Colorantes naturales 1

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Colorantes naturales 1

  1. 1. Universidad Central del Ecuador Facultad de Ciencias QuímicasQuímica de Productos Naturales Colorantes Naturales y Ácido Carmínico
  2. 2. Historia y ClasificaciónDesde los tiempos prehistóricos hasta la mitad delsiglo XIX, el teñido fue hecho con colorantes naturales.La importancia de estos disminuyo cuando en 1856 elinglés William Henry Perkin, en su intento desintetizar quinina, oxidó sulfato de anilina condicromato potásico y produjo el primer colorantesintético: la mauveína, de color purpura.Sin embargo en los años recientes se ha renovado elinterés en los colorantes naturales por recienteslimitaciones de algunos colorantes sintéticos como losazoicos ―causantes de reacciones alérgicas y que dejanresiduos con posibles sustancias cancerígenas‖..
  3. 3. Como fuentes naturales de estos colorantes podemosconsiderar las plantas superiores, las algas, loshongos y líquenes, algunos insectos, así comoalgunos organismos marinos invertebrados.Los colorantes naturales pueden ser clasificadossegún su naturaleza química en diversos grupos.Algunos ejemplos de estructuras químicas de loscolorantes mencionados se dan a continuación.
  4. 4. Tetrapirroles Pirrol ClorofilaIndolesXantonas Xantona
  5. 5. Carotenoides
  6. 6. Quinonas Naftoquinona AntraquinonaEl ácido carmínico está clasificado dentro de los colorantesnaturales quinónicos derivados del antraceno oantraquinonas.
  7. 7. Clasificación de los colorantes naturales según su naturaleza química
  8. 8. Colorantes naturales quinónicosLos pigmentos naturales quinónicos con metabolitossecundarios elaborados por las plantas superiores, loslíquenes, los hongos, los artrópodos y por algunos insectostintóreos.Son dicetonas α,β – insaturadas que se encuentran en lacorteza y la raíz de las plantas superiores. Las característicasde los pigmentos quinónicos es su color, éste va del amarillo,pasando por el anaranjado, y el rojo, al negro.Las quinonas están agrupadas en: benzoquinonas,naftoquinonas antraquinonas y quinonas policondensadas.Las antraquinonas constituyen el grupo más numeroso de lospigmentos quinónicos, que se encuentran en diversos génerosy especies de las familias de las: Rubiáceas, Pologonáceas,Leguminosas, Liláceas, etc, y los insectos tintóreos de lafamilia de los Cóccidos como el Dactylopius coccus costa la―cochinilla‖ del cual se obtiene el ácido carmínico que seutiliza para dar color a los alimentos, fármacos, cosméticos ycomo un recurso para el teñido de lana mordentada.
  9. 9. CarotenoidesLos carotenoides son pigmentos orgánicos del grupo delos isoprenoides que se encuentran de forma natural enplantas y otrosorganismos fotosintéticos como algas,algunas clases de hongos y bacterias. Se conoce laexistencia de más de 700 compuestos pertenecientes a estegrupo.Los carotenoides son el grupo más representativo delos tetraterpenos, compuestos que se caracterizan por unaestructura con 40 átomos de carbono, aunque no todos loscarotenoides se ajustan estrictamente a esta regla. Estosátomos de carbono se encuentran ordenados formandocadenas poliénicas conjugadas en ocasiones terminadas enanillos de carbono. A los carotenoides que contienenátomos de oxígeno se les conoce más específicamentecomo xantofilas. Los restantes constituyen el grupo de losllamados carotenos.
  10. 10. FlavonoidesLa palabra flavonoide viene del latín "flavus", que significa"amarillo". Son los pigmentos responsables del color otoñalde las hojas y de muchas gamas del amarillo, naranja, rojo yazul en flores. Se pueden encontrar en forma libre o unidas aazúcares formando heterósidos. Las geninas son insolubles enagua pero en forma de heterósido se vuelven hidrosolubles.En el grupo flavonoides se incluyen todos los compuestosfenólicos cuyo esqueleto está formado por quince carbonos,distribuidos en tres anillos: dos anillos bencénicos de 6carbonos (A y B), conectados mediante un anillo heterocíclicoC que puede ser pirano o pirona (si tiene un doble enlace enla posición 4). En plantas se han descrito más de 5000flavonoides naturales y en función de su estructura químicase han clasificado en 6 grupos.
  11. 11. XantonasLas xantonas son fitonutrientes muy poderosos que seencuentran en algunos alimentos, por poner un ejemplo lapiel de la uva contiene 3 xantonas mientras que el mangostánaporta al organismo 50 xantonas. Este fitonutriente tiene unefecto regenerador de todo el organismo,es antiinflamatorio,mejora el funcionamiento cardiovascular, es un antibióticonatural y elimina los radicales libres causantes delenvejecimiento celular. Mangostán
  12. 12. IndolesLa química del indol comienza a desarrollarse con el estudiodel colorante índigo.El índigo se puede convertir en isatina y luego en el oxoindol.En 1866 Adolf von Baeyer llevó a cabo la reducción deloxoindol en el indol usando zinc en polvo.En 1869, Baeyer propuso la siguiente fórmula para el indolCiertos derivados del indol fueron colorantes importanteshasta finales del siglo XIX. En la década de 1930, seintensificó el interés por el indol ya que el núcleo de esteanillo heterocíclico se encuentra presente en alcaloidesimportantes, así como en la estructura del triptófano y enlas auxinas (hormonas vegetales).
