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Sntesis de 2-bromopropano y de 2-cloro-2-metilbutano

A. Resumen

Se realiz una disolucin de bromuro de sodio con 2-propanol y cido sulfrico para lograr la sntesis

del 2-bromopropano, se midi el ndice de refraccin del producto resultando en 1.4262, adems se

calcul el porcentaje de rendimiento el cual fue de 18.45%. Por otra parte se realiz una disolucin de 2-

metil-2-butanol con cido clorhdrico para lograr la sntesis del 2-cloro-2-metilbutano, se midi el ndice

de refraccin de este el cual fue de 1.4070, de igual manera se calcul el porcentaje de rendimiento de

este el cual fue de 57.75%. Finalmente se realizaron un par de pruebas para verificar las caractersticas

del haluro obtenido, NaI en acetona y AgNO3 en etanol.

B. Introduccin

Los haluros de alquilo son compuestos que poseen un tomo electronegativo (haluros) que atrae

densidad electrnica, estos participan en las reacciones de eliminacin y de sustitucin dependiendo a

su estructura. En las reacciones de sustitucin el tomo que atrae densidad electrnica es sustituido por

otro tomo o grupo, a este tomo que es sustituido se le llama grupo saliente. Las reacciones de

sustitucin tambin se conocen como reacciones de sustitucin nucleoflica, ya que el tomo que

sustituye al grupo saliente es un nuclefilo (especie rica en electrones que puede donar para formar un

enlace). Las reacciones de sustitucin se pueden dar de 2 maneras; una reaccin de sustitucin dada se

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presenta cuando el nuclefilo es atrado por el carbono con carga parcial positiva (electrfilo), a medida

que este se acerca al carbono se va formando el enlace entre nuclefilo y el carbono, al mismo tiempo el

haluro con carga parcial negativa se va alejando del carbono con los 2 respectivos electrones del enlace

que los una, hasta el punto en el que se libera el haluro dando as el ion haluro correspondiente y el

producto de la sustitucin, este tipo de sustitucin es llamada SN2. La otra posible sustitucin se da

cuando el enlace carbono-halgeno se rompe sin que el nuclefilo participe en este proceso, formando

as un carbocatin, posteriormente el nuclefilo ataca al carbocatin formando as el enlace, a este tipo

de sustitucin se le conoce como SN1 (Yurkanis, 2008).

Existen diferentes formas de sintetizar haluros de alquilo. Por medio de alcoholes es una de ellos, sin

embargo dependiendo del tipo de alcohol la reaccin se da o no. Los alcoholes primarios y secundarios

necesitan un agente cataltico para poder dar como producto el haluro respectivo. Los terciarios son lo

suficientemente reactivos como para reaccionar con los cidos sin un catalizador. La reactividad de los

haluros depende de su estructura y del halgeno que lo conforme. Si no hay impedimento estrico, una

reaccin SN2 se ve favorecida. De igual manera los grupos salientes llevan un orden donde I>Br>Cl

(Yurkanis, 2008). Como objetivos en la presente prctica se encuentra reconocer los tipos de haluros y

formas de sintetizarlos ms comunes y relacionar como la estructura afecta las propiedades fsicas y

qumicas.

C. Seccin Experimental

Para la primera parte se inici pesando entre 7-8g de NaBr y se transfiri a un baln de 100mL, a

este baln se le aadi 5mL de 2-propanol y una pastilla de agitacin; este baln fue enfriado

posteriormente en un bao de hielo. Por otro lado, en un beaker se combinaron 6mL de agua destilada y

10mL de H2SO4. Se tom el contenido de este beaker y se aadi al baln que contena el alcohol con

NaBr. Se arm el equipo de destilacin. Seguidamente se comenz la destilacin calentando el baln

con ayuda de una manta de calentamiento. Una vez finalizada la destilacin se tom el destilado y se

transfiri a un embudo separador al cual se le aadi 10mL de agua para lograr separar las fases del

destilado. Se lav la fase orgnica con una disolucin fra de NaHCO3 y se sec con CaCl2 anhidro. Se

filtr la disolucin y se determin el porcentaje de rendimiento y el ndice de refraccin.

Para la segunda parte se aadi a un embudo separador 5mL de 2-metil-2-butanol y 25mL de HCl. Se

agit la mezcla vigorosamente liberando presin constantemente. Se dej reposar y se separ la fase

acuosa de este. Se lav la fase orgnica con 10mL de agua fra y posteriormente con 10mL de NaHCO3

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fro. Se sec con CaCl2 anhidro, se filtr la disolucin y se determin el porcentaje de recuperacin y el

ndice de refraccin.

Para la tercera parte se aadi 1mL de NaI en acetona en 3 diferentes tubos de ensayo,

seguidamente se aadi en tubos diferentes 1 gota de 1-bromobutano, 1 gota de cloruro de bencilo y 1

gota del producto de la sntesis. Se realiz el mismo procedimiento intercambiando el NaI en acetona

por AgNO3 en etanol.

