Apostila Quimica Organica UFSC, Notas de estudo de Química

Baixe Apostila Quimica Organica UFSC e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL-1 QMC5230 E QMC5232 Apostila dos Experimentos Semestre 2003-2 http://www.qmc.ufsc.br/organica 1 SEGURANÇA E NORMAS DE TRABALHO NO LABORATÓRIO 4 3.2- LÍQUIDOS TÓXICOS E IRRITANTES AOS OLHOS E SISTEMA RESPIRATÓRIO: Sulfato de dietila Ácido fluorobórico Bromometano Alquil e arilnitrilas Dissulfeto de carbono Benzeno Sulfato de metila Brometo e cloreto de benzila Bromo Cloreto de acetila Acroleína Cloridrina etilênica 3.3- COMPOSTOS POTENCIALMENTE NOCIVOS POR EXPOSIÇÃO PROLONGADA: a) Brometos e cloretos de alquila: Bromoetano, bromofórmio, tetracloreto de carbono, diclorometano, 1,2-dibromoetano, 1,2-dicloroetano, iodometano. b) Aminas alifáticas e aromáticas: Anilinas substituídas ou não, dimetilamina, trietilamina, diisopropilamina. c) Fenóis e compostos aromáticos nitrados: Fenóis substituídos ou não, cresóis, catecol, resorcinol, nitrobenzeno, nitrotolueno, nitrofenóis, naftóis. 3.4- SUBSTÂNCIAS CARCINOGÊNICAS: Muitos compostos orgânicos causam tumores cancerosos no homem. Deve-se ter todo o cuidado no manuseio de compostos suspeitos de causarem câncer, evitando-se a todo custo a inalação de vapores e a contaminação da pele. Devem ser manipulados exclusivamente em capelas e com uso de luvas protetoras. Entre os grupos de compostos comuns em laboratório se incluem: a) Aminas aromáticas e seus derivados: Anilinas N-substituídas ou não, naftilaminas, benzidinas, 2-naftilamina e azoderivados. b) Compostos N-nitroso: Nitrosoaminas (R'-N(NO)-R) e nitrosamidas. c) Agentes alquilantes: Diazometano, sulfato de dimetila, iodeto de metila, propiolactona, óxido de etileno. d) Hidrocarbonetos aromáticos policíclicos: Benzopireno, dibenzoantraceno, etc. e) Compostos que contém enxofre: Tioacetamida, tiouréia. f) Benzeno: Um composto carcinogênico, cuja concentração mínima tolerável é inferior aquela normalmente percebida pelo olfato humano. Se você sente cheiro de benzeno‚ é porque a sua concentração no ambiente é superior ao mínimo tolerável. Evite usá-lo como solvente e sempre que possível substitua-o por outro solvente semelhante e menos tóxico (por exemplo, tolueno). g) Amianto: A inalação por via respiratória de amianto pode conduzir a uma doença de pulmão, a asbestose, uma moléstia dos pulmões que aleija e eventualmente mata. Em estágios mais adiantados geralmente se transforma em câncer dos pulmões. SEGURANÇA E NORMAS DE TRABALHO NO LABORATÓRIO 5 4- INTRUÇÕES PARA ELIMINAÇÃO DE PRODUTOS QUÍMICOS PERIGOSOS Hidretos alcalinos, dispersão de sódio Suspender em dioxano, lentamente adicionar o isopropano, agitar até completa reação do hidreto ou do metal: adicionar cautelosamente água até formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Hidreto de lítio e alumínio Suspender em éter ou THF ou dioxano, gotejar acetato de etila até total transformação do hidreto, resfriar em banho de gelo e água, adicionar ácido 2N até formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Boroidreto alcalino Dissolver em metanol, diluir em muita água, adicionar etanol, agitar ou deixar em repouso até completa dissolução e formação de solução límpida, neutralizar e verter em recipiente adequado. Organolíticos e compostos de Grignard Dissolver ou suspender em solvente inerte (p. ex.: éter, dioxano, tolueno), adicionar álcool, depois água, no final ácido 2N, até formação de solução límpida, verter em recipiente adequado. Sódio Introduzir pequenos pedaços do sódio em metanol e deixar em repouso até completa dissolução do metal, adicionar água com cuidado até solução límpida, neutralizar, verter em recipiente adequado. Potássio Introduzir em n-butanol ou t-butanol anidro, diluir com etanol, no final com água, neutralizar, verter em recipiente adequado. Mercúrio Mercúrio metálico: Recuperá-lo para novo emprego. Sais de mercúrio ou suas soluções: Precipitar o mercúrio sob forma de sulfeto, filtrar e guardá-lo. Metais pesados e seus sais Precipitar soba a forma de compostos insolúveis (carbonatos, hidróxidos, sulfetos, etc.), filtrar e armazenar. Cloro, bromo, dióxido de enxofre Absorver em NaOH 2N, verter em recipiente adequado. Cloretos de ácido, anidridos de ácido, PCl3, PCl5, cloreto de tionila, cloreto de sulfurila. Sob agitação, com cuidado e em porções, adicionar à muita água ou NaOH 2N, neutralizar, verter em recipiente adequado. SEGURANÇA E NORMAS DE TRABALHO NO LABORATÓRIO 6 Ácido clorosulfônico, ácido sulfúrico concentrado, óleum, ácido nítrico concentrado Gotejar, sob agitação, com cuidado, em pequenas porções, sobre gelo ou gelo mais água, neutralizar, verter em recipiente adequado. Dimetilsulfato, iodeto de metila Cautelosamente, adicionar a uma solução concentrada de NH3, neutralizar, verter em recipiente adequado. Presença de peróxidos, peróxidos em solventes, (éter, THF, dioxano) Reduzir em solução aquosa ácida (Fe(II) - sais, bissulfito), neutralizar, verter em recipiente adequado. Sulfeto de hidrogênio, mercaptanas, tiofenóis, ácido cianídrico, bromo e clorocianos Oxidar com hipoclorito (NaOCl). 5- AQUECIMENTO NO LABORATÓRIO Ao se aquecerem substâncias voláteis e inflamáveis no laboratório, deve-se sempre levar em conta o perigo de incêndio. Para temperaturas inferiores a 100C use preferencialmente banho-maria ou banho a vapor. Para temperaturas superiores a 100C use banhos de óleo. Parafina aquecida funciona bem para temperaturas de até 220C; glicerina pode ser aquecida até 150C sem desprendimento apreciável de vapores desagradáveis. Banhos de silicone são os melhores, mas são também os mais caros. Uma alternativa quase tão segura quanto os banhos são as mantas de aquecimento. O aquecimento é rápido, mas o controle da temperatura não é tão eficiente como no uso de banhos de aquecimento. Mantas de aquecimento não são recomendadas para a destilação de produtos muito voláteis e inflamáveis, como éter de petróleo e éter etílico. Para temperaturas altas (>200C) pode-se empregar um banho de areia. Neste caso o aquecimento e o resfriamento do banho deve ser lento. Chapas de aquecimento podem ser empregadas para solventes menos voláteis e inflamáveis. Nunca aqueça solventes voláteis em chapas de aquecimento (éter, CS2, etc.). Ao aquecer solventes como etanol ou metanol em chapas, use um sistema munido de condensador. Aquecimento direto com chamas sobre a tela de amianto só é recomendado para líquidos não inflamáveis (por exemplo, água). VEJA TAMBÉM: “Síntese Orgânica Limpa”; Sanseverino, A. M. Química Nova 2000, 23, 102. 1- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO ÁCIDO ACETILSALICÍLICO (AAS) 9 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- SÍNTESE DO ÁCIDO ACETILSALICÍLICO (AAS): Coloque 3 g de ácido salicílico seco e 5 mL de anidrido acético em um balão de 100 mL (ou um erlenmeyer de 50 mL). Adicione 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado (ou ácido fosfórico 85%). Agite o frasco para assegurar uma mistura completa. Aqueça a reação em banho-maria (por volta de 50-60oC), mantendo a agitação durante 15 minutos. Deixe a mistura esfriar e agite ocasionalmente. Adicione 50 mL de água gelada. Espere formar os cristais para filtrar no funil de Buchner (Figura 1), lavando com água gelada. Separe uma pequena quantidade de amostra (5-10 mg) para posterior determinação do ponto de fusão. Figura 1: Filtração a vácuo, com funil de Buchner. 3.2- PURIFICAÇÃO: 3.2.1- Com EtOH/H2O: Transfira o sólido obtido para um bequer, adicione cerca de 5-10 mL de etanol e aqueça a mistura (50-60oC) até a completa dissolução. Se necessário, adicione pequenas porções de etanol, para auxiliar na formação de uma solução saturada. Após resfriar, adicione água lentamente (até começar a turvar), e deixe o sistema em repouso durante alguns minutos. Se a formação de cristais não ocorrer, resfrie com um banho de gelo e água (5-10oC). Filtre usando funil de Buchner, seque e determine o ponto de fusão do produto obtido. Calcule o rendimento percentual. 1- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO ÁCIDO ACETILSALICÍLICO (AAS) 10 3.2.2- Com AcOEt: Alternativamente, dissolva o sólido obtido em cerca de 3-5 mL de acetato de etila, aquecendo a mistura em banho-maria (CUIDADO). Caso o sólido não se dissolva completamente, acrescente mais 1-2 mL de acetato de etila. Deixe a solução esfriar lentamente a temperatura ambiente. Provoque a cristalização com bastão de vidro. Caso não cristalize, concentre um pouco a solução. Deixe esfriar lentamente. Filtre usando funil de Buchner e lave o béquer com um pouco de acetato de etila. Seque o produto, determine o ponto de fusão do produto obtido e calcule o rendimento percentual. 