INGENIERIA EN BIOTECNOLOGIA

Nombre de la materia: Química Orgánica II

Nombre del alumno: Ángel de Jesús Heredia Pardiño

Nombre de la práctica: Obtención de bromuro de N-Butilo

Numero de la práctica: Practica # 1

Nombre del catedrático: Dr. Omar Viñas Bravo

Especialidad: Biotecnología-3

2 de noviembre del 2012

Universidad del Papaloapan

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ContenidoTrabajo previo.

¿En que consiste las reacciones de sustitucion nucleofilica?.

Basicidad y nucleofilicidad.

Cinetica.

Estereoquimica.

Efecto del sustrato.

Efecto del solvente.

Rearreglos.

Propiedades fisicas y toxicas de los reactivos empleados

Producto esperado

Destilacion simple y reflujo

Objetivos.

Objetivos generales.

Objetivos particular.

Introduccion.11-12

Parte experimental de la practica.

Desarrollo de la practica.-17

Cuestionario.18-19

Análisis de los resultados.

Bibliografias.

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Trabajo previo

¿En que consisten las reacciones de sustitución nucleofílica?

Una sustitución nucleofílica es un tipo de reacción de sustitución en la que un nucleófilo, rico en electrones remplaza en una posición electrofila pobre en electrones, de una molécula a un átomo o grupo, denominados grupo saliente. La reacción se produce sobre un carbono electrófilo.

Basicidad y Nucleofilicidad

La basicidad viene determinada por la constante de equilibrio para abstraer un protón. La nucleofilia se define por la velocidad de ataque sobre un átomo de carbono electrófilo para dar sustituciones o adiciones. En ambos casos, el nucleófilo (o base) forma un nuevo enlace; si el nuevo enlace lo forma con un protón, ha reaccionado como una base, si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo. La mayoría de los buenos nucleófilos (pero no todos) también son bases fuertes, y viceversa. Observando el producto formado podemos decidir si la base ha actuado como una base o como un nucleófilo. Si el nuevo enlace es con un protón, ha reaccionado como una base; si el nuevo enlace lo forma con el carbono, ha reaccionado como un nucleófilo.

Cinética

La velocidad de la reacción SN1 es proporcional a la concentración del haluro de alquilo pero no a la concentración del nucleófilo, sigue una ecuación de la velocidad de primero orden, la velocidad de la reacción SN2 es proporcional a las concentraciones tanto del haluro de alquilo [R-X] como del nucleófilo, [Nuc:] sigue una ecuación de velocidad de segundo orden.

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SN1 velocidad = Kr [R-X]

SN2 velocidad = Kr [R-X] [Nuc:] ¯

Estereoquímica

Es el estudio de los compuestos orgánicos en el espacio. Para comprender las propiedades de los compuestos orgánicos es necesario considerar las tres dimensiones espaciales.

Las bases de la estereoquímica fueron puestas por Jacobus van’t Hoff y Le Bel, en el año 1874. De forma independiente propusieron que los cuatro sustituyentes de un carbono se dirigen hacia los vértices de un tetraedro, con el carbono en el centro del mismo. La disposición tetraédrica de los sustituyentes de un carbono sp3 da lugar a la

existencia de dos posibles compuestos, que son imágenes especulares no superponibles, llamados enantiómeros. En general a las moléculas que se diferencian por la disposición espacial de sus átomos, se les denomina estereoisómeros.

La reacción SN2 implica un carbocatión plano intermedio que puede ser aceptado desde cualquier cara; por lo tanto, la reacción SN1 generalmente da lugar a una mezcla de productos con inversión y retención de configuración.

Estereoquímica SN1: mezcla de retención e inversión; racemizacion.

Estereoquímica SN2: inversión completa

Efecto del sustrato

Los haluros de metilo y los haluros primarios no se pueden ionizar fácilmente, y experimentan sustitución SN1 porque los carbocationes primarios y metilo tienen energía alta, están relativamente poco impedidos, por lo que son buenos sustratos SN2. Los haluros 3ro experimentan SN1.

Efecto del solvente

El paso lento de la reacción SN1 implica la formación de dos iones. La solvatación de estos iones es crucial para estabilizarlos y disminuir la energía de activación para su formación. Se necesitan disolventes ionizantes muy polares como el agua y los alcoholes, para la SN1. En la reacción SN2 genera menos separación de cargas. Necesita disolventes menos polares para que pueda ir más rápida.

Rearreglos

Molécula e imagen especular

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La reacción SN1 implica un intermedio carbocationico. Este intermedio puede reordenarse, generalmente por una transposición de hidruro o de alquilo, para dar lugar a un carbocatión mas estable. La reacción SN2 transcurre en un solo paso sin intermedios, en la SN2 no son posibles los reordenamientos.

