laboratorio dequimicaorganica aplicada

Laboratorio de Química Orgánica Aplicada. Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico. 59

LABORATORIO DE QUIMICA ORGANICA APLICADA

PRACTICA # 4

PREPARACIÓN DE CICLOHEXENO A PARTIR DE CICLOHEXANOL Y DE ÁCIDO ADÍPICO A PARTIR DE CICLOHEXENO MEDIANTE

UNA TÉCNICA DE QUÍMICA VERDE

OBJETIVOS Al finalizar la práctica el alumno será capaz de: 1. Llevar a cabo la deshidratación de un alcohol para obtener un alqueno y la oxidación drástica de la doble

ligadura del alqueno hasta los ácidos correspondientes. 2. Llevar a cabo correctamente destilaciones fraccionadas, con técnicas y equipo de microescala, minimizando la

pérdida de compuesto por retención en la columna. 3. Identificar la formación de azeótropos. 4. Corregir el punto de ebullición de un compuesto a diferentes presiones, con la ayuda de diagramas de

correlación. 5. Llevar a cabo una versión más verde de la oxidación del ciclohexeno utilizando peróxido de hidrógeno y un

agente de transferencia de fase. 6. Comprobar la identidad y pureza de los productos, mediante los espectros de infrarrojo, diferenciándolos de

los reactivos iniciales. 7. Reconocer la importancia industrial del ácido adípico y comparar el método de síntesis usado en el laboratorio

con los procesos industriales. INFORMACIÓN GENERAL Deshidratación de alcoholes Uno de lo métodos más comunes para la preparación de alquenos, tanto en la industria como en el laboratorio, es la deshidratación de alcoholes. En esta reacción se eliminan -OH y -H (como H2O y como H+ respectivamente) de dos átomos de carbono adyacentes al tratar al alcohol con un agente deshidratante como ácidos sulfúrico o fosfórico concentrados o, alternativamente, por destilación sobre alúmina o sílica gel. El mecanismo para las dos alternativas es diferente. En el mecanismo más probable para la ruta catalizada por ácido, el primer paso consiste en la protonación del grupo -OH, ya que el oxígeno es un nucleófilo por sus dos pares de electrones no compartidos y, por lo tanto, reacciona con el protón disociado del ácido (α).

Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana.


Al protonarse el oxígeno, se opera un cambio drástico en la fuerza de la ligadura C-O la cual se debilita por el carácter trivalente y la carga positiva que desestabizan al oxígeno. La molécula de agua se separa dejando la carga positiva en el carbono que estaba unido el oxígeno.

Esta especie con carga positiva es un ión carbonio o carbocatión, que es inestable y que tiende a estabilizarse perdiendo un protón del carbono adyacente (β), formándose así una doble ligadura carbono-carbono:

Debe notarse que todos los pasos de la reacción son reversibles, de modo que el alqueno puede ser rehidratado al alcohol. Para lograr que la eliminación se complete, al irse formando el alqueno (poco polar y por lo tanto con punto de ebullición más bajo que el alcohol, que forma puentes de H) puede ser destilado fuera de la mezcla de reacción. Esto desplaza el equilibrio hacia la derecha, incrementando el rendimiento del alqueno. En los casos en que el grupo -OH tenga varios carbonos β con hidrógeno, la eliminación puede ocurrir en diferentes direcciones dando lugar a una mezcla de alquenos en diferentes proporciones dependiendo de su estabilidad. En el siguiente ejemplo el alcohol terciario tiene 3 carbonos β con hidrógenos no equivalentes (a, b y c) por lo que da lugar a tres alquenos diferentes:

Debido a que el carbocatión más estable (bencílico>3o>2o>1o) se formará más fácilmente, los alcoholes bencílicos se deshidratan más fácilmente que los terciarios, los terciarios se deshidratan más fácilmente que los secundarios y éstos más fácilmente que los primarios. También, debido a las diferentes estabilidades de los carbocationes, en algunos alcoholes primarios o secundarios, una vez que se forma el carbocatión correspondiente, ocurren rearreglos a un carbocatión más estable. Estos rearreglos ocurren por migración de un grupo R- o H- del carbono β al carbono α, antes de que ocurra la eliminación del H+. En este caso, el alqueno obtenido tendrá una estructura diferente a la del alcohol original. A



continuación se dan dos ejemplos, en el primero (a) la transposición es de un H-, mientras que en el segundo (b) la transposición es de un grupo CH3-:

Preparación de ciclohexeno Para llevar a cabo el presente experimento se ha seleccionado la deshidratación con ácido sulfúrico del ciclohexanol, un alcohol secundario que no es susceptible de rearreglarse y en el que sus dos posiciones β son equivalentes, por lo que sólo puede dar un producto de eliminación, el ciclohexeno:

El ciclohexeno así obtenido puede caracterizarse por pruebas químicas como las realizadas para alquenos en la práctica de identificación de grupos funcionales: decoloración de una solución de bromo en tetracloruro de carbono o la prueba de Baeyer (oxidación con permanganato de potasio a temperatura ambiente). También, para verificar que el producto no esté contaminado con el reactivo, pueden hacerse pruebas características del alcohol, como la oxidación con ácido crómico; en este caso la prueba deberá dar resultado negativo.



Otras formas para verificar la identidad y pureza del ciclohexeno, que son las que usaremos en esta práctica, son determinar el punto de ebullición y sacar el espectro de infrarrojo del producto obtenido y compararlo con espectros originales del ciclohexanol y del ciclohexeno puros. Oxidación de ciclohexeno El rompimiento de dobles ligaduras por oxidación drástica es un procedimiento útil en la síntesis de algunos ácidos y cetonas, así como en la determinación de estructuras. Existen diversos métodos para esto como son: ozonólisis, tratamiento con permanganato caliente, tratamiento con dicromato de sodio, etc. Se cree que el mecanismo de oxidación de un alqueno procede por la formación inicial de un glicol (un 1,2 diol) que continúa oxidándose al romperse el enlace carbono-carbono. Los detalles de este tipo de reacción, incluyendo todos los intermediarios, no se conocen bien.

