LABORATORI DE QUÍMICA ORGÀNICA II

(quadernet original)

3r curs GRAU DE QUÍMICA

MÒDUL 34207

Curs 2018-2019

OBJECTIUS

1. Reforçar els coneixements de l’alumne sobre les normes de seguretat, maneig de material i

reactius, tractament de residus en un laboratori de química orgànica, cerca bibliogràfica i anàlisi de

dades.

2. Reforçar els coneixements de l’alumne en la preparació, desenvolupament i registre del treball

experimental en química orgànica (quadern de laboratori).

3. Realitzar aïllaments de productes orgànics des de les seues fonts naturals.

4. Realitzar diferents síntesis de productes orgànics.

5. Iniciar l’alumne en la síntesi per passos.

6. Iniciar l’alumne en el disseny d’una síntesi.

PROGRAMA

Sessió Contingut

0 Introducció. Seminari 1: estudi i maneig de diferents fonts bibliogràfiques.

1,2 Aïllament de la cafeïna de diferents fonts:

- Separació de la cafeïna de la cafiaspirina

- Aïllament i purificació de la cafeïna del te.

- Comparació qualitativa amb la cafeïna extreta d’altres fonts: Coca-cola, cafè soluble.

3,4,5 Reacció de Wittig. Síntesi de l’àcid 4-vinilbenzoic:

- Preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic

- Preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni

- Preparació de l’àcid 4-vinilbenzoic

6 Destil·lació per arrossegament de vapor. Aïllament del cinamaldehid de la canyella

- Aïllament del cinamaldehid

- Preparació d’un derivat

7,8 Obtenció d’un compost quimioluminiscent: luminol.

-Síntesi del luminol

- Assajos de quimioluminescència

9,10 Reactius de Grignard. Síntesi de trifenilmetanol:

- Obtenció del bromur de fenilmagnesi

- Reacció del bromur de fenilmagnesi amb benzofenona

11,12 Estudi del control cinètic i termodinàmic en les reaccions:

- Formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid per control

cinètic

- Formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid per control

termodinàmic

- Reacció d’interconversió entre una semicarbazona i un compost carbonílic en condicions de control termodinàmic

13 -Finalització de treballs pràctics

- Examen escrit i examen pràctic (opcional).

Les sessions pràctiques (sessions 1-13, de 4,5 h. de durada cadascuna) es duran a terme al

LABORATORI DE QUIMICA ORGÀNICA (FACULTAT DE QUÍMICA. BLOC F planta baixa).

La sessió de seminari (sessió 0, de 1,5 h. de durada) es durà a terme a les aules informàtiques PCI, PCII,

PCIII o PCIV (FACULTAT DE QUÍMICA. BLOC F) en l’hora i l’aula que indicarà el professor.

AVALUACIÓ

L’aprenentatge l’avaluarà de forma contínua el professor atès l’estret contacte que s’hi mantindrà

al llarg del curs. Els diferents apartats que s’avaluaran són els següents:

a) TREBALL DE LABORATORI I RESULTATS: (40%). Es tindrà en compte l’observació de les

normes de seguretat, l’actitud, la preparació, el treball al laboratori i els resultats obtinguts, així com

la seua anàlisi.

La durada de cada sessió experimental serà de 4,5 hores i les sessions no es recuperen, per la

qual cosa les faltes d’assistència i puntualitat hauran de ser degudament justificades. No assistir a

més de dues sessions de pràctiques suposarà la pèrdua de la qualificació corresponent a

l'apartat Treball de Laboratori i Resultats.

És condició indispensable per a començar una sessió que l’alumne tinga el quadern de laboratori

degudament emplenat. Els quaderns els podrà revisar el professor en qualsevol moment.

Tant al començament de la sessió de pràctiques com en finalitzar s’hauran de fer les tasques

generals assignades per al bon funcionament del laboratori i es farà un recompte del material per

lloc de treball.

b) SEMINARIS (10%): n’hi ha de dos tipus.

1- Abans de cada sessió es realitzarà un seminari que consistirà en una exposició sobre

la pràctica que hagen de realitzar els alumnes. Es tindrà en compte tant la preparació i

l’exposició com les respostes a les preguntes que es facen.

2- Seminaris 1 (sessió 0) i 2 (sessions 12 i 13): en aquests seminaris de cerca bibliogràfica

i disseny i posada a punt d’un procés sintètic es tindrà en compte tant el treball elaborat com

la seua presentació i exposició.

c) EXÀMENS (50%): és necessari obtenir un mínim de 4 punts sobre 10 en aquest apartat per

a poder sumar la resta de percentatges. Es considerarà tant l’examen final com els possibles

exàmens i/o preguntes plantejades al llarg del curs.

En l’avaluació de la segona convocatòria es mantindrà la qualificació obtinguda en l’avaluació

continuada (punt a)-“Treball de laboratori i resultats” i (Punt b)-“Seminaris” de la primera

convocatòria, i s’avaluarà de nou la part corresponent al (Punt c) –"Exàmens".

NORMES DE SEGURETAT

Les normes següents són d’obligat i estricte compliment i per tant els alumnes les han de

complir en tot moment. L’INCOMPLIMENT DE QUALSEVOL D’AQUESTES NORMES POT

IMPLICAR L’EXPULSIÓ DE L’ALUMNE DEL LABORATORI

1) En entrar per primera vegada al laboratori han de localitzar-se les eixides d’emergència,

les dutxes d’emergència, els rentaülls, els extintors i la manta ignífuga.

2) Abans de realitzar la pràctica l’estudiant ha de conèixer les característiques i la

perillositat dels compostos que s’hi utilitzaran, així com la dels compostos que poden formar-

se durant l’experiment.

3) Queda terminantment prohibit fumar o consumir aliments al laboratori.

4) La bata i les ulleres de seguretat hauran d’usar-se en tot moment durant l’estada al

laboratori. Les lents de contacte poden resultar molt perilloses en cas d’esquitxades accidentals

als ulls. Per tant, han d’usar-se ulleres graduades i ulleres de seguretat adequades.

5) Els guants hauran d’usar-se sempre durant la manipulació de productes o dels material que

en continguen. A fi d’evitar contaminacions no s’ha d’eixir del laboratori amb els guants posats.