  13. 13. Colorantes antraquinónicos.Quimica de los colorantes antraquinónicosLas antraquinonas constituyen el grupo más numeroso de lasquinonas naturales y son la base y fuente de una importantecantidad de colorantes. Son compuestos aromáticospolihidroxilados más o menos metilados y cuando haysustituyentes en la posición c-2 ó en c-3, estado de oxidacióndel átomo de carbono puede variar y ser –CH3-CH2OH, -CHO, -COOH o formar grupos más complejos.Cuanto mayor es el número de grupos sustituyentesdonadores de electrones, más fuerte y profundo será el color.La sustitución en la posición α- da más color que en laposición β- debido a la interacción de un par de electrones nocompartidos del grupo auxocromo quinónico.
  14. 14. Las antraquinonas altamente oxigenadas se encuentran en losinsectos tintóreos de la familia de los cóccidos, que producenlos ácidos antraquinontetrahidroximetilcarboxílicos, comoson los ácidos kermésico y carmínico.Las antraquinonas naturales se encuentran libres y al estadode combinaciones glicosídicas.Los glicósidos son una clase amplia y muy importante dederivados de carbohidratos, caracterizados por la sustitucióndel grupo hidroxilo anomérico por algún otro sustituyente.Los azúcares den forma de acetales se denominan glicósidos ypueden ser: O-glicósidos, N-glicósidos, S –glicósidos, según elátomo unido al carbono anomérico.El compuesto que reacciona con elcarbohidrato(monosacárido) recibe el nombre de aglicona.Cuando la aglicona es otro monosacárido, el glicósidoresultante recibe el nombre de holósido; si es un compuestodiferente, heterósido.
  15. 15. Un aglicón es el grupo que va enlazado al átomo de carbonoanomérico de un glicósido.Los O-glicósidos tienen un grupo alcoxi – OR en lugar del –OH en el carbono anomérico. Estructuralmente son acetalesmixtos.La preparación de glicósidos en el laboratorio se realiza porreacción de un carbohidrato con un alcohol en presencia deun catalizador ácido.Hidrólisis del enlace glicosídico.En condiciones neutras o básicas, los glicósidos sonconfiguracionalmente estables. La conversión del grupohidroxilo anomérico en función éter (hemiacetal-acetal) evitasu reversión a la forma de cadena abierta en medios neutros obásicos. Se hidrolizan fácilmente por los ácidos minerales endisolución acuosa y en caliente y por tanto la formación deacetal se puede revertir y el glicósido se puede hidrolizar alazúcar libre y a la aglicona. Puesto que los glicósidos noposeen ningún grupo aldehído latente, no reducen la soluciónde fehling.
  16. 16. Extracción y análisis de antraquinonasExtracción de compuestos naturalesLos compuestos producidos por los seres vivos se encuentranformando parte de un complejo natural organizado quecontiene una variedad de productos entre ellos los pigmentosquinónicos, con estructuras y propiedades diversas. Para laobtención de las benzoquinonas, naftoquinonas yantraquinonas, se requiere que la muestra materia de estudiosea sometida a un proceso de técnicas de extracción,aislamiento y purificación para concluir con sucaracterización.Extracción de antraquinonasEn general, para la extracción de antraquinonas se empleametanol o acetona caliente.Si las antraquinonas están al estado de glicósidos, laextracción se realiza, en caliente, con agua o con solucionesalcalinas, utilizando extracción continua en söxleth, quenecesita cantidades mínimas de solvente con un máximo derendimiento y recuperación del mismo.
  17. 17. Los procedimientos para el aislamiento de estas sustanciasdependen del tipo de núcleo de interés, es decir si se deseaobtener las agliconas, los glicósidos, las formas reducidas, lasformas oxidadas, etc. Para aislar efectivamente las agliconas,la muestra vegetal se extrae con solventes poco polares comoel éter etílico o benceno. Los compuestos glicosídicos seextraen ya sea con etanol, agua o mezclas de etanol-agua.Cuando se desee extraer las formas reducidas, debe tenerseprecaución especial, ya que la sola presencia del oxígeno delaire produce la oxidación, en este sentido es aconsejabletrabajar en atmósfera de nitrógeno. El proceso de oxidaciónes también bastante rápido en soluciones alcalinas, y en estascondiciones se forman diantronas, poliantronas y porsupuesto antraquinonas.Luego de la extracción, los extractos de glicósido debenconcentrarse bajo presión reducida para obtener los cristalescrudos. Estos cristales pueden purificarse porrecristalizaciones sucesivas en mezclas acetona-agua.
  18. 18. Los O-glicosidos se hidrolizan fácilmente al calentarlos conácido acético o clorhídrico alcohólico diluido( por ejemplo al5%). La hidrólisis ocurre en una hora calentando a 70°C.Las mezclas de compuestos antracénicos pueden separarsepor métodos cromatográficos como HPLC de fase reversa,utilizando un copolímero de estireno-divinilbenceno, el cualse produce buenos resultados, especialmente para glicósidos ,y para separar por grupos de compuestos.La cromatografía es capa fina con sílica gel G y varioseluyentes, ha sido una técnica muy útil especialmente en lavaloración de drogas vegetales con compuestos antracénicos.Aquí es importante mencionar que se obtienen buenasseparaciones de las antraquinonas con placas de sílica gelpreparadas en una suspensión de 28 g de sílica gel GF en 72ml de solución de ácido tartárico al 3.75% acuoso; y eluyendocon la mezcla cloroformo-metanol.