3.2.3- Com Acetona: Utilizar o procedimento descrito no item 3.2.2, empregando acetona no lugar de acetato de etila. 3.3- TESTE DE PUREZA DO PRODUTO: O ácido acetilsalicílico deve ser mantido em lugar seco. Em presença de umidade é lentamente hidrolisado, liberando ácido salicílico e ácido acético. A decomposição é detectada pelo aparecimento de uma coloração indo de vermelho a violeta quando o produto é tratado com cloreto férrico (FeCl3). O ácido salicílico, como a maioria dos fenóis, forma um complexo altamente colorido com Fe(III). Para determinar se há algum ácido salicílico remanescente em seu produto, realize o seguinte procedimento: transfira cerca de 20 mg do material a ser analisado para um tubo de ensaio. Em seguida, adicione de 3 a 5 gotas de solução alcoólica de cloreto férrico. Agite e observe o que aconteceu. Repita o procedimento com uma amostra de fenol. 4- QUESTIONÁRIO 1- Proponha outros reagentes para sintetizar a aspirina e outros solventes que poderiam ser utilizados na sua purificação: 2- Qual é o mecanismo da reação entre o ácido salicílico e o anidrido acético, em meio ácido? 3- O H+ atua, na reação de preparação do AAS, como um reagente ou como um catalisador? Justifique sua resposta: 4- Qual é a função do "trap" (kitasato) no aparato para filtração a vácuo? 5- Qual o reagente limitante usado nesta experiência? Justifique calculando o número de moles de cada reagente. 1- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DO ÁCIDO ACETILSALICÍLICO (AAS) 11 6- Ao purificar um composto por recristalização, é aconselhável esfriar a solução lenta ou rapidamente? Explique. Cite outra(s) técnica(s) utilizadas para iniciar a formação de cristais. 7- Por quê é recomendável utilizar apenas uma quantidade mínima de solvente na etapa de recristalização e quais critérios deverão ser levados em consideração para que um solvente possa ser empregado neste processo? 8- Na etapa de filtração a vácuo, os cristais formados são lavados com água gelada. Por quê? 9- Três alunos (João, Maria e Ana) formavam uma equipe, na preparação do AAS. Um deles derrubou, acidentalmente, grande quantidade de ácido sulfúrico concentrado no chão do laboratório. Cada um dos três teve uma idéia para resolver o problema: - João sugeriu que jogassem água sobre o ácido; - Maria achou que, para a neutralização do ácido, nada melhor do que se jogar uma solução concentrada de NaOH; - Ana achou conveniente se jogar bicarbonato de sódio em pó sobre o ácido. Qual dos procedimentos seria o mais correto? Explique detalhadamente: 10- O ácido salicílico, quando tratado com excesso de metanol em meio ácido, forma o salicilato de metila (óleo de Wintergreen). Mostre como esta reação ocorre: 11- Os compostos descritos a seguir possuem propriedades analgésicas e antipiréticas semelhantes as da aspirina. Proponha reações para sua síntese: a) Salicilato de sódio. b) Salicilamida. c) Salicilato de fenila. 12- Justifique o fato do analgésico comercial Aspirina ser mais solúvel em água do que o ácido acetilsalicílico: 13- Pesquise sobre a ação farmacológica do ácido acetilsalicílico e seus efeitos colaterais. CONHEÇA MAIS SOBRE O AAS E A ASPIRINA! 1) Journal of Chemical Education 1979, 56, 331. 2) QMCWEB: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/exemplar10.html 2- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DA ACETANILIDA 14 Terminada a reação, despeje a mistura reacional, com agitação, em 120 mL de H2O. A acetanilida separa-se em palhetas cristalinas incolores. Resfrie a mistura em banho de gelo, filtre os cristais usando um funil de Buchner (Figura 1) e lave com H2O gelada. Seque e determine o ponto de fusão. Figura 1: Filtração a vácuo com funil de Buchner. Figura 2: Filtração simples a quente. 2- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DA ACETANILIDA 15 Figura 3: Como preparar papel filtro pregueado. 3.2- RECRISTALIZAÇÃO: Em um erlenmeyer de 250 mL aqueça 100 mL de água destilada. Num outro erlenmeyer coloque a acetanilida a ser recristalizada e algumas pedrinhas de porcelana porosa. Adicione, aos poucos, a água quente sobre a acetanilida até que esta seja totalmente dissolvida (use a menor quantidade de água possível). Adicione 0,4 g de carvão ativo - aproximadamente 2% em peso - (não adicione o carvão ativo à solução em ebulição), ferva por alguns minutos e filtre a solução quente através de papel filtro pregueado (Figuras 2 e 3). Deixe em repouso para permitir a formação de cristais. Filtre novamente usando um funil de Buchner, seque, determine o ponto de fusão e o rendimento obtido. 4- QUESTIONÁRIO 1- Forneça as reações e os respectivos mecanismos envolvidos no experimento: 2- Qual a função da mistura CH3COO-Na+/CH3COOH durante o processo de síntese? Considerando-se o pKa da anilina, discuta qual deve ser o pH do meio reacional: 3- Em cada um dos pares abaixo, indique o produto com ponto de fusão mais alto, justificando cada escolha: a) Um ácido carboxílico e o seu respectivo sal; b) Ácido propiônico e álcool n-pentílico; c) Éter etílico e álcool etílico; 4- Qual é o solvente usado na recristalização da acetanilida? 2- SÍNTESE E PURIFICAÇÃO DA ACETANILIDA 16 5- Por quê é recomendável utilizar apenas uma quantidade mínima de solvente no processo de recristalização? 6- Por quê se usou o carvão ativo na etapa de recristalização? 7- Quando e por quê se deve utilizar a filtração a quente? 8- Por quê se usa o papel de filtro pregueado na filtração? 9- Ao purificar um composto por recristalização, é aconselhável esfriar a solução lenta ou rapidamente? Explique: 10- Além do resfriamento, cite outra(s) técnica(s) utilizada para iniciar a formação de cristais: 11- Quais características deve ter um bom solvente, para que possa ser usado numa recristalização? 12- Como se deve proceder para verificar se os compostos acima foram realmente purificados após a recristalização dos mesmos? 13- Qual o ponto de fusão da acetanilida, descrito na literatura? Compare com aquele obtido experimentalmente e justifique, se existir, a diferença entre eles: 3- DESTILAÇÃO 19 Uma boa separação dos componentes de uma mistura através da destilação fracionada requer uma baixa velocidade de destilação, mantendo-se assim uma alta razão de refluxo. O tratamento teórico da destilação fracionada requer um conhecimento da relação entre os pontos de ebulição das misturas das substâncias e sua composição. Se estas curvas forem conhecidas, será possível prever se a separação será difícil ou não, ou mesmo se será possível. A capacidade de uma coluna de fracionamento é a medida da quantidade de vapor e líquido que pode ser passada em contra-corrente dentro da coluna, sem causar obstrução. A eficiência de uma coluna é o poder de separação de uma porção definida da mesma. Ela é medida, comparando-se o rendimento da coluna com o calculado para uma coluna de pratos teoricamente perfeitos em condições similares. Um prato teórico é definido como sendo a seção de uma coluna de destilação de um tamanho tal que o vapor esteja em equilíbrio com o líquido; isto é, o vapor que deixa o “prato” tem a mesma composição que o vapor que entra e o vapor em ascendência no “prato” está em equilíbrio com o líquido descendente. O número de pratos teóricos não pode ser determinado a partir das dimensões da coluna; é computado a partir da separação efetuada pela destilação de uma mistura líquida, cujas composições de vapor e de líquido são conhecidas com precisão. Por exemplo, uma coluna com 12 pratos teóricos é satisfatória para a separação prática de uma mistura de cicloexano e tolueno. A eficiência de uma coluna depende tanto da altura quanto do enchimento e de sua construção interna. Sua eficiência é frequentemente expressa em termos de altura equivalente por prato teórico (HEPT), que pode ser obtida, dividindo-se a altura do enchimento da coluna pelo número de pratos teóricos. O fracionamento ideal fornece uma série de frações definidas e rigorosas, cada uma destilando a uma temperatura definida. Depois de cada fração ter sido destilada, a temperatura aumenta rapidamente e nenhum líquido é destilado como uma fração intermediária. Se a temperatura for colocada em gráfico contra o volume do destilado em tal fracionamento ideal, o gráfico obtido será uma série de linhas horizontais e verticais semelhantes a uma escada. Uma certa quebra na inclinação revela a presença de uma fração intermediária e a sua quantidade pode ser usada como um critério qualitativo do rendimento de diferentes colunas. Dessa forma, o objetivo principal das colunas de fracionamento eficientes é reduzir a proporção das frações intermediárias a um mínimo. Os fatores mais importantes que influenciam a separação de misturas em frações bem delineadas são: isolamento térmico, razão de refluxo, enchimento e tempo de destilação. 