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84604185 laboratorio-de-sintesis-organica 84604185 laboratorio-de-sintesis-organica Document Transcript

  • Universidad de Chile Facultad de Ciencias Departamento de Química Licenciatura Ciencias mención Química Informe de Laboratorio de Orgánica III Autor: Álvaro Etcheverry Profesor: Dra. Cecilia Labbé Fecha de entrega: 09/03/2012 e-Mail: aetcheverry@ug.uchile.cl
  • ÍNDICE 1. Resumen: 3 2. Introducción: 3 3. Objetivos: 4 4. Reacciones involucradas: 4 a. Reducción con borohidruro de sodio: 5 b. Oxidación con bisulfato de potasio: 5 c. Sulfonación con ácido clorosulfónico: 6 d. Amonólisis del grupo sulfonilo: 6 e. Hidrólisis selectiva del grupo acetamido: 7 f. Condensación benzoínica: 7 g. Oxidación con ácido nítrico: 8 h. Condensación amina-carbonilo: 9 i. Transposición bencílica: 9 j. Condensación de Diels-Alder: 10 5. Síntesis orgánica: 11 a. Síntesis de estireno a partir de acetofenona: 11 i. Introducción: 11 ii. Materiales y reactivos: 12 iii. Método experimental y observaciones: 12 iv. Análisis de resultados: 13 v. Conclusión: 18 b. Síntesis de sulfanilamida a partir de acetanilida: 18 i. Introducción: 18 ii. Materiales y reactivos: 20 iii. Método experimental y observaciones: 20 iv. Análisis de resultados: 21 v. Conclusión: 25 c. Preparación de quinoxalina a partir de benzaldehído: 25 i. Introducción: 25 ii. Materiales y reactivos: 26 iii. Método experimental y observaciones: 27 iv. Análisis de resultados: 28 v. Conclusión: 35 d. Transposiciones y cicloadiciones: 35 i. Introducción: 35 ii. Materiales y reactivos: 37 iii. Método experimental y observaciones: 37 iv. Análisis de resultados: 38 v. Conclusión: 41 6. Discusión general: 41 7. Conclusiones generales: 42 8. Bibliografía: 42 2
  • 1.- RESUMEN En este informe se verán las síntesis de distintos compuestos orgánicos, mediante el uso de distintas técnicas de laboratorio y utilizando reactivos comunes en un laboratorio. Además se analizarán los mecanismos de cada reacción de manera que se puedan sugerir pequeñas modificaciones al método experimental con el fin de incrementar los rendimientos obtenidos. También se analizan distintos criterios de pureza a fin de poder determinar el grado de pureza de los productos obtenidos. 2.- INTRODUCCIÓN La síntesis orgánica tiene sus orígenes en el siglo XIX, específicamente en el año 1828, cuando el químico alemán Friedrich Wöhler sintetizó urea al tratar isocianato de plata (AgNCO) con cloruro de amonio (NH4Cl). Hasta ese entonces, se creía que para poder obtener compuestos orgánicos era necesario una “fuerza vital”, propia de los seres vivos, teoría conocida como vitalismo1 . La primera síntesis orgánica con fines comerciales fue la del alcanfor por el químico finlandés Gustaf Komppa en 19032 . A partir de entonces, el desarrollo de la química, y específicamente el de la química orgánica, ha llevado al desarrollo de técnicas y métodos cada vez más elaborados para la síntesis orgánica. Como por ejemplo, varios premios Nobel de química se han adjudicado a investigadores cuyos trabajos se han relacionado con la síntesis orgánica. Robert Burns Woodward lo recibió en 1965 debido a varias síntesis de compuestos naturales (por ejemplo, su síntesis de estricnina en 1954), William S. Knowles y Ryōji Noyori compartieron el Premio Nobel de Química el año 2001 por el desarrollo de una hidrogenación estéreoselectiva. Sin embargo, se podría decir que uno de los grandes avances en el diseño de síntesis orgánicas se le puede atribuir a Elías James Corey, quien desarrolló el análisis retrosintético por lo que obtuvo el Premio Nobel de Química el año 1990, en este acercamiento se planea la síntesis hacia atrás partiendo del producto usando reglas estándar3 . El objetivo de una síntesis orgánica es obtener un producto en forma pura, mediante el proceso más conveniente posible, considerando los rendimientos, los costes asociados y el tiempo involucrado. Además, si la síntesis es de interés comercial/industrial, también deberán tomarse en consideración el manejo adecuado de los residuos a fin de causar daños al medio ambiente. Es necesario que la síntesis contenga la menor cantidad de pasos posibles, ya que los rendimientos caen rápidamente a medida que el número de etapas aumenta. Hoy en día la síntesis orgánica moderna implica llevar a cabo tres objetivos principales: 1. Construir el esqueleto de carbono principal de la molécula objetivo. 2. Introducir, remover o transformar los grupos funcionales para alcanzar la funcionalidad del producto deseado. 3. Ejercer un fuerte control de la estéreoselectividad en todas las etapas en las que los centros de estéreoisomerismo se vean creados o influenciados. 1 http://en.wikipedia.org/wiki/Urea 2 http://en.wikipedia.org/wiki/Gustaf_Komppa 3 http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_synthesis 3
  • Estas tres tareas no necesariamente deben realizarse en ese orden ni tampoco son exclusivamente independientes, pero es necesario integrarlas plenamente para llevar a cabo una síntesis correcta. Además también es necesario considerar los rendimientos de cada etapa, el tiempo utilizado, la presencia de grupos funcionales que produzcan reacciones laterales4 . Básicamente, la metodología de las síntesis orgánicas implican dos casos: síntesis totales o síntesis parciales. En las síntesis totales, a partir de precursores petroquímicos y reactivos inorgánicos se obtienen los productos deseados, a su vez, estas síntesis pueden ser lineales (en donde a través de etapas sucesivas se obtienen las moléculas objetivo), o para moléculas más complejas se puede utilizar una síntesis convergente (en donde se realizan síntesis lineales para obtener intermediarios clave los que finalmente se unen para formar el producto deseado)5 . Por otro lado, las síntesis parciales implican la utilización de precursores naturales que no han sido sintetizados, si no, que han sido extraídos y purificados a partir de organismos (un ejemplo de esto, es la síntesis del LSD)6 . 3.- OBJETIVOS En los siguientes capítulos se revisarán distintos aspectos de cada una de las síntesis realizadas. Cada síntesis implica lograr una serie de objetivos, los que se detallan a continuación: • Mediante el uso de distintas técnicas experimentales, lograr la síntesis de la molécula objetivo, separarla de la mezcla de reacción y purificarla para su posterior identificación. • La correcta utilización de estas técnicas para efectuar las reacciones de manera efectiva y segura. • Identificar los factores que afectan el rendimiento de las reacciones realizadas. • Ser capaz de determinar el grado de pureza de los productos obtenidos mediante criterios como el punto de fusión o las cromatografías de capa fina. • Interpretar los espectros obtenidos para poder identificar el producto obtenido, además de poder identificar el grado de pureza. • Comparar las distintas propiedades químicas y físicas de los productos obtenidos. 4.- REACCIONES INVOLUCRADAS Durante estas sesiones de laboratorio se llevaron a cabo distintas síntesis que involucraron reacciones de distinto tipo: reducciones, oxidaciones, cicloadiciones, transposiciones, entre otras. Para cada una de estas reacciones se realizará un análisis en forma general, de acuerdo al orden de utilización en las síntesis que se mencionan posteriormente. a) Reducción con borohidruro de sodio (NaBH4): 4 http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/synth2.htm 5 http://en.wikipedia.org/wiki/Total_synthesis 6 http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADntesis_org%C3%A1nica 4
