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Empleando los reactivos Fenol y Anhídrido Ftálico en medio acido, obtendremos la Síntesis de fenolftaleína, de igual forma, solo que empleando Resorcina en lugar de fenol y Anhídrido Ftálico obtendremos la de la Síntesis de fluoresceína en medio acido...

Description

Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa División de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana -Iztapalapa, San Rafael Atlixco 186, Col. Vicentina Iztapalapa, México D.F. 09340, México

Síntesis de fenolftaleína y de fluoresceína Integrantes: Robles Vilchis Elizabeth, Rivera Pérez Diego, Sosa Juárez José Luis UEA: Laboratorio de Química 2

Profesor: Dr. Salvador Tello Solís

una valoración, y en este caso corresponde a una valoración en medio básico.

Objetivo Ejercitar técnicas de laboratorio

Trimestre: 16-O

de síntesis orgánica:

Síntesis de fenolftaleína y síntesis de fluoresceína

Resumen Empleando los reactivos Fenol y Anhídrido Ftálico en medio acido, obtendremos la Síntesis de fenolftaleína, de igual forma, solo que empleando Resorcina en lugar de fenol y Anhídrido Ftálico obtendremos la de la Síntesis de fluoresceína en medio acido. Hay colorantes ácidos tales como las ftaleínas, en las cuales los grupos ácidos, por ejemplo –OH fenólicos, unen las moléculas de colorantes a los tejidos. Las ftaleínas se preparan por la acción de los fenoles sobre el anhídrido ftálico. La Fenolftaleína es un líquido incoloro y uno de los indicadores para la determinación cualitativa y cuantitativamente de ácido-base más utilizados a niv el laboratorio e industrial. Se sintetiza cuando el grupo carbonilo del anhídrido ftálico reacciona con el fenol, que posee un átomo de hidrógeno reactiv o en orto y en presencia de ácido Sulfúrico se funde. En la Síntesis de fenolftaleína, a las aguas madres se les añadió NaOH 1M, con el objetiv o de observ ar un cambio de coloración, es decir, se realizó un equilibrio acido base, similar a

Posteriormente se tomaron aproximadamente 20 ml de la solución anterior y se le añadió una tableta de Alka Seltzer, con la intención de observ ar como uno de los ingredientes activos neutraliza la reacción antes mencionada de fenolftaleína + NaOH, el bicarbonato de sodio, aprov echando el carácter anfótero del bicarbonato de sodio, es como observ amos que la coloración rosa (medio básico) reacciona con un medio ácido, neutralizando la misma, y esta a su vez regresando a la coloración nativa, la cual es incolora. En la Síntesis de fluoresceína, se observ ó que las aguas madres tiene fluorescencia a una longitud de onda de 254 nm, es decir, a esta longitud de onda emiten luz aproximadamente a 520 nm (espectro electromagnético).

Palabras Clave Compuestos aromáticos, espectros ultravioleta-visible, indicador acido- base, fluoresceína, espectros de absorción y emisión, Reacciones ácido-base, compuestos Anfóteros,

Introducción Cualquiera de los productos químicos pertenecientes a un extenso grupo de sustancias, empleados para colorear tejidos, tintas, productos alim enticios y otras sustancias. En la moderna terminología industrial se amplía el concepto de colorantes a los productos que contienen colorantes orgánicos puros junto con agentes reductores o de relleno que los hacen más manejables. Los colorantes no deben confundirse con los pigmentos, que son sustancias polvorosas de color que precisan mezclarse con agentes adhesivos antes de aplicarse a una superficie. El color de los compuestos orgánicos depende de su estructura. Generalmente, los compuestos empleados como tintes son productos químicos orgánicos insaturados. La característica del color es especialmente notable en productos químicos que contienen ciertos grupos insaturados bien definidos. Estos productos químicos, conocidos como cromóforos (portadores de color), tienen diferentes capacidades para dar color. Los colorantes han de tener la capacidad de penetrar y colorear los tejidos y otros materiales. Los

