UNIVERSIDAD DE COSTA RICAESCUELA DE QUÍMICA

SECCION QUIMICA ORGANICAQU-215 - Laboratorio Química Orgánica General II

II Ciclo 2015

Estudiante: Andrea Gómez Sánchez Carné:Grupo:

B1283901

Nombre del Asistente: José Chacón Fecha: 28 de agosto

“Extracción Reactiva: Separar muestra orgánica”Resumen

Se realizó la separación de una mezcla orgánica, de masa inicial 1,04 g compuesta por 50:50 de ácido acetilsalicílico y cafeína mediante la técnica de separación reactiva. Se logró obtener para la Ruta A un 10,9% de aspirina con un punto de fusión de (138-163) °C y la cafeína un 36,36% con (235-241) °C. La ruta B obtuvo un porcentaje de recuperación para la aspirina un 39,4% con (117,4-144,6)°C y  la cafeína un 25% con un (224-258) °C. En general la ruta B presenta mayor porcentaje de recuperación, aunque menor pureza, en comparación con la ruta A.

IntroducciónEn el laboratorio se han desarrollado diversas técnicas fundamentales de

separación, permiten conocer los componentes de una muestra, por lo que siempre ha sido un desafió encontrar nuevos y eficaces métodos. Uno de ellos es la extracción.

La extracción consiste en extraer selectivamente uno o más componentes de un sólido, líquido, o mezcla gaseosa en una fase separada. La extracción líquido-líquido consiste en una competencia de solubilidad entre dos líquidos inmiscibles por un soluto disuelto inicialmente en uno de los solventes. (Gilbert Stephen , 2011, pg 154)

La extracción reactiva según Prieto, L., Calvache, J. & Sánchez C. , es producto de la combinación de extracción en fase líquida-líquido con la reacción química, se fundamenta en los principios de solubilidad y reactividad. Cabe resaltar que una vez que se extraen los productos de reacción (desplazamiento in situ) esto impulsa el desempeño global del proceso.

Para que esto suceda debe existir compatibilidad entre los reactivos, conocer las características de las sustancias involucradas como el pH y el pKa son parámetros que se ayudan a predecir la naturaleza o tendencia de un compuesto.

El pH nos permite conocer la acidez o basicidad de las sustancias y el pKa permite conocer la fuerza de un ácido para poder clasificarlo como débil o fuerte mediante la constante de acidez. Ambas según Yurkanis se calculan de la siguiente forma:

pH=−log ¿ (Ecuación 1)pKA=-log [Ka] (Ecuación 2)

Cuando se estudia la extracción debe tenerse claro la diferencia entre el término de lavado y extracción, según Zubrick el lavado consiste en la eliminación

de impurezas de un buen material, en cambio la extracción pretende extraer un buen material de una muestra impura.

Existen solamente ciertos disolventes adecuados para la extracción, según Romero estos deben cumplir ciertas características específicas, no deben reaccionar con los componentes de la mezcla, tienen que disolver solamente el compuesto deseado, ser inmiscible con la solución original, ser volátiles para poder eliminarlos selectivamente después de la extracción del soluto.

Al utilizar disoluciones muy diluidas en la extracción se requiere utilizar agentes desecantes, los cuales pretenden eliminar en determinado paso la humedad, por ello deben ser insolubles y no reaccionar con el disolvente ni el producto.

Para poder identificar una sustancia se procede a medir mediante técnicas simples ciertas propiedades del compuesto, uno muy utilizado es el punto de fusión. Este se define como la temperatura a la cual las fases sólidas y líquidas se encuentran en equilibrio termodinámico a una presión constante.

Actualmente existen diversas técnicas más sofisticadas y rápidas que permiten la identificación de una sustancia, estas pueden suministrar con pequeñas cantidades de compuesto, mucha información sobre las estructuras de las sustancias. Algunas de estas técnicas son la espectroscopia infrarroja la cual indica las clases de grupos funcionales que tiene un compuesto, mientras que la espectroscopia ultravioleta/visible (UV/Vis), proporciona información sobre compuestos orgánicos con enlaces dobles conjugados.

Esta práctica tiene como objetivo lograr la separación de componentes según su naturaleza química, propiedades ácido-base, utilizar la técnica extracción líquido-líquido, repasar la teoría de pH y pKa y utilizar los esquemas que demuestran las reacciones que ocurren en cada paso de la separación.

