Obtencion DE Anhidrido Ftalico A Traves PDF

Preview

Summary

Download Obtencion DE Anhidrido Ftalico A Traves PDF

Description

OBTENCIÓN DE ANHÍDRIDO FTÁLICO A TRAVÉS DE LA REACCIÓN DE INTERCAMBIO DE ANHÍDRIDO. Lina J. Materon a, Johan A. Pérezb Fecha de realización: 27 de febrero de 2015. Fecha de entrega: 6 de marzo de 2015. RESUMEN: En esta práctica se realiza la obtención de anhídrido ftálico por medio de la reacción de ácido ftálico y anhídrido acético aplicando el concepto de intercambio de anhídrido, al realizar esto se obtuvo un rendimiento del 77,18%, este compuesto se analiza por punto de fusión obteniendo un rango de fusión entre 125,1-131,2, lo cual muestra un porcentaje de error respecto al teórico del 2,18% mostrando que el compuesto se encuentra contaminado, también se analiza por metodología IR y RMN 1H. En el método de IR se analizan las bandas teóricas del compuesto donde deben aparecer, dos bandas que corresponden a las tensiones asimétricas y simétricas del enlace C=O alrededor de 1830-1810 cm-1 y 1770-1750 cm-1 respectivamente, se encuentra la tensión C-O del grupo C-CO-O-CO-C entre 1300-1000 cm-1 y 950-900 cm-1 también se deberían encontrar las bandas de tensión H=C-H de los aromáticos cercana a la región entre 3100-3000 cm-1. En el RMN 1H se encuentran las señales de los protones aromáticos que se encuentran alrededor de 7,00 y 8,00 ppm, y cada uno se corre a campo alto o campo bajo según su cercanía a los grupos carbonilo. OBJETIVO: Sintetizar anhídrido ftálico a través de la deshidratación de ácido ftálico, usando el concepto de formación de anhídridos conocido como Intercambio de anhídrido. PALABRAS CLAVE: Anhídrido ftálico, ácido ftálico, anhídrido acético, intercambio de anhídrido, RMN 1H, Infrarrojo, Punto de fusión, Reflujo, Trampa de Cloruro de Calcio. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL. En un balón de 5 mL, se agregan 0,2006 g ± 0,0001 de ácido ftálico y 0,40 mL ± 0,01 de anhídrido acético, asegurándose de que dentro del balón se encuentre un magneto, para realizar la agitación. Montar el reflujo con su respectiva trampa de cloruro de calcio, para atrapar la humedad. La cual lucía tal como se ilustra en la figura 1.

Figura 1. Trampa de Cloruro de Calcio.

a. [email protected] b. [email protected]

Tabla 1. Reactivos para síntesis de anhídrido ftálico. Reactivo Ácido ftálico. (C6H4(COOH)2) Anhídrido acético. ((CH3CO)2O)

Cantidad 0.2006 g 0,4 mL

Lo solución se deja en el reflujo por aproximadamente 30 minutos los cuales empezará a contar en el momento en que se llegue a una temperatura entre 150-160 °C. Se enfría la mezcla a temperatura ambiente, lo cual empezara la cristalización de la mezcla, se colocara la mezcla en un baño de hielo por un periodo de 10 minutos, el sólido obtenido se filtra al vacío y se enjuaga cuidadosamente con 0.5-1.0 mL de hexano frío y dejar secar en el papel filtro para proceder a tomar la masa y calcular el porcentaje de rendimiento.

Posteriormente se toma el punto de fusión y la caracterización. El producto obtenido puede purificarse por medio de una sublimación o por medio de una re cristalización. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS. SÍNTESIS DE ANHÍDRIDO FTÁLICO. Tabla 2. Datos de reactivos utilizados para síntesis de Anhídrido ftálico. Reactivo Ácido ftálico. (C6H5(COOH)2) Anhídrido acético. ((CH3CO)2O) Anhídrido Ftálico (C8H4O3) Reactivo limitante

