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Departamento de Química Orgánica Ciudad Universitaria s/n. 28040 Madrid Teléfono 91 394 42 31 Fax: 91 394 41 03 E-mail: [email protected]

EXPERIMENTACIÓN EN SÍNTESIS QUÍMICA II PARTE A (QUÍMICA ORGÁNICA)

(Curso 2009-2010)

CURSO TERCERO LICENCIATURA EN QUÍMICA

LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA / 1º CICLO EXPERIMENTACIÓN EN SÍNTESIS QUÍMICA II CURSO 2008/09

Experimentación en Síntesis Química II (Química Orgánica)

A) OBJETIVOS GENERALES

Realización de algunas transformaciones funcionales representativas en síntesis orgánica (procesos de oxidación-reducción, activación y protección de grupos funcionales).

Iniciación en estrategia de síntesis (realización de procesos que impliquen creación de enlace C-C) Iniciación en síntesis por pasos (rendimiento global y pureza de la molécula objetivo). Adquisición de hábitos de consulta de catálogos de productos y de características de toxicidad de

reactivos y disolventes. Iniciación en la utilización de técnicas espectroscópicas para la caracterización y control de pureza

de reactivos y productos. Introducción de métodos experimentales apropiados para el manejo de reactivos tóxicos, sensibles

a la humedad, que requieran adición lenta, etc. Completar el conocimiento de las técnicas de monitorización de una reacción, aislamiento y

purificación de compuestos (CCF, destilación a vacío, cromatografía de columna, etc.). Validación de la síntesis orgánica como una herramienta para acceder a productos de consumo:

fármacos, insecticidas,... B) PLAN DE TRABAJO Y EVALUACIÓN

El horario será de 3.5 h por sesión, durante 12 días (de 10 a 13.30 o de 15.30 a 19.00 h). Existirá turno de mañana y tarde simultáneamente.

El sector del laboratorio correspondiente a un grupo/profesor deberá ser autónomo en cuanto a infraestructura básica y específica.

La dotación de cada taquilla, de cada grupo y la general del laboratorio figura en el apartado sobre recursos.

Los alumnos disponen de un manual de prácticas (depositado en reprografía y en la página web del Departamento) que incluye las normas básicas de funcionamiento y seguridad, e instrucciones para la elaboración del cuaderno de laboratorio así como los guiones de cada una de las prácticas.

El guión de cada práctica recoge los objetivos conceptuales y metodológicos, el método experimental y unas notas aclaratorias que documentan el procedimiento o puntos de atención dirigidos a la reflexión del alumno. En algunos casos se incluye una colección de espectros con el propósito de familiarizar al alumno con la existencia de técnicas imprescindibles para “reconocer” los productos de reacción.

El alumno deberá haber asimilado el procedimiento operatorio antes de comenzar la práctica. El alumno elaborará un cuaderno de laboratorio, en el que debe figurar la interpretación de los datos

experimentales obtenidos, que entregará para su calificación al finalizar el turno de prácticas. El Profesor devolverá el cuaderno revisado una vez que se hayan hecho públicas, por parte del Coordinador, las calificaciones finales de la asignatura.

El alumno entregará al profesor el producto final de cada síntesis, perfectamente etiquetado. La última sesión de laboratorio se dedicará a la realización de un examen práctico en el que el

alumno recibirá el enunciado y el papel de examen correspondientes. El alumno deberá entregar por escrito a su Profesor, antes de pasar a la realización del examen, la contestación a los siguientes apartados:

a) Reactivos necesarios para la realización del examen. b) Esquema de reacción y estequiometría. c) Los cálculos en función del (los) rendimiento(s) teórico(s) que se indiquen en el

enunciado del examen. d) Descripción breve del procedimiento experimental, indicando el material necesario para

la realización del examen. NOTA: el tiempo máximo para cumplimentar esta parte inicial del examen será de 45 minutos como máximo. Para la realización del examen el alumno sólo dispondrá de su cuaderno de laboratorio y de un catálogo de Aldrich para su consulta.


La calificación del alumno se realizará teniendo en cuenta el examen práctico, los resultados obtenidos por el alumno, la manera de trabajar del mismo, el cuaderno de laboratorio y todos aquellos factores que determinen el aprovechamiento del alumno.

Además, el alumno deberá superar un test de seguridad durante su turno de prácticas.

C) PROGRAMA 1. Transformación de borneol en isoborneol. Se complementará con un análisis de la topología

molecular mediante la utilización de modelos moleculares (2 sesiones). 2. Reacción de Friedel-Crafts. Síntesis de p-bromoacetofenona (2 sesiones). 3. N,N-dietil-m-toluamida: el repelente de insectos “OFF” (2 sesiones). 4. Preparación de benzocaína (Un ejemplo de síntesis por pasos) (3 sesiones). 5. Reacciones de Wittig y Knoevenagel. Aplicación a la obtención de polímeros y oligómeros π-

conjugados con propiedades fotoluminiscentes (2 sesiones). 6. Examen práctico.

D) RECURSOS DEL LABORATORIO DE PRIMER CICLO

El laboratorio contiene seis Ues. Cada U contiene diez taquillas individuales. Las impares se dedicarán a los turnos de mañana y las pares a los turnos de tarde. Además, existen seis taquillas de reserva que pueden entregarse en turno de mañana o de tarde.

Cada dos Ues consecutivas disponen de un armario en el pasillo que contiene el material común (material de U). Este material sirve doblemente al turno de mañana y tarde, por lo que debe guardarse siempre en condiciones de ser utilizado. El profesor dejará depositadas las llaves de esos armarios en el Almacenillo, al término de cada sesión, siendo el único responsable a todos los efectos si no lo hiciera.

La dotación de las taquillas individuales y el material común se encuentra referido en unas hojas situadas en el interior de las taquillas y armarios correspondientes.

Todas las mesas cortas de cada U disponen de estantes para colocar las disoluciones preparadas, reactivos y disolventes necesarios en cada práctica (los envases estarán etiquetados con el código de color correspondiente a cada U). El ácido sulfúrico conc., el ácido clorhídrico conc. Y el hidróxido sódico se colocarán sobre una de las poyatas y, en ningún caso, se desplazarán a las mesas. El ácido acético glacial, el anhídrido acético, el cloruro de tionilo, el amoníaco y aminas, se colocarán también en la misma poyata, pero deberán abrirse y cerrarse en la vitrina más próxima. Al finalizar cada sesión, todas las botellas y botes deberán quedar situados en el lugar original para que el técnico pueda reponer su contenido o trasladarlos a su lugar de almacenamiento. Si en el momento de dar comienzo una sesión práctica, el Profesor observa descolocación o carencia de alguno de los disolventes o reactivos necesarios para la práctica dará cuenta de la incidencia al coordinador.

En todas las Ues hay un rotavapor, un granatario, cuatro puntos de vacío y dos trompas de agua. En los puntos de vacío se debe filtrar y destilar pero NO SECAR. Las destilaciones deben sincronizarse con objeto de que los desfases no alteren la presión de la línea. Si en algún punto se termina antes que en otro, se cierra la llave correspondiente y se espera a romper el vacío en la línea hasta que el último alumno haya terminado. Con objeto de preservar las líneas se ha intercalado una trampa en cada puesto de trabajo. Las trampas deben quedar limpias al término de la sesión (¡atención!: el macho esmerilado de las mismas va provisto de una junta de teflón transparente que sustituye a la grasa de vacío).

En el laboratorio existen seis bloques para determinar puntos de fusión y tres lámparas UV. Dos de ellas (254 nm) están fijadas en la pared y una portátil (254/366 nm) se guarda en el armario de material general.

Con objeto de evitar roturas y deterioros en las instalaciones y equipos, el Profesor referirá un breve protocolo sobre su uso el primer día de practicas. El incumplimiento de las normas se penalizará con la expulsión del laboratorio. Igualmente se resolverá en el caso de incumplimiento de las normas de seguridad e higiene (vertidos en desagües, accidentes previsibles, etc.).


Todo el material de uso común de cada una de las Ues deberá mantenerse limpio y en condiciones de ser utilizado en la sesión de prácticas siguiente.

Los profesores se encargarán de cortar los cromatofolios que necesiten sus alumnos y controlaran que éstos aprendan a pinchar correctamente las placas desde el primer día. Los capilares necesarios serán proporcionados por el Profesor. Nunca se deben utilizar capilares de punto de fusión para este fin. Los viales, tapones, tubos de RMN y clips, son material retornable.

El botiquín permanecerá abierto durante toda la sesión de prácticas. En la entrega y recogida de taquillas todo el material individual debe estar limpio y completo. Al

finalizar cada turno, el profesor revisará el material común de sus Ues, comunicando al Técnico de laboratorio lo que es necesario reponer. Este material de U se cambiará entre el último Profesor saliente (tarde) y el primero entrante (mañana) en el mismo horario que se decida para el intercambio de las taquillas individuales. Tanto los alumnos como los profesores NO PUEDEN ACEPTAR MATERIAL SUCIO O ROTO.

Las incidencias deberán ser recogidas en un parte que se entregará al Coordinador, con independencia de que, en su caso, se comuniquen al técnico de laboratorio responsable del mismo.


El alumno/a ...................................................................................................................................

del 1º turno ha recibido el día .......... de ...................................... de 20 ....... la taquilla nº............

El alumno/a ...................................................................................................................................


El alumno/a ...................................................................................................................................


Con el material que se relaciona a continuación y que se compromete a devolver una vez

finalizado su turno de prácticas.

1 Probeta de 25 mL 1 Embudo de decantación 250 mL

con tapón B-19 de polietileno 1 Vaso de precipitados 100 mL 1 Vaso de precipitados 250 mL 1 Vaso de precipitados 600 mL 1 Matraz de 100 mL B-29 1 Matraz de 50 mL de 2 bocas B-14 2 Matraces de 25 mL B-14 1 Matraz esférico 10 mL B-14 2 Erlenmeyer 50 mL 4 Erlenmeyer 100 mL 2 Erlenmeyer 250 mL 1 Kitasato 250 mL 1 Embudo Buchner 4cm ∅ 1 Embudo Buchner 7cm ∅ 1 Tapón de goma taladrada 1 Embudo cónico de vidrio 4 cm ∅ 1 Embudo cónico de vidrio 7cm ∅ 1 Refrigerante recto B-14 3 Clips metálicos

1 Cabeza de destilación B-14 1 Tubo de cloruro cálcico B-14 1 Embudo de sólidos (plástico) 1 Cubeta de acero

1 Cubeta de cromatografía con tapa, 8 x 8 cm 1 Termómetro normal 1 Pipeta 5 mL 1 Aspirapipetas 1 Vidrio de reloj 10 cm 1 Imán 1 Cacerola 2 Tapones B-14 de polietileno (plástico) 1 Tapón B-29 de polietileno (plástico) 1 Chupete gris 1 Gradilla con 12 tubos de ensayo 1 Aro 3 Nueces 3 Pinzas 2 m. de Goma latex 8x12 3 Conos de goma para filtrar

Fdo, el alumno/a:

1º TURNO 2º TURNO 3º TURNO

MATERIAL POR CADA 2 Ues (10-12 ALUMNOS)

