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Nombre: Morales Jimenez Magdalena Esther
UNIVERSIDAD CATÓLICA
BOLIVIANA “SAN PABLO”
Carrera: Ingeniería Química FACULTAD DE INGENIERÍA Materia QMC-004 Laboratorio de Química Orgánica Fecha de realización
Paralelo: 1 Horario 18:00 – 19:30 Fecha de entrega
LABORATORIO 3
IDENTIFICACIÓN DE CETONAS Y SÍNTESIS DE DIBENZAL ACETONA
1. OBJETIVOS
a. OBJETIVO GENERAL ▪ Identificar cetonas y sintetizar dibenzal acetona por medio de la aplicación de dos pruebas de identificación y de reacción Claisen-Schmidt para determinar sus propiedades químicas y diferencia con otros compuestos, como ser los aldehídos. b. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ▪ Aplicar las pruebas de m-dinitrobenceno y nitroprusiato de sodio para identificar cetonas y describir sus mecanismos de reacción. ▪ Identificar el mecanismo de reacción de la síntesis de dibenzal acetona. ▪ Determinar teóricamente la cantidad obtenida de dibenzal acetona.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO El grupo funcional que identifica a los aldehídos y a las cetonas es el grupo carbonilo (C=O). En el caso de los aldehídos, por lo menos un átomo de hidrógeno se encuentra unido al grupo carbonilo; por otra parte, en las cetonas, dos átomos de carbono están unidos al grupo carbonilo. Siendo el aldehído más sencillo el denominado formaldehído, y la cetona más sencilla la acetona. (Whitten, 2014) En la Ilustración 1 se observan el grupo carbonilo y la diferencia estructural entre los aldehídos y las cetonas. Tanto los aldehídos como las acetonas se pueden considerar como derivados de los hidrocarburos saturados por sustitución. Para obtener los aldehídos, la sustitución se da en un átomo de carbón primario, de dos hidrógenos por un oxígeno. Si la sustitución se da en un átomo de carbono secundario, se obtienen las cetonas. (Sevilla, 1975) El grupo carbonilo resulta de gran importancia por su relevancia en las reacciones que se llevan a cabo tanto por aldehídos, como por cetonas. En este Ilustración 1 : Grupo carbonilo, Aldehído y Cetona
grupo, el átomo de carbono trigonal utiliza los tres orbitales híbridos sp^2 en la creación de uniones sigma con tres átomos adyacentes. El electrón restante del carbono de un orbital p forma una unión pi con un electrón del orbital p del oxígeno. Por lo que se tiene una simetría similar a la de un alqueno. Sin embargo, la distribución electrónica no es igual de simétrica que la de un alqueno, debido a la electronegatividad del oxígeno, que, al ser mayor a la electronegatividad del carbono, el oxígeno atrae para sí los electrones de ambas uniones, tanto sigma como pi. (Oullete, 1973) Es de esta manera que en los aldehídos y cetonas también se conocen formas de resonancia debidas al movimiento electrónico que se tiene por la electronegatividad del oxígeno, lo cual se conoce como efecto electrómero. Como consecuencia, el carácter dipolar de la molécula aumenta. (Sevilla, 1975) Entonces, el grupo carbonilo reacciona con los reactivos nucleófilos que proporcionan un par de electrones al átomo de carbono. (Oullete, 1973) Pese a las similitudes que puedan tener los aldehídos y las cetonas, químicamente reaccionan de forma diferente, lo cual se debe a sus propiedades químicas. En este sentido, las cetonas presentan menor reactividad que los aldehídos, por lo que su oxidación representa mayor dificultad y se necesitan agentes oxidantes más potentes, como ser el ácido crómico. Donde el modo de conducirse la reacción depende del tipo de cetona oxidada y generalmente se forman dos ácidos de cadenas más crotas. (Sevilla, 1975) Otra propiedad consiste en su reducción a alcoholes, donde las cetonas se reducen a alcoholes secundarios, generalmente en presencia de reductores poderosos, como el hidruro doble de litio. (Oullete, 1973) Estas propiedades permiten la aplicación de diversas pruebas de identificación y diferenciación de dichos compuestos, algunas pruebas de identificación de aldehídos son la prueba de Tollens, Fehling y Schiff, donde las cetonas no reaccionan ante estas pruebas debido al bajo nivel oxidante de los reactivos utilizados en las pruebas. (Oullete, 1973) A continuación, se detallan dos pruebas de identificación de cetonas: prueba de m-dinitrobenceno y prueba de nitroprusiato. Prueba de m-dinitrobenceno El m-nitrobenceno es de color blanco, la prueba se basa en la coloración que se obtiene al hacerlo reaccionar con una muestra, en la cual se desea identificar la presencia de grupos carbonílicos. Si se lo hace reaccionar con cetonas, el m-nitrobenceno se disuelve, y si se utiliza un exceso de una base fuerte, generalmente de hidróxido de sodio, se aprecia una coloración púrpura en la parte superior de la muestra, mientras que la parte inferior tiende a colorarse de un tono café traslúcido. Esta colocación púrpura corresponde a la formación del complejo de Meisenheimer, este complejo se forma por la mezcla directa de un compuesto nitroaromático con un compuesto nucleófilo. (Campos, 2018)
8 Cubetas 9 Pizeta 10 Embudo Buchner 11 Varilla de vidrio 12 Vasos precipitados En la Tabla 3.1: Materiales y Reactivos, se mencionan detalladamente los materiales y reactivos utilizados en el procedimiento experimental. Se tienen cinco columnas, las primeras dos columnas se destinan a detallar los materiales y las últimas tres a los reactivos. La primera columna corresponde al número de materiales. La segunda columna indica el nombre de dicho material. La tercera columna corresponde al número de reactivos. La cuarta columna indica el nombre del reactivo utilizado. Por último, la quinta columna indica la fórmula química de dicho reactivo.