Se procede a calcular los porcentajes de recuperación para ambas rutas, mediante la siguiente ecuación:

%Recuperaci ó n=masa obtenida de un compuesto

masa inicial de lamezcla (Ecuación 3)

Sección ExperimentalEn general se realiza la extracción reactiva de cafeína y aspirina para una mezcla inicial de ambos componentes, mediante dos rutas reactivas.

Preparación de la muestra: Se pesa un gramo de la mezcla de cafeína y aspirina con un erlenmeyer de 125 mL se le agrega 25 ml de diclorometano, para luego llevarlo a reflujo por 5 minutos. Se filtra en caliente, se utiliza 3 mL de CH2Cl2 para lavar el sólido.

Ruta A: Se agrega 15 ml de NaOH(5%) para luego con un embudo separador, se separa la fase acusa “Extracto básico” de la orgánica. Luego se agrega a la fase orgánica 15 mL de HCl y se separa de nuevo, la fase acuosa va al recipiente de extracto básico. Se colocan los extractos en agua fría.

La fase orgánica se seca con Na2SO4, luego se filtra por gravedad en un balón de 50 mL prepesado para luego pasar al rotavapor. Mientras los extractos básicos son tratados con HCl gota a gota, mientras se enfrían y se secan con lámpara infrarroja.

Ruta B: Se sigue el mismo orden solo que se trata inicialmente con 15 ml de H2SO4(1M) se separa en el embudo, luego la fase orgánica se trata de nuevo con 15 mL

del ácido para separa de nuevo, en fase orgánica y más acuosa. De nuevo se seca la ase órganica con Na2SO4 y un rotavapor. La fase acuosa se trata con NaOH(1M) gota a gota en un baño de hielo y se secan con lámpara infrarroja.

ResultadosCuadro I. Datos obtenidos mediante la ruta A con masa inicial de 1,10 g

Ácido acetilsalicílico (Orgánico) Cafeína(Acuoso)Masa final

(±0,005g)

% Recuperación

Pto. Fusión(°C)

Masa final

(±0,005g)

% Recuperación

Pto. Fusión(°C)

0,12 10,9 138-163  0,4 36,36 235-241

Cuadro II. Datos obtenidos mediante la ruta B con masa inicial de 1,04 g

Ácido acetilsalicílico (Orgánico) Cafeína(Acuoso)Masa final

(±0,005g)

% Recuperación

Pto. Fusión(°C)

Masa final

(±0,005g)

% Recuperación

Pto. Fusión(°C)

0,41 39,4 117,4-144,6  0,26 25 224-258

Cuadro II. Observaciones sobre el procedimiento de la Ruta B

Observaciones:

En la primera parte de la práctica, no se realiza la prueba de I2/KI, debido a la naturaleza de la mezcla inicial no es necesario comprobar que tiene almidón.

Cuando la fase orgánica estaba secando en el rotavapor, fue un poco difícil pasarlo del balón al vidrio reloj. La fase acuosa cuando se secó se cristalizó formando una capa muy fina con el papel filtro, por lo que a la hora de separar es posible que quedaran trazos de papel.

Cuadro IV. Propiedades químicas y físicas de los reactivos

Nombre Fórmula

Estructura Grupo Funcional

Naturaleza Punto de Fusión(°C)

Ácido acetilsalicílic

oC4H8O4

Anhídrido acético y alcohol

Ácida 135

CafeínaC8H10 N4O2

AminaAmidaImino

Básica 237

Muestra de cálculos

Se procede a calcular los porcentajes de recuperación para ambas rutas, con la ecuación 3. Para la parte B, el ácido acetilsalicílico obtuvo el siguiente resultado:

%Recuperación=0,41 g de aspirina1,04 g demezcla

*100= 39,4%

Y para la cafeína de:

%Recuperación=0,26 g decafe í na1,04 g demezcla

*100= 25%

DiscusiónDurante la primera parte de la práctica se tuvo como objetivo obtener un líquido

rico en cafeína y aspirina, para esto se utilizó el diclorometano (disolvente orgánico), luego se llevó a reflujo con el fin de garantizar la total disolución de la muestra. La elección del disolvente se realiza en cada caso teniendo en cuenta la solubilidad del mismo con la sustancia a extraer y la facilidad con que puede separarse ésta del disolvente.