  19. 19. Las antraquinonas se pueden detectar sobre las placascromatográficas por revelado con luz ultravioleta al rociar lasplacas con KOH al 10% metanólicos, los colores amarillos ypardos originales cambian a rojos, violetas, verdes opúrpuras. Los valores Rf de algunas antraquinonas sepresentan:IdentificaciónIdentificación de quinonas conocidas se establece por susconstantes físicas, su comportamiento cromatográficocomparado con un patrón, y mediante métodos químicos yespectroscópicos. Para establecer la estructura de quinonasdesconocidas, además de los métodos mencionados esnecesaria la preparación de derivados de diferente tipo y elempleo de reacciones de síntesis y elucidación estructuralapoyada en la espectroscopia.
  20. 20. Ensayos preliminaresLos ensayos preliminares comprenden solubilidad en soluciones debicarbonato de sodio, de carbonato de sodio e hidróxido de sodio;las reacciones de color en las soluciones alcalinas de acetato demagnesio, la reacción de Borntráger y reacciones especiales.Los ensayos preliminares dan una información general delcompuesto quinónico que debe ser caracterizado medianteprocedimientos más específicos.
  21. 21. a)Ensayo de BornträgerLas antraquinonas y sus formas reducidas, puedenreconocerse en muestras vegetales, al ser tratadas con lasolución de hidróxido amónico forman complejos de colorrojo cereza, a través del denominado Ensayo de Bornträger.En este ensayo, una porción del material vegetal se pone enebullición con una solución de KOH acuoso diluido, durantevarios minutos. Este tratamiento no solo hidroliza losglicósidos antracénicos, sino que también oxida las antronasy antranoles hasta antraquinonas. La solución alcalina se dejaenfriar, se acidifica y se extrae con benceno. Cuando la fasebencénica se separa y se pone en contacto con una soluciónacuosa diluida de un álcali, la fase bencénica pierde su coloramarillo, y la fase acuosa se torna de color rojo si la muestracontiene antraquinonas. El ensayo no es específico para Iasantraquinonas ya que las naftoquinonas también dancoloraciones rojas.
  22. 22. Si la muestra contiene antraquinonas parcialmente reducidas,la solución original no se torna roja inmediatamente despuésde hacerla alcalina, pero se torna de color amarillo con unafluorescencia verdosa, y poco a poco se va tornando roja, amedida que ocurra la oxidación. Si se desea, la oxidaciónpuede acelerarse añadiendo un poco de peróxido dehidrógeno acuoso al 3%. La reacción colorimétrica puedeutilizarse también como base para la valoración cuantitativade estas sustancias en diferentes muestras. Es posibletambién reconocer con la ayuda de un espectrofotómetroultravioleta si la muestra contiene formas reducidas uoxidadas, ya que las primeras absorben alrededor de 360nanómetros, mientras las segundas absorben alrededor de440 nanómetros, Por otro lado, las 1,4-dihidroxiantraquinonas pueden reconocerse porque aldisolverlas en solución de ácido acético presentanfluorescencia.
  23. 23. b) Ensayo con Acetato d Magnesio alcohólicoAl tratar las soluciones que contienen antraquinonas purascon una solución de acetato de magnesio en alcohol, seproducen coloraciones características dependiendo delpatrón de hidroxilación de la sustancia. Las sustancias m-hidroxiladas producen color amarillo naranja, las p-hidroxiladas color púrpura, y las o-hidroxiIadas producencoloraciones violeta.c) Ensayo de Reducción moderadaEn-sayo de reduedón drásticaLas antraquinonas se reducen fácilmente en presencia de unmetal y un ácido mineral, perdiendo su coloración original;pero al dejar expuesto al aire of producto de reducción, estese oidda por el oxjgeno del aire y reaparece la coloraciónoriginal.
  24. 24. d) Ensayo de reducción drásticaLas antraquinonas pueden reducirse drásticamente hastaantraceno por destilación en seco con cinc en polvo. Estetratamiento convierte los compuestos tipo antrona oantraquinona en antraceno, el cual es destilado y se puedeidentificar por su punto de fusión (216°C). Por su parte las 2-metilantronas y 2-metilantraquinonas forman 2-metilantraceno (P.F. 245°C), y pueden distinguirse fácilmentede las naftoquinonas, las cuales producen naftaleno (P.F.80°C).e) Oxidación del Ácido CarmínicoLa posición correcta del grupo carboxilo en la molécula delácido carmínico ha sido confirmada por Bhatia-Venkataraman (Bathia S.B. y Venkataraman, 1965) porsíntesis del ácido 5-metoxi-toluen-2,3,6 tricarboxílico, el cualtratado con diazometano fue transformado en el éstertrimetílico; este último compuesto es idéntico con el productode la metilación del ácido fenólico obtenido por la oxidacióncontrolada del ácido carmínico.
