IDENTIFICACIÓN ORGÁNICA DE LA MUESTRA PROBLEMA

Facultad de Ciencias Básicas, Programa de Química, Universidad Santiago de Cali

RESUMEN

Se analizó una muestra problema mediante pruebas físicas y químicas que dictaron a que correspondía un isopropanol; un alcohol secundario. Se condujo a eso porque la mayoría de las pruebas que se aplicaron correspondieron a la fortaleza que tiene los grupos hidroxilo, ya sean como cadena funcional o pertenezcan a grupos derivados. Se tuvo en cuenta que pruebas como tollens o de amidas no surtieran efecto ya que el grupo hidroxilo mantiene una fuerza intermolecular de puente de hidrogeno no más fuerte que un grupo amino (-NH₂) o de interacción mayor que la de un grupo carbonilo.Por otro lado se verifico lo obtenido experimentalmente mediante la medición cuantitativa de características físicas y químicas de alcohol isopropilico puro, se obtuvo una veracidad alta indicando que la muestra problema conducía a la premisa de un alcohol isopropilico puro.Finalmente se obtuvo que su punto de ebullición es de 82°C con un índice de refracción de 1.3744 y un pH de 6.7 indicando la fortaleza del ion hidroxilo en su molécula. Y se encontraron discrepancias con los datos mismos tomados a uno puro y se explicaron mediante impurezas más no errores instrumentales ni de análisis.

METODOLOGIA

TABLA 1. Materiales y reactivos usados en la identificación de la muestra problema.

MATERIALES REACTIVOS

Tubos de ensayo Ácido sulfúrico (H₂SO₄)

Gradilla Ácido nítrico (HNO₃)Goteros Reactivo de Baeyer

(KMnO₄)Pipetas graduadas de 5.0 mL y de 10.0 mL Reactivo de Tollens

Beakers de 200 mL Reactivo de LucasCrisol y pinzas para

crisol Sodio metálico (Na)

Mechero Bunsen Agua destiladaSistema de destilación

fraccionadaÁcido clorhídrico

(HCl)

Por otro lado, la identificación de la muestra problema tomó 2 tipos de pruebas experimentales generales, las cuales son de físicas y químicas.

1. PRUEBAS FISICAS DETECCIÓN DE OLOR

Consistió en determinar el olor que emana la muestra problema mediante un esparcimiento del olor que libera la matriz con la mano y a una distancia prudente de la cara con la muestra, percibir su olor y relacionarlo con reactivos químicos usados en prácticas pasadas.

2. PRUEBAS QUIMICAS

PRUEBA DE SODIO METÁLICO

En un tubo de ensayo se tomó 2.0 mL de la solución problema y se observó la rapidez de disolución del sodio en la muestra.

PRUEBA DE OXIDACIÓN – REACTIVO BAEYER

Inicialmente se preparó el reactivo Baeyer mediante la solución de permanganato de potasio (KMnO₄) al 1.0% con carbonato de sodio (Na₂CO₃) al 1.0% en una relación 2:1. Al prepararse la solución de KMnO al 10%₄ , se forro la mezcla con papel aluminio para evitar la foto oxidación del MnO₄¯.

Posteriormente, se tomó 2.0 mL de la muestra problema en un tubo de ensayo al

cual se le agrego 3 a 5 gotas del reactivo Baeyer y se observó cambios físicos.

PRUEBA DE SULFONACIÓN

Se colocó en un tubo de ensayo 2.0 mL de muestra problema y se mezcló con 3.0 mL de ácido sulfúrico concentrado (H₂SO₄). Finalmente, se calentó la solución en baño María por 3 a 5 minutos. Se observó cambios.

PRUEBA DE NITRACIÓN

Inicialmente se preparó una solución entre ácido sulfúrico y ácido nítrico; ambos concentrados, en un beaker de 50 mL.