El diclorometano es adecuado porque cumple los requisitos para ser un disolvente en la extracción, es inmiscible en agua, disuelve bien la mezcla, no altera estructura de los compuestos a extraer y tiene bajo punto de ebullición (39.8°C) por lo que es fácil de eliminar calentando.

Se filtra por gravedad para eliminar los residuos, las partículas inorgánicas no disueltas en disolvente orgánico, con la precaución de que todos los instrumentos a utilizar se calientan previamente en la estufa. Es de vital importancia que esta filtración sea en caliente para evitar cualquier cambio térmico, una menor temperatura propicia la cristalización prematura ocasionando pérdida de muestra en el papel, el embudo. Otro cuidado fundamental en esta parte es doblar apropiadamente el papel para lograr una filtración efectiva.

Posteriormente se procede a separar los componentes de líquido del kitasato, mediante las rutas reactivas A y B.

En el Cuadro IV se observa la estructura de las especies de interés. El ácido acetilsalicílico la aspirina, es un éster acetilado del ácido salicílico, está constituido por diversos grupos funcionales, anhídrido acético y alcohol; tiene un carácter ácido. La cafeína tiene un carácter básico y presenta grupos amina, amida y imino.

En la ruta A o ruta básica, descrita en la Figura 1, se adiciona hidróxido de sodio(5%), este desprotona el ácido acetilsalicílico en medio acuoso. Con un embudo separador obtenemos las distintas fases.

Figura 1. Reacciones de la Ruta A con extractos básico en medio acuoso

Esta situación ocurre de esta forma ya que internamente en la “sacudida” del embudo, además de estimular la reacción, las partículas involucradas se encuentran con mayor superficie de contacto entre las fases, por lo que serán atrapadas por la fase en la

que son más solubles, la acuosa que arrastra los extractos básicos de la aspirina y la orgánica con la cafeína.

Luego de separar en dos erlenmeyer, los extractos se colocan en agua fría. Al enfriarlos se sobresaturan e inicia la cristalización, al disminuir la temperatura disminuyen los grados de libertad, lo que propicia la formación de cristales.

En la fase orgánica se le realiza otra separación con disolvente fresco, para eliminar los residuos acuosos que pueden haber quedado atrapados. Es de importancia debido a que diversos grupos funcionales presentes en la cafeína como grupo amina son propensos a formar puentes de hidrógeno, esto ocasiona una solubilidad parcial con el agua por lo que esta extracción sucesiva es fundamental.

Luego se seca con Na2SO4, el cual elimina los restos de agua y se filtra por gravitación para eliminar las sales hidratadas (el desecante), no se requiere filtrar en caliente porque no se busca un aumento en la solubilidad (mayor grado de libertas) sino una simple eliminación.

Por último se procede a secar en el rotavapor, lo cual eliminará el disolvente (volátil) y así se obtienen los cristales recuperados de cafeína. Y se miden propiedades.

Para la fase acuosa (básica) se procede a tratar con HCl gota a gota, mientras se enfria con hielo y se filtra al vacio para propiciar aún más la cristalización. Se seca en una lámpara infrarroja para poder obtener los datos deseados de la aspirina.

La ruta B (ácida) busca protonar mediante la adición de ácido sulfúrico a la cafeína, la cual reacciona según la Figura 2.

Figura 2. Reacciones de la Ruta B con extractos ácidos en medio acuoso

Con el embudo separador se obtienen distintas fases, estas se colocan en agua fría. Se realiza otra separación con disolvente fresco a la fase orgánica, ya que la aspirina con su grupo alcohol también es propensa a formar puentes de hidrógeno, arrastrando agua.

También se utiliza Na2SO4 para secar y se filtra por gravitación. Por último se usa el rotavapor para obtener los datos de la aspirina.

Para la fase acuosa (básica) en este caso es tratada con NaOH (1M) gota a gota, mientras se enfría (cristalización), se filtra al vació y seca en una lámpara infrarroja . Se obtiene dato de la cafeína.

A lo largo de la práctica existen una serie de posibles fuentes de pérdida, el primero es asegurarse que la mezcla se encuentre totalmente disuelta a la hora del reflujo para pasar al embudo separador. Calentar equipo para la filtración para no perder muestra por cristalización y sostener el kisato de con una prensa para evitar cualquier derrame y el papel filtro debe cubrir adecuadamente, para evitar cualquier escape de cristal.