Sobre la base de la utilización de los materiales y reactivos mencionados, se procede a detallar el
procedimiento experimental a partir de tres esquemas enumerados que explican cada uno de los
procedimientos realizados.
de estos reactivos. Solo después de añadir el hidróxido de sodio se forma el anión de la cetona y así iniciarse la reacción para formar el complejo rojo. La coloración roja obtenida confirma la presencia del complejo rojo que solo se forma a partir de la reacción de una metil cetona con el ion nitroprusiato de sodio, confirmando, como consecuencia, que la muestra utilizada como reactivo corresponde a una cetona, dando positiva la prueba. Inicialmente se añadió alcohol rectificado en un matraz Erlenmeyer que contenía 1 mL de acetona y 2.5 mL de benzaldehído. No se observa ningún cambio de color en la mezcla ni se percibe ninguna reacción. Luego, se añadió 5 mL de hidróxido de sodio al 10% a la mezcla del Matraz Erlenmeyer, en este punto la mezcla se siguió manteniendo incolora. Posteriormente, se llevó el matraz a una cubeta con agua fría, tras agitar y esperar por 20 minutos se devolvió el matraz a la cubeta y su contenido tomó una coloración blanquecina, formándose un precipitado de dibenzal acetona. Luego, se llevó el precipitado al embudo Buchner y se añade agua destilada y se procedió a realizar la recristalización de la dibenzal acetona. Entonces, se añadió alcohol caliente rectificado al precipitado para purificar el producto obtenido y se agita por 20 minutos, y se arrastró el vaso precipitado hacia el embudo Buchner, obteniendo de esta manera unos cristales de color amarillo tendiendo al pálido que corresponden a los cristales de dibenzal acetona. De esta manera, se confirma que la reacción que se llevó a cabo es la reacción de Claisen-Schmidt, sobre la base de la reacción entre el benzaldehído y la acetona. En la Tabla 4.1: Tabla de datos se tiene el registro que se realizó del desarrollo del procedimiento experimental. Se tienen tres columnas. La primera columna corresponde al nombre de la prueba realizada. La segunda columna muestra la captura de los resultados obtenidos. Por último, la tercera columna describe las observaciones realizadas en cada prueba y procedimiento realizado. SÍNTESIS DE LA DIBENZAL ACETONA
5. RESULTADOS OBTENIDOS
Con relación a los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica, estos se detallan a continuación para cada una de las pruebas realizadas y de la síntesis de dibenzal acetona. Prueba de m-dinitrobenceno La reacción que se lleva a cabo en esta prueba corresponde a na de adición por ataque nucleofílico. En la aplicación de la prueba se obtuvo lo que se denomina como el Complejo de Meisenheime a partir de la reacción de la Cetona con el m-dinitrobenceno. Cabe resaltar, que en la prueba se analizó una muestra de cetona, no se especifica qué cetona se utilizó, ya que la prueba solo determina la presencia de cetonas en la muestra. En este sentido, al mezclar cetona con m- dinitrobenceno con hidróxido de sodio, este último reacciona inicialmente con la cetona. Siendo el hidróxido de sodio una base fuerte, capta uno de los protones de la cetona del grupo metil, específicamente del carbono alfa de la cetona, produciendo de esta manera el anión enolato y una molécula de agua, tal como se observa en la Ilustración 2. A continuación, el anión enolato que se formó en la primera etapa de la reacción, se comporta como un nucleófilo que ataca al dinitrobenceno, donde este último se comporta como un electrófilo. Este comportamiento de ambas moléculas, se debe a las cargas que se forman en las mismas. Con relación al anión enolato, debido a la pérdida de uno de sus protones, se carca de forma negativa. En cambio, con relación al m-dinitrobenceno, debido a la electronegatividad de sus nitrógenos, solo basta con que uno de estos jale los electrones de enlace de enlace con el carbono, para que se produzca un movimiento de electrones en la molécula que forma una carga positiva y presente un comportamiento electrófilo en busca de mayor estabilidad. Sin embargo, tras adicionarse el anión enolato a la molécula de m-dinitrobenceno, uno de los dobles enlaces del anillo aromático se rompe para recibir al carbono alfa del anión de tal forma que en este se dé una carga negativa. Por lo tanto, la molécula resultante tiene dicha carga negativa, donde esta corresponde al complejo de Meisenheimer, el cual se caracteriza por su color morado, que se logra apreciar en la práctica tal como se menciona en la Tabla 4.1. Ilustración 3 :Formación del Complejo de Meisenheime Ilustración 2 : Ataque de la base fuerte a la Cetona
