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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
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LABORATORIO DE QUIMICA ORGANICA APLICADA
PRACTICA # 4
PREPARACIÓN DE CICLOHEXENO A PARTIR DE CICLOHEXANOL
Y DE ÁCIDO ADÍPICO A PARTIR DE CICLOHEXENO MEDIANTE
UNA TÉCNICA DE QUÍMICA VERDE
OBJETIVOS
Al finalizar la práctica el alumno será capaz de:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Llevar a cabo la deshidratación de un alcohol para obtener un alqueno y la oxidación drástica de la doble
ligadura del alqueno hasta los ácidos correspondientes.
Llevar a cabo correctamente destilaciones fraccionadas, con técnicas y equipo de microescala, minimizando la
pérdida de compuesto por retención en la columna.
Identificar la formación de azeótropos.
Corregir el punto de ebullición de un compuesto a diferentes presiones, con la ayuda de diagramas de
correlación.
Llevar a cabo una versión más verde de la oxidación del ciclohexeno utilizando peróxido de hidrógeno y un
agente de transferencia de fase.
Comprobar la identidad y pureza de los productos, mediante los espectros de infrarrojo, diferenciándolos de
los reactivos iniciales.
Reconocer la importancia industrial del ácido adípico y comparar el método de síntesis usado en el laboratorio
con los procesos industriales.
INFORMACIÓN GENERAL
Deshidratación de alcoholes
Uno de lo métodos más comunes para la preparación de alquenos, tanto en la industria como en el laboratorio, es la
deshidratación de alcoholes. En esta reacción se eliminan -OH y -H (como H2O y como H+ respectivamente) de dos
átomos de carbono adyacentes al tratar al alcohol con un agente deshidratante como ácidos sulfúrico o fosfórico
concentrados o, alternativamente, por destilación sobre alúmina o sílica gel. El mecanismo para las dos alternativas
es diferente.
En el mecanismo más probable para la ruta catalizada por ácido, el primer paso consiste en la protonación del
grupo -OH, ya que el oxígeno es un nucleófilo por sus dos pares de electrones no compartidos y, por lo tanto,
reacciona con el protón disociado del ácido (α).
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Al protonarse el oxígeno, se opera un cambio drástico en la fuerza de la ligadura C-O la cual se debilita por el
carácter trivalente y la carga positiva que desestabizan al oxígeno. La molécula de agua se separa dejando la carga
positiva en el carbono que estaba unido el oxígeno.
Esta especie con carga positiva es un ión carbonio o carbocatión, que es inestable y que tiende a estabilizarse
perdiendo un protón del carbono adyacente (β), formándose así una doble ligadura carbono-carbono:
Debe notarse que todos los pasos de la reacción son reversibles, de modo que el alqueno puede ser rehidratado al
alcohol. Para lograr que la eliminación se complete, al irse formando el alqueno (poco polar y por lo tanto con
punto de ebullición más bajo que el alcohol, que forma puentes de H) puede ser destilado fuera de la mezcla de
reacción. Esto desplaza el equilibrio hacia la derecha, incrementando el rendimiento del alqueno.
En los casos en que el grupo -OH tenga varios carbonos β con hidrógeno, la eliminación puede ocurrir en
diferentes direcciones dando lugar a una mezcla de alquenos en diferentes proporciones dependiendo de su
estabilidad. En el siguiente ejemplo el alcohol terciario tiene 3 carbonos β con hidrógenos no equivalentes (a, b y c)
por lo que da lugar a tres alquenos diferentes:
Debido a que el carbocatión más estable (bencílico>3o>2o>1o) se formará más fácilmente, los alcoholes bencílicos
se deshidratan más fácilmente que los terciarios, los terciarios se deshidratan más fácilmente que los secundarios y
éstos más fácilmente que los primarios.
También, debido a las diferentes estabilidades de los carbocationes, en algunos alcoholes primarios o secundarios,
una vez que se forma el carbocatión correspondiente, ocurren rearreglos a un carbocatión más estable. Estos
rearreglos ocurren por migración de un grupo R- o H- del carbono β al carbono α, antes de que ocurra la
eliminación del H+. En este caso, el alqueno obtenido tendrá una estructura diferente a la del alcohol original. A
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continuación se dan dos ejemplos, en el primero (a) la transposición es de un H-, mientras que en el segundo (b) la
transposición es de un grupo CH3-:
Preparación de ciclohexeno
Para llevar a cabo el presente experimento se ha seleccionado la deshidratación con ácido sulfúrico del
ciclohexanol, un alcohol secundario que no es susceptible de rearreglarse y en el que sus dos posiciones β son
equivalentes, por lo que sólo puede dar un producto de eliminación, el ciclohexeno:
El ciclohexeno así obtenido puede caracterizarse por pruebas químicas como las realizadas para alquenos en la
práctica de identificación de grupos funcionales: decoloración de una solución de bromo en tetracloruro de carbono
o la prueba de Baeyer (oxidación con permanganato de potasio a temperatura ambiente). También, para verificar
que el producto no esté contaminado con el reactivo, pueden hacerse pruebas características del alcohol, como la
oxidación con ácido crómico; en este caso la prueba deberá dar resultado negativo.
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Otras formas para verificar la identidad y pureza del ciclohexeno, que son las que usaremos en esta práctica, son
determinar el punto de ebullición y sacar el espectro de infrarrojo del producto obtenido y compararlo con
espectros originales del ciclohexanol y del ciclohexeno puros.
Oxidación de ciclohexeno
El rompimiento de dobles ligaduras por oxidación drástica es un procedimiento útil en la síntesis de algunos ácidos
y cetonas, así como en la determinación de estructuras. Existen diversos métodos para esto como son: ozonólisis,
tratamiento con permanganato caliente, tratamiento con dicromato de sodio, etc.