  25. 25. CaracterizaciónEspectroscopía ultravioleta-visibleLa principal aplicación de la espectroscopia ultravioleta-visible,la cual depende de transiciones entre niveles de energíaelectrónica, consiste en identificar sistemas de electrones πconjugados. La energía requerida para promover un electrón deun estado electrónico al siguiente se encuentra en el intervaloultravioleta y visible del espectro electromagnético y estáfavorecida por la resonancia La región visible corresponde a400-800 nm, la luz ultravioleta 200-400 nm;
  26. 26. Sirve como "huella dactilar" de un compuesto para demostrar suidentidad o estructura molecular. Las antraquinonas en generalpresentan en solución etanólica hasta cuatro bandas de absorciónentre 220 y 290 nm. (I=9000-3000), otra entre 300 y 350 nm.(i=3000-6000), y otra entre 400 y 500 nm. (i---2000-9000). Lapresencia de grupos hidroxilos en posiciones 1, 4, 5 y 8 del núcleoantraquinónico, puede detectarse en el espectro IR, ya que alañadir cloruro de aluminio en solución metanólica a la soluciónalcohólica de la antraquinona, se observa un notabledesplazamiento batocrómico del espectro, el cual se mantiene aúndespués de añadir un ácido mineral. El desplazamientobatocrómico es debido a la formación de un quelato estable talcomo se ilustra
  27. 27. AplicacionesLas propiedades laxantes de algunas plantas superiores,están relacionadas con su contenido de antraquinonas a-hidroxiladas. Muchas antraquinonas se presentan como C-y 0-glicósidos, especialmente en las plantas del géneroRubia (Rubiáceas), las cuales se han utilizado para teñirtejidos de algodón en combinaciones con sales metálicas(de aluminio dan coloraciones rojas, de hierro, negras y decromo, violeta-marrón). Las antraquinonas altamenteoxigenadas se encuentran en los insectos, que sonutilizadas comercialmente en preparaciones cosméticas yen la industria alimenticia y textil.Algunos ejemplos de antraquinonas utilizadas en laindustria son:-Alizarina: colorante tipo mordiente que adquierediferentes coloraciones por la formación de complejos conlos iones metálicos. Se la utiliza para colorear quesos,cuajar la leche, indicador ácido-base y reactivo analítico.
  28. 28. • Áloe-Emodina: antiséptico, antiasmático, cicatrizante,laxante, etc. Se usa para la preparación de cosméticoshumectantes, bebidas rehidratantes.• Reina: antirreumático, laxante, ayuda a combatir lafragilidad capilar, teñido de lana mordentada con sulfato dealuminio, etc.• Purpurina: con los metales forma complejos "lacas"coloreados. Se utiliza en histología para la identificación decalcio en las células. En medio alcalino se oxida y da ácidoftálico. Tiñe de rojo escarlata la lana mordentada conaluminio.• Ácido kermésico: producto metabólico de la hembraKermococcis illicis (Cóccidos). Por acción del calor pierdeanhídrido carbónico. Teñido de cuero, teñido de le lana yseda.
  29. 29. Acido carmínicoPropiedades químicasEl ácido carmínico o ácido antraquinón-7-glucopiranósil-3,5,6,8-tetrahidroxi-l-metil-2-carboxílico, de fórmulaC22H20013, y peso molecular 492.4 g/mol, cristaliza enprismas rojos, además se lo clasifica como un coloranteorgánico natural. El ácido carmínico se halla hasta 22% en loshuevos de las hembras adultas de los insectos Dactylopiuscoccus costa (Cóccidos), conocido con el nombre de"cochinilla", cuyo hospedero natural es la penca de la "tuna"Opuntia ficus (Cactaceae). (Gibaja, 1998, pág. 117)En 1962 Overeen y Van der Kerk, demostraron que laposición del grupo carboxílico en el ácido carmínico ocupa laposición C-2. En 1984 Schmiitt y sus colaboradoresreportaron los espectros de RMN de 1H y 13C que confirmanla estructura y la confirmación del resto de la glucosa delácido carmínico como se muestra.
  30. 30. El grupo carboxilo —COOH y los cuatro grupos —OHfenólicos, de las posiciones C-3, C-5, C-6 y C-8desprotonables, contribuyen a los cambios de color y de pHdel ácido carmínico; anaranjado a pH=3.0, rojo a pH=5.5 ypúrpura a pH=7.0.Mediante hidrólisis, el enlace glucosídico se rompe para darpaso a la formación de la estructura del ácido propiamentedicho:
  31. 31. Comportamiento químico del ácido cannínico: El ácidocarmínico es estable a la luz, a los tratamientostérmicos y a laEl color de la solución del ácido carmínico, no esestable a los cambios de pH.Con solución 1N de ácido sulfúrico sometido a 1000 Cdurante cuatro horas no presenta degradación porhidrólisis ni presencia de azúcares. El ácido carmínicoes estable al dióxido de azufre, no se decolora.
  32. 32. • El ácido carminico reacciona con los iones metálicos,formando complejos coloreados. (Tabla 3)El ácido carrnínico con el aluminio-calcio forma elcomplejo, ácido carmínico-aluminio-ácido carmínico-calcio, de color rojo intenso denominado "carmín decochinilla".
