Síntesis Orgánica. Obtención de un Colorante Azóico PDF

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Práctica 9: Síntesis Orgánica. Obtención de un Colorante AzóicoGónzalez Ávila Ivan 0501138, Jurado Vanegas Aura 0501191, Linares Vacca Ivonn0501217Programa de Biología Aplicada, Asignatura de Quimica Orgánica y Laboratorio de Química Orgánica. Segundo semestre. Universidad Militar Nueva Granada. Sed...

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Práctica 9: Síntesis Orgánica. Obtención de un Colorante Azóico Gónzalez Ávila Ivan 0501138, Jurado Vanegas Aura 0501191, Linares Vacca Ivonn 0501217 Programa de Biología Aplicada, Asignatura de Quimica Orgánica y Laboratorio de Química Orgánica. Segundo semestre. Universidad Militar Nueva Granada. Sede Campus - Cajicá. Resumen Debido a la facilidad de su síntesis y a su versatilidad, los colorantes azo son los más importantes; pertenece a este grupo casi la mitad de los colorantes sintéticos. En la presente práctica de laboratorio se realizaron los cálculos para establecer la cantidad necesaria de cada compuesto para que sean posibles las reacciones de diazoación y copulación. Se realizaron las reacciones respectivas entre la o-nitroanilina con ácido nítrico para la obtención de la sal de diazonio, la cual reaccionó con 1-naftol para la obtención del compuesto azo para una eficiencia del 74%. Se concluyó que las aminas primarias aromáticas reaccionan con ácido nitroso para formar sales de diazonio pueden reaccionar con anillos aromáticos activados en reacciones de sustitución electrofílica aromática, además que los fenoles poseen un anillo activado que permite que las sales de diazonio reaccionen con ellos, produciendo compuestos azo, los cuales pueden ser utilizados como colorantes. Palabras clave: Síntesis, amina primaria, sal de diazonio, sustitución electrofílica aromática, compuesto azo.

Introducción Un colorante es un compuesto orgánico, que se aplica en disolución o emulsión y el sustrato debe tener afinidad para absorberlo. Así mismo, al aplicarlo al sustrato se le confiere color, teniendo en cuenta que los colorantes son solubles.1En química se clasifican a los colorantes en cinco grupos: colorantes del trifenilmetano, nitrosos, azoicos, y colorantes indigoides.2 Se debe tener en cuenta que para que un colorante funcione correctamente debe tener en su estructura química grupos funcionales como los cromóforos que hacen que la molécula absorba la región visible del espectro electromagnético.Así mismo,el color de las sustancias depende del número de dobles enlaces conjugados, ya que al aumentar la extensión del sistema conjugado el tono de color se desplaza a verdes, azules y negros.1 En cuanto a las sustancias coloreadas, estas absorben luz en la región visible del espectro , la cual es de 380 a 750 nm.3 Existen diferentes grupos de átomos con respecto a los colorantes, como el grupo cromóforo que es un grupo funcional tal como

-C=C-, -N=N- y anillos aromáticos con bastantes electrones en los orbitales.1 Así mismo, los cromoforos son los elementos del átomo de una molécula responsables del color, es decir, que son los portadores de diversos electrones que al ser estimulados por la energía de la luz visible reflejan la gama de colores.4 Es importante destacar que un auxocromo consiste en un grupo cargado positivamente que intensifica el color de una sustancia, ya que constituye un grupo de átomos que acoplados con un cromóforo, modifican la longitud de onda y la intensidad de absorción influyendo en la forma en que dicho cromóforo absorbe la luz.5 Un factor importante, es que los auxocromos no confieren color y solo cuando son donadores de electrones, como: -OH, -OMe, -NH2, NHR; NR2 cambian el color a tonos azulados y verdes.1 La función de los cromóforos está ligada a los auxocromos, ya que el color aparece como consecuencia de la acción conjunta del cromóforo y el auxocromo.5 Otro de los grupos de átomos son los hiposocrómicos que atraen electrones, como: -NO2; -COOR y se encargan de desplazar la absorción a longitudes de onda más cortas, cambiando el color a tonos

amarillos y anaranjados.1Es importante destacar, que una sustancia presenta el color complementario del que absorbe ya que este se resta de la luz reflejada y que las sustancias que no absorben luz visible son blancas o incoloras, y las que absorben todas las longitudes de onda son negras.4 Los colorantes azoicos se encuentran entre los más importantes colorantes de síntesis y para que sirvan como colorantes el grupo de anclaje debe ser el grupo –NH2, o un grupo ácido, como el ácido sulfónico –SO3H o ambos.1 Los colorantes contienen el grupo Azo, que se prepara a partir de sales de diazonio, esto se llava a cabo al hacer reaccionar la sal de diazonio con otro compuesto aromático que copule como anilianas y fenoles, denominado la reacción de copulación.6 Además, la sal de diazonio es un catión, po lo tanto es un electrófilo y la reacción de copulación va a través de una sustitución electrofilica aromática normal.6 Es importante resaltar, que se puede convertir arilaminas en la sal de arenodiazonio tratándola con ácido nitroso, debido a que el ácido nitroso es inestable y se debe formar in situ, con una disolución acuosa de nitrito de sodio en medio ácido.1 Finalmente, los colorantes se clasifican por su propiedad tintorial si se encuentra en el anión o el catión de su estructura química. Existen tre grupos, los cuales son: colorantes básicos, en la que la acción colorante está a cargo del catión; colorante ácido, en el que la sustancia colorante esta a cargo del anión y olorantes neutros, en la que están formados simultáneamente por soluciones acuosas de colorantes ácido y básicos.7 El objetivo general de esta prática era obtener un colorante azoico a partir de una amina aromática primaria por copulación de la sal de diazonio correspondiente con un compuesto aromático, por lo que durante el experimento se logró comprobar que el método utilizado en la prática es el adecuado, debidoa a que se logró obtener el respectivo colorante para de esta forma estudiar las propiedades y

