Síntesis de Hantzsch para Piridinas

Síntesis de Hantzsch para Piridinas.
Objetivo.
Aplicación de la síntesis de Hantzsch para la obtención de piridinas sustituidas. Las piridinas que se buscan
sintetizar son la 2,4,6−trimetil piridina y la 2,6−dimetil piridina.
Introducción.
La piridina es un derivado del benceno en el cual un grupo metileno es sustituido por un átomo de nitrógeno.
Las bases piridínicas fueron aisladas y caracterizadas por primera vez en Inglaterra por Anderson entre
1846−1957. Anderson obtuvo también picolina (metilpiridina y lutina (dimetilpiridina) puras. Estas piridinas
no se encuentran libres en los huesos sino que se forman térmicamente durante la destilación.
La alfa picolina, la primera que se aisló como sustancia pura, se obtuvo en 1846 de los componentes básicos
del alquitrán de hulla. La piridina y varios de sus homólogos fueron extraídos, poco después del aceite de
animal de Dippel (aceite obtenido por destilación seca de los huesos)
Los compuestos que contiene un anillo piridínico se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza.
Algunos de ellos, como la vitamina B6 y los fosfatos del dinucleótido nicotinamida−adenina son los de mayor
importancia bioquímica. El anillo de la piridina es la base de muchos fármacos, colorantes y alcaloides. El
núcleo de la piridina se encuentra en diversos alcaloides como los de la granada, lobelina,, cicuta, areca y
tabaco. Dos vitaminas del complejo B, el ácido nicotínico y la piridoxina son derivados piridínicos de gran
importancia fisiológica y comercial.
En 1860 se empleó el primer dispositivo para condensar los productos volátiles de los hornos de coque y
desde entonces se ha podido disponer de las bases piridínicas.
La piridina es un líquido incoloro miscible en agua de olor característico y desagradable. Es un disolvente
polar, es una base y puede disolver muchas sales produciendo soluciones conductoras.
Es un compuesto muy estable, en muchos aspectos se asemeja al benceno y al mismo tiempo contiene un
nitrógeno terciario que posee las propiedades de una amina terciaria típica. Es una base monoacídica que
forma sales estables con ácidos fuertes. El par electrónico es susceptible de protonación y alquilación. El
ataque electrofílico ocurre las posiciones 3 y sufre ataque nucleofílico alfa.
Fundamento.
La síntesis más antigua de derivados piridínicos es la de Hantzsch para la obtención de la colidina sintética,
que consiste en hacer actuar el acetaldehído, en presencia de amoniaco, sobre 2 moléculas de éster acético.
Primero se forma la dihidopiridina sustituida que oxidándola forma la piridina.
Por condensación del éster acetoacético con un aldehído, en presencia de amoniaco, se forma un derivado de
la dihidropiridina, esta es la síntesis de Hantzsch, procedimiento general que puede modificarse variando el
aldehído o el −cetoester. Puesto que el derivado de la dihidropiridina se oxida con facilidad formando el
derivado de la piridina, este constituye un método de gran aplicación para preparar piridinas sustituidas.
Mecanismo General de la Reacción
1
SÍNTESIS DE LA 2,4,6−TRIMETIL PIRIDINA
Material.
Equipo Quickfit
Vasos de precipitado
2
Pipetas
Probeta
Matraz Kitazato
Embudo buchner
Barra magnética de agitación
Parrilla con agitación magnética
Matraz Erlenmeyer
Mangueras de hule
Papel filtro
Reactivos.
Acetaldehído
Hidróxido de amonio conc.(30% de NH3)
Solución 1:1 de agua−etanol
Ácido clorhídrico 2 N
Acetoacetato de etilo
Técnica.
• Prepare una mezcla de 1 mL de acetaldehído y 5 ml de hidróxido de amonio. Adicione la solución a 5 mL
de acetoacetato de etilo colocado en un matraz balón.
• Caliente la mezcla en baño de arena con agitación constante, durante 30 min.
• Enfríe a temperatura ambiente y adicione a la mezcla de reacción el doble de su volumen de HCl 2 N, agite
hasta que se forme un precipitado o una pasta gruesa.
