SEMANA 1

• Práctica 1: Recristalización. • Práctica 2: Destilación

• Práctica 3: Extracción y Cromatrografía

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PRACTICA 1: Recristalización. Utilización del punto de fusión para la caracterización de sólidos

Introducción: La recristalización es uno de los procedimientos más adecuados y sencillos para la purificación de sustancias sólidas. El procedimiento se basa en la diferente solubilidad de los compuestos orgánicos en un disolvente (o mezcla de disolventes) a dos temperaturas diferentes (temperatura ambiente o inferior y temperatura de ebullición). En primer lugar, el sólido se disuelve en la mínima cantidad de disolvente apropiado en caliente, con lo que se obtiene una disolución saturada. Al enfriar, la solución se sobresatura, con lo que el soluto empieza a formar pequeños núcleos cristalinos que van aumentando gradualmente de tamaño y cantidad a medida que disminuye la temperatura y con el tiempo. Las impurezas solubles permanecen en disolución, ya que no están en suficiente proporción como para saturar la disolución y cristalizar. Las impurezas insolubles se eliminan por filtración en caliente. El sólido obtenido se recoge por filtración. El factor más importante del que depende el éxito de esta técnica de purificación es la elección del disolvente. El disolvente debe cumplir varios requisitos, entre los cuales los dos más importantes son:

a) debe existir una gran diferencia de solubilidad del compuesto a purificar a baja y elevada temperatura. Lógicamente esta propiedad se cumplirá más fácilmente con los disolventes de punto de ebullición relativamente elevado, ya que de esta forma se dispone de un mayor intervalo de temperatura para establecer la diferencia de solubilidad necesaria.

b) ha de ser químicamente inerte frente a la sustancia a purificar. Entre los disolventes más comúnmente utilizados en la recristalización de compuestos orgánicos

se encuentran el tolueno (p.e. 110ºC), el acetato de etilo (p.e. 77ºC), la acetona (p.e. 56ºC), el hexano (p.e. 69ºC), el metanol (p.e. 65ºC), el etanol (p.e. 78ºC), y el agua (p.e. 100ºC). Con frecuencia se encuentra que una sustancia es muy soluble en unos disolventes y muy insoluble en otros, como para realizar una precipitación. En estos casos, se suele utilizar con buen resultado una mezcla de disolventes, siempre que sean miscibles.

El punto de fusión (p.f.) de un compuesto orgánico es una constante física característica del

compuesto y constituye un valioso criterio de pureza. Un sólido puro funde a una temperatura bien definida y en un intervalo muy pequeño de temperatura (1-2ºC). Por el contrario, un sólido impuro presenta generalmente un intervalo de fusión amplio (de varios grados) cuyo límite superior es claramente menor que el del compuesto puro. Por tanto, tras una recristalización acertada de un compuesto impuro debe observarse un incremento del punto de fusión del compuesto y/o una disminución del intervalo de fusión. Medida del punto de fusión La determinación del punto de fusión se lleva a cabo colocando un poco de sólido en el fondo de un tubo capilar cerrado por uno de sus extremos. Para la introducción del producto en el capilar se coloca un poco del sólido pulverizado sobre papel de filtro y se presiona con el tubo capilar por el extremo abierto hasta conseguir que un poco se introduzca en el interior (1-2 mm de altura). Para bajarlo

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hasta el extremo cerrado, se golpea suavemente sobre la mesa por el extremo cerrado hasta que el sólido quede firmemente empaquetado en el fondo.

La medida se realiza en un aparato, introduciendo el capilar verticalmente en uno de sus orificios superiores. El sólido debe ser visible a través del visor-lupa del aparato. Si el punto de fusión es desconocido, la calefacción debe hacerse lentamente. Si, por el contrario, se conoce el punto de fusión aproximado, puede calentarse rápidamente hasta unos 20ºC por debajo del valor esperado, continuando la calefacción lentamente de forma gradual. El valor inferior del interalo de fusión es la temperatura a la que aparecen las primeras gotas de líquido en el seño del sólido y el superior, la temperatura que se alcanza cuando todo el sólido ha fundido. El punto de fusión se expresa sin decimales, incluyendo entre paréntesis el disolvente empleando en la recristalización. Objetivos Esta práctica consiste en la purificación de un compuesto sólido utilizando la técnica de la recristalización, y la determinación de su pureza mediante la medida de su punto de fusión. Procedimiento

• Entregar un tubo de ensayo al profesor para que os de la muestra problema. • Medir el punto de fusión de la muestra antes de recristalizarla.

Para llevar a cabo la elección del disolvente para la recristalización se realizarán distintas pruebas de solubilidad en tubos de ensayo. El procedimiento a seguir es el siguiente: - en un tubo de ensayo se deposita un poco de sólido problema (una punta de espátula, aprox. 0,1 g) y sobre él se añade el disolvente a ensayar (aprox. 1 ml). - Se agita vigorosamente durante unos segundos y se observa qué cantidad se ha disuelto a temperatura ambiente: a) si el sólido problema se ha disuelto completamente o casi por completo, el disolvente no es adecuado para la recristalización. b) si el sólido problema es poco soluble, se procede a calentar el tubo de ensayo con su contenido en una manta eléctrica hasta la ebullición del disolvente. Si el sólido no se disuelve en caliente añadir un poco más de disolvente y calentar hasta ebullición (se puede añadir hasta un volumen total de 4-5 ml). Si finalmente no se logra disolverlo, descartar este disolvente. - Si se consigue disolver el sólido en caliente, dejar enfriar el tubo de ensayo lentamente hasta temperatura ambiente o incluso enfriar a 0ºC si no se observa la aparición de cristales. (En el caso de que no cristalice en frío se puede intentar inducir la cristalización rascando las paredes interiores del tubo de ensayo con la espátula; los pequeñísimos fragmentos de vidrio desprendidos pueden actuar como núcleo de cristalización).

