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Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) SÍNTESIS DE FLUORESCEÍNA: EMISIÓN Y ABSORCIÓN DE LUZ González H. Alejandra. ([email protected]) 11 de Noviembre del 2016 – Programa de Química – Universidad del Quindío Docente Fernando Agudelo Aguirre. RESUMEN Se llevó a cabo la síntesis de la fluoresceína mediante una reacción de sustitución electrofílica aromática del resorcinol sobre el anhídrido ftálico. Se obtuvo 0,267 g del compuesto, el cual se analizó mediante espectroscopia infrarroja, se encontró su punto de fusión en 320 °C y se determinó el porcentaje de rendimiento de la reacción el cual fue de 80,4216%. Palabras clave: sustitución electrofílica aromática, Fluoresceína. INTRODUCCIÓN “La fluoresceína es un pigmento fluorescente que tiene múltiples aplicaciones en serigrafía, en microbiología, etc., ya que se le utiliza como medio de contraste. Se obtiene mediante una reacción de sustitución electrofílica aromática (SEAr) del resorcinol sobre el anhídrido ftálico.

O

NaO

O

CO2Na

Fluoresceína en medio básico Esquema 1 Síntesis de la fluoresceína. Además, la fluoresceína es un compuesto que puede utilizarse como indicador ácido-base pues el color de sus disoluciones depende del pH. Tal diferencia es más evidente si se analizan los espectros de absorción respectivos en la región del ultravioleta-visible, UV- Vis (consultar el anexo C), mostrados en la figura. Dichos espectros se obtienen cuando la molécula en cuestión es irradiada con radiación electromagnética del intervalo que va de 300 a 800 nanómetros (nm). Los espectros obtenidos son una gráfica de las longitudes de onda que la molécula en cuestión absorbe, pero el color que observamos es en realidad la combinación de aquellas longitudes de onda que la molécula nos devuelve. La radiación absorbida por la molécula le provoca una transición electrónica, que es un cambio en forma y tamaño de 1

Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) su nube de electrones. Posteriormente la molécula regresa a su estado inicial, o basal, disipando la energía recibida, vibrando, rotando, deformándose o emitiendo luz, fenómeno este último que permite obtener los espectros de emisión de la molécula.”

Figura 1 Espectros UV-Visible de Fluoresceína en solución básica, neutra y ácida. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL MATERIALES Y EQUIPOS Agitador de vidrio. Balanza de cuatro cifras decimales. Beaker de 25 mL Beaker de 50 mL. Beaker de 400 mL. Equipo para filtración al vacío (matraz Kitasato pequeño, embudo Buchner, bomba de vacío y manguera). Espátula metálica. Estufa eléctrica. Hojas de papel filtro. Lámpara ultravioleta Mortero con pistilo. Pipeta graduada de 10 mL. Pipetas Pasteur. Pinza metálica para tubo de ensayo. Placa de calentamiento. Probeta de 100 mL. 2

Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) Termómetro (0-300 ºC). Tubo de ensayo de 125 x 10 mm. Tubos de ensayo pequeños REACTIVOS Ácido clorhídrico concentrado. Ácido sulfúrico concentrado, H2SO4. Ácido sulfúrico para utilizar como solución de baño maría. Agua destilada. Anhídrido ftálico, C8H4O3. Frasco de desechos químicos. Resorcinol (o m-dihidroxibenceno) C6H6O2. Solución ácido clorhídrico 1.0 M. Solución NaOH 1.0 M. PROCEDIMIENTO 0,15 g Anhídrido ftálico. 0,22 g Resorcinol Macerar 1 gota de H2SO4 180°C – 30 min

Calentar

Filtrar

Filtrado

Residuo NaOH 1M Observación UV Esquema 2 Procedimiento para la síntesis de fluoresceína. 3