  • El borohidruro de sodio fue descubierto en 1943 por H. I. Schlesinger y H. C. Brown, sin embargo, no fue si no hasta el año 1949 cuando S. W. Chaikin y W. G. Brown encontraron su aplicación en la reducción de aldehídos, cetonas y cloruros de ácidos7 . En contraste con el LiAlH4, el NaBH4 es insoluble en éter y soluble en metanol y etanol, y aunque es más soluble en metanol que etanol, el NaBH4 reacciona apreciablemente con el metanol, por lo que es preferible usar etanol para llevar a cabo la reacción. Esquema N°1: Mecanismo de la reducción de una cetona con NaBH4. b) Deshidratación con bisulfato de sodio (KHSO4): La eliminación de agua a partir de un alcohol se denomina deshidratación. Debido a que el agua es mucho mejor grupo saliente que el grupo hidroxilo, es mejor utilizar una catálisis ácida por sobre una catálisis básica para llevar a cabo éstas reacciones. Generalmente no se utilizan hidrácidos (HX), debido a que sus bases conjugadas son buenos nucleófilos y podrían llevar a cabo reacciones de sustitución fácilmente8 . En este caso, se utiliza bisulfato de sodio (KHSO4), ya que es más fácil de manejar que el ácido sulfúrico (H2SO4) debido a que se utiliza un sistema de reflujo, por otro lado la elección de este 7 http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_borohydride 8 http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/alcohol1.htm#alcrx3 5
  • compuesto permite desplazar el equilibrio de la reacción hacia la formación de producto, ya que se trata de un compuesto higroscópico9 . Esquema N°2: Mecanismo de la deshidratación de un alcohol en medio ácido. c) Sulfonación con ácido clorosulfónico (ClSO3H): El ácido clorosulfónico puede ser utilizado tanto para sulfonaciones como para clorosulfonaciones de un amplio rango de compuestos aromáticos. Por lo general, sólo un equivalente es utilizado cuando se usan solventes inertes para evitar la formación de subproductos. Por otro lado, también se puede usar una mayor cantidad de equivalentes para desplazar el equilibrio hacia la formación del producto deseado, lo que dependerá de la naturaleza del sustrato inicial10 . Esquema N°3: Mecanismo de sulfonación con ácido clorosulfónico. d) Amonólisis de un grupo sulfonilo: La amonólisis del grupo sulfonilo procede de similar forma a la de un cloruro de ácido, donde la reacción corresponde a una sustitución nucleofílica, en este caso, mediante el ataque de una molécula de amoniaco (nucleófilo)11 . 9 http://en.wikipedia.org/wiki/Bisulfate#Chemical_properties 10 http://tinyurl.com/7jxecfv 11 http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/crbacid2.htm#react 6
  • Esquema N°4: Mecanismo de la amonólisis de un grupo sulfonilo. e) Hidrólisis selectiva del grupo acetamido: Las amidas son excepcionalmente estables frente a hidrólisis ácidas o básicas, por lo son ampliamente utilizadas como grupos protectores de aminas, cuando éstas (debido a su reactividad) presentan un problema en la síntesis orgánica. Son normalmente hidrolizadas mediante calentamiento a reflujo bajo condiciones ácidas o básicas extremas. Para la formación del grupo acetamido generalmente se hace reaccionar la amina respectiva con anhídrido acético o con cloruro de acetilo en presencia o ausencia de una base. Para la hidrólisis se pueden usar diversos métodos, como la hidrólisis con HCl 1,2 N bajo calentamiento a reflujo, sin embargo, es interesante la utilización de la enzima acilasa proveniente del riñón de cerdo, donde la hidrólisis es además estéreoselectiva12 . Esquema N°5: Mecanismo de la hidrólisis selectiva del grupo acetamido. f) Condensación benzoínica con cianuro de potasio (KCN): La condensación benzoínica es una reacción de condensación entre dos aldehídos aromáticos, específicamente, benzaldehído. Esta reacción es catalizada por nucleófilos, en este caso, por el ion cianuro. La reacción produce una aciloína (un grupo hidroxilo ubicado en la posición α a un grupo carbonilo)13 . Una primera versión de esta reacción fue desarrollada en 1832 por Justus von Liebig y Friederich Wöehler14 , sin embargo, la versión que 12 T. Tsushima, K. Kawada, S. Ishihara, N. Uchida, O. Shiratori, J. Higaki, y M. Hirata, Tetrahedron, 44, 5375 (1988). 13 http://en.wikipedia.org/wiki/Benzoin_condensation 14 F. Wöehler, J. von Liebig, Annalen der Pharmacie, 3, 249-282 (1832) 7
  • utiliza el cianuro como catalizador fue desarrollada por Nikolay Zinin en 183915 . Esquema N°6: Mecanismo de la condensación benzoínica. g) Oxidación con ácido nítrico (HNO3): La oxidación de alcoholes se utiliza para la obtención de carbonilos, si se parte de un alcohol primario se obtiene un aldehído (si se usa un oxidante suave) o un ácido carboxílico (se utiliza un oxidante más enérgico), por otro lado, si se oxida un alcohol secundario se obtiene una cetona. La oxidación de un alcohol terciario no ocurre. En este caso se utiliza como agente oxidante ácido nítrico, el cual reacciona violentamente con muchas sustancias orgánicas, por lo que la concentración y la temperatura son parámetros importantes a considerar a la hora de controlar la reacción16 . Es importante llevar a cabo la reacción bajo campana, debido a que se desprende dióxido de nitrógeno (NO2), un gas de color marrón el cual es muy irritante17 . Esquema N°7: Mecanismo de una oxidación con ácido nítrico. 15 N. Zinin, Annalen der Pharmacie, 31, 329-332 (1839) 16 http://www.organic-chemistry.org/chemicals/oxidations/nitric-acid.shtm 17 http://pages.towson.edu/ladon/orgrxs/reagent/oxidizer.htm 8
  • h) Condensación amina-carbonilo: La reacción de carbonilos con amoniaco o aminas primarias forma compuestos denominados iminas, también conocidas como bases de Schiff (que poseen el grupo C=N). Este tipo de reacciones es de importancia en la síntesis de aminas secundarias. A veces, este tipo de compuestos es difícil de aislar debido a la facilidad con la que las iminas pueden ser hidrolizadas, para evitar esto suelen emplearse compuestos del tipo Y-NH2 que dan productos estables del tipo R2-C=N-Y, además es interesante observar que se pueden formar estéreo-isómeros cuando los sustituyentes del grupo carbonilo son distintos18 . Esquema N°8: Mecanismo de una condensación entre una amina y un carbonilo. i) Transposición bencílica: La transposición bencílica consiste en una reacción en donde se convierte la 1,2-difeniletanodiona (bencilo) al ácido 2,2-difenil-2-hidroxietanoico (ácido bencílico). Esta reacción fue descrita por primera vez por el químico alemán Justus von Liebig en el año 1938. En general, esta reacción se aplica para 1,2 diarilcetonas para obtener ácidos α-hidroxicarboxílicos19 . Esquema N°9: Mecanismo de la transposición del ácido bencílico. 18 http://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/VirtTxtJml/aldket1.htm#rx1b 19 http://es.wikipedia.org/wiki/Transposici%C3%B3n_del_%C3%A1cido_benc%C3%ADlico 9
  • j) Condensación de Diels-Alder: La reacción de Diels-Alder fue descrita por primera vez por los químicos Otto Paul Hermann Diels y Kurt Alder en 1938, quienes obtuvieron el Premio Nobel de Química en el año 1950 por su trabajo en este tipo de reacciones20 . Corresponde a una cicloadición [4+2], puesto que comprende un sistema de cuatro electrones π y otro de dos. En general, esta reacción procede con facilidad, incluso espontáneamente y, en el peor de los casos, requiere de calor moderado. La reacción transcurre vía un estado de transición que es de menor volumen que el producto y que se ve acelerada cuando se realiza a altas presiones. Esquema N°10: Mecanismo de una condensación de Diels-Alder. 5.- SÍNTESIS ORGÁNICA a.- Síntesis de estireno a partir de acetofenona. Introducción: El estireno es un derivado del benceno de fórmula C6H5CH=CH2, a temperatura ambiente se presenta como un líquido incoloro y aceitoso que se evapora fácilmente y de un olor dulce, sin embargo, cuando éste se encuentra con impurezas presenta un olor penetrante y desagradable. Es alta importancia industrial debido a que es precursor de poli-estirenos y de muchos otros co-polímeros, los cuales son utilizados comercialmente para la formación de gomas, espumas, plásticos, partes de automóviles y contenedores de alimentos, entre otros. Es considerado como un compuesto químico peligroso ya que en contacto con la piel u ojos, al ser ingerido o inhalado produce irritación, además de que es considerado como potencialmente carcinógeno21 . 20 http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_de_Diels-Alder 21 http://en.wikipedia.org/wiki/Styrene 10
