Síntesis de cloruro de t-butilo PDF

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Se presenta la descripción del proceso en la síntesis del cloruro de t-butilo...

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Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Laboratorio de Química Orgánica II. Carrera 3a No. 26A-40. Proyecto Curricular de Licenciatura en Química. 1

Resumen: Las reacciones de sustitución nucleofílica SN1 compiten con las reacciones de eliminación, siendo estas de las más comunes en compuestos orgánicos. En este caso se llevó a cabo la sustitución de un alcohol por un halogenuro, bajo este fundamento se sometió una muestra de t-butanol a la sustitución de un grupo hidroxilo por un ion cloruro brindado por el ácido clorhídrico. El producto fue separado por decantación, lavado con una solución de bicarbonato de sodio al 10% para neutralizar el ácido restante, finalmente fue secado con sulfato de sodio anhidro. El rendimiento de esta reacción es de aproximadamente el 60% por lo que de 3 mL de t-butanol se obtuvieron 2.04 mL a partir de t-butanol para sintesis con una pureza del 99%. El espectro infrarrojo confirma la presencia de un halogenuro de alquilo. Palabras clave: Sustitución nucleofílica, alcohol, halógeno Abstract: SN1 nucleophilic substitution reactions compete with elimination reactions, these being the most common in organic compounds. In this case, the substitution of an alcohol by a halide was carried out. On this basis, a sample of t-butanol was subjected to the substitution of a hydroxyl group by a chloride ion provided by hydrochloric acid. The product was separated by decantation, washed with a 10% sodium bicarbonate solution to neutralize the remaining acid, finally it was dried with anhydrous sodium sulfate. The yield of this reaction is approximately 60%, so that 1.63 mL of t-butanol for synthesis with 99% purity were obtained from 3 mL of t-butanol. The infrared spectrum confirms the presence of an alkyl halide. Keywords: Nucleophilic substitution, alcohol, halogen _________________________________________________________________________________ 1. Introducción El mecanismo de reacción de la sustitución nucleofílica unimolecular (SN1) consiste en el cambio de una función química por otra, este es un proceso iónico en el cual la pérdida de un grupo permite la formación de un carbocatión, este mecanismo en especial se ve favorecido por la aparición de uno terciario ya que le brinda mayor estabilidad a la reacción.

etapa supone el ataque del nucleófilo, este ataca al carbocatión por ambas caras, lo que supone una mezcla de enantiómeros, el mecanismo como tal se ilustra en la imagen 1. (Fernandez, 2014)

Estas reacciones constan de dos partes, la primera supone la ionización del sustrato por la pérdida del grupo saliente, dicho proceso transcurre lento por lo cual es el determinante de la velocidad de la reacción , la segunda Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol

Imagen 1: Mecanismo de reacción SN1

Este tipo de reacciones require buenos grupos salientes, además de que se ve favorecido sobre la eliminación al encontrarse en un medio ácido con la presencia de un carbocatión terciario y con un solvente prótico; Esto significa que el tipo de nucleófilo o su concentración no tienen ninguna influencia en el proceso, siendo solamente dependiente de la concentración del sustrato (Wade, 1993) velocidad = k[sustrato]

cual se encarga de estabilizar e impedir que este reaccione nuevamente con el sustrato, de no ser así el equilibrio de la reacción se vería desplazado hacia los reactivos y generaría un rendimiento muy bajo; El postulado de Hammond establece que cualquier factor que estabilice el estado intermedio (Carbocatión) incrementará la rapidez de la reacción SN1 las moléculas del disolvente se orientan alrededor del ion orgánico formado por lo que los extremos dipolo del disolvente que poseen pares de electrones libres estabilizan la carga positiva, disminuyendo la energía de activación y favorecen la reacción. (McMurry, 2012) Uno de los mecanismos más comunes y eficientes para la síntesis de haluros de alquilo es la sustitución de alcoholes, debido a la facilidad en las condiciones de reacción y el buen rendimiento que pueden presentar.

