Practica sintesis de cloruro de tert butilo y n-butilo PDF

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practica para la realización de reacciones de sustitución de tipo SN1 y SN2 ...

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Síntesis de cloruro de ter-butilo y bromuro de n-butilo García Carrillo Brandon, Guzmán Zamudio Laura. Departamento de Química, Laboratorio de Química Orgánica, Universidad Autónoma Metropolitana-Iztapalapa, Av. San Rafael Atlixco 186, Leyes de Reforma 1ra Secc., 09340 Ciudad de México, México.

I N F O RM AC I ÓN D E L RE P O RTE Fecha de realización: 24/05/2019 Fecha de entrega: 31/05/2019

A B S TR A C T Using nucleophilic substitution reactions, primary and tertiary alkyl halides were obtained which depended on the position of the substrate. It was also necessary to make a simple distillation to separate and obtain these compounds.

Palabras clave: Sustitución Sustrato Nucleófilos Destilación

1. Introducción Los halogenuros de alquilo son compuestos orgánicos en los cuales un átomo de carbono con hibridación sp 3 se enlaza covalentemente a un halógeno, tienen la fórmula general de R-X donde R representa un grupo alquilo o un alquilo sustituido.1 Los halogenuros de alquilo se clasifican de acuerdo con el tipo de carbono que sea portador del halógeno, por lo que tenemos halogenuros de alquilo primarios, secundarios y terciarios.

Figura 1.

Representación gráfica del tipo de halogenuros, dónde X representa un halógeno 2 Propiedades físicas de los halogenuros de alquilo. 3  Son insolubles en agua  No son capaces de establecer puentes de hidrógeno  Son solubles en disolventes orgánicos, de baja polaridad  Tienen puntos de fusión y de ebullición relativamente bajos Los halogenuros de alquilo se pueden preparar a partir de: a) Alcanos: halogenación por radicales libres b) Alquenos: Bromación alilica c) Alcoholes Dependiendo del tipo de halogenuro de alquilo que se quiera sintetizar será el tipo de reacción que se ocupe. De este modo tenemos que: 1) Para la preparación de halogenuros de alquilo primarios puede ocurrir una reacción de tipo SN 2 si se utiliza un nucleofilo bueno, se utiliza una E 2 si se utiliza una base fuerte impedida estericamente y

puede ocurrir una E1Bc si el grupo saliente está a dos carbonos del grupo carbonilo 2) Para la preparación de halogenuros de alquilo secundarios, puede ocurrir una SN1 si se utiliza un nucleofilo débilmente básico en un disolvente polar aprotico, la E2 predomina si se utiliza una base fuerte y la E 1Bc sucede si el grupo saliente está a dos carbonos del grupo carbonilo. 3) Para la preparación de halogenuros de alquilo terciarios puede ocurrir una E2 cuando se utiliza una base, pero en condiciones neutras sucede conjuntamente una SN1 y una E1. 3 En esta ocasión se utilizara alcohol terbutilico (alcohol terciario) para obtener cloruro de terbutilo (halogenuro terciario), por lo que en el proceso ocurrirá una reacción del tipo SN 1. Las reacciones SN1 (sustitución nucleofilica de unimolecular) se caracterizan por qué el sustrato es bencílico o terciario y porque la reacción ocurre en dos etapas; siendo la primera etapa lenta y determinante de la velocidad de reacción la formación de un carbocatión(especie química que posee deficiencia electrónica). La etapa rápida es la inserción del nucleofilo la cual puede ser frontal o antiperiplanar.

