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INSTITUTO NACIONAL DEPARTAMENTO DE QUIMICA

Métodos de Identificación de grupos funcionales

PROFESORA:

Shasmmin Cornejo

CURSO:

3°F

FECHA:

17/08/2018

INTEGRANTES:

-Arturo Ponce -Luis Romero -Arturo Salinas -Álvaro Sifuentes

INTRODUCCIÓN El siguiente informe de investigación tiene como propósito mostrar los grupos funcional, de la Química orgánica, e identificarlos a través de distintos métodos, además de generar una discusión para plantear cuál de los métodos presentados y estudiados son más eficaces para cada grupo, no obstante, para ello se debe de conocer los grupos funcionales a tratar y tener un mínimo de conocimiento de estos, los cuales son: a) Hidrocarboxílicos: Es un ácido carboxílico que contiene al menos un grupo hidroxilo, los ácidos carboxílicos constituyen un grupo de compuestos, caracterizados por la presencia de un grupo funcional carboxilo (-COOH). En el grupo funcional carboxilo coinciden sobre el mismo carbono de un grupo hidroxilo (-OH) y carbonilo (-C=O). b) Amina: Son compuestos químicos orgánicos que se consideran derivados del amoníaco y resultan de la sustitución de uno o varios de los hidrógenos de la molécula de amoníaco u otros sustituyentes o radicales y según el número de sustitutos se determina el grado de las aminas, los cuales serían primarias, secundarias y terciarias. c) Aldehídos: Son compuestos orgánicos caracterizados por poseer el grupo funcional –CHO (formilo). Un grupo formilo es el que se obtiene separando un átomo de hidrógeno del formaldehído. Como tal no tiene existencia libre, aunque puede considerarse que todos los aldehídos poseen un grupo terminal formilo. d) Cetonas: Es un grupo orgánico caracterizado por poseer un grupo funcional carbonilo unido a dos átomos de carbono, a diferencia de los aldehídos, en donde el grupo carbonilo se encuentra unido al menos a un átomo de hidrógeno. e) Alcoholes: Son aquellos compuestos químicos orgánicos que contienen un grupo hidroxilo (-OH) en sustitución de un átomo de hidrógeno, de un alcano, enlazado de forma covalente a un átomo de carbono, grupo funcional carbonilo (C-OH). Además, este carbono debe estar saturado, es decir, debe tener solo enlaces sencillos a ciertos átomos (átomos adyacentes) esto la diferencia de los fenoles, se clasifican según los átomos de hidrógeno que están enlazados a el grupo hidróxido ubicado en un carbono, éstos pueden ser primarios, secundarios y terciarios. f) Fenoles: En su forma pura son sólidos cristalinos de color blanco-incoloro a temperatura ambiente. Su fórmula química es C6H6O, y tiene punto de fusión de 43°C y un punto de ebullición de 182°C.

OBJETIVOS Para la realización de este informe de investigación de los Grupos Funcionales, en la química orgánica, necesitamos generarnos metas u objetivos, los cuales son:

➢ Buscar, encontrar y plantear 2 métodos efectivos para la identificación de cada uno de los grupos (con sus respectivos pasos a seguir). ➢ Reconocer e investigar cuales son las diferentes reacciones que puede tener cada grupo. ➢ Buscar y plantear el tipo de reacción que es generado en el proceso de identificación de cada grupo. Además, en el caso de no encontrar un tipo de reacción que corresponda a dicha reacción, investigar acerca de la ecuación química que tiene la reacción del método. ➢ Posterior a eso, plantear cuál de los métodos investigados es el ideal tomando una globalidad de sus características (cantidad de materiales necesarios, tiempo empleado, facilidad del proceso).