• Decante la capa ácida, filtre, seque y pese en crudo.
• Transfiera el sólido obtenido a un matraz Erlenmeyer y recristalice con solución 1:1 de metanol−agua.
• Deje secar y pese. Calcule el rendimiento y determine el punto de fusión.
Observaciones*.
A los cinco minutos de calentado, la solución cambió a un color amarillo, tal cómo se ve en la ilustración 1.
3
*
Ilustración 1
Al agregar el ácido clorhídrico se formaron cristales finos de color amarillo canario.
El filtrado arrojó cristales color amarillo claro, tal como se ve en la ilustración 2
4
Ilustración 2
Para recristalizar primero se disolvió con etanol caliente al 50% pero tardó un poco en disolver, y
fueron agregados aproximadamente 40 mL para una disolución total de los cristales crudos.
Una vez disueltos los cristales, la solución se puso en baño de hielo para promover de nuevo la cristalización
después de dejar aproximadamente 15 minutos en el baño de hielo, estos fueron filtrados al vacío y
lavados con etanol frío al 50%. Los cristales son de un color amarillo claro.
Cálculos
Cálculo de moles de acetaldehído
densidad = 0.778 g/mL
Peso molecular = 44 g/mol
Cálculo de moles de acetoacetato de etilo
Densidad = 1.021 g/mL
Peso molecular = 130 g/mol
5
Cálculo de moles de amoniaco a partir del hidróxido de amonio
densidad = 0.892 g/mL
Peso molecular = 35 g/mol
El reactivo limitante es el acetaldehído con 0.017 moles presentes en la reacción.
Cálculo de rendimiento de la síntesis de la 2,4,6−trimetil piridina (121 g/mol)
El cálculo se hace con los 0.017 moles de reactivo limitante
teóricos de la 2,4,6−trimetil piridina
SÍNTESIS DE LA 2,6−DIMETIL PIRIDINA
Material.
Equipo Quickfit
Vasos de precipitado
Pipetas
Probeta
Matraz Kitazato
Embudo buchner
Barra magnética de agitación
Parrilla con agitación magnética
Matraz Erlenmeyer
Mangueras de hule
Papel filtro
Reactivos.
Formaldehído (30%)
Hidróxido de amonio conc. (30% de NH3)
Solución 1:1 de agua−etanol
Ácido clorhídrico 2 N
6
Acetoacetato de etilo
Técnica.
• Prepare una mezcla de 5 mL de formaldehído y 5 ml de hidróxido de amonio. Adicione la solución a 5 mL
de acetoacetato de etilo colocado en un matraz balón de fondo plano.
• Caliente la mezcla en baño de arena con agitación constante, durante 30 min.
• Enfríe a temperatura ambiente y adicione a la mezcla de reacción el doble de su volumen de HCl 2N, agite
hasta que se forme un precipitado o una pasta gruesa.
• Decante la capa ácida, filtre, seque y pese en crudo.
• Transfiera el sólido obtenido a un matraz Erlenmeyer y recristalice con solución 1:1 de metanol−agua.
• Deje secar y pese. Calcule el rendimiento y determine el punto de fusión.
Observaciones.
La mezcla se puso de color amarillo después de unos minutos de estar calentándose, como se ve en la
ilustración 3.
Ilustración 3
Al agregar el ácido, la solución no cambió de color, pero se formó una pasta que quedó en el fondo del
matraz.
El matraz fue guardado una semana en la gaveta porque por cuestión de tiempo no se pudo terminar la
práctica.
Después de una semana el matraz tomó un color anaranjado.
La solución se filtró y los cristales fueron lavados con etanol frío al 50%, el resultado fueron los cristales
amarillo claro que se esperaban.(ilustración 4).
7
Ilustración 4
Cálculos
Cálculo de moles de formaldehído (solución 30%):
densidad = 0.8153 g/mL
Peso molecular = 30 g/mol
Cálculo de moles de acetoacetato de etilo:
Densidad = 1.021 g/mL
Peso molecular = 130 g/mol
Cálculo de moles de amoniaco a partir del hidróxido de amonio:
Densidad = 0.892 g/mL
Peso molecular = 35 g/mol
El reactivo limitante en la reacción es el amonio con 0.038 moles.
