentrado
2.- Metodología
Paso 1. Síntesis del ácido benzoico: En un
balón de 100 mL se coloca el benzonitrilo y una
solución de hidróxido de sodio en 25 mL de
agua. El balón se conectó a un refrigerante de
bolas y la mezcla de reacción se colocó bajo
reflujo durante 45 min, tiempo durante el cual
desaparecieron las gotas oleosas del
benzonitrilo, el cual se encontraba en forma de
suspensión en el líquido. La solución se enfrió
en un baño de hielo y se añadió ácido
clorhídrico diluido hasta que el contenido
presente reacción ácida al papel tornasol. El
sólido obtenido se separó por filtración sobre un
embudo Buchner y se lavó con agua fría y se
secó.
Paso 2. Síntesis del ácido pícrico: Se disolvió
en un vaso de precipitado 0,4 g de fenol con 4
ml de H2SO4 concentrado, luego se añadió
gota a gota sobre una mezcla de 6 ml de HNO3
y 6 ml H2SO4; posteriormente se introdujo la
mezcla en un baño de agua caliente entre 80 y
100°c durante 15 min. Finalmente se trasvasó la
mezcla sobre un recipiente que contenía 25 ml
de agua fría hasta cristalización completa del
ácido pícrico, se separó los cristales por
filtración al vacío.
Paso 3. Síntesis de la aspirina: En un balón
pequeño, se colocan el ácido salicílico (5g),
anhídrido acético (10 mL) y ácido sulfúrico
concentrado (1 mL). Al agitar la solución
suavemente, la temperatura se eleva hasta
70-80°C y todo el ácido salicílico se disuelve.
Posteriormente, la mezcla de reacción se
calienta bajo reflujo en un baño de agua
caliente (70-80°C) durante 20 minutos; la
reacción exotérmica mantiene la temperatura de
la solución. La solución caliente se adiciona
sobre un vaso de precipitado que contiene agua
fría (50 mL), se agita bien la suspensión y los
cristales se separan por filtración al vacío. El
sólido se presiona sobre el filtro para eliminar
la mayor cantidad de agua posible. El sólido se
extiende sobre el papel filtro para secarlo al
aire. Una vez seco, el sólido se puede
recristalizar en benceno.
3.- Resultados y discusión
ÁCIDO BENZOICO
Es un ácido carboxílico aromático que tiene un
grupo carboxilo unido a un anillo fenílico. En
condiciones normales se trata de un sólido
incoloro con un ligero olor característico
(Geissmann, T. 1974).
Los nitrilos se hidrolizan al ser sometidos a
ebullición con ácidos minerales o álcalis en
solución acuosa, generando ácidos carboxílicos
mediante sustitución nucleofílica. La hidrólisis
de nitrilos es un proceso irreversible (Beyer, et
al. 1987).
Sabiendo lo anterior se puede observar el
mecanismo de reacción para la síntesis del
ácido benzoico
Mecanismo de reacción para el ácido benzoico
En la primera etapa se observa la protonación
del nitrilo, en la segunda etapa se presenta el
ataque nucleófilo del agua después se da la
desprotonación del agua. En algunos
mecanismos se da la tautomería esto se debe a
la producción de isómeros que se diferencian
solo en la posición del grupo funcional
Masa total de ácido benzoico + papel= 2.786g
Pesodel papel = 0.804g
Masa neto de ácido benzoico = 1.982g
En este proceso se pudo sintetizar 1.982g de
ácido benzoico como lo podemos ver en el
respectivo cálculo cuyas fuentes fueron
benzonitrilo e hidróxido de sodio.
El porcentaje de rendimiento del ácido
benzoico
así, calculamos el %𝑝 𝑜𝑏𝑡𝑒𝑛𝑖𝑑𝑜𝑝 𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑜 𝑥 100
rendimiento.
= %1,982𝑔2,371𝑔 𝑥 100
%= 83,59
Teniendo en cuenta el % anterior se puede
deducir que hubo pérdida de producto, o quizás
al momento de realizar el procedimiento no
tuvimos las precauciones adecuadas.
- Pruebas fisicas y quimicas:
Ahora bien, en las siguientes imágenes se
muestran los espectros Uv-Vis del ácido
benzoico, experimental y teórico.
Uv-vis
(Experimental)
Uv-Vis
(Teórico)
A partir de lo anterior los espectros poseen una
energía adecuada para producir transiciones de
electrones moleculares a niveles de energía
superior (Beyer, et al. 1987). Analizando el
espectro experimental vemos una banda ancha
entre los 190-250 se encuentra una banda
características de estos compuestos (R-COOH)
es el carbonilo (C=O). Dado que el oxígeno
posee pares libres. Lo que observamos luego de
los 250-350 nm es característico de la cadena
ramificada.
