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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS Y FARMACIA
Escuela de Química
Departamento de Química Orgánica
Química Orgánica IV
Cátedra: Licenciada Idolly Carranza
INFORME FINAL DE INVESTIGACIÓN
BÚSQUEDA DE ALTERNATIVAS DE SÍNTESIS “VERDES” PARA
REALIZAR LAS PRÁCTICAS DE SÍNTESIS DE ACETATO DE
CELULOSA, SÍNTESIS DE ACETANILIDA Y SÍNTESIS DE
AZOCOLORANTE
Bryant Barrientos Castellanos
Carné: 200810230
Licenciatura en Química Pura
Guatemala, 29 de abril del 2011
INDICE
I. RESUMEN 1
II. INTRODUCCIÓN 3
III. ANTECEDENTES 5
1. Nociones Previas 5
2. La Química Verde 5
3. Acercamientos Experimentales 6
4. Diseños de Síntesis 7
a. Síntesis de Acetato de Celulosa 7
i. Método convencional 7
ii. Alternativas de Diseño de Síntesis Verde 8
b. Síntesis de Acetanilida 8
i. Método convencional 8
ii. Alternativas de Diseño de Síntesis Verde 8
c. Síntesis de un Azocolorante 9
i. Método convencional 9
1. Síntesis de Naranja de metilo 9
2. Síntesis de Naranja II 9
3. Síntesis de Magneson II 10
ii. Alternativas de Diseño de Síntesis Verde 10
5. Información Adicional 10
IV. JUSTIFICACIONES 12
V. OBJETIVOS 17
VI. HIPÓTESIS 18
VII. MATERIALES Y MÉTODOS 19
VIII. CALENDARIZACIÓN 28
IX. ASPECTOS ECONÓMICOS 29
X. RESULTADOS 31
XI. DISCUSIÓN 39
Índice
XII. CONCLUSIONES 48
XIII. RECOMENDACIONES 49
XIV. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 50
XV. ANEXOS 4?
I. RESUMEN 1
Se han planteado rutas alternas que conllevan a una práctica más
“verde” para tres de las prácticas que se llevan a cabo en el
curso de Química Orgánica II que se imparte en el Departamento de
Química Orgánica de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de
la Universidad de San Carlos de Guatemala a los estudiantes de las
carreras de Biología, Nutrición, Química Biológica y Química
Farmacéutica. Siendo dichas prácticas Síntesis de Acetato de
Celulosa, Síntesis de Acetanilida y Síntesis de Azocolorante.
De conformidad con los datos obtenidos en el departamento de
Química Orgánica, en el año 2010, 216 estudiantes se inscribieron
al curso de Química Orgánica II; de los cuales 14 fueron
estudiantes de Biología, 57 de Nutrición, 68 de Química Biológica
y 77 de Química Farmacéutica.
De una manera muy general, se ha buscado recrear las condiciones
de reacción de manera altamente reproducible en tiempos cortos;
con procedimientos que conlleven al menor número de operaciones
unitarias en la práctica y hagan fructíferas prácticas no
cuantitativas, de carácter demostrativo, basándose en un diseño de
síntesis “verde” en comparación con los que se describen en el
Manual de Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica II.
Al realizar la síntesis de acetato de celulosa se minimizó el
costo de la práctica al lograr reducir la cantidad de reactivos
significativamente, utilizando aproximadamente 0.1g de algodón,
0.20mL de anhídrido acético, 0.05mL de ácido sulfúrico y 25
segundos de irradiación con el horno de microondas; lo cual reduce
en un factor mayor a 16 la cantidad de reactivos. A pesar de las
cantidades aparentemente “pequeñas” el resultado es evidente a la
vista. Además, se logró reducir el tiempo de la práctica a
aproximadamente 10 minutos. Se logró también reducir la cantidad
de desechos por práctica y se erradicó el uso de ácido acético
glacial. Adicionalmente se han realizado pruebas con catalizadores
como yodo y carbonato de calcio.
2 Resumen
Para la síntesis de acetanilida se optimizó la economía de la
práctica, logrando reducir la cantidad de reactivos (hasta 16
veces) y con ello mejorando la seguridad personal del estudiante.
Por otra parte, la separación del producto es muy sencilla y el
mismo se presenta agradable a la vista y cumple, sin una
purificación exterior, con el punto de fusión teórico. El tiempo
en el cual se completa la práctica es mucho menor, tomando como
máximo 10 minutos. La cantidad de desechos que se producen es
evidentemente menor y no es necesario utilizar hielo para llevar a
cabo la reacción.
La práctica de Síntesis de Azocolorante hace referencia a la
síntesis de: a) naranja de metilo, b) naranja II y c) magnesón II.
En el presente proyecto se plantea una posible ruta para
sintetizar magnesón, sin embargo, los recursos limitados hicieron
imposible constatar su factibilidad; no obstante, se ha constatado
la factibilidad de los productos a) y b). Además de reducir la
cantidad de reactivos para llevar a cabo dicha práctica, se ha
eliminado el uso de solventes y reactivos básicos que únicamente
funcionaban como medio de reacción; esto evidentemente beneficia
la purificación, el rendimiento (economía del átomo), tiempo
invertido, exposición a químicos, generación de desechos, etc.
En general, las prácticas antes descritas del Manual de Prácticas
de Laboratorio de Química Orgánica II, han sido rediseñadas de una
manera más verde desde uno o varios puntos de vista; cumpliendo
con los objetivos planteados en este proyecto.
I. INTRODUCCIÓN 3
La química está pasando por momentos complicados, por un lado se
cuenta con una gran demanda de innovación y desarrollo; tanto así
que la industria química crece alrededor de un 5% anual. Sin
embargo, en el otro lado, la industria química –así como los
laboratorios de investigación y las academias- se encuentran
rodeados de una presión social, económica y ambiental sin
precedentes y parte de ello se debe a la producción de desechos.
Los desechos de la industria química son agentes potencialmente
contaminantes y por ende causantes de la polución mundial.
Para competir en los mercados, la industria química del futuro
debe tener altos niveles de eficiencia; haciendo el mejor uso de
los materiales de desecho. Esto conlleva a minimizar la cantidad
de desechos, utilizar los materiales de desecho en otros procesos
industriales y hacerlo en el menor tiempo posible. Estos factores
permiten mantener bajos los costos de los productos y actividades
de investigación y desarrollo; ya que en países como Estados
Unidos se han puesto impuestos sobre los desechos producidos,
además de que existen leyes federales que castigan la polución.
Para cumplir con dichos supuestos, es imprescindible que desde la
educación Universitaria se instruya al futuro profesional de las
ciencias químicas y sus afines en metodologías de este tipo.
La química verde es un concepto que busca que las personas que se
dedican a la química busquen e implementen técnicas y procesos
químicos que permitan un mejor desempeño, eficiencia y que
reduzcan los riesgos a la salud y al ambiente que son inherentes
al trabajo con químicos. Para dicho efecto hay que tener en cuenta
4 Introducción
los términos eficiencia del átomo, minimización de desechos,
reducción de desechos y energías y materias primas.
Resulta evidente entonces, que si realmente deseamos hacer una
diferencia en el impacto de la química al medio ambiente;
necesitamos conocer la química ambiental. La química de la
atmósfera, la química de la tierra y de los océanos (o cuerpos de
agua). Con este conocimiento, estamos en la aptitud de crear
productos y procesos químicos amigables al medio ambiente.
