Síntesis de benzoato de etilo y de acetanilida - Nota: 9,0 PDF

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Síntesis de benzoato de etilo (esterificación de Fisher) a partir de ácido benzoico utilizando ácidos de Lewis y de Bronsted- Lowry como catalizadores y síntesis de acetanilida a partir de anilina (amina primaria)...

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Facultad de Ciencias Básicas

Estudiante: Kelly Barboza Paniagua

Escuela de Química

Carné: B60891

Sección de Química Orgánica

Asistente: María del Mar Vargas Núñez

QU-0215

Grupo: 02 Fecha: 18/06/2018

Síntesis de benzoato de etilo (esterificación de Fisher) a partir de ácido benzoico utilizando ácidos de Lewis y de Bronsted- Lowry como catalizadores y síntesis de acetanilida a partir de anilina (amina primaria) Resumen En la primera práctica (síntesis de benzoato de etilo) se utilizaron diferentes catalizadores ácidos (H2SO4, H3PO4, HOAc, HCl, Zn, AlCl3) con el fin de comparar la cinética (velocidad) de la reacción, además dependiendo del catalizador que se utilizara el producto estaría en estado sólido o líquido por lo tanto a algunos productos se les tomó el punto de fusión e incluso se recristalizó pero a otros únicamente se les tomó el índice de refracción. Además para la obtención del producto sólido se neutralizó, se filtró al vacío y se secó, para la obtención del producto líquido se realizó una extracción líquido-líquido utilizando como fase orgánica éter etílico, se agregó desecante (CaCl2) y se pasó al rotavapor. El H3PO4 es el peor catalizador porque es un amortiguador/Buffer y ni siquiera ocurre la reacción (producto sólido) En la segunda práctica (acetilación de una amina primaria) se sintetizó acetanilida a partir de anilina, ácido acético y zinc como catalizador mediante un control termodinámico utilizando reflujo, al finalizar esto se enfrió la mezcla para formar un precipitado y lograr filtrarlo al vacío. El uso de zinc y ácido ácetico son una buena opción para realizar esta reacción como un método de química verde.

Introducción Los anestésicos locales son sustancias que bloquean la conducción nerviosa de manera específica, a partir de la cocaína se han sintetizado muchos analgésicos con propiedades más favorables y menos reacciones adversas 1. Estas sustancias presentan en su estructura un anillo aromático (área lipofílica), una amina (área hidrofílica) y un carbonilo formando un éster o una amida2. Los anestésicos locales del tipo ésteres, como la cocaína, procaína, tetracaína y benzocaína, derivan de un ácido aromático que puede ser el benzoico (cocaína), como es el caso del benzoato de etilo, el paraaminobenzoico (procaína y tetracaína) para los ésteres amínicos3. En este caso se formó un éster por lo que se realizó una esterificación de Fischer que es la reacción de un ácido carboxílico con un alcohol, esta es una reacción de sustitución nucleofilica bimolecular (SN2)4. Los ácidos carboxílicos no son lo suficiente reactivos como para realizar esta sustitución por lo que se necesita un ácido fuerte para que protone el oxígeno del carbonilo (activación) y se forme una carga parcial positiva mayor (más electrofílico), además esta reacción es reversible por lo que se debe utilizar un exceso del alcohol o eliminar el agua de manera que se favorece la formación del éster5.

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Según la teoría de Bronsted-Lowry un ácido es una sustancia (molécula o ion) capaz de donar un protón (H+) y una base es la sustancia que acepta un protón. Por otro lado, según Lewis, una base es aquella especie que puede donar un par de electrones, y un ácido es la que los puede aceptar6. Para el segundo laboratorio se realizó una acetilación de una amina (anilina), las cuales se pueden clasificar como primarias, secundarias o terciarias en donde su mayor diferencia es la cantidad de hidrógenos presentes ya que las primarias y secundarias experimentan reacciones de adición-eliminación, mientras que las aminas terciarias solo pasan por reacciones de adición, por esta razón las aminas terciarias no reaccionan en una acilación6. Es importante recalcar que las aminas presentan un par de electrones libres lo que hace que se comporten como bases y como nucleófilos8. Además las aminas presentan altos puntos de ebullición debido a que pueden formar puentes de hidrogeno mediante el enlace N-H, sin embargo no es tan alto como el de los alcoholes debido a la diferencia de electronegatividad9. En la industria e investigaciones químicas se utilizan compuestos químicos tóxicos por lo que se contribuye a la contaminación ambiental, por esta razón se busca el uso de procedimientos de química verde ya que tiene por objetivo prevenir o minimizar la contaminación y economizar tiempo y recursos 10, en el caso de la acetilación los reactivos comúnmente usados son cloruros de ácido o un anhídrido de ácido, piridina y diclorometano sin embargo todos estos producen desechos tóxicos tanto para el ambiente como en la salud de las personas11. Por esta razón en este caso se utilizó ácido acético y zinc porque minimizan la presencia de desechos tóxicos. Las reacciones de síntesis para la formación de acetato de etilo (1) y de acetanilida (2) son las siguientes:

[1]

[2]

Los objetivos para la práctica de síntesis de benzoato de etilo son realizar la síntesis de benzoato de etilo a partir de ácido benzoico, estudiar las propiedades de los diferentes catalizadores para analizar la variación según el que se utilice y estudiar la reacción de esterificación de Fischer. Los objetivos de la práctica de acetilación de una amina primaria 2

son realizar una reacción de acetilación para una amina primaria, comparar la eficiencia de la reacción usando un proceso alternativo verde y estudiar la reactividad de las aminas10. Resultados y Observaciones Se siguió el procedimiento descrito por el Manual de Laboratorio de Química Orgánica General II, páginas 55-61, experimento #5 y #610. Las modificaciones que se realizaron son las siguientes: se utilizó ácido benzoico como sustrato en la síntesis de benzoato de etilo, no se calentó la mezcla en reflujo y se agregaron 5 mL de agua, si se obtenía una fase se realizaba una extracción con éter etílico luego se agregaba desecante y se rotavaporaba, si se obtenían dos fases líquidas se separan en embudo hacia un tubo de ensayo luego se agregaba desecante, se filtraba, pesaba y se medía el índice de refracción, también se utilizó 5 mL de anilina, 15 mL de ácido acético y 50 mL de agua fría. Además se midió el punto de fusión del producto puro de ambos procedimientos en caso de que se obtuviese un producto sólido. Cuadro I. Resultados obtenidos en estado líquido de la síntesis de benzoato de etilo para cada catalizador Catalizador Masa obtenida Rendimiento Índice de Índice de refracción (±0,01g) refracción reportado por la 20 (±0,0001 𝑛𝐷 ) literatura del benzoato de etilo(°C) HOAc 0,50 80,65% 1,4052 1,5007* HCl 0,17 27,87% 1,3838 AlCl3 0,16 26,02% 1,4650 *Haynes, W. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 93ª Ed; CRC Press: Estados Unidos, 2012-2013, p 3252.

Cuadro II. Resultados obtenidos en estado sólido o sólido-líquido de la síntesis de benzoato de etilo para cada catalizador Catalizador Masa Rendimiento Masa Recuperación Punto de Punto de fusión producto producto fusión reportado por la crudo puro experimental literatura del (±0,01g) (±0,01g) (±0,1°C) benzoato de etilo(°C) H2SO4 0,62 112,00% 0,69 12,20% -34,50* H3PO4 0,18 29,27% 121,4-124,1 Zn 0,08 12,90% *Haynes, W. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 93ª Ed; CRC Press: Estados Unidos, 2012-2013, p 3252.

Cuadro III. Resultados de la síntesis de acetanilida a partir de anilina y ácido acético. Producto crudo Producto puro 3

Producto

Masa obtenida (±0,01g) 4,88

Rendimiento

Masa obtenida (±0,01g) 2,87

Rendimiento

Punto de fusión experimental (±0,01°C) 96,00

Punto de fusión reportado por la literatura (°C) 114,35**

65,76% 38,67% Acetanilida ** Haynes, W. CRC Handbook of Chemistry and Physics. 96ª Ed; CRC Press: Estados Unidos, 2015-2016, p 3-4.