• Rellenar los datos de la siguiente tabla:

Solubilidad en frío

Solubilidad en caliente

Hexano Metanol Acetato de Etilo Tolueno Agua

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• Una vez elegido el disolvente, colocar toda la muestra problema pulverizada (previamente pesada) en un erlenmeyer y añadir poco a poco el disolvente caliente con agitación continua hasta la completa (o casi completa) disolución del producto (mientras se realiza esta operación, la mezcla debe mantenerse caliente para evitar la rápida cristalización o precipitación del producto). Concluida esta operación, si se observan impurezas no solubles la mezcla caliente se filtra por gravedad (ver figura 1) lo más rápidamente posible utilizando un embudo cónico y un filtro de pliegues (ver figura 2) (a ser posible, previamente calientes).

Figura 1 Figura 2

• Dejar enfriar la solución hasta temperatura ambiente sin mover el erlenmeyer. Puede ser conveniente, si la cristalización no ha sido completa, introducir el erlenmeyer en un baño de hielo con el fin de aumentar la masa cristalina.

• La separación de los cristales de las aguas madres de cristalización se efectúa mediante filtración a presión reducida (bomba o trompa de agua) utilizando un embudo Buchner, un kitasato y un filtro circular (ver figura 3). Para recoger los últimos cristales residuales del erlenmeyer puede añadirse un poco del disolvente frio utilizado, vertiéndolo sobre el Buchner, lo que permite además el lavado del sólido. Este debe mantenerse en el embudo durante algunos minutos adicionales sin eliminar la succión para conseguir el máximo secado de los cristales. Figura 4 Figura 3

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• Pesar la cantidad de sólido obtenido tras la recristalización. Secarlo en un desecador (ver figura 4) hasta conseguir una masa constante. Calcular el rendimiento del proceso.

• Proceder a la medida del punto de fusión. • Compararlo con el obtenido antes de la recristalización y sacar conclusiones. • Con los resultados obtenidos en la práctica, completar el siguiente esquema:

• Teniendo en cuenta los resultados experimentales, elegir cuál ha sido la muestra problema y la impureza asignada de entre las siguientes posibilidades:

Posibles muestras problemas: - ácido benzóico (p.f. 123ºC) - ácido esteárico (p.f. 71-72ºC) - ácido salicílico (p.f. 159-160 ºC) - antraceno (p.f. 218 ºC) - acetanilida (p.f. 114ºC) - 9-fluorenona (80-83 ºC) Mezclado con alguna de las siguientes “impurezas”: - carbón activo - arena - NaCl

Muestra problema inicialAspecto:p. f.Peso:

Impurezas (solubles, insolubles, aspecto):

Disolvente recristalización:p.eb.:

DisoluciónColor:

Sólido puroColor, aspecto:p.f.:Peso:

Muestra problema inicialAspecto:p. f.Peso:

Impurezas (solubles, insolubles, aspecto):

Disolvente recristalización:p.eb.:

DisoluciónColor:

Sólido puroColor, aspecto:p.f.:Peso:

DisoluciónColor:

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Cuestiones

- ¿Qué tienes que tener en cuenta a la hora de elegir el tipo de filtración que vas a realizar (por gravedad

o a presión reducida)?

- Describe en qué consiste y cómo se lleva a cabo una recristalización en una mezcla de dos disolventes.

- ¿Se podrían separar por recristalización dos sólidos de igual punto de fusión?

- ¿El punto de fusión de una sustancia pura varía según el disolvente de recristalización utilizado?

-.Teniendo en cuenta las solubilidades de A y B recogidas en la tabla, indicar qué disolvente elegirías para

recristalizar una muestra sólida compuesta por 8,5 g de A y 1,5 g de B con el objeto de purificar el

componente mayoritario.

Disolvente solubilidad de A (g/100ml) solubilidad de B (g/100ml)

en frío en caliente en frío en caliente

éter etílico 5 15 0,5 2

n-propanol 1 10 1 10

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PRACTICA 2: Destilación. Aplicación de esta técnica a la separación de líquidos