Peso Molecular (g/mol) 166,14

Densidad (25 °C) (g/mL) 1,59

102,19

1,08

0,2006 𝑔 𝑑𝑒 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 ∗ 166,14 𝑔 𝑑𝑒 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻 )2 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶8 𝐻4 𝑂3 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 148,115 𝑔 𝐶8 𝐻4 𝑂3 ∗ = 0,1788 𝑔 𝐶8 𝐻4 𝑂3 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶8 𝐻4 𝑂3 0,138 𝑔 𝐶8 𝐻4 𝑂3 ∗ 100 0,1788 𝑔 𝐶8 𝐻4 𝑂3 = 77,18 %

% 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 =

ANÁLISIS. Punto de fusión 𝑷,  𝒅𝒆 𝑭𝒖𝒔𝒊ó𝒏 =

148,1

1,53

0,2006 𝑔 𝑑𝑒 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 ∗ 166,14 𝑔 𝑑𝑒 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐶8 𝐻4 𝑂3 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂𝑂𝐻)2 = 1,20 ∗ 10 −3𝑚𝑜𝑙 𝐶8 𝐻4 𝑂3 1,08 𝑔 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 1 𝑚𝑙 𝑠𝑙𝑛 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 ∗ 102,19 𝑔 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶8 𝐻4 𝑂3 ∗ 1 𝑚𝑜𝑙 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 = 4,22 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 𝐶8 𝐻4 𝑂3

0,4 𝑚𝐿 (𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 ∗

Porcentaje de rendimiento.

% 𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =

125,1 + 131,2 = 128,2 2

|131.0 − 128,2| 131,0 = 2,18%

∗ 100%

Tabla 3. Datos de bandas de IR, teórico1 Grupo Funcional

Tipo de fenómeno

Número de Onda (cm1)

Intensidad

Grupo Carbonilo. C=O

Tensión asimétrica

1830-1810

Fuerte

Tensión simétrica

1770-1750

Fuerte

Tensión asimétrica

1300-1100

Fuerte

Tensión Simétrica

950-900

Fuerte

Tensión

3100-3000

Débil

Deformación

900-675

Fuerte.

C=C

Tensión

1600-1500

4 bandas Intensidad variable

C=C

ArmónicosSobretonos

2000-1667

Bandas débiles.

Grupo C-CO-OCO-C

C-H

DISCUSIÓN DE RESULTADOS.

Reacción 1. Mecanismo para la formación de un anhídrido de cadena abierta. Los anhídridos son compuestos derivados de los ácidos carboxílicos que no son tan reactivos como lo son los cloruros de ácido (También derivados de ácido) y en ocasiones se encuentran en la naturaleza. Al no resultar tan reactivos son muy selectivos en sus reacciones. La formación de un anhídrido se da por la reacción entre un haluro de ácido y un ácido carboxílico. Un anhídrido de ácido contiene dos moléculas de un ácido, con perdido de una molécula de agua. La adición de agua a un anhídrido regenera dos moléculas del ácido carboxílico.

Reacción 2. Hidratación de un anhídrido. Como los haluros de ácido, los anhídridos son derivados activados de los ácidos carboxílicos, aunque los anhídridos no son tan reactivos como los haluros de ácido. En un cloruro de ácido, el átomo de cloro activa al grupo carbonilo y actúa como un grupo saliente. 2 Ahora bien, al saber que los anhídridos son derivados de los ácidos carboxílicos se tiene que mencionar que los ácidos no sólo forman anhídridos sino otros tipos de derivados como los presentados en la figura 2; estos siguen su reactividad al ataque nucleofílico dependiendo de su estructura y de la naturaleza del nucleofilo atacante.

Figura 2. Derivados de los ácidos carboxílicos, ordenados según reactividad. Este orden de reactividad se debe en parte a la basicidad de los grupos salientes. Las bases fuertes no son buenos grupos salientes y la reactividad de los derivados disminuye a medida que los grupos salientes se vuelven más básicos.3 Los ácidos policarboxílicos, como otros compuestos con varias funciones oxigenadas en su molécula, son capaces de producir reacciones de cierre de ciclo, observándose una preferencia por la formación de anillos de cinco y seis miembros. Los ácido oxálico, malónico, tienen tendencia a la formación de sales complejas cíclicas estables y los grupos carboxilos de dichos ácidos pueden producir reacciones de condensación con otras moléculas con simultánea separación de algunos grupos de átomos. El anhídrido acético puede transformar algunos ácidos dicarboxílicos en sus correspondientes anhídridos cíclicos, según una reacción normal de