La ruptura oxidativa de los alquenos se lleva a cabo tradicionalmente con una solución acuosa de permanganato de sodio caliente, pero este método produce una gran cantidad de MnO2. El producto obtenido depende de la estructura original de la olefina. Así, un carbono olefínico terminal (=CH2) es oxidado hasta CO2, uno monosustituido (=CHR) da un ácido y un disustituido (=CR2) da una cetona. Ejemplos:

En el caso de un alqueno cíclico (disubstituido cis), ya que ambos carbonos olefínicos son monosubstituidos, al oxidarse dará un ácido dicarboxílico:

La ecuación balanceada para la preparación del ácido adípico por oxidación del ciclohexeno con permanganato, en caliente, es la siguiente:



En esta práctica también se propone otra forma pata la oxidación del ciclohexeno, mediante un sistema catalítico de tungstato de sodio / peróxido de hidrógeno. Esta es una reacción de Química Verde ya que el oxidante es mucho más amigable ambientalmente que el permanganato. Los otros reactivos (el tungstato de sodio dihidratado y el sulfato ácido de potasio con el aliquat 336) no se consumen y pueden reutilizarse.

El mecanismo de esta oxidación no se ha establecido, pero es probable que proceda de forma análoga al permanganato de potasio pues los iones permanganato y tungstato son isoelectrónicos. Sin embargo, en este caso el tungsteno reducido actúa como un catalizador ya que es oxidado nuevamente al tungstato por el peróxido de hidrógeno. Dado que el ciclohexeno no es soluble en agua y los otros reactivos son solubles en agua e insolubles en el compuesto orgánico, se requiere del uso de un catalizador de transferencia de fase, el aliquat 336, que permita el intercambio de los reactivos iónicos entre las fases, de tal forma que la reacción pueda llevarse a cabo eficientemente. En la técnica que se utilizará, el aliquat 336 con el KHSO4 genera un catalizador modificado de transferencia de fase. Este proceso se ilustra en el siguiente esquena:

El Aliquat 336 (marca registrada de Cognis Corp.) es el cloruro de metiltrioctilamonio (C8H17)3N+CH3 Cl-, con fórmula molecular C25H54ClN , es un líquido incoloro, muy viscoso, con densidad 0.884 g/cm³. Este compuesto es una sal cuaternaria de amonio que se utiliza como catalizador de transferencia de fase y como reactivo para extracción de metales. Un catalizador de transferencia de fase (PTC por sus siglas en inglés) es un catalizador que facilita la migración de un reactivo en un sistema heterogéneo, de una fase a la otra fase en la cual se puede llevar a cabo una reacción. Los reactivos iónicos generalmente son solubles en la fase acuosa pero insolubles en la fase orgánica, a menos que esté presente un catalizador de transferencia de fase. Usualmente los catalizadores de transferencia de fase para aniones son sales cuaternarias de amonio. Los catalizadores correspondientes para cationes suelen ser éteres corona. Los catalizadores de transferencia de fase funcionan encapsulando el ión. Un sistema ión-PTC tiene un interior hidrofílico conteniendo el ión y un exterior hidrofóbico que le permite introducirse en la fase orgánica. ¿Qué es la Química Verde? La Química Verde es el uso de métodos que eliminen riesgos a la salud y al medio ambiente durante la fabricación y uso de los productos químicos.


http://en.wikipedia.org/wiki/Cognis


La Química Verde consiste el diseño de productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y generación de sustancias peligrosas. Es un enfoque muy efectivo para la prevención de la contaminación porque aplica soluciones científicas innovadoras a situaciones a nivel industrial, en laboratorios comerciales o de docencia. Su meta es desarrollar tecnología química más benigna al medio ambiente utilizando eficientemente las materias primas (de preferencia renovables), eliminando la producción de desechos y evitando el uso de reactivos y disolventes tóxicos y/o peligrosos en la manufactura y aplicación de productos químicos. La Química Verde enfatiza la eliminación del uso de sustancias peligrosas, más que la reducción en la exposición a ellas. Principios de la Química Verde 1. Prevención. Es mejor prevenir la formación de desechos que tratarlos después de su formación. 2. Economía Atómica. Se deben diseñar métodos sintéticos para maximizar la incorporación de todo el material

utilizado en el proceso en el producto final. 3. Síntesis químicas menos peligrosas. Los métodos sintéticos deben tratar de usar o generar materiales de baja

toxicidad y bajo impacto ambiental 4. Modificación o sustitución de productos finales. Los productos químicos deben diseñarse para mantener su

eficiencia o función, disminuyendo también su toxicidad. 5. Menor uso de sustancias auxiliares. La síntesis de productos químicos debe diseñarse deforma que se

minimice o elimine el uso de disolventes, agentes de separación, etc. siempre que sea posible y si se usan, que sean inocuas.

6. Disminuir el impacto de las fuentes de energía. Los requerimientos de energía deben tomarse en cuenta

respecto a su impacto ambiental para minimizarse. Los métodos sintéticos deben llevarse a cabo a temperatura y presión ambiente.