6) Ha de revisar-se el material de vidre per comprovar possibles fissures, especialment abans

del seu ús al buit o a pressió.

7) Els flascons de reactius i dissolvents han de tancar-se immediatament després d’usar-

los. Cal evitar la inhalació de vapors tant de sòlids com de líquids, així com de partícules sòlides.

Si algun producte desprèn vapors tòxics, han de manejar-se en vitrina.

8) Si algun líquid o sòlid es vessa, s’haurà de netejar immediatament de la forma adequada.

En cas que es trenque algun termòmetre, cal avisar el professor per eliminar el mercuri

adequadament.

9) Han d’utilitzar-se embuts de vidre per a transvasar líquids. Si s’han d’usar pipetes, cal utilitzar

les peres de goma apropiades o pipetes automàtiques. Els líquids no es pipetegen mai amb la boca.

10) Els residus o el material d’un sol ús han de separar-se de la manera següent:

a) Dissolvents orgànics: es vessaran en els bidons corresponents tenint en compte que s’han

de separar segons la composició en clorats (p. ex., CHCl3 i CH

2Cl

2) i no clorats. Les mescles de

de clorats i no clorats les vessarem en el bidó de clorats.

b) Residus sòlids no tòxics: en les papereres, mai en les piques. Els residus sòlids tòxics

s’han de dipositar en el recipient assignat corresponent de cada pràctica.

c) El material de vidre trencat i els capil·lars utilitzats es dipositaran en els recipients

habilitats per a ells. Es recorda una altra vegada que si es trenca un termòmetre cal comunicar-ho

als professors per eliminar el mercuri.

d) Dissolucions de metalls pesants: es vessen en els bidons disponibles per a ells, mai en

les piques.

e) Compostos obtinguts en les sessions de pràctiques: una vegada caracteritzats i quan el

professor ho indique, es vessen en els recipients que haja disposat per a ells el professor.

11) És necessari mantenir perfectament net i sec el lloc de treball i el material que s’ha

d’utilitzar atès que farem servir material elèctric. Els elements d’aquest material es manipularan

amb l’aparell en qüestió desconnectat de la xarxa elèctrica.

12) En les calefaccions amb manta calefactora o agitador s’ha d’utilitzar un gat (dispositiu

elevador) o tac de fusta per sota per poder retirar-lo i refredar ràpidament en cas necessari.

13) Els dissolvents orgànics no han d’escalfar mai directament, sinó amb banys d’aigua, i

s’han de manipular sempre en matrassos erlenmeyer o tubs d’assaig, MAI EN VASOS DE

PRECIPITATS.

14) No s’han de manipular mai productes o dissolvents inflamables en la proximitat de

mantes ni plaques calefactores que no estiguen a temperatura ambient. No s’han d’utilitzar els

reguladors elèctrics a més potència que la mitjana sense consultar el professor.

15) No s’han de tenir mai en funcionament mantes o plaques calefactores en buit, és a dir,

sense un recipient (vas, matràs, etc.) que estiguem escalfant.

16) En els muntatges de reflux i destil·lacions cal afegir el germen d’ebullició (“plat porós”)

en fred. Abans de començar la calefacció cal verificar que el muntatge, particularment les juntes

esmerilades, estiguen ben ajustades.

17) No hem d’abandonar mai el lloc de treball mentre s’estiga duent a terme alguna reacció

o destil·lació.

BIBLIOGRAFIA GENERAL

A) Característiques dels compostos (propietats fisico-químiques, manipulació, toxicitat) i

bases de dades d'interés per a productos orgànics (síntesi i reaccions):

1) Chemical Safety Cards (versió en castellà), de l’Institut Nacional de Seguretat i Higiene en el

Treball, que están disponibles a l’adreça http://www.insht.es (cal anar a Documentación. En

Colecciones de INSHT, cal buscar Fichas Internacionales de Seguridad Quimica).

2) http://www.chemnetbase.com. Base de dades de química. S’hi accedeix per connexió a través

del Servei de Bibliografia i Documentació de la Universitat de València o pel servidor de la

Universitat de València. Conté, entre altres secciones, les següents: Properties of Organic

Compounds, Dictionary of Organic Compounds, Handbook of Chemistry and Physics i

Dictionary of Drugs.

3) Merck Index, disponible al laboratori, edició en paper, o en l’adreça

http://themerckindex.cambridgesoft.com/. S’hi accedeix indicant el nom d’usuari i la

contrasenya.

4) Scifinder Scholar Database (http://www.cas.org/products/scifinder). Base de dades de

química. S’hi accedeix per connexió a través del Servei de Bibliografia i Documentació de la

Universitat de València. Accés molt restringit.

5) Organic Synthesis: www.orgsyn.org. Procedimients experimentals molt detallats per a la

preparació de compostos orgànics en un o més passos. S’hi accedeix per connexió a través del

servidor de la Universitat de València.

6) http://webbook.nist.gov/chemistry/. Base de dades d’accés lliure que permet buscar

propietats i dades espectroscòpiques de nombrosos compostos orgànics.

7) organic-chemistry.org/reactions.htm. Portal de química orgànica d’accés lliure en què es

poden trobar les principals reaccions orgàniques i els seus mecanismes, així com les seues

aplicacions a la síntesi orgànica publicades en les diferentes revistes especialitzades.

8) http://www.sigmaaldrich.com/technical-service-home/product-catalog.html. Catàleg

comercial de la casa Sigma Aldrich, disponible també al laboratori.

B) Llibres de text sobre tècniques de laboratori i experiments de laboratori de química

orgànica:

“TÉCNICAS EXPERIMENTALES EN SÍNTESIS ORGÁNICA” A. G. Csákÿ, Mª A. Martínez

Grau , Editorial Síntesis, Madrid, 2a edició, febrer de 2012, ISBN: 84-7738-605-6.

"EXPERIMENTAL ORGANIC CHEMISTRY" L. M. Harwood and C. J. Moody, Editorial

Blackwell Science, 2a edició (1999), ISBN: 978-0-6320-4819-9.

"VOGEL´s TEXTBOOK OF PRACTICAL ORGANIC CHEMISTRY”. B. S. Furniss, A. J.

Hannaford, P. W. G. Smith, A. R. Tatchell, Editorial Longman (1989).