D. Resultados y Observaciones

Cuadro I. Sntesis de 2-bromopropano a partir de 2-propanol, bromuro de sodio y cido sulfrico

Reaccin

Nombre 2-

propanol bromuro de

sodio cido

sulfrico

2- bromopropano

bisulfato de sodio

agua

Frmula C3H8O NaBr H2SO4 C3H7Br NaHSO4 H2O Estequiometra 1 1 1 1 1 1

Masa Molar (g/mol)

60.095 102.894 98.080

122.992 120.062 18.015

Masa (g) 3.9 7.7 18.302 7.99 7.80 1.17

Volumen (mL) 5 2.4 10 6.08 3.21 1.17

Densidad (g/mL)

0.7809 3.200 1.8302

1.3140 2.43 1.00

Moles (mol) 0.065 0.075 0.187 0.065 0.065 0.065

Cuadro II. Masas, porcentaje de rendimiento e ndice de refraccin obtenidos en sntesis de 2-

bromopropano a partir de 2-propanol, bromuro de sodio y cido sulfrico

Masa inicial (g) 44.13

Masa final (g) 45.61

Masa 2-bromopropano (g) 1.48

Porcentaje de rendimiento (%) 18.52

ndice de refraccin 2-bromopropano a 18.3C 1.4270

ndice de refraccin 2-bromopropano corregido 1.4262

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Cuadro III. Sntesis de 2-cloro-2-metilbutano a partir de 2-metil-2-butanol y cido clorhdrico

Reaccin

Nombre 2-metil-2- butanol

cido clorhdrico

2-cloro-2- metilbutano

agua

Frmula C5H12O HCl C5H11Cl H2O Estequiometra 1 1 1 1

Masa Molar (g/mol)

88.148 36.9681

106.594 18.015

Masa (g) 4.05 37.25 4.90 0.83

Volumen (mL) 5 25 5.66 0.83

Densidad (g/mL)

0.8096 1.49

0.8653 1.00

Moles (mol) 0.046 1.008 0.046 0.046

Cuadro IV. Masas, porcentaje de rendimiento e ndice de refraccin obtenidos en sntesis de 2-

cloro-2-metilbutano a partir de 2-metil-2-butanol y cido clorhdrico

Masa inicial (g) 44.34

Masa final (g) 47.17

Masa 2-cloro-2-metilbutano (g) 2.83

Porcentaje de rendimiento (%) 57.75

ndice de refraccin 2-cloro-2-metilbutano a 18C 1.4079

ndice de refraccin 2-cloro-2-metilbutano corregido 1.4070

Cuadro V. Resultados prueba NaI en acetona*

Sustancia Observaciones

1-bromobutano Presenta turbidez

cloruro de bencilo Presenta un amarillo turbio

2-bromopropano No present cambio

2-cloro-2-metilbutano No present cambio

*Ninguna de las sustancias utilizadas presentaba color antes de realizar la prueba

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Cuadro VI. Resultados prueba AgNO3 en etanol*

Sustancia Observaciones

1-bromobutano Presenta un color lechoso

cloruro de bencilo Presenta un color lechoso

2-bromopropano Presenta un color blanco

2-cloro-2-metilbutano Presenta turbidez con precipitado

*Ninguna de las sustancias utilizadas presentaba color antes de realizar la prueba

Clculos Clculo Porcentaje de Recuperacin:

Correccin ndice de Refraccin:

E. Discusin

Segn se mencion anteriormente se utiliz una mezcla de NaBr con H2SO4 y 2-propanol para la

sntesis del 2-bromopropano. Como se puede observar en el Cuadro I, el 2-propanol es un alcohol

secundario por lo tanto esta ser una reaccin de sustitucin nucleoflica unimolecular (SN1). La reaccin

se puede explicar de la siguiente manera: se sabe que un alcohol posee un grupo saliente fuertemente

bsico (OH-) al que un nuclefilo no puede desplazar por lo tanto se necesita convertir al grupo OH en

una base ms dbil para poder ser un mejor grupo saliente; la manera de lograr esto es protonando al

grupo OH para convertirlo en H2O el cual es una base suficientemente dbil y ser ms fcilmente

desplazada por un nuclefilo, es aqu en donde se encuentra la importancia del H2SO4 porque adems

de ayudar a crear el HBr actuar como protonador del OH en la reaccin. La razn de utilizar una

destilacin para la sntesis del 2-bromopropano recae en que al utilizar un alcohol secundario como

punto de partida se obtendr un carbocatin secundario, el cual es ms inestable que un carbocatin

terciario, por lo tanto para acelerar la reaccin es necesario aplicar calor (Yurkanis, 2008). Al finalizar la

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reaccin el producto fue lavado con una disolucin de NaHCO3 la funcin de este es de neutralizar la

disolucin, eliminar cualquier residuo cido presente en el producto orgnico. Para eliminarlo slo es

necesario mirar la densidad del NaHCO3 la cual es 2.20 g/cm3 por lo tanto se sabe que este estar en la

parte inferior del embudo separador (Lide, 2004; Whitten et al., 2009). Se presenta el mecanismo de

esta reaccin a continuacin:

Figura 1. Mecanismo de reaccin de 2-propanol + HBr

En el caso de la sntesis de 2-cloro-2-metilbutano a partir de 2-metil-2-butanol se sabe con base al

Cuadro III que el 2-metil-2-butanol es un alcohol terciario por lo tanto al igual que la sntesis anterior su

mecanismo se desarrollar de una manera similar, ser una sustitucin nucleoflica unimolecular (SN1):

protonar al alcohol en primer lugar, formar un carbocatin y finalmente terminar en el haluro de

alquilo correspondiente. Sin embargo en esta ocasin no ser necesario la aplicacin de calor ya que la

formacin de un carbocatin terciario acelerar considerablemente la reaccin (Yurkanis, 2008). De la

misma manera que en la sntesis anterior el haluro correspondiente fue lavado con agua fra y

posteriormente con NaHCO3. El mecanismo de esta reaccin se presenta a continuacin:

Figura 2. Mecanismo de reaccin de 2-metil-2-butanol + HCl

Observando los porcentajes de rendimiento presentados en los Cuadros II y IV se puede

observar que el mtodo utilizado para la sntesis del haluro terciario (reaccin en embudo separador) es

mucho ms efectivo que el rendimiento reportado para la sntesis del haluro secundario.

Posteriormente se realizaron las pruebas para determinar la identidad del halogenuro de

alquilo. La prueba de NaI en acetona se basa en el hecho que el NaCl y NaBr son slo muy levemente

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solubles en acetona. Con NaI, los bromuros primarios dan un precipitado de NaBr dentro de 3 min a

25C, mientras que los cloruros no dan precipitado y deben ser calentados a 50C para que se efecte la

reaccin. Los bromuros secundarios y terciarios reaccionan a 50C mientras que los cloruros terciarios

llegan a reaccionar despus de uno o dos das (UTFSM, 2013). En base a lo explicado con anterioridad y

a los resultados reportados en el Cuadro III se puede observar que las pruebas en los productos de las

sntesis no resultaron de la manera esperada por lo tanto se infiere que el reactivo (NaI en acetona)

posea algn contaminante, o bien los productos halogenados necesitaban algn mtodo de

purificacin. Se presenta el mecanismo de reaccin de la prueba a continuacin:

Figura 3. Mecanismo de reaccin NaI en acetona + haluro de alquilo

Por otra parte la prueba de AgNO3 en etanol ser una reaccin de tipo SN1. Los haluros terciarios

son ms reactivos en una reaccin SN1 que los haluros secundarios, que son a su vez ms reactivos que

los haluros primarios. Bromuros y yoduros de alquilo reaccionan ms rpidamente que los cloruros,

estos ltimos pueden requerir de calor para producir una reaccin en un tiempo razonable. La visibilidad

de esta prueba recae en la formacin de un precipitado ya sea instantneamente (para haluros

terciarios) o despus de agregar calor (CSUDH, 2013). Segn los resultados del Cuadro IV se puede

observar que el 2-cloro-2-metilbutano fue el nico compuesto del que se obtuvo los resultados

esperados, por lo tanto se infiere que alguno de los reactivos podra poseer algn contaminante

desconocido. A continuacin se presenta el mecanismo de reaccin de la prueba:

Figura 4. Mecanismo de reaccin AgNO3 en etanol + haluro de alquilo

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F. Conclusiones

Se recomienda realizar mtodos de purificacin al haluro obtenido para asegurarse que no se

encuentre contaminantes en ste.

Al realizar las pruebas de identificacin, de igual manera se recomienda verificar la pureza de

estos para asegurarse que los resultados de las pruebas son correctas.

G. Referencias

California State University Dominguez Hills [CSUDH]. Alkyl Halide Classification Tests.

Recuperado el 08 de noviembre de 2013, de

www.nbs.csudh.edu/chemistry/faculty/nsturm/rtf/OrganicChemistry/CHE301L/Procedures_11/Al

kylHalideClassTests_11.docx

Lide, D. CRC: Handbook of Chemistry and Physics: A ready-reference Book of Chemical and

Physical Data 85a ed. CRC Press. Estados Unidos, 2004 p. 4-85

Universidad Tcnica Federico Santa Mara [UTFSM]. Reacciones de los grupos funcionales.

Compuestos halogenados. Recuperado el 08 de noviembre de 2013, de

http://pad.rbb.usm.cl/doc/10949444/53405_LAB._DE_ANALISIS_INDUSTRIAL_I/EXPERIMENTO_

7_Reacciones_de_compuestos_halogenados.pdf

Whitten, K.; Davis, R.; Peck, M.; Stanley, G. Chemistry 9a ed. Cengage Learning. Estados Unidos,

2009 p. 362

Yurkanis, P. Qumica Orgnica. 5 ed. Pearson Prentice Hall. Mxico, 2008 p. 345-385, 430, 431