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OBTENCIÓN DEL HALOGENURO DE ALQUILO TERCIARIO (cloruro de ter butilo) VÍA REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA UNIMOLECULAR (SN1) 1,2

Universidad Distrital Francisco José de Caldas 1 Estudiantes- Química Orgánica I 2 Profesor- Química Orgánica I Bogotá D.C. 04 de Abril de 2016

RESUMEN Los halogenuros de alquilos son reactivos importantes en una amplia variedad de reacciones químicas orgánicas sintéticas, por lo que un estudiante de química orgánica está en toda la capacidad para poder sintetizar un compuesto orgánico a partir de reacciones de sustitución nucleofílica, por lo tanto en la presente práctica de laboratorio se obtendrá la sintetización del 2-cloro-2-metilpropano a partir de la mezcla del 2-metil2-propanol con ácido clorhídrico concentrado, y posterior a esto determinar su punto de ebullición y espectro infrarrojo para la caracterización y pruebas cualitativas de grupos funcionales de esta sustancia química, siguiendo la metodología adecuada para la sintetización del producto. Obteniendo así como resultado puntos de ebullición de 46 ºC y 50 ºC respectivamente y el espectro que muestra la figura 4. Por lo tanto se puede decir que en la sintetización de estas sustancias químicas a partir de reacciones de sustitución nucleofílica provenientes de alcoholes, es más favorable la implementación de alcoholes terciarios, que primarios y secundarios, debido a que estos reaccionan lentamente y a temperaturas altamente considerables. PALABRAS CLAVES Mecanismos de Reacción, Sustitución nucleofílica, Haluros de alquilo, Reacciones Químicas, Compuestos orgánicos. ABSTRACT The Alkyls halide reagents are important in a wide variety of synthetic organic chemical reactions, so a student in organic chemistry is in full capacity to be able to synthesize an organic compound from Nucleophilic substitution reactions, therefore in the present practice of laboratory will provide the synthesis of the 2-cloro - 2-methylpropane from the mixture of the 2-methyl-2-propanol with concentrated hydrochloric acid , and later to determine its boiling point and infrared spectrum for the characterization and qualitative tests of functional groups of this chemical, according to the methodology for the synthesis of the product. Thus as a result BP of 46 ° C and 50 ° C respectively and the spectrum shown in the figure 4. Therefore can be that in synthesizing these chemicals from substitution reactions from alcohols Nucleophilic, more favorable implementation of tertiary alcohols, primary and secondary since they react slowly and highly considerable temperatures. KEY WORDS Reaction mechanisms, Substitution Nucleophilic, Halides of alkyl, Chemical reactions, Organic compounds. INTRODUCCIÓN

Los halogenuros de alquilos son reactivos importantes en una amplia

variedad de reacciones químicas orgánicas sintéticas. El átomo de halógeno es más electronegativo que el carbono y retira electrones del mismo en un enlace carbono-halógeno. En condiciones apropiadas el halógeno se puede reemplazar por una reacción de sustitución nucleofílica. Esta es una de las reacciones más sencilla y más exhaustivamente estudiadas en química orgánica [1]. Los halogenuros son compuestos que contienen un halógeno unido a un átomo de carbono saturado con hibridación SP2 donde el enlace carbono-halógeno es covalente polar y por tanto los halogenuros de alquilo pueden comportarse como electrolitos; estos se pueden obtener mediante varios procesos como la halogenación de alcanos, formarse a partir de alquenos y en alcoholes. Pero este método funciona bien solo en alcoholes terciarios mediante una reacción de sustitución nucleofílica de primer orden [2]. Los alcoholes, ROH, son compuestos que deben sus propiedades químicas a los grupos hidroxilo (-OH) unidos covalentemente a su cadena carbonada (-R). Los alcoholes pueden tener uno, dos o tres grupos hidroxilo enlazados a un mismo carbono (carbono α), por lo que se clasifican en alcoholes primarios, secundarios y terciarios, respectivamente [3]. En el laboratorio los alcoholes son quizá el grupo de compuestos más empleado como reactivos en síntesis. Una de las reacciones más importante de los alcoholes es aquella en la cual estos compuestos reaccionan con halogenuros de hidrogeno (HCl, HI, etc.) mediante una reacción de sustitución nucleofílica para producir halogenuros de alquilo y agua:

Figura 1: Reacción general de alcoholes con halogenuros de alquilo.