diferenciar las etapas copulación en su síntesis.

de

diazotación

y

Resultados y Discusión En la presente práctica de laboratorio se tuvo en cuenta el marco teórico y los cálculos previos correspondientes para la obtención de 0,54 g de colorante azóico con un rendimiento total de reacción del 74 % (Ver Anexos). Teniendo en cuenta las proporciones de cada compuesto a utilizar, las reacciones esperadas en el presente laboratorio se muestran acontinuación:

Fig. 1, Reacción de Diazoación de o-nitroanilina. Para la obtención de una sal de diazonio, se parte de una amina primaria como es el caso de la onitroanilina, esta reacciona con con ácido nitroso que como tal es gaseoso, pero se pueden preparar soluciones acuosas diluidas, haciendo reaccionar nitritos alcalinos como el nitrito de sodio (NaNO2) con algún ácido mineral como el ácido clorhídrico acuoso. Las sales de diazonio formadas son relativamente estables en disolución, pero necesariamente estas reacciones deben realizarse en baño de hielo, por lo que se tiene la oportunidad convertirse en una variedad de grupos funcionales diferentes (Fig 1).

Fig, 2. Mecanismo de diozoación. El mecanismo de la reacción se inicia con el ataque de la amina, con su par de electrones libre, al trióxido de dinitrógeno; el intermediario formado, en este caso el ácido clorhídrico, expulsa un ión nitrito, el cual, actuando como base, abstrae un protón del ácido clorhídrico, recuperando así el nitrógeno su par de electrones y generándose el compuesto ácido nitroso. Posteriormente, mediante una serie de transferencias rápidas de protones y la pérdida final de una molécula de agua, se obtiene la sal de diazonio (Fig 2).

Fig. 3, Reacción de copulación entre la sal de diazonio y 1-naftol y formación del colorante azóico. Las sales de diazonio pueden reaccionar como reactivos electrofílicos en sustituciones aromáticas, para dar como producto compuestos azo o azóicos (Fig 3).

fuertemente electrodonadores como -OH, como es el caso del 1-naftol. En el mecanismo de reacción se inicia con el ataque del par de electrones de un enlace π del anillo aromático al nitrógeno externo de la sal de diazonio, lo cual induce el desplazamiento de uno de los enlaces del triple enlace nitrógeno-nitrógeno hacia el nitrógeno central, que lleva a la neutralización de la carga positiva que éste soportaba, y al mismo tiempo, a la formación de un intermediario con carga positiva estabilizado por resonancia, Posteriormente, dicho intermediario, en este caso el 1-naftol, pierde un protón para reestablecer la aromaticidad del anillo, formándose de esta manera el compuesto azo (Fig 4).

Fig. 5, Porcentaje de rendimiento de la reacción. Habiendo hecho los cálculos pertinentes, se tiene establecido que para obtener una eficiencia de sítensis de reacción del 100% se deberían obtener 0.54g de colorante azóico, y este valor corresponde al valor teórico. En la presente práctica se realizó el porcentaje de rendimiento de la reacción (Fig 5) teniendo en cuenta que se tiene como objetivo obtener 0,4 g de colorante azóico, tomándose este valor como la cantidad real y este de como resultado un porcentaje de rendimiento total de síntesis reacción del 74 %.

Conclusiones

Fig. 4, Mecanismo de copulación entre la sal de diazonio y 1-naftol, y obtención del compuesto azo. Las sales de diazonio al ser poco electrofílicas, sólo reaccionan con compuestos aromáticos muy activados, es decir, que tengan grupos

Se determinó que las aminas primarias aromáticas en reacción con ácido nitroso forman sales de diazonio, las cuales pueden actuar como electrófilos débiles y reaccionar con anillos aromáticos activados, produciendo reacciones de sustitución electrofílica aromática para dar compuestos azo como productos, además de que los fenoles y sus derivados como el 1-naftol poseen un anillo activado que permite que las

sales de diazonio reaccionen con ellos; produciendo los compuestos coloridos que pueden ser usados como colorantes.