7. Uso de materias primas renovables. Siempre que sea posible, las materias primas deben obtenerse de fuentes

renovables. 8. Evitar el uso de derivados. La síntesis de derivados (protección de grupos funcionales y su eliminación

posterior) debe evitarse, cuando sea posible. 9. Uso de catalizadores. Los procesos que utilizan catalizadores específicos son mejores que los procesos

estequiométricos. 10. Diseño de productos degradables. Los productos químicos deben degradarse a productos inocuos al ser

dispuestos y no deben ser persistentes en el medio ambiente. 11. Análisis en tiempo real del proceso. Desarrollo de métodos analíticos que permitan el monitoreo y control

del proceso para evitar formación de sustancias peligrosas en reacciones secundarias. 12. Uso de sustancias químicas que disminuyan el riesgo de accidentes. Las sustancias y su estado físico

utilizados en un proceso químico deben elegirse para minimizar riesgo de accidentes. En realidad es difícil considerar que algún proceso químico sea totalmente “verde”, pero cualquier mejora que se introduzca en el proceso, relativo a uno o a varios de los principios mencionados, hará “más verde” este proceso.



Economía atómica en la oxidación de ciclohexeno Comparado con el proceso tradicional para la oxidación de ciclohexeno, el proceso verde introduce mejoras respecto a varios de los principios de la química verde como son la prevención, la economía atómica y el uso de catalizadores. A continuación, se muestran los cálculos de la economía atómica para la oxidación del ciclohexeno con el procedimiento tradicional, la oxidación con permanganato, y con el procedimiento verde.

ECONOMÍA ATÓMICA EN LA OXIDACIÓN DE CICLOHEXENO CON PERMANGANATO

Reactivo Fórmula de los Reactivos x n

n x P.M.

Átomos utilizados

n x P.M.

Átomos no utilizados

P.M.

1 3 C6H10 = 18C 30H 246 3 C6H10 246 0

2 8 KMnO4 = 8K 8Mn 32O 1264 3 O4 192 8 K 8 Mn 20 O 1072

3 4 H2O = 8H 4O 72 8 H 4 O 72

Total 18C 38H 36O 8K 8Mn 1582 Ácido Adípico

3 C6H10O4438 Átomos de desecho

8H 24O 8K 8Mn 1144

Porcentaje de economía atómica en la oxidación de ciclohexeno con permanganato:

P.M. ciclohexeno / P.M. reactivos x 100 = 438 / 1582 x 100 = 30 %;

El 70 % del peso de los reactivos se desperdicia

ECONOMÍA ATÓMICA EN LA OXIDACIÓN DE CICLOHEXENO CON TUNGSTATO / H2O2

Reactivo Fórmula de los Reactivos x n

n x P.M.

Átomos utilizados

P.M.

Átomos no utilizados

P.M.

1 C6H10 82 C6H10 82 0

2 4 H2O2 = 8H 8O 136 4 O 64 8H 4O 72

Total 6C 18H 8O 208 Ácido Adípico

C6H10O4146 Productos de desecho

4 H2O 72

En este cálculo no se consideran los otros reactivos: el tungstato de sodio y el catalizador de transferencia de fase (el Aliquat 336 con el sulfato ácido de potasio) ya no se consumen y pueden utilizarse nuevamente.

Porcentaje de economía atómica en la oxidación de ciclohexeno con tungstato / H2O2:

P.M. ciclohexeno / P.M. reactivos x 100 = 146 / 294 x 100 = 70 %

Sólo el 30 % del peso de los reactivos se desperdicia (y ese treinta por ciento es agua).



Otras medidas para determinar qué tan verde es una reacción o proceso Eficiencia de masa = masa total del producto (Kg) masa total de los reactivos (kg) Intensidad de masa = masa total de reactivos y disolventes (en g) masa total de producto (en g) Eficiencia de carbono = masa de carbono en el producto (kg) x 100 masa de carbono en los reactivos principales (Kg) Producción industrial de ácido adípico Actualmente la mayor parte de la producción de ácido adípico se lleva a cabo por la oxidación de la mezcla de ciclohexanol-ciclohexanona (mezcla cetona-alcohol conocida como CA, KA en inglés, o “aceite mixto”) con ácido nítrico, un agente oxidante fuerte con serias consecuencias ambientales y de seguridad, ya que reacciona violentamente con los compuestos orgánicos, además de que la reacción genera la emisión de óxido nitroso, un gas sospechoso de causar efecto invernadero. Tradicionalmente esta mezcla puede obtenerse por la hidrogenación de benceno o fenol. Por razones de costos, actualmente se usa más la hidrogenación del benceno y el ciclohexano así obtenido se oxida a la mezcla CA por una oxidación con aire.

La oxidación de la mezcla CA fue desarrollada por duPont a finales de la década de los 40´s y se obtiene un rendimiento de ácido adípico de más de 90%. El diagrama de flujo del proceso comercial, descrito a continuación, es el siguiente:



El reactor (a) se carga con ácido nítrico reciclado en exceso, con la mezcla CA (en proporción mínima de 3:1, aunque puede ser >300:1), y con el catalizador de limaduras de cobre-vanadato de amonio en ácido nítrico al 50-60 %. Se mantiene a una temperatura de 60-80oC y 0.1-0.4 Mpa. El tiempo de residencia en el reactor es de unos cuantos minutos. El efluente puede pasar a un segundo reactor (b) que se encuentra a mayor temperatura (115oC). La reacción es muy exotérmica (6280 kJ/kg) por lo que el control del calor de reacción es importante. El exceso de ácido nítrico se mantiene para controlar la reacción e incrementar el rendimiento. La corriente con el producto se pasa a una columna de blanqueo (c) donde los óxidos de nitrógeno en exceso se remueven con aire y se envían a (d) en donde se reabsorben y recuperan como ácido nítrico. El agua producida en la oxidación se elimina en una columna concentradora (e) operada al vacío. La corriente de producto se lleva a recuperación del producto, en donde el ácido adípico se remueve de la corriente por cristalización (f) y subsecuente filtración o centrifugación (g). La corriente de aguas madres contiene ácido glutárico y succínico como productos secundarios de reacción. Estas aguas madres se procesan por intercambio iónico para recuperar los subproductos y el catalizador de cobre-vanadio. La solución remanente, conteniendo mezcla CA no oxidada así como ácido nítrico en exceso, se recicla al reactor. El ácido adípico crudo se refina a diferentes grados dependiendo del uso final; usualmente se recristaliza de agua. El ácido adípico comercial es uno de los productos químicos que se venden con alta pureza (99.6%) pues la industria de las fibras sintéticas así lo requiere. Aplicaciones del ácido adípico, Nylon 66 Más del 87% del consumo del ácido adípico en el mundo se utiliza para la producción de fibras y resinas de nylon 6,6, que es una poliamida formada por la reacción de condensación entre el ácido adípico (6 C) y la hexametilén diamina (6 C). Este último compuesto puede obtenerse por reducción del adiponitrilo. A su vez, el adiponitrilo puede obtenerse por deshidratación de la sal de amonio del ácido adípico: HOOC-(CH2)4-COOH + NH4OH NH4