  33. 33. Propiedades físicasEs un polvo pardo rojizo oscuro o rojo brillante, quedescompone a los 136 ° C.El ácido carmínico es soluble en agua y en ácido sulfúricodiluido, alcohol y bases. Insoluble en los hidrocarburos yaceites comestibles.Aplicación del ácido carmínico y sus derivados en laindustria.El carmín A-SG (ácido carmínico) es un producto con unapureza de hasta 99%. Se ofrece en dos presentaciones: polvo,con una pureza de hasta 99%; y líquido, con una pureza dehasta 5 %.
  34. 34. Actualmente este colorante ha tomado una gran importanciadebido a sus múltiples usos en la industria textil,farmacéutica, alimenticia y cosmética. Esto como resultadode las restricciones globales en el uso de colorantesartificiales, sobre todo en la industria alimenticia y otrosproductos de consumo.El ácido carmínico es el agente colorante casi puro de 90% a95%. Su demanda es muy limitada. Se utiliza en algunosalimentos especialmente en Japón para colorear el sustitutode carne de cangrejo (surimi). Otros productos que utilizan lacochinilla y sus derivados son los dulces, goma de mascar,gelatinas y mermeladas; sopas y salsas; productos de lapanificación; bebidas alcohólicas con bajo pH que requierentonos rojos o naranjas, aperitivos y jugos, etc.
  35. 35. Del total de la producción de cochinilla, en la industriaalimenticia se utiliza el 75%; en la industria cosmética seutiliza 15%, para los productos que se aplican a la zona deboca y ojos como sombras lápices de labios y también pararubores; el 10% restante se reparte entre la industriafarmacéutica: en jarabes, enjuagues bucales, ungüentos,cubiertas de tabletas, cápsulas, etc., y en la industria textil: enel teñido de telas para prendas de vestir, ropa de cama yalfombras. Ambos ramos utilizan principalmente la laca(eximport, 2007). Los derivados del ácido carmínico tienenaplicaciones muy variadas como colorear aceites y grasascomestibles, bebidas alcohólicas, bebidas cítricas y alimentosácidos, conservas de frutas cítricas, yogures, cremaspasteleras, etc.
  36. 36. Método de extracción Extracción SöxlethLa extracción Söxleth ha sido, y en muchos casos, continúasiendo, el método estándar de extracción de muestrassólidas más utilizado desde su diseño en el siglo pasado.Actualmente, es el principal método de referencia con elque se comparan otros métodos de extracción. Además demuchos métodos de la EPA (U.S. EnvironmentalProtection Agency) y de la FDA (Food and DrugsAdministration) utilizan esta técnica clásica como métodooficial para la extracción continua de sólidos.En este procedimiento la muestra sólida finamentepulverizada se coloca en un cartucho de material porosoque se sitúa en la cámara del extractor Sóxleth. Se calientael disolvente extractante, situado en el matraz, secondensan sus vapores que caen, gota a gota, sobre elcartucho que contiene la muestra, extrayendo los analitossolubles.
  37. 37. Cuando el nivel del disolvente condensado en la cámaraalcanza la parte superior del sifón lateral, el disolvente, conlos analitos disueltos, asciende por el sifón y retorna almatraz de ebullición. Este proceso se repite hasta que secompleta la extracción de los analitos de la muestra y seconcentran en el disolvente.La extracción con Sóxleth presenta las siguientes ventajas:> La muestra está en contacto repetidas veces con porcionesfrescas de disolvente.> La extracción se realiza con el disolvente caliente, así sefavorece la solubilidad de los analitos.> No es necesaria la filtración después de la extracción. > Lametodología empleada es muy simple. > Se obtienenexcelentes recuperaciones, existiendo gran variedad demétodos oficiales cuya etapa de preparación de muestra sebasa en la extracción con Sóxleth.
  38. 38. Por otra parte, las desventajas más significativas de estemétodo de extracción son:> El tiempo requerido para la extracción normalmente estáentre 6-24 horas.> La cantidad de disolvente orgánico (50-300 ml)> La descomposición térmica de los analitos termolábiles, yaque la temperatura del disolvente orgánico está próxima a supunto de ebullición.> No es posible la agitación del sistema, la cual podríaacelerar el proceso deextracción.> Es necesaria una etapa final de evaporación del disolventepara la concentración de los analitos.> Esta técnica no es fácilmente automatizable.
  39. 39. Métodos de análisisLos métodos de análisis de ácido carmínico, tanto para suidentificación como caracterización, factibles de realizar enlas condiciones del laboratorio, abarcan los físicos, químicos yespectroscópicos.Métodos Físicos; Determinaciones preliminaresPunto de Fusión: Muchos compuestos orgánicos sonsólidos a la temperatura ambiente como consecuencia de lasfuerzas intermoleculares que sujetan a las moléculas a unared cristalina. La magnitud y naturaleza de estas fuerzasdeterminan las diferencias en los puntos de fusión. Engeneral, cuando las fuerzas que sujetan el cristal son muygrandes, el punto de fusión tenderá a ser elevado y viceversa.El punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual lasfases sólida y líquida coexisten en el equilibrio y escaracterístico de cada sustancia en particular.