Hay que tomar en cuenta que tanto para tareas de aprendizaje,
investigación o industriales, el concepto de Química Verde es
aplicable, ya que el desarrollo sostenible de la población mundial
no debe comprometer el desarrollo de futuras generaciones. Es
precisamente en el ámbito del aprendizaje al cual se destina este
protocolo de investigación –y su posterior ejecución-.
El protocolo se enfocará a evaluar la posibilidad de realizar las
prácticas de “síntesis de acetato de celulosa”, “síntesis de
acetanilida” y “síntesis de azocolorante” del Manual de Prácticas
de Laboratorio de Química Orgánica II (Pinagel, et al.); por una
vía que involucre los conceptos de química verde. Además, de ser
factible la realización de dichas prácticas, se realizará una
propuesta formal para llevarlas a cabo en la academia;
reemplazando a las antiguas.
II. ANTECEDENTES 5
1. Nociones Previas
La idea de innovar procesos y productos químicos, y posicionarlos
en el mercado a un precio competitivo es, en sí mismo, el motor
principal de las ideas de química verde; aunque quizá en un
contexto muy primitivo y con una visión únicamente capitalista.
Aquí se introduce la idea de química verde al hacer los procesos
más eficientes; optimizando el uso de recursos como materia prima
y energía. Sin embargo, el concepto ideal de “química verde” es un
poco más complejo que esto.
2. La Química Verde
La química verde se define por Clark y Macquarrie (2002) como:
“…el desarrollo sostenible de productos y procesos químicos más
amigables al ambiente…” El término ya se había propuesto hace más
de veinte años por la Agencia de Protección ambiental de Estados
Unidos como: “La utilización de un conjunto de principios que
reduce o elimina el uso o generación de sustancias peligrosas en
el diseño, manufactura y aplicación de productos químicos. (Paul
Anastas, 1991)”. Clark y Macquarrie proponen doce principios para
la química verde que se listan a continuación:
1.-Prevenir la generación de desechos es mejor que tratarlos o
limpiarlos.
2.-La síntesis química debe maximizar la incorporación de toda la
materia prima.
6 Antecedentes
3.-La síntesis química ideal debe utilizar y producir sustancias
no peligrosas.
4.-Los productos químicos deben ser diseñados para no ser tóxicos.
5.-Los catalíticos son superiores a los reactivos.
6.-El uso de materiales auxiliares se debe minimizar.
7.-La energía que demanda una síntesis química debe ser
minimizada.
8.-Los materiales de desecho producidos deben ser reutilizables.
9.-Los productos secundarios deben ser minimizados.
10.-Los productos químicos deben descomponerse en productos
inocuos.
11.-Los procesos químicos requieren un mejor control.
12.-Las sustancias deben de presentar el mínimo riesgo de
accidentes.
Esto se puede resumir en que se debe considerar la eficiencia,
fuentes de energía, fuentes de materia prima, síntesis limpias y
desarrollo.
3. Acercamientos Experimentales
En el transcurso de los últimos veinte años, se han planteado
varias rutas sintéticas verdes, además de varios productos
“verdes”; un ejemplo de ello es el desuso de los detergentes
fosfatados y el uso de los detergentes sulfatados –y en esta
industria se pueden observar innumerables ejemplos de prácticas
cada vez más amigables al ambiente-. Tundo, Perosa y Zecchini
(2007) dan a conocer en su libro una serie de temas como
“reactivos verdes”,
Antecedentes 7
“condiciones alternativas de reacción” y “catálisis verde y
biocatálisis”; en general. Estos son parte de la base de la cual
se partirá para diseñar las nuevas propuestas de reacción.
4. Alternativas Verdes de Síntesis
En el curso de Química Orgánica II que se imparte a las carreras
de Biología, Nutrición, Química Biológica y Química Farmacéutica
de la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de la Universidad
de San Carlos de Guatemala existen prácticas de laboratorio que,
tras una revisión apresurada, se pueden diseñar de una manera más
“verde”.
Realizando una búsqueda exhaustiva de documentos en libros,
revistas y en el internet, se han encontrado algunos diseños de
reacción más verdes para la síntesis de acetato de celulosa, la
síntesis de acetanilida y las síntesis de azocolorantes.
a. Síntesis de Acetato de Celulosa
i. Métodos Convencionales
La síntesis de acetato de celulosa se ha llevado a cabo
convencionalmente en el curso mencionado anteriormente a partir de
algodón como fuente de celulosa, anhídrido acético como agente
acilante, ácido acético como solvente y ácido sulfúrico como
catalizador; tomando más de 24 horas en total. Además se utiliza
cloroformo para purificar el producto.
8 Antecedentes
ii. Alternativas de Diseño de Síntesis Verde
Revisando la literatura se han encontrado dos alternativas más
verdes para dicha síntesis. Entre las mismas se tienen técnicas
por irradiación con microondas (Li, et al., 2009) y técnicas en
líquidos iónicos (Cao, et al., 2007 y Barthel y Heinze, 2006). La
técnica de líquido iónico se describe por Tundo, Perosa y Zecchini
(2007) de manera general y para varios sustratos. Las técnicas
orgánicas para síntesis por irradiación de microondas se describen
por Kappe, Dallinger y Murphree (2009) y por Tierney y Lidström.
b. Síntesis de acetanilida
i. Métodos Convencionales
La síntesis de acetanilida se ha llevado a cabo convencionalmente
en el curso mencionado anteriormente a partir de anilina como
sustrato y anhídrido acético como agente acilante. Aunque en el
manual de prácticas de laboratorio para dicho curso no se
especifica el tiempo de reacción, la acetilación de la anilina a
temperatura ambiente puede tomar varios minutos, incluso decenas
de minutos.
ii. Alternativas de Diseño de Síntesis Verde
Para la síntesis de acetanilida se ha encontrado la acilación
directa con ácido acético glacial y polvo de zinc9, 10 (que no actúa
como catalizador). Además se citan catalizadores para reacciones
similares como el níquel Raney11. También se han encontrado métodos
Antecedentes 9
que parten de un sustrato alifático, cíclico para obtener una
anilina N-sustituida (Ballini, 2009), y un último método que
utiliza cloruros de acilo e irradiación por microondas para
obtener compuestos con características químicas similares a la
acetanilida (Tierney, Lidström, 2005).
c. Síntesis de un Azocolorante
i. Métodos Convencionales
En el curso citado anteriormente se reporta la síntesis de tres
azocolorantes: 1) Naranja de Metilo, 2) Naranja II y 3) Magneson
II.
1. Síntesis de Naranja de Metilo
En este diseño de síntesis se utiliza ácido sulfanílico como
sustrato y dimetilanilina como reactivo. Además se utilizan bases
y ácidos (bicarbonato de sodio, hidróxido de sodio y ácido
clorhídrico) para generar el medio adecuado de reacción. También
se utiliza nitrito de sodio para provocar la diazotización. La
utilización de hidróxido de sodio y ácido clorhídrico representa
un riesgo evidente para la salud del investigador/estudiante y por
ello se puede pensar en la búsqueda de alternativas más verdes.
2. Síntesis de Naranja II
En esta práctica se ha utilizado como sustrato el ácido
sulfanílico y 2-naftol como reactivo. Al igual que en la práctica
10 Antecedentes
descrita en el punto anterior, se generan las condiciones de
reacción con hidróxido de sodio y ácido clorhídrico, y se provoca
la diazotización con nitrito de sodio.