+-OOC-(CH2)4-COO-+NH4 NC-(CH2)4-CN H2N-(CH2)6-NH2 ácido adípico adipato de amonio adiponitrilo hexametilendiamina La manufactura del nylon 6,6 (fig. 1.) comienza con la “sal de nylon” la que precipita cuando se mezclan soluciones metanólicas de hexametilén diamina y de ácido adípico. Esta sal se calienta a temperaturas de hasta 280ºC en una atmósfera de nitrógeno y en la presencia de un estabilizador como ácido acético que sirve para controlar el peso molecular y la viscosidad. Se continúa el calentamiento hasta que el peso molecular del polímero esté en el orden de 12,000-15,000.

El nylon fundido se pasa por una ranura a la rueda de formado. La cinta así obtenida, de 30 cm. de ancho y 6 mm. de espesor, se enfría, se corta en hojuelas, se pasa con una tolva a un recipiente calentado con chaqueta de vapor por arriba del punto de fusión del nylon, en atmósfera de nitrógeno. Las hojuelas caen en una rejilla donde de funden y pasan a las bombas de engranes de las hileras y llegan a un plato de hilar. Los filamentos se enfrían con aire y se pasan en manojo por una cámara de humidificación . Los hilos se lubrican y elongan al grado deseado pasándolos por un sistema de rodillos. Aquí se desarrollan las características de resistencia o elasticidad por que las moléculas se orientan, saliendo del arreglo previo al azar. El estiramiento puede ser de 3 a 6 veces; su resistencia es mayor cuando la orientación por estiramiento aumenta.



Fig. 1. Diagrama de flujo para hilo de nylon.

Otras rutas químicas para la síntesis de nylons (6, 66 y 8) se muestran esquemáticamente en la fig. 2.

Fig. 2. Varias rutas para obtener diferentes tipos de nylon.



Los nylons son de las fibras más resistentes y duras, son estables al calor por lo que pueden procesarse por calor (hilarse o moldearse, cuando se usan como plásticos). También son hidrofóbicos, por lo que secan con rapidez. Como no todos los grupos -NH- intervienen en enlaces intermoleculares, la fibra acepta con rapidez colorantes ácidos. Gracias a su alta elasticidad, resistencia a la tensión y a la abrasión el nylon es ideal para aplicaciones como cables, cuerdas de llantas, prendas de uso rudo, alfombras y, desde luego, su uso más tradicional: medias y pantimedias. Sin embargo, tiene algunas desventajas, por ejemplo, la luz ultravioleta lo degrada, por lo que no puede utilizarse en cortinas y tiende a amarillearse con el tiempo. Su propiedad de “lavar y usar” es buena pero no sobresaliente. La retención de pliegues fijados con calor no es muy buena. El nylon no tiene buena percepción al tacto y tiende a formar frisas (nódulos o “bolitas” que se forman al frotarlo). Actualmente más de la mitad de la producción de nylon 6,6 se usa en cuerdas para llantas y en otros usos industriales como bandas transportadoras y telas para filtros. El ácido adípico también se utiliza como un aditivo en alimentos: se añade a gelatinas y jaleas como acidulamte y a otros alimentos como neutralizante. También se usa para modificar las propiedades de poliésteres insaturados, de plásticos reforzados y de recubrimientos alquídicos. Otras aplicaciones son en la síntesis de algunos insecticidas, adhesivos, curtido de pieles y teñido de telas. El ácido adípico se convierte a diversos ésteres que se utilizan como plastificantes, como lubricantes sintéticos y en la síntesis de poliuretanos.



Figura 5. Nomograma Presión de vapor – Temperatura para compuestos de punto de ebullición bajo



Figura 6. Nomograma Presión de vapor – Temperatura para compuestos de punto de ebullición alto



Espectros de Infrarrojo de ciclohaxanol, ciclohexeno y ácido adípico puros

Ciclohexanol

Ciclohexeno

Ácido adípico



PARTE EXPERIMENTAL

Fig. 3. Aparato de destilación fraccionada en escala pequeña,

con columna sin empacar

Fig. 4. Aparato de destilación fraccionada en microescala con

condensador Hickman

La posición del bulbo del termómetro en ambos aparatos es crítica TÉCNICA Deshidratación de ciclohexanol a ciclohexeno

PREGUNTAS PARALELAS:

Con un equipo esmerilado con junta roscada 10/14, monta unaparato de destilación fraccionada convencional, similar al de lafig. 3; usa un matraz de bola de 10 mL de fondo plano, engrasa las

juntas esmeriladas con una cantidad muy pequeña de grasa de silicón, pon la columna sin empacar y utiliza una probeta de 10 mL para recibir el destilado. Pon especial atención a la altura delbulbo del termómetro. La mitad del bulbo debe quedarexactamente a la altura del ángulo inferior de la salida de la cabezade destilación.