3- DESTILAÇÃO 20 2- METODOLOGIA No experimento de hoje os componentes de uma mistura equimolar de cicloexano (P.E. = 81oC) e tolueno (P.E. = 111oC) serão separados por destilação fracionada. Serão verificados a composição e o grau de separação dos componentes desta mistura cicloexano/tolueno. Será também analisada a eficiência da coluna de fracionamento usada, através do cálculo de HEPT (altura equivalente por prato teórico). A composição da mistura de cicloexano e tolueno dos destilados coletados será determinada, através de medidas do índice de refração com posterior extrapolação destas medidas para uma curva de calibração (fração molar de cicloexano X índice de refração da mistura). Cada equipe receberá uma mistura de composição diferente. Um gráfico de ponto de ebulição em função da composição da mistura indicará o grau de separação dos componentes desta mistura. Uma boa separação corresponde a um gráfico com pontos de ebulição baixos na primeira parte e altos no final, indicando cicloexano e tolueno como componentes principais no início e fim da destilação, respectivamente. A eficiência da coluna de fracionamento será verificada através do cálculo do número de pratos teóricos, n. Este será calculado, usando a equação de Fenske abaixo, a qual compara a composição do líquido no balão com a composição do vapor que é condensado inicialmente no topo da coluna, e coletado através do condensador. n = {log ( VCH/VTL) - log (LTL/LCH)} / log  Na equação de Fenske, VCH e VTL correspondem às frações molares na fase vapor e LCH e LTL às frações molares no líquido, respectivamente para a mistura cicloexano e tolueno. O fator de volatilidade, , tem um valor de 2,33 para esta mistura. Através do conhecimento do valor do índice de refração encontrado experimentalmente para a 1a fração, determina-se a correspondente fração molar de cicloexano na fase vapor (VCH), pela curva de calibração. A fração molar de tolueno na fase de vapor (VTL) será igual a [1 - (VCH)]. Para relacionar a composição no vapor e no líquido da mistura cicloexano/tolueno, deve-se construir o gráfico de % molar de cicloexano em função da temperatura, com os dados da Tabela 1. Então, uma vez conhecida a composição de cicloexano (VCH), encontra-se neste gráfico o valor correspondente ao (LCH). A altura equivalente a um prato teórico (HEPT) poderá ser calculada medindo-se o comprimento do empacotamento da coluna e dividindo-se por n-1. O balão de fundo 3- DESTILAÇÃO 21 redondo fornece um prato teórico, de forma que o número de pratos teóricos da coluna será de n-1. Uma coluna mais eficiente tem um menor valor de HEPT. HEPT = altura do empacotamento da coluna / (n - 1) Tabela 1: Composição de uma mistura cicloexano/tolueno em função da temperatura. % MOLAR DE CICLOEXANO VAPOR LÍQUIDO T (oC) 0 0 110,7 10,2 4,1 108,3 21,2 9,1 105,9 26,4 11,8 103,9 34,8 16,4 101,8 42,2 21,7 99,5 49,2 27,3 97,4 54,7 32,3 95,5 59,9 37,9 93,8 66,2 45,2 91,9 72,4 53,3 89,8 77,4 59,9 88,0 81,1 67,2 86,6 86,4 76,3 84,8 89,5 81,4 83,8 92,6 87,4 82,7 97,3 96,4 81,1 100,0 100,0 80,7 3- PROCEDIMENTO 3.1- DESTILAÇÃO FRACIONADA: Pese de forma exata 0,1 moles de cicloexano (d = 0,772 g/mL) e 0,1 moles de tolueno (d= 0,867 g/mL). Combine os líquidos num balão de fundo redondo de 100 mL. Monte o equipamento de destilação fracionada conforme a Figura 2. Inicie a destilação de forma lenta para permitir que a composição dos vapores atinja equilíbrio na coluna de fracionamento. Colete 5 frações de destilado, conforme indicado na Tabela 2. As frações 1-4 deverão ser coletadas em frascos separados e previamente pesados. Tampe cada frasco, para evitar perdas por volatilização. 3- DESTILAÇÃO 24 9- Sugira uma solução para o seguinte problema: o líquido a ser destilado possui ponto de ebulição muito próximo da temperatura ambiente: 10- O acetato de n-propila (p. e. = 102oC) evapora rapidamente quando exposto ao ar. Entretanto, isto não ocorre com a água (p. e. = 100oC). Explique: 11- Comente sobre a toxicidade dos seguintes solventes: benzeno, tolueno, clorofórmio e éter etílico. Quais cuidados devem ser tomados na utilização destes? (Consultar manuais de segurança e toxicidade disponíveis): EXPERIÊNCIA 04 SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 1- INTRODUÇÃO Grande parte dos processos rotineiros de um laboratório de Química Orgânica (reações químicas, métodos de análise e purificação de compostos orgânicos) é efetuado em solução ou envolve propriedades relacionadas à solubilidade de compostos orgânicos. A solubilidade dos compostos orgânicos pode ser dividida em duas categorias principais: a solubilidade na qual uma reação química é a força motriz e a solubilidade na qual somente está envolvida a simples miscibilidade. As duas estão inter- relacionadas, sendo que a primeira é, geralmente, usada para identificar os grupos funcionais e a segunda para determinar os solventes apropriados para recristalização, nas análises espectrais e nas reações químicas. Três informações podem ser obtidas com relação a uma substância desconhecida, através da investigação de seu comportamento quanto a solubilidade em: água, solução de hidróxido de sódio 5%, solução de bicarbonato de sódio 5%, solução de ácido clorídrico 5% e ácido sulfúrico concentrado a frio. Em geral, encontram-se indicações sobre o grupo funcional presente na substância. Por exemplo, uma vez que os hidrocarbonetos são insolúveis em água, o simples fato de um composto como o éter etílico ser parcialmente solúvel em água indica a presença de um grupo funcional polar. Além disso, a solubilidade em certos solventes fornece informações mais específicas sobre um grupo funcional. Por exemplo, o ácido benzóico é insolúvel em água, mas o hidróxido de sódio diluído o converte em seu sal, que é solúvel. Assim, a solubilidade de um composto insolúvel em água mas solúvel em solução de NaOH diluído é uma forte indicação sobre o grupo funcional ácido. Finalmente, é possível, em certos casos, fazer deduções sobre a massa molecular de uma substância. Por exemplo, em muitas séries homólogas de compostos monofuncionais, aqueles com menos de cinco átomos de carbono são solúveis em água, enquanto que os homólogos são insolúveis. De acordo com o Esquema 1, os testes de solubilidade são iniciados pelo ensaio com água. Diz-se que uma substância é “solúvel“ em um dado solvente, quando esta se dissolve na razão de 3 g por 100 mL de solvente. Entretanto, quando se considera a solubilidade em ácido ou base diluídos, a observação importante a ser feita não é saber 4- SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 26 se ela atinge os 3% ou outro ponto arbitrário, e sim se a substância desconhecida é muito mais solúvel na solução ácida ou básica aquosa do que em água. Este aumento na solubilidade constitui o ensaio positivo para a existência de um grupo funcional ácido ou básico. Os compostos ácidos são classificados por intermédio da solubilidade em hidróxido de sódio 5%. Os ácidos fortes e fracos (respectivamente, classes A1 e A2 da Tabela 1) são distintos por serem os primeiros solúveis em bicarbonato de sódio a 5%, enquanto que os últimos não o são. Os compostos que atuam como base em soluções aquosas são detectados pela solubilidade em ácido clorídrico a 5% (classe B). Muitos compostos que são neutros frente ao ácido clorídrico a 5%, comportam- se como bases em solventes mais ácidos, como ácido sulfuríco ou ácido fosfórico concentrados. Em geral, compostos contendo enxofre ou nitrogênio deveriam ser solúveis neste meio. Tabela 1: Compostos orgânicos relacionados às classes de solubilidade. S2 Sais de ácidos orgânicos, hidrocloretos de aminas, aminoácidos, compostos polifuncionais (carboidratos, poliálcoois, ácidos, etc.). SA Ácidos monocarboxílicos, com cinco átomos de carbono ou menos, ácidos arenossulfônicos. SB Aminas monofuncionais com seis átomos de carbono ou menos. S1 Álcoois, aldeídos, cetonas, ésteres, nitrilas e amidas monofuncionais com cinco átomos de carbono ou menos. A1 Ácidos orgânicos fortes: ácidos carboxílicos com mais de seis átomos de carbono, fenóis com grupos eletrofílicos em posições orto e para, -dicetonas. A2 Ácidos orgânicos fracos: fenóis, enóis, oximas, imidas, sulfonamidas, tiofenóis com mais de cinco átomos de carbono, -dicetonas, compostos nitro com hidrogênio em , sulfonamidas. B Aminas aromáticas com oito ou mais carbonos, anilinas e alguns oxiéteres. MN