3. Síntesis de Magnesón II
En este caso la preparación del azocolorante se logra utilizando
como sustrato la 4-nitroanilina y el 1-naftol como reactivo. Al
igual que en las síntesis descritas en los dos puntos anteriores,
la reacción requiere que su medio de reacción posea
características ácidas o básicas específicas, que se logran
mediante el uso de ácido clorhídrico e hidróxido de sodio y, la
diazotización se logra por la adición del nitrito de sodio.
ii. Alternativas de Síntesis Verde
La síntesis de compuestos diazo -que son quizá los colorantes más
utilizados en la industria-, se comenta ampliamente Christie
(2001); donde se explican los procesos de diazotización y
acoplamiento diazo. Además, se han encontrado métodos
electroquímicos para producir el acoplamiento diazo (Grimshaw,
2000). Por otro lado, se reportan reacciones en fase sólida por
medio de una resina que es capaz de convertir hidrocloruros de
aminas aromáticas en sus correspondientes sales de diazonio; las
cuales al ser tratadas con N,N-dimetilanilinas dan los colorantes
azo sin desechos coloreados, Merrington, James y Bradley (2002)
amplía esta información en su documento Supported diazonium salts-
convenient reagents for the combinatorial synthesis of azo dye.
Antecedentes 11
En el último caso se reporta una vía similar a la que se hace
referencia en el Manual de Prácticas de Laboratorio de Química
Orgánica II (Pinagel, et al. 2010), en donde se hace uso del ácido
sulfanílico para dicha síntesis; sin embargo, en el caso reportado
por Noroozi-Pesyan, Khalafy y Malekpoor (2009), la síntesis se
lleva a cabo sin solvente.
5. Información Adicional
Se puede ampliar los conocimientos sobre las reacciones químicas
que toman lugar en la síntesis de compuestos azo en March´s
Advanced Organic Chemistry: Reactions, Mechanisms and Structure
(Smith, March, 2006).
Para la acetilación, tanto de aminas como de alcoholes (como el
caso de la celulosa), se pueden consultar varios libros de texto
de química orgánica; la bibliografía de los mismos se incluye en
el presente documento.
12 III. JUSTIFICACIONES
En los últimos años el ser humano ha caído en la cuenta de que la
explotación poco o no controlada de los recursos de nuestro
planeta, anidada a la generación de desechos bio-tóxicos –o de
lenta degradación- por la industria química ha dañado
considerablemente el medio ambiente y ha incidido en la salud de
la sociedad.
Por ello ante la presión social, económica y ambiental la
industria química y el estudio de ciencias químicas y afines debe
tomar un juicio pro-positivo en aras de ser más amigable al medio
ambiente; tomando en cuenta que se debe satisfacer al mercado
global siendo eficiente y eficaz al minimizar o dejar de utilizar
materias primas, al utilizar o reciclar los materiales de desecho,
al diseñar productos químicos que no produzcan contaminación
ambiental (o se minimice con respecto a los actuales), etc.
Sin embargo, es un reto que aunque no es imposible, no es
instantáneo. Y, lógicamente, la transformación de la industria
química a una industria más verde comienza en la academia; al
preparar al futuro profesional con una mentalidad más comprometida
con el medio ambiente y la salud, de aquí la importancia de
generar prácticas con diseños y rutas de reacción más verdes.
Además, el proponer prácticas con diseños de reacción “verdes”
sitúa a la Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia de la
Universidad de San Carlos de Guatemala en un contexto más
actualizado y con ideologías de primer mundo; dándole más
prestigio a nivel nacional e internacional.
Justificaciones 13
Explícitamente, compete a este documento las prácticas de
“síntesis de acetato de celulosa”, “síntesis de acetanilida” y
“síntesis de azocolorante” del Manual de Prácticas de Laboratorio
de Química Orgánica II (Pinagel, et al., 2010).
La práctica de síntesis de acetato de celulosa descrita en el
manual citado utiliza como solvente ácido acético y como
catalizador ácido sulfúrico, en el caso de la síntesis realizada
por Li y colaboradores (2009) la reacción se lleva a cabo sin
solvente y sin ayuda del ácido sulfúrico –el cual representa un
potencial peligro para la salud-, esto hace obvia la postura de
que la práctica descrita se puede realizar de una forma más verde,
con lo que no solo nos beneficiaríamos nosotros sino
beneficiaríamos al medio ambiente; aumentando nuestro compromiso
con el desarrollo sostenible de la sociedad.
En la práctica referente a la síntesis de acetanilida descrita en
el manual, la eficiencia de la reacción es baja si se compara con
una práctica “verde” realizada por Redasani y colaboradores en las
cuales mejora la economía del átomo de 70 a 75% para cada derivado
de anilina. Si pensamos en dos de los doce principios de la
química verde enunciados por Clark y Macquarrie (2002):
“Prevenir la generación de desechos es mejor que tratarlos o
limpiarlos” y “La síntesis química debe maximizar la incorporación
de toda la materia prima”, resulta obvio que el diseño de síntesis
que se utiliza en este momento se puede y se debe mejorar.
14 Justificaciones
La tercera práctica, la síntesis de azocolorante, presenta una
serie de solventes en los que se llevan a cabo las reacciones
(ácido acético, agua, etc.) además de utilizar reactivos extra.
Teniendo como ejemplo el trabajo realizado por Noroozi-Pesyan y
colaboradores (2009), en donde las reacciones se llevan a cabo sin
solvente; se hace evidente que este diseño de reacción se suma a
los tres anteriores y es necesario idear metodologías y diseños de
reacción más amigables para el ambiente.
Se puede enumerar además una serie de beneficios que se presentan
directamente para los instructores y los alumnos que reciban un
laboratorio con prácticas diseñadas para una química verde: 1) se
minimiza la exposición a sustancias tóxicas, 2) se minimiza el
riesgo de accidentes en el laboratorio, 3) la reacción toma lugar
en menor tiempo, 4) se mejora el rendimiento de la reacción, 5) la
purificación del producto es más sencillo, 5) la cantidad de
productos de desecho es menor, 6) los productos de desecho se
pueden tratar con facilidad –o puede que no necesiten tratamiento
posterior-.
En la síntesis de acetato de celulosa la principal ventaja que se
propone mediante la irradiación con microondas es la cantidad de
tiempo invertida en la síntesis, sin embargo, mediante la presente
investigación puede buscarse también un catalítico que no
comprometa los costos de reacción y que provoque una inversión de
tiempo menor y un mejor rendimiento. Por otro lado, al cambiar el
ácido sulfúrico con una sustancia menos tóxica se estaría
cumpliendo con uno de los puntos descritos por Clark y Macquarrie.
Justificaciones 15
Con esto se podría hablar de una síntesis más verde que la que
convencionalmente se lleva a cabo en dicho curso.
Además, tomando como ejemplo la síntesis de acetanilida, se pueden
realizar una serie de observaciones:
1) Costos: que el anhídrido acético es más costoso que el ácido
acético glacial; el anhídrido acético es aproximadamente un
33% más costoso que el ácido acético glacial. Debido a que
las alternativas sintéticas encontradas hacen uso de una
gran cantidad de ácido acético, se debe realizar la
investigación para analizar la viabilidad de utilizar menos
ácido acético y/o trabajar con reacciones en fase
heterogénea. Por otro lado la cantidad de cinc que se
utiliza, representa alrededor de Q. 0.25 para la reacción de
4mL de anilina –que es la cantidad que se describe en el
manual del curso-.
