Pre laboratorio virtual no. 05 - Halogenación de alcanos y alquenos - Parte A - Grupo B PDF

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Universidad Rafael Landívar Facultad de Ingeniería Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica I, sección 03 Catedrático: Ing. Mario Letona

Actividad virtual No. 05 (PARTE A) “HALOGENACIÓN DE ALCANOS Y ALQUENOS”

Amy Sandoval 1310219

Guatemala 26 de marzo de 2021

ÍNDICE

I.

INTRODUCCIÓN ......................................................................................................... 1

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO............................................................................................ 2 Reacción de radicales libres ............................................................................................................... 2 Halogenación...................................................................................................................................... 2 Reacción de halogenación de alcanos ................................................................................................ 2 Condiciones de reacción de halogenación de alcanos ....................................................................... 2 Mecanismos de reacción de halogenación de alcanos y sus etapas .................................................. 3 Reacción de halogenación de alquenos ............................................................................................. 3 Condiciones de reacción de halogenación de alquenos..................................................................... 3 Mecanismos de reacción de halogenación de alquenos y sus etapas ............................................... 3 Química verde y sus 12 principios ...................................................................................................... 3

III.

PREGUNTAS PRELABORATORIO ................................................................................. 5

IV.

OBJETIVOS ............................................................................................................ 9

GENERAL ............................................................................................................................................ 9 ESPECÍFICOS ....................................................................................................................................... 9

V.

METODOLOGÍA ....................................................................................................... 10 DIAGRAMA DE FLUJO DE BLOQUES PARA PROCEDIMIENTOS ......................................................... 10

VI.

REFERENCIAS ...................................................................................................... 11

BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................................................................... 11 E-GRAFÍA .......................................................................................................................................... 11

VII.

ANEXOS .............................................................................................................. 12

TABLAS DE PROPIEDADES ................................................................................................................ 12

VIII.

REACCIONES QUÍMICAS ...................................................................................... 13

IX.

DIAGRAMA DE EQUIPO ........................................................................................... 14

X.

CÁLCULOS ............................................................................................................... 15

I.

INTRODUCCIÓN

La actividad virtual número 05, denominada “Halogenación de alcanos y alquenos” se llevará a cabo el día 26 de marzo del 2021, tendrá como objetivo general el aprender la manera de realizar una reacción de radicales libres en cadena por medio de la comparación de métodos de halogenación. Para llevar a cabo la práctica se efectuará una serie de procedimientos descritos en la sección de metodología, estos tendrán como objetivos específicos el observar cómo se lleva a cabo una reacción de radicales libres en cadena, específicamente una halogenación de alcanos y comparar la halogenación del trans-estilbeno con un método tradicional y uno con un enfoque verde. De esta manera se tratarán los temas acerca de cromatografía, cromatografía de adsorción, cromatografía de cambio iónico, cromatografía de exclusión molecular y cromatografía de afinidad. Polaridad entre la fase movil y la fase estacionaria, cromatografía en papel, cromatografía de capa fina, columnas capilares abiertas, difusión longitudinal y dispersión en la fase movil. La práctica iniciará investigando una serie de preguntas, las cuales servirán para mejorar el conocimiento sobre el tema, se describirá la reacción de halogenación de alcanos tanto como de alquenos; se investigará qué es la “química verde” junto a sus principios, se leerán dos diferentes procedimientos, ambos para llevar a cabo la bromación del estilbeno, uno desde la vista del procedimiento tradicional y el otro es una alternativa con un acercamiento verde. Se deberá realizar una comparación de metodologías, enumerando los principios de la química verde y explicando. Durante la actividad virtual de la halogenación de alcanos se observarán dos videos de manera demostrativa, ya que el bromo es altamente peligroso, posteriormente se explicarán las dos preguntas establecidas en el enunciado. La actividad de halogenación de alquenos se observará un video sobre diferencias entre la halogenación de alcanos y alquenos, luego se observará un video solamente de la halogenación de alquenos y se comparará con otro video de la bromación verde. Se responderán las preguntas establecidas en el enunciado.