Se cree que el mecanismo de oxidación de un alqueno procede por la formación inicial de un glicol (un 1,2 diol)
que continúa oxidándose al romperse el enlace carbono-carbono. Los detalles de este tipo de reacción, incluyendo
todos los intermediarios, no se conocen bien.
La ruptura oxidativa de los alquenos se lleva a cabo tradicionalmente con una solución acuosa de permanganato de
sodio caliente, pero este método produce una gran cantidad de MnO2. El producto obtenido depende de la
estructura original de la olefina. Así, un carbono olefínico terminal (=CH2) es oxidado hasta CO2, uno
monosustituido (=CHR) da un ácido y un disustituido (=CR2) da una cetona. Ejemplos:
En el caso de un alqueno cíclico (disubstituido cis), ya que ambos carbonos olefínicos son monosubstituidos, al
oxidarse dará un ácido dicarboxílico:
La ecuación balanceada para la preparación del ácido adípico por oxidación del ciclohexeno con permanganato, en
caliente, es la siguiente:
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En esta práctica también se propone otra forma pata la oxidación del ciclohexeno, mediante un sistema catalítico de
tungstato de sodio / peróxido de hidrógeno. Esta es una reacción de Química Verde ya que el oxidante es mucho
más amigable ambientalmente que el permanganato. Los otros reactivos (el tungstato de sodio dihidratado y el
sulfato ácido de potasio con el aliquat 336) no se consumen y pueden reutilizarse.
El mecanismo de esta oxidación no se ha establecido, pero es probable que proceda de forma análoga al
permanganato de potasio pues los iones permanganato y tungstato son isoelectrónicos. Sin embargo, en este caso
el tungsteno reducido actúa como un catalizador ya que es oxidado nuevamente al tungstato por el peróxido de
hidrógeno. Dado que el ciclohexeno no es soluble en agua y los otros reactivos son solubles en agua e insolubles en
el compuesto orgánico, se requiere del uso de un catalizador de transferencia de fase, el aliquat 336, que permita el
intercambio de los reactivos iónicos entre las fases, de tal forma que la reacción pueda llevarse a cabo
eficientemente. En la técnica que se utilizará, el aliquat 336 con el KHSO4 genera un catalizador modificado de
transferencia de fase. Este proceso se ilustra en el siguiente esquena:
El Aliquat 336 (marca registrada de Cognis Corp.) es el cloruro de metiltrioctilamonio (C8H17)3N+CH3 Cl-, con
fórmula molecular C25H54ClN , es un líquido incoloro, muy viscoso, con densidad 0.884 g/cm³. Este compuesto es
una sal cuaternaria de amonio que se utiliza como catalizador de transferencia de fase y como reactivo para
extracción de metales.
Un catalizador de transferencia de fase (PTC por sus siglas en inglés) es un catalizador que facilita la migración de
un reactivo en un sistema heterogéneo, de una fase a la otra fase en la cual se puede llevar a cabo una reacción. Los
reactivos iónicos generalmente son solubles en la fase acuosa pero insolubles en la fase orgánica, a menos que esté
presente un catalizador de transferencia de fase. Usualmente los catalizadores de transferencia de fase para aniones
son sales cuaternarias de amonio. Los catalizadores correspondientes para cationes suelen ser éteres corona. Los
catalizadores de transferencia de fase funcionan encapsulando el ión. Un sistema ión-PTC tiene un interior
hidrofílico conteniendo el ión y un exterior hidrofóbico que le permite introducirse en la fase orgánica.
¿Qué es la Química Verde?
La Química Verde es el uso de métodos que eliminen riesgos a la salud y al medio ambiente durante la fabricación
y uso de los productos químicos.
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La Química Verde consiste el diseño de productos y procesos químicos que reduzcan o eliminen el uso y
generación de sustancias peligrosas. Es un enfoque muy efectivo para la prevención de la contaminación porque
aplica soluciones científicas innovadoras a situaciones a nivel industrial, en laboratorios comerciales o de docencia.
Su meta es desarrollar tecnología química más benigna al medio ambiente utilizando eficientemente las materias
primas (de preferencia renovables), eliminando la producción de desechos y evitando el uso de reactivos y
disolventes tóxicos y/o peligrosos en la manufactura y aplicación de productos químicos.
La Química Verde enfatiza la eliminación del uso de sustancias peligrosas, más que la reducción en la exposición
a ellas.
Principios de la Química Verde
1.
Prevención. Es mejor prevenir la formación de desechos que tratarlos después de su formación.
2.
Economía Atómica. Se deben diseñar métodos sintéticos para maximizar la incorporación de todo el material
utilizado en el proceso en el producto final.
3.
Síntesis químicas menos peligrosas. Los métodos sintéticos deben tratar de usar o generar materiales de baja
toxicidad y bajo impacto ambiental
4.
Modificación o sustitución de productos finales. Los productos químicos deben diseñarse para mantener su
eficiencia o función, disminuyendo también su toxicidad.
5.
Menor uso de sustancias auxiliares. La síntesis de productos químicos debe diseñarse deforma que se
minimice o elimine el uso de disolventes, agentes de separación, etc. siempre que sea posible y si se usan, que
sean inocuas.
6.
Disminuir el impacto de las fuentes de energía. Los requerimientos de energía deben tomarse en cuenta
respecto a su impacto ambiental para minimizarse. Los métodos sintéticos deben llevarse a cabo a temperatura
y presión ambiente.
7.
Uso de materias primas renovables. Siempre que sea posible, las materias primas deben obtenerse de fuentes
renovables.
8.
Evitar el uso de derivados. La síntesis de derivados (protección de grupos funcionales y su eliminación
posterior) debe evitarse, cuando sea posible.