Diversos compostos neutros de nitrogênio ou enxofre contendo mais de cinco átomos de carbono. N1 Álcoois, aldeídos, metil cetonas, cetonas cíclicas e ésteres contendo somente um grupo funcional e número de átomos de carbono entre cinco e nove; éteres com menos de oito átomos de carbono; epóxidos. N2 Alcenos, alcinos, éteres, alguns compostos aromáticos (com grupos ativantes) e cetonas (além das citadas em N1). I Hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, éteres diarílicos, compostos aromáticos desativados. Obs.: Os haletos e anidridos de ácido não foram incluídos devido a alta reatividade. EXPERIÊNCIA 05 CROMATOGRAFIA 1- INTRODUÇÃO Cromatografia é uma técnica utilizada para analisar, identificar ou separar os componentes de uma mistura. A cromatografia é definida como a separação de dois ou mais compostos diferentes por distribuição entre fases, uma das quais é estacionária e a outra móvel. A mistura é adsorvida em uma fase fixa, e uma fase móvel "lava" continuamente a mistura adsorvida. Pela escolha apropriada da fase fixa e da fase móvel, além de outras variáveis, pode-se fazer com que os componentes da mistura sejam arrastados ordenadamente. Aqueles que interagem pouco com a fase fixa são arrastados facilmente e aqueles com maior interação ficam mais retidos. Os componentes da mistura adsorvem-se com as partículas de sólido devido a interação de diversas forças intermoleculares. O composto terá uma maior ou menor adsorção, dependendo das forças de interação, que variam na seguinte ordem: formação de sais > coordenação > pontes de hidrogênio > dipolo-dipolo > London (dipolo induzido). Dependendo da natureza das duas fases envolvidas tem-se diversos tipos de cromatografia: - sólido-líquido (coluna, camada fina, papel); - líquido-líquido; - gás-líquido. 1.1- CROMATOGRAFIA EM COLUNA: A cromatografia em coluna é uma técnica de partição entre duas fases, sólida e líquida, baseada na capacidade de adsorção e solubilidade. O sólido deve ser um material insolúvel na fase líquida associada, sendo que os mais utilizados são a sílica gel (SiO2) e alumina (Al2O3), geralmente na forma de pó. A mistura a ser separada é colocada na coluna com um eluente menos polar e vai-se aumentando gradativamente a polaridade do eluente e consequentemente o seu poder de arraste de substâncias mais polares. Uma seqüência de eluentes normalmente utilizada é a seguinte: éter de petróleo, hexano, éter etílico, tetracloreto de carbono, acetato de etila, etanol, metanol, água e ácido acético. 5- CROMATOGRAFIA 30 O fluxo de solvente deve ser contínuo. Os diferentes componentes da mistura mover-se-ão com velocidades distintas dependendo de sua afinidade relativa pelo adsorvente (grupos polares interagem melhor com o adsorvente) e também pelo eluente. Assim, a capacidade de um determinado eluente em arrastar um composto adsorvido na coluna depende quase diretamente da polaridade do solvente com relação ao composto. À medida que os compostos da mistura são separados, bandas ou zonas móveis começam a ser formadas; cada banda contendo somente um composto. Em geral, os compostos apolares passam através da coluna com uma velocidade maior do que os compostos polares, porque os primeiros têm menor afinidade com a fase estacionária. Se o adsorvente escolhido interagir fortemente com todos os compostos da mistura, ela não se moverá. Por outro lado, se for escolhido um solvente muito polar, todos os solutos podem ser eluídos sem serem separados. Por uma escolha cuidadosa das condições, praticamente qualquer mistura pode ser separada (Figura 1). Figura 1: Cromatografia em coluna. 5- CROMATOGRAFIA 31 Outros adsorventes sólidos para cromatografia de coluna em ordem crescente de capacidade de retenção de compostos polares são: papel, amido, açúcares, sulfato de cálcio, sílica gel, óxido de magnésio, alumina e carvão ativo. Ainda, a alumina usada comercialmente pode ser ácida, básica ou neutra. A alumina ácida é útil na separação de ácidos carboxílicos e aminoácidos; a básica é utilizada para a separação de aminas. 2.2- CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA: A cromatografia em camada fina (ou delgada) é uma técnica simples, barata e muito importante para a separação rápida e análise qualitativa de pequenas quantidades de material. Ela é usada para determinar a pureza do composto, identificar componentes em uma mistura comparando-os com padrões, acompanhar o curso de uma reação pelo aparecimento dos produtos e desaparecimento dos reagentes e ainda para isolar componentes puros de uma mistura. Na cromatografia de camada delgada a fase líquida ascende por uma camada fina do adsorvente estendida sobre um suporte. O suporte mais típico é uma placa de vidro (outros materiais podem ser usados). Sobre a placa espalha-se uma camada fina de adsorvente suspenso em água (ou outro solvente) e deixa-se secar. A placa coberta e seca chama-se "placa de camada fina". Quando a placa de camada fina é colocada verticalmente em um recipiente fechado (cuba cromatográfica) que contém uma pequena quantidade de solvente, este eluirá pela camada do adsorvente por ação capilar. Figura 2: Cromatografia em camada delgada. 5- CROMATOGRAFIA 34 cuba cromatográfica contendo o eluente (acetato de etila : éter de petróleo 2:3). O nível de eluente deve estar abaixo do nível das manchas na placa. Após a eluição deixe secar a placa. O -caroteno (polieno isolado da cenoura) aparece como uma mancha amarela próxima ao topo da placa; as clorofilas A e B aparecem como manchas verde oliva e verde azulada, respectivamente. Calcule os Rf. 3.1.3- EFEITO DO SOLVENTE NO VALOR DE Rf: Em uma placa de sílica gel ativada aplique, com ajuda de um capilar, uma solução diluída de -naftol e outra de p- toluidina (use cloreto de metileno ou éter como solvente) e deixe desenvolver o cromatograma usando como eluente os seguintes solventes (faça uma placa para cada eluente): a) cloreto de metileno puro. b) cloreto de metileno contendo 25% de acetato de etila. c) cloreto de metileno contendo 50% de acetato de etila. Após o solvente atingir o topo da placa, retire a placa da cuba, evapore o solvente na capela e coloque-a numa atmosfera de iodo para revelar a manchas das substâncias. Calcule o Rf para cada amostra em cada mistura de solvente. Qual é o efeito causado sobre o Rf pelo aumento da proporção do acetato de etila na mistura de solvente utilizado? 3.1.4- ANÁLISE DOS COMPONENTES DE UM ANALGÉSICO: Pegue 3 tubos de ensaio. No primeiro, coloque o comprimido da amostra. No segundo, coloque ácido acetilsalicílico e no terceiro tubo coloque a cafeína. Nos 3 tubos, coloque 2,5 mL de metanol, macere o sólido e agite cada tubo por 3-5 minutos. Em seguida, filtre e despreze o sólido. Com a ajuda de um tubo capilar, aplique a uma distância de 1 cm uma da outra as três soluções metanólicas em duas placas cromatográficas distintas. Dependendo da concentração desta solução, duas ou três aplicações serão suficientes. Prepare a seguir dois sistemas de eluentes: i) acetona : clorofórmio 1:1 e ii) tolueno : clorofórmio : ácido acético glacial : metanol 12:5:1,8:0,1. Prepare duas cubas cromatográficas, uma para cada sistema de eluentes. Coloque cada placa cromatográfica dentro de uma cuba. Após a eluição, retire as placas da cuba. Deixe-as secar. Após a secagem, coloque-as em uma atmosfera de iodo para revelar as manchas. Em 1-3 minutos, aparecerão manchas amareladas sobre as placas. Remova então as placas de dentro da cuba de iodo, contornando cada mancha com o tubo capilar. Calcule o Rf. 5- CROMATOGRAFIA 35 3.1.5- INFLUÊNCIA DO pH NA ABSORÇÃO DE FÁRMACOS: Nesta experiência o trato gastro-intestinal (TGI) é mimetizado por um par de tubos de ensaios, contendo soluções aquosas de diferentes pHs, em contato com acetato de etila.* As soluções aquosas representam conteúdos de diferentes seções do TGI, e o acetato de etila (que é insolúvel em água) representa o componente lipídico do tecido que envolve o mesmo. Este experimento é utilizado para observar o efeito do pH na habilidade de diferentes fármacos se moverem da água para o acetato de etila, e serve como modelo de absorção de fármacos no TGI. As substâncias usadas como fármacos são a aspirina 1 (ácido acetilsalicílico), p-toluidina 2 e paracetamol 3 (também conhecido como acetaminofen ou p-hidroxiacetanilina). Colocar cerca de 50 mg de cada amostra (1, 2 e 3) em dois tubos de ensaios numerados. Ao primeiro tubo, adicionar 3 mL de solução de ácido clorídrico a pH = 1,5. Ao segundo tubo, adicionar 3 mL de solução tampão fosfato de sódio, pH = 7,2. Adicionar em cada tubo 2 mL de acetato de etila e agitar a mistura por 1 minuto. Esperar até que as duas camadas se separem. Enquanto isso, preparar os padrões das amostras 1, 2 e 3, solubilizando uma pequena porção de cada composto em 2-3 mL de acetato de etila. Analisar as frações acetato de etila de cada tubo, comparando com os padrões, através da cromatografia de camada delgada usando placas de sílica gel como adsorvente e acetato de etila como eluente. Após a aplicação da amostra e evaporação do acetato de etila, o cromatograma pode ser visualizado colocando as placas secas, em câmara de iodo. A concentração da substância presente na camada de acetato de etila pode ser considerada como alta, média ou baixa, dependendo da intensidade da mancha observada. * Hickman, R. J. S.;.Neill, J. Journal of Chemical Education 1997, 74, (7), 855-856. 