Observación UV

Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) CÁLCULOS Y RESULTADOS Punto de fusión: 320°C Peso de la Fluoresceína: 0,267 gramos Moles del Anhídrido Ftálico w Anhídrido ftálico=0,15 0,14925

g∗99,5 g =0,14925 g Anhídrido ftálico 100 g

g∗1 mol =0,001mol Anhídrido ftálico 148,1166 g

Moles de Resorcinol g∗99 g =0,21 78 g Resorcinol 100 g g∗1 mol 0,2178 =0,00197 mol Resorcinol 110,1114 g Relación 1:2 w Resorcinol =0,22

0,001 mol Anhídrido

0,00197 mol

-

ftálico∗2 mol Resorcinol =0,002mol Resorcin ol 1mol Anhídrido ftálico

Resorcinol∗1 mol Anhídrido ftálico =0,00099 mol Anhídrido ftálico 2 mol Resorcinol

Reactivo límite: Resorcinol. Reactivo en exceso: Anhídrido ftálico

Peso de la Fluoresceína teórico Resorcinol∗1 mol Fluoresc . ∗332,3098 g Fluoresc . 2 moles Resorcinol 0,002 moles =0,3323 g Fluoresc . 1 mol Fluoresc . Rendimiento de la reacción: %Rendimiento=

w ex perimental ∗100 w teórica

%Rendimiento=

0,267 g exp Flouresc . ∗100=80 , 4216 % 0, 3323 g teór Fluresc .

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Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) ESPECTRO INFRARROJO

Figura 2 Espectro infrarrojo de la Fluoresceína. ANÁLISIS DE RESULTADOS Se pueden diferenciar distintas bandas vibracionales tales como, tensión C=O en 1695 cm-1, tensión asimétrica perteneciente a dobles enlaces conjugados C=C en 1545 cm -1, tensiones C=C del anillo aromático en 1463 cm-1, interacciones de flexión (O-H) y tensión (C-O) en 1388 cm-1, flexiones en el plano correspondientes al enlace C-H aromático en 1263 cm-1, 1210 cm-1, 1083 cm-1, 963 cm-1, tensión simétrica del ftalato en 1111 cm-1, una trisustitución del anillo aromático (1,2,3) en 864 cm -1, una disustitución del anillo aromático (1,2) en 755 cm -1 y un balanceo fuera del plano de los enlaces del anillo aromático en 455 cm-1. CONCLUSIONES -

Se pudo corroborar mediante el análisis del compuesto obtenido que el resorcinol y anhídrido ftálico son los precursores de la fluoresceína.

-

Después de haber realizados los respectivos análisis y cálculos pertinentes se pudo evidenciar que se obtuvo un porcentaje de rendimiento del 66.27% cuyo punto de fusión es de 320°C lo cual quiere decir que el compuesto se encuentra en el rango adecuado respecto al punto de fusión teórico del compuesto el cual es de 314°C.

CUESTIONARIO 1.

Consulte la estructura de al menos otros dos pigmentos fluorescentes.

Quinina: la quinina tiene fluorescencia por producción quántum, lo que genera un efecto luminoso cuando es vista bajo la luz ultravioleta. La "producción quántum" mide qué tan eficientemente la luz absorbida crea un efecto óptico. Una sustancia como la quinina se vuelve 5

Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) fluorescente cuando los fotones de la luz absorbida liberan fotones en otra longitud de onda. Cuando los fotones están bajo la luz en el rango ultravioleta y las emisiones activadas en el rango visible, la sustancia brillará bajo la luz negra. Incluso en cantidades pequeñas, la quinina tiene estas propiedades ópticas. Las mezclas que contienen quinina, incluyendo el agua tónica, emiten fotones visibles cuando se colocan bajo la luz ultravioleta, creando un efecto de luz azul verdosa. Fluoreno: es un hidrocarburo aromático policíclico. Forma cristales blancos que presentan una característica, olor aromático similar al de la naftalina. Tiene un color violeta de fluorescencia, de ahí su nombre. 2. ¿Por qué es diferente el color de la disolución de fluoresceína en medio ácido, básico y neutro? ¿Qué cambios estructurales se producen en la molécula a consecuencia del medio ácido o básico? El cambio de color de la fluoresceína cambia en medio acido, básico y neutro debido a que uno de los factores que afecta la fluorescencia en una sustancia es el cambio de pH. La presencia de grupos donadores de electrones, como -NH2 y -OH favorece la fluorescencia, puesto que aumentan la probabilidad de transición entre el estado singulete de menor energía vibracional y el estado fundamental. La introducción de un átomo de número atómico elevado en un sistema de electrones π suele aumentar la fosforescencia, en detrimento de la fluorescencia. Los grupos aceptores de electrones, como -COOH, -NO2, -N=N- y X disminuyen y, en ocasiones inhiben la fluorescencia. -