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II.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Reacción de radicales libres Según Chang (2013) en su libro de texto, establece que los radicales libres presentan hidridación sp2 en el átomo de carbono deficiente en electrones y son planos, los átomos o grupos de átomos con electrones no apareados los vuelven inestables y en condiciones reactivas. Para encontrar el equilibrio, los átomos con electrones no apareados intentan ganar otro electrón a expensas de otro átomo. Una vez que se logra esto, el átomo que liberó el electrón se convierte en un radical libre y luego intenta recuperar ese electrón en el tercer átomo. De esta forma, se produce una reacción en cadena, y se cree que los radicales libres se pueden dividir en dos categorías: internos y externos. Aunque los radicales libres son especies transitorias (con existencia efímera) que surgen como intermediarios en etapas de una reacción química, no todos son igualmente estables. Ha podido establecerse que entre más sustituido se encuentre el carbono que contienen el electrón desapareado, más estable es el radical.

Halogenación La halogenación es un proceso químico mediante el cual uno o más átomos de elementos de la familia de los halógenos se agregan o reemplazan en moléculas orgánicas. Una de las halogenaciones más simples es la halogenación de alcanos.

Reacción de halogenación de alcanos La reacción más típica de alcanos y cicloalcanos es la halogenación, en la que los átomos de hidrógeno se reemplazan por átomos de halógeno para formar alcanos halogenados (R-X), donde X es principalmente Cl y Br y haluro de hidrógeno. En general, esta reacción es la llamada reacción de sustitución, más concretamente la reacción de sustitución de radicales (se ha comprobado que dichas sustancias participan en determinadas etapas del mecanismo de reacción). El mecanismo de reacción nos permite comprender gradualmente la ruta de reacción para alcanzar el equilibrio. El mecanismo muestra qué vínculos están rotos, qué vínculos se forman y el orden en que ocurren estos eventos. En cierto sentido, el mecanismo de reacción es un mapeo de la ruta seguida por el reactivo hacia el producto. Los alcanos reaccionan con halógenos mediante mecanismos radicalarios, dicha reacción supone en la situación de uno o varios hidrógeno de Alcano por halógenos. Las condiciones a las cuales esta condición día en lugar varían según el halógeno que se utilice. Por ejemplo, para la coloración se mezcla el Alcano con cloro gaseoso a temperatura ambiente en presencia de luz. La bromación requiere de condiciones más severas puesto que aparte de la luz también es necesario calentar a cierta temperatura para que se lleve acabo.

Condiciones de reacción de halogenación de alcanos -

Transcurre a través de radicales libres, necesita de peróxidos o luz ultravioleta para iniciarse. Produce mezclas de productos. La bromasión es mucho más selectiva que la cloración, sin embargo es más lenta.

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La sustitución más probable se dará en el carbono más ramificado, es decir el que tenga menos hidrógenos.

Mecanismos de reacción de halogenación de alcanos y sus etapas 1. Iniciación: formación de radicales a través de la rotura del enlace covalente. 2. Paso 1 de la propagación: se extrae un átomo como el hidrógeno de la cadena alcano para formar un radical alquilo. 3. Paso 2 de la propagación: se añade un átomo de halógeno al radical alquilo, formando un enlace covalente. 4. Terminación: los radcicales se unen a través de reacciones de adición para formar nuevos compuestos. 5. Radicales libres: los radicales libres se unen para impedir que continúe el mecanismo cíclico.

Reacción de halogenación de alquenos Según Brown (2014) en su libro de texto, establece que la halogenación de olefinas se produce añadiendo átomos de halógeno a los dobles enlaces, obteniendo alcanos dihalogenados en posición orto. La reacción avanza bien bajo la acción del cloro y el bromo, y es explosiva bajo la acción del flúor, mientras que el yodo es termodinámicamente desfavorable. En este mecanismo, se observa que la apertura del ion bromuro ocurre en el lado opuesto al bromo normal como grupo saliente, lo que permite que el halógeno permanezca resistente en el producto final.

Condiciones de reacción de halogenación de alquenos En la síntesis de laboratorio, se suele utilizar bromo o cloro para producir derivados dihalogenados a partir de olefinas. La reactividad del flúor es demasiado fuerte para controlarla y la reactividad del yodo es muy baja, lo que requiere medios de alta energía para la reacción.

Mecanismos de reacción de halogenación de alquenos y sus etapas El mecanismo de reacción moderno fue propuesto por George Kimball e Irving Roberts en 1937, y la estereoquímica del producto resultante se explicó por el catión de haluro de potasio cíclico intermedio. Recientemente, George Olah pudo verificar experimentalmente la existencia de intermedios de bromo cíclicos y logró obtener una solución estable en un medio líquido de dióxido de azufre. 1. Formación del catión halogenonico cíclico 2. Ataque nucleofílico de halogenuro.

