Práctica 4 - Diferenciación de isómeros PDF

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Como diferenciar isómeros mediante sus propiedades físicas...

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Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – UPTC Escuela de Ciencias Químicas Laboratorio de Química Orgánica

Integrantes: Claudia Liliana Núñez Ariza y Paola Andrea Muñoz Cárdenas. Título: Diferenciación de isómeros por sus propiedades físicas. Resumen: Se estudiaron las propiedades físicas de los cuatro isómeros constitucionales del butanol a partir de la extracción de información de la literatura. Se evidenció que las fuerzas de dispersión de London y los puentes de hidrógeno son las interacciones predominantes en estos isómeros y que la geometría molecular de las moléculas es quien determina la cantidad e influencia de dichas interacciones en cada isómero, logrando así diferenciarlos por su punto de ebullición, solubilidad en agua y densidad. El n-Butanol por su geometría tiende a ser la molécula más lineal de los isómeros confiriendo propiedades radicalmente opuestas a las del ter-Butanol siendo la molécula más ramificada, mientras que los compuestos como Isobutanol y sec-butanol mantuvieron cierta relación y concordancia entre las propiedades físicas y las geometrías moleculares de los isómeros más similares en cuanto a la organización de sus átomos y enlaces. Discusión de resultados: Las geometrías moleculares de los compuestos orgánicos están directamente relacionadas con las propiedades físicas y químicas de estas moléculas, puede ser que un compuesto tenga la misma fórmula molecular que otro (Morrison & Boyd, 1998), pero los cambios en la ubicación y distribución de los átomos harán que cada molécula se comporte de forma diferente; a esto se le conoce como isomería y existen dos clases principales: isómeros constitucionales y estereoisómeros. Durante la práctica se observaron las propiedades físicas de los isómeros constitucionales del butanol: n-Butanol, Isobutanol, sec-Butanol y ter-Butanol; cuatro compuestos cuya fórmula molecular es 𝐶 𝐻 𝑂que al tener diferente forma estructural 4

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permiten ser diferenciados por su punto de ebullición, solubilidad en agua y densidad. De los datos extraídos de la literatura (anexo A) se observa que el punto de ebullición del butanol aumenta conforme disminuye la cantidad de ramificaciones en la molécula, es decir, mientras que el ter-Butanol con la mayor cantidad de ramificaciones de los cuatro isómeros tiene un punto de ebullición de 82 ºC, el n-Butanol siendo una cadena lineal tiene un punto de ebullición de 118 ºC. El punto de ebullición es una medida aproximada de la cantidad de energía necesaria para separar una molécula líquida de sus vecinas más cercanas (Cabildo et al., 2008) y esto a su vez depende de la cantidad y el tipo de fuerzas intermoleculares entre moléculas (Jaramillo, 2007). Al observar la estructura molecular del n-Butanol se observa que es una cadena de carbonos lineal unida a un grupo -OH, en estas moléculas existen dos tipos de interacciones actuantes, por un lado se tienen puentes de hidrógeno formados por los grupos alcohol de las moléculas, al mismo tiempo, tiene gran influencia de las fuerzas de dispersión de London que actúan sobre la cadena carbonada y debido a su geometría molecular, permite un mayor empaquetamiento entre las moléculas. Por otra parte, el ter-Butanol es un alcohol terciario que puede formar puentes de hidrógeno entre moléculas, sin embargo, la intensidad del enlace de hidrógeno es mayor en un alcohol primario que en uno terciario debido a la accesibilidad del grupo -OH (Torres et al., 2005), además tiene menor cantidad de fuerzas de dispersión de London debido a su geometría molecular y como resultado, menor influencia de fuerzas intermoleculares que mantienen unidas las moléculas, por lo que requiere menor energía en forma de calor para romper los puentes de hidrógeno y la pequeña cantidad de fuerzas de dispersión de London presentes. Del análisis dado en la comparación del punto de ebullición del n-Butanol y el ter-Butanol se infiere que el punto de ebullición del isobutanol y el sec-Butanol se ve influenciado de igual manera por la cantidad de fuerzas de London entre moléculas. Se dice entonces que el aumento en el punto de ebullición es influenciado por la estructura molecular y depende del incremento en la intensidad de las fuerzas de London, ya que al aumentar las ramificaciones de la molécula, disminuyen las fuerzas intermoleculares y por ende, el punto de ebullición del compuesto. 1