Como cambia la estructura

Influencia del pH: el espectro de fluorescencia de muchos compuestos aromáticos conteniendo grupos funcionales ácidos o básicos es sensible al pH. Los cambios en la emisión de los compuestos de este tipo provienen del número de especies resonantes diferentes que están asociadas con las formas ácidas o básicas de las moléculas. Así, por ejemplo, la anilina, en medio neutro y alcalino presenta fluorescencia en la región visible, pero dicha fluorescencia desaparece en medio ácido. Otro cambio se da al reaccionar la fluoresceína con NaOH produce un nuevo compuesto llamado uranina intensificando la fluorescencia de color amarillo verdoso.

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Laboratorio de Síntesis orgánica – P8 (2016) 3. Investigue qué es un espectro de absorción y uno de emisión Espectro de absorción: se presenta cuando un sólido incandescente se encuentra rodeado por un gas más frio, el espectro resultante muestra un fondo interrumpido por espacios oscuros denominados líneas de absorción, porque el gas ha absorbido de la luz aquellos colores que éste irradia por sí mismo. Suele ocurrir que unos cuerpo absorben sólo la radiación de unas determinadas longitudes de onda y no aceptan absorber otras de otras longitudes, por lo que cada cuerpo, cada elemento químico en la práctica, tiene su propio espectro de absorción, el cual se corresponde con su espectro de emisión, al igual como si fuera el negativo con el positivo de una película. En la naturaleza se da también que otros cuerpos absorben radiación de otros cuerpos dejando rayas negras. Espectro de emisión: mediante suministro de energía calorífica, se estimula un determinado elemento en su fase gaseosa, sus átomos emiten radiación en ciertas frecuencias del visible, que constituyen su espectro de emisión. Ninguno de estos se repite. Por ejemplo, algunos de ellos lo hacen en el infrarrojo y otros cuerpos no. Ello depende de la constitución específica de cada cuerpo, ya que cada uno de los elementos químicos tiene su propio espectro de emisión. 4. ¿En qué difiere el color de las disoluciones observadas a simple vista de aquellas observadas bajo luz ultravioleta? ¿Cómo se nombra tal propiedad de las sustancias? La fluoresceína en medio acido es de color amarillo con fluorescencia baja, en medio básico posee un color verde con fluorescencia muy intensa y finalmente en medio neutro es amarillo verdoso con fluorescencia media. La propiedad en donde cambia el color es la fluorescencia que es un tipo particular de luminiscencia, que caracteriza a las sustancias que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS F. Agudelo. SÍNTESIS ORGÁNICA - GUÍA EXPERIMENTAL DE LABORATORIO. 1° Edición. Elizcom S.A.S. Colombia. 2005. Pavia, D. L., Lampman, G.M., Kritz, G. S. and Ángel, R.G. INTRODUCTION TO ORGANIC LABORATORY TECHNIQUES. A SMALL SCALE APPROACH. Brooks/Cole Laboratory Series. 2005. L. G. Wade, J. QUÍMICA ORGÁNICA. 5ta edición. Pearson educación, S.A. Madrid. 2004. Mcmurry, J. QUÍMICA ORGÁNICA. 8va edición. Cengage learning editores S.A. México. 2012.

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