(POYATAS Y ARMARIO DE GRUPO)

1 Bomba de membrana Büchi (con condensador y elevador) 1 Lámpara UV 2 Bloques de puntos de fusión 2 Rotavapores inclinados 2 MiniBombas de membrana para filtración con trampa 2 GranatarioS (0,01 g) 2 Frascos lavadores de acetona 2 Embudos grandes 2 Varillas huecas para preparación de columnas de cromatografía Colección de bidones para residuos 1 Armario con el siguiente material: 12 Embudos de adición con presión compensada 25 mL Viales con tapa 12 Termómetros esmerilados B-14 Pipetas Pasteur 12 Cerditos B-14 (dos colectores) Capilares para CCF* 12 Magnetoagitadores Teflón* Grasa de vacío Cutter* Capilares (punto fusión) Regla de aluminio* Placas de cromatografía* Papel pH* 12 Adaptadores H-14/M-19 Papel de aluminio 2 clips rojos B-29

Material general (30-36 alumnos/turno) (ARMARIOS GENERALES)

6 matraces 50 mL B-29 15 Refrigerantes de reflujo B-14 1 Lámparas UV dual y portátil 11 Tubos de RMN 1 Trompa de vacío 26 Dean-Stark 12 Motores de pecera 6 Probetas de 100 mL 30 Mantas calefactoras de 100 mL 6 Pipetas de 10 mL 5 Dewar de acero 6 Pipetas de 1 mL 25 Columnas de cromatografía 15 Refrigerantes de reflujo B-29 16 Sublimadores 6 Soportes de corcho (matraz 100 mL) 1 Estufa 1 Botiquín


II

MEDIDAS DE SEGURIDAD EN EL LABORATORIO Gafas de seguridad.

Es obligatorio el uso de gafas de seguridad siempre que se esté en el laboratorio, aunque no se realice ningún experimento.

No deben utilizarse lentes de contacto, ya que en caso de accidente pueden introducirse partículas de reactivos o disolventes entre la lente y el ojo dañando a este.

En caso de que algún reactivo penetre en los ojos, se acudirá rápidamente al grifo más cercano y se aclarará con agua abundante durante aproximadamente 5 minutos y se avisará al Profesor responsable.

Servicios de emergencia. Es obligatorio conocer la localización y disponibilidad de todos los servicios: botiquín,

lavaojos, duchas y extintores. Extintores.

Es necesario conocer su funcionamiento antes de comenzar a trabajar en el laboratorio. El procedimiento de manejo de extintores es el referido en el Plan de Autoprotección elaborado por la UCM/Facultad de Ciencias Químicas (Abril, 2001) y consta de tres etapas:

• Operaciones previas a la extinción. — Elegir el extintor adecuado al tipo de fuego previsible:

Tipo de fuego CO2 Polvo

Sólidos NO SI Líquidos NO SI Gases NO SI

Eléctrico SI SI — Coger el extintor de su soporte o emplazamiento. — Desplazarse hasta el lugar del conato de incendio. — Situarse en la proximidad del foco de incendio, asegurándose de que desde ese punto

existe un camino de repliegue ante una eventualidad. Si hay alguna corriente de aire en la zona del incendio colocarse de espaldas al sentido de la corriente.

— La duración de un extintor es muy corta, no utilizar el extintor hasta estar junto al fuego.

• Operaciones durante la extinción. — No invertir el extintor. — Retirar la anilla de seguridad. — Sujetar la manguera con una mano y accionar la válvula de disparo con la otra. — Dirigir el chorro de agente extintor hacia la base de las llamas, procurando mantener el

extintor lo más vertical posible (no es necesario mantenerlo en vilo; puede dispararse desde el suelo).

— Efectuar un movimiento de barrido en zig-zag de fuera hacia dentro. En el caso de fuego de combustibles sueltos o líquidos inflamables, evitar que el chorro por el efecto de soplo y choque extienda la superficie en ignición y/o provoque proyecciones de partículas inflamadas.

— Evitar que el chorro de agente extintor toque a las personas. — En caso de extintores de polvo, evitar que éste caiga sobre el área incendiada en forma

de llovizna. • Operaciones posteriores a la extinción. — Remover con cualquier elemento (un palo, una barra, etc) los restos y comprobar que el

fuego se ha sofocado. — Ventilar el local. — Enviar a su recarga o notificar a mantenimiento qué extintor se ha utilizado. — Efectuada la recarga, volver a colocar en su emplazamiento, listo para una nueva

eventualidad.


III

Incendios. En un laboratorio de Química Orgánica se trabaja frecuentemente con disolventes

inflamables (éter de petróleo, etanol, acetona, etc.), y siempre existe el riesgo de incendios. Por ello está prohibido fumar en el laboratorio.

Actualmente, todas las fuentes de calefacción disponibles en los laboratorios son eléctricas pero pueden provocarse incendios por deflagración o explosión de vapores.

Los líquidos inflamables no se calentarán nunca en un vaso abierto. Antes de desmontar los aparatos en que se hayan utilizado disolventes se esperará a

que hayan alcanzado la temperatura ambiente. Los aparatos en que se calientan sustancias, con o sin desprendimiento gaseoso, no

deben estar completamente cerrados.

Reactivos. Todos los reactivos deben ser manejados con cuidado. Se debe evitar el contacto con la piel.

En caso de que éste se produzca se debe aclarar con agua abundante, y nunca se deben utilizar disolventes orgánicos ya que pueden aumentar la absorción del reactivo en la piel.

También debe evitarse al máximo la inhalación de vapores de compuestos orgánicos, particularmente de disolventes aromáticos o clorados. Se debe utilizar la vitrina siempre que el profesor lo indique. Durante su utilización hay que cerciorarse de su buen funcionamiento y de que permanece cerrada el mayor tiempo posible.

No se debe pipetear con la boca ningún compuesto orgánico ni inorgánico bajo ningún concepto, para ello se usan los aspirapipetas.

No se deben dejar nunca abiertas las botellas o recipientes con reactivos o disolventes. Está prohibido comer o beber en el laboratorio.

Vertidos.

Los ácidos y bases fuertes y los compuestos tóxicos no se verterán en los desagües, sino en los contenedores adecuados.

Los disolventes orgánicos no se verterán nunca por los desagües, sino que se intentarán recuperar siempre que sea posible para su reutilización. En caso contrario se almacenarán en unos bidones de plástico disponibles en el laboratorio. Se diferenciará entre disolventes halogenados y no halogenados.

No se deben arrojar a la pila residuos sólidos (tapones, trozos de plato poroso) que puedan obturar el desagüe, sino a la papelera.

Los trozos de vidrio se depositarán en el contenedor adecuado.

Visitas.- Queda prohibida la entrada en el laboratorio a toda persona ajena al mismo.

La indumentaria de los alumnos, profesores y personal técnico de los laboratorios debe ser la adecuada: cabellos recogidos, bata de laboratorio, calzado cómodo (no usar sandalias), etc.

Cualquier incidencia que se produzca en el laboratorio, que afecte a la seguridad en el trabajo, deberá comunicarse inmediatamente al Profesor que esté al cargo del grupo, el cual, a su vez, informará al Coordinador de las Prácticas.


IV

NORMAS GENERALES Material que el alumno debe llevar al acudir al laboratorio.

Bata de laboratorio Espátula de laboratorio Gafas de Seguridad Bolígrafo o pluma Cuaderno Rotulador para vidrio Pinzas Guión de Prácticas completo Tijeras y un paño de algodón 1 Fotografía tamaño carnet

Preparación de la Práctica.

Antes de acudir al laboratorio para comenzar una sesión de prácticas es preciso haber preparado la práctica que se vaya a realizar ese día: esto incluye haber leído el guión, comprendido el fundamento teórico de la misma y realizado los cálculos previos (p.ej. para saber las cantidades exactas de los productos que se van a necesitar para preparar una disolución).

Puntualidad.

El tiempo de permanencia en el laboratorio es limitado y hay que aprovecharlo. Al comienzo de cada práctica se da a los alumnos una serie de explicaciones y detalles concretos sobre la práctica a realizar. Es imprescindible asistir a dichas explicaciones para poder trabajar de forma adecuada.

Limpieza.

El material de la taquilla debe estar siempre limpio. Es preferible guardarlo limpio al terminar una sesión de prácticas, ya que de esta forma se encontrará listo para su utilización en la siguiente sesión. Cualquier sólido o líquido que se derrame, tanto por la mesa como por el suelo, deberá ser limpiado inmediatamente. En caso de duda sobre el mejor método a seguir en cada caso, consultar al Profesor.

Al terminar el periodo de prácticas el material debe quedar limpio y ordenado, tanto el particular como el de uso general. Los reactivos quedarán ordenados (no cambiados de mesa ni abandonados junto a las balanzas).

Observaciones. 1. Durante el desarrollo de las prácticas, hay veces en las que es necesario esperar un determinado

tiempo antes de pasar al punto siguiente. Sin dejar nunca desatendido el experimento, se puede aprovechar el tiempo para preparar cosas que se van a necesitar después (filtros de pliegues, disoluciones, etc.), para limpiar material o para realizar cálculos.

2. Etiquetar adecuadamente los contenidos de los recipientes. Muchos compuestos orgánicos pueden tener la misma apariencia y puede resultar peligroso confundirlos.

3. No se deben introducir pipetas en las botellas o frascos generales de reactivos, para evitar riesgos de contaminación. Se pone en un recipiente (vaso de precipitados), la cantidad aproximada que se vaya a necesitar, y se introduce en él la pipeta. De igual forma, los reactivos sobrantes nunca se devolverán a sus recipientes originales. Es mejor, si ha sobrado mucho, pasar dicho reactivo a otro compañero que pueda necesitarlo.

4. El vidrio caliente tiene la misma apariencia que el frío. Hay que esperar a que se enfríe antes de desmontar un aparato que se ha estado calentando.

5. Es necesario tener mucho cuidado de que no entre nada en contacto (gomas de refrigerante, cordón del enchufe, la propia mano) con una placa de calefacción en funcionamiento o recién apagada.

6. Cuando se está realizando una extracción es conveniente guardar siempre las dos fases, hasta estar seguro de que alguna no interesa.

7. Las cuestiones relativas a cada práctica deben ser contestadas durante el desarrollo de la misma, aunque su entrega puede hacerse al finalizar las prácticas según criterio del Profesor.


V

EL CUADERNO DE LABORATORIO

Durante la realización de cualquier trabajo en un laboratorio, es fundamental la utilización de un cuaderno de laboratorio. No se debe confiar nunca en la memoria para la retención de un dato u observación, ni emplear hojas sueltas para hacer anotaciones.

Antes de entrar en el laboratorio se debe realizar una cierta preparación de la práctica, que redundará en un ahorro posterior de tiempo. Las reglas generales de esta preparación previa son:

1. Leer cuidadosamente el experimento que se va a realizar, identificando todo el material y reactivos que se van a emplear.

2. Buscar las propiedades físicas de los compuestos que se van a emplear, como p.f., p. eb., densidades de líquidos, etc. (p.ej en el catálogo de Aldrich).