Energéticamente dicho mecanismo posee dos etapas de transición

correspondientes a la

ionización del sustrato, y el ataque del nucleófilo, como se puede apreciar (imagen 2) la energía de activación correspondiente a la primera etapa es el más alta lo que corrobora que la velocidad de la reacción depende de dicho paso. (Universidad Nacional de México (UNAM), 2010)

2. Materiales y métodos 2.1 Reactivos Se empleó ácido sulfúrico concentrado (37%), t-butanol de grado analítico con una pureza del 99%, sulfato de sodio y cloruro de calcio anhidro, y una solución al 10% de bicarbonato de sodio. Para las pruebas de identificación se empleó una solución de nitrato de plata al 5% y una solución de bromo en CCl4 2.2 Metodología En un erlenmeyer de 50 mL se adicionaron 3 mL de t-butanol, 9 mL de ácido clorhídrico concentrado y 1

Imagen 2. Diagrama de energía SN1

g de cloruro de calcio y se mezcló

En algunas ocasiones el grupo saliente es pobre (Base fuerte o ácido fuerte) por lo que es difícil llevar a cabo el mecanismo, es aquí donde viene a ocupar un lugar el solvente, el

con agitación vigorosa durante 15 minutos. Luego, se transfirió la mezcla de reacción a un embudo de

Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol

separación. Se dejó reposar hasta observar la separación de fases. Se eliminó la fase acuosa, y se realizaron 2 lavados a la fase orgánica con 5 mL de una solución de bicarbonato de sodio

al

10%.

Se

Imagen 3. Protonación del alcohol

separó

Esto que hace que se desestabilice y se rompa

cuidadosamente y se secó con sulfato

el enlace C-O siendo eliminado como una

de sodio anhidro la fase orgánica.

molécula de agua y dejando al carbono al cual se encontraba unido con una carga formal

2.3 Pruebas de identificación

positiva, en este caso se forma un carbocatión

Identificación de Halógenos: En un

terciario (Tiene unido a sí mismo tres

tubo de ensayo limpio y seco, Se

sustituyentes) el cual es favorable pues es

pusieron

haluro

muy estable, este paso es aquel que define la

obtenido y se adicionaron 0,5 mL de

velocidad de la reacción (Fernández, 2014)

etanol y 5 gotas de solución de nitrato

(Imagen 4)

tres

gotas

del

de plata al 5% y se agitó. Presencia de insaturaciones: En un tubo de ensaye limpio y seco se pusieron 5 gotas del haluro obtenido y se adicionaron 0,5 mL de una solución de bromo en CCl4.

Imagen 4. Formación del carbocatión

Como ha quedado en solución un ion cloruro el cual posee una carga negativa buscará

3. Resultados y discusión

estabilizarse, es allí donde comienza a actuar En el

vaso de precipitados se tienen

reaccionado el t-butanol y el ácido clorhídrico concentrado, este actúa como un ácido de

como nucleófilo y ataca al carbocatión formado uniéndose a él y formando el cloruro de terbutilo (Imagen 5) (Fernández,  2014)

bronsted y dona su único protón con el fin de valga la redundancia protonar el grupo hidroxilo el cual de por sí solo es un mal grupo saliente (Base fuerte) , allí se une a uno de los pares electrónicos libres formando el ion oxonio, el cual deja al oxígeno con una carga parcial positiva (Fernandez, 2014) (Imagen

3)

Es importante considerar que las reacciones SN1 compiten con las E1 es por esto que hay

Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol

algunos factores que permitirán favorecer una reacción sobre la otra, en este caso en específico el medio ácido y la propia formación del carbocatión terciario permiten que prevalezca una sobre la otra, aún así se puede dar lugar a la formación de eteno el

Al final se obtiene un líquido insoluble en agua de color transparente, con un punto de ebullición de 51°C (Universidad Nacional de Costa Rica, 2012) Cálculos:

cual es un gas y por ende se perderá a la hora de realizar el proceso, es por esto que se da la

3mL *

0.775g mL

*

99gt−butanol 100g

adición de una sal como lo es el cloruro de

moles t-butanol

calcio pues esta vendrá a desempeñar dos

9mL *

funciones,

primeramente

evitar

que

el

0.1.19g mL

*

37 g HCl 100g

1mol t−butanol * 74.12g t−butanol = 0.0310

1mol HCl * 36.46 g HCl = 0.1086

Moles HCl

equilibrio de la reacción se desplace hacia la derecha formando nuevamente t-butanol ya