3.2- CROMATOGRAFIA EM COLUNA: 3.2.1- EMPACOTAMENTO DA COLUNA: Prepare uma coluna para cromatografia utilizando alumina básica como fase fixa, da seguinte maneira: em um erlenmeyer, suspenda 15 a 20 g de alumina em clorofórmio (ou diclorometano), até obter uma pasta fluida, homogênea e sem bolhas de ar incluídas. Encha a terça parte da coluna cromatográfica com o mesmo solvente e derrame, então, a pasta fluida de alumina, de modo que ela sedimente aos poucos e de forma homogênea. Caso haja bolhas de ar oclusas na coluna, golpeie-a suavemente, de modo a expulsá-las. Controle o nível do solvente abrindo ocasionalmente a torneira da coluna. Terminada a preparação, o nível de solvente (eluente) deve estar 1 cm acima do topo da coluna de alumina. 5- CROMATOGRAFIA 36 3.2.2- SEPARAÇÃO DOS COMPONENTES DE UMA MISTURA: Distribua homogeneamente sobre o topo da coluna de alumina, com auxílio de uma pipeta ou conta-gotas, 1 a 3 mL de uma solução etanólica de alaranjado de metila e azul de metileno. Após a adsorção pela coluna, proceda a eluição com etanol, vertendo cuidadosamente o solvente pelas paredes internas da coluna, tomando cuidado para não causar distúrbios ou agitação na coluna. Ao mesmo tempo, abra a torneira para escoar o solvente. Elua todo o azul de metileno com etanol. Elua, primeiro com água, o alaranjado de metila retido na coluna e em seguida com uma solução aquosa de ácido acético. Repita o mesmo procedimento acima utilizando sílica gel como fase fixa da coluna. Observe que a ordem de eluição se inverte, isto é, o alaranjado de metila sai com etanol enquanto o azul de metileno fica retido na coluna. 4- QUESTIONÁRIO 1- Cite os principais tipos de forças que fazem com que os componentes de uma mistura sejam adsorvidos pelas partículas de um sólido: 2- Cite as características do solvente para lavar ou arrastar os compostos adsorvidos na coluna cromatográfica: 3- Por quê se deve colocar papel filtro na parede da cuba cromatográfica? 4- Se os componentes da mistura, após a corrida cromatográfica, apresentam manchas incolores, qual o processo empregado para visualizar estas manchas na placa? 5- O que é e como é calculado o Rf ? 6- Quais os usos mais importantes da cromatografia de camada delgada? 7- Quando uma substância é ionizável, como o ácido acetilsalicílico (AAS) ou a p- toluidina (PTA), a solubilidade em água é influenciada pelo pH. Este ponto é altamente relevante para entender a absorção de fármacos no TGI. Sabendo-se que o pH do conteúdo aquoso do estômago está entre 1,2 a 3,0 e que o pH do intestino é cerca de 8,0, responda as seguintes questões, utilizando estruturas químicas na argumentação: a) No pH gástrico, qual dos compostos estará na forma ionizada, AAS ou PTA? Como será a solubilidade em água e em acetato de etila para cada composto? b) E no pH do intestino, como estará a solubilidade de cada fármaco? c) discuta a importância do pH e da solubilidade para a absorção de fármacos no TGI. Cite outros exemplos. 6- EXTRAÇÃO COM SOLVENTES REATIVOS 39 K C C A B  (Equação 1) onde: CA = concentração do composto no solvente A (em g/mL); CB = concentração do composto no solvente B (em g/mL). De uma maneira geral, para deduzir a fórmula que expressa o processo de extração, supõem-se que: S = quantidade em gramas do soluto no solvente A; VB = Volume de B (em mL); VA = Volume de A (em mL); X = quantidade, em gramas, do soluto extraído. Assim, depois de uma extração, a concentração de S no solvente A será: C S X V A A   (Equação 2) a concentração em B será: C X V B B  (Equação 3) Uma conseqüência da lei de distribuição é a sua importância prática ao se fazer uma extração. Se um dado volume total VB do solvente for utilizado, pode-se mostrar que é mais eficiente efetuar várias extrações sucessivas (isto é, partilhar o volume VB em n frações), e a isto se denomina "extração múltipla", sendo mais eficiente do que "extração simples". Para o desenvolvimento da técnica de extração pode-se usar um solvente extrator que reaja quimicamente com o composto a ser extraído. A técnica de extração por solventes quimicamente ativos depende do uso de um reagente (solvente) que reaja quimicamente com o composto a ser extraído. Está técnica geralmente é empregada para remover pequenas quantidades de impurezas de um composto orgânico ou para separar os componentes de uma mistura. Incluem-se, entre tais solventes: soluções aquosas de hidróxido de sódio, bicarbonato de sódio, ácido clorídrico, etc. Pode-se empregar uma solução aquosa básica para remover um ácido orgânico de sua solução em um solvente orgânico, ou para remover impurezas ácidas presentes 6- EXTRAÇÃO COM SOLVENTES REATIVOS 40 num sólido ou líquido insolúvel em água. Esta extração é baseada no fato de que o sal sódico do ácido é solúvel em solução aquosa básica. Da mesma maneira, um composto orgânico básico pode ser removido de sua solução em um solvente orgânico, pelo tratamento com solução aquosa ácida. Uma extração pode ser: a) Descontínua: Consiste em agitar uma solução aquosa com um solvente orgânico num funil de separação, a fim de extrair determinada substância. Agita-se o funil cuidadosamente, inverte-se sua posição e abre-se a torneira, aliviando o excesso de pressão. Fecha-se novamente a torneira, agita-se mais uma vez o funil e relaxa-se a pressão interna, conforme Figura 1. Repete-se este procedimento algumas vezes. Recoloca-se o funil de separação no suporte, para que a mistura fique em repouso. Quando estiverem formadas duas camadas delineadas, deixa-se escorrer a camada inferior (a de maior densidade) em um erlenmeyer (Figura 2). Repete-se a extração usando uma nova porção do solvente extrator. Normalmente não são necessários mais do que três extrações, mas o número exato dependerá do coeficiente de partição da substância que está sendo extraída entre os dois líquidos. Figura 1: Como agitar um funil de separação durante o processo de extração “líquido-liquído”. Figura 2: Duas soluções de líquidos imiscíveis sendo separadas em um funil de separação. 6- EXTRAÇÃO COM SOLVENTES REATIVOS 41 b) Contínua: Quando o composto orgânico é mais solúvel em água do que no solvente orgânico (isto é, quando o coeficiente de distribuição entre solvente orgânico e água é pequeno), são necessárias grandes quantidades de solvente orgânico para se extrair pequenas quantidades da substância. Isto pode ser evitado usando o extrator tipo Soxhlet (Figura 3), aparelho comumente usado para extração contínua com um solvente quente. Neste sistema apenas uma quantidade relativamente pequena de solvente é necessária para uma extração eficiente. A amostra deve ser colocada no cilindro poroso A (confeccionado) de papel filtro resistente, e este, por sua vez, é inserido no tubo interno do aparelho Soxhlet B. O aparelho é ajustado a um balão C (contendo um solvente como n-hexano, éter de petróleo ou etanol) e a um condensador de refluxo D. A solução é levada à fervura branda. O vapor do solvente sobe pelo tubo E, condensa no condensador D, o solvente condensado cai no cilindro A e lentamente enche o corpo do aparelho. Quando o solvente alcança o topo do tubo F, é sifonado para dentro do balão C, transpondo assim, a substância extraída para o cilindro A. O processo é repetido automaticamente até que a extração se complete. Após algumas horas de extração, o processo é interrompido e a mistura do balão é destilada, recuperando-se o solvente. Figura 3: Um extrator tipo Soxhlet. 2- METODOLOGIA Neste experimento será separada uma mistura de quatro compostos orgânicos: naftaleno, -naftol, ácido benzóico e p-nitroanilina, usando solventes reativos. A p- nitroanilina pode ser removida da fase etérea por extração com uma solução aquosa de ácido clorídrico, a qual converte a base no seu respectivo sal. O ácido benzóico poderá ser extraído da fase etérea com adição de solução aquosa de bicarbonato de sódio. O -naftol, por ser menos ácido que o ácido benzóico, poderá ser extraído com solução aquosa de hidróxido de sódio. 