¿Por qué es importante poner un mínimo degrasa? ¿Por qué en este caso no se empaca lacolumna?



Coloca en el matraz 1.5 mL de agua destilada, añadecuidadosamente 1.5 mL de ácido sulfúrico concentrado, 5 mL deciclohexanol (densidad = 0.96 g/mL) y un agitador magnético.Agita para mezclar bien los reactivos. Une el matraz al aparato de destilación y, en una parrilla, calienta agitando la mezcla de reacción (precaución: el ciclohexanol y el ciclohexeno son inflamables) a una velocidad tal que la temperatura del destilado,una mezcla de ciclohexeno y agua, permanezca abajo de 90oC (corrige esta temperatura a presiones de 585 y 550 mm Hgutilizando el grupo 2 de los diagramas de correlación anexos a la práctica). Anota el rango de temperaturas de la destilación. NOTA: Si la oxidación del ciclohexeno se va a hacer con permanganato (técnica tradicional), mientras se lleva a cabo ladestilación deberá empezarse la segunda parte de la práctica.Si la oxidación del ciclohexeno se va a hacer con tungstato /agua oxigenada (técnica verde), durante la destilación sepuede preparar la mezcla de reacción y al terminar ladestilación deberá empezarse el reflujo.

¡Cuál es la reacción que se va a efectuar? ¿Para qué se pone agua si se va a deshidratar? ¿Por qué se destila? ¿Es indispensable destilar? ¿Cuál debe ser la temperatura máxima ya corregida? ¿Por qué se corrige el punto de ebullición?

Continúa la destilación hasta que la temperatura cambie (si elfraccionamiento es totalmente eficiente la temperatura bajará,mientras que si la separación es deficiente la temperaturaempezará a incrementarse). Esto será cuando se hayan recolectadoaproximadamente 4 mL de destilado, el cual se separa en dos fases. Detén el calentamiento anotando la cantidad de aguaseparada en la fase inferior del destilado.

¿Qué son estas dos fases y por qué no se separan en la columna?

Añade 2 mL de xileno a la probeta con el destilado. El xileno esun disolvente de alto punto de ebullición, inmiscible en agua, quees este experimento se usa dos veces, en la extracción para aumen-tar el volumen de la fase orgánica y en la segunda destilaciónpoder sacar tanto ciclohexeno como sea posible del matraz.

¿Por qué el xileno facilita que se recupere el todo el ciclohexeno en la extracción?

En la misma probeta de 10 mL lleva a cabo la extracción. Paraextraer, añade al destilado 5 mL de solución saturada de cloruro desodio. Para lavar la fase orgánica (menos densa) saca la fase acuosa con una pipeta Pasteur larga y déjala caer nuevamente con fuerza dentro de la fase orgánica. Repite esta operación de lavado de 12 a 15 veces con cada una de las soluciones extractoras. Deja separar bien las fases y con la misma pipeta Pasteur separa la fase acuosa a un vaso de precipitados o matraz de 100 mL.

¿Crees que hacer la extracción de esta manera sea eficiente? ¿Por qué no se hace en embudo de separación?

Extrae nuevamente este destilado sucesivamente con porciones de5 mL de solución al 10% de carbonato de sodio y de soluciónsaturada de cloruro de sodio. En las tres extracciones anterioressepara las soluciones acuosas, reuniéndolas en el mismo vaso. Nolas deseches hasta terminar el experimento, ya que frecuentementepueden confundirse las fases y desechar el ciclohexeno. Neutraliza los extractos acuosos reunidos y deséchalos al drenaje.

¿Para qué se extrae con la solución saturada de NaCl? ¿Para qué se extrae con el carbonato?



Usando la pipeta Pasteur, transfiere la fase orgánica a un matrazErlenmeyer de 25 mL seco. A partir de este momento, todo elmaterial debe estar seco. Añade suficiente sulfato de sodio anhidro. Asegúrate de que queda algo de sulfato sin hidratar (polvo fino). Tapa el matraz con parafilm y déjelo reposar 5-10 minutos agitando de vez en cuando.

¿Por qué seca el Na2SO4 anhidro?

Neutraliza el residuo en el matraz de la primera destilación consolución al 10% de NaOH o solución saturada de NaHCO

3

(precaución: este residuo es fuertemente ácido). Una vez neutralizado deséchalo al drenaje.

¿Sería correcto desechar este residuo ácido al drenaje sin neutralizarlo?

Lava el material esmerilado y sécalo bien con acetona y vacío. Siel equipo tiene residuos de agua, el ciclohexeno no se obtendrá puro, ya que forma un azeótropo con el agua.

¿Cómo sabrías si se formó un azeótropo? ¿Cómo se puede quitar esa agua?

Monta un aparato de destilación fraccionada en microescala,similar al de la fig. 4, usando el condensador de Hickman. Si eltermómetro no pasa por el interior del refrigerante, usa la columna como refrigerante de aire entre el Hickman y el adaptador deltermómetro. El bulbo del termómetro debe entrar al cuello delcondensador Hickman, de ese modo actúa como si fuera elempaque de una columna de pocos (3-4) platos teóricos.

¿Qué puede observarse que te permita saber si tu destilación es simple o fraccionada con el Hickman? ¿Qué pasa si el termómetro está más alto o más bajo?

Con una pipeta Pasteur limpia y seca, transfiere la fase orgánica yaseca a un matraz de bola de 10 mL, de fondo plano. Enjuaga el sulfato de sodio con 2 mL de xileno divididos en varias porciones,transfiriéndolas cada vez al matraz de bola con la pipeta Pasteur. Añade un agitador magnético y destila el ciclohexeno. Controlaque el calentamiento no sea demasiado rápido. Recolecta la fracción que destila a 80-85

oC (corrige a 585 y a 550 mm Hgutilizando el grupo 2 de los diagramas de correlación).

