Sintese Da Benzocaina (Luciane e Thais)

U N I V E R S I D A D E F E D E R A L D A B A H I AINST ITUTO DE QUÍMICA

Depar tamento de F í s i co -Qu ímicaCampus Universitário de Ondina, Tel/Fax (071)3283-6837

40170-290, Salvador, Bahia, Brasil

QUIA64 – QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL III – 2012.2

Profs. Frederico Guaré Cruz e Elisangela Boffo

RELATÓRIO DE EXPERIMENTO

“Síntese da Benzocaína”

ALUNAS: Luciane Brito da Paixão

Thais Nascimento

Fevereiro- 2012.2

Salvador-Bahia

UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIAINSTITUTO DE QUÍMICARelatório de Experimento: “Síntese da Benzocaína”Alunas: Luciane Brito da Paixão e Thais Nascimento

Síntese da Benzocaína

1. Estrutura Química

Benzocaína: p-aminobenzoato de etila

2. Método de Obtenção

Figura 1 – Síntese da Benzocaína

A Benzocaína pode ser obtida através da rota sintética acima, Figura1, que é

constituída por quatro etapas distintas, respectivamente: Reação de acetilação com o

intuito de proteger o grupo amino; Oxidação do grupo metílico à ácido carboxílico;

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA ORGÂNICADisciplina: QUIA64 – QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTALIII

1


Reação de hidrólise do grupo acetil e obtenção do grupo amino e Reação de

esterificação do PABA para produção da Benzocaína ou p-aminobenzoato de etila.

3. Resultados e Discussão

3.1 Acetilação da p-toluidina

Para a etapa inicial da síntese foram utilizados 8,050 g de p-toluidina e em um

erlenmeyer de 500 mL, 200 mL de água destilada e 8 mL de ácido clorídrico concentrado.

A solução foi aquecida em banho-maria até a completa dissolução da p-toluidina,

observando-se a formação de uma solução levemente escura, que indica a existência de

impureza na solução, portanto adicionou-se uma pequena quantidade de carvão ativo

(~0,5g) e filtrou-se a solução por gravidade.

Uma solução de 12, 080g de acetato de sódio em 20 mL de água foi preparada e

reservada.

A solução contendo p-toluidina foi aquecida a 50 °C e a esta solução foi adicionado 8,4

mL de anidrido acético agitando rapidamente, e em seguida foi adicionada imediatamente

a solução de acetato de sódio preparada previamente. A mistura foi colocada em água à

temperatura ambiente, depois resfriada em banho de gelo. Observou-se a formação de um

precipitado branco. O sólido foi retirado e filtrado a vácuo e posto para secar na estufa em

aproximadamente 50°C durante 40 minutos. Após esse tempo, o produto obtido foi pesado

e obteve-se uma massa de 9,856g.

Como a p-toluidina (MM=108g/mol) é o reagente limitante desta reação, o rendimento

teórico de N-acetil-p-toluidina (MM=138g/mol) para a massa de p-toluidina utilizada é de


2


10,286g. Como foi obtido 9,856g, o rendimento para esta etapa foi de 95,8%. Mediu-se o

ponto de fusão do sólido obtido: 147-150˚C, valor que concorda com a literatura (150˚C).

Espectros p-toluidina

Infravermelho

A análise do espectro de IV indica a existência dos seguintes grupos:

Amina Aromática – Deformação axial de N-H, dubleto na faixa de 3388 – 3471 cm-1 ,

Metila - Bandas de estiramento C-H na região em torno de 3017- 3029 cm-1

Anel aromático - Bandas harmônicas entre 1700-1900 cm-1

Anel aromático – Deformação axial =C- H faixa de 3017 - 3016 cm-1

Anel aromático – Estiramento C=C anel faixa de 1519 - 1622 cm-1


3


Espectro de Massas

O espectro de massas mostra um pico em m/z 107 referente ao íon molecular. Íon

molecular ímpar indica a existência de um átomo de nitrogênio.