MARCO TEORICO En la Química Orgánica existen distintos grupos funcionales los cuales nosotros calificamos como Ácidos Carboxílicos, Aminas, Aldehídos, Cetonas, Alcoholes. Estos grupos funcionales son los encargados de caracterizar las moléculas orgánicas que contienen, recordemos que nosotros mismos estamos hechos de moléculas orgánicas. La vital importancia que representan estos grupos funcionales nos genera la necesidad de investigar cuáles son sus funciones y como están compuestos (lo que dimos a conocer en la introducción). Además de eso, es necesario reconocer para la investigación de la composición de la Química Orgánica cada uno de los Grupos Funcionales, por ello en este informe de investigación no centraremos en encontrar distintos métodos para identificar los distintos grupos funcionales. En específico investigaremos dos métodos por cada grupo funcional, por lo que además de buscar estos métodos, platearemos cuál de los dos propuestos por cada grupo es mejor. Por lo que además de lo que ya sabemos acerca de los grupos funcionales necesitamos saber algunas cosas, como: ➢ El ácido carboxílico contiene un grupo funcional llamado “carbonilo”, este grupo carbonilo (C=O) está unido a un solo carbón y a un grupo hidroxilo (OH). ➢ Las aminas es un compuesto polar derivado del amoniaco (se sustituye uno o más hidrógenos), se clasifican en Aminas primarias, secundarias (ambas pueden formar puentes de hidrogeno) y terciarias (forman dipolos permanentes). ➢ Los aldehídos son polares, tienen olores muy fuertes y algunos desagradables, por eso algunos son usados como componente para perfumes. Los carbonos de 2 a 3 C son gaseosos, los de 3 a 11 son líquidos y el resto son sólidos (a 25°C). Son buenos agentes reductores y los que tienen bajo peso molecular son capaces de ser solubles en agua. ➢ Las cetonas son más polares y esto lleva a ser más solubles en agua. Las menores poseen un olor agradable, también son muy reactivos gracias a la polaridad.

➢ En los alcoholes podemos encontrar los primarios, secundarios, terciarios, y fenoles.

METODOS DE IDENTIFICACIÓN a) Ácidos carboxílicos: 1. Prueba del Litmus: ▪ Este método busca la reacción de ácido acético y un compuesto desconocido (el cual necesitamos verificar si es un ácido carboxílico) con un papel “Litmus” también conocido como Papel Tornasol o PH. Si el compuesto es un ácido, el papel tornasol que se encuentra en color azul, cambiará a color rojo, que es el color designado para los ácidos en este papel. Tomando en cuenta lo que produce esta reacción, podemos notar que identifica las soluciones gracias a cambios notables en la coloración de dicho papel y así facilitar la verificación de dichas soluciones. 2. Prueba del Bicarbonato: ▪ El compuesto que necesitamos verificar, será ácido si al reaccionar con el bicarbonato podemos observar la separación de burbujas de CO2 . Para confirmar esto necesitamos colocar una pequeña cantidad del compuesto en un vidrio de reloj y añadir una solución de bicarbonato de sodio al 10%. ▪ Ecuación: La ecuación que comprueba que los ácidos carboxílicos al reaccionar con bicarbonato, generan carboxilatos sódicos es:

b) Aminas: 1. Prueba de Hinsberg: ▪ Con este método podremos identificar aminas primarias, secundarias y terciarias mediante la utilización del cloruro p-toluensulfonilo o de cloruro pbencensulfonilo. Para ello necesitamos colocar en un tubo de 0.3 mL el compuesto que en cuestión y adicionar 0.4 mL de cloruro de tosilo, para después de agitar esta solución agregar 4mL de NaOH al 10% (p/v). ▪ Tipo de reacción: La reacción o prueba de Hinsberg nos permite detectar si un compuesto es una amina y el tipo de ésta por medio de un reactivo compuesto de una solución acuosa de hidróxido de sodio y cloruro de bencensulfonilo, el cuál es agregado al sustrato “problema”. Dependiendo del resultado de esta reacción, veremos el tipo de amina que es el compuesto problema; si de la reacción resulta un precipitado blanco soluble en agua la amina es primaria, si el precipitado blanco es insoluble en agua la amina es secundaria y por último si no existe reacción la amina es terciaria. Para tener más claro el proceso y la ecuación de este, podemos ver las siguientes imágenes:

I.

II.

III.