¿Qué pasa si se destila muy rápido?

Sólo si es necesario retira, con la Pipeta Pasteur, por el brazolateral del Hickman, la cabeza de destilación (fracción deldestilado con un punto de ebullición significativamente menor delesperado), teniendo cuidado de minimizar las pérdidas. Si al destilar el producto se llegara a llenar el Hickman, con lapipeta Pasteur retira el ciclohexeno y ponlo en la probeta de 10mL limpia y seca, tápala con parafilm, posteriormente reúne elresto del destilado. Anota el punto de ebullición del destilado,mídelo para calcular el rendimiento del producto y entrégalo al instructor.

¿Cuál debe ser el rango de ebullición ya corregido? ¿Para qué hay que corregirlo? ¿Por qué debe taparse bien el producto?

El residuo de la segunda destilación es fundamentalmente xileno,posiblemente con algo de ciclohexanol. Coloca este residuo en un frasco marcado como “residuo de xileno” o “residuos de disolventes orgánicos” que posteriormente se dispondráadecuadamente. Anota el punto de ebullición del destilado y el peso del ciclo-hexeno obtenido.

¿Cómo puedes saber si hay ciclohexanol, ya sea en el destilado o en el residuo?



Obtén el espectro de infrarrojo del producto y compara con losespectros del ciclohexeno y del ciclohexanol puros, paraidentificar las bandas características y comprobar si su ciclohexeno está o no contaminado con ciclohexanol o con xileno.

¿Cuál es la información básica que se obtiene del IR?

Oxidación de ciclohexeno Como no sería práctico esperar hasta obtener el ciclohexeno puropara comenzar la oxidación a ácido adípico, se empezará estasegunda parte con ciclohexeno comercial, mientras se hace laprimera destilación. De acuerdo a las instrucciones del profesor sellevará a cabo la técnica tradicional (1) o la técnica verde (2).

1) Oxidación de ciclohexeno a ácido adípico con permanganato(Técnica tradicional)


Prepara en un matraz Erlenmeyer de 125 mL, una solución de1.26 g de permanganato de potasio en 20 mL de agua destilada. El permanganato se disuelve lentamente y requiere agitación ocasional. Añade esta solución, en porciones de 2 ml y en un periodo de tiempo de 10 min., a un segundo matraz Erlenmeyer de 125 ml conteniendo 0.30 mL de ciclohexeno disueltos en 2 mL de acetona pura. Entre las adiciones, agita el matraz para mezclar los reactivos. Transfiere el resto del permanganato al matraz con elciclohexeno con porciones pequeñas de agua destilada. Después de terminar las adiciones, calienta la mezcla, en un baño de agua a55-60º C, por 30 min.

¿Cuál es la reacción que se está efectuando? ¿Cuál es el papel de la acetona?

Retira el matraz del baño de agua caliente, añade 0.3 g de bisulfitode sodio a la mezcla de reacción obscura y enfría el matraz en baño de hielo.

¿Para qué se pone el bisulfito?

Filtra al vacío la mezcla de reacción usando un embudo Buchnergrande y un matraz Kitasato de 125 mL. Usa papel filtro de poro fino. Si el filtrado todavía tiene color café o amarillento, vuelve a filtrarlo hasta que quede totalmente transparente.

¿Qué es este precipitado café?

Sin quitar el vacío, enjuaga el matraz Erlenmeyer con un total de10 mL de agua destilada, divididos en varias porciones, vertiendo cada vez la porción de lavado sobre el precipitado café en elBuchner.

¿Qué compuestos hay en el filtrado?

Transfiere el filtrado claro a un vaso de precipitados de 250 mL yacidifícalo a pH 1-2 con ácido clorhídrico concentrado. Sigue la acidificación con papel pH.

¿Para qué se acidifica?

Pon varias piedras de ebullición y reduce el volumen del filtrado aunos 3-5 mL, hirviendo la solución, calentando en una parrilla enla campana.

Enfría la solución concentrada en un baño de hielo. Si es necesarioraspa con la espátula para ayudar a la cristalización.

¿Para qué se raspa?

Filtra al vacío los cristales blancos de ácido adípico en un embudo ¿Podría(n) cristalizar otro(s) compuesto(s)?



Hirsch con un matraz Kitasato de 25 mL. Transfiere todo el sólido enjuagando con las mismas aguas madres. Retira el filtrado y vuelve a conectar el vacío para ayudar a secar el producto.

¿Cómo se evitaría esto?

Determina el rendimiento y el punto de fusión del producto yaseco.

¿Cómo sabrías que el sólido no es ácido adípico?

Obtén el espectro de infrarrojo del producto y compáralo con elespectro adjunto del ácido adípico puro, para identificar las bandascaracterísticas y comprobar si su producto está puro.

¿Que impurezas se podrían esperar en el producto?

2) Oxidación de ciclohexeno a ácido adípico con tungstato / agua oxigenada (Técnica verde) Reactivos y producto peso

molecular volumen utilizado

peso utilizado

mmoles utilizados

p.e. (oC) p.f. (oC)

ciclohexeno 82 1.3 mL 1.05 g 12.841 83760 tungstato de sodio dihidratado 329.85 0.25 g 0.758 Aliquat 336: C25H54ClN 404.16 0.25 g 0.618 H2O2 30% 5.4 mL 1.797g de

H2O2

52.853

KHSO4 136 0.185 g 1.360 ácido adípico 146 153 Solubilidad en agua del ácido adípico: 1.40 g/100 ml @ 15° C, 1.90 g/100 ml @ 20° C, 83.0 g/100 ml @ 90° C

PRECAUCIÓN El peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) al 30% es un oxidante fuerte. Es muy corrosivo, causa quemaduras severas en piel, ojos y tracto respiratorio. En contacto con otros materiales puedeinflamarse. Muy dañino si se inhala o ingiere. Para manejar el peroxido de hidrógeno utilice todo el tiempo lentes, guantes y bata. Evite el contacto del catalizador de transferencia de fase con los guantes ya que puede trasportar contaminantes a la piel.