Posteriormente, tras perder sus dos átomos de sodio, el ion nitroprusiato reacciona con el enolato formando un complejo de color rojo, el cual es evidenciado en la práctica tal como se menciona en la Tabla 4.1. Esta etapa de la reacción se muestra en la Ilustración 7. Resultando de esta manera, tras una reacción de adición, un complejo que determina la presencia de una cetona en la muestra analizada. Síntesis de la dibenzal acetona La reacción que se lleva a cabo para la síntesis de dibenzal acetona en la práctica, corresponde a la reacción de Claisen-Schmidt, que se basa en la condensación entre el benzaldehído y la acetona, en presencia de hidróxido de sodio. La reacción general de esta síntesis de muestra en la Ilustración 8, donde se detalla la reacción de dos moles de benzaldehído con un mol de acetona en presencia de hidróxido de sodio, donde se da la pérdida de dos moles de agua, resultando en la formación del dibenzal acetona. De manera detallada, en una primera etapa de la reacción, el mecanismo de la misma consiste en el ataque de la base fuerte a la acetona, donde los electrones libres del oxígeno del grupo hidroxilo de la base, captan un protón de la acetona, formando el anión enolato que cuenta con una carga negativa debido a la pérdida de su protón que produce un movimiento interno de sus electrones en búsqueda de mayor estabilidad, donde el oxígeno capta los electrones de su doble enlace para que se de un doble enlace entre los dos carbonos de la molécula, dejando al oxígeno con carga negativa. Formándose también una molécula de agua. Esta primera etapa se muestra en la Ilustración 9. En una segunda etapa de la reacción, se da un ataque nucleofílico y posterior protonación, en el cual el benzaldehído actúa como Ilustración 7 : Formación del complejo rojo Ilustración 8 : Reacción general de la formación de dibenzal acetona Ilustración 9 : Formación del anión enolato Ilustración 10 : Ataque nucleofílico
electrófilo, y el anión enolato como nucleófilo, donde el compuesto resultante se comporta como una base y ataca al agua, donde esta última se comporta como ácido y dona uno de sus protones, resultando en una molécula de hidroxilo cargado negativamente. En una tercera etapa de la reacción, tras la reacción con agua, se da una desprotonación de la molécula por el hidroxilo, que resulta en un nuevo enolato que actúa como nucleófilo y reacciona con el benzaldehído en una reacción de condensación. En una etapa final de la reacción, el oxígeno abstrae un protón del agua, generando una nueva molécula de hidroxilo debido a la separación del oxígeno de la molécula a causa de su electronegatividad, tal como se muestra en la Ilustración 12. Esta salida de un nuevo grupo de hidroxilo, forma un nuevo doble enlace en la molécula, de tal manera que el resultado corresponda a un molécula de dibenzal actona, tal como se muestra en la Ilustración 13. A continuación, se realiza el cáculo de la cantidad de dibenzal acetona obetenida en la práctica mediante cálculos estequiométricos sobre la base de la siguiente reacción general. 2 C 7 H 6 O + C 3 H 6 O ↔ C 14 H 14 O + 2 H 2 O Donde, las masas molares del benzaldehído, de la acetona y de la dibenzal acetona son: 106.3, 58.08 y 234.29 gramos por mol, respectivamente. De datos teóricos se tiene que las densidades del benzaldehído Ilustración 11 : Reacción de condensación Ilustración 12 : Salida del grupo hidroxilo Ilustración 13 : Dibenzal acetona
7. PREGUNTAS DE CONTROL
a. Investigue los efectos tóxicos que pueden producir las cetonas en el ser humano. La acetona se encuentra normalmente en concentraciones bajas en el cuerpo del ser humano como resultado de la degradación de la grasa, siendo esta utilizable durante procesos normales de producción de azúcar y grasa. Muchas situaciones pueden hacer que en el cuerpo se encuentren presentes cantidades más altas que el promedio. Por ejemplo, los bebés, las mujeres embarazadas, los diabéticos y las personas que hacen ejercicio, dietas, sufren un trauma físico o beben alcohol pueden tener cantidades más altas de acetona en el cuerpo. Generalmente, estas mayores cantidades de acetona no causan problemas. Además, la acetona puede prevenir las convulsiones. Sin embargo, La exposición a cantidades de acetona moderadas-a-altas puede irritar los ojos y el sistema respiratorio, y puede también producir mareo. La exposición a niveles de acetona muy altos puede causar pérdida del conocimiento. b. Indique cuál es el nombre del mecanismo de reacción de la prueba de m- dinitrobenceno y explique cuál es la función de los siguientes reactivos: m- nitrobenceno e hidróxido de sodio, El mecanismo de reacción de la prueba de m-dinitrobenceno corresponde al de un ataque nucleofílico para identificar monocetonas alifáticas. La función del hidróxido de sodio corresponde a captar un protón de la cetona analizada para formar un anión enolato y una molécula de agua. Donde el enolato se comporta como un nucleófilo al tener una carga negativa tras perder uno de sus protones. Con relación al m-dinitrobenceno, su función es aceptar el enolato por adición de ataque nucleofílico, donde el m-dinitrobenceno se comporta como un electrófilo. c. Indique y explique el fundamento y mecanismo de reacción de la reacción de Nessier, reacción de yodoformo, reacción de Fritsch, usados para la identificación de cetonas.