Prueba para aminas primarias:

Prueba para aminas secundarias:

Prueba para aminas terciarias:

2. Reacción con ácido nitroso: ▪ Las aminas al reaccionar con el ácido nitroso (nitrito de sodio y un ácido fuerte), permiten notar una diferenciación que nos sirve para determinar al tipo de amina que pertenecen, ya que las aminas primarias reaccionan de manera que se observa el desprendimiento de un gas (nitrógeno) , las secundarias forman nitrosaminas con una apariencia aceitosa a partir de una lenta reacción a altas temperaturas, y por último las aminas terciarias conducen a la formación de nitritos. A continuación, se muestra una imagen de una amina primaria reaccionando al ácido nitroso:

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El carácter básico de las aminas (contienen un par de electrones no compartidos sobre el nitrógeno) permite que reaccionen frente a los ácidos dando origen a las sales de amonio como lo es la sal de diazonio: cuando el nitrito de sodio se combina con ácido clorhídrico producen ácido nitroso, el cuál por pérdida de una molécula de agua genera cationes NO + , quienes reaccionan con las aminas primarias dando como resultado las sales de diazonio. En la siguiente imagen podemos observar la ecuación que tiene esta reacción:

c) Aldehídos: 1. Prueba de Schiff: ▪ En esta prueba se busca comprobar que un compuesto es un aldehído comparándolo con una cetona mediante la coloración de los compuestos al reaccionar con el reactivo de Schiff. Para ello debemos colocar cinco gotas de dicho reactivo en dos tubos de ensayo y luego una gota de benzaldehído en un tubo, y de cetona en el tubo restante luego agitamos para finalizar dejando reposar 5 minutos los tubos de ensayo. Al reaccionar con el benzaldehído la solución adaptó un color morado, con una precipitación en la parte inferior de un color más oscuro. Este reactivo reacciona con aldehídos formando ese color morado característico para lograr diferenciarlo de las cetonas, las cuales no muestran ningún precipitado y adaptan un color más bajo. En las siguientes imágenes podremos ver la diferencia entre el aldehído y la cetona respectivamente:

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En la siguiente imagen podemos observar la reacción de un aldehído con el reactivo de Schiff:

2. Prueba de Tollens: ▪ El resultado de esta reacción nos permite nuevamente diferenciar entre aldehídos y cetonas, pero está en particular nos muestra un aldehído en un resultado positivo y cetona en uno negativo. Para elaborar esta reacción necesitamos dos tubos de ensayo a los cuales les agregamos 5 gotas del reactivo de Tollens, luego se adicionan 2 gotas de formaldehído a uno y 2 gotas de acetona al tubo restante, se agitan y dejan reposar 15 minutos.

En el tubo con el formaldehído, la solución tomo un color negro y hubo precipitado, en cambio, en el tubo con la cetona no hubo ningún cambio debido a que el reactivo es demasiado débil como para oxidar la cetona además de que ésta no contiene hidrógenos alfa los que permiten una oxidación con un agente tan débil como lo es el reactivo de Tollens. Adjuntamos imágenes de las reacciones en los tubos de ensayo (formaldehido y acetona):

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Ecuación: La siguiente ecuación representa la reacción de un modo más simple:

d) Cetona: 1. Prueba de Yodoformo: ▪ En un tubo de ensayo se agregan 20 gotas de una solución al 2% de NaOH, luego una gota de Acetona para finalmente combinar gota a gota una solución de KI/I2; al agitar la mezcla se espera un cambio de coloración. ▪ La solución presento un cambio de color inmediato, donde paso de transparente a un precipitado amarillo claro; tal como se aprecia en la imagen.

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Reacción: El mecanismo de esta reacción consistirá en la formación de carboxilatos y haloformos, lo cual en la primera etapa de la reacción se da una halogenación completa del CH3, seguido de un ataque por parte del nucleófilo – OH en el doble enlace del oxígeno que luego se reubicara desplazando al grupo Cl3 -, que es en esencia un grupo muy básico, por lo que desprotonara al acido carboxílico formado, dando lugar a un haloformo, y al carboxilato.

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El fin de esta prueba es identificar cetonas de forma analítica, aprovechando que el yodoformo da un precipitado de color amarillo.