Introducción La destilación es el método más frecuentemente empleado para la purificación de líquidos. Se utiliza para la separación de un líquido de sus impurezas no volátiles y, cuando es posible, para la separación de dos o más líquidos. En el caso más sencillo, el líquido se calienta hasta su punto de ebullición produciéndose su paso al estado gaseoso. A continuación, este vapor se condensa por contacto con una superficia fría (el refrigerante) formando el destilado, que se recoge separadamente. La técnica de destilación puede adaptarse a líquidos que descomponen antes de alcanzar su punto de ebullición. Esta modificación se denomina destilación a vacío. Líquidos puros El punto de ebullición (p.eb.) de un líquido puro es una constante física característica del compuesto y se define como la temperatura a la cual su presión de vapor se iguala a la presión exterior. Debido a su dependencia con la presión exterior, el p. eb. debe expresarse siempre como un intervalo indicando la presión a la que ha sido determinado (ejemplo, p.eb. 110-112 ºC (20 mm Hg)). Cuando la presión exterior es la presión atmosférica (760 mm Hg) se habla de punto normal de ebullición. Azeótropos Un líquido destila a una temperatura constante. Sin embargo, un punto de ebullición constante no implica necesariamente que el líquido esté puro, ya que alguna mezclas de compuestos forman azeótropos. Azeótropo o mezcla azeotrópica es una mezcla de composición constante que, debido a la existencia de interacciones intermoleculares entre sus componentes, se comportan como líquidos puros y destilan a temperatura constante. Por ejemplo, el etanol ordinario es un azeótropo de p.eb. 78ºC, formado por un 95,5% de etanol y un 4.5% de agua. El benceno (p.eb. 80ºC) forma un azeótropo con el agua (p.eb. 100ºC) que hierve a 69ºC, y está constituido por un 91% de benceno y un 9% de agua. Mezclas de líquidos Cuando se calienta una mezcla de dos o más líquidos, el punto de ebullición normal es entonces la temperatura a la cual la tensión de vapor total (la suma de las tensiones de vapor parciales ejercidas por cada uno de los líquidos que forman la mezcla) se iguala a la presión atmosférica (760 mm Hg). Pt = Px + Py En las disoluciones ideales se cumple la ley de Raoult, es decir, la presión parcial ejercida por un componente de la disolución a una temperatura dada es igual a la tensión de vapor de la sustancia pura multiplicada por su fracción molar en la disolución. Px = Px

oNx donde: Px es la presión parcial de x en la mezcla Px

o es la tensión de vapor de x puro Nx es la fracción molar de x en la mezcla

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De esta ley se decuce: a) el punto de ebullición de una mezcla depende de los puntos de ebullición de sus componentes y sus proporciones relativas. b) en una mezcla de dos líquidos, el punto de ebullición está comprendido entre los puntos de ebullición de los componentes puros. c) el vapor producido siempre será más rico en el componente de punto de ebullición más bajo que el líquido con el que está en equilibrio. Por tanto, siempre que se tenga una mezcla de dos o más componentes que se diferencien suficientemente en los puntos de ebullición se podrá separar en cada uno de sus componentes por destilación. A) DESTILACIÓN SENCILLA. Este tipo de destilación se utiliza para separar mezclas de componentes

líquidos que hiervan con una diferencia en sus respectivos puntos de ebullición de al menos 80ºC. También se emplea para purificar líquidos que contengan una pequeña proporción de impurezas sólidas o líquidas. (Ver montaje en figura 1a).

Figura 1(a) (b)

B) DESTILACIÓN FRACCIONADA. Se utiliza para la separación de líquidos cuyos p.eb. difieran entre 30-80ºC. Es equivalente a hacer varias destilaciones sencillas sucesivas de forma continua. Para ello se utiliza una columna de destilación fraccionada (columna Vigreaux, por ejemplo) que proporciona una gran superficie de intercambio continuo de calor en las condiciones de equilibrio entre el vapor ascendente y el condensado descendente (ver figura 1b). Esto posibilita una serie de evaporaciones y condensaciones parciales a lo largo de la columna que, en definitiva, permite alargar el camino entre el matraz de destilación y el refrigerante incrementando el número de pequeños ciclos de evaporación-condensación. Cuanto mayor sea el número de estos ciclos más se enriquecerá el vapor en el componente más volatil. Estos ciclos serán tambien más numerosos cuanto mayor sea la superficie de contacto de la columna así como cuanto mayor sea la longitud de la columna. La columna de destilación es una columna de vidrio sencilla rellena de materiales inertes con una gran superficie como cuentas o hélices de vidrio.

C) DESTILACIÓN A VACÍO. Muchas sustancias no pueden destilarse a presión atmosférica porque se

descomponen antes de alcanzar su p.eb. o porque éste es tan elevado que su destilación no es

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conveniente. En tales casos, los líquidos pueden destilarse a presión reducida, ya que, como se comentó anteriormente, la temperatura de ebullición disminuye a medida que lo hace la presión exterior. La destilación a vacío es aplicable tanto a la destilación sencilla como a la destilación fraccionada. Conociendo el punto de ebullición normal de un compuesto se puede conocer el punto de ebullición a una presión diferente (menor) haciendo uso del siguiente diagrama:

D) DESTILACIÓN EN ROTAVAPOR (evaporador rotativo). Esta destilación no es más que una destilación a vacío llevada a cabo en un aparato especialmente diseñado para eliminar el disolvente de una disolución, recuperando el soluto (que normalmente es el compuesto de interés y que puede ser sólido o líquido) en el matraz de destilación y el disolvente en el matraz colector (figura 2).

Figura 2

Objetivos Esta práctica consiste en la separación de dos compuestos líquidos por destilación aprovechando el distinto punto de ebullición de ambos.

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Procedimiento - El alumno entregará un Erlenmeyer de 250 ml para que le sea proporcionada la mezcla a separar. Una

vez comprendido el mecanismo de operación se procederá a destilar la muestra problema mediante destilación fraccionada a presión atmosférica.

- Introducir la mezcla problema en el matraz de destilación con ayuda de un embudo para evitar manchar el esmerilado. Situarlo en el baño de arena (o silicona) sujetándolo con una pinza e introducir un imán o unos trozos de plato poroso.