Los

compuestos con los que reacciona son electrónicamente deficientes; es decir, son reactivos electrofílicos o ácidos. Al igual que las reacciones típicas de los alquenos son de adición electrofílica, las del anillo bencénico son de sustitución electrofílica. Estas reacciones no sólo son típicas del benceno mismo, sino también del anillo bencénico donde quiera que se encuentre y, de hecho, de muchos anillos aromáticos, bencenoides y no bencenoides. [2] La sustitución electrofílica aromática incluye una amplia gama de reacciones: nitración, halogenación, sulfonación y reacciones de Friedel-Crafts, experimentadas por casi todos los anillos aromáticos; procesos como nitrosación y acoplamiento diazoico, que sólo sufren los anillos de gran reactividad, y reacciones como la de sulfonación, intercambio isotópico y muchos cierres de anillos. Desde el punto de vista de su importancia, en síntesis, la sustitución electrofílica aromática quizá no ha sido igualada por ninguna otra clase de reacciones orgánicas. Constituye la vía de acceso inicial para casi todos los compuestos aromáticos, pues permite la introducción directa de ciertos grupos sustituyentes que luego pueden convertirse en otros, incluyendo anillos aromáticos adicionales, por reemplazo, o por transformación. La fluoresceína es un pigmento fluorescente que tiene múltiples aplicaciones en serigrafía, en microbiología, etc., ya que se le utiliza como medio de contraste. Se obtiene mediante una reacción de sustitución electrofilia aromática (SeAr) del resorcinol sobre el anhídrido ftálico.

radicales químicos llamados auxócromos, tienen la propiedad de fijar eficazmente el colorante deseado. Se trata de ácidos y bases que originan colorantes ácidos y básicos. En algunos compuestos, la presencia de un grupo auxócromo puede colorear compuestos incoloros. [1]

Encima y debajo del plano del anillo bencénico tenemos una nube electrónica n. Debido a la resonancia, estos electrones n están más involucrados en mantener núcleos de carbono unidos que los electrones π de un doble enlace carbono-carbono. De todas formas, y en comparación con los electrones o, estos electrones π están relativamente sueltos y disponibles para un reactivo que busca electrones. No es de extrañar que en sus reacciones típicas el anillo bencénico sirva de fuente de electrones, esto es, que actúe como base.

Además, la fluoresceína es un compuesto que puede utilizarse como indicador ácido-base el color de sus disoluciones depende el pH. Tal diferencia es más evidente si se analizan los espectros de absorción respetivos en la región ultravioleta-visible, UV-Vis, mostrado en la figura 1 y figura 2. Dicho aspecto se obtiene cuando la molécula en cuestión es irradiada con radiación electromagnética del intervalo que va de 300 a 800 nanómetros (nm). Los espectros obtenidos son unas graficas de las longitudes de onda que la molécula en cuestiones absorbe, pero el color que observamos es en realidad la combinación de aquellas longitudes de onda que la molécula nos devuelve. La radiación absorbida por la

Cálculos, experimentación y análisis 1.

Escriba la reacción química que describe la síntesis de la fenolftaleína.

2.

Escriba la reacción química que describe la síntesis de la fluoresceína.

Figura 2: espectros de absorción respetivos en la región ul travioleta-visible, UV-Vis

Molécula le provoca una transición electrónica, que es un cambio en forma y tamaño de su nube de electrones. Posterior la molécula regresa a su estado inicial, o basal, disipando la energía recibida, vibrando, rotando, deformándose o emitiendo luz, fenómeno este último que permite obtener los espectros de emisión de la molécula. [3] La fenolftaleína es un sólido incoloro que se disuelve fácilmente en las disoluciones alcalinas con formación de un color rojo intenso. Es un indicador de pH que en soluciones ácidas permanece incoloro, pero en presencia de bases se torna rosa o violeta. Se usa ampliamente en análisis químico. Es un sólido blanco, inodoro que se forma principalmente por reacción del fenol, anhídrido ftálico y ácido sulfúrico (H 2SO4); sus cristales son incoloros. El cambio de color de este indicador está comprendido en su estructura; en medio ácido, el equilibrio está desplazado hacia la izquierda, ya que el indicador capta los H+ en exceso, con lo cual predomina la forma incolora. En medio alcalino, los OH- libres consumen los H+ y el equilibrio se desplaza hacia la derecha con lo cual aparecerá la forma coloreada del indicador (rojovioleta)2 en la figura 3.

Figura 3

3.

Escriba las estructuras químicas de la fenolftaleína en medio ácido y medio básico.

5

Compare los espectros ultravioleta-visibles de la fenolftaleína en medio ácidos y en medio básicos.( incluimos el espectro IR)

Figura 4 estructuras de la fenolftaleína en medio ácido y bá sico

Figura 7 Es pectro IR de l a fenolftaleína 4

6 Compare los espectros ultravioleta visibles de la fluoresceína en medio ácidos y en medio básicos. (Incluimos el espectro IR) Figura 5 estructuras de la fenolftaleína en medio ácido y bá sico mostrando el mecanismo 3 4 Escriba las estructuras químicas de la fluoresceína en medio ácido y medio básico.