También se debe agitar correctamente, sosteniendo el tapón con dos dedos y apuntar hacia arriba, para no derramar cuando se libere las fases.

Separando las fases en los erlenmeyer, es de suma importancia que el que va a contener la fase orgánica se encuentre completamente seco y que no entre en contacto con el agua a lo largo del procedimiento.

A la hora de utilizar el rotavapor se debe cuidar el tiempo de exposición para evitar que se fundan o sublimen, afectando también el punto de fusión.

Con la filtración al vacio se debe colocar correctamente el papel, tapando todos los poros.

Se presentaron diferencias importantes en los porcentajes de recuperación, en el cuadro I, la ruta A obtuvo los porcentajes de recuperación de 10,9% para la aspirina y 36,36% de cafeína. La ruta B (ver Cuadro II) obtuvo los porcentajes de recuperación más altos en general, la aspirina un 39,4% y la cafeína 25%.

El punto de fusión sirve de parámetro para conocer la identidad de la sustancia, ya que las sustancias puras experimentan un cambio de estado es muy rápido, contrario a la impuras.

Se obtuvo en la ruta A, un punto de fusión de (138-163) °C para la aspirina y la cafeína un (235-241) °C. Si comparamos estos datos con los datos del Cuadro IV, se puede afirmar que la cafeína se encontraba más impura con posibles residuos de fase acuosa, debido a su rango de temperaturas, ambos compuestos se encuentren levemente por encima del punto de fusión teórico.

Se obtuvo en la ruta B, la aspirina obtuvo (117,4-144,6)°C y la cafeína un (224-258) °C. La medición de la cafeína se vio dificultada, por una posible partícula de papel (líquido alrededor si se derritió), como se informa en el Cuadro III, se formó una capa de cafeína muy ahderida al papel, por lo que es posible que se contaminara al separar.

En la figura 3 se muestra las espectrometrías IR para los compuestos extraídos, para la aspirina las bandas de absorción caracterizan al compuesto consiste en las dos bandas en 1754,46 y 1690,26 cm-1 debido a la presencia de los dos grupos carbonílicos, 3025,83cm-1 del ciclohexeno, la banda ancha de OH en 3400 a 2400 cm-1 y 1604,75cm-1

del doble enlace entre los carbonos.

Figura 3. Espectrometría IR para la aspirina

Para la cafeína las bandas que la destacan son la de 170,58 cm-1 del grupo carbonilo, 1659,34 cm-1 del ciclohexeno, 1549,14 cm-1 del enlace doble entre el nitrógeno y el carbono y por último 1238,84 cm-1 enlace simple entre el nitrógeno y el carbono.

Figura 4. Espectrometría IR para la cafeína

Conclusiones

La extracción llevada a cabo por inexpertos, puede debido a errores sistemáticos, perdidas de solutos por lo que se puede presentar resultados inesperados.

Es importante conocer la estructura de un compuesto para conocer solubilidades, reactividad para controlar las posibles implicaciones.

La extracción reactiva obtiene los mejores porcentajes de recuperación los compuestos que permanecen en la fase orgánica y que no participan de la reacción. Ruta A recuperó un 36,36% de cafeína y la ruta B un 39,4% de aspirina.

Los espectros infrarrojos son eficaces para identificar los grupos funcionales.

Bibliografía

Gilbert J. & Stephen F.A. (2011) Experimental Organic Chemistry: Miniscale

and microscale Approach. (5ta ed). Boston: Cengage learning.

Prieto, L., Calvache, J. & Sánchez C. (2014).Cálculo secuencial de

cascadas de extracción reactiva aplicando el modelo de

equilibrio. Revista EIA, 11 (21), 185-201.

Romero A. (2012). Prácticas de laboratorio II de química orgánica.

Colombia: Universidad Industrial Santander Bucaramanga. Recopilado en:

http://tux.uis.edu.co/quimica/sites/default/files/paginas/archivos/

V00Man08OrganII_MFOQ-OR.02_13112012.pdf [26 de agosto de 2015]

Yurkains, P. (2008). Química Orgánica. Naucalpan de Juárez, México:

Pearson Educación de México, S.A.

Zubrick J. W. (1992). The Organic Chemistry Laboratory Survival Manual: A

Student’s Guide to Techniques. New York: Editorial John Wiley