- Engrasar ligeramente la boca esmerilada macho de la columna de fraccionamiento y colocarla sobre el matraz girándola dentro de éste para repartir uniformemente la grasa.

- Operando de la misma forma, montar el resto del aparato de destilación según la figura 1b. Todas las piezas deberán estar sujetas mediante clips o muelles para evitar su separación. Para sujetar el equipo sólo es necesario poner otra pinza (en otro soporte) en el refrigerante, evitando tensiones en el montaje (esta pinza no hace falta apretarla fuertemente, basta con que impida que el equipo se caiga).

- Abrir el grifo de agua, graduando la corriente de manera que el flujo sea pequeño pero suficiente para la renovación de agua continua en el refrigerante.

- Comenzar la calefacción. El líquido empezará a hervir y se observará como los vapores comienzan a ascender por la columna de fraccionamiento, produciéndose un reflujo (condensación-evaporación) más o menos acusado a lo largo de toda ella. Cuando los vapores alcanzan el bulbo del termómetro comenzará a aumentar la temperatura hasta estabilizarse. Todo el condensado inicial que se pueda recoger antes de esta estabilización constituye la “cabeza de destilación” y, en principio, debe despreciarse.

- Una vez estabilizada la temperatura, cambiar el matraz de recogida para obtener el compuesto más volátil. Anotar el punto de ebullición. Cuando éste se agota, disminuirá la temperatura hasta que los vapores del componente menos volátil no alcancen el bulbo del termómetro. Cuando vuelva a estabilizarse se cambiará el matraz del destilado para recoger el segundo componente. Anotar el p.eb. Durante todo el proceso la calefacción debe graduarse de manera que el flujo de destilado sea continuo.

- Dejar enfriar el equipo y desmontarlo en el sentido inverso al que se montó. La desconexión de las gomas del refrigerante deben comenzar por el extremo que está unido al grifo (una vez cerrado), dirigiéndolas a la pileta de desagüe.

- Anotar los volúmenes de destilado obtenidos en cada una de las fracciones separadas. - Analizar los resultados obtenidos. - Mira una tabla de puntos de ebullición de disolventes orgánicos habituales y elige cuales han sido los

componentes de tu mezcla. - Utiliza los resultados obtenidos para completar el siguiente esquema:

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Cuestiones - ¿Por qué no debe llenarse el matraz de destilación más de la mitad de su capacidad? - En una destilación fraccionada, ¿para qué sirve el relleno de la columna Vigreaux? ¿Por qué hay que realizar la destilación de forma lenta? - Calcula el punto de ebullición normal de un líquido cuyo punto de ebullición observado a 1 mmHg es 50ºC. Explica cómo lo has calculado. - ¿Qué ventajas aporta la destilación a vacío? - ¿Qué precauciones deben tomarse para destilar un líquido inflamable? - En la separación por destilación simple de una mezcla (1:1) de tolueno (p.e. 110 ºC) y ciclohexano (p.e. 80 ºC) se obtienen las siguientes fracciones de destilados:

• fracción recogida entre 80-89 ºC; • fracción recogida entre 90-99ºC; • fracción recogida entre 100-110ºC.

Indica cuál será el contenido de cada una de estas fracciones

Muestra problemaAspecto:

Finaliza la destilación del componente más volátil.Observación:

● Temperatura de destilación estable:● Temperatura del baño de arena:

Punto de ebullición:Composición:Volumen:

● Temperatura de destilación estable:● Temperatura del baño de arena:

Punto de ebullición:Composición:Volumen:

Muestra problemaAspecto:

Finaliza la destilación del componente más volátil.Observación:

● Temperatura de destilación estable:● Temperatura del baño de arena:

Punto de ebullición:Composición:Volumen:

● Temperatura de destilación estable:● Temperatura del baño de arena:

Punto de ebullición:Composición:Volumen:

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PRACTICA 3: Extracción y Cromatografía. Aplicación de la extracción a la separación de los componentes de una mezcla

Introducción

La extracción es la técnica más empleada para separar un producto orgánico de una mezcla de

reacción o para aislarlo de sus fuentes naturales. Puede definirse como la separación de un componente de una mezcla por medio de un disolvente.

Cuando se realizan reacciones orgánicas es muy habitual que se requiera un tratamiento acuoso, debiendo aislarse el compuesto orgánico final de este medio por extracción. El proceso se lleva a cabo en un embudo de decantación, en el que tras agitación se dejan separar las fases (acuosa y orgánica). Los distintos productos presentes se distribuyen entre las fases acuosa y orgánica de acuerdo con sus solubilidades relativas. De este modo, las sales inorgánicas, prácticamente insolubles en disolventes orgánicos permanecerán en la fase acuosa mientras que los compuestos orgánicos insolubles en agua se encontrarán en la fase orgánica.

Esta técnica está basada en el coeficiente de reparto que presenta el soluto entre dos disolventes (en nuestro caso un disolvente orgánico y agua). En función de este coeficiente, se puede demostrar que, en general, para un volumen determinado de líquido extractivo, la eficacia de la extracción aumenta con el número de las mismas. Es decir, con el fin de asegurar la extracción total del producto es mejor extraer varias veces con pequeñas cantidades de disolvente (por ejemplo 2 x 25 ml) que una sola vez con una cantidad mayor (75 ml).