8
Cálculo de rendimiento de la síntesis de la 2,6−dimetil piridina (107 g/mol)
teóricos de la 2,6−dimetil piridiina.
RESULTADOS.
PUNTO DE
MASA
MASA
COMPUESTO ESTRUCTURA
FUSIÓN
TEÓRICA EXP.
TEÓRICO
2,6−dimetil
piridina
4.006 g
1.30 g
2,4,6−trimetil
piridina
2.057 g
1.65 g 85°C
PUNTO DE
FUSIÓN
RENDIMIENTO
EXP.
32.50 %
74°C−76°C 80.21 %
Conclusiones
El objetivo de la práctica de sintetizar la 2,6−dimetil piridina a partir del formaldehído y la 2,4,6−trimetil
piridina a partir del acetaldehído usando la síntesis de Hantzsch fue cumplido. Una de las cuestiones
inherentes a la práctica era el efecto inductivo del grupo metilo en la reacción; el observar qué clase de
incidencia tiene, si benéfico o perjudicial en la síntesis de las correspondientes piridinas. Se puede observar
que el efecto inductivo del grupo metilo es favorable, al menos al comparar estas dos piridinas, ya que la
síntesis de la 2,4,6−trimetil piridina se vio favorecida porque, aunque la cantidad de masa obtenida no fue una
cantidad desproporcionadamente grande, el porcentaje de rendimiento de ésta es muy superior al rendimiento
de la 2,6−dimetil piridina.
Otra conclusión que se obtiene de la síntesis de estas dos piridinas, una conclusión que no viene en los
objetivos pero que no puede ser pasada por alto, es el de la importancia de la temperatura en la reacción. La
síntesis de la 2,4,6−trimetil piridina no pudo ser llevada a cabo en un primer intento por la falta de
temperatura o, en otras palabras, por no estar suficientemente activado el sistema de reacción. La temperatura
en esta primera oportunidad fue relativamente baja, por lo tanto, para el segundo intento de síntesis la
temperatura fue algo que se cuidó con un poco más de énfasis.
Bibliografía.
• Ascheson, R.M.; Química Heterocíclica; 1ª edición en español; México 1981; Publicaciones Cultural.
• Gilrchrist, Thomas L., Heterocyclic Chemistry, Longman 3rd Edition.
• Katritzky, Handbook of Heterocyclic Chemistry, Pergamon, 2nd Edition.
• www.chemieonline.de/campus/namensreaktion.php?action=detail&id=66
• CRC 60TH Edition.
• http://www.organic−chemistry.org/frames.htm?http://www.organic−chemistry.org/namedreactions/hantzsch−d
• http://media.payson.tulane.edu:8086/spanish/envsp/Vol328.htm
Apéndice
Acetaldehído.
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Propiedades: líquido incoloro; olor picante a fruta; d = 0.778 (18/4°C); peb. 20.2°C pf = −123.5°C presión de
vapor 740.0 mm (20°C), miscible con agua, alcohol, éter, benceno, gaslina, nafta disolvente, tolueno, xileno,
trementina y acetona.
Obtención.
• oxidación del etileno
• oxidación del etanol en fase de vapor
• oxidación de propano y butano en fase de vapor
• reacción catalítica del acetileno y agua
Peligros.
Muy inflamable, tóxico (narcótico). Peligroso riesgo de incendio y explosión. Límites explosivos en el aire
entre 4 y 57% VLU. 100 ppm en el aire
Usos
Fabricación de ácido acético y anhídrido acético, n−butanol, 2−etilhexanol, ácido paracético, aldol,
pentaeritritol, piridinas, cloral, 1,3−butilenglicol, y trimetilolpropano, aromas sintéticos.