Propiedades físicas y toxicas de los reactivos empleados

Bromuro de sodio NaBr (102.90 gr/mol)

peligrosidad

Ingestión

Síntomas en caso de ingestión: Erupciones en la piel, visión borrosa y otros efectos oculares, somnolencia, irritabilidad, alucinaciones y coma.

inhalación

Síntomas en caso de inhalación: Tos, dificultad para respirar.

Piel

Síntomas en caso de contacto con piel: Piel seca, dolor y enrojecimiento.

Ojos

Síntomas en caso de contacto con ojos: Enrojecimiento y dolor.

Valor del pH 5.4 (50 gr/l, H2O, 20°C

Densidad 3.21gr/cm3

Punto de fusión 755 °C

Punto de ebullición 1390 °C

Solubilidad en agua 116 gr/100 gr agua a 50°C

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Acido sulfúrico H2SO4 (98.08 gr/mol)

Peligrosidad

Clasificación europea de substancias peligrosas del ACIDO SULFURICO

Corrosivo (C)

Frases de Riesgo

R35: Provoca quemaduras graves.

Ingestión

Síntomas en caso de ingestión: fuertes dolores, malestar general, vómito y diarreas, existe peligro de perforación del tracto gastrointestinal, tiempo después de la exposición puede aparecer estenosis del píloro.

Inhalación

Si el producto es inhalado en forma de aerosol irrita mucosas de vías respiratorias, existe riesgo de daño pulmonar.

Piel

Quemaduras graves y ulceraciones.

Ojos

Quemaduras, riesgo de lesiones oculares graves.

Densidad 1.84 gr/cm3

Punto de fusión 10 °C

Punto de ebullición 337 °C

Viscosidad 26.7 cP a 20 °C

Solubilidad en agua Completamente soluble (reacción exotérmica)

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Alcohol N-Butilo H3C-(CH2)3-OH (74.12 gr/mol)

Peligrosidad

Explosivo en estado seco.

Frases de Seguridad

Consérvese bajo llave.

Ojos

Irritante.

Piel

Suavemente irritante.

Inhalación

Síntomas en caso de inhalación: Irritación de las mucosas, dificultad para respirar, tos, sueño, anestesia y aturdimiento.

Densidad 0.81 gr/cm3 a 68.0 °F

Punto de fusión -129.0 °F

Punto de ebullición 243.9 °F a 760.0 mm Hg

Punto de inflamabilidad 84 °F

Solubilidad en agua 77 gr/l

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Hidróxido de Sodio NaOH (39.9971 gr/mol)

peligrosidad

Frases de Riesgo

Provoca quemaduras graves.

Ingestión

Es corrosivo, puede provocar daños severos y permanentes en el tracto gastrointestinal.

Síntomas en caso de ingestión: Dolor abdominal, ardor, diarrea, vómitos y posible colapso

Inhalación

Es corrosivo, en exposiciones cortas provoca irritación, puede ser dañino o mortal en altas dosis.

Piel

Corrosivo, puede provocar irritaciones fuertes, quemaduras, dolor y úlceras.

Ojos

Corrosivo, provoca desde enrojecimiento, dolor, visión borrosa, hasta quemaduras profundas graves.

Densidad 2.1 gr/cm3 (solido)

Punto de fusiónEl rango de temperatura a la que cambia de estado de sólido a líquido. 318 ° C

Punto de ebulliciónLa temperatura máxima a la que un líquido puede permanecer como un líquido. 1390 ° C

Punto de inflamabilidad No inflamable

Solubilidad en agua 111 gr/100 mL a 20 °C

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Cloruro de Calcio CaCl2 (110.999 gr/mol)

Peligrosidad

Frases de Riesgo

Irrita los ojos.

Frases de Seguridad

En caso de contacto con los ojos, lávense inmediata y abundantemente con agua y acúdase a un médico.

Ingestión

Causa irritación de boca y estómago.

Inhalación

Causa irritación de nariz y garganta.

Ojos

Causa irritación y posible daño transitorio en la cornea, particularmente en contacto con el polvo.

Piel

Causa irritaciones leves, las soluciones muy concentradas pueden causar irritaciones más marcadas, incluso quemaduras superficiales.

Densidad 2.15 gr/cm3 a 20 °C

Punto de fusión 772 °C (anhidro)

Punto de ebullición <1600 °C (anhidro)

Solubilidad en agua 74.5 gr/100 mL a 20 °C

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Producto esperado

1-Bromobutano (C4H9Br)

Identificación de riesgo Inflamable. Irrita los ojos y la piel.

Aspecto Líquido transparente e incoloro.

Punto de ebullición 100-104°C

Punto de fusión -112°C

Punto de inflamación 16°C

Temperatura de auto ignición 265°C

Presión del vapor (100°C)1033 hPa

Densidad (20/4) 1,27 gr/cm3

Solubilidad Insoluble en agua. Soluble en alcohol y éter.