3. Calcular los pesos moleculares de los reactivos y anotarlos en el cuaderno.

El cuaderno de laboratorio es el registro permanente de todo lo que se realiza en el laboratorio durante el periodo de prácticas. Debe contener los detalles y documentación necesarios para que el mismo experimento pueda repetirse posteriormente por otra persona. Por tanto, deben seguirse las siguientes indicaciones:

1. Debe tratarse de un cuaderno auténtico, no una serie de hojas sueltas que después se grapan o sujetan.

2. Escribir, a mano, en tinta, no en lápiz. Hacer correcciones si es necesario, para que el cuaderno resulte legible.

3. Se pueden incluir placas de cromatografía, sujetándolas a la hoja de forma adecuada, aunque también es admisible un dibujo a escala de la misma.

4. En cada práctica se comienza con el título, objetivo, ecuaciones químicas necesarias, datos sobre los reactivos (pueden incluirse los de toxicidad) y una breve descripción del experimento).*

5. Seguidamente se anotan las incidencias que se observen en el transcurso del mismo. 6. Si se utiliza un aparato, se debe incluir un esquema del mismo. 7. Por último, se anotan los resultados obtenidos y las conclusiones a que se llegan con los

mismos. En todos los casos en que se obtiene mediante síntesis un compuesto, debe calcularse el rendimiento. Para ello, en primer lugar hay que calcular cual es el reactivo limitante, seguidamente se calcula el rendimiento teórico de la reacción, y, por último, el rendimiento real en cada caso.

8. Si se trata de una síntesis por pasos, se calcula el rendimiento de cada uno de los pasos de la forma señalada anteriormente. El rendimiento global del proceso es el producto de los rendimientos de cada uno de los pasos.

9. Se incluirán, de forma clara y concisa, las explicaciones que se consideren oportunas para justificar los errores o datos incorrectos, o que no se ajusten a lo esperado en un principio.

10. En todos los casos, los datos deben ir acompañados de sus unidades y con el número de dígitos adecuado a la precisión con que se ha realizado la medida.

*En todos los casos en que se prepara un compuesto el procedimiento consta de tres fases bien definidas:

1. Descripción de la reacción: orden de adición de los reactivos, cantidades [g o mL (moles)], condiciones de reacción (temperatura, tiempo, etc.).

2. Aislamiento del producto de reacción (crudo o bruto de reacción): procedimiento para separar el producto del disolvente utilizado en la reacción, de las sales u otros productos inorgánicos que se hayan podido formar o de algunos de los reactivos utilizados que no se hubieran consumido totalmente y fueran solubles en agua o en disoluciones acuosas de diferente pH.

3. Purificación del producto: separación del producto de los componentes de la mezcla de reacción que lo acompañan después de su aislamiento (generalmente, reactivos en exceso insolubles en agua o en disoluciones acuosas de diferente pH y subproductos de reacción).


1

P-1. TRANSFORMACIÓN DE BORNEOL EN ISOBORNEOL (Duración: 2 sesiones) 1. Introducción

El objetivo de esta práctica es la interconversión de grupos funcionales mediante procesos de oxidación y reducción. Se transformará el borneol en isoborneol pasando a través de la correspondiente cetona, que es el alcanfor.

CH3

CH3H3C

OH

H

CH3

CH3H3C

O CH3

CH3H3C

H

OHNa2Cr2O7

H2SO4

NaBH4

CH3OH

Borneol Alcanfor Isoborneol

Los borneoles son monoterpenos bicíclicos que a su vez son productos naturales que poseen un origen biosintético común y que se encuentran en una gran variedad de organismos vivos. Los primeros terpenos se aislaron de las plantas, sometiendo éstas a una destilación en corriente de vapor. Los compuestos así obtenidos se llamaron aceites esenciales, y su estudio se inició en el siglo XVI debido a su interés en perfumería. Los borneoles tienen propiedades terapéuticas ya que en un estudio realizado en ratones se ha demostrado que el borneol y el isoborneol presentes en el aceite de valeriana producen un efecto sedante. La importancia de estos compuestos se debe a su relación con el alcanfor, ya que son intermedios en la síntesis de éste diseñada a partir de α-pineno.

El alcanfor (1,7,7-trimetilbiciclo[2.2.1]heptano-2-ona) se aísla del árbol del alcanfor (cinnamomun camphora). Desde el punto de vista estructural posee dos centros estereogénicos, pero solo se conocen dos estereoisómeros que son enantiómeros entre sí; el dextro (1R,4R) es el producto que se encuentra en la naturaleza y el más abundante. Debido a su penetrante y agradable olor, se ha utilizado con fines medicinales, si bien carece de efectos terapéuticos. La principal aplicación del alcanfor es como plastificante en la fabricación de celuloide, aunque hoy día su importancia ha disminuido debido a la sustitución de este material por otros plásticos. 2. Fundamento

En esta práctica se realiza la preparación de isoborneol a partir de su epímero, el borneol. Ambos son alcoholes secundarios y sus estructuras difieren únicamente en la configuración del carbono unido al grupo hidroxílico. Para transformar el borneol en isoborneol es necesario, por tanto, invertir la configuración del carbono indicado. Para ello se utilizarán dos reacciones habituales en la química de alcoholes y cetonas: a) la oxidación de alcoholes secundarios, que conduce a la correspondiente cetona y b) la reducción de una cetona al/los alcohol/les secundario/s. La oxidación del borneol se lleva a cabo con un oxidante convencional (dicromato sódico en medio ácido) y conduce al alcanfor, cetona que se reduce con borohidruro sódico en metanol. Este reductor actúa transfiriendo “hidruro” al sustrato por su cara menos impedida, por lo que el producto principal de la reacción es el isoborneol.


2

3. Oxidación de Borneol a Alcanfor Aparatos y Material (M.U.: material común ubicado en la U) (M.G.: material general)

2 Erlenmeyer de 25 mL 1 Cubeta de acero (baño de hielo) 1 Vidrio de reloj 1 Probeta de 25 mL 1 Embudo de adición (M.U.) 1 Embudo cónico 1 Embudo de decantación 250 mL 1 Refrigerante de bolas B-14

1 Matraz 50 mL 2 bocas B-14 1 Matraz 100 mL B-29 1 Sublimador (M.G.) 1 Pipeta de 5 mL 1 Pieza de agitación 1 Magnetoagitador (M.U) 1 Capilar para puntos de fusión

Reactivos y disolventes

Borneol Dicromato sódico Ácido sulfúrico conc. 96%

Sulfato magnésico anhidro Disolución de bicarbonato sódico 5% Éter etílico

Cálculos NOTA. El siguiente esquema de reacción deberá completarse con los datos de los correspondientes reactivos que se necesitan para seguir el procedimiento experimental: fórmula molecular; peso molecular; punto de fusión (punto de ebullición); mmol; g (mL); densidad.

Na2Cr2O7 H2SO4

CH3

CH3H3C

OH

H

borneolCH3

CH3H3C

Oalcanfor

Procedimiento

Sobre una disolución fría (baño de hielo) de 7,6 mmol de dicromato sódico en 8 mL de agua se añaden, cuidadosamente, 1,6 mL de ácido sulfúrico concentrado y la mezcla oxidante se mantiene en baño de hielo hasta su utilización.

En un matraz de dos bocas de 50 mL provisto de refrigerante de reflujo, embudo de adición y pieza de agitación, se ponen 6,5 mmol de borneol y 4 mL de éter etílico. La disolución se enfría en un baño de hielo y se añaden, gota a gota y con agitación, 6 mL de la mezcla oxidante previamente preparada. Terminada la adición, la mezcla de reacción se agita 5 minutos más a 0ºC y se pasa a un embudo de decantación. El matraz de reacción se lava primero con 10 mL de éter etílico y después con 10 mL de agua y ambos líquidos de lavado se añaden a la mezcla contenida en el embudo de decantación. A continuación, se decanta la fase etérea (se puede añadir más agua al embudo para ver mejor la separación de las fases) y la fase acuosa se extrae con éter etílico (2 x 10 mL). Los extractos etéreos se juntan y se lavan con 10 mL de disolución de bicarbonato sódico al 5% y después con 10 mL de agua. La fase orgánica se decanta y se seca sobre sulfato magnésico anhidro. El desecante se filtra, el disolvente se elimina por destilación a presión reducida (rotavapor) sin calentar y se pesa el residuo. El producto crudo obtenido se purifica por sublimación y se determina su punto de fusión utilizando un capilar cerrado por los dos extremos.


3

4. Reducción de Alcanfor a Isoborneol Aparatos y Material (M.U.: material común del grupo) (M.G.: material general del laboratorio)

2 Erlenmeyer de 25 mL 1 Pipeta de 5 mL 1 Vaso de 100 mL 1 Vidrio de reloj 1 Sublimador (M.G)

1 Cubeta de acero (baño de hielo) 1 Embudo Büchner 1 Kitasato 1 Magnetoagitador (M.U) 1 Vial con tapón 1 Capilar para puntos de fusión

Reactivos y disolventes

Alcanfor Borohidruro sódico Metanol

Cálculos NOTA. El siguiente esquema de reacción deberá completarse con los datos de los correspondientes reactivos que se necesitan para seguir el procedimiento experimental: fórmula molecular; peso molecular; punto de fusión (punto de ebullición); mmol; g (mL); densidad.

NaBH4CH3OH

CH3

CH3H3C

Oalcanfor

CH3

CH3H3C

H

OH

isoborneol

Procedimiento Observaciones: Indispensable el uso de vitrina. La manipulación del borohidruro sódico debe realizarse con extremo cuidado y el material utilizado para llevar a cabo esta reacción debe estar completamente seco.

En un erlenmeyer de 25 mL se disuelven 3,3 mmol del alcanfor obtenido anteriormente en 2 mL de metanol y se añaden 7,8 mmol de borohidruro sódico en pequeñas porciones. La mezcla de reacción debe mantenerse a temperatura ambiente, por lo que sí es necesario se enfriará en un baño de hielo. Terminada la adición, la mezcla se calienta sobre la placa del magnetoagitador durante un minuto y después se introducen unos 10 g de hielo picado en el erlenmeyer, precipitando un sólido blanco que se separa por filtración. El producto obtenido se seca, se pesa, y una muestra pesada del mismo se purifica por sublimación. A continuación se determina el punto de fusión utilizando un capilar cerrado por ambos extremos. Finalmente, se calcula el rendimiento global de la transformación realizada.


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Espectros IR de alcanfor, borneol e isoborneol.

alcanfor

borneol

isoborneol


5

Cuestiones 1.- Suponiendo que la transformación de borneol en isoborneol se produce con un rendimiento global del 63%, ¿de cuántos gramos de borneol debemos partir para obtener 1,5 g de isoborneol?. ¿Qué rendimiento tendría la reacción de oxidación de borneol a alcanfor si se obtuvieron 1,92 g de este último?. Considerando los datos de los apartados anteriores, ¿cuál es el rendimiento de la reducción del alcanfor?. 2.- Formule el mecanismo de la reducción de (1R,4R)-alcanfor con NaBH4 en metanol y justifique el resultado estereoquímico observado. 3.- Formule y nombre todos los productos que se obtienen en la reducción de (+)-alcanfor con NaBH4. ¿Qué relación mantienen entre ellos?. 4.- Proponga un procedimiento alternativo para purificar el alcanfor obtenido en la reacción de oxidación, basándose en las propiedades físicas y químicas de los compuestos implicados. 5.- La reacción de reducción de acetona a isopropanol puede seguirse fácilmente mediante la técnica de infrarrojo, registrando espectros a diferentes tiempos de reacción. ¿Cómo se sabe cuándo ha comenzado y cuándo ha finalizado?.