de transanhidrización, o intercambio de anhídrido, del comportamiento de un ácido dicarboxílico frente al anhídrido acético pueden deducirse conclusiones respecto a la posición relativa de los grupos carboxilo. Según BLANC: “Los átomos de carbono carboxílicos en posiciones 1,7 o más distantes no formaran compuestos cíclicos, pero ocasionarán una anhidrización intermolecular para formar macromoléculas en cadena. En posiciones 1,6 Carbonos carboxílicos experimentan descomposición produciendo cetonas cíclicas, en 1,5 y 1,4 y en determinadas circunstancias 1,3 se transforman en anhídridos cíclicos” 4 La acción ciclizante del anhídrido acético, produce en este caso estudiado la transanhidrización del ácido ftálico para producir el anhídrido ftálico el cual se obtiene en condiciones de temperatura entre 150°C -160°C, y tiene un punto de fusión 180,8 °C. El anhídrido ftálico es una de las materias primas más importantes para la fabricación de resinas alquidicas, esteres pastificantes, resinas poliéster y colorantes; se emplea también en la preparación de ácido benzoico, sales metálicas, anhídrido tetracloroftalico y ácido tereftalico. 5 Tipo químico: anhídrido Formula moléculas: C8H4O3 Estructura:

Figura 3. Estructura del anhídrido ftálico. El anhídrido ftálico se descubre en 1836 por Auguste Laurent, y se obtiene por oxidación catalítica del orto-xileno y naftaleno (proceso de Gibbs para el anhídrido ftálico) 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝐻3 )2 + 3𝑂2 → 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂2 )2 𝑂 + 3𝐻2 𝑂 Reacción 3. Oxidación del Orto Xileno para formación de anhídrido ftálico.

𝐶10𝐻8 + 4.5𝑂2 → 𝐶6 𝐻4 (𝐶𝑂2 )2 𝑂 + 2𝐻2 𝑂 + 2𝐶𝑂2 Reacción 4. Oxidación catalítica del naftaleno. Al separar el anhídrido ftálico a partir de subproductos tales como o-xileno en agua, o anhídrido maleico, se requiere una serie de "condensadores de conmutación". El anhídrido ftálico se pueden preparar también a partir de ácido ftálico.6 El compuesto obtenido en el laboratorio se obtiene con un porcentaje de rendimiento del 77,18% y cuando se procede a medirse el punto de fusión se encuentra un error del 2.18% lo cual muestra que a pesar de que este porcentaje de error sea tan bajo el compuesto se encuentra contaminado con algún tipo de impureza, aunque se forman los cristales blancos característicos del anhídrido y se sabe que no hay presencia de agua en el compuesto, este muestra esta parte impura. La síntesis de este compuesto procede por una adición nucleofílica promovida por el ataque nucleofílico de uno de los oxígenos con pares de electrones libres que tiene el ácido ftálico a uno de los carbonos carboxílicos del ácido acético al unirse esta molécula tiene muy poca estabilidad, lo que conlleva a su ruptura y eliminación de acetato, el cual atacará el hidrógeno en el oxígeno con delta positivo, el cual resultará más ácido para formar una molécula de ácido acético. Cuando se realiza esto, el carbono carboxílico del ácido que sufre la adición, puede ser atacado intramolecularmente por el oxígeno del otro grupo carboxílico que todavía no ha reaccionado, formando otro producto inestable que liberará de nuevo acetato y este a su vez tomará el hidrógeno ácido en el oxígeno que se encuentra en el extremo del nuevo ciclo de cinco miembros formado en las posiciones 1,2 del anillo que antes era parte del ácido ftálico que ahora pasa a ser anhídrido ftálico. Esta reacción puede realizarse como un ataque intramolecular, que llevaría a una deshidratación del ácido ftálico, pero esta requeriría altísimas temperaturas las cuales no son controlables en el laboratorio en el que se trabajó.

Reacción 5. Mecanismo de reacción para síntesis de anhídrido ftálico Como ya se ha dicho los ácidos carboxílicos pueden formar diversos anhídridos7 y aquí varios ejemplos de ello:

Figura 4. Ácido succínico.

Figura 7. Anhídrido maleico.

Figura 8. Ácido glutarico.

Figura 5. Anhídrido succínico.