  40. 40. La fusión observada para un sólido puro, ocurregeneralmente en un intervalo de 1 a 2 °C en general, cuantomás pura es la sustancia, más estrecho será el intervalo defusión. La presencia de una impureza produce un descensodel punto de fusión. Las impurezas corrientes son: (1) eldisolvente del que se ha cristalizado la sustancia, (2) elmaterial de partida que todavía contamina el producto, (3)subproductos formados en la preparación de la sustancia y(4) agua, tanto del disolvente como de la atmósfera.Aunque las impurezas bajan el punto de fusión, algunasveces la presencia de una impureza no sólo amplía elintervalo de fusión sino que a la vez lo eleva.Hay que tomar en cuenta, que algunas sustancias sedescomponen en sus puntos de fusión, como es el caso delácido carmínico. Esto se debe con frecuencia a unareacción química que tiene lugar al calentar el compuesto oal hecho de que el material es inestable con relación a susdiversos componentes al elevarse la temperatura.
  41. 41. Clasificación mediante solventes: Para la identificaciónde compuestos orgánicos, es factible clasificarlos mediante susolubilidad en tres clases de solventes: ácidos, bases ysustancias neutras. Se utilizan generalmente seis pruebas desolubilidad. Las designaciones de la clasificación de uncompuesto se hacen mediante observación de la solubilidaddel compuesto orgánico en agua destilada, hidróxido de sodioacuoso, bicarbonato de sodio acuoso, ácido clorhídricoacuoso, éter y ácido sulfúrico concentrado.Solubilidad en Agua destilada: Una sustancia orgánicasoluble en agua se espera que tenga uno o más grupos polaresy/o peso molecular bajo. El ácido carmínico es poco solubleen agua a pesar de la presencia en su estructura de grupospolares como —OH y —COOH, pues su peso molecular eselevado y contiene grupos aromáticos. Es importante, cuandouna sustancia es fácilmente soluble en agua verificar su pH,esto nos ayudará a confirmar la presencia de grupos ácidos.
  42. 42. Solubilidad en bases acuosas:Si un material soluble en agua es soluble en una soluciónde hidróxido de sodio al 5% o 10%, se debe a la formaciónde una nueva sustancia, mediante una reacción, comoocurriría con compuestos con grupo carboxílico (ácidodébil) que daría paso junto con el hidróxido (base fuerte) auna reacción ácido-base para la formación de una sal yagua. Así esperaríamos que ocurra con el ácido carmínicopor la presencia en su estructura de un grupo carboxilo.También se debe probar la solubilidad del compuestoorgánico en bicarbonato de sodio acuoso. Este reactivoreaccionará con ácidos (ácidos carboxílicos) desprendiendoCO2 del ión bicarbonato.Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado;Compuestos neutros:Si un compuesto orgánico no es soluble en ácidos diluidosni bases, se lo considera como neutro. Generalmente estosson los alcoholes, aldehídos y cetonas, ésteres, etc.
  43. 43. Por tanto es factible identificarlas por su solubilidad enácido sulfúrico que se da por una reacción entre estassubstancias con el ácido concentrado.
  44. 44. Color: En los compuestos puros, el color es casi siempre elresultado de la conjugación. Los hidrocarburos saturadosson siempre incoloros o blancos. Sin embargo, a medidaque aumenta la conjugación, los colores pasan por unatransición de amarillo a anaranjado, rojo y azul.La coloración del ácido cannínico en soluciones acuosasvaría con los cambios de pH: naranja (a pH menor a 4.8);rojo-naranja (entre pH 4.8 a 6.2); violeta a pH mayor a6.2).Olor: El olor de una sustancia depende primordialmentede dos factores; (1) de la volatilidad de la sustancia y (2) dela forma de la molécula. Una sustancia debe ser losuficientemente volátil para que el olor alcance la nariz delobservador. La volatilidad de una sustancia se determinapor la forma de la molécula, el peso molecular y lapresencia de grupos funcionales.
  45. 45. Ensayo a la llama: las sustancias orgánicas, casi sinexcepción, arden. Las sustancias inorgánicas, casi sinexcepción, no arden. Si el material arde limpiamente con unallama azul sin humo, puede suponerse que la relacióncarbono/hidrógeno será generalmente baja, y queprobablemente la sustancia contiene oxígeno que activa lacombustión de la misma. Si la relación carbono/hidrógenoestá cercana a 1, como en el benceno, el compuesto arderácon una llama fuliginosa indicativa de combustiónincompleta. Los compuestos aromáticos arden generalmentecon una llama fuliginosa amarilla. Además, puede quedarceniza o residuo. La presencia de ceniza es tambiéncaracterística de combustión incompleta o de un elementoinorgánico.
  46. 46. Métodos QuímicosUna vez analizada la muestra según las pruebas anteriores yconociendo así sus características físicas y grupo desolubilidad, se dispone de la orientación necesaria parainiciar el análisis de grupos funcionales. Los métodosquímicos de análisis de compuestos orgánicos, dependen portanto de la reactividad esperada para los grupos funcionalespresentes en la molécula. Para el ácido carmínico se realizanpruebas de identificación de antraquinonas pues es el grupoque le confiere su reactividad particular. Para caracterizarlose calcula el equivalente de neutralización, por la presenciadel grupo carboxílico (ácido).Con estos antecedentes, se utilizarán las siguientesreacciones:I. Ensayo de Bornträger2. Equivalente de Neutralización (E.N): La determinación delpeso molecular de un compuesto orgánico es de gran valorpara conocer su composición y estructura.
  47. 47.
