manual qui_mica orga_nica i. agosto 2014

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QUMICA ORGNICA I

MANUAL DE LABORATORIO

Arnaldo Alzrreca, Ph.D., Editor, Luis Arias, Ph.D.,

Fathi Shalabi, Ph.D., Izander Rosado, Ph.D.

Autores

Junio 2014

Derechos de Autor reservados

- 3 -

1. CONSTRUCIN DE MODELOS MOLECULARES 5

Asignacin Pre-Laboratorio 5

Procedimiento 6

Un perodo de laboratorio

2. MODELAJE MOLECULAR POR COMPUTADORA


Procedimiento 17


3. PURIFICACIN DE COMPUESTOS SLIDOS POR RECRISTALIZACIN


Procedimiento 31

Dos perodos de laboratorio

4. PURIFICACIN DE COMPUESTOS LQUIDOS POR DESTILACIN FRACCIONADA


Procedimiento 37


5. OBTENCIN, IDENTIFICACIN Y REACCIONES DEL CICLOHEXENO


Procedimiento 44


6. ESTEREOQUMICA Asignacin Pre-Laboratorio 50

Procedimiento 51


7. SEPARACIN DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS POR EXTRACCIN EN 62

FUNCIN DE DIFERENCIAS EN SUS VALORES DE pKa


Procedimiento 65


8. SEPARACIN DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS POR

CROMATOGRAFA DE COLUMNA Y DE CAPA DELGADA Asignacin Pre-Laboratorio 70

Procedimiento 74


NDICE GENERAL

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9. SUSTITUCIN ELECTROFLICA AROMTICA: LA NITRACIN DEL

BENZOATO DE METILO Asignacin Pre-Laboratorio 80

Procedimiento 82


HOJAS PARA ENTREGAR LOS PRE-LAB E INFORMES

1. CONSTRUCIN DE MODELOS MOLECULARES


Informe 89

2. MODELAJE MOLECULAR POR COMPUTADORA


Informe 103

3. PURIFICACIN DE COMPUESTOS SLIDOS POR RECRISTALIZACIN


Informe 115

4. PURIFICACIN DE COMPUESTOS LQUIDOS POR DESTILACIN

FRACCIONADA


Informe 123

5. OBTENCIN, IDENTIFICACIN Y REACCIONES DEL CICLOHEXENO


Informe 133

6. ESTEREOQUMICA


Informe 143

7. SEPARACIN DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS POR EXTRACCIN

EN FUNCIN DE DIFERENCIAS EN SUS VALORES DE pKa


Informe 155

8. SEPARACIN DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS PORCROMATO-

GRAFA DE COLUMNA Y DE CAPA DELGADA


Informe 167

9. SUSTITUCIN ELECTROFLICA AROMTICA: LA NITRACIN DEL

BENZOATO DE METILO Asignacin Pre-Laboratorio 173

Informe 175

APNDICES

I. Tabla peridica con la configuracin de los electrones de valencia 181

II. Tabla peridica normal 182

III. Aparato Melt-Temp y curvas de rapidez de calentamiento al variar 183 el reostato (voltaje)

1

IV. Valores de pKa para algunos cidos orgnicos e inorgnicos 184

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UNIVERSIDAD INTERAMERICANA DE PUERTO RICO RECINTO METROPOLITANO

Facultad de Ciencias y Tecnologa Departamento de Ciencias Naturales

MODELOS MOLECULARES

CMO SE CONSTRUYE EL MODELO DE UNA MOLCULA?

Objetivos:

Construir los modelos moleculares tridimensionales de estructuras qumicas sencillas a base de los orbitales hbridos sp3, sp2 y sp.

Clasificar los enlaces covalentes en funcin de sus orbitales hbridos.

Determinar las geometras moleculares y los momentos dipolares resultantes.

Resumen:

Este ejercicio de laboratorio ensea: a) a utilizar modelos moleculares para la construccin de representaciones tridimensionales de estructuras qumicas orgnicas; b) a conceptualizar la correlacin entre geometra molecular y momento dipolar molecular de los compuestos; c) a establecer un pronstico de las geometras moleculares en general; d) a visualizar aspectos dinmicos de los procesos intramoleculares: confrmeros, isomera cis-trans, etc.

Asignacin Pre-Laboratorio

Prepare y entregue un resumen de un prrafo de no menos de 3 oraciones y ejemplos especficos relacionados con cada uno de los siguientes conceptos tericos: 1) Estructuras de Lewis 2) Modelo de repulsin de pares electrnicos (VSEPR) 3) Modelo de orbitales atmicos hbridos.

Materiales: Modelo molecular FMM (Framework Molecular Models)

Primero, examine y familiarcese con las piezas del modelo molecular FMM. El mismo contiene: 1. Tetraedros de metal plateado que representan tomos de hibridacin sp3

2. Bipirmides trigonales de metal dorado que representan tomos de hibridacin sp2

3. Octaedros de metal color cobre que representan tomos de hibridacin sp. 4. Palillos negros que representan los enlaces covalentes entre dos tomos de carbono. 5. Palillos de otros colores que representan los dems enlaces covalentes de las molculas.

11

- 6 -

sp3 sp

2 sp

tetraedro bipirmide octaedro trigonal planar (lineal)

PROCEDIMIENTO 1. METANO: CH4 a.1. Escriba la estructura de Lewis del metano.

a.2. Observando la estructura de Lewis, construya el modelo molecular del metano utilizando un

tetraedro y cuatro palillos del mismo color que representen los enlaces covalentes del carbono central cuatro tomos de hidrgeno. Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo de forma tal que todos los detalles tridimensionales resulten perfectamente visibles.

1.3. Observando el modelo molecular del metano, conteste las siguientes preguntas en su libreta: a) Cul es la hibridacin del carbono? b) Cul es la geometra molecular del metano? c) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo C-H? d) Cul es el ngulo formado por los tomos H-C-H

e) Cul es el momento dipolar del metano? Justifique su razonamiento.

2. AMONACO: NH3 2.1. Escriba la estructura de Lewis del amonaco. 2.2. Observando la estructura de Lewis, construya el modelo molecular del amonaco utilizando un

tetraedro y tres palillos del mismo color que representen los enlaces covalentes del nitrgeno central tres tomos de hidrgeno. Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo de forma tal que todos los detalles tridimensionales resulten perfectamente visibles.

PROCEDIMIENTO

- 7 - 2.3. Observando el modelo molecular del amonaco, conteste las siguientes preguntas en su libreta: a) Cul es la hibridacin del nitrgeno? b) Cul es la geometra molecular del amonaco? c) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo N-H? d) Si el nitrgeno est enlazado a tres tomos de hidrgeno, porqu es necesario un cuarto orbital atmico sp3? e) Tiene un momento dipolar el amonaco? Justifique su razonamiento aadiendo

a su dibujo tridimensional los smbolos + y - en los lugares correspondientes. 3. BORANO: BH3 3.1. Escriba la estructura de Lewis del borano. 3.2. Observando la estructura de Lewis, construya el modelo molecular del borano utilizando una

bipirmide trigonal y tres palillos del mismo color que representen los enlaces covalentes del tomo de boro central con tres tomos de hidrgeno. Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo de forma tal que todos los detalles tridimensionales resulten perfectamente visibles.

3.3. Observando el modelo molecular del borano, conteste las siguientes preguntas en su libreta: a) Cul es la hibridacin del boro? b) Cul es la geometra molecular del borano? c) Cul es el ngulo formado por los tomos H-B-H. d) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo B-H?

e) Si el boro est enlazado a tres tomos de hidrgeno como el nitrgeno en el amonaco, por qu la molcula del borano no tiene una geometra piramidal?

f) Tiene un momento dipolar el borano? Justifique su razonamiento. 3.4. Por qu difieren el metano, el amonaco y el borano en su geometra molecular?

- 8 - 3.5. De su razonamiento anterior (3.4), derive una conclusin general que conteste la pregunta:

Qu aspecto fundamental determina la geometra molecular de los compuestos hidrogenados del boro (BH3), carbono (CH4), nitrgeno (NH3) y oxgeno (OH2).

3.6. En consecuencia,

a) Cul ser la hibridacin del tomo central en la molcula de agua? b) Cul ser la geometra molecular de la molcula de agua? c) Tiene un momento dipolar la molcula de agua? Justifique su razonamiento aadiendo a su

dibujo tridimensional de H2O los smbolos + y - en los lugares correspondientes.

4. ETANO: CH3-CH3 4.1. Escriba la estructura de Lewis del etano. 4.2. Observando la estructura de Lewis, construya el modelo molecular del etano utilizando dos

tetraedros, un palillo negro para el enlace covalente C-C y seis palillos de un mismo color que representen los enlaces covalentes de los tomos de carbono con seis tomos de hidrgeno. Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo a continuacin de forma tal que todos los detalles tridimensionales resulten perfectamente visibles.

4.3. Observando el modelo molecular del etano, conteste las siguientes preguntas: a) Cul es la hibridacin de cada carbono? b) Qu orbitales atmicos forman el enlace sencillo C-C? c) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo C-H? d) Cul es el ngulo formado por los tomos H-C-H? e) Tiene un momento dipolar el etano? Justifique su razonamiento. 4.4 Para construir el modelo molecular del 1,2-dicloroetano, sustituya uno de los enlaces C-H de

cada carbono en el modelo molecular del etano por dos palillos de otro color que representen los dos enlaces covalentes carbono-cloro. Observando el modelo molecular del 1,2-

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dicloroetano haga rotar el enlace sencillo C-C hasta que coincidan las posiciones de los tomos de cloro con cada una de las estructuras moleculares 1, 2 y 3 siguientes:

H C

Cl

H

C

Cl

H

H

H C

Cl

H

C

H

Cl

H

H C

Cl

H

C

H

H

Cl

1 2 3

Observando los modelos moleculares de las estructuras 1, 2 y 3, conteste las siguientes preguntas en su libreta:

a) Qu orbitales forman los enlaces sencillos C-C?

b) Representan las estructuras 1, 2 y 3 a un mismo compuesto o a tres compuestos diferentes? Explique su razonamiento. c) Son interconvertibles las estructuras 1, 2 y 3? Explique su razonamiento.

d) Qu concepto describe propiamente la relacin entre las estructuras 1, 2 y 3?

e) Cul de las tres estructuras es la ms estable? Explique su razonamiento. 5. ETENO: CH2=CH2 5.1. Escriba la estructura de Lewis del eteno. 5.2. Observando su estructura de Lewis, construya el modelo molecular del eteno utilizando dos

bipirmides trigonales que debe unir con un palillo de color negro del enlace sencillo C-C y cuatro palillos de otro color para los cuatro enlaces covalentes sencillos C-H. Adems, construya el enlace pi utilizando palillos rojos y angulares metlicos contenidos en el equipo FMM, de acuerdo a la grfica siguiente:

C CH HH H

Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo a continuacin de forma tal que todos los detalles tridimensionales del modelo resulten perfectamente visibles.