2) Economía del átomo: al utilizar anhídrido acético se
aprovecha solo una parte de la molécula, el ácido acético
que se produce como subproducto; no se aprovecha.
3) Subproductos: El óxido de cinc es un subproducto de la
reacción que se propone, este no es un compuesto tóxico y en
las condiciones de reacción se puede separar con facilidad;
pudiéndose purificar para usos como la vulcanización del
caucho y otros.
16 Justificaciones
Por último, la síntesis de un azocolorantes, que representan más
de la mitad de los colorantes utilizados en la industria, se
utilizan ácidos y bases potencialmente peligrosos para la salud
del investigador, el uso de resinas sintéticas y métodos
electroquímicos evitan la exposición a estas sustancias, además,
en el caso de la síntesis por medio de resinas, se puede pensar en
el aumento del rendimiento. La síntesis por vías electroquímicas
que se ha encontrado en la literatura no presenta acoplamientos de
distintas unidades, por lo que este trabajo puede sentar un
precedente en los diseños de sales de diazonio que se han llevado
a cabo en el curso de Química Orgánica II anteriormente
mencionado.
IV. OBJETIVOS 17
Objetivo General:
Diseñar y establecer rutas sintéticas que permitan realizar las
prácticas de “SÍNTESIS DE ACETATO DE CELULOSA”, “SÍNTESIS DE
ACETANILIDA” y “SÍNTESIS DE AZOCOLORANTE” del Manual de Prácticas
de Laboratorio de Química Orgánica II1 del curso de Química
Orgánica II que se imparte a las carreras de Licenciatura en
Biología, Licenciatura en Nutrición, Licenciatura en Química
Biológica y Licenciatura en Química Farmacéutica en la Facultad de
Ciencias Químicas y Farmacia de la Universidad de San Carlos de
Guatemala; siguiendo con los principios propuestos por Clark y
Macquarrie2, en todo cuanto sea posible.
Objetivos Específicos:
1. Contribuir al desarrollo sostenible de la sociedad
guatemalteca, al dotar al estudiante de Química Orgánica II
con herramientas y razonamientos para propiciar el mismo.
2. Posicionar las prácticas de Química Orgánica II antes
mencionadas, en un plano actualizado y de utilidad global.
3. Contribuir al crecimiento académico del estudiante.
4. Comprender la importancia de la química verde en el nuestro
acontecer.
5. Comprometerse con la sociedad y el ambiente a realizar
síntesis orgánicas (o inorgánicas) cada vez más verdes, para
así evitar la polución y futuros problemas por la misma.
18 V. HIPÓTESIS
Las prácticas de “SÍNTESIS DE ACETATO DE CELULOSA”, “SÍNTESIS DE
ACETANILIDA” y “SÍNTESIS DE AZOCOLORANTE” del Manual de Prácticas
de Laboratorio de Química Orgánica II1 pueden ser potencialmente
mejoradas, al desarrollar rutas sintéticas para cada una que
cumplan con la mayoría de los doce principios propuestos por Clark
y Macquarrie2.
VI. MATERIALES Y MÉTODOS 19
A. Infraestructura:
Laboratorio de Química Orgánica, Edificio T-12, Facultad de
Ciencias Químicas y Farmacia, Universidad de San Carlos de
Guatemala, Ciudad de Guatemala, Guatemala, C.A.
B. Recursos electrónicos y virtuales:
- Computadora
- Internet
C. Recursos Humanos:
- Investigador
D. Materiales:
- Equipo de laboratorio:
02 Vasos de precipitados de 10mL
02 Vasos de precipitados de 250mL
02 Erlenmeyer de 50mL
01 Kitasato de 100mL
01 Recipiente de teflón
01 Embudo de Büchner pequeño
30 Micropipetas pasteur de vidrio descartables
30 Micropipetas de plástico descartables
10 Tubos de ensayo
20 Materiales y Métodos
01 Pipeta serológica de vidrio de 1mL, +/-0.05mL
01 Vidrio de reloj
02 Pliegos de papel filtro
01 Espátula de acero inoxidable
02 Agitador magnético de teflón de ½”
01 Aparato para toma de puntos de fusión Fisher-Johns
01 Horno de microondas casero
01 Espectrofotómetro de IR
01 Balanza analítica
01 Placa de porcelana para ensayos
01 Equipo para electroquímica
01 Equipo Corning
01 Estufa con agitador magnético
01 Piseta de 250mL
05 Pipeteadores para micropipeta
01 Pipeteador de tres válvulas
01 Manguera de corrosil para vacío (1m)
01 Manguera de hule para mechero bunsen (1m)
01 Gafas
01 Bata
01 Par de guantes de nitrilo
01 Mascarilla con filtros para vapores orgánicos
01 Placa para cromatografía en capa fina
01 Paquete de capilares sin heparina
Materiales y Métodos 21
- Reactivos
i. Anilina para síntesis
ii. N,N-dimetilanilina para síntesis
iii. 4-nitroanilina para síntesis
iv. Ácido sulfanílico para síntesis
v. Yodo en solución (0.05mol/L)
vi. 1-naftol para síntesis
vii. 2-naftol para síntesis
viii. Ácido acético glacial grado reactivo
ix. Anhídrido acético para síntesis
x. Celulosa (algodón)
xi. Zinc en polvo
xii. Nitrito de sodio cristalino para síntesis
xiii. 1-nitronaftaleno
xiv. Ácido sulfúrico 95 – 97%
xv. Carbonato de calcio grado reactivo
xvi. Cloruro de calcio anhidro polvo grado reactivo
xvii. Metanol grado reactivo
xviii. Cloroformo
22 Materiales y Métodos
E. Métodos
- Síntesis de acetato de celulosa
Se agregan 0.100g de algodón (celulosa), a modo que las fibras
queden lo más dispersas posibles, a 2.5mL de anhídrido acético y
un catalizador al 0.05M en un tubo de ensayo. El tubo se coloca
en un recipiente de teflón. Se irradia en el microondas a 300 –
800W. Se realizan varias corridas variando el tiempo y la
potencia (para cada catalizador), como se muestra en el cuadro.
Se monitorea la reacción cuando se ha disuelto el algodón y la
mezcla se ha tornado amarillenta y viscosa.
POTENCIA (%) TIEMPO (s) OBSERVACIONES
40 100
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
60 100
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
80 60
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
80 90
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
100 40
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 15s.
Materiales y Métodos 23
Se vierte el contenido de la mezcla de reacción en 5 – 10mL de
agua se filtra y se deja secar el filtrado en un vidrio de
reloj.
Catalíticos a utilizar: yodo, carbonato de calcio.
- Síntesis de acetanilida
Se agregan 0.100mL de acetanilida, 0.005g de polvo de cinc y
0.3mL de ácido acético en un aparato de reflujo y se calientan a
reflujo hasta que desaparezca la fase aceitosa. Se deja enfriar
el aparato y luego se agregan 0.5mL de agua fría gota a gota. Se
filtra el contenido al vacío en un embudo de Buchner. Se apaga
el vacío y sobre el embudo se lavan los cristales con agua, se
vuelve a encender el vacío y se dejan secar los cristales por un
día. Se toma el punto de fusión de cada cristal. Se toma el
punto de fusión de cada cristal. Se pesa el producto obtenido y
se calcula el rendimiento. Si el punto de fusión presenta un
intervalo mayor a los 2°C, recristalizar el producto en agua.