Pela Regra dos treze obtemos a seguinte fórmula C7H9N

Espectro de Ressonância Magnética Nuclear de Carbono

Existência de plano de simetria no anel aromático passando pelos carbonos 1 e 3

enumerados na estrutura. Observando o espectro percebe-se que existem 5 picos, referentes

a 5 carbonos distintos. O carbono mais desprotegido é o carbono 1 pois está diretamente

ligado ao átomo de nitrogênio eletronegativo. O carbono 5 mais protegido carbono do


4


grupo metila. Os segundos mais protegido é o carbono 3 e 4 devido ao efeito doador de

elétrons do grupo amina na posição orto e para.

Espectro de Ressonância Magnética Nuclear de Hidrogênio

O espectro de ¹H RMN mostra que os hidrogênios do anel são os mais desprotegidos

(dois picos acima de 6ppm), com maior deslocamento químico, devido o efeito de

anisotropia do anel. Na sequência, o hidrogênio ligado ao nitrogênio, seguido dos

hidrogênios da metila, os mais protegidos e, portanto menor deslocamento químico.

Espectro da N-acetil p-toluidina


5


Espectro Infravermelho

Amida secundária - Estiramento da Ligação N-H 2866- 2925 cm-1

Carbonila de amida – Estiramento ligação C=O aproximadamente 1662 cm-1

Anel Aromático- Deformação da ligação C=C faixa 1466-1511 cm-1

Anel Aromático – Deformação angular ligação C-H indicativo de substituição na

posição 1,4 aproximadamente 820 cm-1


6


Espectro de Massas

O espectro de

massas

mostra um pico em m/z 149 referente ao pico do íon molecular.

Pela Regra dos Treze obtemos a seguinte fórmula C9H11NO.



7


O ¹³C RMN mostra agora 7 carbonos distintos já que foram adicionados 2 carbonos

com o grupo acetil; O carbono ligado ao nitrogênio, o mais desblindado, apresentou

deslocamento químico maior devido o efeito adicional de anisotropia da Carbonila, os

carbonos 7 e 6 dos grupos metilas os mais protegidos. Os demais seguem a mesma

atribuição que a p-toluidina.



8


O espetro ¹H RMN mostra um pico mais largo próximo de 8ppm referente ao

hidrogênio ligado ao nitrogênio muito mais deslocado que os hidrogênios da amina na

p-toluidina causado pelo efeito de anisotropia da carbonila que retira densidade

eletrônica do hidrogênio, um duplo dubleto referente ao acoplamento dos hidrogênios

do anel aromático e dois singletos dos hidrogênios das metilas.

3.2 Síntese do ácido p-acetamidobenzoico

Em um béquer de 1L foram adicionados 9,856 g da N-acetil-p-toluidina preparada na

etapa anterior, 25g de MgSO4 hidratado e 350 ml de água. O sistema foi aquecido em

banho-maria e adicionou-se em pequenas porções uma pasta preparada com 30,00 g de

permanganato de potássio em pequena quantidade de água.

O sistema permaneceu nestas condições por uma hora e a cada de 3 a 5 minutos a mistura

foi agitada manualmente. Ao término do tempo de reação o sistema foi submetido à

filtração a vácuo a quente utilizando celite. Após a filtração obteve-se uma solução

límpida, dessa forma não foi necessário à etapa e adição de etanol. A solução obtida foi

transferida para um erlenmeyer (na transferência da solução houve derramamento da

mesma através do orifício lateral do kitassato, essa perda influenciará no rendimento da

reação) e posteriormente acidificada com ácido sulfúrico 20% e resfriada (em banho de

gelo), até que ocorresse a completa precipitação de um sólido branco.

O sólido formado foi separado por filtração á vácuo e levado à estufa por cerca de 60

minutos. A massa obtida nesta etapa foi 6,912g. Não foi possível medir o ponto de fusão


9


da substância, pois os aparelhos de ponto de fusão disponibilizados não alcançaram a

temperatura de fusão.

Cálculo do Rendimento

p-Toluidina:

A massa molar da p-toluidina 108g/mol, o rendimento esperado para essa reação seria de

16,42 g. Como a massa obtida foi 6,912 g, o rendimento com relação a p-toluidina foi de

42,09%.

N-acetil-p-toluidina

A massa molar da N-acetil-p-toluidina 138g/mol, o rendimento esperado com relação a

esse reagente seria de 12,85g. Logo, a massa de 6,912 g obtida corresponde a um

rendimento de 53,76%%.