6- EXTRAÇÃO COM SOLVENTES REATIVOS 44 9- A solubilidade do 2,4-dinitrofenol a 25oC é de 0,0068g/mL em água, e de 0,66g/mL em éter. Qual é o número mínimo de extrações necessárias, usando volumes totais iguais de éter e solução aquosa, para remover 95% do composto de sua solução aquosa? 10- Esquematize uma sequência plausível de separação, usando extração líquido- líquido, de uma mistura equimolar composta de N,N-dietilanilina (solubilidade em água 0,016g/mL, muito solúvel em éter), acetofenona (insolúvel em água, solúvel em éter) e 2,4,6-triclorofenol (solubilidade em água de 0,0008g/mL, muito solúvel em éter). 11- Como funciona um extrator do tipo Soxhlet? SECANTES SÓLIDOS AGENTE SECANTE REATIVIDADE FORMA HIDRATADA EMPREGO Sulfato de magnésio neutro MgSO4 . 7 H2O geral Sulfato de sódio neutro Na2SO4 . 7 H2O Na2SO4 . 10 H2O geral CaCl2 . 2 H2O hidrocarbonetos Cloreto de cálcio neutro CaCl2 . 6 H2O haletos Sulfato de cálcio neutro CaSO4 . 1/2 H2O CaSO4 . 2 H2O geral Carbonato de potássio básico K2CO3 . 1/2 H2O aminas, ésteres, bases e cetonas Hidróxido de potássio básico KOH . n H2O aminas EXPERIÊNCIA 07 SEPARAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DOS COMPONENTES DA PANACETINA 1- INTRODUÇÃO A maior parte dos produtos naturais e muitas preparações comerciais são misturas de diferentes compostos químicos. Para se obter um composto puro de uma mistura, utiliza-se geralmente as diferenças de suas propriedades físicas e químicas. Líquidos com pontos de ebulição diferentes são separados por destilação. Substâncias que possuem grandes diferenças de solubilidade podem ser separadas por extração ou por filtração. Compostos que apresentam propriedades ácidas ou básicas são convertidos em seus sais, os quais são solúveis em água e podem ser isolados dos outros compostos insolúveis em água, pela técnica de extração. Neste experimento, você separará os componentes de uma preparação farmacêutica simulada, a "PANACETINA", usando a técnica de extração por solventes quimicamente reativos que se baseia nas propriedades de acidez, basicidade e solubilidade dos componentes que serão extraídos. Nenhuma separação é perfeita, traços de impurezas quase sempre permanecem no composto que foi separado da mistura. Portanto, algum tipo de purificação se faz necessário para a remoção das impurezas. Sólidos são purificados por técnicas de recristalização, cromatografia ou sublimação. Após o composto ter sido purificado pode-se determinar o grau de sua pureza e sua estrutura, utilizando-se técnicas sofisticadas como ressonância magnética nuclear (RMN), infravermelho (IV) e espectrometria de massa (EM). Contudo, uma simples determinação do ponto de fusão pode ajudar muito na identificação do composto. A "PANACETINA" contém ácido acetilsalicílico (aspirina), sacarose e uma droga desconhecida que pode ser acetanilida ou fenacetina. Estes compostos têm as seguintes características de solubilidade: 1- A sacarose é solúvel em água e insolúvel em diclorometano (CH2Cl2); 2- O ácido acetilsalicílico é solúvel em diclorometano e relativamente insolúvel em água. O hidróxido de sódio converte o ácido no correspondente sal, que é solúvel em água; 3- A acetanilida e a fenacetina são solúveis em diclorometano e insolúveis em água, sendo que estas não são convertidas em sais por hidróxido de sódio. 7- SEPARAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO DOS COMPONENTES DA PANACETINA 46 2- METODOLOGIA Misturando a "PANACETINA" com cloreto de metileno dissolve-se o ácido acetilsalicílico e o composto desconhecido, mas a sacarose será um sólido insolúvel que pode ser separado por filtração. O ácido acetilsalicílico pode ser removido da solução por extração com uma solução aquosa de hidróxido de sódio, a qual converte o ácido no seu respectivo sal, o acetilsalicilato de sódio. O sal ficará retido na camada aquosa, enquanto o composto desconhecido ficará retido na camada orgânica. Após a separação das fases, o ácido poderá ser precipitado a partir da camada aquosa, com adição de ácido clorídrico concentrado e separado por filtração. O composto desconhecido pode ser isolado por evaporação do solvente remanescente em solução. 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- SEPARAÇÃO DA SACAROSE: Pese exatamente 3,0 g de Panacetina e coloque num erlenmeyer de 125 mL. Adicione 50 mL de CH2Cl2 e agite a mistura usando bastão de vidro para dissolver o sólido tanto quanto possível. Filtre esta amostra num papel de filtro previamente pesado, lave com um mínimo de CH2Cl2, seque sua amostra e determine o peso novamente para calcular a quantia exata de sacarose na amostra. 3.2- SEPARAÇÃO DA ASPIRINA: Coloque o filtrado num funil de separação e extraia duas vezes com 25 mL de NaOH 20% (CH2Cl2 é o líquido de maior densidade). Adicione 10 mL de HCl 6M, lentamente e com agitação, aos extratos aquosos combinados. Teste o pH com papel tornassol, para ter certeza que a solução está ácida (pH = 2 ou menor). Resfrie a mistura num banho de gelo e filtre a vácuo usando um papel filtro previamente pesado. Lave o precipitado com uma pequena quantidade de água destilada gelada, seque e determine a quantidade de aspirina na sua amostra. 3.3- SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DA DROGA DESCONHECIDA: Seque a fase orgânica com Na2SO4, filtre com papel filtro pregueado e evapore o CH2Cl2 usando placa de aquecimento ou rotaevaporador. Determine a massa da substância desconhecida. Recristalize o composto desconhecido com uma quantidade suficiente de água para dissolvê-lo. Filtre a solução a quente usando papel filtro pregueado e deixe a solução esfriar a temperatura ambiente. Seque o produto e identifique a droga desconhecida, determinando o seu ponto de fusão. 8- SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA ACETONA 49 Os álcoois terciários não se oxidam em condições alcalinas ou em presença de ácido. Estes álcoois são rapidamente desidratados formando alcenos, e estes então são oxidados. 2- METODOLOGIA A acetona será preparada a partir do álcool isopropílico, através de uma reação de oxidação. Esta reação poderá ser observada pela mudança de coloração, onde o dicromato de potássio (K2Cr2O7) é alaranjado e se reduz a Cr 3+, de coloração verde. acetonaisopropanol Na2Cr2O7 H2SO4 H3C CH3 OH H3C CH3 O Sendo a acetona um solvente volátil, o refluxo dificulta a saída de seus vapores, à medida que esta é sintetizada (Figura 1). A purificação de líquidos, como é o caso da propanona, pode ser feita através da destilação fracionada, observando-se a temperatura de ebulição deste solvente (56C). Figura 1: Aparelhagem para reação sob refluxo. 8- SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA ACETONA 50 As reações de caracterização de cetonas geralmente são baseadas na formação de um derivado, a partir da reação de condensação com aminas substituídas. As reações ocorrem entre o grupo carbonila e o grupo -NH2 da amina substituída (serve também para identificar aldeídos). O nucleófilo, que nesta experiência será a 2,4- dinitrofenilidrazina 1, ataca o carbono carbonílico em 2, formando compostos cristalinos (3) de ponto de fusão bem definidos e, portanto, úteis para a identificação e caracterização. O R1R O2N N H H2N NO2 N O2N H NR R1 NO2 + -H2O 32 1 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- SÍNTESE DA ACETONA: Em um balão de 3 bocas de 500 mL, coloque 7,5 g de álcool isopropílico e 30 mL de água. Adapte um funil de adição em uma das bocas do balão, e na outra um condensador ascendente. Coloque alguns fragmentos de porcelana porosa no interior do balão. Paralelamente, em um béquer, prepare uma solução oxidante dissolvendo 14,5 g de K2Cr2O7 em 75 mL de água, sobre a qual são adicionados, cautelosamente e vagarosamente, 22,5 g de H2SO4 concentrado. Resfrie a solução e transfira-a para o funil de adição adaptado ao balão. Adicione lentamente a mistura oxidante ao álcool contido no balão, de tal forma que se mantenha a ebulição no balão sem que haja destilação. Quando toda a mistura oxidante tiver sido adicionada, remova o funil de adição e tampe esta boca do balão (cuidado ao trabalhar com a solução sulfocrômica. Evite o contato com a pele, pois pode provocar queimaduras). Refluxe suavemente por 15 minutos. 3.2- SEPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DA ACETONA: Monte um aparelho de destilação simples e destile vagarosamente, recolhendo todo produto até uma temperatura de 90C. Despreze o resíduo do balão de destilação. Receba o destilado na proveta imersa em cuba de água gelada para evitar perdas de acetona por evaporação. 