Existen una gran variedad de disolventes orgánicos utilizados en la extracción. Los más empleados son éter dietílico, diclorometano, cloroformo, acetato de etilo y tolueno. La elección del disolvente se realiza en cada caso teniendo en cuenta la solubilidad de la sustancia a extraer y la facilidad con la que puede separarse ésta del disolvente. Extracción ácido-base Esta técnica permite además la separación de compuestos orgánicos basándose en sus propiedades ácido-base. Así, compuestos orgánicos tales como los ácidos carboxílicos o los fenoles presentan propiedades ácidas, mientras que las aminas tienen propiedades básicas. Mientras que en su forma neutra todos ellos suelen ser poco solubles en agua y bastante solubles en disolventes orgánicos inmiscibles con el agua (típicamente, acetato de etilo, diclorometano), tras el tratamiento con una base acuosa, los compuestos con propiedades ácidas forman los correspodientes aniones carboxilato o fenóxido con características de solubilidad totalmente opuestas ya que poseen un carácter iónico que los hace mucho más solubles en medios acuosos. De manera análoga, las aminas se convierten tras tratamiento con un ácido acuoso en las correspondientes sales de amonio solubles en agua.

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Por otra parte, los carboxilatos y fenóxidos son fácilmente convertibles en el ácido carboxílico o fenol de partida por tratamiento de las disoluciones acuosas que los contienen con ácido clorhídrico recuperando así su insolubilidad en agua. Las aminas se regeneran a partir de los hidrocloruros correspondientes por tratamiento con una disolución de hidróxido sódico. En esta práctica se aprovecharán estos cambios de solubilidad para la separación de una mezcla de varios compuestos. Además, dada su diferencia de pKa, los ácidos y los fenoles pueden separarse en función de la base acuosa empleada: tanto los ácidos carboxílicos como los fenoles reaccionan con NaOH (10%) formando las correspondientes bases conjugadas. Sin embargo, si se utiliza una disolución saturada de NaHCO3 sólo se desprotonan los ácidos más fuertes (ácidos carboxílicos y fenoles con grupos fuertemente atractores de electrones). Secado de compuestos orgánicos

Pequeñas cantidades de humedad pueden inhibir la cristalización de muchos sólidos. Además, muchos líquidos, cuando destilan en presencia de agua, reaccionan con ésta o destilan junto a ella a unas temperaturas diferentes a las de sus puntos de ebullición. Por ello es necesario eliminar el agua de las disoluciones mediante algún procedimiento de secado. En la extracción, como consecuencia del contacto entre la fase acuosa y orgánica, es necesario realizar el secado de la disolución orgánica antes de eliminar el disolvente.

Los agentes desecantes. Los agentes desecantes son sólidos inorgánicos anhidros que se utilizan

para eliminar trazas de agua. Se dividen en tres grupos en función del mecanismo por el que actúan:

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a) sustancias que eliminan el agua de modo reversible por hidratación. Suelen utilizarse para el secado preliminar y, debido a que actúan reversiblemente, no son aptas cuando hay que refluir o destilar ya que la calefacción revertiría el equilibrio: CaCl2 + nH2O CaCl2.nH2O

El desecante hidratado se separa por filtración. Los desecantes más utilizados de este grupo son: MgSO4, Na2SO4, CaSO4, y K2CO3. De ellos, el sulfato sódico presenta una gran capacidad de secado pero es lento y de baja eficacia. Por el contrario, el sulfato magnésico anhidro es un desecante excelente para todos los fines. Presenta una gran capacidad de secado y es bastante rápido.

b) desecantes que reaccionan químicamente con el agua en un proceso no reversible. En este

caso los productos de reacción son completamente estables y el producto seco se separa del desecante generalmente por destilación. Los más comunes de este tipo son: el anhídrido fosfórico, que elimina el agua con mucha eficacia y rápidamente, sin embargo es caro y de difícil manejo. El sodio metálico es un agente muy eficaz, especialmente cuando se utiliza en forma de hilo muy fino. El sodio debe manejarse con cuidado ya que en contacto con el agua puede ocasionar una explosión violenta. El hidruro cálcico es un desecante poderoso y de gran capacidad de desecación.

P2O5 + 3 H2O → 2 H3PO4 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 CaH2 + 2 H2O → Ca(OH)2 + 2 H2 c) agentes adsorbentes que eliminan agua de modo reversible por adsorción de agua en su

superficie. Son la gel de sílice y los tamices moleculares. Estos desecantes no son aptos para calentar a reflujo o destilaciones.

La elección del desecante debe hacerse considerando los siguientes factores:

a) que no reaccione con la sustancia que se va a secar b) cantidad de agua presente y grado de secado necesario c) capacidad de secado: cantidad de agua que elimina por unidad de peso de desecante d) rapidez e) peligrosidad y facilidad de desactivación del residuo f) precio