  • La síntesis industrial del estireno procede comúnmente por la deshidrogenación catalítica del etilbenceno22 , sin embargo, la primera vez que fue sintetizado en un laboratorio se llevó a cabo mediante la descarboxilación del ácido cinámico, catalizada por hidroquinona, puesto a reflujo23 . Además pequeñas trazas de estireno pueden ser encontradas en diversas plantas y frutas24 . La síntesis llevada a cabo en el laboratorio corresponde a una distinta a la del procedimiento industrial y se lleva a cabo en dos etapas, donde se realiza una reducción de una cetona con borohidruro de sodio y una posterior deshidratación del alcohol formado con bisulfato de potasio y cobre como catalizador, como se muestra en el Esquema N°11. CH3O N a B H4 E t O H CH3OH CH3OH CH2 K H S O4 , C u0 r e f l u j o Esquema N°11: Síntesis de estireno Este método de síntesis permite aglomerar los conocimientos de cursos anteriores de química en cuanto a reactividades y la utilización de distintas técnicas de laboratorio, tales como extracción de fase acuosa y destilación simple. Materiales y reactivos: Para la síntesis de 1-feniletanol: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES Etanol 95% 25 mL Vaso pp. 150 mL NaBH4 0.05 moles Probeta 50-100 mL Acetofenona 12 mL Termómetro Hielo Recipiente para hielo HCl 10% 10 mL Gotario Diclorometano 40 mL Embudo de decantación Na2SO4 anhidro Erlenmeyer de 100 mL (x2) Algodón Balón de 100 mL Embudo analítico Para la síntesis de estireno a partir de 1-feniletanol: 22 http://en.wikipedia.org/wiki/Styrene 23 http://www.orgsyn.org/orgsyn/orgsyn/prepContent.asp?prep=CV1P0440 24 http://en.wikipedia.org/wiki/Styrene 11
  • REACTIVOS CANTIDA D MATERIALES 1-feniletanol 0.09 moles Balón de 100 mL (x2) KHSO4 1 g Equipo de destilación simple Cobre en polvo 0.1 g Manto calefactor NaCl Probeta de 10 mL Embudo de decantación Vaso pp. Método experimental y observaciones: Para la síntesis de 1-feniletanol: - En un vaso de precipitado de 150 mL se mezclaron 25 mL de etanol al 95% y 0.032 moles (1.2 g) de borohidruro de sodio (el cual no se disolvió en el etanol). Lentamente se agregaron gota a gota 0.10 moles (11.7 mL) de acetofenona agitando continuamente con el termómetro para mantener la temperatura por debajo de los 50°C. Esto causó un aumento de la temperatura en la mezcla de reacción, el NaBH4 comenzó a disolverse y se apreció la formación de burbujas. - Una vez finalizada la adición de la acetofenona se aprecia que la mezcla de reacción se ha puesto turbia y se deja reposar por 15 minutos a temperatura ambiente para completar la reacción. Luego se agrega gota a gota 10 mL de HCl al 10%, formándose inmediatamente un precipitado de color blanco y liberándose hidrógeno gaseoso. Cuando se ha terminado de agregar el HCl se observa un precipitado blanco insoluble, posteriormente se agregan 20 mL de agua causando que el precipitado se solubilice. - Se coloca la mezcla de reacción a baño maría para evaporar el etanol y se observa la formación de dos fases. Nuevamente se deja enfriar a temperatura ambiente (basta con la temperatura descienda por debajo de los 30°C), y se agregan 20 mL de diclorometano. Se traspasa a un embudo de decantación y se extrae la fase orgánica a un matraz Erlenmeyer de 100 mL. A la fase acuosa se le vuelven a agregar 20 mL de diclorometano para extraer nuevamente la fase orgánica, se combinan ambas extracciones y se descarta la fase acuosa. - Se seca la fase orgánica con suficiente cantidad de sulfato de sodio anhidro, hasta que la solución se vea translúcida. - Se filtra con algodón y se transfiere a un balón de 100 mL. Se extraen los solventes de la fase orgánica (diclorometano y algo de etanol) con un rotavapor, obteniéndose un líquido aceitoso y transparente que corresponde al 1-feniletanol. Para la síntesis de estireno a partir de 1-feniletanol: - Se preparó la mezcla de reacción utilizando todo el 1-feniletanol obtenido de la etapa anterior, y agregando 1.0 g de KHSO4 y 0.1 g de cobre metálico en polvo. - Se realizó la destilación simple cuidando de que la temperatura no suba de los 130°C (para evitar polimerizaciones). En primer lugar se obtuvo una porción con diclorometano (debido a que no se evaporó completamente en el rotavapor) manteniéndose la temperatura a aprox. 40°C. Una vez que la mezcla de reacción alcanzó los 75°C se apreció la formación de vapores blancos que al condensarse formaban un líquido aceitoso correspondiente al estireno. - Finalmente se saturó la fase acuosa con NaCl y se obtuvo estireno puro. 12
  • Análisis de resultados: Se representan las cantidades utilizadas de productos y las cantidades de productos obtenidas en la Tabla N°1, para el cálculo del rendimiento de los productos se utilizaron los siguientes datos25 : ρ (1-feniletanol): 1.01 g/mL ρ (estireno): 0.91 g/mL Masa molar (1-feniletanol): 122.17 Masa molar (estireno): 104.16 g/mol Tabla N°1: Cantidades de reactivos utilizados y productos obtenidos. Reactivos Moles Volumen (mL) Masa (g) Productos Moles Volumen (mL) Masa (g) Etanol 95% 25 1-feniletanol 0.097 11.8 11.9 NaBH4 0.032 1.2 Estireno 0.062 7.1 6.5 Acetofenona 0.1 12.0 KHSO4 1.0 Cobre en polvo 0.1 Para el cálculo de los rendimientos se utilizó la siguiente ecuación26 : moles de producto obtenido Rendimiento = 100% moles de producto esperado × Rendimiento por etapas: - Para la síntesis de 1-feniletanol, se obtuvo un rendimiento de 97% - Para la síntesis de estireno a partir de 1-feniletanol, se obtuvo un rendimiento de 63.9%. Rendimiento global: - Considerando que se partió de 0.1 moles de acetofenona, el rendimiento global de la síntesis de estireno fue de 62%. Como se puede apreciar en los rendimientos, la reacción de reducción con borohidruro de sodio tiene un rendimiento de casi un 100%, lo que concuerda con el hecho de que se agregó un exceso de este reactivo y de que la reacción no posee impedimentos para completarse. Es el paso de deshidratación el que baja el rendimiento global, ya que esta reacción tiende a formar un equilibrio si no se desplaza hacia la formación de productos, quizás la recolección del estireno destilado no es suficiente, además de que probablemente quedó 1-feniletanol sin reaccionar después de retirar el balón del manto calefactor. A continuación se muestran los espectros de los productos obtenidos: 25 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 26 Utilizada para el cálculo de todos los rendimientos de este informe. 13
  • 012345678 PPM Figura N°1: Espectro 1 H-RMN teórico del 1-feniletanol27 . Figura N°2: Espectro 1 H-RMN obtenido del 1-feniletanol en CDCl3. (d) (e) (e) (e) (d) (c) (b) (a) HO Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 1.49 3 hidrógenos Doblete (b) 3.65 1 hidrógeno Singulete (c) 4.68 1 hidrógeno Cuadruplete 27 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 14
  • (d) 7.36 2 hidrógenos Doblete (e) 7.38 3 hidrógenos Triplete Los hidrógenos (d) y (e), poseen señales típicas de los hidrógenos unidos a un anillo aromático. Por otro lado, los hidrógenos (a) corresponden a los hidrógenos del metilo, cuyo desplazamiento se ve influenciado por la cercanía con el átomo de oxígeno del grupo hidroxilo, al igual que el hidrógeno (c) que debería tener una señal cercana a los 5 ppm. Al comparar el espectro teórico con el obtenido podemos ver la presencia de señales que no calzan, las que se pueden relacionar con contaminantes presentes en la muestra, como por ejemplo, los solventes utilizados en la síntesis del 1-feniletanol (etanol y diclorometano), así como acetofenona que haya quedado sin reaccionar. Figura N°3: Espectro IR del 1-feniletanol. En el espectro infrarrojo es posible apreciar algunas señales características de los grupos presentes en el 1-feniletanol, por ejemplo, la señal que aparece alrededor de los 3400 cm-1 es característica del stretching del enlace O−H del grupo hidroxilo, la señal intensa y aserrada que aparece alrededor de los 3000 cm-1 corresponde al stretching del enlace C−H del anillo aromático, también tenemos una serie de señales cercanas a los 1500 cm-1 que corresponden al stretching de los enlaces C=C del anillo aromático, una señal que aparece cerca de los 1200 cm-1 corresponde al stretching del enlace C−O, y finalmente una fuerte señal entre los 700-750 cm-1 correspondiente a un benceno monosustituído. 15