“ORGANIC CHEMISTRY LAB EXPERIMENTS”, S. F. Martin, J. C. Gilbert, 5a edició

(2011), Editorial Cengage Learning, ISBN: 978-1-4390-4916-7.

Seminaris: estudi i maneig de diferents fonts bibliogràfiques.

ESTUDI COMPARATIU DE DIFERENTS PROCEDIMENTS DE SÍNTESIS

*Seminari 1

Introducció.

En el desenvolupament de les pràctiques de laboratori, l’estudiant disposa d’un guió en el qual

s’especifica el procediment experimental que permetrà dur a terme la transformació química

desitjada. Aquesta situació no és la que es presenta en la vida professional, ja que en general és

necessari buscar el procediment experimental per fer la síntesi. Aquesta cerca es fa en llibres,

revistes científiques i bases de dades. En aquest seminari es buscarà la bibliografia de la síntesi del

trifenilmetanol en diferents revistes científiques.

Desenvolupament del seminari

En el seminari s’aprendrà a buscar referències científiques en revistes electròniques que estan

disponibles en la Universitat de València.

Les referències que es buscaran són les següents:

G. Cravotto, A. Procopio, M. Oliverio, L. Orio, D. Carnaroglio, Green Chemistry, 2011, 13,

2806-2809.

C. Berini, O. Navarro, Chem. Comm. 2012, 48, 1538-1540.

M. A. G. Berg, R. D. Pointer, J. Chem. Edu. 2007, 84, 483-484.

En cadascuna de les publicacions (bé en la revista, bé en el material suplementari) es buscarà

el procediment de síntesi del trifenilmetanol.

Proposta de treball

Una vegada familiaritzats amb les bases de dades, es proposarà un treball sobre una molècula

d’interès comercial que haurà de presentar-se al final del període de pràctiques. Per fer-lo s’haurà

de buscar la informació necessària, organitzar-la, analitzar-la, redactar l’informe corresponent i

recollir en diferents apartats els aspectes relacionats amb les característiques d’aquesta,

aplicacions, mètodes d’anàlisi, mètodes de síntesi, etc. El professor donarà les instruccions

adequades sobre el model i la forma com cal fer aquest informe.

*Seminari 2 (es realitzarà en les ultimes sessions de laboratori)

En aquest segon seminari els estudiants posaran en comú el treball realitzat i es discutiran els

avantatges i els inconvenients de cadascun dels procediments experimentals.

AÏLLAMENT: aïllament de la cafeïna de diferents fonts

Objectius: separació mitjançant extracció líquid-líquid dels components actius majoritaris de

la Cafiaspirina, sobre la base de les diferents propietats àcid base d’aquests components

Aïllament de la cafeïna de les fulles de te mitjançant una extracció sòlid-líquid i una extracció

líquid-líquid. Purificació de la cafeïna aïllada mitjançant cristal·lització amb un dissolvent orgànic

i/o una sublimació.

Extracció i anàlisi per cromatografia de capa fina de la cafeïna obtinguda de diferents fonts.

1. Separació de la cafeïna de la Cafiaspirina.

Es tritura una tableta de Cafiaspirina

humitejant-la amb unes gotes de metanol. S’afegeixen

50 mL de diclorometà. La mescla resultant es filtra per

gravetat per separar el possible residu insoluble. El filtrat

es transfereix a un embut de decantació i s’extrau amb

tres porcions d’uns 15 mL de NaHCO3 saturada (dissolució aquosa).

Aïllament de la cafeïna: la fase orgànica s’asseca sobre MgSO4 anhidre, es filtra, s’evapora el

dissolvent a sequedat en un matràs de fons redó en el rotavapor i es pesa (es calcula el rendiment). Es

transvasa a un vial (cafeïna 1)

Aïllament de l’àcid acetilsalicílic: la dissolució aquosa s’acidifica amb HCl concentrat (es calcula la

quantitat necessària) gota a gota i agitant (precaució amb el CO2 que es desprén; es pot refredar si

s’escalfa en excés). S’extrau amb tres porcions d’uns 15 ml de diclorometà. Les fases orgàniques

reunides es renten amb salmorra (uns 15 ml), s’assequen sobre MgSO4 anhidre, es filtren, s’evapora

el dissolvent a sequedat en un matràs de fons redó en el rotavapor i es pesa (es calcula el rendiment).

Es transvasa a un vial (aspirina 1). Nota: també es pot purificar per cristal·lització.

2. Aïllament de la cafeïna del te

En un vas de precipitats de 400-500 ml s’escalfa fins al punt d’ebullició durant

aproximadament 20 minuts una mescla de 5g de fulles de te, 5g de carbonat càlcic en pols i 100 ml

d’aigua (si se n’evapora molta, cal anar reposant-ne petites quantitats de freda). A continuació es filtra

la mescla en calent al buit sobre una capa fina de celite (aproximadament de 5-8 mm. de grossor). Si

es tapona el filtre, cal canviar-lo per un de nou per completar la filtració). El filtrat es dilueix amb 30

ml de salmorra. Es deixa refredar a temperatura ambient en un bany d’aigua i s’extrau tres vegades

amb porcions d’uns 25 ml de diclorometà en un embut de decantació de 250 ml. Ha d’agitar-se molt

suaument per evitar la formació d’emulsions (un simple moviment de balanceig de l’embut de

decantació durant uns 5 minuts és suficient per a una bona extracció). La presència de saponines en

l’extracte afavoreix la formació d’emulsions. Si es forma un poc d’emulsió, ha de recollir-se

juntament amb la fase orgànica. Es reuneixen les fases orgàniques, es renten amb salmorra,

s’assequen sobre sulfat sòdic anhidro, es filtren sobre un matràs de fons redó de 100 ml prèviament

tarat i es concentren a sequedat en el rotavapor.

El residu que queda en el matràs després de l’evaporació del diclorometà és cafeïna bastant

pura, que es pesa per calcular el percentatge que n’hi ha en el te. La cafeïna es pot purificar per

cristal·lització d’acetona (o d’acetona-èter de petroli) o per sublimació.1 En qualsevol cas es guarda

per a l’anàlisi cromatogràfica (cafeïna 2) que es farà al final de la pràctica.