Parte experimental Diazotación de la amina aromática En primer lugar se disolvieron 0,1886 gramos de la amina aromática o sea anilina o p-nitroanilina, en un beaker que contenía 1,36 mL de Ácido Clorhidrico de concentración 3,0 M y 4 mL de agua, así mismo, se sumergió el recipiente en un baño de hielo triturado y posteriormente se agitó la mezcla con un agitador magnético para de esta forma enfriar la disolución. Sin embargo, se debía mantener la temperatura de esta disolución por debajo de 5° C. En otro beaker se debía preparar una disolución de nitrito sodio, en la que se disolvia 0,1413 gramos del reactivo anteriromente mencionado en 3 mL de agua, posteriormente se enfriaba la disolución sumergiendola en el baño de hielo.Para finalizar, se adicionaba gota a gota la disolución nitrito de sodio a la disolucipon de clorhidrato de anilina, pero se debe mantener una agitación constante y la temperatura debía estar por debajo de los 10°C. Disolución de naftol En un beaker se debían pesar 0,1968 gramos de naftol y se disolvia en 8 mL de una disolución de Hidróxido de sodio al 10%, luego se tenía que enfriar por medio del baño de hielo, manteniendo una agotación magnética constante. Reacción de copulación A la disolución de naftol preparada anteriormente, la cual se encontraba sumergida en el baño de hielo, se le adicionaba gota a gota la disolución de la sal de diazonio preparada en el primer procedimiento . Al utilizar la anilina como amina, se lograba evidenciar claramente la formación de cristales rojos y una vez finalizaba la adición de la sal de diazonio, se dejaba reposar

la mezcla de reacción en el baño de hielo durante 30 minutos agitando de vez en cuando. Separación y purificación del colorante azoico En este procedimiento, se debía filtrar la disolución a través de un embudo Buchner por medio de vacío suave, en el que se verificaba el pH de la disolución teniendo en cuenta que debía ser ácido. Posteriormente, se lavaba con agua destilada y se escurria ejerciendo presión sobre el sólido con una superficie plana de vidrio.Luego, se recritalizaba el sólido en etanol, filtrando el producto con vacío y se lavaba con pequeñas proporciones de etanol.Finalmente, se secaba el sólido colocandolo sobre un papel filtro y se debía calcular el rendimiento de la reacción y se medía el punto de fusión el producto. Referencias 1. Gonzalez. Guías Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica. Síntesis Orgánica, Obtención de un Colorante Azóico.Universidad Militar Nueva Granada, Facultad de Ciencias Básicas y Aplicadas, Bogotá 2018. 2. Méndez. Colorantes Químicos y alimentarios. Química, La Guía 2000. 2013. 3. Sanz Tejedor Ascensión.La industria de los colorantes y pigmentos. Química Orgánica Industrial. Escuela de Ingenierías Industriales Valladolid.2015 4. Goldbook.Chromophore.IUPAC.Compe ndium of Chemical Terminology. 2017 5. Santiago V. Luis Lafuente, María Isabel Burguete Azcárate, Belén Altava Benito.Introducción a la Química Orgánica. Universitat Jaume I. D.L. ed. IV. Títol. V. Série 547. 2017 6. OrganicChemistry. Azo compound synthesis.2012.Recuperado en: http://www.organicchemistry.org/synthes is/diazonium/azocompounds.shtm 7. Wingrove, Alan S. (1984). Química orgánica. México. Harla. 8. José González Alfaro. Laboratorio de Microbiología: Instrumentación y

principios básicos/ José González Alfaro, Boris González González, Rosa T. Barrial González. La Habana: Editorial Ciencias Médicas; 2004. Información Suplementaria Durante el experimento pueden haber diferentes errores, por lo que se recomienda mantener la temperatura de las disoluciones por debajo de 5° C, ya que al no cumplir con estas indicaciones los enlaces entre cadenas se rompen y la reacción de las sales de diazonio no se lleva a cabo correctamente. Se concluye, que el método utilizado en la práctica es el adecuado para realizar el experimento, ya que se logró obtener el respectivo colorante para así estudiar las respectivas propiedades, las etapas de diazotación y la copluación de síntesis. Anteriormente, se mencionaba los errores cometidos durante la práctica, concluyendo que fueron errores de tipo sistemático, que es el que se produce en todas las mediciones que se realizan. Así mismo, algunos de los instrumentos en el laboratorio pueden estar contamiandos, lo que provocaría que al realiar los respectivos calculos el valor experimental obtenido fuera muy bajo con respecto al valor teórico, teniendo un bajo rendimiento. Anexos Planteamiento de las ecuaciones químicas para la reacción de formación de la sal de diazonio, la reacción de copulación de la sal de diazonio (formación del compuesto azo) con el respectivo fenol (1-naftol; 2-naftol), y los cálculos de las cantidades correspondientes de cada uno de los reactivos, amina aromática, HCl [3,0M], NaNO2 y fenol para obtener 0,4 g con un rendimiento total de reacción del 74 %. Se debe obtener un peso de 0.54 g de colorante azoico para un rendimiento total del 100%, para esto se debe pesar, como lo indica las ecuaciones, 0.260 g de B-naftol, 0.1265 g NaNO2 y 0.2527 g de o-nitrilina, ademas que se

utilizara 1.83 mL de disolucion de HCl con un valor de 3.0 de Molaridad....