Pruebas de caracterizacin de hidrocarburos

1. RESUMENLa prctica se inici con la prueba de solubilidad en agua y posteriormente en ter de petrleo, en estas se utilizaron 0,05 g de hexano 1, heptano 2, hexeno 3, octeno 4, hexino 5, octino 6, tolueno 7 y naftaleno 8. Para la primera prueba se agregaron 0.5 mL de agua a cada compuesto y se evidenci la formacin de dos fases en esta solucin. Para la solubilidad de ter de petrleo se agregaron 0.5 mL de este y se observ una fase en la solucin. Esto ocurre debido a que lo semejante disuelve lo semejante, por ello la solubilidad de los hidrocarburos en el ter de petrleo ya que son compuestos apolares que poseen fuerzas intermoleculares de van der walls, mientras que el agua presenta fuerzas dipolo-dipolo y puentes de hidrogeno. La segunda prueba fue la de oxidacin en permanganato de potasio al 2% en temperatura ambiente, en esta se utilizaron 5 gotas de los compuestos 3, 4, 5, 6 y 7. En esta prueba los hidrocarburos reaccionaron formando un precipitado marrn a excepcin del compuesto 7 que no estaba en las condiciones para esta reaccin. Por lo anterior, esta reaccin es caracterstica de alquenos y alquinos, pues en los aromticos se oxida la cadena lateral. En la prueba de halogenacin (bromacin), se utiliz 5 gotas de los compuestos 1,3 y 5 y se les aadi solucin de bromo en diclorometano. En esta prueba se observ que el compuesto 1 no reaccion debido a que no estaba en las condiciones necesarias, esto se evidencio ya que este no fue incoloro en comparacin a los dems, por esto, el tubo se ubic cerca de la luz ultravioleta. Finalmente, esta prueba se utiliz para identificar la presencia de instauracin (enlaces doble y triple). La ltima prueba fue la del efecto de los activadores y los desactivadores. En esta utilizaron 5 gotas de anilina 9, nitrobenceno 10 y el compuesto 7; y se les agreg bromo en diclorometano. Se observaron diferentes velocidades en estas reacciones, las cuales se evidenciaron con el cambio de color. El compuesto 9 tiene un activador fuerte lo que aceler la reaccin, provocando un desprendimiento de humo. El 7 tiene un activador dbil, por esto la reaccin se dio de manera lenta. Mientras que, el 10 tiene un desactivador y por ende la reaccin no se dio en condiciones ambientales y no se observ cambio de color. De acuerdo a lo anterior, los activadores y desactivadores determinan la velocidad de una reaccin. 2. INTRODUCCIN:Los hidrocarburos son combinaciones de carbonos e hidrgenos, considerados estructuralmente como los esqueletos fundamentales de las molculas orgnicas. Tiene como caracterstica la insolubilidad en agua por ello son considerados molculas apolares. Se clasifica en: hidrocarburos alifticos y los aromticos1. Los alifticos son compuestos de cadena abierta que sufren de reacciones de adicin electrofilica. Se distinguen segn el grado de saturacin entre tomos de carbono vecinos (tipo de enlaces existentes entre los tomos de carbono): Los alcanos (hidrocarburos saturados) poseen nicamente enlaces sencillos, los alquenos (hidrocarburos etilenicos no saturados) poseen enlaces dobles y los alquinos (hidrocarburos acetilnicos no saturados) tienen enlaces triples2. Por otra parte, los aromticos se identifican por su anillo de benceno el cual tiene gran estabilidad debido a las energas de deslocalizacin3.

La aromaticidad del benceno hace que presente reacciones de sustitucin electrofilica y nucleofilica. Entre las reacciones ms comunes estan: la halogenacin, la nitracin, la sulfonacin, la alquilacin y la acilacin de Friedel-Crafts4.

En los hidrocarburos aromticos se encuentran dos grupos de sustituyentes: Los sustituyentes activadores determinan que el anillo de benceno sea ms reactivo en la sustitucin electroflica aromtica y los sustituyentes desactivadores que inducen menor reactividad del anillo de benceno5.

En esta prctica se utilizaran diferentes hidrocarburos para determinar sus propiedades fsicas y qumicas y para ello se har pruebas de solubilidad, oxidacin, halogenacion y se mirar el efecto de activadores y desactivadores en ellos.