3. Comparació qualitativa amb la cafeïna extreta d’altres fonts.2

Extracció de la cafeïna d’un cafè soluble: es pesen 2 g de cafè soluble i es trituren en un

morter juntament amb la mateixa quantitat de celite. La mescla polvoritzada es transfereix amb

l’ajuda d’un embut de sòlids a un erlenmeyer de 100 ml i s’extrau amb 50 ml de diclorometà en calent

(s’escalfa amb l’agitador magnètic alhora que s’agita amb una vareta magnètica de 3 a 5 minuts, i

anem amb compte que no s’evapore el dissolvent). La mescla es deixa refredar, es filtra i es transfereix

a l’embut de decantació. Es renta amb salmorra i s’asseca amb sulfat sòdic anhidre Es filtra i es

concentra a sequedat en el rotavapor. Es pesa i es calcula el percentatge de cafeïna que hi ha en el

cafè soluble. La cafeïna es transfereix a un vial amb l’ajuda de petites porcions de diclorometà i es

reserva per a l’anàlisi cromatogràfica.

Extracció de la cafeïna de la Coca-cola: es prenen 50 ml de Coca-cola i es transvasen a un

embut de decantació. S’extrau tres vegades amb porcions de 15 ml de diclorometà. Es reuneixen els

extractes, es renten amb salmorra, s’assequen sobre sulfat sòdic anhidro, es filtren i s’elimina el

dissolvent a pressió reduïda (rotavapor). Es pesa el residu obtingut per determinar el contingut de

cafeïna de la Coca-cola. Es reserva el producte per a l’anàlisi cromatogràfica.

4. Anàlisi cromatogràfica de la cafeïna.

Es compara per cromatografia de capa fina la cafeïna aïllada del te, de la cafiaspirina, del cafè

soluble i de la Coca-cola. Es fan tres cromatografies utilitzant d’eluent: 1.- CH2Cl

2. 2.- CH

2Cl

2-MeOH

95:5. 3.- CH2Cl

2-MeOH 90:10. Es comenten les diferències observades.

1 Si el professor ho considera oportú, és aconsellable guardar totes les remeses de cafeïna i ajuntar al final de la pràctica

una porció de les cafeïnes de cada parella, per exemple 1/3, per a una única sublimació (realitzada pel professor). La resta

de cada parella que la cristal·litzen d’acetona (a penes un parell de ml) 2 Aquest apartat és opcional (queda a criteri del professor). Segons el temps, es podrà fet complet, solament una part o

res.

SÍNTESI: reacció de Wittig. Síntesi de l’àcid 4-vinilbenzoico.

En general, podem classificar els reactius orgànics en dues categories: electròfils (o deficients

en electrons) i nucleòfils (o rics en electrons). Dins de la segona categoria hi ha una gran diversitat

de substrats útils en la preparació de molècules orgàniques.

Una de les reaccions més utilitzades en síntesi orgànica per a formar nous enllaços C-C és la

reacció de Wittig i les seues variants. La reacció de Wittig permet formar un enllaç doble C=C per

addició nucleofílica d’un carbanió estabilitzat per l’heteroàtom fòsfor al carboni electrofílic d’'un

grup carbonil d'un aldehid o d'una cetona. En aquesta pràctica es farà la preparació d’àcid 4-

vinilbenzoic en tres etapes: 1) preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic mitjançant una reacció de

bromació benzílica radicalària de l’àcid 4-metilbenzoic amb N-bromosuccinimida (NBS); 2)

preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni per reacció de SN2 de trifenilfosfina amb el

bromur obtingut en la primera etapa i 3) generació de l’ilur de fòsfor en medi bàsic, que en presència

de formaldehid portarà, després d'acidificar, a la formació de l’àcid 4-vinilbenzoic.

Preguntes prèvies a l’inici de la pràctica:

1.- Quin és el paper del peròxid de benzoïl en la reacció de bromació de l’àcid p-metilbenzoic?

2.- Descriga detalladament el mecanisme de la formació de l’àcid 4-bromometilbenzoic.

3.- Descriga el mecanisme de la formació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni a partir de

l’àcid 4-bromometilbenzoic.

4.- Descriga el mecanisme de la formació de l’àcid 4-vinilbenzoic a partir del bromur de

4-carboxibenziltrifenilfosfoni.

5.- Què té de particular la reacció de Wittig que s’utilitza en aquesta pràctica? Seria possible fer la

reacció de Wittig en les mateixes condicions experimentals amb una sal de fosfoni equivalent no

aromàtica [bromur de ((4-carboxiciclohexil)metil)trifenilfosfoni]?

6.- Escriga l’estructura i el mecanisme de formació del poli(4-vinilbenzoic). Vegeu nota 7.

1. Preparació d’àcid 4-(bromometil)benzoic

S’introdueixen 2,7 g d’àcid 4-metilbenzoic i 3,6 g de N-bromosuccinimida en un matràs

esfèric de 100 ml. S’hi afegeix el peròxid de benzoïl (l’equivalent a 0,20 g de producte pur) amb cura

que no s’adherisca a l’esmerilat del matràs. Finalment, s’afegeixen 25 ml de clorobenzè arrossegant

el sòlid que puga haver quedat en les parets interiors del matràs. Seguidament s’escalfa la mescla

suaument a reflux durant una hora amb agitació magnètica. Després d’aquest període es refreda el

matràs en un bany de gel durant 10 minuts i es filtra el precipitat al buit. El residu sòlid obtingut es

renta amb hexà (3 x 10 ml) i es transfereix a un vas de precipitats. S’hi afegeixen 50 ml d’aigua i

s’agita durant 10 minuts per dissoldre la succinimida. Es filtra, de nou per succió, i el precipitat es

renta amb aigua (2 x 10 ml). S’asseca el producte una estona en el Büchner i se’n guarda una petita

quantitat per fer el punt de fusió quan estiga perfectament sec.

Amb aquest procediment, el producte cru obtingut pot tenir fins a un 10% d’impuresa (és

tracta de compost de partida sense reaccionar). Es realitza una CCF (hexà:AcOEt; 1:1) per verificar

la puresa. En cas necessari (si queda compost de partida sense reaccionar), es pot cristal·litzar el

producte cru per obtenir l’àcid desitjat pur: es dissol en la mínima quantitat de MeOH a ebullició, es

deixa refredar a temperatura ambient i després amb bany de gel. Es filtra i una vegada sec el compost

desitjat, es pesa per calcular el rendiment i guardar-ne una mostra per a la determinació del punt de

fusió.