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – UPTC Escuela de Ciencias Químicas Laboratorio de Química Orgánica Además de formar puentes de hidrógeno consigo mismos, los isómeros del butanol también pueden formar puentes de hidrógeno con moléculas de agua (Castillo, 2019), dichas interacciones son medibles e indican la solubilidad del isómero. La solubilidad de los isómeros se ve afectada por la cantidad de interacciones entre las moléculas del mismo compuesto, caso similar a lo que sucede con el punto de ebullición, sin embargo, cuando las fuerzas intermoleculares son más significativas entre moléculas del mismo compuesto, la solubilidad es menor en comparación con los compuestos que tienen interacciones moleculares menos relevantes, donde se evidencia un aumento en la solubilidad del compuesto (Andrés-Vaquerizo, 2020). Al comparar las solubilidades del n-Butanol con la del sec-Butanol (anexo A) se evidencia relación con lo descrito anteriormente por una diferencia significativa de 46 g/L entre las solubilidades de los compuestos, siendo el n-Butanol menos soluble en agua debido a que la cadena no polar no interacciona con las moléculas de agua, sino es el grupo -OH por sus cargas parciales quien establece las interacciones de puente de hidrógeno con las moléculas de agua, quedando una cadena de gran tamaño sin ser rodeada o atraída por el agua. En cuanto a la solubilidad del ter-Butanol se dice que se clasifica dentro de un término cualitativo que es la miscibilidad; el grupo butilo terciario impedido estéricamente para formar gran cantidad de fuerzas de London imparte estabilidad formando fácilmente puentes de hidrógeno con el agua (Garric, 1979) en comparación con los alcoholes primarios y secundarios, además su geometría logra ser rodeada por moléculas de agua y favoreciendo su combinación en cualquier proporción. Finalmente, la cantidad de moléculas de cualquiera de los isómeros con respecto a un determinado volumen que ocupan determinan una propiedad medible conocida como densidad (Andrés-Vaquerizo, 2020). Esta propiedad se rige bajo el mismo concepto de fuerzas intermoleculares, a mayor cantidad de interacciones, las moléculas se mantendrán más unidas, por lo tanto ocupan menor volumen. Por ejemplo, una estructura como la del ter-Butanol tiene menor cantidad de moléculas ocupando espacio A en comparación a una estructura como la del Isobutanol en el mismo espacio, debido al que en el ter-Butanol el agrupamiento de las moléculas es menor debido a su geometría molecular, esto conlleva a que la razón peso/volumen sea menor en comparación a la del Isobutanol, teniendo valores de densidad que varían de 0,775 g/mL a 0,803 g/mL respectivamente. Conclusiones ￫

La influencia de la geometría molecular en las interacciones moleculares, sobretodo en las fuerzas de dispersión de London tienen influencia significativa en los puntos de ebullición de los isómeros del butanol, por lo tanto, una cadena lineal como el n-Butanol tiene mayor punto de ebullición frente a cadenas ramificadas como el el ter-Butanol, pasando de 118 ºC a 82 ºC respectivamente.

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La solubilidad de los isómeros del butanol está directamente relacionada con las fuerzas intermoleculares, reflejando que a mayor área superficial la solubilidad es menor, y aumenta conforme disminuye el área superficial de las moléculas. En una cadena ramificada como la del sec-Butanol la solubilidad será mayor en comparación a la cadena lineal n-Butanol, pasando de 125 g/L a 79 g/L respectivamente.

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El ter-Butanol es un compuesto más estable en relación de afinidad con el agua debido a su propiedad cualitativa de miscibilidad, en la que su geometría molecular favorece su combinación con el agua en cualquier proporción.