Espectros do ácido p-acetamidobenzoico

Espectro Infravermelho


10


Nesta reação o ácido p-acetaminobenzóico foi obtido através da oxidação do

gupo metila a ácido carboxílico. Dessa forma, pode-se observar uma banda de

estiramento O-H da carboxila na faixa de 2924-2955 cm-1. Estiramento da ligação

C=O aproximadamente 1673- 1700 cm-1 (característico de ácido carboxílico).

Espectro de Massas


11


O espectro de massas mostra pico em m/z 179 referente ao pico do íon molecular.

Pela Regra dos Treze obtêm-se o seguinte hidrocarboneto correspondente: C13H23

Subtrai-se 3 átomos de oxigênio ( 3 X CH4) e 1 átomo de nitrogênio ( CH2).

O pico base em 137 m/z refere-se à perda do grupo CH2=C=O + H .

O pico em 120 m/z (em relação ao pico 137 m/z) refere-se a perda do radical hidroxila.


¹H RMN continua apresentando o duplo dubleto atribuído ao anel aromático. O

hidrogênio mais desprotegido é o hidrogênio do grupo hidroxila (devido dois efeitos:

eletronegatividade do oxigênio e anisotropia da Carbonila) e o segundo mais

desprotegido o hidrogênio da amida, mas mostra agora apenas 1 pico para o hidrogênio

da metila mais protegido.



12


Observando os espectros temos 7 picos indicando 7 diferentes tipos de carbono. O

carbono mais desprotegido é o carbono 1 ( carbono da Carbonila ligado diretamente a dois

átomos de oxigênio) seguido do carbono 2 ( também carbono da Carbonila ligado ao

nitrogênio e ao oxigênio) ele tem um deslocamento químico menor quando comparado ao

carbono 1 pois o oxigênio é mais eletronegativo que o nitrogênio. O carbono mais

desprotegido é o carbono 7 do grupo metila.

3.3 Síntese do Ácido p-aminobenzóico (PABA)


13


Uma solução ácida foi preparada misturando uma solução de HCl misturando 24

mL de HCl 37% em 24 mL de H2O. O ácido p-acetamidobenzóico preparado na etapa

anterior (6,912 g) foi colocado em um balão de fundo redondo de 250 mL e a solução

ácida foi adicionada. Adaptou-se um condensador de refluxo e a mistura foi aquecida

(manta de aquecimento), por 30 minutos. Esfriou-se a solução resultante a temperatura

ambiente, transferiu para um erlenmeyer de 250 mL e adicione 48 mL de H2O.

Neutralizou-se com uma solução aquosa de amônia (use a capela), adicionando

pequenas porções de NH4OH (aq.) até pH 9 (papel indicador de pH).

A solução final adicionou-se 5mL de ácido acético glacial (para cada 30 mL da

solução final adicionou-se 1,0 mL de ácido),após a adição do ácido observou-se a

formação de um precipitado. A mistura foi resfriada em banho de gelo e depois foi

filtrado à vácuo ; o sólido foi colocado na estufa por 1h.

Após a secagem obteve-se uma massa de 4,650 g. A faixa de fusão medida

experimentalmente foi 186- 188 ° C, coerente com o valor indicado na literatura (186 –

189°C).

Cálculo do Rendimento

p-Toluidina:

A massa molar da p-toluidina 108g/mol e do ácido p-acetamidobenzóico 180g/mol,

massa molar do PABA 138 g/mol. Com base na p-toluidina a massa esperada seria de

10,286g, a massa obtida foi 4,650 g, logo em relação a p-toluidina o rendimento foi de

45,2 %.

p-Acetamidobenzoico

Tendo como reagente limitante o p-acetamidobenzóico, a massa esperada seria de

5,292g, obteve-se 4,650g. Logo, o rendimento em relação a esse reagente foi 87,86%.

Espectros do PABA

Espectro de Infravermelho


14


A presença de uma banda de absorção faixa 1665 – 1700 cm -1 (νC=O) associado à

absorção entre 3300 – 2500 cm-1 (νO-H) é característico de ácidos carboxílicos. A presença

de absorções em dublete entre 3366 e 3383 cm-1 (νN-H) característico de amina primária.

As absorções a 1604 e 1638 cm-1 (νC=CAr) indica a presença de um anel aromático.