6

P-2. REACCIÓN DE FRIEDEL-CRAFTS. SÍNTESIS DE p-BROMOACETOFENONA

(Duración: 2 sesiones) 1. Introducción

El objetivo de esta práctica es realizar una de las reacciones más representativas en la obtención de derivados aromáticos sustituidos, como es la reacción de Friedel-Crafts y su aplicación a la síntesis de p-bromoacetofenona. La reacción de Friedel-Crafts entre un anhídrido o un haluro de ácido y un sustrato aromático en presencia de un ácido de Lewis como catalizador, es uno de los métodos de síntesis de cetonas aromáticas más importantes.

Br Br

COCH3

AlCl3

CH2Cl2

(CH3CO)2O CH3COOH

Bromobenceno Anhidridoacético p-Bromoacetofenona Acido

acético

La p-bromoacetofenona es un intermedio versátil en la síntesis de sustancias más complejas. Así,

puede dar lugar a reacciones de acoplamiento o de creación de enlace C-C a través del enlace C-Br; puede ser convenientemente funcionalizada por reacciones de SEAr o experimentar transformaciones del grupo carbonilo, etc. Recientemente se ha encontrado que este tipo de compuestos puede dar lugar a reacciones radicalarias que provocan la ruptura de la estructura del ADN lo cual presenta claras aplicaciones en Medicina o Biología.

Transformaciones de p-bromoacetofenona

Br

COCH3COCH3

hν

Reacciones deAcoplamiento

Aplicaciones enMedicina y Biología

ADN RupturaADN

Reacciones de condensación

Funcionalización

Reaccionesde SEAr


7

2. Aparatos y material (M.U. : material común del grupo) (M.G. : material general del laboratorio)

Magnetoagitador (M.U.) Embudo de sólidos Matraz de 50 mL dos bocas B-14 Embudo cónico Refrigerante de bolas B-14 Erlenmeyers y tubos de ensayo Embudo de adición B-14 (M.U.) Columna de cromatografía (M.G.) Tubo de cloruro cálcico B-14 Compresor de pecera (M.G.) Pieza de agitación Cubeta de cromatografía (8 x 8 cm) Vaso de precipitados de 100 mL Capilares para CCF (M.U.) Embudo de decantación Probeta de 25 mL Matraz 100 mL B-29 Pipeta de 5 mL Placas de cromatografía (M.U.)

3. Reactivos y disolventes

Bromobenceno Disolución de NaOH al 10% Anhídrido acético Disolución saturada de NaCl Tricloruro de aluminio Ácido clorhídrico concentrado 37% Diclorometano (reactivo, sobre tamices) Sulfato magnésico anhidro Diclorometano Gel de sílice Éter etílico Hexano

4. Cálculos NOTA. El siguiente esquema de reacción deberá completarse con los datos de los correspondientes reactivos que se necesitan para seguir el procedimiento experimental: fórmula molecular; peso molecular; punto de fusión (punto de ebullición); mmol; g (mL); densidad.

Br Br

COCH3

AlCl3

CH2Cl2

(CH3CO)2O CH3COOH

5. Procedimiento

Observaciones: Indispensable el uso de vitrina. La manipulación del tricloruro de aluminio debe realizarse con guantes (el tricloruro de aluminio causa quemaduras y es irritante a los ojos, la piel y el sistema respiratorio. En presencia de humedad descompone desprendiendo cloruro de hidrógeno). El material utilizado para llevar a cabo la reacción debe estar completamente seco.

En un matraz de dos bocas de 50 mL de capacidad provisto de refrigerante de bolas, embudo

de adición y tubo de cloruro cálcico (ver Figura 1), se introducen 0,028 moles de AlCl3, 15 mL de diclorometano anhidro y 0,012 moles de bromobenceno. (NOTA: pesar el AlCl3 en el mismo matraz de reacción).


8

Figura 1

Desde un embudo de adición se adicionan lentamente (gota a gota) sobre la disolución, 1,3

mL de anhídrido acético disueltos en 5 mL de diclorometano anhidro. Finalizada la adición, la mezcla de reacción se refluye durante 50 minutos. A continuación, se deja enfriar y se vierte lentamente sobre un vaso de precipitados que contiene hielo/agua (aprox. 15 mL) y 7,5 mL de HCl concentrado. La mezcla se agita durante 5 minutos para favorecer la disolución de las sales de aluminio y a continuación se extrae con diclorometano (3x25 mL). Los extractos orgánicos se lavan sucesivamente con agua, disolución de NaOH al 10% (dos veces), disolución saturada de cloruro sódico y agua. La fase orgánica se seca sobre sulfato magnésico, el desecante se filtra y el disolvente se elimina en el rotavapor. El aceite obtenido se pesa y se purifica posteriormente por cromatografía en columna después de realizar los ensayos analíticos por CCF. 6. Purificación por cromatografía (NOTA: consultar el apéndice sobre cromatografía en capa fina y en columna que figura al final del documento). Gel de Sílice: aproximadamente 10 g Eluyente:Hexano/éter etílico Cantidad de producto: 1g Espectros IR y RMN de p-bromoacetofenona.


9

7 6 5 4 3 2 1 00

1

2

3

4

5

6

7

8

7.80 7.70 7.60 7.50 7.400

Br

O CH3 2.49 ppm

7.77 ppm

7.54 ppm

p-bromoacetofenona

1H RMN (CDCl3)

13C RMN (CDCl3)

200 150 100 500

50

100

26.20

126.30

128.89131.15

134.90196.30

Br

O CH3 26.2 ppm196.3 ppm134.9 ppm

128.89 ppm

131.15 ppm126.3 ppm

p-bromoacetofenona


10

Cuestiones 1.- Un alumno ha preparado 1,25 g de p-cloroacetofenona, y para ello ha utilizado 3,08 g del compuesto aromático apropiado, 2 mL de Ac2O y 6,25 g de AlCl3. ¿Con qué rendimiento se ha producido dicha reacción?. 2.- Partiendo de los reactivos comerciales que se indican, justifique cómo preparar las siguientes disoluciones acuosas: 600 mL de HCl 12% (m/v) a partir de HCl 35% m/v 500 mL de NaOH 15% (m/v) a partir de NaOH del 98% 300 mL de AcOH 3M a partir de AcOH del 98%. 3.- Formule el mecanismo de la reacción de acilación de Friedel-Crafts descrita en el guión. ¿Por qué se adiciona el AlCl3 en una relación molar tan alta, si actúa como catalizador de la reacción?. 4.- En el cromatograma adjunto se muestra el análisis por CCF de la reacción de acilación de clorobenceno con anhídrido acético en presencia de AlCl3. Se ha utilizado gel de sílice como fase estacionaria y una mezcla hexano/CH2Cl2 (9:1) como eluyente. ¿A qué corresponden las manchas detectadas?. Proponga una modificación en la relación de disolventes utilizada que permita optimizar la separación de los productos.

A B

A: Clorobenceno

B: Bruto de reacción


11

P-3. N,N-DIETIL-m-TOLUAMIDA: EL REPELENTE DE INSECTOS "OFF"

(Duración: 2 sesiones) 1. Introducción

Las amidas aromáticas terciarias (N,N-disustituídas) son productos que suelen poseer interesantes actividades biológicas (p.e. la N,N-dietil-m-toluamida posee actividad como repelente de insectos, siendo el constituyente activo del repelente conocido en USA como "OFF"). En general, las amidas se obtienen a través del correspondiente cloruro de ácido (mucho más reactivo que el ácido carboxílico) y una amina. El objetivo de esta práctica es la preparación de N,N-dietil-m-toluamida.

Ac. m-toluicoCH3

O N

CH3

O Cl

CH3

O OH

HCl

Et2NH

SO2 + HCl

SOCl2

N,N-dietiltoluamida

La síntesis requiere dos pasos operatorios. En primer lugar el ácido carboxílico (en nuestro caso, ácido m-toluico) se convierte en el cloruro de ácido. En segundo lugar, el cloruro del ácido, que no se aísla, se hace reaccionar in situ con la amina (dietilamina), obteniéndose la amida con buenos rendimientos y en un tiempo breve de reacción.

Recuérdese que las amidas no pueden prepararse directamente por reacción del ácido y la amina ya que la reacción ácido-base (muy rápida), origina la sal que a temperatura ambiente es estable.

RCOOH + R2NH → RCOO- R2NH2

+ Solo a altas temperaturas estas sales podrían descomponerse para dar la amida y agua, pero

estas condiciones extremas no son adecuadas para llevar a cabo la síntesis en el laboratorio, aunque si puede serlo a nivel industrial.

RCOO- R2NH2

+ + calor → RCONR2 + H2O

2. Aparatos y material (M.U.: material común ubicado en cada U) (M.G.: material general)

Magnetoagitador (M.U.) Probeta de 25 mL Matraz 50 mL 2 bocas B-14 Pipeta de 5 mL Refrigerante de reflujo B-14 Matraz 10 mL B-14 Embudo de adición B-14 (M.U.) 2 Matraces de 25 mL B-14 Tubo de cloruro cálcico B-14 Refrigerante y cabeza de destilación B-14 Pieza de agitación Cerdito B-14 (M.U.) Embudo de decantación Termómetro esmerilado B-14 (M.U.) Embudo cónico 4 clips B-14 Erlenmeyers Manta calefactora de 100 mL (M.G.)


12

3. Reactivos y disolventes

Ácido m-toluico Éter etílico Cloruro de tionilo Disolución de NaOH al 10 % Éter etílico seco Disolución de HCl al 10 % Dietilamina Sulfato magnésico anhidro

4. Cálculos NOTA. El siguiente esquema de reacción deberá completarse con los datos de los correspondientes reactivos que se necesitan para seguir el procedimiento experimental: fórmula molecular; peso molecular; punto de fusión (punto de ebullición); mmol; g (mL); densidad.

++

CH3

O NEt2NH

CH3

O Cl

SOCl2

CH3

O OH

5. Procedimiento Observaciones: Indispensable el uso de vitrina. La manipulación del cloruro de tionilo y de la dietilamina debe realizarse con guantes (el cloruro de tionilo causa quemaduras y es irritante a los ojos, la piel y el sistema respiratorio. En presencia de humedad descompone desprendiendo cloruro de hidrógeno. La dietilamina es tóxica y corrosiva y, además, bastante volátil). El material utilizado para llevar a cabo la reacción debe estar completamente seco.