Use el angular metlico para unir dos palillos transversales (90)

- 10 - 5.3. Observando el modelo molecular del eteno, conteste las siguientes preguntas en su libreta:

a) Cul es la hibridacin de cada carbono?

b) Qu orbitales atmicos forman el enlace sencillo C-C?

c) Qu orbitales atmicos forman el enlace pi ( C-C? d) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo C-H? e) Cul es el ngulo formado por los tomos H-C-H? f) Qu tomos se encuentran en el mismo plano? g) Cul es la geometra molecular del eteno?

h) Hay rotacin libre alrededor del enlace C-C, como en el caso del etano? Explique.

i) Cul es el momento dipolar del eteno? Explique. 5.4. Haciendo uso del modelo molecular del eteno, sustituya uno de los enlaces C-H de cada

carbono por dos palillos de otro color que representen dos enlaces covalentes sencillos C-Cl, para obtener los modelo moleculares del cis-1,2-dicloroeteno (4) y del trans-1,2-dicloroeteno (5).

C CCl

H H

ClC C

Cl

H Cl

H

cis-1,2-dicloroeteno (4) trans-1,2-dicloroeteno (5) Examinando los modelos moleculares de las estructuras 4 y 5, conteste las siguientes preguntas:

a) Se trata del mismo compuesto o son dos compuestos con propiedades fsicas y qumicas diferentes, como el momento dipolar, por ejemplo? Cul de ellos tiene un momento dipolar

igual a cero ( = 0) y por qu?

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b) Es posible convertir 4 en 5 o 5 en 4 por rotacin alrededor del enlace C-C como en el caso de las estructuras 1, 2 y 3 del 1,2-dicloroetano? Explique su razonamiento. c) Qu concepto describe propiamente la diferencia entre ambos alquenos 1,2-disustitudos? d) Cul de los dos alquenos 6 y 7 siguientes es el ms estable? Explique su razonamiento.

C CH3C

H H

CH3C C

H3C

H CH3

H

cis-2-buteno (6) trans-2-buteno (7)

6. ETINO: H-CC-H 6.1. Escriba la estructura de Lewis del etino. 6.2. Observando la estructura de Lewis del etino, construya el modelo molecular utilizando dos

octaedros que debe unir con un palillo de color negro del enlace sencillo C-C y dos palillos de otro color para los dos enlaces covalentes sencillos C-H. Adems construya DOS enlaces pi ortogonales utilizando palillos rojos y azules con angulares metlicos contenidos en el equipo FMM, de acuerdo a la grfica siguiente:

C CH H

Coloque el modelo molecular sobre la mesa y dibjelo a continuacin de forma tal que todos los detalles tridimensionales del modelo resulten perfectamente visibles. 6.3. Observando el modelo molecular del etino, conteste las siguientes preguntas: a) Cul es la hibridacin de cada carbono?

- 12 -

b) Qu orbitales atmicos forman el enlace sencillo C-C?

c) Qu orbitales atmicos forman ambos enlaces pi (? d) Qu orbitales atmicos forman cada enlace sencillo C-H? e) Cul es el ngulo formado por los tomos H-C-C? f) Qu tomos se encuentran en el mismo eje? g) Cul es la geometra molecular del etino? h) Cul es el momento dipolar del etino? Explique su aseveracin.

ASIGNACIN POST-LABORATORIO: MODELOS MOLECULARES I

1. Al optimizar la geometra del ion carbonato, CO3

2- se encuentra que el largo de los 3 enlaces es

de 1.28 Angstrom. Explique porque son iguales por medio de estructuras qumicas y

argumentos convincentes.

2. Dibuje (sin depender del programa) la estructura tridimensional de cada uno de los siguientes

tomando de referencia la geometra alrededor del (los) tomo(s) subrayado(s). Muestre los

electrones no compartidos y la carga formal donde aplique.

a. (CH3)3C+

b. (CH3)3N c. (CH3CH2)2O-BF3 d. (CH3)2Be

b. Paree cada compuesto con el largo de enlace (en Angstroms) correspondiente al enlace

indicado con la flecha.

0.95, 1.02, 1.34, 1.11

1.45, 1.27, 1.16

- 13 - Justifique su seleccin para uno de los grupos.

3. Complete la siguiente Tabla escribiendo/dibujando la informacin requerida en los espacios correspondientes.

Frmula Molecular

Estructura de Lewis Dibujo del modelo molecular (3D)

Es una molcula polar o no polar?

CH2O

C3H8O

N2H4

CHCl3

BF3

HCN

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RECINTO METROPOLITANO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES

CMO SE CALCULA Y OPTIMIZA LA ENERGA POTENCIAL DE LAS CONFORMACIONES DE UNA MOLCULA ORGNICA?

Objetivos:

Generar estructuras moleculares bidimensionales y de ellas sus modelos tridimensionales mediante el uso de programas computarizados de diseo y clculo tales como ChemDraw y Chem3D o Scigress (lleve su PC si interesa instalarlo).

Predecir la conformacin ms estable del n-butano a base de modelos moleculares FMM.

Calcular la energa potencial de los confrmeros del n-butano por el mtodo de mecnica molecular MM2 con optimizacin del ngulo diedro C-C-C-C.

A base de los valores de energa potencial optimizados para cada conformacin, construir una

grfica Energa Potencial (Epot) versus ngulo diedro () especificando las geometras de las mximas y mnimas con las proyecciones de Newman correspondientes.

Calcular la energa de activacin (barrera de rotacin) mxima del diagrama Epot vs .

Resumen:

Este ejercicio de laboratorio ensea a: a) visualizar las diferentes conformaciones del n-butano por rotacin de su enlace C2-C3. b) calcular y optimizar las energas potenciales de las conformaciones escalonadas y eclipsadas por el mtodo MM2 o MM3; c) interpretar las energas potenciales resultantes en funcin del ngulo diedro, de las interacciones de van der Waals, de los impedimentos estricos y de la tensin torsional.


1. Definir los conceptos y mostrar ejemplos especficos:

a) energa potencial de una conformacin,

b) ngulo diedro en trminos qumicos.,

MODELAJE MOLECULAR POR COMPUTADORA 2

1

- 15 -

c) interaccin de van der Waals,

d) impedimento estrico, y

e) tensin torsional, aplicada al n-butano.

2. A base de lo que contest en la pregunta anterior, estimar las estabilidades relativas de las conformaciones escalonadas y eclipsadas del n-butano dibujando las proyecciones de Newman correspondientes en orden descendente (la ms estable a la izquierda) de estabilidad.

- 16 -

- 17 -

A. Construccin del modelo molecular de la molcula de inters: ej. 1-bromopropano, 1,2-

dicloroetano. 1-propanol o hexano. Escoja una diferente a la de sus vecinos.

Construya el modelo molecular del n-butano utilizando el equipo FMM. Haga rotar el enlace C2-C3 del modelo y aplicando los conceptos examinados en la asignacin de Pre-Laboratorio, determine la conformacin ms estable. Observando detalladamente la conformacin ms estable de su modelo, dibuje en el espacio provisto en la parte A de su informe de laboratorio la proyeccin de Newman y el caballete semilateral de esa conformacin.

A. Clculo computerizado de la energa potencial de las conformaciones del n-butano con los programas ChemDraw y Chem3D 1. Activar los programas ChemDraw y Chem3D en su computadora signada. 2. Abrir una ventana en el programa ChemDraw y dibujar la frmula de lnea de la molcula

escogida. 3. Copiar. 4. En el espacio de trabajo del programa Chem3D (Untitled 1), pegar la frmula de lnea de su

molcula. 5. Activar el utensilio 2 y mover o hacer rotar el modelo en los ejes x, y o z, segn su preferencia,

hasta que todos los tomos del modelo sean perfectamente visibles. 6. En Tools seleccionar Fit model to Window. 7. Oprimiendo la tecla Shift, seleccionar los cuatro tomos consecutivos empezando por el

heterotomo (cuando aplique) o del modelo en su pantalla. Al hacerlo, aparece un contorno de color negro en los tomos seleccionados.

8. En Object, seleccionar Set Dihedral Angle y en la tabla de medidas (Measurements ), escribir 0 (cero) en la segunda columna Actual y oprimir Enter. Al hacerlo, el enlace sencillo entre los carbonos 2 y 3 (C2-C3) rotar hasta que el ngulo diedro diedro ( formado entre los cuatro tomo sea de cero grados.

9. Activar el utensilio 2 y mover o hacer rotar el modelo en los ejes x, y o z, segn sea necesario, hasta que todos los tomos del modelo sean perfectamente visibles y el modelo de la molcula sea visible desde su perspectiva de caballete semilateral. Con el utensilio 2 activado hacer rotar el modelo para ser visto tambin desde la perspectiva de su proyeccin de Newman.

caballete semilateral proyeccin de Newman

10. Dibujar las proyecciones semilateral y de Newman de la conformacin eclipsada SYN ( 0o) del modelo tal como aparece ahora en la pantalla especificando la posicin de todos los tomos por medio de la letras H y C en la tabla B del informe de laboratorio.

11. Para el clculo de la energa potencial (Epot) de la conformacin eclipsada SYN de su molcula, seleccionar Minimize Energy en MM2 y oprimir el comando Run. En la columna de la derecha de la Tabla B del informe, anotar el resultado del clculo de Epot que aparece como mensaje al pie de la ventana y est expresado en Kcal/Mol para la conformacin eclipsada

SYN del n-butano y su ngulo diedro = 0o.

PROCEDIMIENTO

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12. Para continuar examinando las dems conformaciones, el procedimiento contina en forma anloga. Abrir otra ventana en File > New Model del programa Chem3D.

13. Pegar en esa ventana la frmula de lnea de su molcula que an conserva en el programa ChemDraw.

14. Activar el utensilio 2 y mover o hacer rotar el modelo en los ejes x, y o z, segn su preferencia, hasta que todos los tomos sean perfectamente visibles.

15. En Tools seleccionar Fit model to Window. 16. Oprimiendo la tecla Shift, seleccionar los cuatro tomos antes escogidos del modelo en su

pantalla. Al hacerlo, aparece un contorno de color negro en los tomos seleccionados. 17. En Object, seleccionar Set Dihedral Angle y en la tabla de medidas (Measurements ),

escribir 60 en la segunda columna Actual y oprimir Enter . Al hacerlo, el enlace sencillo entre los carbonos 2 y 3 (C2-C3) rotar hasta que el ngulo diedro diedro ( formado entre los cuatro carbonos C-C-C-C sea de 60 grados.