La pruebas realizadas en esta prctica de laboratorio sern de gran importancia para nuestra futura carrera, pues con la reduccin de la solubilidad podremos disimular el sabor de un frmaco original, evitar la degradacin excesiva del frmaco original en el intestino y favorecer la absorcin de los frmacos en el tubo digestivo6. Adems los agentes utilizados en quimioterapia para tratamiento del cncer, as como la mayora de los componentes de los frmacos proceden de reacciones qumicas7

3. RESULTADOS En la prctica de laboratorio se utilizaron diferentes hidrocarburos tanto aromticos como alifticos con el fin de realizar las reacciones que se deseaban. A continuacin se presentara las estructuras de los compuestos 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10.16

27

38

49

5

10

En la Tabla 1 se muestran los resultados que se obtuvieron durante la prctica de laboratorio luego de llevar acabo la prueba de solubilidad

Tabla 1. Prueba de solubilidad en agua y ter de petrleo de hidrocarburos alifticos y aromaticos

CompuestoSolubilidad en aguaSolubilidad en ter de petrleo

1InsolubleSoluble

2InsolubleSoluble

3InsolubleSoluble

4InsolubleSoluble

5InsolubleSoluble

6InsolubleSoluble

7InsolubleSoluble

8InsolubleSoluble

En la siguiente tabla se muestra el resultado de la prueba de oxidacin luego de evidenciar el comportamiento de la reaccin entre permanganato de potasio al 2% en temperatura ambiente con hidrocarburos alifticos y aromticos.

Tabla 2. Pruebas de oxidacin con KMnO4 al 2 % de hidrocarburos alifticos y aromticos de 3-7.

En la Tabla 3 se mostraran los resultados de la prueba de halogenacin con diferentes hidrocarburos alifticos. Tabla 3. Pruebas de halogenacin con Br2/CH2Cl2 al 2% de hidrocarburos alifticos del 1, 3 y 5.CompuestoObservacin Tiempo de reaccin

1Lila (no reacciono)Reaccion despus de 10 minutos en la luz ultravioleta

3IncoloroRpido

5IncoloroRpido

La Tabla 4 contiene los resultados de cada efecto provocado por la presencia de los grupos activadores y desactivadores en los aromticos.

Tabla 4. Efecto de grupos activadores y desactivadores en el benceno: reaccin con Br2/CH2Cl2

4. ANLISIS DE RESULTADOSEn la Tabla 1 se observ que todos los hidrocarburos fueron insolubles en agua. Esto se debe a que lo semejante disuelve a lo semejante, ya que los hidrocarburos y el ter de petrleo, adems de ser apolares, presentan fuerzas de Van Der Waals. Mientras que el agua (que es polar) presenta fuerzas dipolo-dipolo y puentes de hidrogeno. Por lo tanto, esta diferencia de fuerzas intermoleculares entre los hidrocarburos y el agua no permite que haya una atraccin entre ellos, lo que provoca su insolubilidad. Otra prueba realizada fue la de oxidacin con permanganato de potasio, donde se observ en la Tabla 2 que los compuestos 3 y 5 reaccionaron ms rpido que 4 y 6 y que 7 no reaccion. A continuacin se muestras las ecuaciones de estas reacciones: 3 11 12 (1)

(2)

(3)

4 13 12

5 14 12

(4)

6 15 12 7(5)

Los siguientes compuestos reaccionaron con el KMnO4 : el compuesto 3 dio (Z) 1,2-hexanodiol 11 y oxido de manganeso (IV) 12, el 4 dio (Z) 1,2-octanoodiol 13 y el compuesto 12, el 5 dio 1,2-hexanodiona 14 y el compuesto 12 y el 6 dio 1,2-octanodiona 15 y el compuesto 12. El compuesto 7 fue el nico compuesto que no reaccion en esta prueba de oxidacin debido a que no se encontraba bajo las condiciones necesarias.Los hidrocarburos que reaccionaron en la prueba de oxidacin fueron los alifticos que posean enlaces triples y dobles es decir alquinos y alquenos respectivamente. Los hidrocarburos mencionados anteriormente son mucho menos resistentes a la oxidacin, es decir que son muy reactivos en presencia de diversos oxidantes los cuales sufren una ruptura en los enlaces carbono carbono a diferencia de los alcanos que se caracterizan por su inercia qumica8. Estos compuestos que tienen enlaces etilenicos o acetilnicos reaccionan con solucin diluida de KMnO4. Los alquenos, en frio, forman glicoles (compuestos con dos grupos hidroxilo en carbonos adyacentes) y los alquinos forman compuestos con dos grupos de cetonas en carbonos adyacentes. Segn proceda la reaccin, el color purpura de ion permanganato se reemplaza por un precipitado marrn de dixido de manganeso. Debido a este cambio de coloracin, se puede utilizar esta reaccin como una prueba qumica para distinguir alquenos y alquinos de alcanos, los cuales normalmente no reaccionan9.Por otra parte, los hidrocarburos aromticos son compuestos altamente insaturados, pero con un sistema de dobles enlaces deslocalizados que le otorga una estabilidad especial al anillo; por esta razn no experimentan las reacciones de adicin y oxidacin tpicas de alquenos y alquinos10.Esquema 1