- Reacción de Nessier La reacción de Nessier se basa en la reacción de la acetona con el reactivo yodo-mercurio que se lleva a cabo en medio alcalino, para formar un precipitado blanco, el cual se da por un producto de adición. La formación de dicho precipitado representa un resultado positivo de la prueba, ya que determina que la muestra analizada corresponde a una cetona.
- Reacción de yodoformo La base de esta reacción en la identificación de cetonas de forma analítica por medo del aprovechamiento de la característica del yodoformo de formar un precipitado amarillo, el cual es ópticamente reconocible, y por lo tanto, da resultados concluyentes. De igual manera, la reacción se basa en la capacidad de reaccionar del carbono alfa de la cetona en medio básico, que genera una sal y un haluro de metilo
El mecanismo de la reacción de yodoformo se basa en la formación de carboxilatos y haloformos. Para lo cual, en una primera etapa de la reacción, se da una halogenación completa del grupo metil, seguido de un ataque por parte del nucleófilo, que en este caso corresponde al grupo hidroxilo de la base fuerte, este ataque se da en el doble enlace del oxígeno que luego procederá a reubicarse desplazando al grupo tricolor de carga negativa (Cl 3 - ), el cual es en esencia un grupo muy básico, por lo que desprotonará al ácido carboxilo formado, dando lugar a un haloformo y al carboxilato. Este mecanismo se muestra en la Ilustración14.
- Reacción de Fritsch En esta reacción, se mezcla la muestra a analizar con un volumen igual de ácido clorhídrico concentrado, y tras calentarse, se evidencia un color rojo. Esta coloración se da aún si la concentración de cetona es de 0.001 gramos de la misma por mililitro de solución. Representando una prueba concluyente en la identificación de cetonas en muestras problema. Por ejemplo, la reacción con el benzaldehído se muestra en la Ilustración 15. Ilustración 12 5: Reacción de Fritsch con Benzaldehído Un posible mecanismo se representa a continuación en la Ilustración 16. Ilustración 16 : Mecanismo de reacción de Fritsch con Benzaldehído Ilustración 14: Mecanismo de la reacción de yodoformo
8. BIBLIOGRAFÍA
Campos, A. (2018). Aldehídos y Cetonas. Obtenido de CourseHero: https://www.coursehero.com/file/p3oolqhc/38-Reaccion-con-m-dinitrobenceno- Observaciones-El-color-del-m-dinitrobenceno-es/ De Química. (2016). Condensación Claisen-Schmidt: cetonas α,β-insaturadas. Obtenido de Recursos educativos de Química: https://www.dequimica.info/reaccion-claisen- schmidt/#:~:text=La%20condensación%20Claisen- Schmidt%20es,aldehído%20aromático%20con%20una%20cetona. Mardones, E. (2019). Reacciones de aldehídos y cetonas. Obtenido de https://docs.google.com/document/preview?hgd=1&id=1GRzzjN1C9jHymmdvjUXic5w1lcIrMeJ O6gxuxbRVbko Oullete, R. (1973). Introducción a la Química Orgánica. En R. Oullete, Introducción a la Química Orgnánica (págs. 218-242). México: Harla. Sevilla, A. E. (1975). Curso de Química. En A. E. Sevilla, Curso de Química (págs. 367-370). Valencia: COSMOS. Whitten, K. (2014). Química. En W. Kenneth, Química (pág. 918). Mexico D.F.: CENGAGE Learning.