IR
del Ácido benzoico
Los espectros vis-UV tienen una resolución
más baja que los de IR debido a que cada nivel
electrónico se divide en niveles vibracionales y
estos a su vez en niveles rotacionales, de
manera que una transición electrónica consta de
un amplio conjunto de transiciones
roto-vibracionales. Los espectros de IR también
poseen bandas de una amplitud considerable
debido a las transiciones rotacionales que se
producen simultáneamente a las transiciones
vibracionales (Wade, L.2011).
Punto de fusión: Al realizar la prueba de fusión
en el fusiómetro se pudo observar el intervalo
de temperatura de este compuesto el cual
obtuvo un rango de punto de fusión lento de:
122,0 hasta 123,2 y el punto de fusión rápido
fue de 123,4.
Prueba de ácido carboxílico: Al hacer
reaccionar el ácido benzoico experimental con
la solución de bicarbonato de sodio este tuvo
efervescencia debido al grupo carboxilo que
contiene este compuesto.
Prueba con el anhídrido ftálico: Se inició
adicionando 1 g del ácido benzoico en un tubo
de ensayo, a este también se le agregó 1 gramo
de anhídrido ftálico seguido de 3 gotas de ácido
sulfúrico concentrado, luego se calentó por 5
minutos a una temperatura considerable.b
Después del calentamiento se le añadieron 2 ml
de solución de hidróxido de sodio
ÁCIDO PÍCRICO
Es un explosivo que se utiliza como carga
aumentadora para hacer explotar algún otro
explosivo menos sensible como el TNT. Forma
sales de Picrato, este ácido se puede obtener por
nitración directa del fenol en ácido nítrico
concentrado (McMurry, J. 2001).
El anillo aromático del fenol es altamente
activo para reacciones de sustitución electrófila,
e intentar la nitración del fenol, incluso con
ácido nítrico diluido, se traduce en la formación
de alquitránes de alta masa molecular
(Lamarque, A. 2008).
Masa Total de ácido pícrico + papel = 1.27g.
Masa del papel = 0.765g
Peso neto de ácido pícrico = 0.505
En la experimentación, al hacer reaccionar el
fenol sólido con el ácido sulfúrico concentrado,
hubo una reacción leve formación del ácido p-
fenolsulfónico.
La reacción efectuada durante el proceso de
obtención del ácido pícrico, se dio por el
mecanismo de sustitución electrofílica
aromática (Lamarque, A. 2008). Por lo cual el
mecanismo de la reacción fue la siguiente:
Mecanismo de reacción del ácido pícrico
Los fenoles son sustratos altamente reactivos
en la sustitución electrofílica aromática,
debido a que los electrones no enlazantes del
grupo hidroxilo estabilizan el complejo sigma
que se forma por el ataque de un electrófilo en
la posición orto o para, por esta razón el grupo
hidroxilo es fuertemente activante y orto, para-
directo (Beyer, et al. 1987).
- Pruebas fisicas y quimicas
-Punto de fusión: Al realizar la prueba de
fusión con ayuda de un capilar donde se
introdujo nuestra muestra a determinar este
arrojó una temperatura inicial de 121,4 yl luego
se fundió totalmente el compuesto a una
temperatura de 122,2 °C
-Prueba de ácido carboxílico: El fenol que
utilizamos en esta prueba es el que usualmente
se encuentra en la industria, este al ser expuesto
al bicarbonato de sodio no tuvo efervescencia
ya que solo contiene el grupo hidroxilo y la
solución que resultó de esta unión fue
heterogénea, similar a la del agua y el aceite
Cabe resaltar que el ácido pícrico también tuvo
efervescencia como la mayoría de los otros
compuestos, pero este en particular tuvo mucha
más efervescencia al ser expuesto al
bicarbonato.
-Prueba con anhídrido ftálico: Cuando se
adicionaron las 3 gotas de ácido sulfúrico el
fenol reacciona dando un color naranja rojizo y
luego del calentamiento y la adición de NaOH
este se tornó a un fuerte color violeta, dando
obviamente un resultado positivo.