18. Activar el utensilio 2 y mover o hacer rotar el modelo en los ejes x, y o z, segn sea necesario, hasta que todos los tomos del n-butano sean perfectamente visibles y el modelo sea visible desde su perspectiva de caballete semilateral. Con el utensilio 2 activado hacer rotar el modelo para ser visto tambin desde la perspectiva de su proyeccin de Newman.

19. Dibujar las proyecciones semilateral y de Newman de la conformacin escalonada gauche

(= 60 grados )del modelo tal como aparece ahora en la pantalla especificando la posicin de todos los tomos por medio de la letras H y C en la tabla B del informe de laboratorio.

20. Calcular la energa potencial (Epot) de esa conformacin del n-butano, seleccionando Minimize Energy en MM2 y oprimiendo el comando Run. En la columna de la derecha de la Tabla B del informe, anotar el resultado del clculo de Epot que aparece como mensaje al pie de la ventana y est expresado en Kcal/Mol para la conformacin escalonada gauche del modelo y

su ngulo diedro =60 grados. 21. Repetir los pasos 1-20 en forma anloga para calcular las energas potenciales

correspondientes a los ngulos 120o, 180o, 240o, 300o y 360o de las conformaciones restantes del modelo para completar la recopilacin de datos de la Tabla B.

22. Dibujar las proyecciones semilateral y de Newman de cada una de esas conformaciones especificando la posicin de todos los tomos por medio de las letras H y C en la tabla B mostrada en la prxima pgina y escribir los valores de Epot computados en los espacios correspondientes de la Tabla B.

23. Para concluir, revisar todos los resultados, dibujos y preparar una grfica preliminar Epot [Kcal/Mol] vs ngulo diedro (o)Ensear todo el trabajo, incluyendo las grficas al instructor. Cerrar los programas y darle Shut down a la computadora . Usando CHEM 3D Bio

Seleccin del ngulo diedro

To set a dihedral angle:

1. Seleccione cuatro tomos contiguous o consecutivos. Coloque el cursor sobre el primer tomo, luego presione la tecla shift y sin soltar dicha tecla presione sobre los 3 tomos restantes.

2. Suelte la tecla shift, seguido de: Structure > Measurements > Display Dihedral Measurement

La tabla de medidas aparece, desplegando el valor del ngulo diedro. Escriba o de un clic en la columna correspondiente y editar su valor., seguido de:

Enter. NOTA: Los ngulos en la tabla de las medidas pueden ser negativos, pero sus valores son equivalentes; ej. -60o equivale a 300o.

- 19 -

B. Tabla de valores de las mximas y mnimas de energa potencial calculadas en Kcal/Mol para las siete conformaciones siguientes del n-butano en funcin del ngulo diedro C1-C2-C3-C4.

0

60

120

180

240

300

360

CONFORMACIN NGULO DIEDRO ENERGA POTENCIAL (proyeccin de Newman) [grados] [Kcal/Mol]

P

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C. Grfica preliminar de energa potencial en Kcal/Mol de las conformaciones del n-butano en funcin del ngulo diedro C1-C2-C3-C4 que indica la proyeccin de Newman de cada conformacin junto sus mximas o mnimas correspondientes.

Epot Kcal/Mol

I I I I I I I

0 60 120 180 240 300 360 ngulo diedro [grados]

D. Clculo de la energa de activacin (barrera de rotacin) ms alta entre dos mnimas de energa potencial del anlisis conformacional del n-butano, en Kcal/Mol, a base de los datos obtenidos en los pasos previos.

CONFORMACIN NGULO DIEDRO ENERGA POTENCIAL (proyeccin de Newman) [grados] [Kcal/Mol]

P

- 21 - Procedimiento a seguir en caso de que utilice el programa Scigress para los clculos

computacionales.

1. Se requiere un USB para guardar los archivos que han de generarse con cada clculo. Genere

un folder y llmelo conformaciones.

2. Construya el modelo de la molcula de inters, ej. 1-bromopropano, 1,2-dicloroetano. 1-

propanol o hexano.

2.1. Abrir la ventana de la plataforma Workspace. Familiarizarse con la barra de menes fijo (Parte

superior) y en la ventana de trabajo, la paleta de utensilios (lado izquierdo) y encima de esta el

men variable para seleccionar de izquierda a derecha, el tomo de inters, la hibridacin, la

carga y la multiplicidad del enlace.

2.2 Seleccione el carbono con el lpiz y de un clic sobre la pizarra, donde debe aparecer una

espera gris.

2.3 Coloque el lpiz sobre el carbono y arrastre en cualquier direccin. Ahora debe tener dos

carbonos conectados.

2.4 Repita el paso 2.3 hasta completar el esqueleto carbonado deseado. Si su molcula contiene

heterotomo(s) (N, Cl, F, Br , O) enlace el (los) mismo(s) de manera similar a los carbonos,

segn aplique. Luego con el primer utensilio,

toque a pizarra para activar el esqueleto completo

2.5 Embellezca el modelo pidiendo al programa que le muestre los hidrgenos, via el men fijo

Beautify > Comprehensive

O presione las teclas Ctrl y la B

2.6 Guarde el modelo en su USB de la manera acostumbrada.

File > Save as > escriba el nombre de la molcula asignada > Save

3. Defina los niveles para buscar las conformaciones.

De un clic o seleccione el enlace entre el segundo y tercer tomo de los 4 seleccionados para

definir el ngulo diedro, luego:

Adjust > Dihedral Angle (o presione la tecla F4) > marque la opcin Define Geometry Label,

el botn de Search y los valores -180 a 180 grados usando 48 etapas de 7.5 grados. Luego

clic en OK y acepte los cambios Save.

4. Realice los clculos para obtener las diferentes conformaciones

4.1 Experiment > New En el dilogo asegrese de que aparezca la siguiente informacin:

Property of:

Property: Using:

Chemical sample conformations

Optimized map

MM energies (MM3)

- 22 - 4.2 Clic el botn de Start para iniciar los clculos. Luego observe la ventana mostrando el

progreso despus de cada ciclo. Al concluir los cmputos se crea un archivo con el mapa de

energa en 3D, llamado energy.map el cual es colocado en un subfolder llamado nombre de

su molcula.map dentro del directorio de cache3.

Al concluir los clculos, se abren dos ventanas, la de la izquierda que muestra el mapa de energa con

la grfica y la del lado derecho presenta la molcula con los 4 tomos que definen el ngulo diedro o

de rotacin C1-C2-C3-C4. o C1-C2-C3-tomo 4, segn corresponda a su molcula. Si no sucede as,

bralo a travs del men de window.

Window y seleccione la opcin que tiene la extensin.map y que aparece con el smbolo

5. Visualice los cambios energticos y conformacionales de la molcula de inters

5.1 Rote el modelo de manera que pueda observarlo mirando del tomo 2 al 3 o del 3 al 2 segn

indique el ngulo diedro.

5.2 Presione cualquiera de las flechas del teclado (,, o ) para mover el cursor alrededor de la

superficie del potencial de energa y observe los cambios conformacionales (a la derecha) y de

energa o ngulo diedro (en la barra informativa que aparece debajo de cualquiera de las dos

ventanas).

5.3 Obtenga las proyecciones de Newman y la estructura de caballete de todas las

conformaciones.

a. Active la ventana donde aparece el modelo molecular dando un clic en donde lea el nombre del

modelo y aparezca este con la extensin energy.map:1*.

b. Seleccione los tomos que us para definir el ngulo diedro. Luego

View > Atom Attributes > Label > Atom Number > OK

c. Rote el modelo hasta que el tomo con el nmero 2 aparezca al frente y detrs de este el que

posea el nmero 3. El tomo con el nmero 1 puede quedar hacia arriba o hacia abajo segn

su conveniencia.

d. Presione cualquiera de las flechas del teclado (,, o ) y observe que slo rota el enlace

entre los tomos 2 y 3 mientras cambia la posicin del tomo 1 y los hidrgenos o sustituyentes

del tomo 3.

e. Localice el cursor en el primer mnimo que aparezca a la izquierda de la grfica del perfil o

superficie de energa potencial. Registre en su manual la energa y el ngulo diedro

correspondiente. Luego dibuje la conformacin en proyeccin de Newman y de caballete.

Rote o incline el modelo hacia el frente y a su conveniencia para que visualice la forma de

caballete.

f. Lleve el cursor hasta el prximo punto de energa ms alto o ms bajo y repita lo que hizo en

el paso anterior; es decir, escribir la energa, el ngulo diedro, la proyeccin de Newman y la

forma de caballete para la conformacin que observa.

g. Repetir el paso anterior para los mximos y mnimos que falten.

- 23 - 5.3 Acompae su informe con una copia de la grfica de energa potencial versus el ngulo diedro

o prepare una tabla que contenga la energa de los confrmeros segn el ngulo diedro y

construya la grfica usando Excel a tono con su preferencia. Minimice el consumo de tinta

cambiando el color del fondo a travs de palette color > background > set > white > ok,

luego remueva el marcador via view > show marker y fije ajuste la grfica hasta un solo color

via graph attributes > color by > constant.

6. Complete la informacin

1. Molcula asignada para practicar las conformaciones con compuestos de cadena abierta-

Complete la siguiente informacin para el butano.

Estructura nombre IUPAC los 4 tomos que definen el ngulo diedro

2. # de conformaciones segn muestra la grfica:____________________________________

3. Dibuje las 4 conformaciones ms representativas. Incluya la energa de cada una e

identifquelas como anti, gauche, etc.

3a. Proyeccin de Newman

3a. Modelo de caballete

3b. Proyeccin de Newman

3b. Modelo de caballete

- 24 - 3c. Proyeccin de Newman 3c. Modelo de caballete

3d. Proyeccin de Newman

3d. Modelo de caballete

Asignacin de Post-Lab

1. a. La conformacin ms estable de una molcula est determinada por diversos factores

tales como las fuerzas dipolo-dipolo, las fuerzas de van der Waals, la tensin torsional, atracciones por

puentes de hidrgeno inter o intramolecular, entre otros. Tomando en cuenta stos factores, dibuje la

proyeccin de Newman de los primeros confrmeros de la molcula siguiente en su proyeccin de

Newman de acuerdo al valor del ngulo diedro,, N-C2-C1-O.

= 0o

= 60o

= 120o

= 180o

b. Determine cul de los 4 confrmeros debe ser el de mayor estabilidad. Justifique su

respuesta con dibujos y argumentos.

- 25 - 2. Dibuje la estructura de cada uno de los siguientes en su conformacin de silla ms estable.