Secado de las disoluciones orgánicas. Al finalizar el proceso de extracción, antes de eliminar el disolvente en el rotavapor debemos eliminar las trazas de agua que contiene la disolución orgánica como consecuencia del contacto entre las fases acuosa y orgánica y de que los disolventes orgánicos y el agua no son totalmente inmiscibles. Con objeto de minimizar la cantidad de agua en la disolución orgánica, antes de añadir el desecante se suele lavar la fase orgánica con una solución acuosa saturada de cloruro sódico (salmuera) que arrastra el agua presente en la fase orgánica por tener tendencia a incrementar la solvatación de la sal. Por otra parte, al estar la fase acuosa saturada de cloruro sódico hace que el disolvente orgánico y los compuestos orgánicos sean prácticamente insolubles en esta fase. Posteriormente, se añade el desecante. Los más utilizados son el sulfato sódico y el sulfato magnésico anhidros. Ambos son muy eficaces, baratos e inertes a cualquier grupo funcional. La presencia de agua en una disolución orgánica se manifiesta por la aparición de cierta turbidez, que desaparece una vez que el desecante ha cumplido su misión. Si el agente desecante, que es un sólido pulvurulento, queda apelmazado en el fondo del Erlenmeyer es síntoma de agua abundante, y será

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necesario añadir más desecante hasta que no se observe formación de grumos en el fondo del recipiente. Los pasos a seguir se encuentran representados en las figuras 1 y 2. Al desecante que ha quedado en el filtro de pliegues hay que pasarle una cantidad adicional de disolvente para lavarlo, y esta porción unirla a la disolución que se va a eliminar en el rotavapor. Figura 2 Figura 1

Secado de sólidos. El secado de compuestos sólidos se lleva a cabo en un desecador (ver figura 4, práctica 1), que lleva como desecante cloruro cálcico escoriforme en el fondo, separado por una placa perforada. Si el desecador se conecta al vacío, cuando al final se tenga que abrir la llave a la atmósfera, se recomienda colocar un trozo de papel de filtro en la llave de apertura para frenar la entrada de aire y evitar que el sólido y el desecante sean arrastrados por la corriente de aire. CROMATOGRAFIA La cromatografía en capa fina (en inglés thin layer chromatography o TLC) es una técnica analítica rápida y sencilla, muy utilizada en un laboratorio de Química Orgánica. Entre otras cosas permite: - Determinar el grado de pureza de un compuesto. Se puede determinar así, por ejemplo, la efectividad

de una etapa de purificación. - Comparar muestras. Si dos muestras corren igual en placa podrían ser idénticas. Si, por el contrario,

corren distinto entonces no son la misma sustancia. - Realizar el seguimiento de una reacción. Es posible estudiar cómo desaparecen los reactivos y cómo

aparecen los productos finales o, lo que es lo mismo, saber cuando la reacción ha acabado. La muestra a analizar se deposita cerca de un extremo de una lámina de plástico o aluminio que previamente ha sido recubierta de una fina capa de adsorbente (fase estacionaria). Entonces, la lámina se coloca en una cubeta cerrada que contiene uno o varios disolventes mezclados (eluyente o fase móvil). A medida que la mezcla de disolventes asciende por capilaridad a través del adsorbente, se produce un reparto diferencial (similar al que se produce en el proceso de extracción líquido-líquido) de los productos presentes en la muestra entre el disolvente y el adsorbente.

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ADSORBENTES Y ELUYENTES Los dos adsorbentes (fase estacionaria) más ampliamente utilizados son la gel de sílice (SiO2) y la alúmina (Al2O3), ambas de carácter polar. La alúmina anhidra es el más activo de los dos, es decir, es el que retiene con más fuerza a los compuestos; por ello se utiliza para separar compuestos relativamente apolares (hidrocarburos, haluros de alquilo, éteres, aldehidos y cetonas). La gel de sílice, por el contrario, se utiliza para separar sustancias más polares (alcoholes, aminas, ácidos carboxílicos). El proceso de adsorción se debe a interacciones intermoleculares de tipo dipolo-dipolo o enlaces de hidrógeno entre el soluto y el adsorbente. El adsorbente debe ser inerte con las sustancias a analizar y no actuar como catalizador en reacciones de descomposición, etc. La gel de sílice presenta un carácter ácido, mientras que la alúmina puede adquirirse con carácter neutro, ácido y básico. El orden de elución de un compuesto se incrementa al aumentar la polaridad de la fase móvil o eluyente. El eluyente puede ser un disolvente único o dos miscibles de distinta polaridad. En el siguiente recuadro se recoge por orden creciente de fuerza eluyente los disolventes más comunmente empleados en cromatografía sólido-líquido.

Hexano ~ éter de petróleo < tetracloruro de carbono < cloroformo < cloruro de metileno < tetrahidrofurano < acetato de etilo < acetona < isopropanol < metanol < agua

En general, estos disolventes se caracterizan por tener bajos puntos de ebullición y viscosidad, lo que les permite moverse con rapidez. Raramente se emplea un disolvente mas polar que el metanol. Usualmente se emplea una mezcla de dos disolventes en proporción variable; la polaridad de la mezcla será el valor promediado en función de la cantidad de cada disolvente empleada. El eluyente idóneo para cada caso ha de encontrarse por "el método del ensayo y del error". Determinación del Rf: La retención se puede explicar en base a la competencia que se establece entre el soluto a separar y la fase móvil por adsorberse a los centros activos polares de la fase estacionaria. Así, las moléculas de soluto se encuentran adsorbidas en la fase estacionaria y a medida que se produce la elución van siendo desplazadas por la fase móvil. La retención y la selectividad en la separación dependen de los valores respectivos de las constantes de los diferentes equilibrios químicos que tienen lugar, que están en función de: - la polaridad del compuesto, determinada por el número y naturaleza de los grupos funcionales presentes. Los solutos más polares quedarán más retenidos puesto que se adsorben más firmemente a los centros activos de la fase estacionaria, mientras que los no polares se eluirán con mayor facilidad. - naturaleza del disolvente. Así, para un mismo compuesto, un aumento en la polaridad del disolvente facilita su desplazamiento en la placa. Polaridad Orden de Tipo de compuesto