Figura 8 Es pectro UV de la fluoresceína en medio ácido y bá sico 4

Figura 6 estructuras químicas de la fluoresceína en medio á cido y bás ico3 Figura 9 Es pectro IR de l a fluoresceína3

7.-Calcule el rendimiento en la síntesis de la fluoresceína.

El reactivo limitante es: C6H6O2 2 mol C6 H6 O2 ― 1 mol de C20H14O4

Se determinara la siguiente sesión experimental, debido a que el producto de dejo secar.

2.724 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 C6 H6 O2 ― x

CALCULOS

𝑥

(2.724 ∗ 10−3𝑚𝑜𝑙 C6H6O2)(1 mol de fluoresceína) 2 mol C6H6O2 = 1.362 ∗ 10−3 =

Fluoresceína Datos:

𝑔

m= n*MM m= (1.362 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙) (332.27 𝑚𝑜𝑙) =

Resorcinol= 0.30 g Anhídrido Ftálico= 0.20 g 𝑚 𝑛=

  

𝟎. 𝟒𝟓𝟕 𝒈 de fluoresceína

Fenolftaleína

𝑀𝑀

2 C6H6O2 + C8H4O3 → C20H12O 5 + 2H2O

DATOS:

Resorcinol (C6 H6 O2 )

Fenol: 0.3 g

Anhídrido

Ftálico ( C8H4O 3)

Anhídrido ftálico: 0.2 g

C: 6 *12.01g/mol=72.06 g/mol g/mol= 96.08 g/mol

C: 8*12.01

H: 6*1.01 g/mol= 6.06 g/mol g/mol= 4.04 g/mol

H: 4* 1.01

O: 2*15.99 g/mol= 31.98 g/mol g/mol= 47.97 g/mol

O: 3*15.99

= 110.1 g/mol = 148.09 g/mol Fluoresceína (C20H12O4) C: 20*12.01 g/mol= 240.2 g/mol

2 C6H6O + C8H4O3 → C20H14O4 + H2O

Fenol (C6H6O) ftálico (C6H6O) C: 6* 12.01 g/mol= 72.06 g/mol g/mol= 96.08 g/mol

C: 8* 12.01

H: 6*1.01g/mol=6.06 g/mol g/mol= 4.04 g/mol

H: 4* 1.01

O: 1*15.99 g/mol= 15.99 g/mol g/mol= 47.97 g/mol

O: 3*15.99

H: 12* 1.01g/mol= 12.12 g/mol O: 5* 15.99 g/mol= 79.95 g/mol

= 94.11 g/mol = 148.09 g/mol Fenolftaleína (C20H14O4)

= 332.27 g/mol 𝑛= 𝑛=

0.30 𝑔

= 2.724 ∗ 10−3𝑚𝑜𝑙 (C6 H6 O2 )

0.20 𝑔

= 1.350 ∗ 10−3𝑚𝑜𝑙 (C8 H4 O3 )

110.1 𝑔/𝑚𝑜𝑙

148.09 𝑔/𝑚𝑜𝑙

Anhídrido

C: 20*12.01 g/mol= 240.2 g/mol H: 14*1.01 g/mol= 14.01 g/mol O: 4*15.99 g/mol= 63.96 g/mol

REACTIVO LIMITNTE

=

C6 H6 O2

C8 H4 O3

g/mol

2 mol

1 mol

Fenol: 𝑛 =

2.724*10−3 𝑚𝑜𝑙

1.350 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙

Anhídrido ftálico: 𝑛 =

2 𝑚𝑜𝑙

=2.724 ∗10−3 𝑚𝑜𝑙 = 7.342 ∗ 10−3

1 𝑚𝑜𝑙 = 7.407 1.350 ∗ 10 −3𝑚𝑜𝑙 ∗ 10 −3

0.3 𝑔

94.11 𝑔/𝑚𝑜𝑙

318.3

= 3.187 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 0. 2 𝑔

148 .09 𝑔/𝑚𝑜𝑙

= 1.350 ∗ 10 −3𝑚𝑜𝑙

REACTIVO LIMITANTE C6H6O

C6H6O

2 mol

1 mol

3.187*10−3

mol

2 𝑚𝑜𝑙 3.187 ∗ 10−3 𝑚𝑜𝑙 = 6.275 ∗ 10 −4

1.350*10−3 𝑚𝑜𝑙 1 𝑚𝑜𝑙

1.350 ∗10−3𝑚𝑜𝑙

= 7.407*10−4

El reactivo limitante es: C 6H6O 2 mol de C6H6O ― 1 mol de C20H14O4 3.187*10−3 mol C6H6O ― X (3.187 ∗10−3𝑚𝑜𝑙 C6H6O) (1 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝐹𝑒𝑛𝑜𝑙𝑓𝑡𝑎𝑙𝑒í𝑛𝑎)