Luego escriba su nombre IUPAC.

a. 1-tert-butil-1-etilciclohexano

b. 1,3-dimetilciclohexano

c. 1-isopropil-4-etilciclohexano

- 26 -


CMO SE PURIFICA Y DETERMINA LA PUREZA DE UN COMPUESTO ORGNICO SLIDO?

Refer. Williamson, K. L. Microscale and MacroscaleOrganic Experiments, 1989, 29.

Objetivos:

Seleccionar el disolvente apropiado para recristalizar un compuesto slido orgnico desconocido.

Purificar el compuesto desconocido por recristalizacin.

Determinar la pureza del compuesto recristalizado por su punto de fusin y el porcentaje de recuperacin.

Identificar el compuesto desconocido por correlacin de puntos de fusin tabulados.

Dibujar la frmula estructural e identificar los grupos funcionales del compuesto desconocido.

Recristalizar una muestra de acetanilida contaminada con impurezas coloreadas o insolubles.

Resumen:

Este experimento permite desarrollar las destrezas necesarias para: a) seleccionar un disolvente apropiado para la recristalizacin; b) purificar compuestos slidos por recristalizacin; c) comprobar la pureza de un compuesto slido por determinacin de su punto de fusin; d) separar las impurezas de una muestra de la acetanilida contaminada.


1. Utilizando fuentes de referencia tales como ChemIndex (www.chemindex.com), Handbook of

Chemistry and Physics, el ndice Merck o los catlogos comerciales Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com), Fluka, etc., complete la tabla 1 para algunos de los disolventes ms comunes.

2. De la misma manera, complete la informacin indicada en cada una de las columnas de la Tabla 2.

RECRISTALIZACIN Y PUNTO DE FUSIN

31

- 27 - TABLA 1. Estructura qumica de lnea, punto de ebullicin y polaridad de algunos disolventes.

DISOLVENTE ESTRUCTURA PUNTO DE EBULLICIN POLARIDAD

hexano

ter dietlico

acetona

acetato de etilo

isopropanol

etanol

metanol

agua

Fuente de referencia y uso especfico de cada una:

- 28 -

TABLA 2. Estructuras moleculares de lnea, puntos de fusin y todos los grupos funcionales de los compuestos slidos desconocidos.

COMPUESTO ESTRUCTURA Pf [C] GRUPOS

FUNCIONALES

cido fenoxiactico

cido trans-cinmico

3-Nitrobenzoato de metilo

tri-Fenilcarbinol

cido saliclico

trans-Estilbeno

4,4-di-ter-Butilbifenilo

Acetanilida

p-Aminobenzoato de etilo

Fumarato de dimetilo

Benzoina

- 29 - Fuente de referencia y uso especfico:

3. Cite las tres caractersticas de un buen disolvente para recristalizar una muestra de cido benzoico.

4. Tres disolventes que usted seleccionara para purificar al acido benzoico serian:

5. En caso de que la muestra de cido benzoico tuviese impurezas coloreadas el disolvente a

escoger sera ____________________________________ y para remover las impurezas

coloreadas recurrira al uso de _________________________________________ . Mientras

que para eliminar el material descolorante la manera correcta de hacerlo sera:

- 30 - Materiales: termmetro; bao de arena; transformador

A. Seleccin de un disolvente apropiado para la recristalizacin. Obtenga uno de los compuestos slidos desconocidos y anote en su libreta el cdigo del mismo. Con una esptula, transfiera un poco del compuesto desconocido a seis tubos de ensayo medianos de forma tal que se cubra solamente el fondo de cada tubo de ensayo. Rotule los tubos de ensayo escribiendo agua, metanol, isopropanol, etanol, acetato de etilo y n-hexano. En caso de utilizar otros disolventes, proceda de la misma manera. Un disolvente es apropiado para recristalizar un compuesto slido si lo disuelve en el calor, pero no en frio, siempre y cuando la cantidad de disolvente utilizado sea mnima, para que la solucin est prxima a su saturacin. La seleccin del mejor disolvente para la recristalizacin de su compuesto desconocido se lleva a cabo de la manera siguiente. Con un gotero, agregue a cada uno de los tubos de ensayo 1 mL (unas 20 gotas) del disolvente que indica el rtulo de cada tubo. Para ver si el compuesto desconocido se disuelve en el disolvente, agite el tubo de ensayo por unos 30 segundos. Luego anote sus observaciones en la tabla de observaciones indicando si el slido es soluble, parcialmente soluble o insoluble a la temperatura de saln. Si es soluble a esa temperatura, el disolvente no es apropiado para la recristalizacin. De no ser soluble, caliente el tubo de ensayo cuidadosamente sobre el bao de arena (transformador: unas 30 unidades), agitando hasta que el disolvente empiece a hervir. Agregue ms disolvente con un gotero en caso de que el volumen inicial del disolvente haya disminuido por evaporacin del mismo. Si an no se ha disuelto el compuesto completamente, agregue otro mililitro del disolvente y vuelva a calentar. Repita el ltimo paso hasta haber utilizado unos 3 mL del disolvente. Si an no se ha disuelto completamente, probablemente ese disolvente tampoco sea el apropiado para la recristalizacin. En caso de haberse disuelto completamente en caliente, retire el tubo de ensayo del bao de arena, tpelo con un corcho y djelo enfriar hasta la temperatura de saln. Luego, contine el enfriamiento en un bao de agua/hielo por unos cinco minutos. Si observa que su compuesto se ha precipitado en frio, es decir que ha recristalizado, ese disolvente es el apropiado. Repita el mismo procedimiento con todos los disolventes asignados y registre sus datos en forma tabular. PARTE A: TABLA DE OBSERVACIONES Cdigo del compuesto desconocido:

DISOLVENTE A TEMPERATURA DE

SALN AL CALENTAR LUEGO DE ENFRIAR

agua

metanol

isopropanol

etanol

acetato de etilo/Hexano*

n-hexano

*Pregunte al profesor para la proporcin (1:1; 1:2, 1:3, 1:4 o 1:5) y cantidad (12-20 mL) que debe preparar

PROCEDIMIENTO

- 31 - Disolvente seleccionado: B. Recristalizacin del compuesto desconocido.

En un matraz de Erlenmeyer de 125 mL, pese aproximadamente 1.00 g de la sustancia desconocida, anote el cdigo y el peso exacto en su manual de laboratorio. Agregue 4 o 5 mL del disolvente seleccionado en la parte A de este experimento. Caliente el matraz de Erlenmeyer sobre el bao de arena (transformador: unas 30 unidades), agitando hasta la ebullicin del disolvente (utilice una grapa para agitar el matraz de Erlenmeyer) hasta que el slido se disuelva completamente. En caso de no disolverse, agregue ms disolvente en porciones de 1 a 2 mL y vuelva a hervir la mezcla hasta la disolucin completa del slido. En algunos casos, la cantidad total de disolvente podra llegar a unos 40 mL. Una vez disuelto el compuesto, agregue un exceso de 3 mL del disolvente. Luego, deje reposar el matraz de Erlenmeyer a temperatura de saln hasta la formacin de los primeros cristales. Contine el enfriamiento en un bao de agua/hielo por unos 5 a 10 minutos para completar la recristalizacin. Filtre el producto recristalizado por succin en el embudo de Bchner. Enfre en un tubo de ensayo unos 10 mL del disolvente utilizado para la recristalizacin y virtalos sobre el producto semiseco que se encuentra sobre el papel filtro en el embudo de Bchner. Succione haciendo presin sobre el embudo hasta que el producto est completamente seco. Si los cristales no estn completamente secos, transfiralos a un vidrio de reloj y depostelos en su gaveta hasta el prximo perodo de laboratorio (consulte con su instructor y siga sus instrucciones). Pese el producto seco y determine el punto de fusin. Repita la determinacin del punto de fusin hasta obtener el mismo intervalo de temperatura en cada determinacin. Proceda a identificar su compuesto desconocido por correlacin del punto de fusin experimental y los puntos de fusin de la TABLA II: Estructura, punto de fusin y grupos funcionales de los compuestos slidos desconocidos (Pre-Laboratorio). Resuma en su libreta a) los valores de los puntos de fusin obtenidos para el compuesto desconocido; b) el nombre, la estructura y el punto de fusin del compuesto de la Tabla II que mejor se correlacione con su producto recristalizado y ensee su resumen a su instructor para que evale su trabajo. PARTE B: TABLA DE DATOS.

CDIGO DEL COMPUESTO DESCONOCIDO:

DISOLVENTE SELECCIONADO:

Peso de la sustancia desconocida impura [g]:

Peso del desconocido recristalizado [g]:

Rango de punto de fusin

a [C]

Porcentaje de recuperacin [%]

- 32 - B. Recristalizacin de compuestos con impurezas coloreadas.

PRECAUCIN

El carbn activado no debe aadirse a la solucin cuando la misma est hirviendo porque hace que el lquido rebase el recipiente. Para evitarlo, retire el matraz de Erlenmeyer del bao de arena cuando el disolvente est hirviendo. Cuando deje de hervir, agregue poco a poco la cantidad indicada de carbn activado, agite con la varilla de cristal y vuelva a calentar sobre el bao de arena hasta que hierva, antes de filtrar. Evite tambin el contacto del carbn activado con la piel y la ropa.