2. Preparación de 2,4-Dinitrofenilhidrazona: ▪ En un tubo de ensayo se colocaron 5 gotas del 2,4 DNFH, luego se adicionaron 3 gotas de Acetona y se agitó previamente; para dejar en reposo durante 5 minutos. ▪

En el desarrollo de esta prueba el adicionar las gotas de acetona en el tubo de ensayo, se notó un cambio instantáneo, lo que dio como resultado un precipitado y una coloración naranja, (observar imagen).

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Esta prueba es para el reconocimiento de acetonas, el 2,4 DNFH reaccionará con el grupo carbonilo para formar 2,4-dinitrofenilhidrazonas, las cuales son sólidas y precipitan un sólido anaranjado, comprobando la existencia de acetonas.

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Tipo de reacción: Las cetonas darán lugar a una reacción de tipo adición Nucleofílica, en una primera fase se dará una protonación del grupo carbonilo, polarizando la especie, lo que favorecerá el ataque nucleofílico, en este caso es el 2,4 DNFH el necrófilo, que presentara una alta disponibilidad de la carga negativa justo sobre el tomo de nitrógeno. En esta reacción el ataque nucleofílico, no implicara la salida del grupo OH, puesto que al polarizarse, el carbono quedo tan solo con tres enlaces, por lo que puede formar un cuarto enlace con el nucleófilo sin desplazar a ningún grupo, debido al carácter acido del medio en el que se desarrollara la reacción, el OH del grupo carbonilo se protonara debido al carácter acido del medio, permitiéndole al nitrógeno usar el par

de electrones disponibles para formar un doble enlace resonando la carga positiva del carbono sobre su átomo, y desplazando el agua, que posterior mente desprotonara al nitrógeno para estabilizar a la molécula, formando:2,4 dinitrofenilhidrazona.

e) Alcoholes: 1. Identificación de Primarios y secundarios:

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I. Comparación de alcoholes 1° y 2° en solución oxidante: Para esto es necesario añadir 1,25 mL de ácido sulfúrico concentrado en 7,5mL de una solución de dicromato sódico 10%, la cual se deja enfriar, posteriormente, se pasa 2,5 mL de solución a un tubo de ensayo, al que se añade 0,5 mL de alcohol n-butílico. Se repite el ensayo con alcohol s-butílico. Reacción n-butílico: Al agregar el alcohol butílico a la solución preparada anteriormente se logra percibir un aumento de la temperatura, luego se enfrió y volvió a calentarse aún más, esto se explica por las fases de oxidación de un alcohol primario. (Ver imagen).

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A raíz de esto se logra comprobar que cuando un alcohol primario se oxida forma primero un aldehído y posterior a esto un ácido carboxílico. Así como también se observaron cambios en la temperatura dentro de la reacción también existió un cambio en la coloración a medida que transcurría esta misma; se observó la formación de dos capas, una superior de color azul y la inferior de un tono más oscuro, todo esto se completó a 20 minutos de haber comenzado.

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Al agregar s-butílico se observó que la mezcla formada dentro del tubo de ensayo fue heterogénea debido a la formación de 3 capas: la inferior era naranja, la de en medio azul rey (en un comienzo esta ocupaba 4/10 del tubo) y por último la superior que fue incolora. Como es una mezcla heterogénea de 3 capas se puede mencionar que estas 3 difieren entre si respecto a su densidad conforme a la variación de color. Mientras la reacción continuaba se hizo visible un cambio entre los tamaños de cada capa; la superior y la inferior fueron aumentando su tamaño mientras la de en medio poco a poco desparecía. El cambio de color observado sirve para comprobar la presencia de un alcohol oxidable en una sustancia dada.

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Se obtuvo la siguiente ecuación:

2. Identificación de Primarios, Secundarios y Terciarios: I. La prueba de Lucas: ▪ Este método de identificación para alcoholes se prepara mezclando 9mL de ácido clorhídrico q.p. con 3.5 g de cloruro de zinc, se agita cuidadosamente hasta obtener una mezcla homogénea. ▪

En un tubo de ensayo donde se ha colocado 0.5-1.0mL de alcohol agregue rápidamente 3 mL de reactivo de Lucas y tape el tubo, deje reposar y observe a los 5 minutos y luego a la hora. Anote el tiempo requerido para la realización de la reacción, esto se indica por la apariencia obscura de la solución.