  • 012345678 PPM Figura N°4: Espectro 1 H-RMN teórico del estireno28 . Figura N°5: Espectro 1 H-RMN obtenido del estireno en CCl4. (f) (e) (d) (e) (f) (c) (b) (a) H H H 28 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 16
  • Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 5.18 1 hidrógeno Doblete (b) 5.61 1 hidrógeno Doblete (c) 6.63 1 hidrógeno Doblete acoplado (d) 7.33 1 hidrógeno Multiplete(e) 7.40 2 hidrógenos (f) 7.60 2 hidrógenos Los hidrógenos (d), (e) y (f), son característicos del anillo aromático, mientras que los hidrógenos (a), (b) y (c) corresponden a los hidrógenos del sistema vinílico Nuevamente, si comparamos el espectro teórico con el experimental podemos ver la presencia de señales que no concuerdan, las señales a 1.3 ppm y 1.4 ppm pueden deberse a contaminantes presentes en la muestra, probablemente solventes, al igual que las señales a 4.2 ppm, 4.4 ppm y 4.8 ppm, las que podrían estar relacionadas con la presencia de pequeñas cantidades de 1-feniletanol. Figura N°6: Espectro IR del estireno. En el espectro infrarrojo de la Figura N°6, es posible apreciar la señal característica del anillo aromático a 3000 cm-1 , una señal de mediana intensidad entre los 2970 cm-1 y los 3080 cm-1 , que junto con la señal de gran intensidad en los 900 cm-1 , nos indican la presencia de un grupo vinilo en la molécula analizada. Conclusiones: • Si bien la síntesis industrial debe ser más eficiente en cuanto a rendimientos y tiempos de síntesis, la reacción llevada a cabo en este laboratorio permite obtener estireno (un compuesto de gran versatilidad en la síntesis de diversos compuestos orgánicos, entre otros, polímeros de importante aplicación comercial), de forma rápida y sencilla, con rendimientos cercanos al 60%. • Al analizar los espectros podemos observar que tanto el intermediario (1- feniletanol) como el estireno, se encontraban contaminados, lo que sin lugar a 17
  • dudas debió haber repercutido en los rendimientos obtenidos. Debido a esto es que sugiere volver a purificar los productos para evitar posteriores contaminaciones (y a su vez, reacciones laterales indeseadas) si se va a utilizar el estireno como reactivo en otras síntesis. b.- Síntesis de sulfanilamida a partir de acetanilida. Introducción: La sulfanilamida corresponde a un antibiótico perteneciente a la familia de las drogas sulfa, estos antibióticos fueron los primeros fármacos que resultaron ser eficaces como antimicrobianos29 . La Figura N°7 muestra la estructura básica de las drogas sulfa. S NO O R 1 R 2 R 3 Figura N°7: Estructura básica de las drogas sulfa. El primero de estos fármacos fue el Prontosil desarrollado por el químico Gerhard Domagk, en el año 1932 en los laboratorios Bayer, quien más tarde obtendría el Premio Nobel en el año 1939 por su descubrimiento30 . Antes del descubrimiento de la penicilina fue el antibiótico más difundido, a pesar de que puede provocar fuertes reacciones alérgicas, como por ejemplo, el Síndrome de Stevens-Johnson31 . Aunque hoy en día existe una enorme variedad de antibióticos, las drogas sulfa han recibido un renovado interés, sobre todo en el tratamiento de infecciones bacterianas que se han vuelto resistentes a la acción de otros antibióticos. Su mecanismo de acción como antibióticos se debe a su efecto bacteriostático, es decir, que inhiben el crecimiento de las colonias bacterianas. Esto a causa de que son antagonistas del ácido p- aminobenzoico (PABA), esencial en las bacterias para la síntesis de ácido fólico, que es un paso fundamental para la síntesis de ácidos nucleicos32 . En este laboratorio se utilizó una síntesis en 3 etapas, a partir de acetanilida (debido a que es menos reactiva que la anilina), a la cual se le realiza una sulfonación utilizando ácido clorosulfónico, posteriormente una amonólisis del grupo sulfonilo, y, finalmente una hidrólisis del grupo protector acetamido, según se muestra en el Esquema N°12. 29 http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfonamide_(medicine) 30 http://es.wikipedia.org/wiki/Gerhard_Domagk. Nota: Fue forzado por el régimen nazi a rehusar el premio, que recibió finalmente en el año 1947. 31 http://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%ADndrome_de_Stevens-Johnson 32 http://en.wikipedia.org/wiki/Sulfonamide_(medicine) 18
  • NH CH3 O C l S O3 H NH CH3 O SO O Cl N H4 O H ∆ NH CH3 O SO O NH2 NH CH3 O SO O NH2 H C l ∆ NH2 SO O NH2 Esquema N°12: Síntesis de sulfanilamida a partir de acetanilida. Materiales y reactivos: Para la síntesis y amonólisis de cloruro de p-acetamidobencensulfonilo: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES ClSO3H 20 mL Erlenmeyer 125 mL Acetanilida 7 g Varilla de vidrio NH4OH (28%) 25 mL Recipiente para hielo HCl 10% 40-50 mL Vaso pp. 400 mL Matraz Kitasato Embudo Büchner Papel filtro Probeta 100 mL Espátula Mechero Para la hidrólisis selectiva del grupo acetamido: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES HCl (conc.) 7 mL Balón de 100 mL Na2CO3 Condensador de reflujo Carbón activado 0.5 g Manta calefactora Vaso pp. grande Recipiente para hielo Matraz Kitasato Embudo Büchner Papel filtro 19
  • Vaso pp. 150 mL Embudo analítico Método experimental y observaciones: Para la síntesis de cloruro de p-acetamidobencensulfonilo: - En un matraz Erlenmeyer de 125 mL se colocan 7 g de acetanilida y se calienta en mechero hasta que se funda para posteriormente esparcirlo homogéneamente por el matraz. Una vez que se enfríe, se añaden 20 mL de ácido clorosulfónico. Esta reacción procede de forma muy violenta, desprendiéndose vapores de H2SO4 y HCl, por lo que se la deja reposar bajo campana hasta que ya no burbujee más. Luego se traspasa a un baño maría por aprox. 10 minutos para completar la reacción. - A continuación, se vierte lentamente la mezcla de reacción a una mezcla de agua/hielo, agitándose continuamente con una varilla de vidrio. Inmediatamente se aprecia la formación de un precipitado blanco. - Se filtra al vacío en un embudo Büchner y se lava el sólido con 25 mL de agua helada. Para la amonólisis del cloruro de p-acetamidobencensulfonilo: - Se transfiere el sólido obtenido de la etapa anterior a un matraz de Erlenmeyer de 125 mL y se agregan 25 mL de hidróxido de amonio al 28%. Al agregarlo, la mezcla de reacción comienza inmediatamente a burbujear. Para completar la reacción se coloca en una placa calefactora por alrededor de 5 minutos, bajo campana ya que se desprenden vapores de amoniaco. - Finalmente, se agregaron 50 mL de HCl al 10% para llevar a pH ácido, teniendo la precaución de mantener fría la mezcla. Luego se filtra al vacío y se lavan los cristales obtenidos con 25 mL de agua helada. Para la hidrólisis selectiva del grupo acetamido: - Se transfieren los cristales obtenidos de la etapa anterior a un balón de 100 mL y se agregan 7 mL de HCl concentrado y 15 mL de agua, formándose una pasta en la mezcla de reacción. Se calienta en una manta calefactora a reflujo suave por 20 minutos. A medida que transcurre la reacción, la mezcla se pone de color amarillo translúcido. - Una vez que ya hayan transcurridos los 20 minutos del reflujo, se agregan 10 mL de una mezcla homogénea de agua destilada con 0.5 g de carbón activado, para someter la mezcla de reacción a reflujo por unos 5 minutos más. Al destapar el sistema para agregar el carbón activado, se aprecia el olor característico del ácido acético, indicador de que la hidrólisis del grupo acetamido va progresando. - Posteriormente, se filtra la solución en un embudo analítico con papel filtro plegado. Se enjuaga el balón con 20 mL de agua caliente. - Se neutraliza el exceso de ácido agregando una buena cantidad de Na2CO3, hasta alcanzar pH alcalino. Es importante agregar el carbonato de sodio de a pequeñas cantidades debido a la formación de espuma. - Una vez que se ha alcanzado el pH ligeramente básico se enfría en hielo para completar la precipitación de los cristales. Se filtra al vacío y se purifica el producto 20