9.
Uso de catalizadores. Los procesos que utilizan catalizadores específicos son mejores que los procesos
estequiométricos.
10. Diseño de productos degradables. Los productos químicos deben degradarse a productos inocuos al ser
dispuestos y no deben ser persistentes en el medio ambiente.
11. Análisis en tiempo real del proceso. Desarrollo de métodos analíticos que permitan el monitoreo y control
del proceso para evitar formación de sustancias peligrosas en reacciones secundarias.
12. Uso de sustancias químicas que disminuyan el riesgo de accidentes. Las sustancias y su estado físico
utilizados en un proceso químico deben elegirse para minimizar riesgo de accidentes.
En realidad es difícil considerar que algún proceso químico sea totalmente “verde”, pero cualquier mejora que se
introduzca en el proceso, relativo a uno o a varios de los principios mencionados, hará “más verde” este proceso.
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Economía atómica en la oxidación de ciclohexeno
Comparado con el proceso tradicional para la oxidación de ciclohexeno, el proceso verde introduce mejoras
respecto a varios de los principios de la química verde como son la prevención, la economía atómica y el uso de
catalizadores.
A continuación, se muestran los cálculos de la economía atómica para la oxidación del ciclohexeno con el
procedimiento tradicional, la oxidación con permanganato, y con el procedimiento verde.
ECONOMÍA ATÓMICA EN LA OXIDACIÓN DE CICLOHEXENO CON PERMANGANATO
Reactivo
Fórmula de los
Reactivos x n
n x P.M.
Átomos
utilizados
n x P.M.
1
3 C6H10 = 18C 30H
246
3 C6H10
246
2
8 KMnO4 = 8K 8Mn 32O
1264
3 O4
192
3
4 H2O = 8H 4O
72
Total
18C 38H 36O 8K 8Mn
1582
Ácido Adípico
3 C6H10O4
438
Átomos
no utilizados
P.M.
0
8 K 8 Mn 20 O
1072
8H 4O
72
Átomos de desecho
8H 24O 8K 8Mn
1144
Porcentaje de economía atómica en la oxidación de ciclohexeno con permanganato:
P.M. ciclohexeno / P.M. reactivos x 100 = 438 / 1582 x 100 = 30 %;
El 70 % del peso de los reactivos se desperdicia
ECONOMÍA ATÓMICA EN LA OXIDACIÓN DE CICLOHEXENO CON TUNGSTATO / H2O2
Reactivo
Fórmula de los
Reactivos x n
n x P.M.
Átomos
utilizados
P.M.
Átomos
no utilizados
1
C6H10
82
C6H10
82
2
4 H2O2 = 8H 8O
136
4O
64
8H 4O
72
Total
6C 18H 8O
208
Ácido Adípico
C6H10O4
146
Productos de desecho
4 H2O
72
P.M.
0
En este cálculo no se consideran los otros reactivos: el tungstato de sodio y el catalizador de transferencia de fase
(el Aliquat 336 con el sulfato ácido de potasio) ya no se consumen y pueden utilizarse nuevamente.
Porcentaje de economía atómica en la oxidación de ciclohexeno con tungstato / H2O2:
P.M. ciclohexeno / P.M. reactivos x 100 = 146 / 294 x 100 = 70 %
Sólo el 30 % del peso de los reactivos se desperdicia (y ese treinta por ciento es agua).
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Otras medidas para determinar qué tan verde es una reacción o proceso
Eficiencia de masa =
Intensidad de masa =
Eficiencia de carbono =
masa total del producto (Kg)
masa total de los reactivos (kg)
masa total de reactivos y disolventes (en g)
masa total de producto (en g)
masa de carbono en el producto (kg) x 100
masa de carbono en los reactivos principales (Kg)
Producción industrial de ácido adípico
Actualmente la mayor parte de la producción de ácido adípico se lleva a cabo por la oxidación de la mezcla de
ciclohexanol-ciclohexanona (mezcla cetona-alcohol conocida como CA, KA en inglés, o “aceite mixto”) con ácido
nítrico, un agente oxidante fuerte con serias consecuencias ambientales y de seguridad, ya que reacciona
violentamente con los compuestos orgánicos, además de que la reacción genera la emisión de óxido nitroso, un gas
sospechoso de causar efecto invernadero.
Tradicionalmente esta mezcla puede obtenerse por la hidrogenación de benceno o fenol. Por razones de costos,
actualmente se usa más la hidrogenación del benceno y el ciclohexano así obtenido se oxida a la mezcla CA por
una oxidación con aire.
La oxidación de la mezcla CA fue desarrollada por duPont a finales de la década de los 40´s y se obtiene un
rendimiento de ácido adípico de más de 90%. El diagrama de flujo del proceso comercial, descrito a continuación,
es el siguiente:
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El reactor (a) se carga con ácido nítrico reciclado en exceso, con la mezcla CA (en proporción mínima de 3:1,
aunque puede ser >300:1), y con el catalizador de limaduras de cobre-vanadato de amonio en ácido nítrico al 5060 %. Se mantiene a una temperatura de 60-80oC y 0.1-0.4 Mpa. El tiempo de residencia en el reactor es de unos
cuantos minutos. El efluente puede pasar a un segundo reactor (b) que se encuentra a mayor temperatura (115oC).
La reacción es muy exotérmica (6280 kJ/kg) por lo que el control del calor de reacción es importante. El exceso de
ácido nítrico se mantiene para controlar la reacción e incrementar el rendimiento.