Cuadro IV. Síntesis de benzoato de etilo a partir de ácido benzoico y etanol catalizada por ácido. Reacción:

Nombre Estequimetría Fórmula Masa molar (g/mol) Masa (g) Moles (mol) Volumen (mL) Densidad (g/cm3)

Ácido benzoico 1 C7H6O2 122,12 0,5 0,0041 0,379 1,32

Etanol 1 C2H6O 46,07 3,95 0,0857 5,0 0,7893

Ácido benzoico 1 C9H10O2 150,18 0,615 0,0041 5,86 1,050

Cuadro V. Síntesis de acetanilida a partir de anilina y ácido acético. Reacción:

Nombre Estequimetría Fórmula Masa molar (g/mol) Masa (g) Moles (mol)

Anilina 1 C6H7N 93,13 5,11 0,0549

Ácido acético 1 C2H4O2 60,05 15,75 0,2623

Acetanilida 1 C8H9NO 135,17 7,421 0,0549

Agua 1 H2O 18,01 0,989 0,0549

Discusión

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En el primer laboratorio se realizó la síntesis de benzoato de etilo a partir de ácido benzoico en donde se utilizaron diferentes catalizadores ácidos para analizar su efecto en esta reacción, de los cuales el Zn y el AlCl3 son ácidos de Lewis y el H2SO4, H3PO4, HOAc y HCl son ácidos de Bronsted-Lowry. Como se puede observar en el cuadro I y II se obtuvieron productos líquidos, sólidos y una combinación de ambos (sólido-líquido), si se obtienen productos sólidos quiere decir que no ocurre la reacción, cabe mencionar que para los productos líquidos se utilizó como desencante cloruro de calcio (CaCl3) ya que este elimina los restos de agua y de alcohol. Del ácido clorhídrico (HCl) se obtuvo un rendimiento de 27,87% que se explica mediante el principio de Le Chatelier ya que este ácido posee un 63% de agua lo cual desplaza el equilibrio hacia los reactivos12, además el índice de refracción ni siquiera es similar al reportado por la literatura del benzoato de etilo pero es muy semejante al del etanol (1,3611)13 por lo que se puede afirmar que este catalizador es malo ya que el equilibrio no favorece los productos. El ácido acético (HOAc) presenta un rendimiento del 80,65% esto se debe a que este es un excelente catalizador y activa fuertemente el carbonilo 14 por esta razón el índice de refracción es semejante al reportado por la literatura, este ácido es útil para procesos industriales por su porcentaje de recuperación y su pureza14. Para el cloruro de aluminio (AlCl3) se presentó un rendimiento del 26,02% y el índice de refracción dio diferente en cuanto al reportado por la literatura, esto se debe a la condición higroscópica que este ácido presenta lo cual hace que al estar en contacto con el agua el grupo hidroxilo del ácido benzoico desplaza al cloro desactivando el ácido y perdiendo de esta forma sus propiedades como catalizador12. Una sustancia higroscópica es aquella que tiene la capacidad de absorber agua de su atomosfera15. El ácido sulfúrico (H2SO4) es lo suficientemente fuerte como para activar de la mejor manera el carbonilo, sin embargo esta tiene propiedades higroscópicas y cuenta con un porcentaje muy pequeño de agua que igualmente afecta el equilibrio12, por esto el rendimiento del producto crudo es mayor al 100% y el rendimiento del producto crudo es menor al 30%, porque la mayor parte del producto crudo fue agua y al realizar la recristalización se logró eliminar los restos de agua. Para este catalizador se obtuvo un producto sólido-líquido, por esta razón no se logró tomar ninguna propiedad física para comprobar su pureza. Como se mencionó anteriormente, si se obtuvo un precipitado la reacción no ocurrió, esto fue lo que ocurrió con el ácido fosfórico (H3PO4) ya que si se compara el punto de fusión obtenido con el reportado por la literatura hay una diferencia muy grande y en realidad el punto de fusión obtenido se asemeja al del sustrato (ácido benzoico) que es 122,34°C 15. Además, este ácido es poco efectivo ya que forma disoluciones Buffer o amortiguadores que hacen que se tenga un pH constante por lo que para neutralizar hay que añadir mucha cantidad de carbonato de sodio (Na2CO3)16.