Química verde y sus 12 principios Estos principios nos guían a mantenernos en el camino correcto al inicio del viaje porque reducen el impacto de las actividades innovadoras y nos permiten obtener nuevas tecnologías con más ingredientes renovables, menor consumo de materia prima y menor impacto ambiental. Estos “doce principios” marcan las pautas para diseñar y desarrollar procesos químicos y productos más sostenibles. Con ellos se pretende reducir la generación de productos peligrosos, e incluso utilizar esta ciencia en la lucha contra la contaminación.

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1. Prevención: Es mejor evitar la formación de residuos que tratarlos o limpiarlos después de que se hayan formado. 2. Economía de átomos: los métodos de síntesis deberían diseñarse para maximizar la incorporación de todos los materiales utilizados en el producto final. 3. Productos químicos intermedios menos tóxicos: pero que sea posible, las metodologías sintéticas deberían diseñarse para usar y generar sustancias con poca o ninguna toxicidad para la salud humana y el medio ambiente. 4. Productos finales más seguros: los productos químicos deberían diseñarse para mantener la eficacia de su función, a la vez que reducen su toxicidad. 5. Reducción del uso de sustancias auxiliares: el empleo de sustancias auxiliares (como disolventes, agentes de separación, etc.) debería evitarse en lo posible, y ser inocuo cuando se empleen. 6. Reducción del consumo energético: el impacto medio ambiental y económico de los requerimientos energéticos debe ser reconocido y minimizado. Los métodos sintéticos deberían aplicarse a presión y temperatura ambiente. 7. Uso de materias primas renovables: deben utilizarse en materias primas renovables siempre que sea técnica y económicamente viable. 8. Reducción de la derivatización innecesaria: la derivatización innecesaria (grupos bloqueadores, etapas de protección o desprotección, modificaciones temporales) debe evitarse en la medida de lo posible. 9. Uso de catalizadores: reactivos catalíticos (tan selectivos como sea posible) son superiores a los reactivos estequiométricos. 10. Diseño para la degradación: productos químicos deben diseñarse de forma que al final de su función no pero si están en el entorno y se degraden en productos inocuos. 11. Desarrollo de tecnología analíticas para la monitorización en tiempo real: en desarrollarse metodologías analíticas que permitan el seguimiento y control de procesos en tiempo real, antes de que se formen sustancias peligrosas. 12. Minimización del riesfo de accidentes químicos: sustancias químicas y las formas en que se usan dichas sustancias en un proceso químico deben escogerse para mañana minimizar el potencial de accidentes químicos, incluyendo vertidos, explosiones e incendios.

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III.

PREGUNTAS PRELABORATORIO

1. Describa la reacción de halogenación de alcanos. o a) Condiciones de reacción. a. Transcurre a través de radicales libres, necesita de peróxidos o luz ultravioleta para iniciarse. b. Produce mezclas de productos. La bromasión es mucho más selectiva que la cloración, sin embargo es más lenta. c. La sustitución más probable se dará en el carbono más ramificado, es decir el que tenga menos hidrógenos. b) Reactividad relativa de los diferentes halógenos. a. Los alcanos reaccionan con halógenos mediante mecanismos radicalarios, dicha reacción supone en la situación de uno o varios hidrógeno de Alcano por halógenos. Las condiciones a las cuales esta condición día en lugar varían según el halógeno que se utilice. Por ejemplo, para la coloración se mezcla el Alcano con cloro gaseoso a temperatura ambiente en presencia de luz. La bromación requiere de condiciones más severas puesto que aparte de la luz también es necesario calentar a cierta temperatura para que se lleve acabo. c) Mecanismo de reacción. No olvide indicar las etapas del mecanismo: iniciación, propagación y terminación. a. Iniciación: formación de radicales a través de la rotura del enlace covalente. b. Paso 1 de la propagación: se extrae un átomo como el hidrógeno de la cadena alcano para formar un radical alquilo. c. Paso 2 de la propagación: se añade un átomo de halógeno al radical alquilo, formando un enlace covalente. d. Terminación: los radcicales se unen a través de reacciones de adición para formar nuevos compuestos. e. Radicales libres: los radicales libres se unen para impedir que continúe el mecanismo cíclico. 2. Describa la reacción de halogenación de alquenos, incluya el mecanismo de la reacción con el trans-estilbeno. Explique la estereoquímica de la reacción y la formación del ion halonio. 1. En la síntesis de laboratorio, se suele utilizar bromo o cloro para producir derivados dihalogenados a partir de olefinas. La reactividad del flúor es demasiado fuerte para controlarla y la reactividad del yodo es muy baja, lo que requiere medios de alta energía para la reacción. 2. El mecanismo de reacción moderno fue propuesto por George Kimball e Irving Roberts en 1937, y la estereoquímica del producto resultante se explicó por el catión de haluro de potasio cíclico intermedio. Recientemente, George Olah pudo verificar experimentalmente la existencia de intermedios de bromo cíclicos y logró obtener una solución estable en un medio líquido de dióxido de azufre. 1. Formación del catión halogenonico cíclico 2. Ataque nucleofílico de halogenuro.