  • por recristalización en una pequeña cantidad de agua caliente. Finalmente se filtra al vacío, se seca bien el producto sobre papel absorbente y se guardan. Análisis de resultados: Se representan las cantidades utilizadas de productos y las cantidades de productos obtenidas en la Tabla N°2, para el cálculo del rendimiento de los productos se utilizaron los siguientes datos33 : Masa molar (acetanilida): 135.16 g/mol Masa molar (p-acetamidobencensulfonamida): 214.24 g/mol Masa molar (sulfanilamida): 172.20 g/mol Tabla N°2: Cantidades de reactivos utilizados y productos obtenidos. Reactivos Moles Volumen (mL) Masa (g) Productos Moles Masa (g) ClSO3H 20 p- acetamidobencensulfona mida 0.036 7.8 Acetanilida 0.051 7.0 Sulfanilamida 0.024 4.21 NH4OH 28% 25 HCl 10% 50 HCl conc. 7 0.1 Carbón activado 0.5 Rendimiento por etapas: - Para la síntesis de la p-acetamidobencensulfonilamida se obtuvo un rendimiento de 70.6%. - Para la síntesis de la sulfanilamida a partir de la p- acetamidobencensulfonilamida, se obtuvo un rendimiento de 66.7%. Rendimiento global: - Considerando que se comenzó con 0.051 moles de acetanilida, la reacción tuvo un rendimiento global de 47.1% Es posible observar que la reacción de clorosulfonación y la posterior amonólisis poseen un rendimiento del 70%, este alto rendimiento probablemente se deba a la reactividad del ácido clorosulfónico y si no se obtuvo un mejor rendimiento poder ser causa de la amonólisis y de la pérdida de material debido al lavado de los cristales antes de pesarlos. Por otro lado, la reacción de hidrólisis selectiva del grupo acetamido, 33 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 21
  • al ser un equilibrio posee un relativamente bajo rendimiento, debido a que es necesario desplazar el equilibrio aun más hacia la formación de los productos. Se calculó el punto de fusión de los cristales de sulfanilamida obtenidos, encontrándose en un rango entre 164-166°C, en la literatura se informa que es de 165- 166°C34 , lo que significa que existen impurezas en los cristales obtenidos. Además se analizó su solubilidad en dos soluciones de distinto pH (HCl al 5% y NaOH al 5%), dando como resultado que los cristales eran completamente solubles en medio ácido, mientras que eran insolubles en medio básico. A continuación se muestran los espectros de los productos obtenidos: 012345678 PPM Figura N°8: Espectro 1 H-RMN teórico de la sulfanilamida35 . 34 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 35 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 22
  • Figura N°9: Espectro 1 H-RMN obtenido de la sulfanilamida en DMSO-d6. (c) (d) (d) (c) (b) (a) NH2 NH2 SO O Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 2.0 2 hidrógenos Singulete (b) 6.27 2 hidrógenos (no aparece) (c) 6.61 2 hidrógenos Doblete (d) 7.61 2 hidrógenos Doblete Al comparar el espectro teórico con el experimental, podemos ver que la sulfanilamida obtenida no presenta señales atribuibles a contaminantes y que las señales características se encuentran bien definidas para cada protón. Por otro lado, podemos observar que la señal atribuida a los hidrógenos (d), son las más altas debido a que se encuentra en el carbono adyacente al sustituyente sulfonilo, esto se debe a que la electronegatividad del azufre causa una desactivación del anillo aromático por lo que ambos hidrógenos se encuentran más desprotegidos en comparación a los otros. Los hidrógenos de los grupos amino generalmente no aparecen en los espectros. 23
  • Se realizó una cromatografía de capa fina, utilizando una mezcla de DCM/metanol al 10% como eluyente. La sulfanilamida arrojó un Rf de 0.45, además de que no se encontraron impurezas. Conclusiones: • Es posible sintetizar sulfanilamida de manera sencilla en un laboratorio a partir de reactivos de bajo costo, sin embargo, debido a su peligrosidad es necesario ser extremadamente cauteloso a la hora de utilizarlos. • Considerando los rendimientos obtenidos, podemos observar que la primera etapa de la reacción posee un alto rendimiento, sin embargo, en la segunda etapa el rendimiento es de 66.7%, lo que produce que a fin de cuentas, el rendimiento global de la reacción se reduzca a un 47.1%. A pesar de esto, el rendimiento global es cercano al 50% por lo que se puede considerar como aceptable. • En base a los criterios de punto de fusión, cromatografía de capa fina (CCF) y al análisis del espectro 1 H-RMN, es posible deducir que el producto obtenido tiene un alto grado de pureza, por lo que las técnicas de purificación utilizadas fueron las adecuadas. c.- Síntesis de quinoxalina a partir de benzaldehído Introducción: Las quinoxalinas, también llamadas benzopirazinas, son una familia de compuestos orgánicas, de esqueleto básico como se muestra en la Figura N°10. Son utilizadas como tintes, en medicamentos y antibióticos, y últimamente han surgido estudios que sugieren actividad antitumoral de algunas quinoxalinas36 . N N 36 http://en.wikipedia.org/wiki/Quinoxaline 24
  • Figura N°10: Esqueleto básico de las quinoxalinas. En general se forman mediante la condensación de orto-arildiaminas con 1,2- dicetonas, aunque existen diversos métodos para la síntesis de quinoxalina y sus derivados37 . En este laboratorio, para poder obtener 2,3-difenilquinoxalina, se realizó una síntesis en tres etapas, partiendo de benzaldehído. El primer paso, consistió en realizar una condensación benzoínica para formar benzoína, una α-hidroxicetona según lo que se indica en el Esquema N°1338 . HO 2 K C N E t O H OH O Esquema N°13: Síntesis de benzoína a partir de benzaldehído. Posteriormente, se oxidó el grupo hidroxilo de la benzoína con ácido nítrico concentrado para obtener el bencilo una 1,2-dicetona, según la reacción mostrada en el Esquema N°1439 . OH O 1 ) H N O3 2 ) H2 O O O Esquema N°14: Síntesis de bencilo a partir de benzoína. Finalmente, aprovechando el hecho de que el bencilo es una 1,2-dicetona, es posible realizar la condensación con o-difenilendiamina, dando como resultado una quinoxalina sustituida, según se muestra en el Esquema N°15. O O + NH2 NH2 N N Esquema N°15: Síntesis de 2,3-difenilquinoxalina a partir de la condensación entre o- fenilendiamina y bencilo. Materiales y reactivos: Para la síntesis de benzoína: 37 http://books.google.cl/books?id=-tPJDRbJgR8C&printsec=frontcover&hl=es#v=onepage&q&f=false 38 http://www.orgsyn.org/orgsyn/orgsyn/prepContent.asp?prep=cv1p0094 39 http://orgsyn.org/orgsyn/default.asp?formgroup=basenpe_form_group&dataaction=db&dbname=orgsyn 25
  • REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES KCN 1.5 g Manta calefactora Etanol 95% 20 mL Condensador de reflujo Benzaldehído 20 mL Balón de 100 mL Espátula Varilla de vidrio Embudo Büchner Matraz Kitasato Para la síntesis de bencilo: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES Etanol 95% Erlenmeyer 250 mL HNO3 (conc.) 14 mL Vaso pp. 50 mL NaOH 10% Gotario Benzoína 4 g Embudo Büchner Matraz Kitasato Varilla de vidrio Espátula Para la síntesis de 2,3-difenilquinoxalina: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES o-fenilendiamina 100 mg Dedo frío Metanol Mechero Bencilo 200 mg Espátula Tubo de ensayos Vaso pp. 400 mL Vaso pp. 50 mL Embudo Büchner Matraz Kitasato Método experimental y observaciones: Para la síntesis de benzoína: - Primero se colocan 1.5 g de KCN, 15 mL de agua, 30 mL de etanol al 95% y 15 mL de benzaldehído en un balón de 100 mL. Se calienta a reflujo suave por 30 minutos. En un principio, el KCN no se disuelve en la mezcla de reacción, sin 26