4 16

13 12El mecanismo para la oxidacin de alquenos es el siguiente: el KMnO4 forma un intermediario manganeso cclico 16 cuando reacciona con el compuesto 4. Las reacciones se efectan porque el manganeso se halla en un estado de oxidacin muy positivo y en consecuencia atrae electrones. (El manganeso tiene estado de oxidacin de +7 y +8, respectivamente). La formacin del compuesto 16 es una reaccin syn porque los dos oxgenos se adicionan por el mismo lado del doble enlace. Cuando se hidroliza, el compuesto 16 se abre y forma el compuesto 13 y 12. Igualmente, el compuesto 3 realiza el mismo mecanismo, formando el compuesto 11 y el compuesto 12(11). (6)

17 18El mecanismo de los alquinos 5 y 6 es relativamente similar al de los alquenos. Este se diferencia en la formacin de un tetraol 17 que posteriormente, con la hidrolizacion forma una dicetona 18.

En la prueba de halogenacin con bromo en diclorometano, se observa en la Tabla 3 que los compuestos 3 y 5 reaccionaron rpidamente mientras que el 1 no reaccion bajo las condiciones ambientales y por ello fue ubicado cerca de la luz ultravioleta. A continuacin se muestran las ecuaciones de las reacciones que se llevaron a cabo:

(7)

3 19(8)205

22 21 (9)1

Los compuestos 3 y 5 reaccionaron bajo temperatura ambiente. El compuesto 3 dio 1,2-dibromohexano 19 y el 5 dio 1,2- dibromohexeno 20. Por otra parte, el compuesto 1 reaccion luego de ser ubicado en la luz ultravioleta y dio 2-bromohexano 21 cido bromhidrico 22.La reaccin de halogenacion con bromo en diclorometano es utilizada a menudo para identificar la presencia de instauracin, debido a que hay un cambio en la coloracin de la solucin al ocurrir la adicin a estos tipos de enlaces. Esta reaccin en los alcanos slo se efectan a temperaturas altas o en presencia de la luz ultravioleta, ya que suministra la energa necesaria para romper el enlace BrBr homolticamente, formando radicales libres que son muy reactivos, puesto que contiene un tomo con un electrn no apareado12. Por lo anterior, esta reaccin no se pudo realizar durante la prctica a temperatura ambiente, a diferencia de los alquenos y alquinos que lograron esta reaccin en estas condiciones. La halogenacion en los alquenos es posible porque el enlace que une a los dos tomos de halgeno es relativamente dbil y en consecuencia se rompe con facilidad. Los alquinos son menos reactivos que los alquenos pero al igual que este presentan adiciones electrofilicas. Sin embargo, las reaccion de adicion de un reactivo electrofilico a un alquino da como resultado un alqueno13. Lo anterior se evidenci durante la prctica, ya que los compuesto 3 y 5 fueron incoloros, mientras que el compuesto 1 permaneci con color antes de ubicarse en la luz ultravioleta.Los mecanismos de las reacciones anteriores proceden de la siguiente forma:

Esquema 2

23 24 25

1 21 22

Al compuesto 23 se le se suministra la energa necesaria para romper el enlace BrBr en este caso luz ultravioleta. Este es el paso de iniciacin de la reaccin porque forma radicales. El radical bromo que se forma extrae un tomo de hidrgeno del compuesto 1 y forma HBr 22 y el compuesto 21(14). Esquema 3232726193