La corriente con el producto se pasa a una columna de blanqueo (c) donde los óxidos de nitrógeno en exceso se
remueven con aire y se envían a (d) en donde se reabsorben y recuperan como ácido nítrico. El agua producida en
la oxidación se elimina en una columna concentradora (e) operada al vacío. La corriente de producto se lleva a
recuperación del producto, en donde el ácido adípico se remueve de la corriente por cristalización (f) y subsecuente
filtración o centrifugación (g). La corriente de aguas madres contiene ácido glutárico y succínico como productos
secundarios de reacción. Estas aguas madres se procesan por intercambio iónico para recuperar los subproductos y
el catalizador de cobre-vanadio. La solución remanente, conteniendo mezcla CA no oxidada así como ácido nítrico
en exceso, se recicla al reactor. El ácido adípico crudo se refina a diferentes grados dependiendo del uso final;
usualmente se recristaliza de agua.
El ácido adípico comercial es uno de los productos químicos que se venden con alta pureza (99.6%) pues la
industria de las fibras sintéticas así lo requiere.
Aplicaciones del ácido adípico, Nylon 66
Más del 87% del consumo del ácido adípico en el mundo se utiliza para la producción de fibras y resinas de nylon
6,6, que es una poliamida formada por la reacción de condensación entre el ácido adípico (6 C) y la hexametilén
diamina (6 C). Este último compuesto puede obtenerse por reducción del adiponitrilo. A su vez, el adiponitrilo
puede obtenerse por deshidratación de la sal de amonio del ácido adípico:
HOOC-(CH2)4-COOH + NH4OH
NH2
ácido adípico
NH4+-OOC-(CH2)4-COO-+NH4
adipato de amonio
NC-(CH2)4-CN
adiponitrilo
H2N-(CH2)6-
hexametilendiamina
La manufactura del nylon 6,6 (fig. 1.) comienza con la “sal de nylon” la que precipita cuando se mezclan
soluciones metanólicas de hexametilén diamina y de ácido adípico. Esta sal se calienta a temperaturas de hasta
280ºC en una atmósfera de nitrógeno y en la presencia de un estabilizador como ácido acético que sirve para
controlar el peso molecular y la viscosidad. Se continúa el calentamiento hasta que el peso molecular del polímero
esté en el orden de 12,000-15,000.
El nylon fundido se pasa por una ranura a la rueda de formado. La cinta así obtenida, de 30 cm. de ancho y 6 mm.
de espesor, se enfría, se corta en hojuelas, se pasa con una tolva a un recipiente calentado con chaqueta de vapor
por arriba del punto de fusión del nylon, en atmósfera de nitrógeno. Las hojuelas caen en una rejilla donde de
funden y pasan a las bombas de engranes de las hileras y llegan a un plato de hilar. Los filamentos se enfrían con
aire y se pasan en manojo por una cámara de humidificación . Los hilos se lubrican y elongan al grado deseado
pasándolos por un sistema de rodillos. Aquí se desarrollan las características de resistencia o elasticidad por que las
moléculas se orientan, saliendo del arreglo previo al azar. El estiramiento puede ser de 3 a 6 veces; su resistencia es
mayor cuando la orientación por estiramiento aumenta.
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Fig. 1. Diagrama de flujo para hilo de nylon.
Otras rutas químicas para la síntesis de nylons (6, 66 y 8) se muestran esquemáticamente en la fig. 2.
Fig. 2. Varias rutas para obtener diferentes tipos de nylon.
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Los nylons son de las fibras más resistentes y duras, son estables al calor por lo que pueden procesarse por calor
(hilarse o moldearse, cuando se usan como plásticos). También son hidrofóbicos, por lo que secan con rapidez.
Como no todos los grupos -NH- intervienen en enlaces intermoleculares, la fibra acepta con rapidez colorantes
ácidos.
Gracias a su alta elasticidad, resistencia a la tensión y a la abrasión el nylon es ideal para aplicaciones como cables,
cuerdas de llantas, prendas de uso rudo, alfombras y, desde luego, su uso más tradicional: medias y pantimedias.
Sin embargo, tiene algunas desventajas, por ejemplo, la luz ultravioleta lo degrada, por lo que no puede utilizarse
en cortinas y tiende a amarillearse con el tiempo. Su propiedad de “lavar y usar” es buena pero no sobresaliente. La
retención de pliegues fijados con calor no es muy buena. El nylon no tiene buena percepción al tacto y tiende a
formar frisas (nódulos o “bolitas” que se forman al frotarlo).
Actualmente más de la mitad de la producción de nylon 6,6 se usa en cuerdas para llantas y en otros usos
industriales como bandas transportadoras y telas para filtros.
El ácido adípico también se utiliza como un aditivo en alimentos: se añade a gelatinas y jaleas como acidulamte y a
otros alimentos como neutralizante. También se usa para modificar las propiedades de poliésteres insaturados, de
plásticos reforzados y de recubrimientos alquídicos. Otras aplicaciones son en la síntesis de algunos insecticidas,
adhesivos, curtido de pieles y teñido de telas. El ácido adípico se convierte a diversos ésteres que se utilizan como
plastificantes, como lubricantes sintéticos y en la síntesis de poliuretanos.
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Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
Figura 5. Nomograma Presión de vapor – Temperatura
para compuestos de punto de ebullición bajo
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Figura 6. Nomograma Presión de vapor – Temperatura
para compuestos de punto de ebullición alto
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Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
Espectros de Infrarrojo de ciclohaxanol, ciclohexeno y ácido adípico puros
Ciclohexanol
Ciclohexeno
Ácido adípico
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PARTE EXPERIMENTAL
Fig. 3. Aparato de destilación fraccionada en escala pequeña,
con columna sin empacar
Fig. 4. Aparato de destilación
fraccionada en microescala con
condensador Hickman
La posición del bulbo del termómetro en ambos aparatos es crítica
TÉCNICA
PREGUNTAS PARALELAS:
Deshidratación de ciclohexanol a ciclohexeno
Con un equipo esmerilado con junta roscada 10/14, monta un
aparato de destilación fraccionada convencional, similar al de la
fig. 3; usa un matraz de bola de 10 mL de fondo plano, engrasa las
juntas esmeriladas con una cantidad muy pequeña de grasa de
silicón, pon la columna sin empacar y utiliza una probeta de 10
mL para recibir el destilado. Pon especial atención a la altura del
bulbo del termómetro. La mitad del bulbo debe quedar
exactamente a la altura del ángulo inferior de la salida de la cabeza
de destilación.