  • embargo, a medida que la reacción progresa, el KCN se disuelve y la mezcla se torna de un color amarillo translúcido. - Una vez que ya hayan transcurrido los 30 minutos a reflujo, se retira el balón del manto calefactor y se enfría en un baño de hielo. Al enfriarse, se forma un precipitado de color amarillo intenso. - Se filtra al vacío y se lavan los cristales con una mezcla agua/etanol al 50%. Los cristales que en un comienzo eran de un color amarillo intenso, al ser lavados se decoloran para quedar de un color vainilla, mientras que las aguas residuales adquieren una coloración amarilla. Estas aguas residuales deben descartarse adecuadamente debido al contenido de iones cianuro. Para la síntesis de bencilo: - En un matraz Erlenmeyer de 250 mL se mezclan 4 g de la benzoína obtenida en la experiencia anterior con 14 mL de ácido nítrico concentrado. El matraz se pone a calentar a baño maría y bajo campana durante unos 11 minutos. A medida que la mezcla de reacción aumenta su temperatura comienzan a desprenderse vapores de color marrón, que corresponden al NO2 que libera la reacción. - Una vez que se completa la reacción (dejan de salir vapores), se observan dos fases en el matraz, una marrón y otra amarilla. Se agregan 75 mL de agua con lo que inmediatamente se forma un precipitado color amarillo limón. - Se filtra al vacío y se purifica el producto recristalizando desde etanol caliente, se agrega gota a gota una pequeña cantidad de agua hasta que la solución se ponga turbia y se deja reposar a temperatura ambiente hasta que todo el producto cristalice. Nuevamente se filtra al vacío, los cristales se secan y se guardan para su uso posterior. Para la síntesis de 2,3-difenilquinoxalina: - Se colocan 200 mg de ortofenilendiamina en un dedo frío (al que no es necesario ni aplicarle vacío ni hielo, sólo agua), y se calienta con un mechero para obtener los cristales incoloros de o-fenilendiamina pura. - Una vez que se han obtenido 100 mg de o-fenilendiamina pura, se colocan los cristales en un tubo de ensayo de boca ancha junto a 200 mg de bencilo obtenido de la etapa anterior. Se coloca a calentar en un baño maría por 10 minutos. - La mezcla de reacción se funde primero y posteriormente empiezan a formarse cristales de color amarillo. - Los cristales obtenidos se purifican recristalizando de metanol caliente y se deja enfriar, primero a temperatura ambiente y luego en un baño de hielo. Los cristales obtenidos se filtran al vacío, se recogen, se secan y se guardan. Análisis de resultados: Se representan las cantidades utilizadas de productos y las cantidades de productos obtenidas en la Tabla N°3, para el cálculo del rendimiento de los productos se utilizaron los siguientes datos40 : Ρ (benzaldehído): 1.04 g/mL Masa molar (benzaldehído): 106.13 g/mol Masa molar (benzoína): 212.24 g/mol Masa molar (bencilo): 210.23 g/mol 40 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 27
  • Masa molar (o-fenilendiamina): 108.14 g/mol Masa molar (2,3-difenilquinoxalina): 282.34 g/mol Tabla N°3: Cantidades de reactivos utilizados y productos obtenidos. Reactivos Moles Volumen (mL) Masa (g) Productos Moles Masa (g) KCN 1.5 Benzoína 0.038 8.16 Etanol 95% 20 Bencilo 0.017 3.65 Benzaldehído 0.147 15 15.6 2,3- difenilquinoxalina 0.39 ∙ 10-3 0.11 HNO3 conc. 14 o-fenilendiamina 0.001 0.1 Rendimiento por etapas: - Para la síntesis de la benzoína se obtuvo un rendimiento de 51.7%. - Para la síntesis del bencilo, se partió con 4 g de benzoína, equivalentes a 0.019 moles, por lo que se obtuvo un rendimiento de 89.5%. - Para la síntesis de la 2,3-difenilquinoxalina, se partió con 0.1 g de o- fenilendiamina (0.92 ∙ 10-3 moles) y 0.2 g de bencilo (0.95 ∙ 10-3 moles), por lo que el reactivo limitante es la o-fenilendiamina. Considerando esto, se obtuvo un rendimiento de 42.4%. Rendimiento global: - El rendimiento global, en la síntesis del bencilo es de 46.3%. - El rendimiento global, en la síntesis de la 2,3-difenilquinoxalina es de 19.6%. De los rendimientos obtenidos podemos observar que la reacción de mayor rendimiento es la oxidación de la benzoína para obtener bencilo, se puede atribuir este resultado al hecho de que uno de los productos de la reacción, el NO2, es un gas que se desprende inmediatamente de la reacción, desplazando el equilibrio hacia la formación de los productos. Por otro lado, la reacción de condensación para la síntesis de la benzoína arrojó un rendimiento del 51.7%, lo que se puede deber a que dadas las condiciones en las que ocurre la reacción pueden formarse otros productos laterales. Finalmente, la síntesis de la 2,3-difenilquinoxalina obtuvo el rendimiento más bajo probablemente debido a que no se logró obtener el ambiente adecuado para la síntesis, o a que se perdió producto que quedó adherido al tubo de ensayo o durante el lavado de los cristales. En la Tabla N°4 se muestran los puntos de fusión obtenidos y se compararán con los informados en la literatura41 . Tabla N°4: Puntos de fusión obtenidos y los informados en la literatura. Producto Pto. de fusión obtenido (°C) Pto. de fusión informado (°C) Benzoína 135-136 137 Bencilo 93-96 95-96 2,3-difenilquinoxalina 124-126 125-128 41 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 28
  • En general, todos los puntos de fusión de los productos son similares a los informados por la literatura. Las diferencias encontradas pueden ser atribuidas a la presencia de impurezas o a la presencia de agua en las muestras. 0123456789 PPM Figura N°11: Espectro 1 H-RMN teórico de la benzoína42 . Figura N°12: Espectro 1 H-RMN obtenido de la benzoína en DMSO-d6. 42 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 29
  • (e) (f) (e) (g) (g) (b) (a) (c) (d) (d) (d) (c) O OH Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 3.65 1 hidrógeno Doblete (b) 6.01 1 hidrógeno Doblete (c) 7.36 2 hidrógenos Doblete (d) 7.38 3 hidrógenos Triplete (e) 7.56 2 hidrógenos Triplete (f) 7.64 1 hidrógeno Triplete (g) 7.94 2 hidrógenos Doblete Podemos ver que los protones (d), (e), (f) y (g) poseen las señales típicas de los hidrógenos del anillo aromático, los corrimientos que experimentan cada uno se debe al efecto de apantallamiento provocado por la diferencia en las distancias a los átomos de oxígeno, y a la diferencia que existe entre el grupo al que pertenece dicho átomo de oxígeno. Los hidrógenos (e), (f) y (g), se encuentran más cercanos al grupo carbonilo, y poseen el mayor apantallamiento, mientras que los hidrógenos que se encuentran más cercanos al grupo hidroxilo presentan un menor desplazamiento. El hidrógeno (b) probablemente se acopla con el solvente. Al comparar ambos espectros, podemos ver que el espectro experimental posee una intensa señal en 3.2 ppm, que es atribuible a trazas de etanol en la muestra. 0123456789 PPM Figura N°13: Espectro 1 H-RMN teórico del bencilo43 . 43 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 30
  • Figura N°14: Espectro 1 H-RMN obtenido del bencilo en DMSO-d6. (a) (b) (a) (c) (c) (c) (a) (b) (a) (c)O O Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 7.64 4 hidrógenos Triplete (b) 7.73 2 hidrógenos Triplete (c) 7.89 4 hidrógenos Doblete Los desplazamientos informados corresponden a los hidrógenos del anillo aromático (7-8 ppm). Las diferencias se deben al efecto electroatractor del oxígeno, por lo que los hidrógenos (c) se encuentran más apantallados debido a que son los que se encuentran más próximos al oxígeno. Al igual que en el caso anterior, podemos ver una fuerte señal en 3.2 ppm, debida a la presencia de etanol en la muestra, lo cual es normal, considerando que la muestra se recristalizó desde etanol y no se debe haber secado completamente cuando se tomaron los espectros. 31
  • 012345678 PPM Figura N°15: Espectro 1 H-RMN de la 2,3-difenilquinoxalina44 . Figura N°16: Espectro 1 H-RMN obtenido de la 2,3-difenilquinoxalina en DMSO-d6. (d) (d) (e) (e) (b) (c) (a) (c) (b) (b) (c) (a) (c) (b) N N 44 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 32
  • Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 7.41 2 hidrógenos Triplete (b) 7.47 4 hidrógenos Doblete (c) 7.51 4 hidrógenos Triplete (d) 7.67 2 hidrógenos Triplete (e) 7.80 2 hidrógenos Doblete Nuevamente sólo aparecen hidrógenos pertenecientes a los anillos aromáticos de la molécula, por lo que sus desplazamientos se encuentran entre 7-8 ppm. Al igual que en el caso del bencilo, los hidrógenos más apantallados son los (e), debido a su cercanía con el nitrógeno (que es más electronegativo que el carbono), éstos se encuentran más apantallados que los demás. Al comparar ambos espectros podemos ver que las señales características concuerdan y de que nuevamente aparece una señal a 3.2 ppm relacionada con la presencia de etanol en la muestra. Se realizó una cromatografía de capa fina, utilizando una mezcla de DCM/hexano al 40% como eluyente. Los Rf para la benzoína, el bencilo y la 2,3-difenilquinoxalina fueron de 0.125, 0.44 y 0.16 respectivamente. Se comprueba que los compuestos no poseen impurezas que aparezcan bajo luz ultravioleta. Cabe destacar, que al poner las placas bajo una luz UV a 254 nm la 2,3-difenilquinoxalina presentó una coloración azul, por lo que se colocó bajo una luz UV a 366 nm, comprobando que la 2,3- difenilquinoxalina posee propiedades fluorescentes. Conclusiones: • Utilizando reactivos comunes en un laboratorio es posible sintetizar benzoína, bencilo y 2,3-difenilquinoxalina, sin embargo, es necesario tener mucha precaución con el manejo de algunos reactivos (HNO3 y KCN, principalmente), y con el adecuado manejo de las residuos de cada reacción (iones CN- y vapores de NO2). • Los rendimientos obtenidos fueron variables para cada reacción. Para la síntesis de benzoína el rendimiento fue de sólo 51.7%, mientras que la etapa de oxidación de la benzoína para la síntesis bencilo arrojó el mayor rendimiento (89.5%), sin embargo, el rendimiento global de la síntesis de bencilo resultó ser de sólo 46.3%. A pesar de esto, un rendimiento global cercano al 50% es aceptable. Por otro lado, la síntesis de 2,3-difenilquinoxalina presentó el 33
  • rendimiento más bajo de todos (19.6%), debido probablemente a un mal manejo de los reactivos, o a una pérdida de producto en los procesos de filtrado o purificación. • Los criterios de pureza utilizados (punto de fusión, cromatografía de capa fina y análisis espectral) arrojaron que los productos obtenidos son de una pureza relativamente alta, por lo que se puede concluir que los procesos de purificación funcionaron a la perfección. Además, se encontró que la 2,3- difenilquinoxalina posee propiedades fluorescentes. d.- Transposiciones y cicloadiciones Introducción: Las transposiciones son reacciones frecuentes en química orgánica, donde dadas las condiciones adecuadas, un grupo dentro de la molécula, migra hacia otra posición de mayor estabilidad. Existen diversos tipos de transposiciones, entre las más frecuentes encontramos transposiciones catiónicas, aniónicas y radicalarias. Un ejemplo de transposición aniónica es la transposición bencílica a partir del bencilo para obtener ácido bencílico, como se muestra en el Esquema N°16. Esta reacción se caracteriza por necesitar un medio fuertemente básico para que ocurra, debido a que el anión formado es más estable en este medio que en uno ácido. O O K O H / E t O H r e f l u j o OH O - O K + H C l 4 M OH OH O Esquema N°16: Síntesis del ácido bencílico a partir de bencilo, un ejemplo de una transposición aniónica. Por otro lado, existen muchas reacciones en química orgánica que no arrojan evidencia de envolver intermediarios cuando son sometidas a los métodos que usualmente se usan para estudiar los mecanismos de reacción. A su vez, estados de transición altamente polares tampoco parecen estar relacionados, debido a que las velocidades de reacción no se ven afectadas por la polaridad del solvente. Los esfuerzos para detectar intermediarios radicalarios, ya sean por métodos físicos o químicos, tampoco han resultado ser exitosas ya que las velocidades de reacción tampoco se ven afectadas por la presencia de iniciadores o inhibidores. Debido a esto, se ha propuesto un mecanismo en que las reacciones ocurren en una única etapa, en donde la formación y la ruptura de enlaces contribuyen a la estructura del estado de transición, por lo que este tipo de reacciones reciben el nombre de reacciones concertadas45 . Un ejemplo de reacciones concertadas son las cicloadiciones, de entre las que se destaca la condensación de Diels-Alder, que ocurre por la condensación entre un dieno y un dienófilo. Para que la reacción ocurra, es necesario que el dienófilo tenga la conformación cis. Existe un fuerte efecto de los sustituyentes en las reacciones de 45 http://en.wikipedia.org/wiki/Concerted_reaction 34
  • Diels-Alder, los dienos más reactivos son aquellos que posean grupos sustituyentes electroatractores, mientras que un bueno dienófilo poseerá grupos electrodonores. Esto se puede explicar de acuerdo a la teoría de orbital frontera, dienos ricos en electrones poseen un orbital HOMO de alta energía que tendrá una fuerte interacción con el LUMO de un dienófilo deficiente en electrones. En este caso el dieno es el antraceno, mientras que el dienófilo es el anhídrido maleico, el cual posee el LUMO deficiente en electrones por poseer dos grupos carbonilos adyacentes a los carbonos sp2 que enlazarán con los carbonos 9 y 10 del antraceno. La reacción se resume en el Esquema N°17. + O O O x i l a n o r e f l u j o O O O Esquema N°17: Condensación de Diels-Alder llevada a cabo en este laboratorio, un ejemplo de una cicloadición. Materiales y reactivos: Para la síntesis de ácido bencílico: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES KOH 2.5 g Balón de 100 mL Etanol 95% 20 mL Condensador de reflujo Carbón activado Manto calefactor Bencilo 2 g Embudo Büchner HCl 4M Matraz Kitasato Espátula Vidrio reloj Bureta Vaso pp. 200 mL (x2) 35
  • Varilla de vidrio Probeta 50 mL Para la reacción de Diels-Alder: REACTIVOS CANTIDAD MATERIALES Antraceno 2 g Balón de 100 mL Anhídrido maleico 1.15 g Condensador de reflujo Xileno 25 mL Manto calefactor Matraz Kitasato Embudo Büchner Varilla de vidrio Espátula Método experimental y observaciones: Para la síntesis del ácido bencílico: - En un balón de 100 mL se colocan 2.5 g de KOH, 15 mL de etanol y 5 mL de agua destilada, se agita para disolver el hidróxido de potasio. Una vez disuelto se añaden 2 g de bencilo, y la mezcla de reacción se calienta a reflujo suave durante 15 minutos. A mediad que avanza la reacción, la mezcla se torna de color marrón oscuro. - Se deja enfriar la mezcla, primero a temperatura ambiente, y luego en un baño de hielo. Al no aparecer precipitado de forma apreciable, se acidifica añadiendo HCl diluido. A medida que la solución se acidifica comienza a aparecer un precipitado de color rosado, junto a impurezas de color marrón. - Para eliminar las impurezas, se calienta la solución obtenida con carbón activado hasta que hierva. Una vez que ha hervido se filtra en caliente en embudo analítico, al hacer esto se observa una formación de precipitado rosado inmediatamente a medida que la solución se enfría. - Finalmente se filtra al vacío y se lavan los cristales con agua fría, se secan los cristales y se guardan. Para la condensación de Diels-Alder (anhídrido 9,10-dihidroantracen-9,10- endosuccínico): - Se colocan 2 g de antraceno, 1.15 g de anhídrido maleico y 25 mL de xileno en un balón de 100 mL y se calienta a reflujo por 20 minutos. En un principio, el anhídrido maleico no se disuelve en la mezcla de reacción, sin embargo, a medida que la reacción progresa comienza a disolverse, a la vez que la mezcla de reacción comienza a adquirir un coloración rojiza. - Una vez que ya han transcurrido 20 minutos a reflujo, se retira el balón para que se enfríe, primero a temperatura ambiente y luego en un baño de hielo. A penas se retira la mezcla de reacción del manto calefactor comienza la aparición de cristales. - Finalmente se filtra la solución, se lavan los cristales con etanol frío, se secan y se guardan. Análisis de resultados: 36