Cuando los electrones del compuesto 3 se acercan al compuesto 23, uno de los tomos de bromo acepta esos electrones y libera los electrones del enlace BrBr al otro tomo de bromo. Obsrvese que un par libre de electrones no enlazado en el bromo es el nuclefilo que se fija al otro carbono sp2. As, el electrfilo y el nuclefilo se adicionan al doble enlace en el mismo paso. El ion bromonio cclico 26 es inestable porque todava hay bastante carga positiva en lo que era el carbono sp2. Por consiguiente, el compuesto 26 reacciona con un nuclefilo, que es el ion bromuro 27. El producto es el compuesto 19 (un dibromuro vecinal (15). El mecanismo de reaccin del compuesto 5 se lleva a cabo de la misma forma. En esta reaccin se forma el compuesto 28 que reacciona con el 27 formando el compuesto 20 (esquema 3).

Esquema 4

2328

20

275

En la tabla 5 se pudo observar que con el Br2/CH2Cl3 al 2%, el compuesto 9 y el compuesto 7 reaccionaron, mientras que el compuesto 10 no reaccion. Las ecuaciones de estas reacciones son las siguientes:

(10)30299

(11)317

32

(12)

10

El compuesto 9 reaccion con el Br2/CH2Cl3 al 2%, dando como resultado o-bromoanilina 29 y p-bromoanilina 30; y el compuesto 7 dio como resultado o-bromotolueno 31 y p-bromotolueno 32. El compuesto 10 no reaccion debido a que no se encontraba en las condiciones necesarias.

Como se observ en la tabla 5, los compuestos 9,7 y 10 presentan diferentes tiempos de reaccin los cuales se evidencian con el cambio de coloracin. Lo anterior se debe a los sustituyentes activadores (que direccionan en posicin orto y para) y los desactivadores (que direccionan en posicin meta) que estn presentes en el anillo aromtico. El compuesto 9 reaccion instantneamente, mostrando un cambio de color rpido y presencia de humo, esto ocurre porque su sustituyente es un activador fuerte que hace que la reaccin sea rpida, esto se da porque Los activadores donan electrones al anillo de benceno estabilizando tanto al carbocatin intermediario como al estado de transicin que lleva a su formacin16.

Con El compuesto 7 se da una reaccin lenta (que se evidencia con un cambio de color lento) ya que posee un activador dbil. Lo anterior se debe a que los activadores dbiles pueden donar electrones al anillo por resonancia y tambin pueden retirar electrones del anillo por el mismo mecanismo. Por esto, son un poco ms donadores que atractores de electrones17.

Por ltimo, el compuesto 10 no presenta cambio de color, lo que quiere decir que no reacciona. Esta no se da porque el compuesto posee un desactivador como sustituyente, y los desactivadores desestabilizan al carbocatin intermediario y al estado de transicin que lleva a su formacin18. Esquema 53736353433

El mecanismo para estos reactivos es el siguiente: El benceno 33 reacciona con un electrfilo (Y+) y forma un carbocatin intermediario. La estructura del carbocatin intermediario se puede representar con tres estructuras de resonancia 34,35 y 36. En la mezcla de reaccin, una base (:B) abstrae un protn del carbocatin intermediario y los electrones que formaban el enlace con el protn pasan al anillo para restablecer su aromaticidad y formar un benceno sustituido 37.(19)

5. REFERENCIAS1 PRIMO, Eduardo. Qumica organica bsica y aplicada: de las molecula a la industria. Barcelona: Reverte, 1996. 113-114 p.2 GARCIA, J.A, et al. Qumica teora y problemas. Albacete: Teber Flores, S.L, 2000. 301 p.3 YURKANIS, Paula. Qumica organica. 5 ed. Mexico: Pearson Educacion, 2008. 503 p. 4 Ibid., p.658.5 Ibid., p.681-684.6 AULTON, M.E. Farmacia : la ciencia del diseo de las formas farmacuticas. 2 ed. Espaa: Elsevier, 2004. 27 p.7 GONZALEZ, Alicia. RAMON, Josep y CALATAYUD, Luisa. Fisica y qumica: cuartoeso. Valencia: Nau Libres, 2011.80 p.9 GUTSCHE, David y PASTO, David. Fundamentos de Quimica Organica. Barcelona: Reverte, S.A, 2003. 216 p.10 YURKANIS, Paula. Op. cit., 288 p.