Por otro lado, se tomó una alícuota de 2.0 mL de muestra problema, la cual se vertió en un tubo de ensayo y se le agrego 2.0 mL de solución de ácidos. Se observó reactividad.

PRUEBA DE LUCAS

Inicialmente se preparó el reactivo de Lucas mediante la adición de 45.0 mL de ácido clorhídrico (HCl) en porciones a 68 gramos de cloruro de zinc (ZnCl₂), los cuales están en un beaker de 250 mL. Cuyo sistema debe mantenerse en un baño de hielo durante la adición del ácido y en constante agitación.

Por otro lado, se tomó 2.0 mL de muestra problema que se vertieron en un tubo de ensayo. A esta muestra se le agrego 2 a 3 mL de reactivo de Lucas. Se dejó reposar y se observó cambios físicos.

PRUEBA DE TOLLENS

Inicialmente se preparó el reactivo de Tollens, el cual consistió en agregar 2 gotas de una disolución de NaOH al 5% a 1.0 mL de disolución acuosa de AgNO₃ al 5%. Después se agregó gota a gota y con agitación NH₄OH 2N (normal) hasta disolver el precipitado que quedo de la disolución anterior.

Por otro lado, se tomó una alícuota de 2.0 mL de muestra problema, se la vertió en un tubo de ensayo y se le agrego 2.0 mL de reactivo de Tollens. Se observó reactividad química.

PRUEBA DE INFLAMABILIDAD

Se tomó una alícuota de 2.0 mL de muestra problema, se la vertió en un crisol. Este crisol se sobrepuso a un mechero Bunsen prendido, y con precaución de observo lo sucedido.

DETERMINACIÓN DEL PUNTO DE EBULLICIÓN

Inicialmente se montó el equipo de destilación fraccionada. Se tomó una alícuota en relación 1:1 con agua, por tanto se tomó 10 mL de muestra problema y se mezcló con 10 mL de H₂O.

Se agregó perlas de ebullición al sistema cerrado con llama controlada, y se determinó que sustancia sale antes o después del punto de ebullición del agua (100°C) detectando el punto de ebullición de la sustancia saliente.

DETERMINACIÓN DEL pH.

Primero que todo, se tomó una solución buffer de pH determinado (pH 4) para calibrar el pH-metro. Al calibrarse, se tomó el pH de la matriz directamente.

DETERMINACIÓN DEL INDICE DE REFRACCIÓN

Inicialmente, se lava el refractómetro con agua y se calibra sabiendo que el índice teórico es 1.0. Y finalmente, se tomó una alícuota de la muestra problema; 1.0 mL, y se agregó gota a gota en el refractómetro. Se tomó el valor experimental.

HIDRÓLISIS BÁSICA DE UNA AMIDA

Consistió en tomar una alícuota de 2.0 mL de muestra problema, y se adicionó 2.0 mL de NaOH concentrado. Y se midió su pH.

HIDRÓLISIS ÁCIDA DE UNA MIDA

Consistió similar al paso anterior pero se reemplazó el hidróxido de sodio (NaOH) con H₂SO₄ concentrado.

PRUEBA DE SOLUBILIDAD

Consistió en la prueba de solución entre 2.0 mL de muestra problema en 2.0 mL de agua. Se observó resultados.

RESULTADOS Y DISCUSION

Inicialmente con la percepción del olor se identificó como premisa que la muestra problema era un alcohol.

TABLA 2. Examen preliminar a las pruebas químicas.

PRUEBAS FISICAS RESULTADOAspecto físico Líquido.

Color Transparente.

Olor Fuerte, similar a los alcoholes.

Ya que la matriz de muestra problema físicamente se asemejaba a alcoholes por su debida tonalidad traslucida y al destaparlo se sintió un olor fuerte. Lo anterior es debido al grado de acidez de los alcoholes y este desciende con respecto a donde vaya ubicado el grupo hidroxilo (-OH) en la cadena carbonada. Por ejemplo, los alcoholes primarios poseen el grupo hidroxilo terminal, su impedimento estérico es muy pequeño y por tanto su acidez es grande.