Se agregan 0.100mL de acetanilida, 0.3mL de anhídrido acético y
yodo al 0.05M en un tubo de ensayo. El tubo se coloca en un
recipiente de teflón. Se irradia en el microondas. Se varía la
potencia y el tiempo de reacción para cada corrida, tal y como
se muestra en el cuadro. Al producto obtenido se agregan 0.5mL
de agua fría y se recoge el precipitado por filtración al vacío
en un embudo de Buchner, y sobre el embudo se lavan los
cristales con agua, se vuelve a encender el vacío y se dejan
24 Materiales y Métodos
secar los cristales por un día. Se toma el punto de fusión de
cada cristal. Se pesa el producto obtenido y se calcula el
rendimiento. Si el punto de fusión presenta un intervalo mayor a
los 2°C, recristalizar el producto en agua.
Identificación del producto:
Punto de fusión: 113 – 115°C
Cromatografía en capa fina (TLC): fase móvil de cloroformo.
POTENCIA (%) TIEMPO (s) OBSERVACIONES
50 100
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
80 40
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
80 60
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
80 90
Si no se observa ningún cambio, dejar
enfriar y seguir calentando en
intervalos de 20s.
Materiales y Métodos 25
- Síntesis de azocolorante
o Síntesis de Naranja de metilo
Se prepara un baño de hielo en un recipiente.
Se agrega 0.100g de ácido sulfanílico, 0.075mL de N,N-
dimetilanilina, y 0.050g de nitrito de sodio a un vaso de
precipitados de 250mL; dentro del baño de hielo. Esta mezcla se
homogeneiza y se deja reaccionar (mezclando esporádicamente)
hasta que se aprecie un cambio de color. ¡Precaución! La
temperatura debe mantenerse a 0°C o menos, las sales de diazonio
pueden ser explosivas en condiciones anhidras. El tiempo de
reacción puede variar. Se extrae el producto con metanol y luego
se verifica la reacción corriendo una cromatografía en capa fina
con una fase móvil de cloroformo y metanol (60:40v/v).
o Síntesis de Naranja II
Se prepara un baño de hielo en un recipiente.
Se agrega 0.100g de ácido sulfanílico, 0.100g de 2-naftol, y
0.100g de nitrito de sodio a un vaso de precipitados de 250mL;
dentro del baño de hielo. Esta mezcla se homogeneiza y se deja
reaccionar (mezclando esporádicamente) hasta que se aprecie un
cambio de color. ¡Precaución! La temperatura debe mantenerse a
0°C o menos, las sales de diazonio pueden ser explosivas en
condiciones anhidras. El tiempo de reacción puede variar. Se
extrae el producto con metanol y luego se verifica la reacción
corriendo una
26 Materiales y Métodos
cromatografía en capa fina con una fase móvil de cloroformo y
metanol (60:40v/v).
o Síntesis de Magneson II
Se prepara un baño de hielo en un recipiente.
Se agrega 0.100g de 4-nitroanilina, 0.100g de 1-naftol, y 0.057g
de nitrito de sodio a un vaso de precipitados de 250mL; dentro
del baño de hielo. Esta mezcla se homogeneiza y se deja
reaccionar (mezclando esporádicamente) hasta que se aprecie un
cambio de color. ¡Precaución! La temperatura debe mantenerse a
0°C o menos, las sales de diazonio pueden ser explosivas en
condiciones anhidras. El tiempo de reacción puede variar. Se
extrae el producto con metanol y luego se verifica la reacción
corriendo una cromatografía en capa fina con una fase móvil de
cloroformo y metanol (60:40v/v).
o Síntesis de compuestos diazo por vías electroquímicas
Para acoplamientos azo simétricos se puede utilizar una celda
electroquímica con cátodo de cobre en medio alcalino y se opera
a 5F. Aunque la información es reducida acerca de este tema, Se
buscará un método que permita realizar acoplamientos azo para
formar sales de diazonio asimétricas. Como preámbulo a esto, se
buscara los tiempos de acoplamiento simétrico de la 4-
nitroanilina, luego se buscara los tiempos del 1-nitronaftaleno
para su acoplamiento simétrico y de ser similares, estos se
introducirán en la celda, y si el producto que se obtenga se
Materiales y Métodos 27
separara por cromatografía y se tomará su punto de fusión para
identificarlo.
28 CALENDARIZACIÓN
- Cronograma de actividades
ACTIVIDAD PERÍODOS DE
LABORATORIO
NÚMERO DE
SEMANAS
FECHA
Planeación --- --- Enero 2011-
Febrero 2011
Entrega de protocolo --- --- 28 de febrero del
2011
Síntesis de acetato
de celulosa
4 2 17, 18, 24 y 25
de marzo del 2011
Síntesis de
acetanilida con
catalizador de zinc
2 1
Síntesis de
acetanilida con
catalizador de yodo
2 1
Síntesis de
azocolorante en seco
2 1
Ensayos previos para
síntesis de
azocolorante por vías
electroquímicas
2 1
Síntesis de
azocolorante por vías
electroquímicas
4 2
Entrega de informe
final
--- ---
ASPECTOS ECONÓMICOS 29
- Precio de los reactivos en el mercado (la cotización se ha
hecho de Merck Guatemala, los precios que se listan aquí y
tienen un símbolo (*), se listan en www.acros.com y se ha
agregado el valor de aduanas, impuestos de importación ni el
IVA; los precios que presentan el símbolo (**) se cotizan en
una farmacia).
i. Anilina para síntesis Q. 188.64/100mL*
ii. N,N-dimetilanilina para síntesis Q. 231.40/100mL
iii. 4-nitroanilina para síntesis Q. 453.60/250g
iv. Ácido sulfanílico para síntesis Q. 302.90/100g
v. Yodo en solución (0.05mol/L) Q. 590.80/1L
vi. 1-naftol para síntesis Q. 330.60/250g
vii. 2-naftol para síntesis Q. 689.40/250g
viii. Ácido acético glacial grado reactivo Q. 338.4/1L*
ix. Anhídrido acético para síntesis Q. 452.16/1L*
x. Celulosa (algodón) Q. 5.00/100g
xi. Zinc en polvo Q. 1148.90/250g
xii. Nitrito de sodio cristalino p/ síntesis Q. 223.20/100g
xiii. 1-nitronaftaleno Q. 244.70/100g
xiv. Ácido sulfúrico 95 – 97% Q. 1223.30/2.5L
xv. Carbonato de calcio grado reactivo Q. 809.40/5kg
xvi. Cloruro de calcio anhidro polvo Q. 618.30/500g
xvii. Metanol grado reactivo Q. 277.40/1L
xviii. Cloroformo Q. 442.40/1L
30 Aspectos Económicos
- Costos de operación
o Energía eléctrica
o Gas propano
o Desgaste de equipo
- Materiales extra
o 30 micropipetas pasteur Q. 15.00
o 30 micropipetas de plástico Q. 15.00
- Gastos varios
o Fondo Q. 300.00
- Financiamiento y fuente de recursos
o Los reactivos y los equipos son otorgados por la
Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia.
o Materiales adicionales son financiados por el
investigador.