Destilación simple y reflujo

La destilación simple es un proceso que consiste en calentar un líquido hasta que sus componentes mas volátiles pasan a la fase de vapor y, a continuación, enfriar el vapor para recuperar dichos componentes en forma liquida por medio de la condensación. El objetivo principal de la destilación es separar una mezcla de varios componentes aprovechando sus distintas volatilidades, o bien separar los materiales volátiles de los no volátiles, es necesario que los puntos de ebullición sean distintos, para la facilidad y eficiencia de la separación.

El reflujo es el proceso consiste en la ebullición de los reactivos mientras que el vapor al ser condensado retorna al matraz de destilación como liquido. Este es usando para calentar mezclas por tiempo prolongado a cierta temperatura en la cual no se puede permitir la evaporación excesiva de los líquidos. La ventaja de esta técnica es que puede ser dejada por un periodo de tiempo largo sin necesidad de adicionar mas solvente.

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Objetivos

Objetivos generales.

Ejemplificar una reacción de sustitución nucleofílica alifática de segundo orden (SN2).

Obtener un halogenuro de alquilo a partir de un alcohol primario empleando ácido sulfúrico y bromuro de sodio.

Identificar el halogenuro obtenido a través de reacciones sencillas.

Objetivos particular.

Se realizara una reacción mediante el mecanismo SN2.

Obtener el compuesto de n-butilo a partir de alcohol n-butílico, ácido sulfúrico y bromuro de sodio.

Introducción

Los halogenuros de alquilo son todos los compuestos de fórmula general R-X, donde R es

un grupo alquilo y -X es un halógeno.

Una técnica para obtener los halogenuros de alquilo es a partir de alcoholes primarios y

secundarios. Entre los reactivos utilizados para realizar esta transformación se encuentran:

el cloruro de tionilo o halogenuro de fósforo; también se puede realizar calentando el

alcohol con ácido clorhídrico concentrado y cloruro de zinc anhídro, o bien usando ácido

sulfúrico concentrado y bromuro de sodio.

La reacción entre un halogenuro de alquilo primario y un nucleófilo para dar el producto

de sustitución sigue una cinética de segundo orden (SN2), es decir, su velocidad depende de

ambos reactivos:

La forma más simple de explicar este concepto, es suponer que para que se lleve a cabo la

reacción es necesario una colisión entre el nucleófilo y una molécula de halogenuro de

alquilo. El átomo de carbono del halogenuro es electrofílico debido a que está unido al

átomo de halógeno. La densidad electrónica es atraída por el halógeno, dejando el átomo de

carbono con una carga parcial positiva de tal forma que pueda ser atacado por un

nucleófilo:

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En el mecanismo SN2 el nucleófilo entra por el lado de atrás del sustrato lo más alejado

posible del grupo saliente (180°) lo que trae como consecuencia que la reacción sea muy

sensible al impedimento estérico. Cuando los sustituyentes sobre el carbono son muy

voluminosos el nucleófilo no se puede acercar y la reacción se hace más difícil. La

reacción es un proceso concertado en una sola etapa, sin intermediarios. Hay un estado de

transición donde el enlace con el nucleófilo está parcialmente formado y el del grupo

saliente esta parcialmente destruido. En este estado de transición el carbono se aplana hasta

que quedan los sustituyentes en un mismo plano (carbono trigonal plano). En caso de que el

carbono que sufre la sustitución sea quiral (con cuatro sustituyentes diferentes) su

configuración es invertida, como se observa en el esquema.

Mecanismo de reacción

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Parte experimental de la práctica.

3.1 Materiales y reactivos

Cantidad Material reactivos

1 Matraz de fondo redondo de 100

ml

Bromuro de sodio

2 Pipetas de 10 ml Agua destilada

1 Pipeta de 5ml Alcohol n-butílico

1 Magneto Acido sulfúrico

1 Equipo de destilación simple Hidróxido de sodio

2 Matraz de Erlenmeyer de 250 ml Cloruro de calcio

1 Embudo de separación de 250 ml

1 Embudo cónico de vidrio

2 Espátulas

1 Bandeja de plástico

1 Vaso de precipitados de 500 ml

1 Vaso de precipitados de 100 ml

3 Pinzas de sujeción

2 Soportes universales

2 Tapón de corcho horadado para

boca de 24/40

3.2 Desarrollo de la práctica

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3.2_2 Procedimiento

Se colocara 24 gramos de bromuro de sodio en un matraz de fondo redondo de 250 ml, se le añadirá 25 ml de agua y 17 ml de alcohol n-butílico. Se pondrá a enfriar la mezcla en un baño de hielo y se añadirá 20 ml de ácido sulfúrico concentrado vertiendo lentamente, se agitara el matraz continuamente, se observara un color amarillo claro. Se le añadirá una bala magnética para que la mezcla se mezcle completamente, como se muestra en la figura 1.1 y figura 1.2.