Si se recristaliza una sustancia que contiene impurezas coloreadas, estas pueden ser separadas utilizando poca cantidad de carbn activado (activated carbon, Norit). Las impurezas se depositan por adsorcin en la superficie de las finas partculas del carbn activado que luego al ser filtrado en caliente, permite la separacin del producto que permanece disuelto en el filtrado junto con el disolvente a esa temperatura de ebullicin. Posteriormente, al enfriarse se precipitan los cristales incoloros y puros del producto que luego puede ser separado del disolvente por filtracin al vaco. Primero, prepare el aparato de filtracin por succin. Luego, en un matraz de Erlenmeyer de 100 mL, pese aproximadamente 1.0 g de acetanilida impura y anote el peso exacto en su libreta. Agregue 20 mL de agua destilada y caliente sobre el bao de arena agitando el matraz y sostenindolo con una grapa. Observe si al hervir el agua se ha disuelto todo el producto. Si es necesario, aada ms agua destilada y vuelva a calentar hasta que la disolucin sea completa. Aleje el matraz del bao de arena, espere un minuto y agregue con una esptula aproximadamente 0.1-0.2 g de carbn activado (mantenga limpia el rea de las balanzas). Hierva nuevamente la mezcla sin dejar de agitar el matraz por 2 a 3 minutos. Aada ms agua caliente si el volumen inicial del agua ha disminuido visiblemente por evaporacin y vuelva a calentar. Cuando la solucin est hirviendo, vierta el contenido del matraz de Erlenmeyer sobre el papel filtro hmedo y pegado a la superficie porosa del embudo de Bchner. Haga presin sobre el embudo para que la succin sea ms efectiva. Hierva en otro matraz unos 3 mL adicionales de agua destilada y transfiralos hirviendo al matraz de Erlenmeyer para el lavado y recuperacin del producto que haya quedado adherido al mismo. Agite la solucin y agregue la misma al embudo, presione el mismo y complete la filtracin del carbn activado que contiene las impurezas separadas. Deje en reposo el filtrado ya incoloro por espacio de 10 minutos y enfre el matraz de Erlenmeyer en un bao de agua y hielo. Si no se forman los cristales despus del tiempo indicado pruebe inducir la cristalizacin de la acetanilida purificada raspando la pared interior-inferior del matraz de Erlenmeyer con una varilla de vidrio. Si no se forman los cristales, es porque la solucin no est lo suficientemente concentrada y es ese caso debe calentar la mezcla nuevamente sobre el bao de arena para evaporar el exceso de agua. Reduzca aproximadamente un cuarto del volumen de la solucin. Vuelva a enfriar hasta la formacin de la acetanilida cristalina. Finalmente, filtre los cristales por succin y lvelos con 3 mL de agua destilada fra. Djelos secar sobre un vidrio de reloj hasta el prximo perodo de laboratorio, si no es posible utilizar un horno para concluir con el secado. Finalmente, pese el producto, determine el punto de fusin, calcule el porcentaje de recuperacin y ensee sus resultados a su instructor antes de proceder a preparar su informe de laboratorio.

PARTE C: TABLA DE DATOS

Agente descolorante utilizado:

Peso de la acetanilida impura [g]:

- 33 - Disolvente:

Peso de la acetanilida pura:

Rango de punto de fusin de su muestra:

_______________a ________ [oC]:

Rango de punto de fusin de acetanilida impura

_______________a ________ [oC]:

Porcentaje de recuperacin [%]:

Frmula estructural de la acetanilida:

Grupos funcionales

- 34 -


CMO SE HACE UNA DESTILACION SIMPLE Y COMO SE SEPARA E IDENTIFICA UNA MEZCLA DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS LQUIDOS ?

Refer. Williamson, K. L. Microscale and Macroscale Organic Experiments, 1989, 70.

Dupont Durst, H., Gokel, G. W. Experimental Organic Chemistry, 1986, 2nd Edit, 104.

Objetivos:

Usar el punto de ebullicin como propiedad fsica para:

a. destilar un lquido por destilacin sencilla. Luego, colectar los datos obtenidos por los compaeros de grupo, organizarlos en orden creciente, identificarlos y determinar el porcentaje de recuperacin y la serie homloga que reperesentan los compuestos.

b. Separar una mezcla de dos compuestos orgnicos lquidos por destilacin fraccionada y con los datos recopilados:

Preparar una grfica de temperatura [C] versus tiempo [min.]

Identificar ambos compuestos lquidos por sus puntos de ebullicin.

Determinar la composicin de la mezcla binaria.

Resumen:

Este experimento permite desarrollar las destrezas para llevar a cabo dos de las destilaciones ms comunes: la simple y la fraccionada para purificar, deteminar el porcentaje de un compuesto y/o separar e identificar una mezcla binaria de dos lquidos orgnicos.

Dependiendo del nmero de estudiantes, la clase se dividir en dos o tres grupos de 5 parejas cada uno, de manera que el trabajo grupal sea la prioridad de cada estudiante.

Nota. Los compuestos orgnicos lquidos que contienen grupos funcionales polares como los alcoholes, tienden a retener agua. Por sta razn destilan los de puntos de ebullicin mayor de 90oC forman mezclas azeotrpicas con el agua, a temperaturas por debajo de su punto de ebullicin en estado puro, particularmente si sus puntos de ebullicin estn por encima de los 105 C.

DESTILACIN SIMPLE Y FRACIONADA

4

31

- 35 -


1. Utilizando fuentes de referencia tales como ChemIndex (www.chemindex.com), Handbook of

Chemistry and Physics, el ndice Merck o los catlogos comerciales Sigma-Aldrich (www.sigmaaldrich.com), Fluka, etc., recopile en forma tabular las estructuras moleculares y puntos de ebullicin de los compuestos lquidos que aparecen en la Tabla I.

TABLA 1. Nombre IUPAC, frmula estructural de lnea y puntos de ebullicin de compuestos lquidos orgnicos que componen la serie homloga o contenidos en las mezclas binarias.

lquido (nombre IUPAC) frmula estructural punto de ebullicin

[C]

acetona

metanol

etanol

n-propanol

n-butanol

heptano

tolueno

Fuente de referencia:

2. Los tres factores que aumentan los puntos de ebullicin de los lquidos orgnicos son:

- 36 -

3. Dos factores especficos que disminuyen los puntos de ebullicin de los lquidos orgnicos son:

4. Haga un dibujo que ilustre las interacciones dipolo-dipolo que existen entre dos molculas de 2-butanona.

5. Cules son los tres tipos de atracciones que existen entre las molculas de butanol?

6. Tres aplicaciones especficas de la tcnica de destilacin a nivel industrial:

a.

b.

c.

Materiales del almacn: termmetro; equipo de destilacin del maletn azul; bao de arena; transformador

- 37 -

Precaucin-Toda destilacin debe interrumpirse antes de que el matraz de destilacin quede completamente seco. Una destilacin se da por finalizada cuando en el fondo del matraz de destilacin quedan de 2 a 3 mL del lquido a destilar. Los compuestos orgnicos pueden formar perxidos al reaccionar con el oxgeno del aire que al ser calentados en seco podran descomponerse violentamente.

Destilacin sencilla o simple Mida 10-15 mL del lquido asignado, y proceda segn las instrucciones o aclaraciones del instructor para completar el montaje del aparato de destilacin segn la Figura 1. Lubrique con grasa de silicona todas las uniones de vidrio esmerilado y asegure las partes del equipo con las grapas apropiadas. Empiece fijando el anillo de acero al estativo a una altura de unas cinco pulgadas de su base. Luego coloque sobre el anillo el bao de arena lleno a de su capacidad. Sobre la arena, asegure firmemente tambin con una grapa el matraz de destilacin 1 limpio y seco de 25 mL con los 10-15 mL del lquido que midi y agregue dos piedras de ebullicin. Sobre l, coloque el conector 2 en forma de Y, el condensador 3, el conector 4 en forma de codo y el matraz recolector 5 rotulado como Mezcla. Finalmente introduzca cuidadosamente el termmetro 9 a travs del adaptador 8 hasta que su extremo inferior llegue a la altura indicada en la Figura 1. Asegrese de que las grapas sostienen todo el equipo en forma segura que el mismo est completamente cerrado, con excepcin del brazo horizontal del conector en forma de codo 5 que regula la presin del interior del equipo de destilacin con la presin externa. Conecte las mangas de refrigeracin al condensador 3 en el sentido que indican las flechas de la Figura 1 (salida y entrada del agua a la izquierda y derecha, respectivamente) y deje que circule el agua de enfriamiento con una presin mnima. Consulte con su instructor, quien adems, revisar el resto del equipo antes de indicarle que puede empezar con la destilacin simple.

1. matraz de destilacin

2. tubo conector en forma de Y

3. condensador

4. tubo conector en forma de codo

5. matraz recolector

6. mangas de enfriamiento

7. adaptador

8. termmetro

Empiece el calentamiento de la mezcla con el transformador a 15-20 voltios. A medida que la mezcla se calienta, observar la formacin de un anillo de vapor condensante que sube desde el matraz de destilacin hasta el termmetro, proceso que puede prolongarse hasta 20 minutos. Durante ese tiempo, la temperatura en el termmetro permanecer sin cambio (temperatura de saln). Cuando el

PROCEDIMIENTO

Nota. El equipo para la destilacin simple al igual que el de la destilacin fraccionada debe estar limpio, seco, seco, seco y seco.

- 38 - vapor del destilado llegue al termmetro registrar la temperatura y colecte lo que destile hasta que se estabilice la lectura. Cambie el matraz colector tan pronto se estabilice la lectura del termmetro. Contine colectando el destilado hasta que la temperatura empiece a bajar o le quede un remanente de 2 mL en el matraz de destilacin. Retire el bao de arena, mida el volumen colectado y registre la cantidad. . Recopile, segn aplique, los datos obtenidos (volumen usado, volumen colectado y punto de ebullicin) por los grupos cercanos a su rea de trabajo y que hicieron la destilacin sencilla. Luego complete la TABLA 2.

TABLA 2. Destilacin simple Compuesto volumen

usado, mL volumen colectado a T constante, mL

% de recuperacin

pto. ebullicin, oC

nombre del compuesto

1

2

3

4

Escriba la estructura molecular de los compuestos que constituyen la serie homloga, organcelos en

orden creciente de acuerdo al punto de ebullicin y explique porqu constityen una serie homloga.

Recopile, segn aplique, los datos obtenidos por las dems parejas que forman su grupo de trabajo y

complete la tabla 2 (arriba)

Luego de limpiar su rea de trabajo ayude a los compaeros que les toc la destilacin fraccionada, si es que no han terminado, porque antes de que el instructor le firme debe recopilar los datos que ellos obtengan. Destilacin fraccionada Obtenga una de las mezclas binarias de dos compuestos lquidos desconocidos y anote el cdigo de referencia. Siguiendo las instrucciones, sugerencias o aclaraciones del instructor para montar el equipo de destilacin mostrado en la Figura 2, siga el procedimiento descrito a continuacin.

Lubrique con grasa de silicona todas las uniones de vidrio esmerilado y asegure las partes del equipo con las grapas apropiadas. Empiece fijando el anillo de acero al estativo a una altura de unas cinco pulgadas de su base. Luego coloque sobre el anillo el bao de arena lleno a de su capacidad. Sobre la arena, asegure firmemente tambin con una grapa el matraz de destilacin 1 limpio y seco de 25 mL que contiene 15-20 mL de la mezcla a ser separada y dos piedras de ebullicin. Sobre el matraz de destilacin, coloque cuidadosamente la columna 2, luego el conector en forma de Y 3, luego, el condensador 4, el conector 5 en forma de codo y el matraz recolector 6 rotulado como Mezcla. Finalmente introduzca cuidadosamente el termmetro 9 a travs del adaptador 8 hasta que su extremo inferior llegue a la altura indicada en la Figura 2. Asegrese de que las grapas sostienen todo el equipo en forma segura que el mismo est completamente cerrado, con excepcin del brazo horizontal del conector en forma de codo 4 que regula la presin del interior del equipo de destilacin con la presin externa. Conecte las mangas de refrigeracin al condensador 4 en el sentido que indican las flechas de la Figura 2 (salida y entrada del agua a la izquierda y derecha, respectivamente)

- 39 - y deje que circule el agua de enfriamiento con una presin mnima. Consulte con su instructor, que adems revisar el resto del equipo antes de indicarle que puede empezar con la destilacin fraccionada.