Analisando a região entre 900 – 700 cm-1 constata-se uma absorção forte a 843 cm-1 (C-H

(ArH) indicativo de padrão p-dissubstituído.

Espectro de massas


15


A massa do íon

molecular indica que a substância tem massa molecular igual a 137 g/mol. De fato,

segundo a literatura a MM do PABA é de 137,136 g/mol. Segundo a “Regra do

nitrogênio”, íon molecular ímpar indica a existência de um átomo de nitrogênio.

EM também mostra que o pico em 92 m/z, M-17, refere-se à perda de OH .e o pico em

120 m/z , M-45, à perda de CO2H. Além disso, picos em 65 m/z e 66 m/z indicam

fragmentação de aminas aromáticas. O que confirma as análises do IR.

.

Espectro de Ressonância de Hidrogênio

Na análise do RMN de 1H constatou-se a

presença de 2 picos

(7,65 e 6,57, hidrogênios

B e C) em região

característica de H de aromáticos, com picos muito intensos, os hidrogênios são simétricos.

Um pico com deslocamento químico em 12 ppm que provavelmente refere-se ao H mais

desblindado, isto é, do ácido carboxílico. O quarto pico em 5,89 ppm, referente aos H do

grupo amino que são desblindados por causa da anisotropia do anel e da ressonância

(grupo amino do elétrons por efeito mesomérico) que remove densidade eletrônica do

nitrogênio.

Esta etapa da síntese é a remoção do grupo acetil e conversão do grupo amino que

tinha sido protegido na primeira etapa (acetilação) para evitar a sua oxidação. A reação que

ocorre é uma hidrólise ácida, adição nucleofílica ao carbono carbonílico, onde o ácido


16


protona o carbono da Carbonila do grupo amida, tornando-o mais reativo e o nucleófilo

desta reação é a água.

O mecanismo proposto para esta síntese é:

Thais não coloquei o mecanismo pq minha scaner quebrou... se vc puder coloca aqui.

O Espectro de Ressonância de Carbono para o PABA não foi encontrado na base de

dados.

3.4 Síntese da Benzocaína


17


Colocou-se 3,919 g (o PABA foi pesado após uma semana de sintetizado e verificou-se

uma perda de 0,731g correspondente a moléculas de água) de ácido p-aminobenzóico em

um balão de fundo redondo de 250 mL, adicionou-se 65 mL de etanol 95% e agitou-se

suavemente até que a maioria do ácido se dissolvesse.

Esfriou-se a mistura em um banho de gelo e lentamente adicionou 5,0 mL de H2SO4

concentrado. Uma grande quantidade de precipitado se formou, e a mistura ficou com

aspecto leitoso. Conectou-se um condensador de refluxo ao balão e aqueceu a mistura,

permitindo por um período de 2 horas. Agitou-se o balão manualmente em intervalos de 15

minutos durante a primeira hora de refluxo.

Transferiu-se a solução para um béquer de 500 mL e adicionou-se porções de uma

solução aquosa de Na2CO3 10% para neutralizar a mistura, elevando o pH entre 9 e10.

Durante a adição de carbonato de sódio observou-se a formação de bolhas, característico

de liberação de gás CO2 proveniente da reação ácido-base. Filtrou-se o sólido a vácuo, a

secagem do sólido foi feita a temperatura ambiente.

O filtrado foi transferido para um funil de separação de 250 mL e adicionou-se 25

mL de éter etílico para fazer a extração, foram realizadas quatro extrações sucessivas

usando 25 mL de éter etílico como extrator. Separou-se a fase orgânica da aquosa,

secando-a com Na2SO4 anidro, filtrou-se por gravidade e removeu-se o éter e o etanol

aquecendo a solução em banho-maria. Quando a maioria do solvente foi removido

(aproximadamente 5 mL remanescentes) visualizou-se um óleo amarelo no frasco.

Adicionou-se 3 mL de etanol 95% e aqueceu a mistura em uma placa até que todo o óleo

se dissolvesse. Diluiu-se a solução com água até tornar-se opaca, esfriou-se a mistura em

banho de gelo para promover a cristalização da Benzocaína, e submetido à filtração a

vácuo.

A massa obtida na primeira etapa foi de 3,025 g e a massa do “filtrado” foi 0,25g. A

massa total de Benzocaína 3,275g.