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Reacción: Al agregar el reactivo al alcohol, la mezcla forma una fase homogénea. La solución concentrada de ácido clorhídrico es muy polar, y el complejo polar alcohol-zinc se disuelve. Una vez que ha reaccionado el alcohol para formar el halogenuro de alquilo, el halogenuro no polar se separa en una segunda fase.

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Esta prueba al aplicarla en algún alcohol desconocido nos indicara a qué tipo de alcohol pertenece. Los alcoholes terciarios reaccionan casi inmediatamente debido a la formación de carbocationes terciarios relativamente estables. Los secundarios tardan más tiempo, entre 5 y 20 minutos, porque los carbocationes terciarios son menos estables que en los terciarios. En los primarios reaccionan muy lentamente. Como no pueden formar carbocationes, el alcohol primario activado permanece en solución hasta que es atacado por el ión cloruro. Con este tipo de alcohol la reacción puede tardar desde 30 minutos hasta varios días.

II. Prueba de oxidación: En un tubo de ensayo con 3 mL de solución de dicromato de potasio al 10%, añadir 4 gotas de ácido sulfúrico concentrado, agitar cuidadosamente hasta homogeneidad; a esta solución añadir 3 mL del alcohol. ▪ Con esta prueba es posible identificar los tres alcoholes; el alcohol primario pasara de un color amarillo a un verde casi claro. El alcohol secundario pasara de un amarillo a un verde claro. Y el alcohol terciario tendrá una oxidación es muy lenta y no hay un cambio de color apreciable. ▪ Reacción: la prueba debería tener una reacción exotérmica pues el tubo debería calentarse un poco. 3. Identificación del Fenol: I. Reacción de Lieberman: ▪ En un tubo de ensayo agregar 2 mL de 𝐻2 𝑆𝑂4 concentrado y luego adicionar 10 mg de 𝑁𝑎𝑁𝑂2 y agitar enérgicamente. A esta solución agregar algunos cristales de fenol, observando el color rojo, que cambia a negro y finalmente a verde, mientras se agita el tubo de ensayo. Verter el contenido del tubo de ensayo en un vaso de precipitado que contenga 50 mL de agua fría y observar el color rojo de la solución que se forma. Luego, tomar 1 mL de esta solución y añadir gota a gota a una solución de NaOH al 5%. Observar el cambio a color azul que se produce cuando se pasa a un medio alcalino. ▪ Reacción: Corresponde a una reacción de sustitución aromática electrófila, en donde el fenol reacciona con el ión nitrosonio (𝑁𝑂+ ), el cual se forma al mezclar el nitrito de sodio (𝑁𝑎𝑁𝑂2 ) con ácido sulfúrico (𝐻2 𝑆𝑂4 ). ▪

El ión nitrosonio que reacciona con el fenol se forma según la siguiente imagen:

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II. Reacción con agua de Bromo: En un tubo de ensayo disolver aproximadamente 0.25 g de fenol en 10 mL de agua, luego agregar agua de bromo gota a gota, hasta la obtención de un precipitado blanco ▪ La bromación electrófila en los fenoles ocurre rápidamente ya que el grupo hidroxilo activa al anillo hasta el punto que esta reacción ocurre sin necesidad de un catalizador. ▪ La reacción es positiva si se forma un precipitado de color blanco correspondiente al 2,4,6 Tribromofenol, como se puede apreciar en la imagen.

DISCUSIÓN En este informe hemos investigado acerca de los diferentes métodos de investigación que tienen los grupos funcionales. Sin embargo, ahora nos toca plantear cual método es mejor para cada uno de los grupos. No obstante, consideramos prudente recordar que en los Alcoholes existe una combinación de métodos para encontrar los Alcoholes primarios, secundarios y terciarios. Grupos Funcionales y el método ideal: a) Ácidos Carboxílicos: Nosotros consideramos que el mejor método de identificación para los ácidos carboxílicos es la prueba de L...