Se montara el reflujo, en este punto el embudo quedara invertido y el vaso de precipitado servirá como un sistema de colector para absorber el bromuro de hidrogeno cuando empezaron a caer las primeras gotas se empezó a tomar el tiempo de la reacción figura 1.3. Se colocara una disolución diluida de hidróxido de sodio en el vaso, el embudo se deberá de ajustar, para que se introduzca ligeramente en la superficie del líquido figura 1.4.

Figura 1.1 Figura 1.2

Figura 1.3 Figura 1.4

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Se calentara la mezcla con una manta calefactora, después de esto se dejara que se enfrié la mezcla figura 1.5. Y de ahí se hará una destilación simple figura 1.6, se le volverá añadir unas bala magnética al matraz de fondo redondo.

Se destilara la mezcla y recogerá el destilado en un matraz enfriado, el cual la parte de arriba como es mas denso el haluro de alquilo se queda arriba figura 1.7, el haluro de alquilo se destila juntamente con agua, pero se separan esos dos líquidos al ser inmiscibles, los dos líquidos se separaran en dos fases

Nota: para poder deshacernos del residuo de NaOH se tiene que medir su pH para saber si se le tiene que adicionar una base o un acido para neutralizarlo y poder desecharlo, en este caso el NaOH tiene un pH de 13 el cual se le añadirá un acido (HCl) figura 1.9 y figura 1.10.

Figura 1.5 Figura 1.6

Figura 1.7

Figura 1.9 Figura 1.9

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Se destilara la mezcla de haluro de alquilo para que se lleve acabo esta destilación debe estar a una temperatura de 110 °C y 115 °C, a los 110 °C empezó a ebullir, se recogerá el destilado contiene principalmente bromuro de n- butilo y agua, con unas pequeñas cantidades de ácido sulfúrico y bromhídrico figura 1.10.

Se pondrá el destilado agregándole 25 ml de agua y se agitara la muestra en un embudo de decantación figura 1.11, se recogerá la capa inferior del n – butilo, y se desechara la capa acuosa figura 1.12.

Figura 1.11 Figura 1.12

Figura 1.10

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se volverá a colocar el haluro de alquilo en un embudo y se le añadirá 15 ml de ácido sulfúrico, y se agitara de nuevo, después cerrar el embudo y agitarlo de nuevo, y abrir cuidadosamente para liberar gases repetir ese procedimiento 2 veces mas hasta que obtengan las dos fases figura 1.13.

Se lavara el bromuro de n – butilo con 15 ml de hidróxido de sodio. Separar las dos capas y asegurarse de cuál es la capa orgánica, se secara el n-butilo con 1.5 gramos de cloruro de calcio, tapar el matraz y agitarlo hasta que se vuelva claro el líquido, se pondrá en un calentamiento suave en un baño de vapor. Decantar el líquido claro en un matraz seco de destilación figura 1.15 y se volverá a destilar el n-butilo, se recogerá el destilado y se entregara al profesor.

Figura 1.13

Figura 1.14

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IV. Cuestionario

1. En esta reacción se produce como sub-producto el éter dibutilico (C4H9OC4H9,

FW 130.23, mp -98 °C, bp 142-143 °C). proponga un mecanismo de reacción

para explicar la formación de este producto.

2. Otro subproducto es el 1-buteno (C4H8, FW 56.11, mp -185 °C, bp -6.3 °C),

proponga un mecanismo de reacción para su formación.

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3. Reporte el rendimiento teórico y el experimental.

No se pudo reportar el rendimiento ya que no se peso el producto final

4. Describa el mecanismo de reacción que se realizo.

Un de la manera más adecuada de obtener un bromuro de alquilo primario en el laboratorio consiste en calentar el alcohol correspondiente con una mezcla de ácido sulfúrico y bromuro sódico o potásico. La combinación del bromuro con el ácido sulfúrico tiene dos funciones: primera, liberar el bromuro de hidrógeno necesario para la reacción, y segunda, formar con el alcohol una mezcla que hierva a una temperatura superior a la requerida, para que la reacción entre el bromuro de hidrógeno y un alcohol primario transcurra con una rapidez razonable.

Análisis de los resultados

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Bibliografías

1. “Química Orgánica” L.G.WADE, JR.PEARSON EDUCACION, S.A., Madrid, 2004. Quinta edición, paginas: 1296.

2. “Química Orgánica” John McMurry. Quinta edición, paginas: 1354.

3. “Química Orgánica” V.M.POTAPOV.S.N.TATARINCHIK. Segunda edición, editorial Mir Moscú páginas: 531.

4. Carey, Francis A - Organic Chemistry 4th Ed [McGraw Hill 2001]