Figura 9. Anhídrido glutarico

Figura 6. Ácido maleico.

ANÁLISIS DEL COMPUESTO ANÁLISIS POR IR.

Figura 10. Espectro de IR Teórico del anhídrido ftálico.8 Debido a que el compuesto sintetizado en el laboratorio por dificultades desconocidas no se pudo analizar por Espectroscopia IR, se analizan teóricamente las bandas características del mencionado compuesto como se puede observar en la tabla 3, se encuentran señales del grupo carbonilo y del grupo CO-O-CO además de los diferentes Carbonos aromáticos. ANÁLISIS POR RMN 1H

Figura 11. Espectro RMN 1H en DMSO Teórico del anhídrido ftálico9.

Figura 12. Anhídrido ftálico RMN 1H

Figura 12. Espectro experimental RMN 1H del anhídrido ftálico. Las señales encontradas en el espectro RMN 1H experimental son parte de los 4 protones de la estructura tal como se muestran, los señalados con azul son aquellos que se encuentran en campo más bajo debido a que se encuentran más desprotegidos por la presencia de los grupos carboxilo que son atrayentes de carga lo que los hace desplazarse más hacía la izquierda, a un campo más bajo, mientras que los hidrógenos más protegidos, que son aromáticos se encuentran cerca de 7, señalados de color rosa, son aquellos que se encuentran más alejados de los grupos

carbonos carboxílicos, (Grupo CO-O-CO) característico del anhídrido sintetizado, la señal en amarillo puede pertenecer tanto a ruido como a la señal que daría el disolvente con el cual se realizó la solución para tomar el espectro, no se puede saber con seguridad, lo que significa aquella señal. Esto muestra que el compuesto sintetizado a pesar de estar contaminado, según lo muestra el punto de fusión, muestra un gran resultado en los análisis espectroscópicos.

CONCLUSIONES. 





La reacción de transanhidrización con ácido acético presenta un gran éxito en la experiencia realizada debido a que se obtiene un producto de síntesis el cual presenta un buen rendimiento y puede caracterizarse para dar certeza de que es anhídrido ftálico, cumpliendo el objeto de la práctica. Los compuestos dicarboxílicos como el ácido ftálico reaccionan para dar compuestos cíclicos que forman anillos de cinco a seis miembros, como se observó en este caso. Caracterizaciones como el punto de fusión, son primeros pasos para saber a ciencia cierta que el compuesto sintetizado está cercano a ser lo que debe ser, las caracterizaciones con RMN 1H y espectroscopia IR es para caracterizar y asegurar la presencia de los grupos funcionales característicos, y re afirmar el éxito de la reacción.

REFERENCIAS. 1. Zuluaga, F; Insuasty, B; Yates, B, Análisis orgánico clásico y espectral. Colombia. Publicaciones Univalle. 2014. 140-141 2. Wade, L. G. “QUÍMICA ORGÁNICA”; Volumen 2, 5th edición.; Pearson Education S.A: Madrid, 2004; pp. 985, 1000. 3. Wade, L. G. “QUÍMICA ORGÁNICA”; Volumen 2, 5th edición.; Pearson Education S.A: Madrid, 2004; pp. 998. 4. Klages, F. “Tratado de Química orgánica”; Tomo 1 (1 Parte); Editorial Reverte, Barcelona, España, 2005, pp 478-480. 5. Anhídrido Ftálico. http://ptrasandina.com.ve/wpcontent/uploads/productos/carboquimica/bol etines_tecnicos/Anhidrido_ftalico/ANHFTAS T-07.pdf Revisado: 01 de marzo de 2015. 6. Producción de Anhídrido ftálico. http://www.ecured.cu/index.php/Anh%C3%A Ddrido_ft%C3%A1lico#S.C3.ADntesis_y_pr oducci.C3.B3n Revisado: 01 de marzo de 2015.

7. Morrison, R. T. “QUIMICA ORGANICA”; 5th edición.; Pearson Education S.A: Mexico, 1998; pp. 735, 801, 832, 844, 854. 8. phthalic anhydride’s IR spectra http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgibin/direct_frame_top.cgi Revisado: 5 de marzo de 2015. 9. phthalic anhydride’s RMN 1H spectra http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgibin/direct_frame_top.cgi Revisado: 5 de marzo de 2015...