En un matraz de dos bocas de 50 mL de capacidad provisto de refrigerante de reflujo, tubo de cloruro cálcico y un agitador magnético (ver Figura 1), se introducen 7,5 mmol de ácido m-toluico y se adicionan, a continuación, 16,6 mmol de cloruro de tionilo. Se observa un desprendimiento de burbujas de HCl al adicionar el cloruro de tionilo sobre el ácido, formándose una masa viscosa. La mezcla de reacción se calienta a la temperatura de reflujo del cloruro de tionilo durante 20 min. Tras enfriar la mezcla de reacción, se conecta al sistema un embudo de adición (Figura 2) y, a través de él y en este orden, se adicionan primero 10 mL de éter etílico seco y, a continuación, lentamente y con agitación, una disolución de 24,32 mmol de dietilamina en 5 mL de éter etílico seco. Finalizada la adición, se agita la mezcla de reacción durante 20 minutos. Se añaden, entonces, poco a poco y manteniendo la agitación, 10 mL de NaOH al 10%. La mezcla resultante se extrae con éter etílico (2 x 15 mL). La fase etérea se lava, sucesivamente, con 10 mL de NaOH al 10%, 10 mL de HCl al 10 % y 10 mL de agua. La fase orgánica se seca sobre sulfato magnésico, el desecante se filtra y el disolvente se elimina por destilación a presión reducida (rotavapor). El aceite obtenido se pesa y se purifica posteriormente por destilación a vacío (p.e. 160-163 oC a 20 mm) utilizando una manta calefactora de diámetro adecuado al tamaño del matraz de destilación (Figura 3). Finalmente, se calcula el rendimiento global de la síntesis.

123

456

78

9110

23

456

78

91 1

H2O

H2O

Figura 1

250

200

150

100

50

123

456

78

9110

23

456

78

91 1

H2O

H2O

Figura 2

1 112

3

45 6

7

8

9

1 102

3

45 6

7

8

91 10

Figura 3


13

Espectros IR y de RMN de N,N-dietil-m-toluamida.

1H RMN (CDCl3)

9 8 7 6 5 4 3 2 1 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

3.30 3.200.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

1.10 1.00 0.90 0.800

1

2

3

4

5

6

CH3

NCH2CH3

CH2CH3

O

N,N-dietil-m-toluamida

3.26 ppm 1.06 ppm

3.29 ppm

0.95 ppm7.23 ppm7.54 ppm

7.39 ppm2.24 ppm7.13 ppm



14

150 100 50 00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

13.6020.80

41.3043.10125.67

126.73127.36

132.11

139.26140.19172.15

Cuestiones 1- Justifique todas las operaciones llevadas a cabo para el aislamiento y purificación de la N,N-dietil-m-toluamida. 2.- Un alumno desea preparar N,N-dietil-p-metilbenzamida, partiendo del ácido p-metilbenzoico, con el fin de establecer una correlación entre la estructura química y la actividad biológica de los dos isómeros. Sin embargo, no dispone de cloruro de tionilo en el laboratorio, por lo que debe buscar un procedimiento alternativo. De acuerdo con el siguiente esquema, proponga una ruta sintética razonable y ajuste las reacciones correspondientes:

CH3O

OH+ CH3 R

Intermedio activado

¿? CH3O

NEt2

NHEt2+ ?

3.- De acuerdo con la síntesis propuesta en el apartado anterior, y suponiendo un rendimiento global del 67%, calcule la cantidad necesaria de ácido para obtener 2,1 g de amida. 4.- Al destilar a vacío la N,N-dietil-m-toluamida, un alumno observa que el compuesto se oscurece y no llega a destilar. Cuando revisa el sistema, observa que la conexión de la alargadera con la bomba de vacío se ha soltado. ¿Qué debe hacer? (justifique la respuesta):

a) Conectar inmediatamente la alargadera a la bomba de vacío, antes de que se enfríe el contenido del matraz.

b) Seguir destilando a presión atmosférica. c) Enfriar el contenido del matraz y volver a calentar una vez restablecido el vacío.

13C-RMN (CDCl3)


O NCH2CH3

CH2CH3

CH3

41.3 ppm 13.6 ppm

43.1 ppm13.45 ppm172.15 ppm

140.19 ppm132.11 ppm

139.26 ppm

20.8 ppm125.67 ppm

127.36 ppm

126.73 ppm


15

P-4. PREPARACIÓN DE BENZOCAÍNA (Un ejemplo de síntesis por pasos)

(Duración : 3 sesiones)

1. Introducción

La benzocaína es un anestésico local, insoluble en agua, que se utiliza para aplicaciones directas sobre la piel y se encuentra en muchos preparados comerciales que se usan para aliviar el dolor producido por las quemaduras solares. Desde el punto de vista de su estructura se trata de p-aminobenzoato de etilo, un derivado del ácido p-aminobenzoico (PABA) que, a su vez, se utiliza como filtro solar en distintas fórmulas comerciales y es una vitamina para algunas bacterias.

La síntesis de la benzocaína implica cuatro etapas: NH2

CH3

(CH3CO)2O

NaOAc

NHCOCH3

CH3

NHCOCH3

CO2H

1) KMnO4

2) H3O+

H3O+, ΔNH2

CO2H

CH3CH2OHH+, Δ

NH2

CO2C2H5

p-toluidina N-acetil-p-toluidina ác. p-acetamidobenzoico (PABA) p-aminobenzoato de etilo

La primera supone la conversión de la p-toluidina (producto comercial) en N-acetil-p-toluidina (una amida). Esta es una etapa estratégica que se introduce para proteger el grupo amino en el siguiente paso, la oxidación del grupo metilo con permanganato potásico (2ª etapa). La tercera etapa supone la desprotección del grupo amida mediante hidrólisis y el aislamiento del PABA. Finalmente, la cuarta etapa consiste en la esterificación de Fischer del PABA con etanol.

2. Aparatos y material (M.U.: material común del grupo) (M.G.: material general del laboratorio) Magnetoagitador (M.U.) Vaso de 600 mL Pieza de agitación (imán tipo carrete) (M.G.) Vaso de 250 mL Manta calefactora de 100 mL (M.G.) Embudo de vidrio 7 cm ∅ 2 Erlenmeyer de 250 mL Termómetro s/esmerilar Erlenmeyer de 100 mL Embudo de decantación de 250 mL Embudo Büchner de 7 cm Φ Probeta de 25 mL Embudo Büchner de 4 cm Φ 2 Probeta de 100 mL (M.G.) Kitasato de 250 mL Capilares de puntos de fusión (4) (M.U.) Matraz 100 mL B-29 Papel pH (M.U.) Matraz 50 mL 2 bocas B-14 Tubos de RMN (M.G.) Refrigerante de bolas B-14 3. Reactivos y disolventes p-Toluidina Ácido clorhídrico conc. (37%) Anhídrido acético Ácido sulfúrico conc. (96%) Permanganato potásico Ácido acético glacial Sulfato magnésico (monohidrato) Disolución de H2SO4 al 20% Acetato sódico (trihidrato) Disolución de NH4OH al 20% Etanol del 95% Disolución de Na2CO3 al 10% Éter etílico Sulfato magnésico anhidro Celita


16

4. Transformación de p-toluidina en N-acetil-p-toluidina.

NH2

CH3

+CCH3

O

O

OCCH3

NHCOCH3

CH3

CH3CO2H

p-toluidina anhídridoacético

N-acetil-p-toluidina

ác. acético

NaOAcΔ

.3H2O+

NOTA: Resulta muy conveniente preparar esta parte algún día anterior en el que los alumnos tengan tiempo.

Se prepara una disolución de 7,5 g de NaOAc.3H2O en 12,5 mL de agua y se reserva. En un erlenmeyer de 250 mL se introducen 0,05 moles de p-toluidina y se añaden 125 mL de

agua y 5 mL de ácido clorhídrico concentrado. Si es necesario se calienta suavemente la mezcla para conseguir la disolución de la amina. Se calienta la disolución de p-toluidina.HCl a 50ºC, se añaden 0,056 moles de anhídrido acético y se agita rápidamente. Inmediatamente, se añade la disolución preparada de acetato sódico y se remueve minuciosamente la mezcla de reacción. Se enfría en baño de hielo durante unos minutos, se filtra a vacío el sólido blanco que se forma y se seca. La N-acetil-p-toluidina se guarda para su posterior utilización.

5. Acido p-acetamidobenzoico.

NHCOCH3

CH3

+ 2 KMnO4

NHCOCH3

CO2-, K+

+ 2 MnO2 + KOH + H2O

N-acetil-p-toluidina N-acetil-p-aminobenzoato potásico

H3O+

NHCOCH3

CO2Hácido p-acetamidobenzoico

En un vaso de precipitados de 600 mL se introduce la N-acetil-p-toluidina obtenida en el paso

anterior y se añade sulfato magnésico (MgSO4.H2O) (1 g por cada 3 mmol de N-acetil-p-toluidina) y agua caliente (4,5 mL por mmol de N-acetil-p-toluidina). La mezcla se calienta con agitación hasta una temperatura de 80ºC aproximadamente y se añade la cantidad adecuada de permanganato potásico (2.05 mmoles por mmol de amida), en pequeñas porciones. A continuación, se eleva la temperatura de la mezcla hasta 90ºC y se prosigue durante 50 minutos la agitación a dicha temperatura (al cabo de este tiempo, la disolución adopta un color marrón). Finalmente, se añade 1 mL de etanol, se calienta la disolución durante 10 minutos más, se lavan bien los bordes del vaso para eliminar restos de permanganato y se filtra en caliente a través de un embudo büchner provisto de una capa de celita (aproximadamente de 1 cm de espesor). La disolución filtrada debe ser transparente; si queda algo de color del permanganato se elimina con una gota de disolución de bisulfito. Se enfría en un baño de hielo y, cuando está fría, se añade cuidadosamente ácido sulfúrico (20%) hasta pH ácido. Aparece un sólido blanco que se filtra, se seca en estufa y se pesa.


17

5. Acido p-aminobenzoico.

El ácido p-aminobenzoico es un ejemplo de compuesto anfótero. A valores de pH inferiores a 3, se encuentra como sal de amonio y es soluble en agua. A valores de pH superiores a 5 se encuentra como anión carboxilato, siendo también soluble en agua. Por el contrario, a valores de pH intermedios, es decir entre 3 y 5 es una especie neutra y poco soluble en agua.

NHCOCH3

CO2H

HCl ac.

Δ

NH2

CO2H

+ CH3CO2H

ác. p-acetamidobenzoico ác. p-aminobenzoico

· HCl

El ácido p-acetamidobenzoico obtenido en el paso anterior se coloca en un matraz de fondo redondo de 100 mL, provisto de refrigerante de reflujo y se añade la cantidad necesaria de una disolución de ácido clorhídrico (50 % de HCl conc. y 50 % de agua; se emplearán 0,6 mL de disolución por mmol de ácido p-acetamidobenzoico). La mezcla se calienta a reflujo (manta eléctrica) durante 30 minutos. Al cabo de este tiempo se enfría la disolución y y se recoge el producto húmedo obtenido (en forma de clorhidrato).