¿Por qué es importante poner un mínimo de
grasa?
¿Por qué en este caso no se empaca la
columna?
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Coloca en el matraz 1.5 mL de agua destilada, añade
cuidadosamente 1.5 mL de ácido sulfúrico concentrado, 5 mL de
ciclohexanol (densidad = 0.96 g/mL) y un agitador magnético.
Agita para mezclar bien los reactivos. Une el matraz al aparato de
destilación y, en una parrilla, calienta agitando la mezcla de
reacción (precaución: el ciclohexanol y el ciclohexeno son
inflamables) a una velocidad tal que la temperatura del destilado,
una mezcla de ciclohexeno y agua, permanezca abajo de 90oC
(corrige esta temperatura a presiones de 585 y 550 mm Hg
utilizando el grupo 2 de los diagramas de correlación anexos a la
práctica). Anota el rango de temperaturas de la destilación.
¡Cuál es la reacción que se va a efectuar?
NOTA: Si la oxidación del ciclohexeno se va a hacer con
permanganato (técnica tradicional), mientras se lleva a cabo la
destilación deberá empezarse la segunda parte de la práctica.
Si la oxidación del ciclohexeno se va a hacer con tungstato /
agua oxigenada (técnica verde), durante la destilación se
puede preparar la mezcla de reacción y al terminar la
destilación deberá empezarse el reflujo.
¿Cuál debe ser la temperatura máxima ya
corregida? ¿Por qué se corrige el punto de
ebullición?
Continúa la destilación hasta que la temperatura cambie (si el
fraccionamiento es totalmente eficiente la temperatura bajará,
mientras que si la separación es deficiente la temperatura
empezará a incrementarse). Esto será cuando se hayan recolectado
aproximadamente 4 mL de destilado, el cual se separa en dos
fases. Detén el calentamiento anotando la cantidad de agua
separada en la fase inferior del destilado.
¿Qué son estas dos fases y por qué no se
separan en la columna?
Añade 2 mL de xileno a la probeta con el destilado. El xileno es
un disolvente de alto punto de ebullición, inmiscible en agua, que
es este experimento se usa dos veces, en la extracción para aumentar el volumen de la fase orgánica y en la segunda destilación
poder sacar tanto ciclohexeno como sea posible del matraz.
¿Por qué el xileno facilita que se recupere el
todo el ciclohexeno en la extracción?
En la misma probeta de 10 mL lleva a cabo la extracción. Para
extraer, añade al destilado 5 mL de solución saturada de cloruro de
sodio. Para lavar la fase orgánica (menos densa) saca la fase
acuosa con una pipeta Pasteur larga y déjala caer nuevamente con
fuerza dentro de la fase orgánica. Repite esta operación de lavado
de 12 a 15 veces con cada una de las soluciones extractoras.
¿Crees que hacer la extracción de esta
manera sea eficiente? ¿Por qué no se hace
en embudo de separación?
¿Para qué se pone agua si se va a
deshidratar?
¿Por qué se destila? ¿Es indispensable
destilar?
Deja separar bien las fases y con la misma pipeta Pasteur separa la
fase acuosa a un vaso de precipitados o matraz de 100 mL.
Extrae nuevamente este destilado sucesivamente con porciones de
5 mL de solución al 10% de carbonato de sodio y de solución
saturada de cloruro de sodio. En las tres extracciones anteriores
separa las soluciones acuosas, reuniéndolas en el mismo vaso. No
las deseches hasta terminar el experimento, ya que frecuentemente
pueden confundirse las fases y desechar el ciclohexeno.
¿Para qué se extrae con la solución saturada
de NaCl?
¿Para qué se extrae con el carbonato?
Neutraliza los extractos acuosos reunidos y deséchalos al drenaje.
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Usando la pipeta Pasteur, transfiere la fase orgánica a un matraz
Erlenmeyer de 25 mL seco. A partir de este momento, todo el
material debe estar seco. Añade suficiente sulfato de sodio
anhidro. Asegúrate de que queda algo de sulfato sin hidratar
(polvo fino). Tapa el matraz con parafilm y déjelo reposar 5-10
minutos agitando de vez en cuando.
¿Por qué seca el Na2SO4 anhidro?
Neutraliza el residuo en el matraz de la primera destilación con
solución al 10% de NaOH o solución saturada de NaHCO3
(precaución: este residuo es fuertemente ácido). Una vez
neutralizado deséchalo al drenaje.
¿Sería correcto desechar este residuo ácido
al drenaje sin neutralizarlo?
Lava el material esmerilado y sécalo bien con acetona y vacío. Si
el equipo tiene residuos de agua, el ciclohexeno no se obtendrá
puro, ya que forma un azeótropo con el agua.
¿Cómo sabrías si se formó un azeótropo?
¿Cómo se puede quitar esa agua?
Monta un aparato de destilación fraccionada en microescala,
similar al de la fig. 4, usando el condensador de Hickman. Si el
termómetro no pasa por el interior del refrigerante, usa la columna
como refrigerante de aire entre el Hickman y el adaptador del
termómetro. El bulbo del termómetro debe entrar al cuello del
condensador Hickman, de ese modo actúa como si fuera el
empaque de una columna de pocos (3-4) platos teóricos.