Fig. 5 Aparato de reflujo

TÉCNICA:


Pon una barra de agitación magnética en un matraz redondo confondo plano y junta esmerilada de 20 mL. El orden de adición de los reactivos al matraz es importante. Añade al matraz 0.25 g de de tungstato de sodio dihidratado, seguido por 0.25 g del Aliquat 336. Como este reactivo es un líquido muy viscoso es necesario, para pesarlo, poner el matraz en la balanza y pesarlo pordiferencia, añadiendo las gotas necesarias (aprox. 10) usando una pipeta beral .

¿Cuál es la reacción que se va a llevar acabo?



Enseguida, usando guantes y con precaución añade 5.4 mL de peróxido de hidrógeno al 30%, agita bien la mezcla y añade 0.185 g de KHSO4. Monta un aparato de reflujo similar al de la Fig. 5(se pueden poner 2 refrigerantes para evitar que se pierda elciclohexeno). Agita bien la mezcla y finalmente añade 1.3 mL de ciclohexeno. Calienta la mezcla de reacción a reflujo por una hora (si es posiblehasta hora y media), con agitación constante. La efectividad delcatalizador de transferencia de fase depende de que la agitaciónsea muy eficiente, así que agita vigorosamente para que las fasesse mezclen. La reacción no se llevará a cabo si la mezcla no está a reflujo, pero tampoco debe calentarse en exceso pues elciclohexeno es muy volátil y si no alcanza a condensarse se puedeeliminar de la mezcla de reacción. Aproximadamente a los 30 min,de reflujo lava el interior del refrigerante con 1-2 mL de agua añadiéndolos con una pipeta desde la parte superior. Detén la agitación ocasionalmente para observar si hay dos fases. Lareacción habrá terminado cuando se observe una sola fase. Lamayor parte del catalizador de transferencia de fase estará sindisolver, pero tenderá a adherirse a la superficie del vidrio.

¿Por qué se requiere del calentamiento paraque la reacción se lleve a cabo? ¿Por qué se requiere de una agitacióneficiente?

Mientras el agua está aún caliente, usando guantes y con unapipeta Pasteur transfiere la mezcla acuosa resultante de la reacción a un vaso de precipitados de 20 mL. De

ja el catalizador detransferencia de fases en el matraz de reacción, esto es la clave para poder cristalizar el ácido adípico. Enjuaga el matraz de reacción con 2 mL de agua caliente y con la pipeta Patear añade esta agua al vaso donde se encuentra el producto. Es mejor dejar un poco de la solución acuosa que contaminar la solución con elcatalizador de transferencia de fase.

¿Por qué desaparece una de las fases? De acuerdo al volumen de la solución, a lacantidad esperada de ácido adípico y a susolubilidad (tabla pag. anterior) ¿el productodeberá estar disuelto en caliente y cristalizaren frío?

Prepara un baño de hielo-agua en un vaso de precipitados de100mL y enfría el vaso conteniendo la mezcla de reacción en estebaño. Si es necesario raspa con la espátula para ayudar a lacristalización. En aproximadamente 20 min. se formarán loscristales (o precipitado) del ácido adípico (producto crudo)

¿Para que se enfría y para qué se raspa?

Filtra al vacío los cristales blancos de ácido adípico en un embudoHirsch con un matraz Kitasato de 25 mL. Transfiere todo el sólidoenjuagando con las mismas aguas madres. Retira el filtrado y vuelve a conectar el vacío para ayudar a secar el producto. Ya seco el producto determina el rendimiento y el punto de fusióndel producto crudo. El producto crudo puede recristalizarse disolviéndolo en lacantidad mínima requerida de agua caliente. Una vez disuelto seconcentra un poco la solución, se enfría en hielo, raspando si esnecesario y los cristales se filtran en un Hirsch, al vacío. Ya secos los cristales se determina nuevamente el rendimiento y elpunto de fusión del producto puro.

¿Por qué es necesario que el producto esté seco para determinar el punto de fusión y el rendimiento?

Pruebas de Caracterización.



Para hacerse sólo cuando no se disponga de IR. En cada uno de tres tubos de ensaye pon 4-5 gotas de ciclohexanol y en otros tres tubos pon en cada uno de 4-5 gotas de ciclohexeno obtenido. A un tubo de ciclohexanol y uno de ciclohexeno, añádeles gota agota una solución 1 M de bromo en tetracloruro de carbono, agitadespués de cada adición. Anota si después de añadir 5 gotas de lasolución de bromo, la coloración roja desaparece (prueba positiva)o si persiste (prueba negativa de insaturación).

Indica cuál es el resultado esperado en esta prueba

Toma otros de los tubos con ciclohexanol y ciclohexeno y añade acada uno de ellos 2 mL de acetona pura. En otro tubo pon 2 mL de acetona para usarse como blanco. En cada uno de los tubos añadeuna solución de permanganato de potasio al 2%, gota a gota, hasta que el color púrpura persista. Si se requirieron menos de 4 gotas elcompuesto puede considerarse como saturado. Si el tubo conacetona sola requiere más de cuatro gotas de la solución depermanganato, este solvente no tendrá la calidad necesaria para la prueba.


Toma el tercer par de tubos de ciclohexanol y ciclohexeno y añade2 mL de acetona pura a cada uno. Añade 2 gotas de la solución dereactivo de ácido crómico y mezcla. La reacción positiva se indica por la desaparición del color naranja del reactivo y formación deun precipitado o emulsión verde o azul-verde.