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El último de los ácidos catalizadores es el zinc (Zn) el cual presentó un rendimiento de 12,90% que se debe a que este ácido es un desactivador muy débil por lo que no le aporta una carga parcial positiva al carbono del carbonilo mayor, como no se logra activar el carbono deja de ser electrófilo y el zinc por si solo no es un catalizador, para acelerar una reacción debe formar un complejo12. En la figura 1 se muestra el mecanismo en general de esta reacción, la diferencia es el catalizador que se utilice, por medio de este se observa la importancia de activar el carbonilo para realizar el ataque electrofílico de la reacción de esterificación de Fischer.

Figura 1. Mecanismo de la reacción de esterificación de Fischer catalizada por un ácido (ácido clorhídrico) a partir de ácido benzoico.

Para el segundo laboratorio se realizó una acetilación de una amina primaria (anilina), donde se utilizó como reactivo y disolvente ácido acético y también se utilizó zinc como catalizador. En este caso el zinc si acelera la reacción ya que logra formar un complejo con el ácido acético dando origen a una carga parcial positiva en el oxígeno del carbonilo como se muestra en el primer paso del mecanismo de la reacción en la figura 2, esta formación de la carga parcial logra activar el carbonilo por lo que la diferencia entre este caso y el uso de este ácido de Lewis como catalizador en la esterificación de Fischer es el disolvente ya que depende de este para lograr formar un complejo activador.

Figura 2. Mecanismo de la acetilación de anilina utilizando un método verde donde se forma un complejo entre el zinc (catalizador) y el ácido acético (disolvente y reactivo).

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Cabe recalcar que el uso de zinc y ácido acético es un método de acetilación amigable con el ambiente y al observar los resultados del cuadro III se contempla la eficacia de este proceso ya que el rendimiento obtenido por el producto crudo y puro fue bastante alto, sin embargo el punto de fusión evidencia la poca pureza del producto obtenido ya que el punto de fusión reportado por la literatura es 114,35°C** y la obtenida experimentalmente fue de 96,00°C por lo que quizá el producto es una mezcla entre acetanilida y agua por lo que la filtración al vacío seguramente no se realizó con el tiempo necesario o no se secó de manera correcta el producto. Además para precipitar el producto se utilizó agua fría ya que la acetanilida es poco soluble en ella y al bajar la temperatura, disminuye la sobulidad, por esta razón al hacer contacto con el agua fría se formó inmediatamente un precipitado blanco.

Conclusión Para la esterificación de Fischer, síntesis de benzoato de etilo, los ácidos de BronstedLowry en general son más eficientes y activan de una mejor manera el carbonilo que los de Lewis esto seguramente por la falta de protones que proporcionen una carga positiva en el oxígeno. Se debe tomar en cuenta las propiedades generales de los catalizadores como el H3PO4 que por ser un amortiguador o Buffer ni siquiera reacciona. Además el zinc es un catalizador muy específico ya que depende del disolvente que se utilice para formar el complejo necesario para lograr acelerar/activar una reacción, lo cual demuestra que no necesariamente los catalizadores que son buenos en una reacción lo serán en otra, esto debido a propiedades específicas de cada catalizador que los limitan. Finalmente, el uso de la química verde es efectivo ya que al utilizar zinc y ácido acético se logró obtener un rendimiento del producto crudo de 65,76% y un rendimiento del producto puro de 38,67% por lo que a escala industrial podría ser muy factible y amigable con el ambiente. Bibliografía 1. Lorenzo, P; Moreno, A; Lizasoain, I; Leza, J; Moro, M; Portolés, A. Farmacología Básica y Clínica. 18ª Ed.; Editorial Panamericana: España, 2008 p 181 y 189 2. Giraldo, J. Principios Básicos de Anastesiología. 1era Edición; Editorial Universidad del Rosario: Colombia, 2004, p 123. 3. Linares, V; Decarán, J; Ibert, F. Farmacología Médica: Volumen 1. 2da Ed.; Editorial Instituto Tecnológico de Santo Domingo: República Dominicana, 1985, p 65. 4. Camps García, P; Vásquez Cruz, S; Escolano Mirón, C. Fundamentos de Síntesis de Fármacos; Editorial Universitat de Barcelona: España, 2005, p 62. 5. McMurry, J. Química Orgánica. 8va Ed; Editorial Cenage Learning: México, 2012, p 824 y 825. 7

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