En el següent pas s’utilitzaran 5 mmols de l’àcid, per la qual cosa es lliurarà el compost sobrant

al professor de manera que els alumnes que no n’hagen obtingut prou per al següent pas puguen fer-

lo a l’escala indicada.

2. Preparació de bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni

En un matràs de 100 ml es dissolen 5 mmols d’àcid 4-bromometilbenzoic (s’utilitzen guants

per a manejar aquest producte) i 5 mmols de trifenilfosfina en 15 ml d’acetona grau reactiu. El matràs

de reacció es connecta amb un refrigerant de reflux i s’escalfa la mescla de reacció a reflux durant 45

min.3 A continuació es deixa refredar i es filtra al buit la sal de fosfoni formada. El sòlid es renta en

l’embut amb èter dietílic (2 x 10 ml) i s’asseca. Es pesa, es calcula el rendiment i es mesura el punt

de fusió. El producte és suficientment pur per a ser utilitzat en l’etapa següent.

3. Preparació de l’àcid 4-vinilbenzoic

En un matràs erlenmeyer es disposen 1,9 gr del bromur de 4-carboxibenziltrifenilfosfoni, 16

ml de formaldehid aquós, 8 ml d’aigua i una vareta agitadora.4 Es tapa el matràs lleugerament i

s’afegeix en porcions i amb agitació una dissolució de 1,3 g d’hidròxid sòdic en 7 ml d’aigua durant

uns 10 min. La mescla de reacció s’agita durant 45 min i a continuació es filtra el precipitat al buit,

es renta amb petits volums d’aigua5 i es recullen junts el filtrat i l’aigua de les rentades que queden

en el kitasato. La dissolució aquosa anterior s’acidifica amb àcid clorhídric concentrat i el precipitat

format es filtra al buit. El producte es cristal·litza d’etanol aquós.6 El producte es pesa quan estiga

sec. Es calcula el rendiment i es registra el punt de fusió.7

3 A causa de l’aparició de precipitat abundant, és aconsellable muntar el reflux amb agitació magnètica i l’ús del bloc

d’alumini i placa calefactora amb agitador. 4 En cas de no disposar-ne de suficient quantitat, utilitzarem la que tinguem disponible i recalcularem les quantitats de

reactius i dissolvents que hem d’usar. 5 Si utilitzem molta aigua, el producte es perd en l’etapa posterior d’acidificació.

6 El producte és molt soluble en etanol, per la qual cosa és millor en aquest cas suspendre el producte en un volum d’aigua

calenta (uns 30 ml a uns 70ºC) i després una mica d’etanol per solubilitzar-lo (4-5 ml).

7 L’àcid vinilbenzoic pot polimeritzar en fondre’s i donar un polímer d’estructura similar al poliestirè, ja que la molècula

porta ja un grup carboxil que pot actuar de catalitzador àcid de la polimerització. Per aquest motiu és freqüent que es

veja bé el principi de la fusió, a uns 148 ºC, però no al final. En pujar la temperatura per damunt del punt de fusió, el

producte es descompon clarament (probablement a causa de la polimerització).

AÏLLAMENT: arrossegament de vapor. Aïllament del cinamaldehid

de la canyella.

La destil·lació per arrossegament amb vapor és una tècnica per a separar substàncies orgàniques

insolubles en aigua i lleugerament volàtils d’altres no volàtils que es troben en la mescla, com ara

resines o sals inorgàniques o altres compostos orgànics no arrrossegables. La destil·lació és una

operació que s’utilitza amb freqüència per a purificar i aïllar líquids orgànics. La destil·lació aprofita

les volatilitats i els punts d’ebullició dels components líquids que cal separar.

Procediment experimental

Preparar un muntatge de destil·lació per arrossegament de vapor utilitzant un matràs de fons

redó de 250 ml de dues boques. Sobre la boca vertical es munta una destil·lació convencional i la

boca lateral s’uneix a un altre matràs de 100 ml amb aigua (uns 50 ml), que una vegada en ebullició

permetrà bombollejar el vapor d’aigua al segon matràs. En el matràs central s’introdueixen 5 g de

canyella i 100 ml d’aigua. Es manté destil·lant el sistema fins a recollir uns 100 ml de destil·lat (en

un matràs refredat).

Es transvasa el destil·lat a un embut de decantació i s’extrau amb tres porcions de diclorometà

(3 x 15 ml). Es reuneixen les fases orgàniques, s’assequen amb sulfat sòdic anhidro i s’evapora el

dissolvent en rotavapor (no s’escalfa a penes). Es calcula el percentatge de cinamaldehid que conté

la canyella.

Preparació d’un derivat

Es dissolen 0,03 g d’hidroclorur de semicarbazida i 0,17 g d’acetat sòdic anhidro en un ml

d’aigua. S’afegeixen a aquesta mescla 1 ml d’etanol. S’afegeix aquesta dissolució a 0,3 mmol de l’oli

de la canyella que hem obtingut i s’escalfa en un bany d’aigua (90-100ºC) durant cinc minuts. Ee

refreda la mescla i es deixa cristal·litzar la semicarbazona del cinamaldehid. Es filtra i es pesa. El

producte es pot recristal·litzar de metanol.

SÍNTESI: obtenció d’un compost quimioluminiscent: luminol.

En aquesta pràctica estudiarem el fenomen de la quimioluminescència. Aquest terme s’utilitza

per a designar l’emissió de llum d’una reacció química. L’energia alliberada en aquesta reacció

química és la responsable d’excitar certes molècules que després d’una desactivació vibratòria dins

del mateix estat excitat alliberen l’excés d’energia en forma de radiació amb una longitud d’ona que

pot estar en l’espectre visible, la qual cosa és fàcil de veure i d’identificar. L’exemple més conegut

de la quimioluminescència és probablement la reacció química que s’utilitza en els tubs de llum. Una

altra mostra de les múltiples aplicacions d’aquest fenomen és la utilització del luminol en química

forense per a la detecció de restes de sang.