METODOLOGÍA Se colocaron aproximadamente 3 ml de alcohol terbutílico y 9 ml de ácido clorhídrico concentrado en un embudo de separación agitando cuidadosamente y sin tapa durante 30 segundos. Se agitó de arriba hacia abajo el embudo de separación continuamente y se destapo cada 3 minutos, liberando la presión en cada operación. Pasado 20 minutos se dejó reposar y se eliminó la fase inferior, la parte acuosa, y la fase orgánica se lavó dos veces con 5 mL de una solución de bicarbonato de sodio al 5%, luego se descartó la fase acuosa y se volvió a lavar la capa orgánica con 5 mL de cloruro de sodio. El producto obtenido se colocó en un Erlenmeyer y se agregó sulfato de sodio anhídrido para secar, se eliminó la costra formada en la superficie. Después, se pasó al montaje de punto de ebullición y se procedió a determinar su punto de ebullición. Por último se realizó una prueba de nitrato de plata en un ensayo de identificación para la determinación de halogenuros terciarios. RESULTADOS Discusión En la práctica de laboratorio para la sintetización del cloruro de terbutilo (2cloro-2-metilpropano) a partir de la mezcla del terbutanol (2-metil-2propanol) con ácido clorhídrico concentrado, se produjeron problemas que ayudaron a que la práctica no pudiese llevarse a cabo, debido a que el compuesto a sintetizar es muy volátil, y al momento de realizar el secado del compuesto orgánico con sulfato de sodio anhidro ocurrió la perdida de la muestra. Esto se puede deber a que: 1. al ser el compuesto sintetizado muy volátil, no se mantuvo el cuidado adecuado para que no ocurriera la volatilización de la muestra y posterior a esto la

pérdida total de esta, llevándola a lugares calientes o con el continuó frotamiento de las palmas de las manos con el Erlenmeyer que de acuerdo a la ley cero de la termodinámica que anuncia un equilibrio térmico entre un cuerpo de alta temperatura que entra en contacto con un cuerpo de baja temperatura se transfiere calor hacia el objeto de más baja temperatura [2]. dado esta razón podría ser la causante de que se llevara a cabo la perdida de la muestra. 2. Al agregar demasiada cantidad de sulfato de sodio anhidro, hace que la muestra se seque totalmente, puesto que, este reactivo es una sustancia higroscópica y al agregarla en un medio acuoso tendrá a hidratarse, esto quiere decir, que al momento de realizar la separación de la capa orgánica con respecto a la fase acuosa, no se realizó de manera correcta, quedando en la muestra mayor proporción de fase acuosa que de capa orgánica, por tal razón al momento de agregar sulfato de sodio anhidro ocurrió el desecamiento total de la muestra y por lo tanto su perdida. Estas podrían ser unas de las razones que conllevaron a la perdida de la muestra, por lo tanto fue necesario recurrir a los resultados obtenidos por otros grupos. En la tabla 1 se presentan los resultados obtenidos con respecto al punto de ebullición del cloruro de terbutilo (2cloro-2-metilpropano), para un grupo 1 (Diana Colo, Tatiana López) y un grupo 2 (Diana Salamanca, Yenni Urrutia) respectivamente, realizando la comparación con el punto de ebullición teórico de esta sustancia.

2-cloro2metilpro pano

Grupo s Grupo 1 Grupo 2

Punto de Ebullición Experime Teórico ntal 50 ºC 51 ºC 46 ºC

Tabla 1- Puntos de Ebullición para el cloruro de terbutilo de los respectivos grupos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Al mezclar el terbutanol (2-metil-2propanol) con ácido clorhídrico concentrado se llevó a cabo la primera parte de la práctica. La cual con la debida homogenización se produce la reacción química que da como productos cloruro de terbutilo (2-cloro2-metilpropano) y agua. Existen pruebas convincentes de que la reacción con los alcoholes terciarios transcurre mediante un mecanismo SN1 (sustitución nucleofílica uni-molecular).

+

+

Figura 2- Mecanismo de reacción del 2-metil-2propanol con ácido clorhídrico concentrado por sustitución nucleofílica

La reacción resulta fácil debido a la

relativa estabilidad de los iones carbono terciarios [5]. En el caso del 2-metil-2propanol la reacción de sustitución nucleofílica uni-molecular con el ácido clorhídrico concentrado puede formularse como lo muestra la figura 2. Donde en una primera etapa el alcohol acepta un protón para formar el alcohol protonado que se disocia en agua y forma un carbocatión, este carbocatión puede formarse cuando el protón liberado luego de la ionización del ácido clorhídrico realiza un ataque electrofílico sobre el hidroxilo, liberándose éste de la cadena carbonada para formar agua [3]. Como el oxígeno se lleva los dos electrones del enlace, el carbono queda con carga positiva, es decir, queda como un carbocatión. Entonces el catión t-butilo se combina con el ion cloruro en una última etapa formando el producto final, cloruro de ter butilo (2-cloro-2-metilpropano) Esta etapa para este mecanismo de reacción de sustitución nucleofílica unimolecular se llevaría a cabo de la manera descrita anteriormente, si se asumieran reactivos puros. Pero para la práctica no se cuentan con estos reactivos en un alto grado de pureza. Por lo tanto es necesario aplicar métodos que ayuden a que este producto quede en su mayor grado de pureza. Por tal razón al momento de separar la capa orgánica de la fase acuosa, es necesario la implementación del bicarbonato de sodio con el fin de eliminar el exceso de ácido clorhídrico presente en la muestra, y si existe todavía presencia de ácido clorhídrico es necesario la implementación del cloruro de sodio, para seguir con la neutralización. Para este momento se ha eliminado el exceso de ácido en la muestra quedando nuevamente una fase acuosa, por lo que es necesario implementar sulfato de sodio anhidro, puesto que la mayoría de los solventes orgánicos son secados con este tipo de sales haciendo que se

remueva el agua, formando hidratos en los cuales el agua es ligada como agua de hidratación por parte del sulfato de sodio [5] (ecuación 1).