Considerando:

Que la reacción es 1 a 1

que el agua puede actuar como una base y

(Imagen 6) el reactivo limitante es el

aceptar el carbocatión, es por esto que la sal

t-butanol

es desecante pues se encargará de retener en su estructura el agua y en segunda instancia la ya mencionada formación del propeno. Cuando el producto obtenido se encuentra ya en el embudo de decantación se hacen los lavados con una solución de bicarbonato de

Imagen 6. Reacción t-butanol con ácido clorhídrico

sodio al 10%, esto para neutralizar el ácido clorhídrico que no reaccionó, para esto es necesario estar liberando la presión mediante la apertura de la llave o retirando la tapa pues se producirá dióxido de carbono, luego de los lavados y decantación se adiciona una solución saturada de cloruro de sodio, esta

Entonces:

se deberían obtener los mismos

moles de cloruro de terbutilo, es decir 0.0310 moles, pero como el rendimiento promedio de la reacción es del 60% se espera obtener 0.0186 moles lo que equivale a 2.04 mL 0.0186 moles *

92.57g mol

1mL * 0.844 g = 2.04 mL

permite que posibles contaminantes como pequeñas cantidades de agua se disuelven en

Para la primera prueba de identificación con

la fase acuosa dejando pura la fase orgánica,

nitrato de plata se tiene la formación de una sal

finalmente se seca dicha fase con sulfato de

insoluble de color blanco correspondiente al

sodio

cloruro de plata, en la segunda prueba se da

anhidro

el

cual

es fuertemente

desecante y elimina cualquier molécula de agua presente. Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol

para la comprobación o no de la presencia de

con las condiciones adecuadas como un media

hidrocarburos insaturados.

ácido que impidan que la eliminación prime

La imagen 7 muestra el espectro IR del cloruro de terbutilo, La tensión presente en la banda de los 2933,80 y 3000 cm-1 indican la

sobre la Sn1 o que el equilibrio de la reacción se desplace hacia la derecha, evitando estas dos situaciones el rendimiento aproximado de la es del 60%

existencia de carbonos con hibridación sp3, los halógenos

presentan

bandas

propias

de

5. Referencias

acuerdo a al compuesto que se encuentre enlazado al carbono, en este caso la banda

-

sobre los 866.70 cm-1 representa la tensión existente en el enlace C-Cl, la posición ter posee señales entre 1255a 1225 +/- 25 cm-1 y en 1380 a 1365 cm-1. La banda sobresaliente  sobre 1380 cm-1 representa las uniones C-H.

-

-

Imagen 7. Espectro IR: cloruro de terbutilo 4. Conclusiones La síntesis del cloruro de terbutilo se da a

Fernández, G. (2014). QUÍMICA ORGÁNICA [Google books] (Revisado ed., Vol. 1). Recuperado de https://books.google.com.co/books/ab out/Qu%C3%ADmica_Org%C3%A1n ica.html?id=uhXGAgAAQBAJ&redir _esc=y Universidad Nacional de Costa Rica. (2012). Hoja de seguridad cloruro de t-butilos MSDS. Recuperado de http://www.quimica.una.ac.cr/index.p hp/documentos-electronicos/category/ 13-hojas-de-seguridad?download=205 :cloruro-de-terbutilo&start=100 Universidad Nacional de México (UNAM). (2010). Comparación de los mecanismos SN1 y SN2 de la sustitución nucleofílica en haluros de Recuperado de alquilo. http://depa.fquim.unam.mx/~fercor/C OMPARACION-SN.pdf McMurry,J.(2012)Química orgánica, octava edición. Pearson Education. Wade, L.G. Jr., (1993) Química Orgánica, 2ª. Edición, México, Ed. Prentice Hall Hispanoamericana, S.A. de C.V.

partir de un sustrato con un carbono terciario el cual posteriormente brindará en carbocatión terciario el cual es sumamente estable, el mecanismo SN2 no se puede llevar a cabo por impedimentos estéricos, para que la reacción se dé de manera exitosa es necesario contar Estudio del mecanismo de reacción Sustitución nucleofílica unimolecular (SN1): Síntesis del cloruro de terbutilo a partir de t-butanol...