El ácido pícrico dio una fuerte reacción al
momento en que se le añadió la solución de
hidróxido de sodio ya que la primera solución
se calentó más de lo estipulado, pero aun así el
resultado fue el esperado. Este ácido dio
positivo para esta prueba, arrojando un color
rojizo y así demostrando que es portador del
grupo hidroxilo, teniendo en cuenta que este
compuesto es obtenido por medio de un fenol
IR Acido picrico
Uv-Vis
Uv-Vis
Analizando el espectro Uv-Vis e IR. Podemos
decir que el fenol presenta una banda de
absorción C-O por encima de 1200 cm-.
También que la presencia del grupo O-H puede
ocasionar problemas al cromóforo del benceno.
ÁCIDO ACETILSALICÍLICO
El ácido acetilsalicílico conocido popularmente
como aspirina, es un medicamento que
pertenece al grupo de los salicilatos
(Geissmann, T. 1974).
El ácido acetilsalicílico se sintetiza a partir de
ácido salicílico y anhídrido acético en presencia
de ácido, según la reacción indicada.
Después de realizar el proceso de síntesis
tenemos los siguientes datos
Masa total de aspirina + papel: 8.059g
Masa del papel: 0.88g
Peso neto de aspirina: 7.179g
En esta síntesis fueron producidos 7.179g de
síntesis de acetilsalicílico donde se utilizó como
fuente de obtención ácido salicílico, anhídrido
acético y como catalizador ácido sulfúrico.
Mecanismo de reacción para el acetilsalicilico
La reacción química de la síntesis de la aspirina
se considera una esterificación. El ácido
salicílico es tratado con anhídrido acético, un
compuesto derivado de un ácido, lo que hace
que el grupo alcohol del salicilato se convierta
en un grupo acetilo (Lamarque, A. 2008).
- Pruebas quimicas y fisicas
Se observan en las siguientes imágenes el
espectro uv-vis del ácido acetilsalicílico e IR
del mismo.
Uv-vis
IR del ácido acetilsalicílico .
De lo anterior se puede decir que no hay una
buena resolución pero se observan unos picos
entre la banda de 2500 - 3400 cm-1 que es
característico de los enlaces O-H t. Entre 1750-
1700 cm-1 podemos encontrar diferentes
enlaces C=O. Entre 1100- 1300 cm-1 se pueden
observar los enlaces C-O y entre ese rango hay
un pico en cuales de 1181 cm-1 el cual
caracteriza el enlace C-O.
-Punto de fusión: Aspirina teórica: 135°C
Aspirina experimental: 125 °C
Rango de temperatura del fusiómetro para la
Aspirina teórica: 120°C a 140°C. El punto de
fusión de la aspirina experimental en
comparación de la aspirina teórica es
extremadamente bajo y esto es debido a
contaminantes que alteran la pureza de dicho
compuesto.
-Prueba de ácido carboxílico: La Aspirina que
se utilizó para esta prueba fue la obtenida en
prácticas anteriores y sí tuvo efervescencia al
momento que se le añadió la solución de
bicarbonato.
-Prueba con anhídrido ftálico: Para el ácido
acetilsalicílico portador de un grupo carboxilo y
proveniente del ácido salicílico se obtuvo un
resultado negativo a la prueba con anhídrido
ftálico, es decir, no dio ningún color, debido a
que no contiene ningún fenol ya que en la
síntesis del ácido salicílico se sustituyó el OH.
4.- Conclusiones
Para finalizar debemostener en cuenta que se
obtuvieron los resultados esperados, se pudo
reconocer cómo se comporta a ciertas
reacciones con otros compuestos y que si no se
llevan explícitamente los procesos pueden
existir alteraciones al momento de obtener la
muestra y en su defecto sobre los procesos que
le siguen a esta como lo es punto de fusión,
entre otras. además de saber cómo se
comportan o saber identificar estos grupos
funcionales como el fenol y la obtención del
ácido pícrico. Debemos tener como
observación la importancia de que los procesos
sean llevados a cabo minuciosamente con el fin
de no alterar resultados a partir de
procedimientos mal realizados.
5. Referencias Bibliográficas
● Beyer, H. Walter, W. (1987). Manual
de Química Orgánica. Barcelona: Ed.
Reverte. Pp. 356-359.
● Geissmann T.A. Principios de Química
Orgánica. 2° ed. California. Editorial
Reverté.1974. Pág. 733-734.
● Lamarque, A. 2008. Fundamentos
teóricos prácticos de química orgánica.
Editorial Brujas, argentina. 128 pp.
● McMurry, J. 2001. Química Orgánica.
5a. edición. Internacional Thomson
Editores, México.
● Wade L. Química Orgánica. 7° ed.
México: Pearson Educación; 2011. Pág.
478-479.