El luminol és un derivat de l’àcid ftàlic. Es tracta d’un sòlid verdós que dóna la reacció de

quimioluminescència amb peròxids i en presència de complexos de ferro com a catalitzadors. La

quimioluminescència que es produeix en éssers vius es coneix amb el terme de bioluminescència.

Diverses espècies d’animals i vegetals presenten aquesta característica (cuques de llum, alguns tipus

d’algues). Sovint el fenomen de la quimioluminescència és molt breu (almenys a simple vista), però

la llum que s’emet es pot mesurar en un espectròmetre de quimioluminescència molecular amb un

fotomultiplicador. La construcció i la utilització de sondes bio i quimioluminiscents ha permès crear

aplicacions d’aquests fenòmens en àrees com la immunologia clínica o la biologia molecular.

Procediment sintètic

Degut a que s'han d'assolir temperatures molt altes durant la generació de la 5-

nitroftalhidrazida (superiors a 200 ° C) s'ha de realitzar el muntatge seguint estrictament els passos

que s'indiquen a continuació: Sobre un agitador magnètic dotat de calefacció i termòmetre digital amb

sonda, es col·loca el bloc metàl·lic emprat per al calfament de matrassos esfèrics de 100 mL.

Prèviament s'hauran obturat de manera temporal les tres perforacions que el bloc presenta a la part

semiesfèrica fent servir un poc de paper d'alumini. A continuació s'introdueix al bloc un tub amb

esmerilat superior i oliva lateral de forma que aquest toque el fons del bloc metàl·lic, i es reompli tot

l'espai entre el tub i el bloc semiesfèric amb sorra (fent ús d'una cullereta i evitant derramar-la). La

sonda termomètrica s'introdueix a la sorra el més pròxim possible al tub. S'aïlla la placa calefactora i

el bloc amb paper d'alumini tapant també la capa superior de sorra. Introduir en el tub 0,65 g d’àcid

3-nitroftàlic seguit de 2 mL de trietilenglicol amb un embut de líquids, evitant embrutar l'esmerilat.

Posar l'agitació en funcionament i afegir gota a gota 1 mL d'una dissolució aquosa d'hidrazina al 10%.

Tapar l'esmerilat amb un tap de vidre i connectar l'eixida lateral a un sistema de buit (preferentment

una trompa d'aigua) i activar el buit. En aquest punt és possible que es formen espumes que tendeixen

a pujar pel tub. La formació d'aquestes espumes es pot controlar obrint i tancant el buit amb la clau

de triple pas. Quan s'estabilitze el sistema, posar la placa a calfar a 100 °C. Durant aquest període

s'observarà ebullició irregular, i cap als 80 °C tot el sòlid s'hauria d'haver dissolt. Continuar calfant a

100 °C i que la trompa s'enduga tot el vapor d'aigua que es forma fins que no s'observe més ebullició.

La dissolució hauria de tindre color groc. A continuació es puja la potencia de la placa calefactora al

màxim i el termòmetre a 220 °C. S'observarà un canvi de coloració a roig-taronja (és possible que

s'observe un poc d'ebullició altra vegada). Mantenir a 220 °C durant uns minuts (la mescla girarà a

color groc i possiblement comence a precipitar). Retirar el bany de sorra (amb guants especials) i el

tap de vidre (abans cal tancar el buit) i, mantenint l'agitació, esperar uns minuts fins que la mescla es

refrede lleugerament. De tant en tant es pot afegir una gota d'aigua i si s'observa ebullició esperar un

poc més de temps. Quan no s'observe ebullició, afegir 5 mL d'aigua i ràpidament abocar el contingut

del tub a un got de precipitats menut i recollir amb 5 mL més d'aigua. Deixar assolir temperatura

ambient i després introduir en un bany de gel. Recollir els cristalls formats de 5-nitroftalhidrazida per

filtració a buit (micro-Buchner) i rentar amb una mica d'aigua freda.

S’introdueix la 5-nitroftalhidrazida humida (o seca si s’ha deixat fins a l’endemà) en un matràs

de fons redó de 50 ml dotat de vareta magnètica i s’hi afegeixen 3,5 ml d’una dissolució d’hidròxid

sòdic al 10%. S’agita fins a la total dissolució de la mescla (dissolució rogenca). S’hi afegeixen dos

g de ditionit sòdic dihidrat i s’escalfa amb agitació fins que la solució bulla (fer servir el muntatge de

reflux amb bloc metàl·lic). Es manté l’ebullició durant cinc minuts (la dissolució passa de rogenca a

ocre i finalment a groga, de vegades apareix precipitat). S’afegeixen 1,3 ml d’àcid acètic glacial i es

passa la dissolució, encara calenta, a un erlenmeyer o got de precipitats. Es manté agitant mentre es

refreda a temperatura ambient. Es recullen els cristalls grocs de luminol per filtració al buit. Rentar

amb una mica d'aigua.

Assajos de quimioluminescència

Preparar les dissolucions següents. (Nota: es poden reduir les quantitats a consideració del

professor):

a) Dissoldre 50 mg de luminol (tot el que s'ha obtingut, pot estar humit) en 5 ml d’una dissolució

d’hidròxid sòdic al 10% i portar-la a 500 ml.

b) Dissoldre 250 mg de ferricianur potàssic en 50 ml d’aigua, i afegir 7,5 ml d’una dissolució de

peròxid d’hidrogen al 3%. La mescla es dilueix a 500 ml.

Es porten les dues dissolucions a una cambra fosca juntament amb una dissolució de NaOH (10%).

Es barregen en un matràs d’un L les dissolucions a i b, i s’observarà l’aparició de la

quimioluminescència immediatament. Si afegim a la mescla hidròxid sòdic, la luminescència

s’intensifica

SÍNTESI: reactius de Grignard. Síntesi de trifenilmetanol.