1. matraz de destilacin

2. columna de refraccin

3. tubo conector en forma de Y

4. condensador

5. tubo conector en forma de codo

6. matraz recolector

7. mangas de enfriamiento

8. adaptador

9. termmetro

Empiece el calentamiento de la mezcla con el transformador en 15-20 voltios. A medida que la mezcla se calienta, observar la formacin de un anillo de vapor condensante que sube desde el matraz de destilacin hasta el termmetro, proceso que puede prolongarse hasta 20 minutos. Durante ese tiempo, la temperatura en el termmetro permanecer sin cambio (temperatura de saln). Registre esa temperatura en la TABLA 3, de tiempo versus temperatura. Cuando el vapor del destilado llegue al termmetro se registrar un incremento en la temperatura. Desde ese momento por cada minuto, anote la lectura del termmetro hasta que la destilacin haya terminado. Cuando el vapor del lquido ms voltil llega al tubo interior y frio del condensador se condensa en forma de pequeas gotas hasta llegar gota a gota al matraz recolector rotulado Mezcla. El calentamiento del matraz de destilacin durante todo el proceso debe ser regulado con el transformador de forma tal que la velocidad de goteo en el matraz recolector sea de unas dos gotas por segundo. Cuando la temperatura contine subiendo hasta llegar a un valor ms o menos constante (+/- 2 C) durante unas cinco lecturas consecutivas, cambie el matraz recolector Mezcla por otro rotulado Fraccin 1 y prosiga con la destilacin. La Fraccin 1 es el componente lquido ms voltil de la mezcla binaria y la temperatura constante es su punto de ebullicin. Cuando la temperatura del termmetro suba o baje unos tres grados por encima del valor constante registrado para la Fraccin 1, retire el matraz recolector Fraccin 1, coloque en su lugar nuevamente el matraz rotulado Mezcla y aumente el voltaje en el transformador unos 2 voltios adicionales. Mientras destila una mezcla de los ltimos residuos de la Fraccin 1 y los primeros vapores de la Fraccin 2, la temperatura seguir subiendo hasta llegar nuevamente a otro valor relativamente constante, que es cuando deber retirar el matraz Mezcla y conectar el tercer matraz rotulado

- 40 - Fraccin 2. Contine el registro de las temperaturas en funcin del tiempo y la destilacin hasta que en el matraz de destilacin quede un residuo lquido de no menos de un volumen de 2 a 3 mL. TABLA 3. Registro de tiempos y temperaturas de la destilacin fraccionada.

t [min] T [C]

t [min] T [C]

t [min] T [C]

0

16

32

1

17

33

2

18

34

3

19

35

4

20

36

5

21

37

6

22

38

7

23

39

8

24

40

9

25

41

10

26

42

11

27

43

12

28

44

13

29

45

14

30

46

15

31

47

Finalmente, mida con una probeta los volmenes de los tres matraces rotulados como Fraccin 1, Fraccin 2 y Mezcla y determine el porcentaje de composicin de la mezcla binaria y complete la tabla 4.

Tabla 4. Datos relacionados con la destilacin fraccionada

Cdigo de la mezcla a separar

Volumen usado de la mezcla a separar

Punto de ebullicin de la Fraccin 1

Volumen de la Fraccin 1

Porcentaje de la Fraccin 1 respecto a la mezcla de partida

- 41 -

Nombre IUPAC y estructura molecular de la Fraccin 1

Punto de ebullicin de la Fraccin 2

Volumen de la Fraccin 2

Porcentaje de la Fraccin 2respecto a la mezcla de partida

Nombre IUPAC y estructura molecular de la Fraccin 2

Volumen recolectado en el matraz "Mezcla"

Porcentaje de la "Mezcla"

volumen o residuo remanente en el matraz de destilacin

D. ASIGNACIN DE POST-LAB

1. Basado en los factores que determinan el punto de ebullicin de un lquido orgnico, especifique cual o cuales aplican para justificar los resultados de la mezcla binaria desconocida.

2. Explique la razn por la cual los siguientes compuestos tienen los puntos de ebullicin

indicados. Los pesos moleculares (PM) estn redondeados y no deben ser la base para justificar.

cido butanoico 2-pentanona 1-pentanol

PM = 88 PM = 86 PM = 88 163.5 C 108-110 C 136-138 C

- 42 -

CMO SE OBTIENE, PURIFICA Y CARACTERIZA UN ALQUENO POR MEDIO DE REACCIONES QUMICAS TPICAS?

Refer. Texto de clase

Objetivos:

Obtener el ciclohexeno por deshidratacin trmica del ciclohexanol en medio cido.

Purificar el ciclohexeno por destilacin.

Escribir el mecanismo de la reaccin.

Determinar el porcentaje de rendimiento.

Identificar ambos compuestos lquidos por sus puntos de ebullicin.

Efectuar ensayos qumicos cualitativos para determinar la presencia de enlaces dobles carbono-carbono en molculas orgnicas.

Avaluar su ejecutoria a travs de una rbrica.

Resumen:

Este experimento ensea a: a) aplicar la tcnica utilizada comnmente en la sntesis y purificacin de un alqueno; b) calcular los rendimientos terico y prctico correspondientes; c) postular el mecanismo de la reaccin; d) determinar la presencia del grupo funcional alqueno en molculas orgnicas a base de la adicin de bromo molecular al enlace doble C=C y su oxidacin con permanganato potsico.

Asignacin Pre-Laboratorio:

1. Leer el procedimiento y completar la Tabla 1 de Datos de la Reaccin (en la pg. siguiente) escribiendo la informacin requerida en los espacios correspondientes de la tabla tomando en cuenta las cantidades de los reactantes especificadas en el procedimiento.

2. Escribir los siguientes mecanismos de reaccin: (Consulte las pginas del texto para buscar la respuesta) a) deshidratacin trmica del ciclohexanol con cido fosfrico como catalizador;

CICLOHEXENO

51 RECINTO METROPOLITANO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES

- 43 -

b) adicin de bromo molecular al enlace doble C=C del ciclohexeno;

c) oxidacin del enlace C=C de cilohexeno con permanganato de potasio.

Ecuacin qumica de la reaccin:

OH H3PO4

calor+ H2O

1. TABLA DE DATOS DE LA REACCIN Muestre los cmputos y no repita las unidades en cada celda

OH

H3PO4 H2O

Frmula Molecular

Masa Molecular [g/mol]

Cantidad [g]

moles

Volumen [mL]

Densidad d = 0.96 g/mL d = 0.811 g/mL

Punto de ebullicin [oC] Peb = 160 161 Peb = 83

- 44 - Materiales: termmetro; equipo de destilacin simple; bao de arena; transformador

PRECAUCIN El cido fosfrico es un cido fuerte y corrosivo. Evite el contacto con la piel y use las gafas de seguridad todo el tiempo que dure el experimento. El residuo de la destilacin del ciclohexeno contiene cido fosfrico y debe ser neutralizado cuidadosamente con bicarbonato de sodio en el extractor antes de ser transferido al frasco de residuos orgnicos. Recuerde que la destilacin debe interrumpirse cuando en el matraz de destilacin quedan unos 2 mL del residuo lquido.

A. Preparacin del ciclohexeno

Instale el aparato de destilacin sencilla siguiendo las instrucciones del experimento de destilacin fraccionada y observando la Figura 1 del experimento Nr. 4 de Purificacin de Compuestos Lquidos, por Destilacin. Para esto, conecte directamente el matraz redondo de destilacin de 50 mL al cabezal (tubo en forma de Y) que lleva el termmetro y el condensador. Conecte al codo otro matraz recolector redondo de 25 mL que debe estar sumergido en un bao de agua-hielo para evitar la evaporacin parcial del ciclohexeno que es un lquido voltil. Luego, deposite 6 a 8 mL de ciclohexanol (solicite al instructor como debe hacerlo) en el matraz de reaccin que a la misma vez ser el matraz de destilacin. Agregue cuidadosamente 2.5 mL de cido fosfrico y una gota de cido sulfrico al mismo matraz y dos piedras de ebullicin o barra magntica. Inicie el flujo leve de agua de refrigeracin en el condensador del equipo. Ensee el equipo a su instructor antes de empezar el calentamiento. Inicie el calentamiento de la mezcla de reaccin con el transformador a unos 30 voltios. Cuando los vapores lleguen al termmetro, no deje que la temperatura sobrepase los 110 C, alejando parcialmente el matraz de destilacin de la arena para regular el calentamiento. Concluya con la destilacin cuando queden aproximadamente 2 mL de residuo en el matraz de destilacin. El punto de ebullicin del ciclohexeno en estado puro es de 83C.

Retire el bao de arena y deje enfriar el equipo. Desconecte el matraz recolector que ahora contiene dos fases: la superior que es la fase orgnica (ciclohexeno) y la inferior que es la acuosa, ambos productos de la reaccin. Luego, con una esptula, agregue a ese matraz porciones pequeas de cristales cloruro de sodio para saturar la fase acuosa. Agite el matraz para acelerar la disolucin del cloruro de sodio y su saturacin, visible cuando en el fondo del matraz ya no se disuelven los cristales de NaCl. Para neutralizar, aada poco a poco y agitando el matraz de 3 5 mL de una solucin acuosa de carbonato de sodio (Na2CO3) hasta que la fase acuosa del matraz indique reaccin alcalina con el papel indicador de pH.

Para continuar con la purificacin del producto, transfiera la mezcla neutralizada a un embudo de separacin. Agite el mismo, djelo reposar sobre el aro de hierro y separe las fases dejando gotear la fase acuosa por la parte inferior del embudo a un matraz de Erlenmeyer de 50 mL rotulado (fase acuosa). Transfiera la fase orgnica del embudo a otro matraz seco de Erlenmeyer de 50 mL con el rtulo fase orgnica. Para remover los ltimos residuos de agua que todava puedan quedar en la fase orgnica, aada con una esptula un poco de cloruro de calcio anhidro (CaCl2 anhdr.), hasta que el ciclohexeno est seco, punto que se reconoce cuando el lquido orgnico se torna completamente transparente, si se deja reposar el matraz de Erlenmeyer tapado con un corcho por unos 5 minutos.