FIGURA 1. Formación del ion alcóxido para alcoholes primarios.

Los alcoholes secundarios como el isopropanol, su acidez es reducida ya que el

carbono del grupo hidroxilo tiene como grupos adyacentes dos grupos alquil o aril, pero por lo general no son suficientemente electronegativos por tanto su geometría química solo se ve impedida por atracciones electromagnéticas pero el momento dipolar sigue siendo hacia el oxígeno. Y ya los terciarios como carbono cuaternario en cadena carbonada su impedimento esta al máximo y esto afecta su acidez. La acidez tiene que ver con el efecto del ataque nucleofilico, que tan fácil es de atacar para sobreprotonar. (1)

x

x

Por otro lado, se realizaron todas las pruebas químicas respectivas a la identificación del grupo funcional. Entre muchas de las pruebas que se aplicaron a la muestra, dos pruebas estuvieron enfocadas a grupos carbonilo, tres pruebas se enfocaron en anillos bencénicos y reconocimiento de aromáticos mono y polisutituidos. Y las demás a base de grupos hidroxilo. Se planteó, entonces, una premisa clave para el trabajo la cual fue si se identificó físicamente y de perspectiva también que la muestra consistía en un alcohol, los resultados del grupo hidroxilo enfáticamente eran los esperados.

En la TABLA 3 se muestra cada uno de los resultados obtenidos de las pruebas químicas. Cabe aclarar que las pruebas como “determinación del pH” o “determinación del índice de refracción” son pruebas cuantitativas que serán base de veracidad con datos teóricos del grupo orgánico que ya se hubiese determinado con las demás pruebas.

TABLA 3. Pruebas químicas con sus respectivos resultados a la muestra

problema.

PRUEBA RESULTADO

Prueba de sodio metálico (Na)

La disolución del cristal de sodio se solubilizo medianamente rápido.

Prueba de oxidación –

reactivo Baeyer (KMnO₄)

La prueba de oxidación dio positivo.La solución viro a un café rojizo.

Prueba de sulfonación

No hubo separación de fases. Resulto una mezcla homogénea turbia.

Prueba de nitración

La prueba indica un índice de reactividad muy grande. La muestra problema es reactiva frente al ácido nítrico caliente.

Prueba de Lucas

La solubilidad dio positiva. Pero el tiempo que tomo la dilución del reactivo de Lucas e el alcohol fue

medianamente rápido.

Prueba de Tollens

La prueba dio negativa. La mezcla viro a negro. Es decir la muestra problema no responde ni a un aldehído (no forma espejo de plata) ni a cetona (no vira a color purpura).

Prueba de inflamabilidad

La muestra es muy inflamable. Reacciona inmediatamente a exposición de calor.

Prueba de solubilidad en

aguaEs soluble en agua.

Determinación del punto de

ebullición

Se separó del agua antes del punto de ebullición del agua (100°C). Se determinó un punto de ebullición en un rango de 80°C a 82°C.

Determinación del pH

Se midió un pH de 6.7 por duplicado.

Determinación del índice de

refracción

Se determinó un índice de refracción de 1.3722

Hidrólisis básica de una amida

El resultado dio negativo. No hubo desprendimiento de gas.

Hidrólisis acida de una amida

Se comprobó la acidez de la muestra problema. Se generó una solución homogénea con ácido y dio negativo ya que no hubo precipitado.

PRUEBA DE SODIO METÁLICO

Primeramente, se tuvieron como teoría dos conceptos preliminares: los alcoholes se comportan como ácidos o bases débiles, dependiendo de la naturaleza de la sustancia con la que reaccionan. Si un alcohol se hace reaccionar con una base muy fuerte o con un metal alcalino capaz de desprotonar el alcohol, este se comporta como un ácido y el producto que se forma es una sal. (2)

FIGURA 2. Formación del ion alcóxido y del electrófilo.