¿Qué puede observarse que te permita saber
si tu destilación es simple o fraccionada con
el Hickman?
Con una pipeta Pasteur limpia y seca, transfiere la fase orgánica ya
seca a un matraz de bola de 10 mL, de fondo plano. Enjuaga el
sulfato de sodio con 2 mL de xileno divididos en varias porciones,
transfiriéndolas cada vez al matraz de bola con la pipeta Pasteur.
Añade un agitador magnético y destila el ciclohexeno. Controla
que el calentamiento no sea demasiado rápido. Recolecta la
fracción que destila a 80-85oC (corrige a 585 y a 550 mm Hg
utilizando el grupo 2 de los diagramas de correlación).
Sólo si es necesario retira, con la Pipeta Pasteur, por el brazo
lateral del Hickman, la cabeza de destilación (fracción del
destilado con un punto de ebullición significativamente menor del
esperado), teniendo cuidado de minimizar las pérdidas.
Si al destilar el producto se llegara a llenar el Hickman, con la
pipeta Pasteur retira el ciclohexeno y ponlo en la probeta de 10
mL limpia y seca, tápala con parafilm, posteriormente reúne el
resto del destilado. Anota el punto de ebullición del destilado,
mídelo para calcular el rendimiento del producto y entrégalo al
instructor.
El residuo de la segunda destilación es fundamentalmente xileno,
posiblemente con algo de ciclohexanol. Coloca este residuo en un
frasco marcado como “residuo de xileno” o “residuos de
disolventes orgánicos” que posteriormente se dispondrá
adecuadamente.
¿Qué pasa si el termómetro está más alto o
más bajo?
¿Qué pasa si se destila muy rápido?
¿Cuál debe ser el rango de ebullición ya
corregido? ¿Para qué hay que corregirlo?
¿Por qué debe taparse bien el producto?
¿Cómo puedes saber si hay ciclohexanol, ya
sea en el destilado o en el residuo?
Anota el punto de ebullición del destilado y el peso del ciclohexeno obtenido.
Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana.
Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
Obtén el espectro de infrarrojo del producto y compara con los
espectros del ciclohexeno y del ciclohexanol puros, para
identificar las bandas características y comprobar si su
ciclohexeno está o no contaminado con ciclohexanol o con xileno.
77
¿Cuál es la información básica que se
obtiene del IR?
Oxidación de ciclohexeno
Como no sería práctico esperar hasta obtener el ciclohexeno puro
para comenzar la oxidación a ácido adípico, se empezará esta
segunda parte con ciclohexeno comercial, mientras se hace la
primera destilación. De acuerdo a las instrucciones del profesor se
llevará a cabo la técnica tradicional (1) o la técnica verde (2).
1) Oxidación de ciclohexeno a ácido adípico con permanganato
(Técnica tradicional)
PREGUNTAS PARALELAS:
Prepara en un matraz Erlenmeyer de 125 mL, una solución de
1.26 g de permanganato de potasio en 20 mL de agua destilada. El
permanganato se disuelve lentamente y requiere agitación
ocasional. Añade esta solución, en porciones de 2 ml y en un
periodo de tiempo de 10 min., a un segundo matraz Erlenmeyer de
125 ml conteniendo 0.30 mL de ciclohexeno disueltos en 2 mL de
acetona pura. Entre las adiciones, agita el matraz para mezclar los
reactivos. Transfiere el resto del permanganato al matraz con el
ciclohexeno con porciones pequeñas de agua destilada. Después
de terminar las adiciones, calienta la mezcla, en un baño de agua a
55-60º C, por 30 min.
¿Cuál es la reacción que se está efectuando?
¿Cuál es el papel de la acetona?
Retira el matraz del baño de agua caliente, añade 0.3 g de bisulfito
de sodio a la mezcla de reacción obscura y enfría el matraz en
baño de hielo.
¿Para qué se pone el bisulfito?
Filtra al vacío la mezcla de reacción usando un embudo Buchner
grande y un matraz Kitasato de 125 mL. Usa papel filtro de poro
fino. Si el filtrado todavía tiene color café o amarillento, vuelve a
filtrarlo hasta que quede totalmente transparente.
¿Qué es este precipitado café?
Sin quitar el vacío, enjuaga el matraz Erlenmeyer con un total de
10 mL de agua destilada, divididos en varias porciones, vertiendo
cada vez la porción de lavado sobre el precipitado café en el
Buchner.
¿Qué compuestos hay en el filtrado?
Transfiere el filtrado claro a un vaso de precipitados de 250 mL y
acidifícalo a pH 1-2 con ácido clorhídrico concentrado. Sigue la
acidificación con papel pH.
¿Para qué se acidifica?
Pon varias piedras de ebullición y reduce el volumen del filtrado a
unos 3-5 mL, hirviendo la solución, calentando en una parrilla en
la campana.
Enfría la solución concentrada en un baño de hielo. Si es necesario
raspa con la espátula para ayudar a la cristalización.
¿Para qué se raspa?
Filtra al vacío los cristales blancos de ácido adípico en un embudo
¿Podría(n) cristalizar otro(s) compuesto(s)?
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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
Hirsch con un matraz Kitasato de 25 mL. Transfiere todo el sólido
enjuagando con las mismas aguas madres. Retira el filtrado y
vuelve a conectar el vacío para ayudar a secar el producto.
¿Cómo se evitaría esto?
Determina el rendimiento y el punto de fusión del producto ya
seco.
¿Cómo sabrías que el sólido no es ácido
adípico?
Obtén el espectro de infrarrojo del producto y compáralo con el
espectro adjunto del ácido adípico puro, para identificar las bandas
características y comprobar si su producto está puro.