  48. 48. Las unidades SI de frecuencia son el recíproco de segundos(s-1) que reciben el nombre de hertz y el símbolo Hz. Laconstante de proporcionalidad h se llama constante dePlanck y tiene el valor: h = 6.63 x10-34/. sLa radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz(c=3.0 x 108 m/s), que es igual al producto de su frecuenciay y su longitud de onda λ: c= vλEl intervalo de energías fotónicas se llama espectroelectromagnético y se muestra a continuación.La luz visibleocupa una región muy pequeña del espectroelectromagnético. En la figura se observan las siguientesrelaciones:1. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitudde onda.2. La energía es directamente proporcional a la frecuencia.
  49. 49. Las energías fotónicas particulares absorbidas por unamolécula dependen de la estructura molecular y sonmedidas con instrumentos llamadosespectrofotómetros.
  50. 50. Las energías fotónicas particulares absorbidas por unamolécula dependen de la estructura molecular y sonmedidas con instrumentos llamados espectrofotómetros.Estados de energía cuantizadosEl requisito más importante para que un fotón seaabsorbido por una molécula es que la energía del fotón seaigual a la diferencia de energía entre dos estados, comoestados de espín nuclear, dos estados vibratorios o dosestados electrónicos, que en física se conoce comoresonancia. En la espectroscopia de ultravioleta-visible,son dos estados electrónicos diferentes. Solo ciertasenergías son posibles para los estados electrónicos que sedice que están cuantizados. Las moléculas se encuentranmás en el estado de menor energía El que en el de mayorenergía E2. La excitación de una molécula de un estados demenor energía a uno de mayor energía requiere la adiciónde un incremento de energía ΔE.
  51. 51. Por tanto, cuando la radiación electromagnética incidesobre una molécula, sólo la frecuencia cuya energíacorrespondiente es igual a ΔE es absorbida.Los espectrofotómetros están diseñados para medir laabsorción de radiación electromagnética por una muestra,así la relación entre la frecuencia y la absorción se trazagráficamente como un espectro.Espectroscopia Ultravioleta-VisibleRegión espectralLa frecuencia de las ondas que corresponde a la frecuenciadel movimiento de los enlaces de la molécula en elultravioleta (UV) corresponde a longitudes de onda máscortas y a energías mucho más altas que las del infrarrojo.La región UV se encuentra en un intervalo de frecuenciajusto encima del visible: ultra quiere decir más allá yvioleta es la frecuencia más alta del visible. Las longitudesde onda de la región UV se suelen expresar en nanómetros(1nm= 10-9 m).
  52. 52. Los espectrofotómetros de UV suelen operar entre 200 y 400nm, que corresponde a la energía de un fotón de 70 a 140kcal/mol. Estos espectrofotómetros con frecuencia abarcan laregión del visible y se denominan espectrofotómetros UV-visible. Las energías UV-visible corresponden a transicioneselectrónicas: energía que se necesita para excitar un electróndesde un orbital molecular a otro.Se muestran algunos espectros de UV de varios compuestosaromáticos y del β-caroteno, en donde se observa que para lamayoría de espectros UV la absorción es bastante ancha y confrecuencia se habla de ella como una "banda" en lugar decómo un "pico".La Tabla 6 muestra algunas absorciones espectrales UV-visible de algunos compuestos con enlaces π.
  53. 53. Luz ultravioleta y transiciones electrónicasLas longitudes de onda de la luz UV absorbidas por unamolécula se determinan por las diferencias de energíaelectrónicas entre los orbitales de la molécula. Los enlaces σ(sigma) son muy estables y sus electrones generalmente noson afectados por radiaciones con longitudes de ondasuperiores a 200 nm.
  54. 54. Los enlaces π (pi) tienen electrones que pueden ser excitadosmás fácilmente y promovidos a orbitales de energía más altos.Los sistemas conjugados normalmente tienen orbitalesvacantes de baja energía, por lo que las transicioneselectrónicas hacia estos orbitales dan lugar a absorcionescaracterísticas en la región UV.El etileno, por ejemplo, tiene dos orbitales π: el orbitalenlazante (π, el HOMO) y el orbital antienlazante (π*, elLUMO). En el estado fundamental hay dos electrones en elorbital enlazante y ninguno en el orbital antienlazante. Unfotón con la cantidad de energía adecuada puede excitar a unelectrón desde el orbital enlazante (π) al orbital antienlazante(π*). Esta transicion de un orbital enlazante a unantienlazante se conoce como transición π--π*.
  55. 55. La mayoría de los espectrofotómetros UV no pueden detectaresa absorción, pero sí de sistemas conjugados como el delbutadieno, así que la espectroscopia Uv-visible tiene sumayor importancia para el estudio de moléculas con enlaces πconjugados.La longitud de onda en un máximo de absorción se conocecomo la λmax de la banda. Además de la λmax las bandas deUV-visible se caracterizan por su absorbancia (A), la cualsirve para medir la radiación que es absorbida cuando pasa através de la muestra. Para corregir los efectos de laconcentración y la longitud de la trayectoria, la absorbanciase convierte en absortividad molar (ε) dividiéndola entre laconcentración de la muestra c y la longitud de la trayectoria len centímetros.