PROCEDIMIENTO

- 45 - Limpie, seque e instale el equipo de destilacin para una segunda destilacin de purificacin del ciclohexeno. Para ello, transfiera el ciclohexeno seco del matraz de Erlenmeyer al matraz de destilacin, previamente pesado, dejando el cloruro de calcio atrs. Pese el matraz de destilacin con el ciclohexeno y determine la masa y el % de rendimiento del producto crudo.

Proceda a redestilar el producto calentando el matraz de destilacin y recogiendo la fraccin del lquido que destila entre 80 y 85 C en un matraz redondo limpio, seco y previamente pesado, rotulado ciclohexeno. Para concluir con la parte A, pese su producto y transfiralo a un tubo de ensayo grande, limpio y seco. Tpelo con un corcho y ensee el producto obtenido a su instructor.

B. Reacciones qumicas de identificacin del enlace doble C=C del ciclohexeno

Prepare cuatro tubos de ensayo limpios y secos y rotulados: a) ciclohexanol + Br2; b) ciclohexanol + KMnO4 bsico; c) ciclohexeno + Br2; d) ciclohexeno + KMnO4 bsico. Con un gotero limpio y seco, deposite 8 gotas de ciclohexanol en cada uno de los tubos a y b. Luego, con otra pipeta, deposite 8 gotas del ciclohexeno obtenido en cada uno de los tubos c y d.

PRECAUCIN Las soluciones de bromo molecular y de permanganato potsico son fuertemente oxidantes. Trabaje con ellas siempre en el extractor sin quitarse las gafas en ningn momento y evitando el contacto con la piel. Elimine los residuos de las pruebas que llevar a cabo a continuacin siguiendo las indicaciones de su instructor.

Adicin de bromo molecular en solucin de tetracloruro de carbono [Br2/CCl4]. En el extractor, aada cuidadosamente tres gotas de la solucin de bromo en tetracloruro de carbono [Br2/CCl4] al tubo de ensayo c que contiene el ciclohexeno obtenido. Agite el tubo de ensayo y aada tres gotas adicionales de [Br2/CCl4]. Anote sus observaciones: los cambios de color y formacin de precipitado, o cambios de color solamente, indican reaccin positiva. El color de la solucin de [Br2/CCl4] es marrn a altas concentraciones y amarillento a bajas concentraciones. Por lo tanto, un cambio de color de marrn a amarillo, no significa necesariamente que el ensayo dio positivo a la reaccin de adicin de bromo molecular, sino que el cambio es debido nicamente al efecto de una menor concentracin de bromo en el tubo de ensayo. Pero si la descoloracin con las seis gotas de la solucin de bromo es completa, la reaccin es positiva e indica la presencia de un alqueno, el ciclohexeno, en este caso. Repita el procedimiento anterior, esta vez aadiendo tres gotas de la solucin de bromo en tetracloruro de carbono [Br2/CCl4] al tubo de ensayo a que contiene el ciclohexanol. Agite el tubo de ensayo y aada tres gotas adicionales de [Br2/CCl4]. Anote sus observaciones Adicin de una solucin acuosa de permanganato de potasio [KMnO4]. En el extractor, aada tres gotas de la solucin violeta de KMnO4 en agua al tubo de ensayo d que contiene ciclohexeno. Agite el tubo de ensayo y aada tres gotas adicionales de KMnO4. Agite nuevamente. Anote sus observaciones. El color de la solucin de KMnO4 es violeta a altas concentraciones y rosado a bajas concentraciones. Una reaccin positiva es aquella que indica cambio de color de violeta a amarillo y la formacin de un precipitado coloidal marrn (no siempre visible con claridad) de dixido de manganeso, MnO2.

- 46 - Repita el procedimiento anterior, esta vez aadiendo tres gotas de la solucin de KMnO4 en agua al tubo de ensayo b que contiene ciclohexanol. Agite el tubo de ensayo y aada tres gotas adicionales de KMnO4. Anote sus observaciones. Antes de descartar los residuos, verifique si los resultados (Tabla de Datos Experimentales, pgina 85) y las observaciones de los ensayos coinciden con la teora (Asignacin de Pre-Laboratorio). En caso de duda, repita el ensayo y consulte con su instructor. Finalmente, ensee los cuatro tubos de ensayo y sus observaciones acompaadas de las ecuaciones qumicas correspondientes a su instructor. C. Tabla de Datos Experimentales

Intervalo de punto de ebullicin de la primera destilacin del ciclohexeno

C

Peso del ciclohexeno obtenido en la primera destilacin g

Rendimiento terico o calculado para el ciclohexeno g

% de rendimiento del ciclohexeno crudo

Intervalo de punto de ebullicin de la segunda destilacin del ciclohexeno

C

peso del ciclohexeno puro y apariencia g

% de rendimiento del ciclohexeno crudo

D. Observaciones de los Ensayos Qumicos*

*CICLOHEXENO + solucin de tetracloruro de carbono

[Br2/CCl4

*CICLOHEXENO + solucin de permanganato de potasio

[KMnO4].

*CICLOHEXANOL + solucin de tetracloruro de carbono

[Br2/CCl4

- 47 -

*CICLOHEXANOL + solucin de permanganato de potasio

[KMnO4].

* Indique los cambios del color inicial del reactante al color despus de agitar el tubo de ensayo y si se forma algn precipitado. Estas descripciones de sus observaciones deben ser consistentes con su aseveracin respecto a si el ensayo fue positivo o negativo y con los mecanismos resultados y conclusiones del experimento.

- 48 -

QU PROPIEDADES TIENE UNA MOLCULA CON UN TOMO TETRADRICO ENLAZADO A CUATRO SUSTITUYENTES

DIFERENTES?

Refer. Texto de la clase-Caps.

Objetivos:

Construir los modelos moleculares de varios tipos de estereoismeros.

Conceptualizar las caractersticas de las proyecciones de Fischer.

Determinar las configuraciones absolutas de centros estereognicos por las Reglas de Secuencia de Cahn-Ingold-Prelog.

Extender el concepto de estereoisomerismo a la sntesis orgnica y a la bioqumica.

Resumen:

Esta prctica de laboratorio permite: a) conceptualizar las caractersticas del espacio molecular tridimensional que dan lugar a la formacin de estereoismeros: enantimeros y diastereoismeros; b) examinar esas caractersticas tridimensionales por medio de modelos moleculares y sus diversas formas de representacin grfica; c) extender el concepto de quiralidad a molculas que contienen ms de un centro estereognico.

Revise el ejercicio de modelos moleculares I para que sepa el utensilio que debe usar para representar el(los) tomo(s) central(es)

Asignacin Pre-Laboratorio:

1. Estudiar los conceptos de la Tabla 1.

2. Dibujar dos estructuras moleculares (de lnea preferentemente) y escriba el nombre IUPAC de compuestos reales como ejemplo de cada uno de los cinco tipos de isomerismo indicados en la tabla 1.

ESTEREOQUMICA

61 RECINTO METROPOLITANO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES

- 49 -

TABLA 1. Tipos de ismeros.

ISMEROS

Son molculas diferentes que

tienen como nico rasgo comn

la frmula molecular

ISMEROS

CONSTITUCIONALES

Son molculas diferentes que tienen

la misma frmula molecular, pero

que difieren en la conectividad de

sus tomos

ESTEREOISMEROS


tienen la misma frmula molecular,

la misma conectividad de sus

tomos, pero difieren en la posicin

relativa de los mismos en el espacio

ENANTIMEROS

Son molculas diferentes que tienen

la misma frmula molecular, la

misma conectividad de sus tomos,

y que se comportan como objeto e

imagen especular

DIASTEREOISMEROS


tienen la misma frmula molecular,

la misma conectividad de sus

tomos, pero que no se comportan

como objeto e imagen. Pueden ser

quirales o aquirales.

- 50 - 1. Estructuras moleculares y nombre IUPAC de compuestos reales que representan dos ISMEROS

en general:

2. Estructuras moleculares y nombre IUPAC de compuestos reales que representan dos ISMEROS CONSTITUCIONALES:

3. Estructuras moleculares y nombre IUPAC de compuestos reales que representan dos ESTEREOISMEROS en general:

4. Estructuras moleculares y nombre IUPAC de compuestos reales que representan un par de ENANTIMEROS:

5. Estructuras moleculares y nombre IUPAC de compuestos reales que representan un par de ISMEROS DIASTEREOISOMEROS:

Materiales: Equipo de Modelos Moleculares Framework Molecular Models (FMM)

- 51 -

ESTEREOISMEROS Los estereoismeros son compuestos deferentes que tienen la misma frmula molecular y que sus secuencias de enlaces (conectividad) son idnticas, pero que la posicin relativa de sus tomos en el espacio tridimensional es diferente. Entre los estereoismeros se distinguen tres grupos: los alquenos, los cicloalcanos y los ismeros pticos. Para examinar estos aspectos tridimensionales de las molculas, se construirn modelos moleculares, se dibujar cada modelo en las distintas formas de representacin grfica y se determinar las caractersticas estereoqumicas mediante la nomenclatura vigente. NOTA Antes de proceder a construir el modelo molecular de un compuesto, escriba en su libreta la estructura molecular del mismo y determine la hibridacin de cada tomo de carbono, oxgeno o nitrgeno (sp3

tetraedro; sp2 bipirmide trigonal; sp octaedro). Luego seleccione las piezas metlicas que representan esas hibridaciones y haga las conexiones correspondientes entre los tomos con los palillos. Al finalizar la prctica, cada estudiante, ensear su trabajo individual al instructor. 1. ISMEROS CIS-TRANS (Z, E) Cuando la rotacin alrededor de un enlace entre dos tomos est restringida, se observa el caso de isomerismo cis-trans (Z, E), caracterstico el alquenos y cicloalcanos. 1.1. Cicloalcanos a) Construya los modelos moleculares del cis-1,2-diclorociclobutano y del trans-1,2-diclorociclobutano

y dibuje las estructuras tridimensionales en los espacios indicados:

cis-1,2-diclorociclobutano trans-1,2-diclorociclobutano

b) Es posible la isomerizacin de ambos compuestos a temperatura de ambiente? Isomerizacin significa la conversin del compuesto cis en el trans (o viceversa) por rotacin de los enlaces. Explique su razonamiento.

c) Analice la estructura de los dos estereoismeros y luego determine si uno de ellos o ambos es(son) quiral(es). Explique su razonamiento.