Por tanto la solubilidad inmediata y la medianamente inmediata forma una sal, pero en casos los alcoholes presentan resistividad mostrando insolubilidad. Y que, partiendo del concepto de acidez de los alcoholes, por estabilidad y por mayor grado de acidez, los alcoholes primarios hacen solubilizar inmediatamente el trozo de sodio en una reacción de síntesis de haluros de alquilo, esto mismo sucede para los secundarios pero en un tiempo más largo. Los terciarios por sobre poblamiento de especies adyacentes necesita de energía para poder hacer reaccionar el ataque nucleofilico del sodio al ion alcóxido.

x

x

Y como la disolución del cristal fue medianamente rápido es sensato decir que es un alcohol secundario. Las demás pruebas rectifican que es un isopropanol, por ende la reacción de este con sodio es:

2C3H 7OH +2Na→2C 3H7ONa+H2

En donde todos los reactantes son biomoleculares debido a la valencia del hidrogeno que se libera a la atmosfera.

PRUEBA DE LUCAS

Con esta prueba, se obtuvo que el alcohol reacciono moderadamente rápido, lo cual es un indicio de alcohol secundario. Esto se debe a que el carbocatión que se despeja con el grupo hidroxilo, tiene una estabilidad que es repartida entre los iones Cl−¿¿ que lo

rodean. Esta prueba se caracteriza porque las reacciones llevadas a cabo son de tipo SN1, debido a que las reacciones no son concertadas, es decir no ocurren rápidamente, además los nucleófilos que actúan en estas reacciones son muy débiles.

Cabe recordar que la prueba de Lucas se caracteriza porque depende de la velocidad con que reaccionan los alcoholes, los alcoholes primarios no reaccionan o lo hacen muy lentamente, los alcoholes secundarios reaccionan para formar una solución turbia formando dos capas, y la velocidad en que lo hace no es superior a 10 minutos; los alcoholes terciarios en cambio reaccionan inmediatamente, y forman al igual que los secundarios una solución turbia que es inmiscible y por lo tanto forma 2 capas.

FIGURA 3. Prueba de Lucas en reacción con los alcoholes primarios, secundarios y

terciarios.

La figura 3 representa las reacciones de los diferentes tipos de alcoholes con el reactivo de Lucas, para el caso de los alcoholes primarios como se mencionó anteriormente no reaccionan, y si lo hacen toma horas y en caliente para que ocurra, además se caracterizan porque sufren una SN2 a diferencia de los alcoholes primarios y secundarios que si sufren SN1; los alcoholes primarios solo pueden formar carbocationes primarios inestables y por lo tanto reaccionan con halogenuros de hidrógeno, debido a que es una reacción de tipo SN2, reacciona rápidamente, la figura 4 muestra las dos etapas de la reacción de alcoholes primarios con el Br−¿¿, pero también ocurre con el

Cl−¿¿, y muestra claramente en la segunda etapa como se forma el ion oxonio con la adición de H+¿¿, y que posteriormente es desplazado como molécula de agua por el Br−¿¿, que en un estado de transición ataca por detrás del carbono (típico de las SN2) y ocurre la sustitución bimolecular; cabe recordar que esta reacción se puede llevar al cabo de varias horas y en calentamiento continuo.

FIGURA 4. Reacción de SN2 para alcoholes primarios.

Las reacciones ocurren de manera análoga para los alcoholes secundarios y terciarios, pero se diferencias de los primarios, de que son de tipo SN1, por lo tanto son reacciones lentas a temperatura ambiente. Como se mencionó anteriormente los alcoholes secundarios reaccionan lentamente (no superior a los 10 minutos), los alcoholes terciarios en cambio reaccionan rápidamente en menos de 1 minuto, esta reacción no es concertada para considerarse una SN2; una de las posibles razones por la cual no ocurre la SN2 es debido al impedimento estértico el cual es mayor para alcoholes terciarios, el cual impide que ataque los iones halogenuro por detrás del carbono.