  56. 56. Se compara las energías de los Orbitales moleculares (OM) deletileno y el 1,3-butadieno. Los orbitales enlazantes yantienlazantes del etileno están mucho más distantes que elorbital ocupado más alto (HOMO, 2) y el orbital desocupadomás bajo (LUMO, 3) del butadieno. Esta diferencia en laenergfa de absorción se puede detectar con un espectrómetroultravioleta-visible.
  57. 57. Parámetros que influyen en la absorción:La diferencia de energía HOMO-LUMO y, en consecuencia, lalongitud de onda máxima λmáx para la transición π- π* varíacon los sustituyentes en los enlaces dobles. Los datos de laTabla ilustran dos efectos de los sustituyentes: aumento desustituyentes metilo en el enlace doble y extensión de laconjugación. Ambos causan desplazamiento de λmax alongitudes de onda más largas, pero el efecto de conjugaciónes el más grande de los dos. Con base en datos recolectadospara muchos dienos, se ha encontrado que cada sustituyentemetilo en los enlaces dobles causa un desplazamiento dealrededor de 5 nm mientras que la extensión de laconjugación causa un desplazamiento de alrededor de 36 nmpor cada enlace doble adicional.
  58. 58. Muchos compuestos como el licopeno son coloridosdebido a que su diferencia de energía HOMO-LUMOes lo bastante pequeña corno para que λmax, aparezcaen el intervalo visible del espectro. Sin embargo, todolo que se requiere para que un compuesto sea coloridoes que posea alguna absorción en el intervalo visible.
  59. 59. Un segundo tipo de absorción que es importante en el análisispor UV-visible de compuestos orgánicos es la transición n —π* del grupo carbonilo (C=0). Uno de los electrones sincompartir en un orbital del oxígeno es excitado a un orbitalde antienlace del grupo carbonilo. La n en la transición n--->π* identifica al electrón como uno de los electrones noenlazados del oxígeno. Esta transición da origen a picos deabsorción relativamente débiles (εmáx< 100) en la región de270 a 300 nm.La unidad estructural asociada con una transición electrónicaen la espectroscopia de UV-visible se llama cromóforo), queson grupos funcionales que contienen dobles o triplesenlaces, dobles enlaces conjugados, etc. (ej. Alquenos,alquinos, carbonilo, etc.).
  60. 60. Otros grupos que contribuyen a las características deabsorción de una molécula orgánica son los auxocromos. Unauxocromo es un grupo funcional que por sí mismo noabsorbe luz pero que presenta la capacidad de modificar laabsorción del cromóforo al que está unido. Suelen sersustituyentes con pares de electrones sin compartir (Oxígeno,halógenos, azufre y nitrógeno).Efectos sobre el espectro de absorción:Efecto hipsocrómico: desplazamiento a menoreslongitudes de onda, es decir, mayor frecuencia.Efecto batocrómico: desplazamiento a mayores longitudesde onda, es decir, menor frecuencia.Efecto hipercrómico: desplazamiento a mayor intensidad.Efecto hipocrómico: desplazamiento a menor intensidad.
  61. 61. Obtención de un espectro de ultravioletaPara medir el espectro de ultravioleta (o UV-visible) de uncompuesto, la muestra se disuelve en un solvente (confrecuencia etanol) que no absorba por encima de 200 nm.La muestra disuelta se coloca en una celda de cuarzo yparte de solvente se coloca en una celda de referencia. Elhaz de referencia pasa a través de la celda de referenciapara compensar cualquier absorción de luz debida a lacelda y al solvente.El espectrofotómetro tiene una fuente que emite todas lasfrecuencias de luz UV (por encima de 200 nm). La luz pasaa través de un monocromador, que utiliza una red dedifracción o un prisma para dispersar la luzdescomponiéndola en un amplio espectro y seleccionar unalongitud de onda. Esta única longitud de onda se divide endos haces, un haz pasa a través de la celda de muestra y elotro a través de la celda de referencia (disolvente). Eldetector mide constantemente la relación de intensidadentre el haz de referencia (Ir) y el haz de la muestra (Is).
  62. 62. Mientras el espectrofotómetro explora las longitudes de ondaen la región UV, un registrador hace el gráfico (espectro) de laabsorbancia de la muestra en función de la longitud de onda.La absorbancia, A, de la muestra a una longitud de ondadeterminada viene dada por la ley de Lambert-Beer:Donde:c = concentración de la muestra.l = espacio que recorre la luz a través de la celda, encentímetros.ε = absorción molar de la muestra.
  63. 63. El espectro de UV-visible tiende a mostrar picos y vallesamplios. Los datos espectrales más característicos de unamuestra son los siguientes:1.- La longitud de onda(s) de máxima absorbancia,denominada λmax2.- El valor de la absorción molar ε de cada máximo.La información espectral se da en forma de valor o valores deλmax junto con la absorción molar para cada valor de λmax.Análisis UV-visible del ácido carmínico:En la estructura del ácido carmínico, existen en total 9enlaces dobles y conjugados, es decir 18 e en el orbital π enestado basal o fundamental, que bajo la influencia de unaradiación electromagnética con energía adecuada,
  64. 64. podrían excitarse y ocupar orbitales antienlazantes π*).Además contiene heteroátomos con electronesdesapareados que ocupan orbitales n (grupo carboniloC=0), por lo que la transición más adecuada para estecompuesto, por motivos energéticos, es la transiciónn--π*, que da el espectro con la mayor absorción con unalongitud de onda de 494nm.

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