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La densidad de los isómeros del butanol depende directamente de la geometría molecular de cada compuesto. La estructura del ter-Butanol ocupa mayor volumen que los demás isómeros, por lo tanto la razón masa/volumen tiene un valor de 0,775 g/mL y será menor que la de estructuras con geometrías más sencillas y con menos ramificaciones como la del Isobutano con una razón de 0,803 g/mL. 2

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – UPTC Escuela de Ciencias Químicas Laboratorio de Química Orgánica Anexos. Anexo A. Propiedades físicas de los isómeros del butanol.

Anexo B. Cuestionario. 1. ¿Por qué la temperatura de ebullición de un líquido depende de la altura? Explique su respuesta. El punto de ebullición es conocido como la temperatura que se necesita para llevar a cabo cierto fenómeno físico que consta de someter una sustancia a determinadas temperaturas en las que la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica de su entorno, puesto que la presión aumenta con la temperatura. Dicha temperatura permanece constante hasta que todo el líquido se ha convertido en gas (Jaramillo, 2007). Durante la ebullición de un líquido, las moléculas empiezan a interactuar mediante energía cinética, al punto de ser lo suficientemente alta como para que estas escapen de su estructura molecular y logren evaporarse; la energía cinética que presentan estas moléculas varía con respecto a la temperatura y a la presión a la que encuentre la sustancia, puesto que al disminuir la presión atmosférica del entorno las moléculas se encuentran mucho más dispersas, por lo que se les dificulta menos moverse y se mantienen menos estables frente al calor liberándose con mayor facilidad en forma de gases, por lo que su punto de ebullición va a ser menor dado que no se necesita aplicar mucha energía para que las moléculas se separen. Un ejemplo de ello es lo que se experimenta en la montaña más alta de la Tierra (Everest) donde la temperatura de ebullición del agua es de 86°C a una altitud de 8.848 metros sobre el nivel del mar, a diferencia de lo experimentado a 19.000 metros de altura donde la temperatura de ebullición se reduce a 71°C dado que se tiene que se disminuye la presión atmosférica, por lo que se necesita emplear menor energía en forma de calor para que el agua empiece a ebullir (Retema, 2021). 2. ¿Cómo se corrige la temperatura de ebullición de un líquido? Dado que la temperatura de ebullición se ve afectada por los cambios de presión atmosférica como consecuencia de las variaciones en la altura, los valores ya estandarizados no son del todo precisos durante el proceso experimental, de manera que se necesita realizar una serie de correcciones en dichos valores. La corrección se realiza mediante la ecuación ∆𝑝 = 𝐾 (760 − 𝑃)(273, 5 + 𝑇) en la cual se determina el cambio del punto de 𝑠𝑦

ebullición, por medio de la diferencia (760 − 𝑃) donde 760 es el valor equivalente a una atmósfera en milímetros de mercurio, mientras que P es el valor de la presión atmosférica del lugar en el que se realiza el experimento; además del cambio entre las presiones se necesita implementar la constante de Sidney - Young la cual permite relacionar la presión con la polaridad del compuesto, esto se realiza debido a que el punto de 3

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – UPTC Escuela de Ciencias Químicas Laboratorio de Química Orgánica ebullición también se ve afectado por esta variable, por lo que cuanto más polar sea un compuesto mayor atracción habrán entre las moléculas como consecuencia del momento dipolar que estas experimentan en la que la asimetría de los electrones logra desarrollar un enlace de tipo dipolo-dipolo en el que este le brinda a la sustancia la capacidad de ser más estable frente al calor por lo que su punto de ebullición será más alto, caso contrario a lo que sucede con las sustancias apolares, las cuales tras carecer de un momento dipolar o tener uno muy bajo, son menos estables frente al calor, por lo que su punto de ebullición será menor. Por ende, la constante de Sidney Young se muestra como dos coeficientes, los cuales dependen de la polaridad de la sustancia (ver tabla 1) estos valores se establecen en milímetros de mercurio, debido a que las presiones poseen también esta unidad, por ello al final de la ecuación se multiplica todo por (273,5 + 𝑇) donde T es la temperatura obtenida experimentalmente, mientras que 273,5 permite establecer el resultado en grados Kelvin (Becerra, 2017). Sustancia