Els reactius de Grignard (halogenurs d’organomagnesi) constitueixen una de les classes de

reactius més versàtils en síntesi orgànica. Es tracta de compostos que presenten un enllaç carboni-

metall polaritzat amb l’àtom de carboni amb un marcat caràcter de carbanió. Es preparen per reacció

d’un halogenur d’alquil o aril amb magnesi metall en un dissolvent estable a les bases [com són Et2O

o THF (tetrahidrofurà)] i que siga a més capaç de dissoldre el compost organometàl·lic. La reacció

de formació del reactiu de Grignard és una reacció d’oxidació-reducció que es dóna sobre la superfície

del metall en la interfície sòlid-líquid, en la qual el magnesi s’oxida i el carboni de l’halogenur d’alquil

es redueix. El mecanisme de formació del reactiu organomagnesià opera amb una transferència inicial

monoelectrònica del metall al carboni electrofílic de R-X i té les etapes següents:

Es pot produir una reacció col·lateral que disminueix el rendiment en reactiu de Grignard i

que consisteix en la reacció d’aquest amb l’halogenur que encara no s’ha consumit per donar el

producte d’acoblament dels grups alquil o aril:

D’altra banda, l’àtom de carboni amb caràcter de carbanió és al mateix temps un nucleòfil i

una base forta, per tant reacciona ràpidament amb diferents electròfils i àcids. Per exemple, els

reactius de Grignard reaccionen ràpidament i exotèrmicament amb aigua, alcohols, amines, anhídrid

carbònic i oxigen, per tant la seua preparació hauria de fer-se en atmosfera seca i en absència d’aire.

Una de les reaccions sintèticament més útils dels reactius organomagnesians és l’addició al

carbonil d’aldehids i cetones per donar els corresponents alcohols secundaris i terciaris amb formació

d’un nou enllaç C-C.

Aquesta pràctica consisteix en la preparació d’una dissolució de bromur de fenilmagnesi en

èter dietílic i en la successiva reacció d’addició d’aquest a benzofenona. La posterior acidificació de

l’alcòxid format permet obtenir l’alcohol terciari juntament amb els productes secundaris formats,

que se separaran del producte principal per cromatografia en columna de sílice.

Preguntes prèvies a l’inici de la pràctica:

1.- Quin/s producte/s secundari/s poden formar-se en la reacció de formació de l’organomagnesià?

2.- Quina és la funció del iode en aquesta reacció?

3.- Per què cal afegir lentament la dissolució etèria de bromobenzè a les llimadures de magnesi?

4.- Escriga detalladament el mecanisme de la reacció entre l’organomagnesià i la benzofenona.

5.- Per què les condicions han de ser anhidres per a ambdues reaccions?

6.- L’aire, que conté oxigen i CO2, pot causar algun problema en aquestes reaccions?

7.- Proposar un altre reactiu organometàl·lic que es puga utilitzar per a obtenir el mateix producte i

indicar com el prepararieu.

8.- És estable el trifenilmetanol en els medis àcids no aquosos? Indique què podría ocórrer si es tracta

el trifenilmetanol amb clorur d’hidrogen en èter etílic.

1. Preparació de bromur de fenil magnesi

En un matràs sec de fons redó de 50 ml amb dues boques que conté llimadures de magnesi

(0,41g, 17 mmol) i un cristall de iode s’adapten un embut d’addició i un refrigerant amb sengles tubs

de clorur càlcic. S’addicionen successivament per l'embut d'addició dos ml d’èter anhidro i una

dissolució formada per 1,6 ml de bromobenzè (15 mmol) i dos ml d’èter anhidro (aquesta última

s’addiciona lentament).

Posteriorment, s’hi afegeixen 4 ml més d’èter anhidro en dues porcions per recollir el que

haguera quedat en l’embut. Una vegada conclòs aquest procés es manté un suau reflux durant 10-20

min8 i s’observen els canvis de coloració que es produeixen en la dissolució (taronja a gris; el magnesi

no es consumeix del tot). En aquest punt és opcional fer una cromatografia de capa fina per comprovar

que la reacció no està conduint a productes secundaris.

2. Preparació de trifenilmetanol per reacció del bromur de fenilmagnesi amb

benzofenona

A continuació es deixa refredar el matràs i amb l’embut s’addiciona una dissolució de 0,93 g

de benzofenona (5,1 mmol) en un ml d’èter i després un ml més d’èter per recollir. (Dissolució de

color roig). Es deixa la mescla de reacció amb agitació constant a temperatura ambient durant 30 m.

S’observa l’aparició d’un sòlid blanc. Acabat aquest temps s’addiciona H2SO4 aquós al 5% fins a pH

àcid9 i 2 ml d’èter, i s’agita fins a dissolució del precipitat blanc. La mescla es transfereix a un embut

de decantació i s’afegeix més aigua per recollir. Se separen a continuació les fases (si es formen

emulsions, cal afegir més èter). La fase aquosa s’extrau amb èter i les fases orgàniques reunides es

renten amb salmorra i s’assequen sobre MgSO4. Al residu obtingut després d’evaporar el dissolvent

en el rotavapor es fa una CCF (n-hexà:dietilèter, 8:2) i una part (0,1 g) es purifica per cromatografia

de columna utilitzant n-hexà:dietilèter com eluent (9:1-8:2). La resta es cristal·litza d’AcOEt filtrant

en calent per retirar impureses insolubles.

8 Aquest suau reflux de vegades s’automanté, ja que la reacció de formació de l’organomagnesià és exotèrmica. Es

recomana tenir un bany d’aigua-gel preparat en el cas que es produïsca una ebullició molt violenta i calga refredar

ràpidament la reacció. 9 Alternativament es poden addicionar 4 ml de NH

4Cl 5%.

SÍNTESI: estudi del control cinètic i termodinàmic en les reaccions.

Hi ha reaccions orgàniques en les quals un producte de partida (o sistema de reactants) es pot

transformar en dos productes que tenen diferent estabilitat termodinàmica a través de dos camins de

reacció diferents que impliquen diferents energies d’activació i, per tant, velocitats diferents. El

producte que es forma més ràpidament es denomina producte cinètic i el producte que és més estable

termodinàmicament producte termodinàmic. Les reaccions que donen lloc al producte cinètic es diu

que estan sota control cinètic i les que donen lloc principalment al producte més estable es diu que

estan sota control termodinàmic. En el primer cas, la quantitat relativa dels productes depèn de la

velocitat a la qual es formen. En el segon cas depèn de la seua estabilitat relativa. Un exemple

d’aquest tipus és la reacció d’addició de HBr a 1,3-butadiè, en la qual el producte cinètic és diferent

del termodinàmic o l’addició d’un nucleòfil a un compost carbonílic α,β-insaturat.