RESULTADOS 31
1. Síntesis de Acetato de Celulosa
Para la síntesis de acetato de celulosa se utilizó yodo y ácido
sulfúrico como catalíticos, obteniendo mejores resultados al
utilizar ácido sulfúrico, irradiando el tubo con celulosa y
anhídrido acético por 25 segundos al 100% de la potencia; luego se
agrega una gota de ácido sulfúrico concentrado y se agita
(CUIDADO, la reacción es muy exotérmica), seguido a esto se agrega
una gota de agua deslizada por las paredes (CUIDADO, se proyecta)
luego se agrega agua hasta que no precipite más producto. Se
filtra en un embudo de Hirsch, se disuelve el producto en
tetracloruro de carbono y se deja secar en un vidrio de reloj. Se
ponen en manifiesto detalladamente todas las pruebas realizadas en
el Cuadro 1.
En las reacciones de 1, 2, 3, 4, 8, 11 y 12 se siguió el siguiente
procedimiento: se agregó un poco de algodón con sus fibras
extendidas, aproximadamente del tamaño de una ficha de 10
centavos, luego se humedeció con 4 gotas de anhídrido acético
(asegurándose que todo el algodón quedara mojado), se añadió una
gota de catalítico I2/CCl4, H2SO4, o bien una pizca de CaCO3 y se
irradió el tiempo descrito en un microondas casero con una
potencia nominal de 1450W, modificable. Luego se agregó una gota
de agua, que produce una proyección violenta pero no peligrosa,
pasado este paso se procede a agregar ~2 – 5mL de agua para
precipitar todo el producto y se filtra en un embudo de Hirsch. Se
puede recristalizar en cloroformo si se desea. En las otras
reacciones (5, 6, 7, 9, 10) la única modificación fue que el
32 Resultados
catalítico se agregó después de la irradiación (proceso muy
exotérmico).
Al agregar el catalítico previo a la irradiación se obtienen
resultados similares, sin embargo, las condiciones de reacción
como lo son el tiempo y la potencia de irradiación requieren un
mayor control.
2. Síntesis de Acetanilida
En la síntesis de acetanilida, los mejores resultados se han
obtenido utilizando 1 gota de ácido sulfúrico concentrado como
catalizador luego de haber irradiado por 20 segundos a 1450W, 5
gotas de anilina y 5 gotas de anhídrido acético en un tubo de
ensayo. Posteriormente se deja enfriar y el producto se extrae con
agua (~2mL) y se filtra en un embudo Hirsch, sin necesidad de
purificar el producto su punto de fusión coincide con el reportado
en la literatura (113-115°C). Al utilizar yodo en tetracloruro de
carbono, la reacción no toma lugar. El Cuadro 2 contiene
información de las pruebas realizadas.
3. Síntesis de Azocolorante
Los azocolorantes se han preparado en un medio heterogéneo, libre
de solventes, para facilitar la medición y agilizar la práctica se
ha utilizado la terminología “pizca” que hace referencia a una
punta de microespátula. Para ambos casos se ha encontrado que al
mezclar una pizca de ácido sulfanílico, media de nitrito de sodio
y, cuando se utiliza N,N-dimetilanilina (para naranja de metilo)
Resultados 33
se utiliza la cantidad suficiente para humedecer la mezcla; o en
caso contrario con -naftol (para naranja II) se agrega una pizca.
Se agitan una vez volviendo homogénea la mezcla, se dejan
reaccionar por ~2 minutos y luego se agrega una gota de agua; la
reacción transcurre con facilidad, sin peligros mayores.
Finalmente la obtención del producto se ha logrado mediante la
evaporación de la humedad restante y su maceración. El tiempo
promedio para la obtención del producto es de 15 minutos. Los
resultados específicos se muestran en el Cuadro 3 y en el Cuadro
4.
34 Resultados
Cuadro 1. Condiciones para la síntesis de Acetato de Celulosa
Datos Experimentales, laboratorio de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, Universidad de San Carlos de Guatemala
No. Catalítico Tiempo (s)1
Potencia (x1450W)
Observaciones
1 I2/CCl4 100/5x20 0.4 No hay reacción. 2 I2/CCl4 100/5x20 0.6 No hay reacción. 3 I2/CCl4 40/5x20 1.0 No hay reacción. 4 I2/CCl4 120 1.0 No hay reacción.
5 H2SO4 60 0.3 Color amarillo, al agregar
agua precipitado blanco, con apariencia coloidal.
6 H2SO4 80 0.3
Color rojo, al agregar agua un precipitado blanco, con
apariencia coloidal, poco sólido negro.
7 H2SO4 40/2x20 0.4 Color pardo, al añadir agua un precipitado blanco fácil de filtrar, soluble en CHCl3.
8 H2SO4 40 1.0 Sólido negro cristalino,
exhibía propiedades de carbón cuando se ensayaba a la llama.
9 H2SO4 30 1.0
Se forma una solución oscura, al agregar agua se forma un precipitado blanco fácil de filtrar, soluble en CHCl3.
10 H2SO4 25 1.0
Se forma una solución oscura, al agregar agua se forma un precipitado blanco fácil de filtrar, soluble en CHCl3.
11 CaCO3 60 0.5 No hay reacción. 12 CaCO3 100 1.0 No hay reacción. 1El tiempo de irradiación puede darse por etapas, por ejemplo: 40/2x20, significa que se
irradió una vez por 40s, se dejó enfriar, luego se irradió por 20s, se dejó enfriar y finalmente se irradió por 20s y se prosiguió con lo que se detalla en el procedimiento.
Resultados 35
Cuadro 2. Condiciones de reacción para la síntesis de Acetanilida
Datos Experimentales, laboratorio de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, Universidad de San Carlos de Guatemala
No. Catalítico Tiempo (s)
Potencia (x1450W)
Observaciones
1 H2SO4 30 1.0 Se utilizó ácido acético en vez de anhídrido acético, no
hay reacción.
21 H2SO4 20 1.0 El producto es un sólido
blanco con lustre. Punto de fusión 113-114°C.
31 H2SO4 15 1.0 El producto es un sólido
blanco con lustre. Punto de fusión 113-114°C.
4 I2/CCl4 20 1.0
El producto es un sólido color café con lustre, el color se debe al yodo. Un lavado con
agua y la sublimación del yodo permiten recuperar el producto color blanco. Punto de fusión
113-114°C. 1Estas pruebas se han llevado a cabo por quintuplicado.
36 Resultados
Cuadro 3. Condiciones de reacción para la síntesis de Naranja de
Metilo
Datos Experimentales, laboratorio de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, Universidad de San Carlos de Guatemala
No. Ácido sulfanílico (pizcas)
Nitrito de sodio (pizcas)
N,N-DMA1 Condiciones Observaciones
1 1 1 La cantidad suficiente para humedecer la mezcla.
Agitación inicial, 2 minutos de reposo y agitación periódica, sin agua.
Producto color anaranjado chillante, apariencia muy heterogénea.
22 1 ½ Agitación inicial, 2 minutos de reposo, agitación constante y añadir 1 – 2 gotas de agua, evaporar la humedad en estufa y macerar.
Polvo color anaranjado, fino, sin lustre.
32 1 ½ Agitación constante, añadir 1 – 2 gotas de agua, evaporar la humedad en estufa y macerar.
Polvo color anaranjado, fino, sin lustre, antes de macerar se apreciaba más oscuro que el No. 2
1N,N-dimetilanilina,
2Estas reacciones se llevaron a cabo por triplicado.
Resultados 37
Cuadro 4. Condiciones de reacción para la síntesis de Naranja II
Datos Experimentales, laboratorio de Química Orgánica, Facultad de Ciencias Químicas y Farmacia, Universidad de San Carlos de Guatemala
No. Ácido sulfanílico (pizcas)
Nitrito de sodio (pizcas)
-naftol (pizcas)
Condiciones Observaciones
11 1 ½ 1 Agitación inicial, 2 minutos de reposo, agitación constante y añadir 1 – 2 gotas de agua, evaporar la humedad en estufa y macerar.