PRUEBA DE INFLAMABILIDAD

En la IMAGEN 1 se muestra una de las cualidades de reacción de verificación de alcoholes. Los grupos hidroxilo mantienen un momento dipolar estrictamente dirigido al oxígeno y en aumento de presión y en contacto con la atmosfera sucede algo similar al experimento de Gay – Lussac acerca de la relación de proporcionalidad entre presión y temperatura. La flama hace que haya presión entre las moléculas de oxigeno atmosféricas que rodean al grupo hidroxilo, se mueven tanto que estallan con tanta fuerza en la nube electrónica de este grupo que en cierto momento se rompe el enlace y se manifiesta en una explosión.

xx

IMAGEN 1. Prueba de inflamabilidad de la muestra problema.

PRUEBAS DEL GRUPO CARBONILO (TOLLENS)

En esta prueba al agregar el nitrato de plata, encontró el anión un impedimento electronuclear acerca de las fuerzas intermoleculares de puente de hidrogeno que tiene el grupo hidroxilo (-OH). En grupo carbonilo, se forma el carbocation, el ion nitrato es una base neuclofila que ataca al carbocation y forma un complejo de plata el cual sufre un proceso de reducción a plata sólida y el carbonilo sufre oxidación. Por tanto no formo nada más que una solución oscura.

PRUEBAS DE RECONOCIMIENTO DE AROMATICOS (SULFONACIÓN, NITRACIÓN Y AROMATICIDAD)

Todas estas pruebas tiene que ver con ataques nucleofilicos en 1 paso. Consistidas en romper en doble enlace y compensar las cargas del carbocation con el nucleofilo. Y es más reactivo con aromáticos porque necesita catalizadores como el calor para servir de precursor en las reacciones ya que la estabilidad del anillo hace que se necesite más energía, y en alcoholes los ácidos son muy reactivos ya que catalizan en ion hidroxilo al estado explosivo. Todas dieron negativo frente a identificación de aromáticos.

IMAGEN 2. Prueba de nitración de la muestra problema.

IMAGEN 3. Prueba de sulfonación de la muestra problema.

PRUEBA DE OXIDACIÓN

Esta reacción utilizó el reactivo Baeyer usado para la identificación de alquenos es decir el KMnO_4, generalmente las oxidaciones de los alcoholes en los laboratorios se generan con ácido crómico (una mezcla de Na₂Cr₂O₇ con H₂SO₄) (FIGURA 6) para obtener ácidos carboxílicos, o con clorocromato de piridinio (PCC – FIGURA 5) para obtener aldehídos, debido a la presencia del cromo en ambos reactivos para la oxidación del alcohol lo convierte en reactivos muy contaminantes, por lo cual se emplean otros métodos de oxidación más compactibles con el medio ambiente, como la deshidrogenación de alcoholes, es decir eliminación de dos átomos de hidrógeno del alcohol. Esta reacción industrial se produce a alta temperatura, utilizando cobre u óxido de cobre como catalizador. La principal limitación de la deshidrogenación es la poca estabilidad que tiene los compuestos orgánicos a temperaturas de 300°C. La deshidrogenación no es apropiada para la síntesis en el laboratorio.

FIGURA 5. Oxidación de alcoholes con PCC

FIGURA 6. Oxidación de alcoholes con cromato (CrO₃¯)

Pero, con respecto a lo experimental, la oxidación genero un compuesto entre rojo y café. Las tonalidades oscuras indica la formación de grupos cetonicos. Y con base a la hipótesis de haber hallado el alcohol isopropanol como muestra problema concuerda ya que el agente oxidante utilizado fue KMnO₄ que siempre llega cetonas inmediatamente con alcoholes secundarios o con los primarios lo hace también pero es un ciclo que toma más tiempo. (4)

FIGURA 7. Ecuación de oxidación del alcohol isopropanol con MnO₄¯.