PROCEDIMIENTO

- 52 - 1.2. Alquenos a) Construya los modelos moleculares del cis-2-buteno y del trans-2-buteno (Z-2-buteno y E-2-

buteno) y dibuje las estructuras tridimensionales en los espacios indicados:

cis-2-buteno trans-2-buteno

b) Es posible la isomerizacin de ambos compuestos a temperatura de ambiente? Explique su razonamiento.

c) Construya y dibuje los modelos moleculares de los compuestos indicados a continuacin:

(Z,Z)-2,4-hexadieno

(Z,E)-2,4-hexadieno

(E,E)-2,4-hexadieno

d. Es posible la isomerizacin de ambos compuestos a temperatura de ambiente? Explique su

razonamiento.

- 53 - 2. Ismeros pticos Cuatro ligandos (sustituyentes) diferentes unidos a un mismo tomo tetradrico dan origen a dos estructuras moleculares enantiomricas que se comportan como si fueran objeto e imagen especular y que no son superponibles. Estas molculas son compuestos diferentes aunque tienen el mismo punto de fusin, el mismo punto de ebullicin, la misma densidad, pero difieren en el efecto que tienen sobre la luz polarizada. El signo algebraico de sus rotaciones especficas es opuesto: los unos son

dextrgiros +[] y los otros - [] levgiros. En un medio asimtrico como el biolgico, difieren en todo sentido. Verifique las caractersticas espaciales de dos enantimeros construyendo los modelos moleculares que se asemejen a las molculas A y B de la Figura 2, utilizando un tetraedro y cuatro palillos distintos (un color para cada ligando). Luego, coloque ambos modelos sobre la mesa de forma que pueda apreciar la relacin objeto-imagen especular entre los mismos. Intente la superposicin de ambos modelos para comprobar su asimetra, es decir la diferencia relativa de los ligandos en el espacio tridimensional. Figura 1 2.1. Nomenclatura R,S

El sentido de disposicin especial de los cuatro ligandos alrededor de un centro estereognico es la nica diferencia topolgica entre ambos enantimeros y se denomina configuracin absoluta. Para propsitos de nomenclatura, las Reglas de Secuencia de Ingold-Cahn-Prelog permiten especificar la disposicin espacial de los cuatro ligandos de cada enantimero y as establecer la diferencia en sus configuraciones absolutas. En el caso del bromocloroflormetano (Figura 1) por ejemplo, se le asigna a cada ligando directamente unido al centro asimtrico una prioridad basada en su nmero atmico. La primera prioridad o el nmero 1 se le asigna al tomo bromo que tiene el nmero atmico mayor. De igual forma, el cloro, el flor y el hidrgeno reciben sus prioridades correspondientes: 2, 3, 4, respectivamente, Figura 2. Figura 2

Luego, se observa el tetraedro de modo que el tomo de menor prioridad identificado con el nmero 4 (el tomo de hidrgeno en la Figura 3 resulte atrs y los dems tomos adelante, sobre el mismo plano. Si la secuencia numrica 1-2-3 se desplaza a la derecha, la configuracin absoluta del carbono es R. Por el contrario, si se desplaza a la izquierda, la configuracin absoluta del carbono es S, como se puede observar en la figura 3.

Br

ClF

H

Br

ClF

H

Br

ClF

H

Br

ClF

H

1

24

3

1

42

3

- 54 - Figura 3

S R (S)-bromocloroflormetano (R)-bromocloroflormetano Finalmente, se escribe delante del nombre IUPAC la letra R o la letra S, segn corresponda a la configuracin absoluta del enantimero en particular. R y S vienen del latn rectus (derecha) y sinister (izquierda), Figura 3. 2.2. La Proyeccin de Fischer La proyeccin de Fischer traduce el carcter tridimensional del tetraedro a una representacin bidimensional de un compuesto quiral. En la proyeccin de Fischer, por definicin, el tomo asimtrico o centro estereognico es el centro de la cruz. Los ligandos unidos al centro estereognico y que aparecen en la recta horizontal de la cruz, salen del plano del papel hacia el observador. Por el contrario, los ligandos que aparecen en la recta vertical, estn orientados hacia atrs, es decir, debajo del plano del papel. (Figura 4).

Br

CF H

Cl

Br

CH F

Cl

(S) (R)

Br

CF H

Cl

Br

CH F

Cl

(S) (R)

Br

ClF

H

Br

ClF

H

1

24

3

1

42

3

Figura 4

- 55 - 2.3. Intercambio de los ligandos de la Proyeccin de Fischer Si se intercambian las posiciones de cualquiera de dos de los ligandos en la proyeccin de Fischer (lo cual se define como un cambio), se invierte la configuracin del tomo quiral y se obtiene de esa forma la proyeccin de Fischer del enantimero de la molcula original. Si se hace dos cambios, se obtiene el tetraedro con su configuracin absoluta original (Figura 6.5). En resumen, un nmero impar de cambios genera el enantimero y un nmero par de cambios produce la configuracin original. Compruebe las interconversiones resultantes de los tres cambios con su modelo molecular.

Br

CF H

Cl

H

CF Br

Cl

(S) (R)

H

CCl Br

F

F

CCl Br

H

(S) (R)

primercambio

segundo cambio

tercercambio

Ntese tambin utilizando los modelos moleculares, que la rotacin de una proyeccin de Fischer solo puede ser de 180 a la derecha o a la izquierda. Cualquier rotacin de 90 no es vlida porque conduce a una proyeccin que no es la de Fischer, segn su definicin. 2.4. Ejercicios Construyendo los modelos moleculares de los compuestos que aparecen a continuacin, efectuando en cada caso la prueba de la superposicin, aplicando las Reglas de Ingold-Cahn-Prelog o por el mtodo de intercambio de ligandos de las proyecciones de Fischer, resuelva los casos siguientes. Es recomendable examinar cada aplicando por lo menos dos tipos de comprobacin de la configuracin absoluta. 2.4.1. Determine la configuracin absoluta (R o S) de los centros estereognicos de cada compuesto, asignando prioridades a los ligandos y escribiendo R o S junto a cada centro estereognico. Evidencie su trabajo porque no es suficiente con escribir R o S.

Figura 5

- 56 - 2.4.2. Determine la configuracin absoluta de cada tomo asimtrico, escribiendo R o S, junto a cada

tomo asimtrico. Luego, indique si los siguientes pares moleculares son enantimeros o si son molculas idnticas, escribiendo sus respuestas en los espacios enmarcados a la derecha. Evidencie su trabajo porque no es suficiente con escribir R o S, enantimeros o molculas idnticas. Construya cada modelo para clarificar dudas.

CH3

HD

OH

CH3

H

D

OH

a.

H3CH2CH

CH3

CH3

CH2CH3

H

CO2H

H2N

CH3

H

CO2H

H2N

H

CH3

HOHO

OHOH

Br

BrBr

Br

b.

c.

d.

e.

- 57 - 2.5. Molculas con ms de un centro estereognico Un compuesto con n tomos asimtricos o centros estereognicos puede tener hasta un mximo de 2n estereoismeros cuando ninguno de ellos tiene un plano de simetra, como indica la Figura 6.

A

X Y

B

X Y

A

Y X

B

Y X

A

X Y

B

Y X

A

Y X

B

X Y

1 2 3 4

enantimeros enantimeros

diasteremeros

Figura 6

1.5.1. 2,3-dihidroxipentano a. Construya los modelos moleculares de los compuestos indicados a continuacin y dibuje la

proyeccin de Fischer de cada uno de ellos, siguiendo el ejemplo de la Figura 6. En la proyeccin de Fischer cuando el compuesto tiene ms de un centro estereognico la cadena de carbonos ms larga se dibuja de arriba hacia abajo (vertical), con el carbono del grupo funcional a la cabeza (arriba).

- 58 - b. Identifique los pares de molculas que representan enantimeros y diasteremeros e identifique

cada centro estereognico escribiendo R o S al lado del mismo. c. Escriba el nombre IUPAC incluyendo la estereoqumica de los centros estereognicos de cada

compuesto:

C2H5

H OHCH3

OHH

C2H5

HO HCH3

OHH

1.5.2. 2,3-Dihidroxibutano

a. Construya los modelos moleculares y dibuje las proyecciones de Fischer, siguiendo el esquema de la Figura 6, de todos los estereoismeros del 2,3-dihidroxibutano.

b. Identifique con una lnea entrecortada la presencia de un plano de simetra en alguna de las

proyecciones de Fischer.

- 59 - c. Indique el nmero de estereoismeros del 2,3-dihidroxibutano. d. Identifique en la grfica los pares enantiomricos y los diastereomricos.

e. Identifique los estereoismeros pticamente activos escribiendo debajo de la estructura, pticamente activo u pticamente inactivo.

1.6. Alenos disustitudos a) Construya los modelos moleculares de los dos alenos siguientes y dibjelos en los espacios

correspondientes debajo de ambas estructuras moleculares. Examine antes la hibridacin del tomo de carbono central que permite la formacin de dos dobles enlaces acumulados sobre el mismo carbono; recuerde la hibridacin del carbono en el dixido de carbono CO2, que espacialmente tiene un arreglo similar.

C C C

F

H

F

H

C C C

F

H

F

H

b. Es posible superponer ambas estructuras? c. Son molculas quirales? Por qu?

- 60 - d. Son molculas idnticas o son estereoismeros? Si no son idnticas, qu tipo de estereoismeros son?

ASIGNACION DE POST-LAB

1. Marque con un asterisco cada centro quiral presente en la siguiente estructura y calcule el nmero de estereoismeros.

C

CC

C

O

H

OCH2CH2OH

O

O

SOO

H

2. Circule las diferencias (si alguna) y determine la relacin o tipo de isomerismo presente en cada par de estructuras.

Estructuras Relacin

CO2CH3

CH(CH 3)2

H3C Br

CO2CH3

Br

H3C CH(CH 3)2

O

Cl

Cl O

- 61 -

CH2(CH2)2CH3

N CH3

CH2CH3

+

NCH3CH2CH3

CH2(CH2)2CH3

+

Cl

Cl

Cl

Cl

CH2OH

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CH2OH

HHO

HHO

OHH

CH2OH

CH2CH3

OHH

H3C

H

OH H

CH3

HO

CH2CH3

HHO

3. Dibuje la estructura del enantimero del compuesto siguiente en su conformacin de silla ms estable.

HOO

H

H

HO

H

OH

HHO

4. Represente la estructura siguiente en las proyecciones de Newman y de Fischer.

Estructura proyeccin de Newman Proyeccin de Fischer

Br

H CH3

H

OHCH3CH2

- 62 -

CMO SE SEPARA UNA MEZCLA DE DOS COMPUESTOS ORGNICOS POR EXTRACCIN?

Refer.- Williamson, K. L., Microscale and Macroscale Organic Experiments, 1989, 117.

Objetivos:

Aplica

manual qui_mica orga_nica i. agosto 2014

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