Constante de Sidney Young (mmHg)

Polar

0,00012

Apolar

0,00010

3. El ter-butanol tiene una pKa = 19.2 y el n-butanol tiene un pKa = 16.1 ¿Cuál alcohol es más ácido? Explique su respuesta. Se le define como pKa a la magnitud que permite cuantificar la tendencia que poseen las moléculas a disociarse cuando se encuentran en una solución acuosa, donde la disociación se comporta como el proceso en el que moléculas complejas tienen la capacidad de separarse en moléculas más pequeñas, como iones; por ello Ka es conocida como la constante de disociación ácida permite medir la fuerza con la que un ácido se disocia, de −

+

−

manera que: 𝐻𝐴 ↔ 𝐴 + 𝐻 donde 𝐻𝐴es un ácido genérico que se disocia en dos iones 𝐴 que es una base +

conjugada del ácido y 𝐻 un protón de hidrógeno, el cual se encuentra solvatado en una solución acuosa como un +

ion hidronio (𝐻3𝑂) . De modo que cuanto mayor sea el valor de pKa, menor será la disociación así como su acidez; en el que los ácidos débiles poseen un rango aproximado de -2 a 12 estos no se disocian tan bien a diferencia de los ácidos fuertes que se mantienen con valores menores a -2 los cuales se encuentran completamente disociados en una solución acuosa (Chocoteco, 2014). En los alcoholes el pKa se ve influenciado por ciertos factores como la cadena carbonada que al aumentar de tamaño disminuye la acidez o la electronegatividad de sus los grupos funcionales, por tanto el ter-butanol (ver imagen 1) y el n-butanol (ver imagen 2) a pesar de tener la misma cantidad de carbonos, dado que tienen la misma estructura química(𝐶 𝐻 𝑂) 4

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no tienen el mismo comportamiento, ya que el ter-butanol es menos ácido debido a que posee un pKa de 19.2 mientras que el n-butanol uno de 16.1 esto como consecuencia de la distribución de sus carbonos, donde el ter-butanol que también se puede nombrar como 2-Metil-2-propanol tiene ubicado su grupo funcional hidroxilo en el segundo carbono, mientras que el n-butanol tiene ubicado el grupo funcional en el primer carbono (Rodas, 2020).

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Imagen 1: Estructura 2-Metil-2-propanol.

molecular

del

Imagen 2: n-butanol.

Estructura

molecular

del

4. Defina el concepto de isómero estructural. Los isómeros estructurales o constitucionales son definidos como aquellos compuestos donde sus fórmulas moleculares son iguales, no obstante se encuentran enlazados de diferente manera, por lo que varían en su estructura molecular. Como se afirma en la revista científica Greenlane, estos isómeros pueden clasificarse en diferentes categorías según su organización, tales como: ●

●

●

Isomería esquelética: se le denomina también como isomería de cadena, dado que sus isómeros estructurales componen un tipo de esqueleto pero con un orden diferente. Esto es visible durante el experimento, donde el n-butanol posee una cadena lineal a diferencia de el ter-butanol que posee una estructura molecular totalmente diferente, disminuyendo su cadena principal por un propano por lo cual también se puede nombrar también como 2-Metil-2-propanol (ver anexo A). Isomería de posición: se le denomina también regioisomería, en este el grupo funcional o sustituyente cambia de posición. En el experimento se pueden evidenciar este tipo de isómeros como el isobutanol y el sec-butanol (ver anexo A) en el cual su estructura molecular continúa siendo la misma (C4H10O) estos se distribuyen de manera diferente donde el isobutanol cuenta uno de sus carbonos como un sustituyente, mientras que el otro lo incluye en la cadena principal. Isomería de grupo funcional: Son isómeros estructurales que forman grupos funcionales diferentes, a pesar de esto continúan teniendo la misma cantidad de átomos.