2 Para la preparación de bromuro de butilo (halogenuro primario) se utilizará una reacción del tipo SN2 La SN2 (sustitución nucleófila bimolecular) es una reacción concertada, es decir, transcurre en una sola etapa. El mecanismo consiste en el ataque del nucleófilo al carbono que contiene el grupo saliente, de modo que se produce la ruptura del enlace carbono-halógeno, donde se tiene un estado de transición llegando finalmente a obtenerse el producto final. 4

En el caso del C4H9Br se obtuvo un volumen de 2 mL. Considerando que la reacción obtenida presenta una estequiometria 1:1, el procedimiento para calcular el rendimiento de la reacción es similar:

C4H10O + NaBr + H2SO4

C4H9Br + NaHSO4 + H2O

Vol. C4H10O = 3.2 mL Densidad = 0.810 g/mL Masa molar = 74.12 g/mol Masa C4H10O = (0.81 g/mL)* (3.2 mL) = 2.592 g Moles C4H10O = (2.592 g) / (74.12 g/mol) = 0.0350 moles Masa NaBr = 2.5155 g Masa molar = 102.894 g/mol Moles NaBr= (2.5155 g) / (102.894 g/mol = 0.0244 moles (0.0350 moles C4H10O) * (1 mol NaBr/ 1 mol C4H10O) = 0.0350 moles NaBr Reactivo Limitante: NaBr Reactivo en exceso: C4H10O Rendimiento teórico: (0.0244 moles NaBr)*(1 mol C4H9Br/ 1 mol NaBr) = 0.0244moles C4H9Br

2. Resultados y Discusión Se obtuvo un volumen de poco menos de 1 mL de C 4H9Cl según la graduación de la probeta, pero para efectos cuantitativos se utilizará un volumen de 1 mL. Considerando que la reacción obtenida es:

C4H10O + HCl

C4H9Cl + H2O

Se puede observar que la estquiometría es 1:1 y que el rendimiento de la reacción es el siguiente: Vol. C4H10O = 3 mL Densidad = 0.781 g/mL Masa molar = 74.12 g/mol Masa C4H10O = (0.781 g/mL)* (3 mL) = 2.343 g Moles C4H10O = (2.343 g) / (74.12 g/mol) = 0.0316 moles Vol. HCl = 10 mL Densidad = 1.14 g/mL Pureza = 37% Masa molar = 36.46 g/mol Masa HCl = (1.19 g/mL)* (10 mL) = 11.9 g Masa pura HCl = (11.9 g)* (0.37)= 4.403 g Moles HCl = (4.403 g) / (36.46 g/mol) = 0.1208 moles (0.0316 moles C4H10O) * (1 mol HCl / 1 mol C4H10O) = 0.0316 moles HCl Reactivo Limitante: C4H10O Reactivo en exceso: HCl Rendimiento teórico: (0.0316 moles C4H10O)*(1 mol C4H9Cl / 1 mol C4H10O) = 0.0316 moles C4H9Cl Rendimiento practico: Vol. C4H9Cl: 1 mL Densidad: 0.84 g/mL Masa molar = 92.57 g/mol Masa C4H9Cl= (1 mL)*(0.84 g/mL) = 0.84 g Moles C4H9Cl= (0.84 g) / (92.57 g/mol) = 0.00907 moles R% = [(0.00907 moles) / (0.03160 moles)]*[100%] R%=28.70% Se obtuvo un rendimiento del 28.70%

Rendimiento practico: Vol. C4H9Br: 2 mL Densidad: 1.276 g/mL Masa molar = 137.03 g/mol Masa C4H9Br= (2 mL)*(1.276 g/mL) = 2.252 g Moles C4H9Br= (2.252 g) / (137.03 g/mol) = 0.0186 moles R% = [(0.0186 moles) / (0.0244 moles)]*[100%] R%=76.23% Se obtuvo un rendimiento del 76.23%. El rendimiento fue mucho mayor en la síntesis del halogenuro de alquilo primario que en el secundario. Ambos productos obtenidos muestran un estado líquido, son transarentes y se obtuvo un rendimiento coherente a los volúmenes que se utilizaron de n-butanol y ter-butanol.