Polvo color rojo pardo, fino, sin lustre.
1Esta reacción se llevó a cabo por triplicado.
38 Resultados
Figura 1. Fotografía de los productos obtenidos
De izquierda a derecha: acetato de celulosa, acetanilida, naranja de metilo, naranja II.
Figura 2. Fotografía frontal de los productos obtenidos
DISCUSIÓN 39
1. Síntesis de Acetato de Celulosa
La metodología que aquí se propone para la síntesis de acetato de
celulosa conlleva dos riesgos principales: 1) la temperatura de
reacción y 2) las proyecciones. Los riesgos son despreciables si
se trabaja con las medidas de precaución necesarias, especialmente
se debe tomar en cuenta el uso de guantes, gafas y bata como
equipo de protección.
El catalítico se agrega luego de la irradiación con microondas,
esto no quiere decir que no se pueda hacer a la inversa (que de
hecho se puede y se ha comprobado en este proyecto); sin embargo
se podría describir que existen dos catálisis en este proceso: 1)
la excitación de las moléculas por irradiación, que desde un punto
de vista bastante sencillo no hace más que crear movimientos
vibratorios de los enlaces, dejando los sitios activos más
disponibles y 2) la protonación de la molécula de anhídrido
acético por acción del ácido sulfúrico, que evidentemente la hace
más reactiva ante un nucleófilo (en este caso los grupos hidroxilo
de la celulosa). Entonces, el catalítico de ácido sulfúrico se
añade después de la irradiación debido a que la reacción se torna
violenta al irradiar en su presencia; tanto así que si se observa
la reacción No. 8 del Cuadro 1 se cae en la cuenta de que se ha
obtenido un sólido negro que al ser examinado a la llama exhibe
las propiedades del carbono elemental y que tiene apariencia de
hulla (un mineral de carbono); puesto que es dura, quebradiza,
lustrosa y evidentemente de color negro. Así, es sencillo elegir
una u otra vía, no solo para fines didácticos sino para síntesis
40 Discusión
es recomendable agregar el ácido sulfúrico luego de la
irradiación.
Con esto se dirige a atención a la reacción en sí, cuando se ha
irradiado la mezcla de celulosa y anhídrido acético; no ha tomado
lugar la reacción. Es hasta que se agrega el ácido sulfúrico que
se observa un cambio violento en el color, con efervescencia y
mucha liberación de calor; en este paso es recomendable agitar
mediante pequeños movimientos con la mano para que se homogenice
la reacción, en caso de no hacerlo puede proceder a romperse los
enlaces glicosídicos y provocar una difícil separación del
producto, o en casos un tanto más extremos formarse nuevamente
hulla (aunque en pequeñas cantidades). Lo anterior se pone en
manifiesto en las reacciones No. 5 y 6 del Cuadro 1, las cuales
tomaron lugar sin agitarse.
Luego de tomar lugar la reacción, la mezcla está fuertemente ácida
y presenta una temperatura elevada; aunque se puede esperar a que
enfríe, se obtiene un mejor resultado si no se hace y se agrega
directamente una o dos gotas de agua. Esta operación, como es de
esperarse, transcurre violentamente y culmina en una proyección.
Por ello, cuando se agrega la primera gota de agua es
indispensable que el tubo de ensayo se ubique de manera tal que no
apunte a ninguna persona, también es aconsejable que la gota se
deslice por las paredes del tubo de ensayo. Si es posible utilizar
un tubo de ensayo largo para esta reacción así se evita que la
proyección salga del tubo.
Discusión 41
Luego de agregar las dos gotas de agua, se puede agregar
libremente de 2 a 5mL de agua para precipitar el producto y
filtrarlo en un embudo de Hirsch (o Büchner de acuerdo a la
cantidad que se está sintetizando). Si se quiere una mayor pureza
se puede re-disolver el producto en 1mL de cloroformo y dejar
secar en un vidrio de reloj. El producto que se obtiene se asemeja
al acetato de celulosa microcristalino.
En este punto resulta importante dar a conocer lo siguiente: 1) de
0.5g de algodón que se utilizaba se utilizan 0.05g
aproximadamente, 2) de 6mL de anhídrido acético que se utilizaba
se utilizan aproximadamente 0.20 – 0.25mL, 3) de los 15mL de ácido
acético que se utilizaban se ha erradicado por completo su uso, 4)
generalmente basta con lavados con agua y una desecadora para
obtener el producto deseado, sin hacer uso del cloroformo, no
obstante si se utiliza se ha reducido de 5mL a 1mL.
Con lo anterior es evidente que se ha reducido la cantidad de
desechos por práctica, se ha logrado una práctica más asequible;
aunque no se puede hablar de economía del átomo con mucha
propiedad porque no se han llevado a cabo ensayos cuantitativos,
sin embargo al erradicar el ácido acético se puede pensar en ello.
Se evita la exposición excesiva a vapores orgánicos, lo cual
reduce los riesgos de la práctica. Y finalmente se ha incurrido en
una síntesis eficaz y eficiente, especialmente en cuanto a tiempo
se refiere; puesto que requiere aproximadamente de 5 o 10 minutos
para llevarse a cabo sin purificar y 20 minutos con purificación.
42 Discusión
2. Síntesis de Acetanilida
El proceso de la síntesis de acetanilida no es tan violento como
el de la síntesis de acetato de celulosa, sin embargo se debe de
tomar en cuenta que si existe liberación de calor y aunque la
reacción parece no ser tan exotérmica como en el caso del acetato
de celulosa, las temperaturas que se alcanzan son elevadas.
Al igual que en el caso del acetato de celulosa, y por las razones
antes expuestas, se debe agregar el ácido sulfúrico después de la
irradiación. Aunque en esta reacción no se forman productos
distintos a la acetanilida si se añade el ácido sulfúrico antes,
la reacción si se torna violenta dentro del equipo microondas.
Esto se debe a que es altamente exotérmica y se forman burbujas
que provocan proyecciones que, como se ha expresado anteriormente,
son violentas. Por otro lado, no es conveniente agregar antes el
ácido porque el producto se solubiliza rápidamente a esa
temperatura, incluso al agregar el ácido después de la irradiación
se puede observar cómo se forma y se disuelve con facilidad el
producto. Así para evitar consumir más tiempo esperando a que
enfríe esta mezcla, se agrega el ácido sulfúrico después de la
irradiación.
Ahora, resulta evidente cuestionarse hasta que temperatura debe
enfriar y la respuesta es sencilla: hasta que el recipiente sea
palpable; luego de esto se puede agregar sin preocupación alguna
agua hasta que no precipite más producto y finalmente filtrarlo en
un embudo de Hirsch o de Büchner (de acuerdo a la cantidad que se
Discusión 43
esté sintetizando). El producto que se obtiene es un sólido
blanco, cristalino y con lustre. Al analizar el punto de fusión
del mismo sin ningún tratamiento posterior en el equipo Fisher
Jones para la toma de puntos de fusión se obtiene 113 – 114°C, que
en contraste con la literatura (113 – 115°C), indica que el
producto es el esperado y con una pureza deseable.
Una observación que quizá no resulte obvia es que es factible
enfriar el tubo mediante agua de chorro, aunque esto no se ha
planteado en el procedimiento porque el fin primordial es ahorrar
todos los recursos posibles.