  • Se representan las cantidades utilizadas de productos y las cantidades de productos obtenidas en la Tabla N°5, para el cálculo del rendimiento de los productos se utilizaron los siguientes datos46 : Masa molar (ác. bencílico): 228.24 g/mol Masa molar (Diels-Alder): 276.28 g/mol Masa molar (antraceno): 178.23 g/mol Masa molar (anhídrido maleico): 98.06 g/mol Tabla N°5: Cantidades de reactivos utilizados y productos obtenidos. Reactivos Moles Volumen (mL) Masa (g) Productos Moles Masa (g) KOH 2.5 Ác. bencílico 0.002 0.40 Etanol 95% 20 Diels-Alder 0.0095 2.63 Bencilo 0.01 2 Antraceno 0.011 2 Anhídrido maleico 0.012 1.15 Xileno 25 Rendimiento global: - Considerando que se comenzó con 0.01 moles de bencilo, la reacción para la obtención del ácido bencílico se obtuvo un rendimiento global de 20%. - En la condensación de Diels-Alder, el reactivo limitante es el antraceno (se utilizan 0.011 moles), la reacción entonces tuvo un rendimiento de 86.4%. En la Tabla N°6 se muestran los puntos de fusión obtenidos y se compararán con los informados en la literatura47 . Tabla N°6: Puntos de fusión obtenidos y los informados en la literatura. Producto Pto. de fusión obtenido (°C) Pto. de fusión informado (°C) Ácido bencílico 139-142 151 Diels-Alder 229-231 262-264 Los puntos de fusión obtenidos en este caso se alejan bastante de los informados por la literatura. Para el caso del ácido bencílico se presume que la muestra se encontraba bastante contaminada (aún presenta trazas de un residuo marrón), mientras que para el producto de la condensación Diels-Alder, se presume que la muestra aún presentaba rastros de etanol. 46 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 47 Datos extraídos del Handbook citado en la bibliografía. 37
  • 024681012 PPM Figura N°17: Espectro 1H-RMN del ácido bencílico48 . Figura N°18: Espectro 1 H-RMN del ácido bencílico en DMSO-d6. (a) (b) (c) (c) (c) (b) (b) (c) (c) (c) (b) (d) OH OH O Tipo de hidrógeno Desplazamiento (ppm) Integración Multiplicidad (a) 3.65 1 hidrógeno Singulete (b) 7.36 4 hidrógenos Doblete (c) 7.38 6 hidrógenos Triplete (d) 11.0 1 hidrógeno Singulete 48 Espectro teórico obtenido del software ChemBioDraw Ultra 12.0. 38
  • Podemos ver que los hidrógenos pertenecientes al anillo aromático presentan señales entre los 7-8 ppm, y que los hidrógenos (b), al estar más cerca de un átomo de oxígeno presentan mayor apantallamientos que los hidrógenos (c). El hidrógeno (a) no debería aparecer debido a que interactúa con el solvente, al igual que el hidrógeno (d). Para el ácido bencílico se realizó una cromatografía de capa fina con una mezcla de DCM/metanol al 10%, con una gota de HCl concentrado como eluyente. Se obtuvieron Rf de 0.9 y 0.43 para el bencilo y el ácido bencílico respectivamente, además no se apreciaron impurezas que aparezcan bajo luz UV de 254 nm. Por otro lado, para el producto de la condensación de Diels-Alder, utilizando una mezcla de DCM/metanol al 10% como eluyente. Se obtuvo un Rf de 0.97. Además, al someter la placa a una luz UV de 366 nm se observó una impureza con un Rf de 0.86, el cual probablemente corresponda a trazas de antraceno que no reaccionó. Conclusiones: • Como informa la literatura, dados los medios de reacción adecuados, las reacciones concertadas necesitan de calor para que ocurran (otro medios de activación pueden ser mediante el bombardeo de radiación). • La transposición aniónica fue una de las reacciones más complicadas de llevar a cabo, ya que el método experimental descrito en la guía de laboratorio no arrojaba bueno resultados. Al utilizar distintos métodos descritos en la literatura, se logro obtener algo de producto, si bien el rendimiento obtenido no fue de lo mejor (20%). • Analizando los puntos de fusión obtenidos y comparándolos con los informados por la literatura podemos concluir que los productos obtenidos no poseen mucha pureza. Por otro lado, el espectro informa que el ácido bencílico no posee trazas de compuestos contaminantes, si bien la señal proveniente del grupo hidroxilo del ácido puede confundirse con la señal proveniente de trazas de etanol utilizado en la síntesis. Las cromatografías de capa fina indican que el ácido bencílico no posee trazas de una impureza que se vea bajo luz UV, sin embargo, se puede observar a simple vista la presencia de un compuesto de color marrón, por otro lado, el producto de la condensación de Diels-Alder 39
  • posee pequeñas trazas de otro compuesto, que posee propiedades fluorescentes bajo luz UV a 366 nm, probablemente trazas de antraceno. 6.- DISCUSIÓN GENERAL En estas sesiones de laboratorio fue posible sintetizar distintos productos utilizando técnicas y procedimientos que abarcan los contenidos vistos en los laboratorios de Orgánica I y Orgánica II, de manera tal, que las síntesis realizadas alcanzaron excelentes rangos de pureza. También fue posible discriminar entre distintos métodos para la identificación de los productos obtenidos. Gracias a los conocimientos teóricos aprendidos en los cursos previos fue posible el correcto análisis de los resultados obtenidos, como por ejemplo, los espectros 1 H-RMN e IR, las cromatografías y los puntos de fusión. Al observar los espectros fue evidente que muchos aún presentaban trazas de solventes, debido a esto se recomienda secar bien los compuestos antes de tomarles los espectros. En cuanto a los rendimientos obtenidos podemos ver que fueron los esperados considerando los tipos de reacciones involucradas. En ese aspecto, podemos observar una interesante tendencia en cuanto a que las reacciones que involucraron procesos redox, fueron aquellos que alcanzaron los mayores rendimientos, como la reducción de acetofenona a 1-feniletanol (97% de rendimiento), y la oxidación de benzoína a bencilo (con un rendimiento de 89.5%). Los mecanismos propuestos, fueron extraídos de diversas fuentes bibliográficas y concuerdan con las técnicas aplicadas, lo que se ve reflejado en los rendimientos y purezas obtenidos. 7.- CONCLUSIONES GENERALES • Mediante la correcta utilización de las técnicas y los reactivos adecuados fue posible lograr la síntesis de varios compuestos, algunos en varias etapas, en un tiempo reducido, con rendimientos relativamente altos y grados de pureza aceptables. • La utilización de distintos criterios de pureza (y su correcta interpretación), permite establecer que los protocolos utilizados para la purificación de los productos obtenidos fue adecuada. • El correcto análisis de los espectros es una herramienta fundamental para la química orgánica, ya que no sólo nos permite identificar el producto obtenido, si no que además nos permite ver la presencia de contaminantes cuando se compara con un espectro teórico. • Es posible observar la gran versatilidad del átomo de carbono a la hora de formar enlaces. En estos laboratorios se percibió la formación de enlaces carbono-azufre, carbono-oxígeno, carbono-nitrógeno y carbono-carbono, y fue posible observar las diferentes propiedades físicas y químicas de cada uno. 8.- BIBLIOGRAFÍA 40
  • 1. FIESER, Louis F. y Fieser, Mary. Reagents for Organic Synthesis. EEUU, John Wiley and Sons, Inc., 1967. 2. CREMLYN, R. J. Chlorosulfonic Acid, a Versatile Reagent.UK, Athenaeum Press Ltd., 2002. 3. GREENE, Theodora W. y Wuts, Peter G. M. Protective Groups in Organic Synthesis. EEUU, John Wiley and Sons, Inc., 1991. 4. MORRISON, Robert T. y Boyd, Robert N. Química Orgánica. México, Addison Wesley Longman de México S. A., 1998. 5. WEAST, Robert C., Editor-in-Chief. Handbook of Chemistry and Physics, 65th Edition. EEUU, CRCPress Inc., 1985. 6. BROWN, D. J. Quinoxalines. EEUU, John Wiley and Sons, Inc., 2004. 7. CAREY, Francis A. y Sundberg, Richard J. Advanced Organic Chemistry, 3th Edition, Part A: Structure and Mechanisms. EEUU, Plenum Press, 1990. 8. CAREY, Francis A. y Sundberg, Richard J. Advanced Organic Chemistry, 3th Edition, Part B: Reactions and Synthesis. EEUU, Plenum Press, 1990. 9. SILVERSTEIN, Robert M. y Webster Francis X. Spectrometric Identification of Organic Compounds, 6th Edition. EEUU, John Wiley and Sons, Inc., 1998. 41