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3. En halogenación de alquenos, indique qué molécula es el nucleófilo y qué molécula el electrófilo. 1. Según Brown (2014) en su libro de texto, establece que la halogenación de olefinas se produce añadiendo átomos de halógeno a los dobles enlaces, obteniendo alcanos dihalogenados en posición orto. La reacción avanza bien bajo la acción del cloro y el bromo, y es explosiva bajo la acción del flúor, mientras que el yodo es termodinámicamente desfavorable. En este mecanismo, se observa que la apertura del ion bromuro ocurre en el lado opuesto al bromo normal como grupo saliente, lo que permite que el halógeno permanezca resistente en el producto final.

4. Investigue qué es la química verde y enumere sus 12 principios. Estos principios nos guían a mantenernos en el camino correcto al inicio del viaje porque reducen el impacto de las actividades innovadoras y nos permiten obtener nuevas tecnologías con más ingredientes renovables, menor consumo de materia prima y menor impacto ambiental. Estos “doce principios” marcan las pautas para diseñar y desarrollar procesos químicos y productos más sostenibles. Con ellos se pretende reducir la generación de productos peligrosos, e incluso utilizar esta ciencia en la lucha contra la contaminación. a. Prevención: Es mejor evitar la formación de residuos que tratarlos o limpiarlos después de que se hayan formado. b. Economía de átomos: los métodos de síntesis deberían diseñarse para maximizar la incorporación de todos los materiales utilizados en el producto final. c. Productos químicos intermedios menos tóxicos: pero que sea posible, las metodologías sintéticas deberían diseñarse para usar y generar sustancias con poca o ninguna toxicidad para la salud humana y el medio ambiente. d. Productos finales más seguros: los productos químicos deberían diseñarse para mantener la eficacia de su función, a la vez que reducen su toxicidad. e. Reducción del uso de sustancias auxiliares: el empleo de sustancias auxiliares (como disolventes, agentes de separación, etc.) debería evitarse en lo posible, y ser inocuo cuando se empleen. f. Reducción del consumo energético: el impacto medio ambiental y económico de los requerimientos energéticos debe ser reconocido y minimizado. Los métodos sintéticos deberían aplicarse a presión y temperatura ambiente. g. Uso de materias primas renovables: deben utilizarse en materias primas renovables siempre que sea técnica y económicamente viable. h. Reducción de la derivatización innecesaria: la derivatización innecesaria (grupos bloqueadores, etapas de protección o desprotección, modificaciones temporales) debe evitarse en la medida de lo posible. i. Uso de catalizadores: reactivos catalíticos (tan selectivos como sea posible) son superiores a los reactivos estequiométricos. j. Diseño para la degradación: productos químicos deben diseñarse de forma que al final de su función no pero si están en el entorno y se degraden en productos inocuos.

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k. Desarrollo de tecnología analíticas para la monitorización en tiempo real: en desarrollarse metodologías analíticas que permitan el seguimiento y control de procesos en tiempo real, antes de que se formen sustancias peligrosas. l. Minimización del riesgo de accidentes químicos: sustancias químicas y las formas en que se usan dichas sustancias en un proceso químico deben escogerse para mañana minimizar el potencial de accidentes químicos, incluyendo vertidos, explosiones e incendios.

5. Lea un procedimiento tradicional que se lleva a cabo para la bromación del estilbeno: https://www.odinity.com/bromination-of-trans-stilbene/ Lea el procedimiento del siguiente link, una alternati...