Es importante destacar: 1) que basta con aproximadamente 0.25mL de
anilina para obtener el producto deseado en cantidades fácilmente
perceptibles a la vista, esto contrasta con los 4mL que se
utilizan tradicionalmente, 2) se utilizan 0.25mL de anhídrido
acético en contraste con los 5mL que se utilizan tradicionalmente,
3) se evita la operación tediosa de picar hielo y hacer el baño de
hielo que consume tiempo.
De conformidad con lo anterior resulta trivial pero necesario
indicar que se ha reducido la cantidad de desechos por práctica,
se ha logrado una práctica más asequible; aunque no se puede
hablar de economía del átomo con mucha propiedad porque no se han
llevado a cabo ensayos cuantitativos. Se evita la exposición
excesiva a vapores orgánicos, lo cual reduce los riesgos de la
práctica. Y finalmente se ha incurrido en una síntesis eficaz y
44 Discusión
eficiente, especialmente en cuanto a tiempo se refiere; puesto que
requiere aproximadamente de 10 minutos.
3. Síntesis de Azocolorante
Las condiciones anhidras pueden provocar la explosión de algunas
sales de diazonio, sin embargo, en esta síntesis no se ha
presentado problema alguno incluso al calentar. Siempre es
recomendable la utilización de equipo de seguridad, en especial
por las altas toxicidades que presentan estos compuestos. También
es útil trabajar en instalaciones con extractor de gases y de
preferencia en una campana de extracción puesto que la N,N-
dimetilanilina y el -naftol presentan olores peculiares,
desagradables e incluso irritantes.
a. Síntesis de Naranja de Metilo
La síntesis de este compuesto es muy sencilla, se trata de una
diazotización que logra el nitrito de sodio al entrar en contacto
con el ácido sulfanílico. Debido a que se está trabajando en una
fase sólida evidentemente heterogénea, se debe tomar en cuenta que
mientras más finos sean los cristales de todos los reactivos; más
fácilmente tomará lugar la misma.
En este caso la N,N-dimetilanilina es un líquido aceitoso a
temperatura ambiente, sin embargo, si se añaden los 3 componentes
al “mismo tiempo” la N,N-dimetilanilina interferirá en la
diazotización e impedirá o retardará la formación del producto.
Discusión 45
Así, se puede tender a mezclar el nitrito de sodio y el ácido
sulfanílico y dejarlos reaccionar con agitación esporádica por
unos minutos y luego añadir el compuesto donador de electrones,
que es la N,N-dimetilanilina. El proceso es favorable y la
reacción se lleva a cabo; sin embargo se forma un producto de
apariencia heterogénea que parece indicar una reacción incompleta
como se describe en la reacción No. 1 del Cuadro 3.
Haciendo frente a este problema se ha ideado utilizar una pequeña
cantidad de agua, esto conlleva a una alternativa más sencilla y
con mejores resultados que la anterior. El producto es muy
uniforme, pero se aprecia húmedo. Debido a lo anterior, el
producto se lleva a una estufa y se evapora toda la humedad; luego
se macera y se obtiene el producto deseado.
En esta síntesis resulta evidente la formación del producto por la
coloración anaranjada que adquiere, sin embargo haciendo uso de
este colorante se puede pensar en una titulación ácido base y
ensayando con una solución ácida y otra básica se cae en la cuenta
que efectivamente, el producto es naranja de metilo.
Ahora es momento para pensar en esta síntesis como “síntesis
verde”, y para ello resaltaremos unos puntos: 1) se reduce hasta
10 veces la cantidad de reactivos, 2) se reduce la cantidad de
desechos, 3) se dejan de utilizar solventes y reactivos como lo es
la solución de bicarbonato de sodio, 4) se reducen los tiempos de
reacción, 5) no se gasta tiempo en realizar un baño de hielo, 6)
se minimiza la exposición a sustancias químicas.
46 Discusión
b. Síntesis de Naranja II
La síntesis de este compuesto requiere al igual que en el naranja
de metilo, que los componentes estén finamente macerados, para
evitar confusiones, se macera uno por uno no todos a la vez.
Al mezclar el nitrito de sodio, el ácido sulfanílico y el b-naftol
en ausencia de solventes la reacción transcurre muy lentamente y
el cambio en 10 minutos es imperceptible. Por ello luego de dos
minutos con agitación de que esta mezcla permanezca en fase sólida
y heterogénea se agrega una cantidad de agua que únicamente
humedezca la mezcla y se observa rápidamente el cambio de color.
En principio se observa un color rojo pardo y puede que se
oscurezca un poco más.
Nuevamente, el producto está húmedo y parece una acuarela, por
ello se lleva a la estufa y se evapora el agua. El producto se
macera y se obtiene un polvo uniforme color rojo pardo que al
disolverse en agua produce color anaranjado.
Pero, ¿por qué se permite que la mezcla permanezca dos minutos con
agitación antes de agregar el agua?, esto es para asegurar que las
especies se dispongan de manera homogénea y reaccionen con
facilidad.
Nuevamente: 1) se reduce hasta 10 veces la cantidad de reactivos,
2) se reduce la cantidad de desechos, 3) se dejan de utilizar
solventes y reactivos como lo es la solución de bicarbonato de
Discusión 47
sodio, 4) se reducen los tiempos de reacción, 5) no se gasta
tiempo en realizar un baño de hielo, 6) se minimiza la exposición
a sustancias químicas.
48 CONCLUSIONES
1. Se ha logrado el objetivo del proyecto al diseñar rutas y
crear condiciones en las que, de llevarse a cabo, las
prácticas aquí planteadas funcionen como prácticas “verdes”
en comparación con las que se contaba actualmente en el
Manual de Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica II.
2. Las rutas planteadas permiten utilizar una menor cantidad de
reactivos, propiciando al bienestar económico del
Departamento de Química Orgánica.
3. Se ha logrado reducir la cantidad de desechos, ayudando así
al medio ambiente y a la sociedad guatemalteca en el
desarrollo sostenible.
4. Se ha logrado erradicar el uso de varios reactivos, lo cual
influye no solo en el bienestar económico, sino en la salud
de quien lleva a cabo dicha síntesis; minimizando su
exposición a sustancias químicas.
5. Se minimizó el tiempo de reacción, así como de preparación y
purificación de reactivos y productos.
6. Se logró sintetizar acetato de celulosa, acetanilida, naranja
de metilo y naranja II por métodos verdes en comparación con
los actuales.
7. Las prácticas aquí planteadas pueden mejorarse aún más
mediante el uso de otros reactivos y/o su aplicación
cuantitativa.
RECOMENDACIONES 49
1. Utilizar equipo protector completo al llevar a cabo
cualquiera de las prácticas propuestas en este documento.
2. En la síntesis de acetato de celulosa utilizar un tubo de
ensayo largo de borosilicato 3.3.
3. Realizar experimentos similares cuantificando para obtener
rendimientos y poder así, elegir la vía que presente la mejor
economía del átomo.
4. Analizar la viabilidad de realizar las prácticas en el curso
de Química Orgánica II, garantizando que se cumplan los
objetivos académicos propuestos.
5. Contar con un equipo limpio y en buenas condiciones que se
ajuste al trabajo a realizar.
6. Utilizar mascarilla al trabajar síntesis de azocolorantes.
7. Contar con una balanza con sensibilidad +/- 0.01.
50 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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