Na2SO4+nH2O→Na2SO4· (H2O)n (1)

Posterior a esto se procede a determinar el punto de ebullición de la sustancia química obtenida, los cuales se muestran en la tabla 1. Para el grupo 1 corresponde a 50 ºC, en comparación con el punto de ebullición teórico se asemeja demasiado, solo se encuentra 1 ºC por debajo, Por lo tanto se puede decir que para este punto de ebullición el proceso de sintetización del 2-cloro2-metilpropano se llevó a cabo de manera efectiva. Para el grupo 2 corresponde a 46 ºC muy por debajo del punto de ebullición real de este compuesto orgánico, esto se puede deber a que el producto aún se encontraba en fase acuosa o contenía impurezas que afectaron la determinación del punto de ebullición. Por último se realizó una prueba de nitrato de plata en un ensayo de identificación para la determinación de halogenuros terciarios, donde se generó un precipitado de color blanco que denota prueba positiva para los halogenuros terciarios de alquilo. Siguiendo la siguiente reacción:

Figura 3- Reacción del halogenuro de alquilo en presencia del ion plata, para generar cloruro de plata de precipitado blanco.

El producto obtenido se explica debido a que el ión plata facilita la reacción de sustitución nucleofílica unimolecular apoderándose del ión halogenuro implícitamente contenido en el halogenuro de alquilo gracias a su potente acción coordinadora sobre estos aniones [3], como se evidencia en la figura 3.

muestra que el compuesto presenta una sustitución de tipo iso, en la banda de 866 se presenta la tensión C-Cl del compuesto. Por lo tanto en el espectro no se presenta la tensión C-H, lo que subyace que la estructura adecuada para el compuesto es la siguiente:

Figura 5-Estructura del cloruro del terbutilo, según infrarrojo.

Figura 4-Espectro infrarrojo del cloruro de terbutilo según teoría.

Debido a que no se realizó la determinación del espectro infrarrojo del 2-cloro-2metilpropano, se procedió a consultar cual es el espectro IR para este esté compuesto. Realizando la correspondiente lectura del espectro mostrado en la figura 4 se tiene que: Para el compuesto C 4H9Cl que presenta un índice de deficiencia de 0, es decir no presenta insaturaciones, se establece que para la señal de 2960 existe la tensión asimétrica de CH 3, para la señal de 2873 tensiones simétricas de CH3, a pesar de que existe la señal de 2933 que haría referencia a carbonos con hibridación Sp2 no existe la señal en + 1455 _ 10 que hace referencia al balanceo de tijereteo de carbonos CH2, por lo tanto el compuesto no presenta CH2. Por otra parte la señal de 1380

CONCLUSIONES Se logró realizar la sintetización del 2cloro-2-metil propano a partir de un alcohol terciario, comprobándose así que este tipo de alcoholes logran reaccionar más rápido por la gran cantidad de grupos alquilos que posee este alcohol, los cuales cumplen la función de estabilizar al carbocatión, y a diferencia de los otros que poseen menos grupos alquilos y reaccionan más lentamente. Además de lograr comprobar el halogenuro de alquilo al momento de adicionar nitrato de plata. Para un punto de ebullición de 50 ºC se establece que se realizo de manera adecuada la sintetización del 2-cloro-2metil propano a partir de una reacción de sustitución nucleofílica de primer orden puesto que solo existe un grado de diferencia con respecto al teórico. Para un punto de ebullición de 46 la sintetización del producto se realizó con menos eficiencia, evidenciando tipos de impurezas en el compuesto. El espectro infrarrojo nos permite inferir la estructura del compuesto, además de que grupos alquilos se

encuentran presentes en el producto, y si este se obtuvo de manera correcta al momento de realizar la sintetización BIBLIOGRAFÍA [1] Philip S. Bailey, Christina A. Bailey. Química Orgánica Conceptos y Aplicaciones. Pearson Education 1998. Página 215. [2] Lamarque Alicia. Fundamentos Teórico-Prácticos de Química Orgánica. Editorial; brujas 2008. [3] Morrison, R.T. y R.N. Boyd. (1998); Química orgánica. 5ª ed. Addison Wesley Longman de México S.A. de C.V. México. [4] Mcmurry John. Química Orgánica 7ª Edición Cengage Learnig S.A, 2008, México. Capítulo 10 [5] Careyf, A. Química Orgánica 6ª edición. Mc Graw Hill interamericana editores, S.A. 2006....