IMAGEN 4. Prueba de oxidación de la muestra problema.

PRUEBA DE SOLUBILIDAD EN AGUA

El grupo hidroxilo tiene puentes de hidrogeno por lo que lo hace reaccionar con moléculas similares. El agua es una molécula que crea puentes de hidrogeno. Los alcoholes son polares y respecto a la teoría de solubilización de compuestos similares, fue correcta la solución de este en agua.

COMPARACIÓN DE DATOS CUANTITATIVOS

TABLA 4. Relación datos teóricos de alcohol isopropanol puro con los experimentales del

mismo.

PRUEBA CUANTITATIVA

DATOS TEORICOS

DATOS EXPERIMENTALES

pH 5.6 6.7

INDICE DE REFRACCIÓN 1.3722 1.3744

TEMPERATURA DE EBULLICIÓN 82°C 82.5°C

Cabe aclara que la variación de los datos en la tabla se debe a seguramente impurezas que se pudieron presentar en los análisis o ya congénitas en la muestra del alcohol.

CONCLUSIONES

El isopropanol es un alcohol secundario el cual posee un estabilidad intermedia pero por poseer hidrógenos alfa adyacentes su grado de acidez se reduce a comparación de los alcoholes primarios.

Las pruebas no mencionadas como las hidrolisis acida y básica de amidas por supuesto dieron negativas respecto a presencia de amidas pero como el grupo amino (-NH₂), el grupo hidroxilo también genera puentes de hidrogeno, lo cual reacciona con medios ácidos por tanto en hidrolisis acida mostro un comportamiento notable que no hizo con la hidrolisis básica.

La oxidación de alcoholes es un proceso cíclico de auto oxidación ya que la búsqueda de estabilidad del alcóxido necesita de iones más estables como el de cetona, por tanto es muy difícil con agentes oxidantes en caliente dar resultado en aldehído fijo, pero existe el método de Jones acerca del PCC (clorocromato de piridinio) que estabiliza el ion

alcóxido lo suficiente como para solo oxidar a aldehídos.

La técnica de destilación fraccionada fue útil ya que los puntos de ebullición del alcohol iso y del agua son muy próximos.

BIBLIOGRAFIA

1. L. O. Smith, J.; Cristol, S. J. 3era parte: REACCIONES ORGANICAS - Cap. 10: Acidez y basicidad en los compuestos orgánicos. In QUÍMICA ORGÁNICA, Primera ed.; Xorge, D. A., Inez, B. S., Eds.; Reverté S.A: Barcelona, España, 1970; Vol. I, pp Sección 10-2: Acidez y acidos organicos. Págs. 216 - 218.

2. I, G. D. S. O. U. D. J. TEMA 3: Alcoholes, 2000. Págs. 5 - 6. http://www.sinorg.uji.es/Docencia/QO/tema3QO.pdf (accessed Mayo 25, 2014).

3. Dupont, D. H.; George, G. W. Procedimiento - CLASIFICACIÓN DE ALCOHOLES. In QUÍMICA ORGÁNICA EXPERIMENTAL, Primera ed.; Manuel, C. M., Ricardo, J. G., Eds.; Reverté S.A: Barcelona; España, 2007; Vol. I, pp Parte D: Ensayo de Lucas. Págs. 508 - 509.

4. Sara, A.; Cecilia, B.; Pedro, A. Cap. IV - Aldehidos, cetonas y alcoholes. In QUIMICA II - QUIMICA EN ACCIÓN, Primera ed.; Jorge, M., Omar, L., Raul, C., Pablo, E., Eds.; Ediciones COLIHUE: Buenos Aires, Argentina, 2004; Vol. I. Reacciones redox de los alcoholes -Reacciones redox d Págs. 150 - 151.