3. Conclusiones Se obtuvo 1 mL de cloruro de tert-butilo mediante una reacción de sustitución SN1 lo que indica un rendimiento en la reacción del 28.70%. Análogamente también se obtuvieron 2 mL de cloruro de n-butilo a través de una reacción de sustitución SN2 lo que es igual a un rendimiento de 76.23%.

4. Sección experimental Para sintetizar el cloruro de ter butilo, se vaciaron 3 mL de C4H9OH (Terbutanol) en un matraz Erlenmeyer de 50 mL y se agregaron 10 mL de HCl dentro de una campana de extracción, luego se dejó agitar durante 15 minutos la mezcla a temperatura ambiente y utilizando un agitador magnético. Al término de este lapso de tiempo, la solución se transfirió a un embudo de agitación el cual se agitó vigorosamente. Debido a que se producía presión dentro del embudo, se dejó salir ésta por medio de la llave y una vez que se observaron dos fases, la fase inferior se recolectó en un vaso de precipitados de 50 mL mientras que la fase orgánica (C4H9Cl) se recolectó en otro vaso igual pero se le añadieron 5 mL de una solución al 10% de NaHCO3, se volvió a agitar y se volvieron a separar las fases. Esta adición de NaHCO3 se realizó dos veces y todas las fases acuosas se desecharon mientras que la fase orgánica se veía

opaca y con una ligera tonalidad blanca. Por último se añadieron 5 mL de agua destilada para lavar el C4H9Cl y a la mezcla se le añadió un poco de Na 2SO4 anhidro para que secara bien y se observara una solución incolora y transparente que después se vació en una probeta de 10 mL. Mientras que el Na 2SO4 se desechó. Para la síntesis de bromuro de butilo se colocaron en un matraz redondo de 50 mL., 3.2 mL de C4H9OH (n-butanol), 3 mL de agua destilada y 2.5 g de NaBr. Al agregar esto, se llevó el matraz a una campana de extracción y se colocaron 3 mL de H 2SO4 concentrado, al agregarlo se observó que la mezcla adquirió una tonalidad amarillenta y un poco opaca. El matraz se dejó en un baño de hielo durante 20-30 minutos, mientras se ensamblaba un sistema de reflujo. Al retirar el matraz del baño de hielo, se colocó en el sistema de reflujo y se hizo circular agua para mantener un volumen constante durante 30 minutos mientras se agitaba la mezcla. Al terminar este tiempo, se adaptó el equipo para realizar una destilación sencilla en la cual, a los 37°C se obtuvo la primer gota del destilado (Recolectado en un matraz Erlenmeyer de 50 mL) y este procedimiento continúo por 10 minutos hasta que la última gota del destilado fue recolectada en el matraz a una temperatura de 81°C. El destilado era un poco opaco. El destilado obtenido se transfirió a un embudo de separación de 50 mL y se lavó con 5 mL de solución 10% m/v de NaHCO 3 para luego agitar vigorosamente el embudo y observar la separación de la mezcla en 2 fases. La fase inferior era la fase orgánica que se recolectó en un matraz Erlenmeyer de 25 mL mientras que la fase acuosa o superior se desechó. Se repitió el proceso de la adición de NaHCO3 y de la separación. La fase orgánica se secó utilizando un poco de Na 2SO4 anhidro el cual después se desechó mientras que la solución se volvió transparente y se colocó el volumen en una probeta de 10 mL.

5. Referencias y Notas 1. MORRISON, Roberth Thornton,"Química orgánica";5 Ed, pag.163 2."Clasificación y nomenclatura de halogenuros de alquilo"; http://organica1.org/qo1/ok/haluro/haluros4.htm 3. MC MURRY John; "Química Orgánica”; Lengage Learning, 8a Ed.: México 2014; pág. 347-355, 407,408 4. Germán Hernández, 'Estereoquímica en la SN2' https://www.quimicaorganica.org/reacciones-sustitucion-sn2/381estereoquimica-en-la-sn2.html...