Formaldehído
Propiedades:
Fórmula empírica:
Masa molecular relativa:
Densidad:
Densidad relativa del gas:
Punto de ebullición:
Punto de fusión:
Punto de inflamación:
Temperatura de ignición:
CH2O
30,03 g
0,8153 g/cm3 (líquido a −20°C)
1,04
−19,2°C (sustancia pura)
−92,0 −118,0°C
32−61°C (solución acuosa)
300−430°C (solución acuosa)
Aplicaciones:
Los usos del formaldehído son muy amplios y dependen de los aditivos (p.ej.: úrea, melanina, fenol,
amoníaco). Así se utiliza en diversas concentraciones en adhesivos (p.ej., para la fabricación de placas de
madera aglomerada), plásticos celulares, curtientes, explosivos y colorantes, así como en conservantes,
solventes, medicamentos, resinas y fungicidas.
Procedencia / fabricación:
El formaldehído se obtiene por oxidación del metanol, usando plata u óxidos metálicos (hierro y molibdeno)
como catalizadores. Además de las emisiones que resultan de su fabricación y uso, el formaldehído es
liberado a la atmósfera por combustión incompleta y por la descomposición fotoquímica de sustancias traza
orgánicas.
Hidróxido de amonio.
Propiedades. Líquido incoloro, fuerte olor, la concentración de las soluciones llega hasta un 30% de amoniaco
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Peligros. Líquido y vapor extremadamente irritantes, especialmente para los ojos.
Usos. Industria textil, fabricación de rayón, caucho, fertilizantes, refrigeración, condensación, polimerización,
fotografía (revelado de imágenes latentes), productos farmacéuticos, jabones amoniacales, lubricantes,
tratamiento de maderas para hacerlas incombustibles, fabricación de tinas, explosivos, cerámica, compuestos
amónicos, saponificación de grasas y aceites, síntesis orgánicas, detergente, aditivo de alimentos, limpiado
doméstico.
Hidróxido de amonio.
Propiedades. Líquido incoloro, fuerte olor, la concentración de las soluciones llega hasta un 30% de
amoniaco.
Peligros. Líquido y vapor extremadamente irritantes, especialmente para los ojos.
Usos. Industria textil, fabricación de rayón, caucho, fertilizantes, refrigeración, condensación, polimerización,
fotografía (revelado de imágenes latentes), productos farmacéuticos, jabones amoniacales, lubricantes,
tratamiento de maderas para hacerlas incombustibles, fabricación de tinas, explosivos, cerámica, compuestos
amónicos, saponificación de grasas y aceites, síntesis orgánicas, detergente, aditivo de alimentos, limpiado
doméstico.
Ácido clorhídrico
Propiedades.
Líquido incoloro o ligeramente amarillo, fumante, picante. Se forma un ácido de punto de ebullición constante
que contiene 20% de ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico es un ácido fuerte y muy corrosivo. El
concentrado comercial o ácido fumante contiene un 38% de cloruro de hidrógeno y tiene una d =1.19, soluble
en agua, alcohol y benceno. No combustible.
Obtención. Disolviendo cloruro de hidrógeno en agua a diversas concentraciones.
Peligros. Tóxico por ingestión e inhalación, fuerte irritante para los ojos y piel.
Usos. Acidificación de pozos de petróleo, producto intermedio químico, reducción de minerales, procesado de
alimentos, decapado y limpiado de metales, acidificante industrial, limpieza en general desnaturalizante de
alcohol.
Acetoacetato de etilo.
Este compuesto es tautómero y a temperatura ambiente consta de 93% en forma ceto y 7% en forma enólica.
Propiedades. Líquido incoloro,olor a frutas, soluble en agua y disolventes orgánicos comunes, d=1.021
(20/4°C).
Obtención por la acción del sodio etílico sobre el acetato de etilo, con destilación
Peligros. Tóxico por ingestión e inhalación, irrita los ojos y la piel
Usos. Síntesis orgánicas, antipirina, lacas, plásticos, barnices, fabricación de colorantes, productos
farmacéuticos, antimaláricos, vitamina B, aromas.
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*Éste es el segundo intento de sintetizar la 2,4,6−TRIMETIL PIRIDINA . En el primer intento la causa del
fallo fue la temperatura, la cual no fue suficiente para crear un reflujo óptimo para la síntesis.
Síntesis de Hantzsch para Piridinas.
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