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elución Menor

Mayor

Menor retención

Mayor retención

Alcanos Alquenos Dienos Eteres

Derivados halogenados Aromáticos

Aldehídos y cetonas Esteres Aminas

Alcoholes y tioles Fenoles

Acidos carboxílicos Acidos sulfónicos

La relación entre las distancias recorridas por el soluto y por el eluyente desde el origen de la placa se conoce como Rf, y tiene un valor constante para cada compuesto en unas condiciones cromatográficas determinadas (adsorbente, disolvente, tamaño de la cubeta, temperatura, etc.). Debido a que es prácticamente imposible reproducir exactamente las condiciones experimentales, la comparación de una muestra con otra debe realizarse eluyendo ambas en la misma placa. Para calcular el Rf se aplica la siguiente expresión: Rf = distancia recorrida por el compuesto (X) / distancia recorrida por el eluyente (Y) La distancia recorrida por el compuesto se mide desde el centro de la mancha. Si ésta es excesivamente grande se obtendrá un valor erróneo del Rf. Se recomienda elegir un eluyente en el que los componentes de la mezcla presenten un Rf medio entorno a 0.3-0.5. Para compuestos poco polares, se debe utilizar un disolvente apolar como el hexano. En el caso de compuestos con polaridad media, se aconseja utilizar mezclas hexano/acetato de etilo en distintas proporciones. Los productos más polares, requieren disolventes más polares como mezclas de cloruro de metileno/metanol en distintas proporciones. Revelado de las placas: La mayor parte de las placas de cromatografía llevan un indicador fluorescente que permite la visualización de los compuestos activos a la luz ultravioleta (254 nm). El indicador absorbe la luz UV y emite luz visible. La presencia de un compuesto activo en el UV evita que el indicador absorba la luz en la zona en la que se encuentra el producto, y el resultado es la visualización de una mancha en la placa que indica la presencia de un compuesto. En el caso de compuestos que no absorben luz UV, la visualización (o revelado) del cromatograma requiere utilizar un agente revelador (vapores de yodo, mezclas basadas en: ácido sulfúrico, 2,4-dinitrofenilhidrazina, permanganato, ninhidrina, p-anisaldehido, vainillina, ácido fosfomolíbdico,...). Este tiene que reaccionar con los productos adsorbidos proporcionando compuestos coloreados. Objetivos

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En esta práctica se llevará a cabo la separación de tres compuestos orgánicos, ácido benzóico, 4-aminobenzoato de etilo y 9-fluorenona, aprovechando sus propiedades ácido-base. Ácido benzoico 4-aminobenzoato de etilo 9-fluorenona En concreto, se aprovecharán las propiedades ácidas del ácido benzoico y las propiedades básicas del 4-aminobenzoato de etilo. Sin embargo, la 9-fluorenona, que contiene un grupo carbonilo en su estructura, es un compuesto neutro. Una vez separados, se determinará la efectividad de la separación y por tanto la pureza de cada uno de los componentes por cromatografía en capa fina. Procedimiento - Entregar al profesor un Erlenmeyer de 100 ml para la muestra problema. - Comprobar que el embudo de decantación funciona perfectamente. Tanto el tapón como la llave deben ajustar perfectamente para evitar pérdidas. Si la llave es de vidrio debe darse una pequeña cantidad de grasa en el esmerilado (muy poca, para no obstruir el canal) para que ésta gire perfectamente sin que haya pérdidas. Esto no es necesario si la llave es de teflón. El tapón no debe engrasarse nunca. Para evitar que se quede adherido deben estar perfectamente limpios tanto el tapón como la boca, sin restos de compuestos orgánicos. - Guardar en un vial una pequeña cantidad de disolución problema (aprox. 0,5 ml) para utilizarla más adelante como referencia en la cromatografía. - El resto de la disolución se introduce en un embudo de decantación de 100 ml. Previamente, el embudo se ha debido colocar en un soporte (con la ayuda de una pinza o un aro metálico) y se ha comprobado que la llave está cerrada. Por precaución se coloca debajo un recipiente (vaso de precipitados o erlenmeyer) con capacidad suficiente para contener el volumen total de las disoluciones que se van a introducir en el embudo. La muestra problema se introduce con la ayuda de un embudo cónico. A continuación se tapa la parte superior. Ver figura 3. Figura 3 - Separación y aislamiento del compuesto básico: Se añaden 10 ml de HCl 10% y se efectúa una primera extracción. Para ello la mezcla se agita con ambas manos. Al principio debe agitarse suavemente

