Isomería geométrica, transformación de acido maleico a acido fumárico por catálisis ácida

Introducción

La isomería es una propiedad de ciertos compuestos químicos que con igual fórmula química, es decir, iguales proporciones relativas de los átomos que conforman su molécula, presentan estructuras moleculares distintas y, por ello, diferentes propiedades.

Dichos compuestos reciben la denominación diastereoisómero. Los isómeros soncompuestos que tienen la misma fórmula molecular pero diferente fórmula estructural y, por tanto, diferentes propiedades.

Los isómeros trans son más estables debido a que las repulsiones estéricas entre grupos es menor ya que los volúmenes que ocupan no se estorban, es decir no hay, o es menor el impedimento estérico. En los cis los grupos se encuentran en un mismo plano, provocando impedimento estérico y con esto repulsiones.

La razón del por que es conveniente vigilar el reflujo cuando aparecen los cristales en el seno de la reacción es debido a que pueden proyectarse por el calor y la presión generada, provocando accidentes, también para determinar el progreso de la formación de los cristales

Dos sustancias son isómeros cuando poseen la misma formula molecular pero difieren en la conectividad o en la disposición espacial sus átomos.Los ácidos maleico y fumarico pueden obtenerse a partir del acido málico, ya que este se deshidrata en presencia de medio acido, formándose el carbonación intermediario. Cuando el proceso se realiza a baja temperatura los grupos carboxilo (-COOH) se repelen mutuamente; en consecuencia, el enlace gira de tal modo que al formarse el doble enlace estos grupos quedan ubicados en lados opuesto del enlace , obteniéndose el acido fumarico (isómero trans). Cuando la reacción se realiza a mayor temperatura, los grupos carboxilo pueden vencer la mutua repulsión y al formarse el doble enlace tales grupos quedan ubicados del mismo lado del doble enlace , obteniéndose así el acido maleico (isómero cis).Debido a que en la estructura del acido maleico los grupos carboxilo se localizan uno frente al otro es muy fácil que reaccionen, produciéndose entonces el anhídrido maleico. Esta propiedad permite diferenciar y separar el acido maleico del fumarico.

El ácido cis-butenodioico o (Z)-ácido butenodioico o ácido maleico, es un compuesto orgánico que es un dicarboxílico (molécula con dos grupos carboxilo). Otros nombres con el que se le conoce a este ácido son el ácido malénico, el ácido maleinico y ácido toxilico.

EL ácido maleico es el isómero del ácido cis-butenodioico, mientras que el ácido fumárico es el isómero trans.Las propiedades físicas de ácido maleico son muy diferentes a las del ácido fumárico. El ácido maleico es una molécula menos estable que el ácido fumárico. La diferencia en el calor de combustión es de 22,7 KJ/mol.El ácido maleico es soluble en agua, mientras que el ácido fumárico no lo es. El punto de fusión del ácido maleico esta entre 128-130°C y también es mucho menor que la del ácido fumárico que es de 285-287°C. Ambas propiedades del ácido maleico puede explicarse en razón de la vinculación del hidrógeno intramolecular que tiene lugar a expensas de las interacciones moleculares.El acido fumarico se produce por la transformación del acido maleico, ya sea por calentamiento sobre el punto de fusión o por acción de los rayos ultravioleta o por la acción de reactivos químicos, aminas orgánicas o en la trasformación de los esteres por el potasio metálico

Objetivos

Conocer un método para transformar un isómero geométrico en su forma más estable, conocer la geometría del doble enlace y el porqué de las diferentes propiedades físicas de los isómeros. Aprender a distinguir entre un isómero geométrico e isómero óptico.

Aplicar la técnica de recristalización en la purificación de compuestos orgánicos.