X= 2 𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 C6H6O 10−3𝑚𝑜𝑙 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙𝑓𝑡𝑎𝑙𝑒í𝑛𝑎

= 1.593 ∗

m=n*MM m= (1.593* 10−3 𝑚𝑜𝑙) (318.3 0.507 𝑔 𝑑𝑒 𝑓𝑒𝑛𝑜𝑙𝑓𝑡𝑎𝑙𝑒í𝑛𝑎 Experimentación

𝑔

)=

𝑚𝑜𝑙

Resultados y Discusión Los indicadores son sustancias que cambian de color al ser modificado el pH, en esta práctica se realizó la síntesis de fenolftaleína utilizando anhidridito ftálico más fenol, en una catálisis ácida con ácido sulfúrico a 160°C durante 3 minutos. Al obtener el producto se añadió una solución de NaOH 1M para observar el v ire (cambio de color) se observó que al aumentar la cantidad de la solución de hidróxido de sodio, intermolecularmente pasaba una deslocalización de los electrones debido a la variación del pH, esto lo podemos observ ar en la figura 4 y 5, donde se observ a la resonancia en torno a los extremos, donde se pierde y se gana la aromaticidad en el anillo bencílico, esto es muy importante, debido a que el pH está en función de la estabilidad de la misma. Los cambios de pH generan cambios estructurales en los indicadores, generando sistemas conjugados con propiedades cromofóricas fluorescentes o fosforescentes, según sea el tipo de ftaleína empleada. A la reacción anterior, ya con el vire, se tomó una pequeña muestra, aproximadamente 20 ml y se le añadió una tableta de Alka seltzer, y se observ ó que en la solución ocurrió un equilibrio acido-base, debido al carbonato de sodio, donde este mismo tiene propiedades anfóteras, es decir, puede actuar tanto como ácido o base, dependiendo con que sustancia se coloque, para esto, se observó que la coloración rosa paso a ser incolora, como estaba antes de añadirle la solución de NaOH 1M. Por lo tanto la solución de fenolftaleína con NaOH 1M actuó como base, mientras que el carbonato de sodio actuó como acido, dando como subproductos CO2. En la figura 10 observamos en ejemplo en el que la fenolftaleína tiene una coloración naranja y rosa, debido al pH. En la figura 7 se muestra en espectro de IR correspondiente a la fenolftaleína, se observan las señales correspondientes a los grupos OH que se encuentran cerca de los 3000cm -1 y son característicos a estos grupos y al agua, se observan comúnmente como “panzas” es decir, como mínimos muy definidos.

En la síntesis de fluoresceína, se hizo reaccionar anhídrido ftálico más resorcinol, en catálisis ácida a 160 °C durante 2 minutos. Este compuesto fluorescente, tiene múltiples aplicaciones en la medicina oftálmica, microbiología, serigrafía; etc. Esta reacción junto con la anterior ocurre mediante un mecanismo del tipo SEAr, sustitución electrifica aromática. Se añadió un poco de agua y un mililitro de HCl concentrado al producto, para posteriormente filtrarlo, las aguas madres presentaron un fluorescencia a una longitud de onda de 254 y emitiendo aproximada mente a 530 nm, floreciendo a un color verde, las aguas madres tienen un color amarillo-verde. El producto anterior junto con la fenolftaleína son indicadores que están en función del pH, podemos apreciar que en el caso de la fenolftaleína se observ a un cambio visible en la coloración, mientras que en la fluoresceína, se observan cambios en la fluorescencia a ciertas longitudes de onda que no son v isibles para el ojo humano, para poder medir estas últimas y cuantificar los cambios, es necesario conocer su absorbancia y así tener un parámetro adicional, para conocer las propiedades de dichas sustancias.