OH

O

OCH2CH3

O

H2N

O

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eliminando el exceso de presión que se produce abriendo la llave con cuidado mientras se mantiene el embudo invertido (cuidado no apuntar a otra persona cercana). Cuando ya no hay sobrepresión, agitar vigorosamente para el mejor mezclado de las fases, abriendo de vez en cuando la llave. Al agitar se aumenta el área de contacto entre las fases inmiscibles, produciendo una equilibración más rápida del soluto entre los dos líquidos. Se coloca de nuevo el embudo en el soporte, se quita el tapón y se espera a que la separación de fases sea completa. En cualquier separación, la fase inferior siempre se saca a través de la llave, mientras que la superior debe hacerse por la boca del embudo, una vez eliminada la parte inferior. Si la fase superior tiene que extraerse de nuevo, no es necesario sacarla del embudo! Asimismo, como consejo, no debe tirarse ninguna de las fases separadas hasta no estar seguro de saber cual es la que nos interesa. Verter la fase acuosa en un Erlenmeyer de 100 ml y extraer la fase orgánica con otros 10 ml de HCl al 10%. Verter la nueva fase acuosa en otro Erlenmeyer. Enfriar en un baño de hielo las fases acuosas ácidas y añadir lentamente NaOH 10% hasta que el pH sea básico (papel indicador). Mantener los Erlenmeyers un tiempo en el baño de hielo para permitir la precipitación de la amina. Algunas veces primero aparece un aceite que solidifica con el tiempo. Si aparece precipitado en los dos Erlenmeyers, repetir la operación una vez más, hasta que la amina no precipite tras añadir NaOH al 10%. Filtrar el sólido a presión reducida utilizando un embudo Buchner y colocarlo a continuación sobre un vidrio de reloj para que termine de secarse en el desecador. Medir el punto de fusión del producto seco. - Separación y aislamiento del compuesto ácido: Utilizando la disolución orgánica procedente de la extracción anterior realizar el mismo procedimiento con 2 x 10 ml de NaOH al 10%, reuniendo las fases acuosas en Erlenmeyer de 100 ml diferentes. Nunca tirar la fase orgánica residual. Enfriar los Erlenmeyer en una baño de hielo y añadir lentamente la candidad suficiente de HCl 10% para alcanzar pH ácido (2-3). Mantener el erlenmeyer durante 10-15 min. en el baño de hielo hasta la que la precipitación sea completa. Filtrar el sólido a presión reducida utilizando el embudo Buchner y lavarlo con dos porciones de 4 ml de agua. Dejar que el sólido se seque un poco en el Buchner y a continuación pasarlo a un vidrio de reloj para que termine de secarse en el desecador. Medir el punto de fusión del producto seco. - Aislamiento del compuesto neutro: Lavar la fase orgánica en el embudo de decantación con dos porciones de disolución saturada de NaCl, despreciando las fases acuosas. Transferir la fase orgánica a un

OCH2CH3

O

H2N

HCl OCH2CH3

O

H3N ClNaOH soluble en H2Oinsoluble en H2O

OH

O

HCl

NaOHO

O

Na

insoluble en H2O soluble en H2O

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erlenmeyer y añadir Na2SO4 anhidro. Dejar actuar el desecante durante 10-15 minutos, agitando de vez en cuando; si el desecante se apelmaza (es decir, no tiene aspecto pulvurulento cuando se agita) habrá que añadir más. Filtrar la mezcla a través de un filtro de pliegues, recogiéndola en un matraz seco previamente tarado (ver figura 2). Eliminar el disolvente a presión reducida usando un rotavapor. Medir el punto de fusión del producto seco. - Cromatografía: En tres viales diferentes disolver una pequeña cantidad de las muestras aisladas en la práctica de extracción (usualmente en diclorometano o acetato de etilo). Con ayuda de un fino capilar de vidrio se depositan unas gotas de estas disoluciones en la placa de cromatografía, a cierta distancia del borde (Figura 4(a) y (b). También se depositan unas gotas de la muestra problema inicial para que sirva de referencia. Figura 4 Tras dejar evaporar el disolvente de la placa, ésta se deposita dentro de una cubeta de cromatografía, a la que previamente se ha añadido una pequeña cantidad del eluyente deseado. Hay que tener cuidado de que el nivel de eluyente esté por debajo del punto donde ha sido "pinchado" el producto (Figura 4 (c)). Se tapa la cubeta y se deja que el eluyente ascienda por capilaridad. Antes de que el frente del disolvente llegue al otro extremo de la placa, esta se saca de la cubeta con unas pinzas y con un lápiz se hace una señal indicando hasta dónde ha llegado el eluyente (Figura 4d). Tras dejar evaporar el disolvente de la placa, revelar la placa mirando en el visor de UV. Una vez que se ha encontrado el eluyente adecuado para separar la mezcla de productos, determinar el Rf de los compuestos. Concluir acerca de la eficiencia en la separación de ácido benzóico, 4-aminobenzoato de etilo y 9-fluorenona mediante la técnica de extracción. Cuestiones

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1) Imagina que has llevado a cabo la separación del benzoato sódico en la fase acuosa, pero al añadir HCl hasta pH 2-3 no se observa la formación de precipitado ¿Cómo conseguirías separar dicho ácido de la fase acuosa?. Describe detalladamente el procedimiento que emplearías. 2) Se dispone de éter etílico, y disoluciones de HCl 10%, NaHCO3 10% y NaOH 10%. Indicar detalladamente cómo podrías separar una mezcla (1:1) de aspirina y 4-acetamidofenol presentes en un analgésico comercial.

O

O OH

O

4-acetamidofenol Aspirina Dibujar la TLC que se observaría en el visor de luz UV: a) si la separación es totalmente efectiva, y se utiliza como eluyente una mezcla de hexano:acetato de etilo (1:1). b) si la separación es totalmente efectiva, y se utiliza como eluyente una mezcla de hexano:acetato de etilo (10:1). c) si la separación no ha funcionado bien.

OH

HN CH3

O