7. Benzocaína.

NH2

CO2H

EtOHH+/Δ

NH2

CO2Et

+ H2O

PABA p-aminobenzoato de etilo

· HCl

En un matraz del volumen adecuado se introducen 0,018 moles de clorhidrato del ácido p-

aminobenzoico y se añaden 30 mL de etanol (95%). Se agita la mezcla para conseguir su disolución y se añaden cuidadosamente 2,5 mL de ácido sulfúrico concentrado, se adapta un refrigerante al matraz y se calienta a reflujo durante 1,5 horas. (NOTA: durante la primera hora de calefacción conviene agitar la mezcla de vez en cuando; la evolución de la reacción puede monitorizarse por CCF sobre gel de sílice empleando como eluyente una mezcla tolueno:cloroformo:etanol 2:1:1). Al cabo de este tiempo se transfiere el contenido del matraz a un vaso de 250 mL y se añade una disolución de Na2CO3 (10%), (son necesarios alrededor de 30 mL), hasta neutralizar la mezcla (se produce un fuerte desprendimiento de CO2). Se mide el pH y se continúa la adición de Na2CO3 hasta pH 9. La mezcla de reacción se trasvasa a un embudo de decantación y se extrae con éter etílico (2x30mL). La fase etérea se separa y se seca sobre MgSO4 anhidro, se filtra y se concentra a presión reducida. El residuo se pesa, se calcula el rendimiento global, se recristaliza de etanol-agua y se determina su punto de fusión.


18

Espectro IR del PABA y espectros IR y de RMN de la benzocaína

NH2

CO2Etbenzocaína

NH2

CO2HPABA


19

150 100 50 00

50

100

14.4460.30

113.80

120.14

131.58

152.20166.75

NH2

O O CH3

152.20 ppm

113.80 ppm

131.58 ppm

120.14 ppm

166.75 ppm 60.30 ppm

14.44 ppm

benzocaína

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

NH2

O O CH3

4.04 ppm

6.64 ppm

7.86 ppm

4.32 ppm

1.36 ppmbenzocaína

1H RMN (CDCl3)

8.0 7.5 7.0 6.50

1

2

3

4

13C RMN (CDCl3)


20

Cuestiones 1.- El rendimiento global de la síntesis de PABA (en forma de hidrocloruro) a partir de p-toluidina es del 27%. Sabiendo que en la reacción de esterificación de 2,53 g del hidrocloruro del aminoácido se obtienen 1,8 g de ester, ¿de cuántos gramos de amina debemos partir para obtener 1,2 g del producto final?. 2.- ¿Por qué el grupo amida es una forma protegida del grupo amina frente a los agentes oxidantes?. 3.- En la reacción de oxidación con KMnO4, ¿para qué se añade el etanol cuando la mezcla continúa morada? 4.- Un alumno obtiene un rendimiento del 14% en la reacción de esterificación, por lo que la síntesis de benzocaína dejaría de ser rentable. ¿Qué otro procedimiento alternativo puede utilizar para obtener el ester con mayor rendimiento? 5.- ¿Cómo puede seguirse la reacción de formación de la benzocaína a partir del hidrocloruro de PABA utilizando técnicas espectroscópicas?


21

P-5. REACCIONES DE WITTIG Y KNOEVENAGEL. APLICACIÓN A LA OBTENCIÓN DE OLIGÓMEROS π-CONJUGADOS CON

PROPIEDADES FOTOLUMINISCENTES

(Duración: 2 sesiones) 1. INTRODUCCIÓN 1.1. Fundamento

Una de las áreas más activas dentro de la investigación en química orgánica está constituida por el desarrollo de los llamados “materiales orgánicos”. Estos compuestos se denominan así porque tienen una estructura fundamentalmente orgánica, pero presentan propiedades físicas tradicionalmente relacionadas con compuestos de tipo inorgánico (semiconductores, superconductores, compuestos fluorescentes, componentes de láseres, etc). La ventaja fundamental de estos nuevos derivados frente a sus análogos inorgánicos tradicionales se basa en la posibilidad de alterar o modular las propiedades del material de síntesis a través de modificaciones químicas simples en la estructura del compuesto. Otra ventaja añadida es su solubilidad en disolventes orgánicos, lo que lleva consigo una mayor facilidad de procesado que permite la fabricación de bloques y de películas flexibles de material homogéneo.

En la actualidad, la preparación de compuestos orgánicos con propiedades fotoluminiscentes y electroluminiscentes constituye un campo de investigación de creciente importancia. Entre las aplicaciones más importantes, destaca su empleo en la fabricación de diodos electroluminiscentes (utilizados en letreros luminosos y todo tipo de pantallas), sondas fotoluminiscentes para análisis medioambiental, marcadores de billetes de banco, etc. El concepto de electroluminiscencia se basa en que, al aplicar una diferencia de potencial, se produce la emisión de luz por excitación de los electrones situados en el orbital HOMO del compuesto orgánico. Cuando se habla de fotoluminiscencia (o fluorescencia), la excitación tiene lugar cuando el compuesto absorbe una luz de longitud de onda adecuada. Al volver a su estado original, se produce la emisión de una luz cuya longitud de onda se sitúa en la zona del visible y que generalmente es similar en ambos casos. Por lo tanto, la secuencia a seguir para conocer las propiedades de un compuesto sería: a) Conocer la longitud de onda de máxima absorción, a través del espectro de UV; b) Realizar la medida de la fotoluminiscencia, utilizando como longitud de onda de excitación la correspondiente a la máxima absorción; c) Medir la electroluminiscencia, conociendo ya la zona aproximada en la que puede darse el máximo de emisión.

En los últimos años, se han ensayado diferentes tipos de materiales luminiscentes, especialmente derivados aromáticos π-conjugados como el poli(p-fenilenvinileno), más conocido como PPV. Los estudios se llevan a cabo partiendo tanto de polímeros como de oligómeros (compuestos de cadena corta utilizados como modelos). Introduciendo distintos sustituyentes, y variando su posición en los anillos, puede controlarse tanto la diferencia energética existente entre los orbitales HOMO y LUMO del compuesto, y, por tanto, la longitud de onda de la luz emitida, como la eficacia de la emisión o la solubilidad (y por tanto la facilidad de procesado).

1.2. Objetivos de la Práctica

1. Aplicar dos reacciones clásicas de formación de enlaces C-C, como son la reacción de Wittig y la reacción de Knoevenagel, a la síntesis de materiales orgánicos derivados del PPV con interesantes propiedades fotoluminiscentes y electroluminiscentes.

2. Modular las propiedades de los productos obtenidos (solubilidad, color, características de la luz emitida por fotoluminiscencia) a través de modificaciones químicas en la estructura del compuesto.

1.3. Planificación El trabajo se estructura en dos niveles:


22

a) Trabajo individual: Cada alumno debe llevar a cabo la síntesis de dos oligómeros, uno mediante reacción de Knoevenagel, y otro a través de una reacción de Wittig. Antes de comenzar el proceso sintético, es imprescindible: 1) Formular las reacciones conducentes a la formación de los compuestos elegidos. 2) Formular los mecanismos de los dos procesos estudiados.

3) Calcular las cantidades de cada reactivo, y preparar el material necesario.

b) Puesta en común de los resultados: Los resultados de cada alumno se pondrán en común desarrollando un procedimiento de análisis global del conjunto de compuestos obtenidos. Las combinaciones posibles de monómeros conducentes a la síntesis de oligómeros π-conjugados se incluyen en la Tabla 1 del guión. En las intersecciones de filas y columnas se indica cada uno de los productos de síntesis que pueden ser identificados por un número y una letra. Esta tabla se completará con los resultados o datos que correspondan y servirá de base para establecer las relaciones existentes entre las variables estructurales y las propiedades observadas, tal y como se establece en el procedimiento de análisis (sección 4.1). El compuesto base que se prepara mediante reacción de Wittig, está identificado en la Tabla 1 como 2A. Las combinaciones propuestas dan lugar a las estructuras, 1B-C que se indica a continuación (Cuadro 1):

Ar

Ar

H

X

X

Hα

α'

α

α'

1 Cuadro 1

Compuesto Tipo Ar X Reacción 1A I Fenilo H Wittig 1B I p-Metoxifenilo H Wittig 1C I 1-Naftilo H Wittig 2A I Fenilo CN (α) Knoevenagel 2B I p-Metoxifenilo CN (α) Knoevenagel 2C I 1-Naftilo CN (α) Knoevenagel

2. REACCIÓN DE WITTIG 2.1. Fundamento

En 1954, Georg Wittig, profesor de la Universidad de Tübingen (Alemania), publicó un método para obtener alquenos partiendo de compuestos carbonílicos mediante el cual se reemplaza el oxígeno carbonílico, =O, por un grupo =CRR’. La reacción de Wittig es por tanto una reacción clásica y muy versátil de formación de dobles enlace carbono-carbono, que tiene lugar en dos etapas. En la primera, se forma el reactivo o “sal de Wittig” por reacción de trifenilfosfina con un derivado halogenado que posea hidrógenos en posición α:

En la segunda etapa tiene lugar la reacción entre la sal de trifenilfosfonio (sal de Wittig) y una base apropiada, generándose un iluro de fósforo que es el verdadero agente nucleófilo capaz de reaccionar con el compuesto carbonílico. Puede utilizarse una gran variedad de bases diferentes, así como de disolventes y medios de reacción. En nuestro caso, el proceso se va a llevar a cabo en fase

Cl

Cl

PPh3

Ph3P

2 +PPh

PhPh Cl

Cl

Xileno

Reflujo


23

heterogénea, utilizando un medio bifásico: agua (que contiene la sal de Wittig y la base, en este caso NaOH), y diclorometano (que contiene el compuesto carbonílico).

2.2. Aparatos y material (M.U.: material común del grupo) (M.G.: material general del laboratorio)

Matraz 25 mL B-14 Matraz 50 mL 2 bocas B-14 Refrigerante de bolas B-14 Erlenmeyer de 50 mL Erlenmeyer de 100 mL Pieza de agitación Pipeta de 1 mL (M.G.) Pipeta de 5 mL

Embudo de sólidos Probeta de 25 mL Embudo Büchner de 4 cm ∅ Kitasato Embudo de decantación Embudo de vidrio Magnetoagitador (M.U.) Lámpara UV de 366 nm (M.G.)

2.3. Reactivos y disolventes

α,α’-Dicloro-p-xileno Trifenilfosfina Benzaldehido Anisaldehido 1-Naftaldehido

Hexano Xileno Dimetilformamida Etanol Etanol acuoso al 60% (v/v) NaOH (disol. 50% m/V) Sulfato magnésico anhidro

2.4. Procedimiento Experimental a) Formación de la sal de Wittig Precauciones: El cloruro de bencilo es lacrimógeno y cáustico, por lo que todas las operaciones deben llevarse a cabo en vitrina y utilizando guantes.