Material, Reactivos

1 Aparato de Fisher Jones 1 Matraz Balón 250 ml 24/401 Probeta 25 ml1 Refrigerante de Rosario 24/401 Mantilla de Calentamiento para matraz 250 ml2- Pinzas de tres dedos1 Soporte Universal1 Embudo de filtración tallo corto2 Vaso de precipitados 150 ml1 Matraz de Kitazato de 250 ml1 Embudo de Bushner1 Pipeta de 10 ml

Procedimiento

Coloque 5g de ácido málico en el matraz de pera y agregue 5ml de agua caliente (sin hervir) para disolver el ácido. Una vez disuelto, agregue 10ml de ácido clorhídrico concentrado y unos núcleos porosos para regular la ebullición, coloque un refrigerante en posición de reflujo, hierva 20 minutos.Después del reflujo, enfríe el matraz de pera con los cristales de ácido fumárico en corriente de agua y filtre los cristales en el embudo de Buchner.Recristalice el ácido fumárico en ácido clorhídrico 1N, filtre los cristales en el embudo Buchner y déjelos secar. Pase el producto seco y calcule el rendimiento. Guarde el sólido para determinar posteriormente el de fusión al ácido fumárico recristalizado.

Resultados2.20 – 0.64 = rendimiento de acido fumericoCis necesita de menos energía para transformarse en transFiltro pesaba .64 gSe rompen enlaces y se vuelven a hacer.

25.3 ml 0.01N HCL

g=N*V*PE

HCl H 1x1=1 1+35=36

Cl 35x1=35

g=(0.01 eq/L) (0.0253 L) (36 g/ eq)g= 0.00918 g

mL HCl= g/ (d*pureza/100)mL= 0.00918 / (1.18)(0.36)mL=0.0216 mL

Análisis de resultados

El ácido fumárico es termodinámicamente más estable que el ácido maleico, la estabilidad relativa está relacionada con la estereoquímica alrededor del doble enlace C=C, el ácido A, isómero Z, corresponde al ácido maleico, y el ácido B, isómero E, corresponde al ácido fumárico, la mayor solubilidad, acidez y reactividad con magnesio, mostrada por las disoluciones acuosas de ácido maleico, respecto del ácido fumárico, están relacionadas con la extensión de la reacción de hidrólisis.

Para obtener el ácido fumárico a partir del ácido maleico solo tuvimos que agregar calor y un catalizador que fue el ácido clorhídrico.

El punto de fusión que obtuvimos fue en un intervalo de 130-160°C y 199-245ºC este intervalo de fusión nos dice que el producto recristalizado tendrá un grado de pureza mayor y nos indica que la reacción se completo y obtuvimos ácido fumárico en algunos equipos como se ve en la tabla el punto de fusión estaba muy alejado del punto de fusión teórico lo que puede significar que el producto crudo tenia muchas impurezas de igual manera hay puntos de fusión muy cercanos lo que quiere decir que su producto se encontraba con mayor  pureza.

Conclusiones

En la práctica se efectuó la hidrólisis e isomerización del acido maleico el cual se encontraba en posición (cis) a acido fumarico que se encontraba en posición (trans). Comprobamos que dicho proceso se llevaba a cabo debido a que obteníamos un producto con un punto de fusión superior al 130-160ºC comparándolo con la literatura el acido fumarico posee un punto de fusión de 199-254ºC pero este no se determino ya que el punto en el que sublima es a 200ºC. El rendimiento de obtenido fue del 85%, porque a menor temperatura la reacción podrá tener un rendimiento mayor.

De acuerdo con estas dos estructuras diferentes, estos dos compuestos tienen propiedades físicas y químicas muy diferentes. El ácido fumárico es termodinámicamente más estable que el ácido maleico.

Bibliografía

a)  Adams R., Johnson J. R. and Wilcox, C. F. Jr. Laboratory Experiments in Orqanic Chemistry, 7a ed.. MacMillan, USA., 1979. b)  Brewster R.Q., Vanderwerf, C.A.y McEwen, W. E. Curso de Química Orqánica Experimental, Alhambra, Madrid, 1 974. c)  Campbell B.N. Jr. and McCarthy Ali, M. Orqanic Chemistry Experiments, microscale and semi-microscale, Brooks/Cole , USA., 1994.