¿Que impurezas se podrían esperar en el
producto?
78
2) Oxidación de ciclohexeno a ácido adípico con tungstato / agua oxigenada (Técnica verde)
Reactivos y producto
ciclohexeno
tungstato de sodio dihidratado
Aliquat 336: C25H54ClN
H2O2 30%
KHSO4
ácido adípico
peso
molecular
82
329.85
404.16
volumen
utilizado
1.3 mL
5.4 mL
136
146
peso
utilizado
1.05 g
0.25 g
0.25 g
1.797g de
H2O2
0.185 g
mmoles
utilizados
12.841
0.758
0.618
52.853
p.e. (oC)
p.f.
(oC)
83760
1.360
153
Solubilidad en agua del ácido adípico: 1.40 g/100 ml @ 15° C, 1.90 g/100 ml @ 20° C, 83.0 g/100 ml @ 90° C
PRECAUCIÓN
El peróxido de hidrógeno (agua oxigenada) al 30% es un oxidante
fuerte. Es muy corrosivo, causa quemaduras severas en piel,
ojos y tracto respiratorio. En contacto con otros materiales puede
inflamarse. Muy dañino si se inhala o ingiere.
Para manejar el peroxido de hidrógeno utilice todo el tiempo
lentes, guantes y bata.
Evite el contacto del catalizador de transferencia de fase con los
guantes ya que puede trasportar contaminantes a la piel.
Fig. 5 Aparato de reflujo
TÉCNICA:
PREGUNTAS PARALELAS:
Pon una barra de agitación magnética en un matraz redondo con
fondo plano y junta esmerilada de 20 mL. El orden de adición de
los reactivos al matraz es importante. Añade al matraz 0.25 g
de de tungstato de sodio dihidratado, seguido por 0.25 g del
Aliquat 336. Como este reactivo es un líquido muy viscoso es
necesario, para pesarlo, poner el matraz en la balanza y pesarlo por
diferencia, añadiendo las gotas necesarias (aprox. 10) usando una
pipeta beral .
¿Cuál es la reacción que se va a llevar a
cabo?
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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
79
Enseguida, usando guantes y con precaución añade 5.4 mL de
peróxido de hidrógeno al 30%, agita bien la mezcla y añade 0.185
g de KHSO4. Monta un aparato de reflujo similar al de la Fig. 5
(se pueden poner 2 refrigerantes para evitar que se pierda el
ciclohexeno). Agita bien la mezcla y finalmente añade 1.3 mL de
ciclohexeno.
Calienta la mezcla de reacción a reflujo por una hora (si es posible
hasta hora y media), con agitación constante. La efectividad del
catalizador de transferencia de fase depende de que la agitación
sea muy eficiente, así que agita vigorosamente para que las fases
se mezclen. La reacción no se llevará a cabo si la mezcla no está a
reflujo, pero tampoco debe calentarse en exceso pues el
ciclohexeno es muy volátil y si no alcanza a condensarse se puede
eliminar de la mezcla de reacción. Aproximadamente a los 30 min,
de reflujo lava el interior del refrigerante con 1-2 mL de agua
añadiéndolos con una pipeta desde la parte superior. Detén la
agitación ocasionalmente para observar si hay dos fases. La
reacción habrá terminado cuando se observe una sola fase. La
mayor parte del catalizador de transferencia de fase estará sin
disolver, pero tenderá a adherirse a la superficie del vidrio.
¿Por qué se requiere del calentamiento para
que la reacción se lleve a cabo?
Mientras el agua está aún caliente, usando guantes y con una
pipeta Pasteur transfiere la mezcla acuosa resultante de la reacción
a un vaso de precipitados de 20 mL. Deja el catalizador de
transferencia de fases en el matraz de reacción, esto es la clave
para poder cristalizar el ácido adípico. Enjuaga el matraz de
reacción con 2 mL de agua caliente y con la pipeta Patear añade
esta agua al vaso donde se encuentra el producto. Es mejor dejar
un poco de la solución acuosa que contaminar la solución con el
catalizador de transferencia de fase.
¿Por qué desaparece una de las fases?
Prepara un baño de hielo-agua en un vaso de precipitados de
100mL y enfría el vaso conteniendo la mezcla de reacción en este
baño. Si es necesario raspa con la espátula para ayudar a la
cristalización. En aproximadamente 20 min. se formarán los
cristales (o precipitado) del ácido adípico (producto crudo)
Filtra al vacío los cristales blancos de ácido adípico en un embudo
Hirsch con un matraz Kitasato de 25 mL. Transfiere todo el sólido
enjuagando con las mismas aguas madres. Retira el filtrado y
vuelve a conectar el vacío para ayudar a secar el producto.
¿Por qué se requiere de una agitación
eficiente?
De acuerdo al volumen de la solución, a la
cantidad esperada de ácido adípico y a su
solubilidad (tabla pag. anterior) ¿el producto
deberá estar disuelto en caliente y cristalizar
en frío?
¿Para que se enfría y para qué se raspa?
¿Por qué es necesario que el producto esté
seco para determinar el punto de fusión y el
rendimiento?
Ya seco el producto determina el rendimiento y el punto de fusión
del producto crudo.
El producto crudo puede recristalizarse disolviéndolo en la
cantidad mínima requerida de agua caliente. Una vez disuelto se
concentra un poco la solución, se enfría en hielo, raspando si es
necesario y los cristales se filtran en un Hirsch, al vacío.
Ya secos los cristales se determina nuevamente el rendimiento y el
punto de fusión del producto puro.
Pruebas de Caracterización.
Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana.
Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
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Para hacerse sólo cuando no se disponga de IR.