En un matraz de fondo redondo, provisto de refrigerante de reflujo y pieza de agitación o plato poroso, se introducen 12 mmol de trifenilfosfina y 6 mmol del derivado halogenado. Como disolvente se utiliza xileno (15 mL), y la reacción se mantiene a reflujo durante dos horas (¡mínimo!). Pasado este tiempo, la mezcla de reacción se enfría y el sólido obtenido se filtra y se lava con hexano (2x5 mL). Después de secar, se pesa y se calcula el rendimiento. b) Reacción de Wittig

En un matraz de dos bocas, provisto de refrigerante de reflujo1 y pieza de agitación, se introducen 3 mmol del monómero difuncionalizado central (1), 6 mmol del monómero lateral (A, B ó C) y 6 mL de diclorometano. A continuación, se añaden 6 mL de NaOH al 50%. La mezcla bifásica se agita vigorosamente durante 30 minutos y, transcurrido este tiempo, se añaden 20 mL de diclorometano y 30 mL de agua. La fase orgánica se separa en un embudo de decantación y la fase acuosa se extrae con diclorometano (2 x 10 mL). Las fases orgánicas reunidas se lavan con 30 mL más de agua y, después de secar la fase orgánica con sulfato magnésico anhidro, se filtra y se

1 La reacción se mantiene a temperatura ambiente por lo que no es necesario el uso de gomas en el refrigerante.

monómero lateral monómero central

Ar = Ph, p-MeOC6H4, naftilo

+-

+PPh3, Cl-

Cl, Ph3P+Ar

O

H2

NaOH

CH2Cl2/H2O

Ar

Ar

H

H

H

H


24

elimina el disolvente en el rotavapor. Para eliminar el óxido de trifenilfosfina formado como subproducto de la reacción, el producto resultante se lava con etanol frío (2 x 10 mL) filtrando a través de un Büchner. Después de secar y pesar, se calcula el rendimiento global y el sólido obtenido se guarda en un lugar oscuro hasta el momento de anotar sus propiedades.

3. REACCIÓN DE KNOEVENAGEL 3.1. Fundamento

La reacción de Knoevenagel puede considerarse una variante de la condensación aldólica. Consiste básicamente en una condensación de aldehidos o cetonas, que no contengan hidrógenos enolizables, con compuestos de la fórmula Z-CH2-Z’, Z-CHR-Z’ o Z-CH2R, siendo Z, Z’ = CHO, COOH, CN, NO2, etc. El proceso se lleva a cabo en presencia de una base que actúa como catalizador. Una vez formado el compuesto de adición, y tras la pérdida de una molécula de agua, el producto de la reacción es un derivado α,β-insaturado con un grupo Z como sustituyente del nuevo

enlace C=C creado.

3.2. Aparatos y material (M.U.: material común del grupo) (M.G.: material general del laboratorio)

2 Erlenmeyer de 50 mL 1 Erlenmeyer de 25 mL Pieza de agitación Pipeta de 1 mL (M.G.) Pipeta de 5 mL

Probeta de 25 mL Embudo de sólidos Embudo Büchner de 4 cm ∅ Magnetoagitador (M.U.) Lámpara UV de 366 nm (portátil; M.G.)

3.3. Reactivos y disolventes:

Tereftaldehido 4-Metoxifenilacetonitrilo 1-Naftilacetonitrilo Fenilacetonitrilo

Etanol absoluto terc-Butóxido potásico Metanol Ácido acético Diclorometano

3.4. Procedimiento experimental

Procedimiento para obtener el compuesto 2D

En un erlenmeyer de 25 mL, provisto de pieza de agitación, se introducen 2,5 mmol del monómero central, 5,25 mmol del monómero lateral y 5 mL de EtOH absoluto. Se conecta la agitación magnética, y se añade una punta de espátula pequeña de terc-butóxido potásico. La reacción comienza casi instantáneamente,1 formándose un precipitado de aspecto llamativo. Pasados 10 minutos desde la aparición del sólido, se adicionan 10 mL de metanol frío al que se ha añadido una

1 Si transcurren cinco minutos y no se observa la formación de ningún precipitado, se añade otra punta de espátula de terc-butóxido potásico

monómero lateral

monómero central

Ar = Ph, p-MeoC6H4, naftilo

+2 Ar CN

CO

H

CO

H

Ph

Ph

H

CN

CN

HEtOH

CCH3

H3C

CH3

O- , K+


25

gota de ácido acético. El precipitado obtenido se filtra y se lava con metanol frío (2x3 mL). A continuación, se seca y se pesa para calcular el rendimiento. El sólido se guarda en lugar oscuro hasta el momento de anotar sus propiedades.

Procedimiento para obtener los compuestos 2E-F

En un erlenmeyer de 25 mL, provisto de pieza de agitación, se introducen 2,5 mmol del monómero central, 5,25 mmol del monómero lateral y 5 mL de EtOH absoluto. Se conecta la agitación magnética, y se añade una punta de espátula pequeña de terc-butóxido potásico. La reacción se colorea casi instantáneamente,2 con aspecto llamativo. Pasados 10 minutos desde la aparición del color amarillo, se adiciona una gota de ácido acético. Se elimna el diolvente en el rotavapor, obteniéndose un aceite amarillo, que se pesa para calcular el rendimiento. El aceie se guarda en lugar oscuro hasta el momento de anotar sus propiedades.. 4. PROPIEDADES DE LOS MATERIALES OBTENIDOS

Se pretende relacionar la estructura de los compuestos de síntesis con la solubilidad de los mismos en acetona, hexano y DCM. Asimismo, deberán establecerse las relaciones estructura/propiedades ópticas de los compuestos: λmáx de emisión/color e intensidad de la emisión (fuerte, media o débil).

4.1. Procedimiento de análisis 1. Preparar en distintos viales, convenientemente etiquetados, disoluciones o suspensiones de cada

uno de los compuestos en acetona, hexano y DCM, utilizando en cada caso una puntita de espátula del producto y 2 mL de disolvente

2. Anotar en la Tabla 1 del guión la solubilidad de los productos (total, parcial, nula) en acetona, hexano y DCM.

3. Sobre una tira de papel de filtro, trazar con un lápiz dos líneas paralelas distanciadas 2 cm y, sobre éstas, depositar con un capilar de puntos de fusión abierto por ambos extremos, muestras de cada una de las disoluciones o suspensiones de los compuestos en acetona, guardando una distancia entre cada una de las aplicaciones de 2 cm, aproximadamente (Cuadro 2).

Cuadro 2

1A 1B 1C

2D 2E 2F

NOTA: Algunos productos no están muy puros y al aplicar la muestra sobre el papel de filtro se delimita en el centro de gravedad de la mancha, por difusión, un depósito de sólido relativamente puro, lo que permitirá visualizar el color en este punto e identificarlo sobre la escala del espectro visible (Cuadro 3).

nm 400 425 450 490 510 530 550 590 640 730

Color Violeta Azul índigo Azul Azul-

verde Verde Verde-amarillo Amarillo Naranja Rojo Púrpura

Cuadro 3

4. Colocar el muestrario bajo una lámpara de UV de 366 nm y anotar en la Tabla 1 el color de la luz emitida por cada compuesto.

2 Si transcurren cinco minutos y no se observa la formación de ningún precipitado, se añade otra punta de espátula de terc-butóxido potásico


26

5. Asociar el color de la luz emitida al valor de la λ en el espectro visible (véase NOTA del punto 3) y anotarlo en cada caso.

6. Establecer en cada caso una escala aproximada de intensidad de la luz emitida (fuerte, media, débil) y anotar esta característica.

7. Utilizar los espectros de absorción y emisión de luminiscencia de los compuestos de síntesis que se incorporan al final del guión para completar sus propiedades ópticas (máximo UV y máximo FL) y anotar estos datos bibliográficos o de referencia en la Tabla 1 del guión.

8. Observar la concordancia de estos datos bibliográficos y los resultados experimentales (puntos 4, 5 y 6).

4.2. Relaciones estructura/propiedades Utilizar los datos experimentales determinados en 4.1 (puntos 2, 4, 5 y 6) y las diferencias estructurales de la serie de productos que se han obtenido (Cuadro 1), para establecer las siguientes relaciones: 1. Influencia de la naturaleza del aldehido sobre las propiedades ópticas.

• Comparar las propiedades de los compuestos (¿cuáles?) y/o (¿cuáles?). 2. Influencia de la naturaleza de X (CN ó H) sobre las propiedades ópticas.

• Comparar las propiedades de los compuestos (¿cuáles?) ............. 3. Influencia de la presencia del grupo CH3O en el anillo aromático sobre las propiedades ópticas.

• Comparar las propiedades de los compuestos (¿cuáles?)............... 4. Influencia del número de unidades π conjugadas sobre las propiedades ópticas.

• Comparar las propiedades de los compuestos (¿cuáles?) ............... 5. Comparar la solubilidad de los compuestos obtenidos en acetona, hexano y DCM utilizando los

criterios anteriores (puntos 1 a 5).

30

Tabla 1. Combinaciones de monómeros conducentes a la síntesis de oligómeros y polímeros π-conjugados

Monómero

lateral

Monómero central

A CHO

B CHO

H3CO

C CHO

D

CN

E CN

H3CO

F CN

1

P+Ph3

Ph3+P

Cl-

Cl-

Color: Máximo UV: Luz emitida: Máximo FL: Solubilidad CH2Cl2 Acetona

Hexano

Color: Máximo UV: Luz emitida: Máximo FL: Solubilidad CH2Cl2 Acetona Hexano


2 CHO

CHO




31

Espectro de absorción UV de los compuestos en disolución de diclorometano

250 300 350 400 450 500-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1E λ max = 354 nm

I (ua

)

λ (nm)

300 350 400 450 500-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Y A

xis

Title

X Axis Title

250 300 350 400 450 500

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

1F λmax = 365 nm

I (ua

)

λ (nm) 300 350 400 450 500

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

Y A

xis

Title

X Axis Title

1A λmax = 354 nm

2D λmax = 365 nm

1C λmax = 330 nm

2F λmax = 313 nm 2E λmax = 302 nm

32

Espectro de fotoluminiscencia de los compuestos en estado sólido

300 350 400 450 500 550

0

100

200

300

400

500

1E λmax = 441 nm

I (ua

)

λ (nm)350 400 450 500 550

100

200

300

400

500

600

2B λmax : 448nm

I (ua

)

λ (nm) 400 450 500 550 600

0

200

400

600

800

1000

Y Ax

is T

itle

X Axis Title

350 400 450 500 550 600 650

0

50

100

150

200

250

300

1F λmax = 516 nm

I (ua

)

λ (nm)400 450 500 550 600

0

100

200

300

400

500

600

Y Ax

is T

itle

X Axis Title

400 450 500 550 600

0

200

400

600

800

1000

Y Ax

is T

itle

X Axis Title

1A λμαξ = 441 nm 1B λμαξ = 448 nm

2D λmax = 516 nm

1C λmax = 457 nm

2F λmax = 462 nm 2E λmax = 459 nm

30

Apéndice I: CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA Y EN COLUMNA

1. Cromatografía en capa fina. NOTA: El alumno recibirá las placas cortadas por el Profesor, así como los capilares (deben prepararse ambas cosas con antelación y cortar las placas de forma que su tamaño se ajuste a las necesidades). Preparación de la placa:

1. Se traza con lápiz una línea a 1 centímetro del borde, y sobre ella se marcan los puntos de aplicación de manera que la separación entre puntos sea de 0.5 cm, aproximadamente.

2. Se introduce un capilar de cromatografía en una disolución de la muestra en el disolvente adecuado, y se aplica sobre el punto marcado. Entre cada una de las muestras aplicadas, el capilar debe limpiarse introduciéndolo en disolvente limpio.