En aquests casos, el producte que predomina dependrà de les condicions de reacció. Les

temperatures baixes i els temps de reacció curts afavoreixen la formació del producte cinètic, mentre

que les temperatures altes i els temps de reacció llargs afavoreixen la formació del producte

termodinàmic. Quan la reacció es fa en condicions de control

cinètic s’obté majoritàriament el producte amb energia

d’activació més baixa (cinètic), ja que les condicions de reacció

suaus no permeten que es done a penes la reacció inversa. Quan

la reacció es fa a temperatura elevada o després de temps molt

llargs de reacció es pot superar amb més facilitat la barrera de la

reacció inversa per tornar enrere. En aquestes condicions, la

relació de productes formats dependrà de la seua estabilitat

relativa, ja que la reacció està en condicions d’equilibri.

El principi del control cinètic i termodinàmic en química

orgànica es pot il·lustrar amb la reacció competitiva de

semicarbazida amb dos compostos carbonílics, ciclohexanona i

furfural (2-furaldehid) per donar dos diferents semicarbazones i

aigua.

La reacció de condensació d’un compost carbonílic amb

semicarbazida és un procés reversible en el qual una molècula

d’aigua pot provocar la hidròlisi per donar els productes de

partida. Els dos compostos carbonílics utilitzats en aquest

experiment s’han elegit a causa de les seues diferents velocitats de reacció amb semicarbazida i les

diferents estabilitats de les semicarbazones resultants. L’experiment implica la formació inicial

d’ambdues semicarbazones com a productes purs, després dels quals es fan experiments competitius

de formació de les semicarbazones en condicions cinètiques (temperatura baixa i temps de reacció

curt) i termodinàmiques (temperatures altes i temps de reacció llarg). L’anàlisi per CCF

(cromatografia de capa fina) sobre sílice de les carbazones pures i de les obtingudes en els

experiments de competició indicarà quina semicarbazona es forma principalment en condicions de

control cinètic i en condiciones de control termodinàmic.

Preguntes prèvies a l’inici de la pràctica:

1.- Descriga el mecanisme de formació d’una semicarbazona.

2.- En general, quina diferència de reactivitat hi ha entre un carbonil de cetona i un d’aldehid? Com

influeix la reactivitat en la velocitat de reacció?

3.- Quin carbonil és més reactiu, el de la ciclohexanona o el del 2-furaldehid? Justifique la resposta.

4.- Què influeix en l’estabilitat de les dues semicarbazones preparades en aquesta pràctica?

5.- Per què en condicions termodinàmiques és més fàcil que el producte de reacció revertisca al

producte de partida?

Part A: formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid per

control termodinàmic

En un matràs esfèric de 100 ml s’introdueixen 10 mmols del clorhidrat de semicarbazida,

juntament amb 23,8 mmols de bicarbonat sòdic. S’addicionen 25 ml d’aigua desionitzada. Es

produeix una forta efervescència i s’agita fins que cessa i tots els sòlids estan dissolts. Seguidament

s’addicionen 10 mmols de ciclohexanona i 10 mmols de 2-furaldehid i s’escalfa en un bany d’aigua

a uns 60ºC durant 30 minuts. S’observa que en la mescla de reacció està tot dissolt. Es retira el matràs

de la font de calor i es deixa refredar lentament fins a temperatura ambient i seguidament es refreda

en un bany de gel. El sòlid obtingut es recull per filtració a buit, es renta amb aigua freda i es guarda

en un sobre de paper fins que estiga totalment sec.

Part B: formació competitiva de les semicarbazones de ciclohexanona i 2-furaldehid baix

per control cinètic

En un matràs esfèric de 100 ml s’introdueixen 10 mmols del clorhidrat de semicarbazida,

juntament amb 23,8 mmols de bicarbonat sòdic. S’addicionen 25 ml d’aigua desionitzada. Es

produeix una forta efervescència i s’agita fins que cessa i tots els sòlids estan dissolts. El matràs

s’introdueix en un bany a 0ºC. S’espera aproximadament 10 minuts i s’addicionen 10 mmols de

ciclohexanona i 10 mmols de 2-furaldehid. La mescla s’agita a aquesta temperatura aproximadament

30 minuts. El sòlid obtingut es recull per filtració, es renta amb aigua freda i es guarda en un sobre

de paper fins que estiga totalment sec.

Es preparen en uns vials dissolucions de xicotetes quantitats dels sòlids obtinguts dissolts en

acetona i es comparen per cromatografia de capa fina amb patrons [eluent cloroform-metanol (9-1)].

Part C: reacció d’interconversió entre una semicarbazona i un compost carbonílic en

condicions de control termodinàmic.

En un matràs esfèric de 100 ml s’introdueixen 2 mmols de la semicarbazona de ciclohexanona

i 2 mmols de 2-furaldehid en 4 ml d’aigua. La mescla s’escalfa en un bany d’aigua a uns 60ºC durant

una hora. Durant aquest temps es trauen amb ajuda d’un comptagotes unes gotes de la reacció a

diferents temps (per exemple 1/5/15/30/60 minuts; s’anota el temps exacte). Cadascuna de les mostres

preses es passa a un vial petit net, s’afegeix a cadascuna aproximadament un ml d’acetat d’etil, s’agita

vigorosament i es deixa en repòs. Es fa una CCF comparativa de la fase orgànica de totes les mostres.

Es comenten els resultats obtinguts.

Responga les preguntes següents:

1 Quin producte s’ha obtingut quan partint d’una mescla de ciclohexanona i 2-furaldehid en

presència de semicarbazida s’ha treballat en condicions cinètiques?

2 Quin producte s’ha obtingut quan partint d’una mescla de ciclohexanona i 2-furaldehid en

presència de semicarbazida s’ha treballat en condicions termodinàmiques?

3 Com s’explica que en cada cas s’obtinga majoritàriament una semicarbazona de les dues

possibles?

4 Què passaria si s’escalfara a reflux durant una hora una dissolució aquosa bàsica que

continguera quantitats equimoleculars de la semicarbazona de 2-furaldehid i ciclohexanona?