5. ¿Cuál es la diferencia entre un enantiómero, diastereómero y un isómero de posición? Dé un ejemplo de cada uno. Para esclarecer dichos conceptos es necesario recalcar que enantiómeros y diastereoisómeros son estereoisómeros, es decir que poseen el mismo número de átomos, de modo que cada isómero se encuentra conectado de la misma manera pero orientados en diferente en el espacio. Además cada uno posee una letra correspondiente que le permite diferenciar cual es su rotación, de manera que R es la rotación que realiza la molécula hacia la derecha, mientras que S es la rotación hacia la izquierda, lo que físicamente se muestra con la interacción con la luz que permite que un isómero desvíe la luz del plano hacia la derecha (R) mientras que el otro la desvía hacia la izquierda (S) por lo cual también los denominan isómeros ópticos (Khan Academy, 2015). Los enantiómeros son imágenes especulares que no pueden superponerse entre sí. Un ejemplo de ello es la imagen 3, en la cual se muestran dos compuestos los cuales son la imagen especular del otro, mostrando como uno rota hacia la derecha mientras que el otro rota hacia la izquierda; además de esto pueden tener más de un centro quiral (definiendo centro quiral como una conformación compuesta por un carbono central cuyos sustituyentes son diferentes) como 5

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia – UPTC Escuela de Ciencias Químicas Laboratorio de Química Orgánica se puede apreciar en la imagen 4 donde los dos carbonos se encuentran unidos por sus cuatro enlaces a compuestos distintos. En esta misma imagen se puede ver el segundo tipo de isómero óptico, los diastereómeros, que se define como un estereoisómero que si bien no son superponibles, tampoco son la imagen especular del otro (Libretexts, 2020). Finalmente, los isómeros de posición son totalmente diferentes a los anteriores isómeros mencionados, debido a que estos no son estereoisómeros, sino isómeros constitucionales, por lo cual cada isómero se encuentra conectado de manera distinta, como se puede evidenciar en la imagen 5, donde el que cambia principalmente es el grupo funcional.

Imagen 3: Estereoisómeros, enantiómeros

Imagen 4: Enantiómeros y Diastereoisómeros

Imagen 5: Isómeros estructurales: Isómeros de Posición

Referencias: Andrés-Vaquerizo, D. (2020). Química segundo de bachillerato. Editorial Editex. P-295. Becerra, M. (2017, 11 marzo). LAB. QUÍMICA GENERAL - DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN [Vídeo]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=EjvCapAmrDI Cabildo, M. M. D. P., García, F. A., & López, G. C. (2008). Química orgánica. Capítulos: alcoholes, éteres y epóxidos. Compuestos de azufre, el grupo carbonilo: aldehídos y cetonas, ácidos carboxílicos, derivados de ácidos carboxílicos. Recuperado de https://ebookcentral-proquestcom.bibliotecavirtual.unad.edu.co/lib/unadsp/reader.action?docID=3199 649&ppg=1 Castillo, J. (2019). Estructura Y Propiedades De Compuestos Orgánicos Oxigenados Y Su Incidencia En El Eje Agropecuario- Ambiental. Centro de Investigación de Agricultura y Biotecnología. Escuela de Ciencias Agrícolas, Pecuarias y del Medio Ambiente. Universidad Nacional Abierta y a Distancia. Bogotá, Colombia. Chocoteco, M. (2014). 2.1.1 Constante de acidez, Ka y pKa. Instituto Tecnológico de Tijuana. https://sites.google.com/site/qoi2014ichocotecorenteriamadai/unidad-ii-fundamentos-de-reactvidad/2-1-1-constant e-de-acidez-ka-y-pka Fernández, G. (2011). Acidez y basicidad de alcoholes. https://www.quimicaorganica.or...