3. Antes de proceder a la elución de la placa, se coloca bajo la lámpara UV para asegurarse de que todos los puntos tienen suficiente cantidad de muestra, y que no hay solapamientos entre las manchas. Si alguno de los puntos presenta una coloración muy débil, o no se ve nada, hay que volver a aplicar más muestra sobre el mismo punto de aplicación hasta que la mancha sea perfectamente visible. En caso de que se observen manchas por salpicaduras, así como manchas demasiado grandes o solapadas unas con otras, es preferible repetir la placa.

4. La placa ya sembrada se introduce en la cubeta de cromatografía, en la que se ha depositado la mezcla de disolventes adecuada hasta una altura de unos 0,5 cm.

5. Cuando el frente del disolvente alcanza una altura de 0,5-1 cm desde el borde superior, se saca la placa de la cubeta, se traza una línea a la altura exacta a la que ha llegado el disolvente, se deja secar y se somete a la luz UV para analizar las manchas y marcar su contorno y altura.

6. Calcular el Rf del componente (o componentes) de la sustancia problema y compararlos con los de los patrones.

2. Cromatografía en columna.

Llenado de la columna

1. Introducir una pequeña cantidad de algodón con ayuda de una varilla en el estrechamiento de la columna, procurando que no quede muy apelmazado para no dificultar el paso del eluyente durante la separación cromatográfica.

2. Sujetar firmemente la columna en posición vertical a un soporte (por dos puntos). 3. (Opcional) Introducir una pequeña cantidad de arena de forma que quede un lecho uniforme

sobre la base de algodón (aprox. 1 cm de espesor). 4. Preparar una suspensión (o papilla) con el adsorbente (en este caso, gel de sílice) y el

disolvente que se va a utilizar como eluyente (elegir el menos polar si se va a emplear una mezcla, en este caso hexano).

5. Colocar un erlenmeyer debajo de la columna, añadir un poco del disolvente utilizado para preparar la papilla e introducir ésta en la columna con ayuda de un embudo de sólidos. La columna se golpea ligeramente con la mano o con ayuda de un trozo de goma para que el adsorbente se deposite de manera uniforme, a la vez que se abre la llave de la columna para permitir la salida del disolvente. Es muy importante evitar la formación de grietas, burbujas o grumos durante el proceso de llenado y compactado de la columna, ya que pueden afectar a la separación. Las paredes de la columna se lavan con pequeñas cantidades del disolvente utilizado para eliminar los restos de adsorbente. El proceso de compactado puede agilizarse con ayuda de un compresor, que se adapta a la parte superior de la columna mediante un septum.

31

6. Una vez compactada la columna, se deja eluir el disolvente hasta cubrir ligeramente el adsorbente y se cierra la llave de la columna. [Opcionalmente, se puede añadir un lecho de arena (aprox. 1 cm de espesor) con objeto de proteger el frente de las salpicaduras que pueden producirse al añadir la muestra a separar y nuevas cantidades de eluyente. En este caso el nivel del disolvente debe quedar ligeramente por encima del nivel de la arena.

7. La superficie superior del adsorbente (o, en su caso, de la franja de arena) deben quedar perfectamente horizontales para una buena separación. El adsorbente no debe secarse nunca ya que se formarían canales y burbujas de aire que dificultan la separación.

Introducción de la muestra. A. Muestra en disolución.

1. Disolver la muestra en la mínima cantidad (1 mL) de disolvente o mezcla de disolventes que se va a utilizar como eluyente e introducirla directamente, con ayuda de una pipeta, en la parte superior de la columna, sin que se deforme el frente del adsorbente.

2. Abrir la llave de la columna hasta que la disolución enrase el nivel de la arena. Se cierra la llave y se añaden 0.5 mL de eluyente.Se vuelve a abrir la llave y se repite la operación hasta que el sobrenadante quede incoloro. De este modo la muestra se adsorbe en una banda lo más estrecha posible lo que permitirá una mejor separación.

B. Muestra dispersada en el adsorbente.

1. Depositar una pequeña cantidad (una o dos puntas de espátula) del adsorbente utilizado (en este

caso, gel de sílice) en un vaso de precipitados de 100 mL, añadir una disolución de la muestra en 1 mL de diclorometano (en general, en un disolvente en el que la muestra sea perfectamente soluble) y mezclar íntimamente. Al evaporarse el disolvente, el adsorbente debe quedar perfectamente desagregado y suelto.

2. La muestra adsorbida en la gel de sílice se introduce en la parte superior de la columna con ayuda de un embudo de sólidos perfectamente seco. En este caso, el nivel de eluyente existente en la columna debe ser el adecuado para “mojar” completamente la muestra.

3. Se añaden 0.5 mL de eluyente que se va a utilizar en la separación y se abre la llave hasta que el sobrenadante enrase el nivel del adsorbente. Esta operación se repite al menos dos veces más hasta observar que el sobrenadante aparece incoloro y, entonces, se procede a la separación tal como se detalla más adelante.

Separación. 1. Llenar la columna con el eluyente que se va a utilizar, teniendo cuidado de no deformar el

frente del adsorbente. 2. Abrir la llave de la columna y recoger las distintas fracciones en tubos de ensayo o

erlenmeyers. 3. Cuando se hayan recogido varias fracciones, evaluar por CCF si la separación ha sido

efectiva. 4. Reunir las fracciones que posean la misma composición y eliminar el disolvente por

destilación a vacío en el rotavapor. 5. Pesar el compuesto o los compuestos puros obtenidos y determinar su punto de fusión, en el

caso de que sean sólidos.

NOTA FINAL: Para completar la información debe consultarse el guión de prácticas de la asignatura de primer curso Introducción a la Experimentación Química.

32

Apéndice II: Análisis espectroscópico de compuestos orgánicos INFRARROJO

Fundamento: Absorción de radiación electromagnética en la zona del infrarrojo, que produce una vibración de los enlaces de la molécula. Para cada tipo de enlace, la absorción se produce a determinadas frecuencias. A nivel básico, proporciona información acerca de los grupos funcionales presentes en la molécula. Intervalo de medida: 600-4000 cm-1 Frecuencias características de absorción infrarroja

Enlace Tipo de compuesto Intervalo de frecuencia (cm-1) C-H Alcanos 2850-2960 / 1350-1470 C-H Alquenos 3020-3080 / 675-1000 C-H Anillos aromáticos 3000-3100 / 675-870 C-H Alquinos 3300 C=C Alquenos 1640-1680 C≡C Alquinos 2100-2260 C=C Anillos arométicos 1500, 1600 C-O Alcoholes, éteres, ácidos carboxílicos, ésteres 1080-1300 C=O Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, amidas,

ésteres 1690-1760

O-H Alcoholes monómeros, fenoles 3610-3640 O-H Alcoholes con puentes de hidrógeno, fenoles 3200-3600 (ancha) O-H Ácidos carboxílicos 2500-3000 (muy ancha) N-H Aminas 3300-3500 C-N Aminas 1180-1360 C≡N Nitrilos 2210-2260 -NO2 NItroderivados 1345-1560 / 1345-1385 RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR Fundamento: los núcleos con spin≠0 (1H, 13C, 31P, etc) se comportan como “imanes” en presencia de un campo magnético externo, orientándose a favor o en contra de dicho campo. La diferencia de energía de ambos niveles es pequeña pero este gap se incrementa al aumentar la intensidad del campo. Si en estas condiciones (en el seno de un campo magnético H0) una muestra que contiene núcleos magnéticamente activos se irradia con una fuente de radiofrecuencia, la relación de núcleos con spines alineados y opuestos al campo se altera por la absorción de la radiación y cuando cesa ésta, se restablece el equilibrio inicial. Un receptor de radiofrecuencias acusa la absorción de la radiación y esta señal eléctrica se procesa para poderla registrar. Los núcleos de la muestra sobre los que se centra el experimento (por ejemplo, 1H), no se excitan o resuenan todos a la misma frecuencia ya que tienen alrededores electrónicos distintos que generan campos magnéticos inducidos de distinta magnitud. La frecuencia de resonancia de un determinado núcleo es proporcional al valor del campo magnético local (H0-Hind), de ahí que puedan diferenciarse los distintos tipos de núcleos de una muestra por el valor de su frecuencia de resonancia característica. Para registrar el espectro se varía la intensidad del campo magnético manteniendo constante la frecuencia de irradiación. Resonancia Magnética Nuclear de Protón Aspectos a tener en cuenta: 1.- Posición de las señales sobre una escala de frecuencias referenciada a un patrón interno de manera que sea independiente de la magnitud del campo magnético externo (ppm): proporciona información acerca del entorno electrónico del protón (“tipo de protón”). 2.-. Número de señales: indica cuántos “tipos de protones” presenta la molécula. 3.- Intensidad de las señales (medida a través del valor de la integral): Número de protones de cada “tipo”. 4.- Desdoblamiento o multiplicidad de la señal: Tipo y número de protones y otros núcleos magnéticamente activos alrededor del núcleo (fundamento: dos o más núcleos próximos se comportan como imanes que se influyen mutuamente multiplicando los estados energéticos de su resonancia). 5.- Intervalo de medida más frecuente: 0-10 ppm (partes por millón).

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Resonancia Magnética Nuclear de Carbono 13 (-RMN): Análisis del isótopo 13C (1,1% del carbono natural), por lo que la sensibilidad es menor. El espectro más utilizado está desacoplado: Se eliminan los acoplamientos 1H-13C (los 13C-13C son muy poco probables), por lo que las señales son singletes finos y no se pueden integrar. Aspectos a tener en cuenta: 1.- Número de señales: Indica el número total de carbonos (las isocronías son poco frecuentes) 2.- Posición de las señales: proporciona información acerca del entorno electrónico del núcleo. 3.- Intervalo de medida más frecuente: 0-220 ppm. Desplazamientos químicos protónicos característicos:

Tipo de Protón Desplazamiento químico, ppm Primario R-CH2-H 0.9 Secundario R2-CH-H 1.3 Terciario R3-C-H 1.5 Vinílicos C=C-H 4.6 - 5.9 Acetilénicos C≡C-H 2 - 3 Aromático Ar-H 6 - 8.5 Bencílico Ar-C-H 2.2 - 3 Alílicos C=C-CH2-H 1.7 Cloruros H-C-Cl 3 - 4 Bromuros H-C-Br 2.5 - 4 Alcoholes H-C-OH 3.4 – 4 Eteres H-C-OR 3.3 –4 Esteres RCOO-C-H 3.7 – 4.1 Esteres H-C-COOR’ 2 – 2.2 Ácidos H-C-COOH 2 – 2.6 Compuestos carbonílicos H-C-C=O 2 – 2.7 Aldehídos R-CH=O 9 - 10 Hidroxílicos RO-H 1 – 5.5 Fenólicos ArO-H 4 – 12 Carboxílicos RCOO-H 10.5 - 12 Aminas RN-H 1 - 5

Desplazamientos químicos para 13C según el tipo de grupo funcional

240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 δ

C=O de aldehídos y cetonas

C=O de ácidos, ésteres, amidas

C Aromáticos

C=C

C≡C

C-O y C-N

C alcanos

oesqiiguion

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