2.- Resultados en las pruebas de caracterización

Compuesto Br2/CCl4 KMnO4 H2CrO4Ciclohexanol Ciclohexeno

¿Coinciden los resultados observados con los esperados?



PREGUNTAS DE PRELABORATORIO 1. Durante las prácticas siguientes, se llevarán a cabo síntesis orgánicas y se utilizarán técnicas de laboratorio que

aprendiste en el laboratorio de Química General. ¿Cuál es el objetivo de llevar a cabo las siguientes técnicas? a) extracción b) reflujo c) destilación d) destilación a presión reducida e) recristalización f) punto de fusión y ebullición

2. Busca los puntos de ebullición reportados para el ciclohexanol y el ciclohexeno (dados a 760 mm Hg),

corrígelos a la presión promedio de la Ciudad de México (585 mm Hg) y de Santa Fe (550 mm Hg) (el ciclohexeno pertenece al grupo 2 y el ciclohexanol al 8 de los diagramas de correlación).

3. Define qué es un azeótropo. 4. ¿Cuál es la temperatura máxima (corregida a 550 mm Hg) a la que deberá llegarse en la primera destilación? 5. ¿Cuál es el rango de temperatura (corregida a 550 mm Hg) en la cual deberá recolectarse el ciclohexeno en la

segunda destilación? 6. ¿Qué bandas del espectro de IR te permitirán saber si tu producto de reacción está contaminado por el

ciclohexanol? 7. Respecto a la síntesis de ácido adípico con permanganato, ¿qué reacción sucede al agregar bisulfito de sodio al

terminar la reacción de oxidación? PREGUNTAS DE POST LABORATORIO 1. Por eficiente que sea la columna de destilación, el ciclohexeno siempre destilará con agua si ésta está presente.

¿Por qué? 2. ¿Por qué se lava el primer destilado con carbonato de sodio? 3. ¿Por qué es necesario secar con sulfato de sodio anhidro, aunque las fases hayan sido separadas

perfectamente? 4. ¿Cuáles son las bandas características de los grupos funcionales en los espectros de IR del ciclohexanol,

ciclohexeno y ácido adípico? 5. Si hay algunas diferencias entre los espectros de infrarrojo de los productos y los espectros de los productos

puros ¿Cómo las explicarías? 6. ¿Se puede usar un ácido diluido en la deshidratación de un alcohol con una técnica similar a la usada aquí? 7. ¿Cómo se puede obtener el trans-1,2-ciclohexanodiol a partir de ciclohexanol? 8. Compara las ecuaciones para la síntesis del ácido adípico con las dos técnicas, tradicional y verde, analizando

el número de moles de reactivos y de subproductos. 9. Compara las técnicas de los dos experimentos 10. Saque conclusiones REPORTE: 1. Respecto a la síntesis de ciclohexeno, indica:

a. gramos de ciclohexanol b. número de moles de ciclohexanol c. densidad del ácido sulfúrico d. peso del ácido sulfúrico en g e. ¿cuál es el reactivo limitante?



f. rendimiento teórico de ciclohexeno en moles y en gramos g. ciclohexeno puro obtenido en gramos y en moles h. porcentaje de rendimiento del ciclohexeno i. rango de ebullición en la primera destilación j. rango del ebullición de la segunda destilación

2. Respecto a la síntesis de ácido adípico, indica:

a. moles de ciclohexeno utilizados en la reacción b. peso de ácido adípico obtenido c. porcentaje de rendimiento de la reacción d. punto de fusión reportado del ácido adípico e. punto de fusión del producto obtenido f. ¿qué puedes concluir respecto a la pureza de tu producto?

3. Entrega tus productos. 4. Responda a las preguntas de postlaboratorio. 5. Comentarios y conclusiones acerca de la práctica. BIBLIOGRAFIA: • Austin, George T., "Manual de Procesos Químicos en la Industria", 1a. ed., vol. III, McGraw-Hill/ Interamericana

de México, 1988, pp. 781-3. • Ullmans, “Chemical Technology Encyclopedia”, Vol. A 1, pp. 269-278. • Pouchert, Charles J., “The Aldrich Library of Infrared Spectra”, Aldrich Chemical Company, 1970. • Wittcoff, Harold A. y Reuben, Bryan G.; "Productos Químicos Orgánicos Industriales", Vol. 1. Materias Primas y

Fabricación, LIMUSA, 1985, pp. 115-20. • Wittcoff, Harold A. y Reuben, Bryan G.; "Productos Químicos Orgánicos Industriales", Vol. 2. Tecnología,

Formulaciones y Usos, LIMUSA, 1987, pp. 183, 341-2 y 348. • Kilner, E. & Samuel D. M., “Applied Organic Chemistry”, MacDonald and Evans Ltd., London, 1960, pp. 99 y

397. • Doxsee, K. M. y J. Hutchison. Green Organic Chemistry: Strategies, Tools and Laboratory Experiments,

Pacific Grove, CA: Brooks/Cole, 2004, 135-141. • Cann, M. C. y M. E. Connelly. Real-World Cases in Green Chemistry, Washington, DC: American Chemical

Society, 2000. • Wilcox, Charles F. Jr. & Wilcox, Mary F., "Experimental Organic Chemistry. A Small-Scale Approach", 2nd.

Ed., Prentice-Hall, New Jersey, USA, 1995, pp. 331-2. • Williamson, Kenneth L., "Macroscale and Microscale Organic Experiments", 2nd. Ed., Heath and Company,

USA, 1994, pp. 278-281 y 350-351. • Doyle. M. P. & Mungall W. S., "Experimental Organic Chemistry", Wiley, USA, 1980, pp. 103 y 107. • Moore, James A. and Dalrymple David L.; "Experimental Methods in Organic Chemistry", 2nd. Ed., Saunders,

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