En cada uno de tres tubos de ensaye pon 4-5 gotas de ciclohexanol
y en otros tres tubos pon en cada uno de 4-5 gotas de ciclohexeno
obtenido.
A un tubo de ciclohexanol y uno de ciclohexeno, añádeles gota a
gota una solución 1 M de bromo en tetracloruro de carbono, agita
después de cada adición. Anota si después de añadir 5 gotas de la
solución de bromo, la coloración roja desaparece (prueba positiva)
o si persiste (prueba negativa de insaturación).
Indica cuál es el resultado esperado en esta
prueba
Toma otros de los tubos con ciclohexanol y ciclohexeno y añade a
cada uno de ellos 2 mL de acetona pura. En otro tubo pon 2 mL de
acetona para usarse como blanco. En cada uno de los tubos añade
una solución de permanganato de potasio al 2%, gota a gota, hasta
que el color púrpura persista. Si se requirieron menos de 4 gotas el
compuesto puede considerarse como saturado. Si el tubo con
acetona sola requiere más de cuatro gotas de la solución de
permanganato, este solvente no tendrá la calidad necesaria para la
prueba.
Indica cuál es el resultado esperado en esta
prueba
Toma el tercer par de tubos de ciclohexanol y ciclohexeno y añade
2 mL de acetona pura a cada uno. Añade 2 gotas de la solución de
reactivo de ácido crómico y mezcla. La reacción positiva se indica
por la desaparición del color naranja del reactivo y formación de
un precipitado o emulsión verde o azul-verde.
Indica cuál es el resultado esperado en esta
prueba
2.- Resultados en las pruebas de caracterización
¿Coinciden los resultados observados con
los esperados?
Compuesto
Ciclohexanol
Ciclohexeno
Br2/CCl4
KMnO4
H2CrO4
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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
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PREGUNTAS DE PRELABORATORIO
1.
Durante las prácticas siguientes, se llevarán a cabo síntesis orgánicas y se utilizarán técnicas de laboratorio que
aprendiste en el laboratorio de Química General.
¿Cuál es el objetivo de llevar a cabo las siguientes técnicas?
a) extracción
b) reflujo
c) destilación
d) destilación a presión reducida
e) recristalización
f) punto de fusión y ebullición
2.
Busca los puntos de ebullición reportados para el ciclohexanol y el ciclohexeno (dados a 760 mm Hg),
corrígelos a la presión promedio de la Ciudad de México (585 mm Hg) y de Santa Fe (550 mm Hg) (el
ciclohexeno pertenece al grupo 2 y el ciclohexanol al 8 de los diagramas de correlación).
Define qué es un azeótropo.
¿Cuál es la temperatura máxima (corregida a 550 mm Hg) a la que deberá llegarse en la primera destilación?
¿Cuál es el rango de temperatura (corregida a 550 mm Hg) en la cual deberá recolectarse el ciclohexeno en la
segunda destilación?
¿Qué bandas del espectro de IR te permitirán saber si tu producto de reacción está contaminado por el
ciclohexanol?
Respecto a la síntesis de ácido adípico con permanganato, ¿qué reacción sucede al agregar bisulfito de sodio al
terminar la reacción de oxidación?
3.
4.
5.
6.
7.
PREGUNTAS DE POST LABORATORIO
1.
Por eficiente que sea la columna de destilación, el ciclohexeno siempre destilará con agua si ésta está presente.
¿Por qué?
2. ¿Por qué se lava el primer destilado con carbonato de sodio?
3. ¿Por qué es necesario secar con sulfato de sodio anhidro, aunque las fases hayan sido separadas
perfectamente?
4. ¿Cuáles son las bandas características de los grupos funcionales en los espectros de IR del ciclohexanol,
ciclohexeno y ácido adípico?
5. Si hay algunas diferencias entre los espectros de infrarrojo de los productos y los espectros de los productos
puros ¿Cómo las explicarías?
6. ¿Se puede usar un ácido diluido en la deshidratación de un alcohol con una técnica similar a la usada aquí?
7. ¿Cómo se puede obtener el trans-1,2-ciclohexanodiol a partir de ciclohexanol?
8. Compara las ecuaciones para la síntesis del ácido adípico con las dos técnicas, tradicional y verde, analizando
el número de moles de reactivos y de subproductos.
9. Compara las técnicas de los dos experimentos
10. Saque conclusiones
REPORTE:
1.
Respecto a la síntesis de ciclohexeno, indica:
a. gramos de ciclohexanol
b. número de moles de ciclohexanol
c. densidad del ácido sulfúrico
d. peso del ácido sulfúrico en g
e. ¿cuál es el reactivo limitante?
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Laboratorio de Química Orgánica Aplicada.
f.
g.
h.
i.
j.
Práctica 4: Preparación de ciclohexeno y ácido adípico.
82
rendimiento teórico de ciclohexeno en moles y en gramos
ciclohexeno puro obtenido en gramos y en moles
porcentaje de rendimiento del ciclohexeno
rango de ebullición en la primera destilación
rango del ebullición de la segunda destilación
2.
Respecto a la síntesis de ácido adípico, indica:
a. moles de ciclohexeno utilizados en la reacción
b. peso de ácido adípico obtenido
c. porcentaje de rendimiento de la reacción
d. punto de fusión reportado del ácido adípico
e. punto de fusión del producto obtenido
f. ¿qué puedes concluir respecto a la pureza de tu producto?
3.
Entrega tus productos.
4.
Responda a las preguntas de postlaboratorio.
5.
Comentarios y conclusiones acerca de la práctica.
BIBLIOGRAFIA:
•
•
•
•
•
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Fabricación, LIMUSA, 1985, pp. 115-20.
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Ed. 1966, pp. 177-179.
Departamento de Ingeniería y Ciencias Químicas. Universidad Iberoamericana.