Conclusiones Se realizaron con éxito la síntesis de fenolftaleína y fluoresceína, aunque no se determinaron rendimientos, pero los parámetros para asegurar su síntesis correcta son, en el caso de la fenolftaleína haberle añadido una solución de NaOH 1M y observar el v ire correspondiente al medio básico y posteriormente neutralizar esta última con la tableta de alka seltzer, en caso de no observar estos parámetros la síntesis no es correcta. Para la fluoresceína, el parámetro a seguir es que tenga fluorescencia en la lámpara de Uv en algunas de las longitudes de onda disponibles, en este caso fue a 254 nm, donde se observ ó este fenómeno, en caso de no ocurrir lo anterior la síntesis no es correcta.

Figura 10 pH ácido y básico para la fenolftaleína

Para la fluoresceína, el espectro Uv de la figura 8 se observ a la absorbancia en función de la longitud de onda y observ amos que hay un aumento en la absorbancia en la forma básica, esto se debe a que en esta forma esta la deslocalización de los electrones y emiten más energía favoreciendo la absorbancia, para el caso de la forma ácida la absorbancia es menor, debido a que no se encuentra perturbada la molécula y al someterla al equipo de Uv tiene una perturbación menor en comparación con la antes mencionada. Y la forma neutra que es un intermediario, se encuentra en un punto medio entre la forma ácida y la básica.

Referencias 1 2

(Química Orgánica - 2° ed. Morrison R., et al. 1998) Química orgánica vol.2, 7ma edición- l.g. Wade L.)

3

Villanuev a Flores Francisca y González Ríos Jorge Arturo Facultad de Ciencias Químicas de la U niversidad de Guanajuato Síntesis de 3’,6’Dihidroxispiro (isobenzofurano- 1(3H) ,9’-(9H)x anten)-3-ona (Fluoresceína) Recibido: 12 de mayo, 2008 4

ESCU ELA DE INGENI ERÍAS FACU LTAD DE I NGENI ERÍ A QU Í MICA LABORATORI O DE

QU Í MI CA ORGÁNI CA I I “SÍNTESIS DE FENOLFTALEÍNA Y FLUORESCEÍ NA ” file:///C:/U sers/Equipo%2011/Dow nloads/129014105-5-SI NTESIS-DEFENOLFTALEI NA-Y-FLU ORESCEI NA.pdf

Anexos

MATERIALES Y REACTIVOS Síntesis de la fenolftaleína        

Fenol Anhídrido ftálico Ácido sulfúrico concentrado Glicerina Solución de hidróxido de sodio 1M Ácido clorhídrico 1M Ácido clorhídrico concentrado Agua desionizada

Síntesis de fluoresceína

  

NORMAS DE USO DEL EQUIPO Balanza Digital Preparación para el uso: para trabajar con balanza hay que tener mucho cuidado en el manejo de esta si se desean obtener resultados fiables. Son capaces de soportar ciertos efectos ambientales perturbadores. La exactitud de los resultados de pesada depende no solo de un trabajo de medida preciso, si no que guarda estrecha relación con el emplazamiento de la balanza. Por ello hay que tener en cuenta una serie de factores para considerar un puesto de pesada óptimo. Los principales puntos que deben ser considerados son:        

     

Resorcina Anhídrido ftálico Ácido sulfúrico concentrado Glicerina Agua desionizada Hielo

Material y equipo                     

4 tubos de ensaye grandes 2 v asos de precipitados de 50 ml 1 matraz Kitazato 1 embudo Büchner 1 v idrio de reloj 2 charolas para pesar 1 gradilla 1 termómetro 1 parrilla de calentamiento con agitación magnética 2 agitador de vidrio 1 pinzas para tubo de ensaye 1 soporte univ ersal 2 pinzas de tres dedos para soporte univ ersal (con nuez) 2 pipeta Pasteur 1 balanza analítica 1 espátula 1 v aso de precipitados de 100 ml (para aceite nujol) o baño nujol 1 mortero con pistilo 1 cristalizador 1 probeta 50 ml 2 pipeta graduada de 10 ml

1 pipeta v olumétrica de 5 ml 1 propipeta 1 espectrofotómetro ultravioleta-visible

   

Evitar corrientes de aire Ser poco susceptible con coques y vibraciones Verificar la niv elación de la balanza Dejar siempre la balanza apagada Dejar la balanza tal cual se encontró Usa siempre el frasco de menor medida posible El frasco debe estar a la misma temperatura que su contenido Poner el frasco siempre en el centro del plato de medida Remover el frasco del plato terminando la operación Verificar que la pantalla indique cero al inicio de la operación Calibrar la balanza regularmente Mantener siempre el plato limpio

Parrilla Eléctrica 

...