A faixa de ponto de fusão determinada para Benzocaína 88-90 °C, bem próximo do

valor indicado na literatura 89-92 °C.


18


Cálculo do Rendimento:

P- Toluidina:

A massa esperada de Benzocaína com base na p-toluidina é 12,29g, porém foi obtido

3,275g na síntese. Dessa forma, o rendimento com base nesse reagente é 26,64%.

PABA:

A massa de Benzocaina esperada 4,72g, massa obtida 3,275g. Logo, o rendimento foi de

69,4%.

Espectros da Benzocaína

Espectro de Infravermelho


19


A presença de uma banda de absorção em 1667 cm-1 (νC=O) associado a absorções

em 1282 – 1312 cm-1 são característicos de ésteres. A presença de absorções em dublete

entre 3346 e 3424 cm-1 é característico de amina. As absorções a 1601, 1476 e 1460 cm-1

(νC=CAr) indica a presença de um anel aromático. A região entre 900 – 700 constata-se

uma absorção forte a 843 cm-1 (C-H (ArH) indicativo de padrão p-dissubstituído. Além disso,

observa-se com a absorção a 2986 cm-1 a presença de carbono com hibridização sp3.

Espectro de massas


20


O pico do íon molecular indica que a substância tem massa molecular igual a 165

g/mol. Segundo a literatura a MM do p-aminobenzoato de etila é de 165,18 g/mol.

Segundo a “Regra do nitrogênio”, uma molécula de MM ímpar indica a presença de um

átomo de nitrogênio. EM também mostra que o pico base em 120 m/z, refere-se à perda de

do radical OCH2CH3 e o pico em 92 m/z, à perda do radical COOCH2CH3. Além disso,

picos em 65 m/z indicam fragmentação de aminas aromáticas.

Espectro de Ressonância de Hidrogênio

Na análise do RMN de 1H apresenta multipletos na região característica de H de

aromáticos (hidrogênios A e B, 7,8 e 6,6 ppm). O multipleto em 4,1 ppm, refere-se aos H

do grupo amino que são desblindados por causa da anisotropia do anel .Um pico com


21


deslocamento químico em 4,3 ppm é devido aos hidrogênios no carbono ligado ao

oxigênio de ligação simples que são desblindados por causa da eletronegatividade do

oxigênio. O tripleto em 1,3 ppm é dos hidrogênios do grupo metila, -CH3.

Espectro de Ressonância de Carbono

Observa-se a presença de 7 tipos de C no espectro. Quatro picos estão na região

característica de aromáticos. Destes quatro, o carbono 2 é o mais desblindado devido ao

efeito indutivo do grupo amino que retira elétrons deixando o C2 mais desprotegido.

Observa-se um pico com deslocamento químico de ~14 ppm referente ao C mais

protegido, -CH3 de . Há também um pico com deslocamento químico de ~60 referente ao

C de metila, -CH2-, acima do esperado ( 10 – 50 ppm) devido ao C está ligado ao átomo

de oxigênio do grupo éster.

A Benzocaína é obtida através da reação de esterificação do PABA em meio ácido. Esta

reação também é uma adição nucleofílica (do etanol) ao carbono da carbonila. O

mecanismo proposto para esta síntese é:

Colocar o mecanismo


22


4.0 Conclusão

5.0 Referências

Database ChemSpider RSC. The Free Chemical Database. Disponível em:

http:www.chemspider.com*chemical-structure63234.html. Acesso em 27/02/2013.

PAVIA, Donald L. Química Orgânica Experimental: Técnicas de pequena

escala.2.ed. Porto Alegre, RS: Bookeman, 2009.

VOGEL, A.I.; Química Orgânica – Análise Orgânica Qualitativa. 3ª Edição,

Vol: a, 1971-1985. LTC, RJ.

SOLOMONS, T. W. Graham; FRYHLE, Graig B. Química orgânica. 8.ed.

Rio de Janeiro: LTC, 2005. v.1.

SHRINER. The Systematic Identification of Organic Compounds. 8 ed.

Wiley, 2004.

SILVERSTEIN, D. M. et al; Identificação Espectrométrica de Compostos

Orgânicos, 3ª ed, Editora Guanabara Dois: Rio de Janeiro, 1989


23

Documents

Sintese Da Benzocaina (Luciane e Thais)