8- SÍNTESE E CARACTERIZAÇÃO DA ACETONA 51 Transfira o destilado contendo acetona para um balão de destilação de fundo redondo de 50 mL e adapte uma coluna de destilação para o fracionamento. Coloque fragmentos de porcelana porosa no balão e destile, vagarosamente, recolhendo o destilado em água gelada. O ponto de ebulição da acetona é 56oC. 3.3- TESTE DE CARACTERIZAÇÃO DO GRUPO CARBONILA: Dissolva 1 mL do composto carbonilado em 5 mL de etanol e adicione 1 mL de uma solução alcoólica de 2,4-dinitrofenilidrazina. Se não se formar um precipitado imediatamente, dilua com um pouco de água. Colete o derivado e proceda à recristalização. Determine o seu ponto de fusão. 4- QUESTIONÁRIO 1- Quais os produtos formados na reação de oxidação com K2Cr2O7/H+ dos seguintes compostos: a) 1-propanol b) 2-pentanol c) 1,4-hexanodiol d) ácido 4-hidroxioctanóico 2- Na oxidação de um álcool primário à aldeído, por quê o produto formado deve ser removido da reação por destilação? 3- Justifique o fato de que a oxidação de álcoois secundários resulta em melhores rendimentos do que a oxidação de álcoois primários: 4- Escreva as equações balanceadas para a oxidação do formaldeído e propionaldeído com KMnO4, em solução neutra e em solução ácida: 5- Desenhe os aparelhos utilizados nesta experiência para: a) a síntese da acetona (qual a função do funil de adição?); b) refluxo (explique seu funcionamento). 6- O que é um derivado? O que se pretende nesta experiência com a formação do derivado? 7- Qual o objetivo de se determinar o ponto de fusão do derivado de 2,4- dinitrofenilidrazina, nesta experiência? 8- Nesta experiência, qual o objetivo de se fazer uma destilação simples e depois uma destilação fracionada? 9- Além da oxidação de álcoois secundários, escreva outros dois métodos para a preparação de cetonas: 10- Porque a indústria emprega a técnica de desidrogenação catalítica na oxidação de álcoois primários e secundários? 9- OXIDAÇÃO DO CICLOEXANOL: SÍNTESE DA CICLOEXANONA 54 As reações de caracterização de cetonas geralmente são baseadas na formação de um derivado, a partir da reação de condensação com aminas substituídas. As reações ocorrem entre o grupo carbonila e o grupo -NH2 da amina substituída (serve também para identificar aldeídos). O nucleófilo, que nesta experiência será a 2,4- dinitrofenilidrazina 1, ataca o carbono carbonílico em 2, formando compostos cristalinos (3) de ponto de fusão bem definidos e, portanto, úteis para a identificação e caracterização. O R1R O2N N H H2N NO2 N O2N H NR R1 NO2 + -H2O 32 1 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- SÍNTESE DA CICLOEXANONA: 3.1.1- REAÇÃO COM DICROMATO DE SÓDIO: Coloque cerca de 30 g de gelo picado em um béquer de 125 mL e adicione 7,5 mL de ácido sulfúrico concentrado. A essa mistura, adicione 10 g de cicloexanol. Mantenha essa mistura em banho de gelo. Em um frasco à parte, dissolva 12 g de dicromato de sódio em 8 mL de água destilada. Retire a mistura cicloexanol-ácido do banho de gelo e mergulhe um termômetro para monitorar a temperatura durante a reação. Com a ajuda de uma proveta ou de uma pipeta graduada, adicione aproximadamente 1 mL da solução de dicromato de sódio à mistura cicloexanol-ácido. A solução fica amarela e em pouco tempo fica verde. Nesta etapa, a temperatura deve ser mantida à 30oC (não deve ultrapassar 35oC, pois pode ocorrer oxidação da porção de hidrocarboneto do cicloexanol, formando assim sub-produtos e diminuindo o rendimento final). Resfrie a mistura reacional em banho de gelo, antes de adicionar uma outra porção de solução aquosa de dicromato de sódio. A adição de mais solução de dicromato deve ser feita com agitação do meio reacional e sempre que a solução ficar verde. Continue a adição e o resfriamento até que reste aproximadamente 3 mL de solução de dicromato de sódio. Adicione então, de uma única vez, os 3 mL finais de solução de dicromato de sódio. Agite a mistura e deixe a temperatura subir até cerca de 50oC. Quando a temperatura retornar espontaneamente a 35oC, adicione com cuidado, 2 g de ácido oxálico, sob agitação constante para destruir o excesso de dicromato de sódio. O 9- OXIDAÇÃO DO CICLOEXANOL: SÍNTESE DA CICLOEXANONA 55 tempo estimado entre o início da adição de dicromato de sódio e a adição de ácido oxálico é de 45 minutos. Transfira o meio reacional para um funil de separação de 250 mL e efetue duas extrações consecutivas com 100 mL de diclorometano. Separe a fase orgânica da fase aquosa e seque-a com sulfato de sódio anidro ou cloreto de cálcio. Filtre e transfira o conteúdo para um balão de 500 mL. Evapore o solvente em um rotaevaporador até o momento em que não for mais observada a condensação dos vapores de diclorometano, na serpentina d’água. Calcule o rendimento da reação. 3.1.2- REAÇÃO COM ÁGUA SANITÁRIA: A um balão de 3 bocas de 500 mL são conectados um condensador, um funil de adição e uma tampa esmerilhada. Adicione ao balão de três bocas 8,0 mL de cicloexanol e 4,0 mL de ácido acético glacial. Ao funil de adição são transferidos 130 mL de solução 0,74 M de hipoclorito de sódio (água sanitária comercial). OH O NaOCI AcOH + H2O + NaCI Inicie a adição de hipoclorito de sódio sobre a mistura cicloexanol-ácido acético, cuidadosamente, por um período de 20-25 minutos. Ajuste a velocidade de adição de tal forma que a temperatura da reação seja mantida entre 40-50oC (monitorada através da imersão de um termômetro diretamente na reação). Esfrie a reação com o auxílio de um banho de gelo-água se a temperatura exceder 45oC, mas não permita que a temperatura chegue abaixo de 40oC, o que deve causar uma diminuição no rendimento. Agite o sistema ocasionalmente enquanto a adição ocorre, permitindo uma melhor homogeneização do sistema. Após a adição completa da solução de hipoclorito, deixe a reação em repouso por 15-20 minutos, agitando ocasionalmente. Em seguida, adicione 2-3 mL de uma solução saturada de bissulfito de sódio, agite a mistura e transfira-a para um funil de separação. Proceda a extrações com diclorometano (2X20 mL), junte os extratos orgânicos e lave cuidadosamente com uma solução saturada de NaHCO3 (2X20 mL). Seque a fase orgânica com carbonato de potássio anidro (ou sulfato de sódio anidro), filtre diretamente para um balão e retire o solvente (evaporador rotativo). Transfira o material obtido para um balão menor e proceda à uma destilação fracionada para a purificação da cicloexanona. Calcule o rendimento da reação. 9- OXIDAÇÃO DO CICLOEXANOL: SÍNTESE DA CICLOEXANONA 56 Opcionalmente, o tratamento da reação pode ser efetuado através de uma destilação por arraste a vapor. Após a etapa de adição de uma solução saturada de bissulfito de sódio, adicione sobre a reação cerca de 25 mL de NaOH 6 M, destile por arraste a vapor e colete cerca de 40-50 mL de destilado. Adicione 5 g de NaCI ao destilado, transfira a mistura para um funil de separação e separe as fases. Seque a fase orgânica com carbonato de potássio anidro (ou sulfato de sódio anidro), filtre o produto de reação para um frasco previamente tarado e calcule o rendimento. REFERÊNCIAS: 1-) Mohrig, J. R.; Hammond, C. N.; Morrill, T. C.; Neckers, D. C. Experimental Organic Chemistry; W. H. Freeman and Company; New York; 1998. 2-) Mohrig, J. R.; Neinhuis, D. M.; Linck, C. F.; Van Zoeren, C.; Fox, B. G.; Mahaffy, P. G. J. Chem. Educ. 1985, 62, 519. 3-) Perkins, R. A.; Chau, F. J. Chem. Educ. 1982, 59, 981. 3.2- TESTES DE IDENTIFICAÇÃO: 3.2.1- REAÇÃO COM 2,4-DINITROFENILIDRAZINA: Adicione cerca de 5 gotas da amostra de uma cetona em um tubo de ensaio. Em seguida, adicione de 3 a 5 gotas de solução alcoólica de 2,4-dinitrofenilidrazina. Agite e observe o que aconteceu. Repita o procedimento com uma amostra de aldeído e com a cicloexanona preparada pela sua equipe. 3.2.2- REAGENTES DE TOLLENS (TOLLENS A E TOLLENS B): O reagente de Tollens deve ser preparado no instante em que for utilizado. Para preparar o reagente, misture em um tubo de ensaio cerca de 0,5 mL da solução de Tollens A com 0,5 mL da solução de Tollens B. Nesta etapa deverá ocorrer a formação de um precipitado preto. Adicione, em seguida, uma solução a 10% de amônia, o suficiente para dissolver o precipitado. No mesmo tubo, adicione cerca de 3 a 5 gotas da amostra da cetona e agite bem. 3.2.3- ENSAIO DE BISSULFITO: Adicione 0,5 mL de cetona a 3,5 mL de solução de bissulfito (preparada a partir da adição de 1,5 mL de etanol a 2 mL de uma solução aquosa saturada de NaHSO3, seguido de algumas gotas de água destilada até desaparecer a turvação). O derivado bissulfítico da cicloexanona forma-se como um sólido cristalino, insolúvel no meio reacional. 10- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO ÓLEO DE CRAVO 59 Para dois líquidos miscíveis A e B: Ptotal= XA PoA + XB PoB onde XAPoA e XBPoB correspondem às pressões parciais de vapor. A destilação por arraste a vapor pode ser utilizada nos seguintes casos: 1. Quando se deseja separar ou purificar uma substância cujo ponto de ebulição é alto e/ou apresente risco de decomposição; 2. Para separar ou purificar substâncias contaminadas com impurezas resinosas; 3. Para retirar solventes com elevado ponto de ebulição, quando em solução existe uma substância não volátil; 4. Para separar substâncias pouco miscíveis em água cuja pressão de vapor seja próxima a da água a 100C. 2- METODOLOGIA Neste experimento será isolado o eugenol (4-alil-2-metoxifenol, 1) do óleo de cravo (Eugenia caryophyllata), pela técnica de destilação por arraste a vapor. Uma vez obtido o eugenol, deve-se separá-lo da solução aquosa através de extrações com diclorometano. Traços de água presentes no solvente deverão ser retirados com a ajuda de um sal dessecante (sulfato de sódio anidro). Como é difícil purificar o composto original ou caracterizá-lo através de suas propriedades físicas, pode-se convertê-lo em um derivado. Este derivado será obtido através da reação do eugenol com cloreto de benzoíla. O produto formado é o benzoato de eugenila 2, um composto cristalino com ponto de fusão bem definido. HO CH3O 1 O CH3O O 2 PhCOCl NaOH 10- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO ÓLEO DE CRAVO 60 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- EXTRAÇÃO DO EUGENOL: Monte a aparelhagem conforme a Figura 1. O frasco coletor, de 125 mL pode ser um erlenmeyer e a fonte de calor uma manta elétrica. Coloque 10 g de cravos num balão de três bocas e adicione 150 mL de água. Inicie o aquecimento de modo a ter uma velocidade de destilação lenta, mas constante. Durante a destilação continue a adicionar água através do funil de separação, numa velocidade que mantenha o nível original de água no frasco de destilação. Continue a destilação até coletar 100 mL do destilado. Tire a água do funil de separação e coloque o destilado nele. Extraia o destilado com duas porções de cloreto de metileno (10 mL). Separe as camadas e despreze a fase aquosa. Seque a fase orgânica com sulfato de sódio anidro. Filtre a mistura em papel pregueado (diretamente em um balão de fundo redondo previamente tarado), lave com uma pequena porção de CH2Cl2 e em seguida retire o solvente no evaporador rotativo. Opcionalmente, após a filtração concentre a mistura (utilizando um banho de vapor na capela), transfira o líquido restante para um tubo de ensaio previamente tarado e concentre o conteúdo novamente por evaporação em banho-maria até que somente um resíduo oleoso permaneça. Seque o tubo de ensaio e pese. Calcule a porcentagem de extração de óleo, baseado na quantidade original de cravo usada. Figura 1: Destilação por arraste a vapor. 10- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO ÓLEO DE CRAVO 61 3.2- PREPARAÇÃO DE UM DERIVADO: Coloque cerca de 0,2 mL de eugenol bruto num tubo de ensaio pequeno e adicione 1 mL de água. Adicione algumas gotas de uma solução 1 M de hidróxido de sódio até que o óleo seja dissolvido. A solução final pode ser turva, mas não deverá conter gotas grandes de óleo. Adicione cuidadosamente 0,1 mL (3 a 4 gotas) de cloreto de benzoíla. Excesso de cloreto de benzoíla deverá ser evitado, uma vez que este impede a cristalização do produto final. Aqueça a mistura em banho-maria durante 5 a 10 minutos. Esfrie a mistura e atrite o interior do tubo de ensaio com um bastão de vidro, até que a mistura se solidifique. Caso isto não aconteça, esfrie a mistura num banho de gelo. Caso ainda não haja solidificação, decante a fase aquosa. Adicione algumas gotas de metanol ao óleo e continue a atritar com o bastão de vidro o interior do tubo, imerso em banho de gelo. Colete o sólido num funil de Hirsch e lave com um pequeno volume de água gelada. Recristalize o sólido com uma quantidade mínima de metanol. Caso um óleo se separe da solução, reaqueça a mesma e esfrie mais lentamente, com atrito no interior do recipiente. Colete os cristais num funil de Hirsch. Seque os cristais e determine o ponto de fusão. O ponto de fusão do benzoato de eugenol é 70C. 4- QUESTIONÁRIO 1- Apresente a reação entre o eugenol e NaOH e escreva estruturas de ressonância que mostrem como o ânion do eugenol é estabilizado: 2- Qual a função dos agentes dessecantes? Cite exemplos: 3- Quais métodos poderiam ser utilizados para uma purificação do eugenol, a partir do óleo de cravo? (eugenol: P.F. = -11oC; P.E. = 254oC)? 4- Escreva o mecanismo de decomposição do cloreto de benzoíla em H2O: 5- Qual o produto formado na reação de um cloreto de ácido (RCOCl) com: a) H2O b) NH3 c) R’COOH d) R’OH 6- Apresente o mecanismo de reação entre o eugenol e cloreto de benzoíla: 7- Que outro reagente poderia ser utilizado no lugar do cloreto de benzoíla, visando a preparação do benzoato de eugenol? 8- Como pode ser realizada a caracterização do eugenol? 9- Discuta a pureza do derivado (benzoato de eugenol), a partir da medida de seu ponto de fusão. Como este composto poderia ser melhor purificado? 10- Calcule o rendimento da extração (porcentagem em massa do óleo de cravo isolado) e discuta os seus resultados: 11- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO CINAMALDEÍDO DA CANELA 64 Para dois líquidos miscíveis A e B: Ptotal= XA PoA + XB PoB onde XAPoA e XBPoB correspondem às pressões parciais de vapor. A destilação por arraste a vapor pode ser utilizada nos seguintes casos: 1. Quando se deseja separar ou purificar uma substância cujo ponto de ebulição é alto e/ou apresente risco de decomposição; 2. Para separar ou purificar substâncias contaminadas com impurezas resinosas; 3. Para retirar solventes com elevado ponto de ebulição, quando em solução existe uma substância não volátil; 4. Para separar substâncias pouco miscíveis em água cuja pressão de vapor seja próxima a da água a 100C. 2- METODOLOGIA Neste experimento será isolado o cinamaldeído 1 a partir do óleo de canela, empregando-se a técnica de destilação por arraste a vapor. Uma vez obtido o cinamaldeído, deve-se separá-lo da solução aquosa através de extrações com diclorometano. Traços de água presentes no solvente deverão ser retirados com a ajuda de um sal dessecante (sulfato de sódio anidro). Como é difícil purificar o composto original ou caracterizá-lo através de suas propriedades físicas, pode-se convertê-lo em um derivado. Este derivado será obtido através da reação do cinamaldeído com semicarbazida. O produto formado é a semicarbazona do cinamaldeído (2), um composto cristalino com ponto de fusão bem definido. H O N N O NH2 HO NH2NH2NH+ -H2O 1 2 11- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO CINAMALDEÍDO DA CANELA 65 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- OBTENÇÃO DO CINAMALDEÍDO DA CANELA: Monte a aparelhagem para destilação conforme a Figura 1, usando um balão de 250 mL. O frasco coletor (125 mL) pode ser um erlenmeyer; a fonte de calor pode ser uma manta elétrica ou um bico de Bunsen. Coloque 10 g de pedaços de canela num balão de três bocas e adicione 150 mL de água. Inicie o aquecimento de modo a ter uma velocidade lenta, mas constante, de destilação. Durante a destilação continue a adicionar água através do funil de separação, numa velocidade que mantenha o nível original de água no frasco de destilação. Continue a destilação até coletar 100 mL do destilado. Tire a água do funil de separação e coloque o destilado nele. Extraia o destilado com 4 porções de cloreto de metileno (10 mL). Separe as camadas e despreze a fase aquosa. Seque a fase orgânica com sulfato de sódio anidro. Filtre a mistura em papel pregueado (diretamente em um balão de fundo redondo previamente tarado), lave com uma pequena porção de CH2Cl2 e em seguida retire o solvente no evaporador rotativo. Opcionalmente, após a filtração concentre a mistura (utilizando um banho de vapor na capela), transfira o líquido restante para um tubo de ensaio previamente tarado e concentre o conteúdo novamente por evaporação em banho-maria até que somente um resíduo oleoso permaneça. Seque o tubo de ensaio e pese. Calcule a porcentagem de extração de cinamaldeído, baseado na quantidade original de canela usada. Figura 1: Destilação por arraste a vapor. 11- DESTILAÇÃO POR ARRASTE DE VAPOR: EXTRAÇÃO DO CINAMALDEÍDO DA CANELA 66 3.2- PREPARAÇÃO DE UM DERIVADO: Pese 0,2 g de semicarbazida e 0,3 g de acetato de sódio anidro. Adicione 2 mL de água. A esta mistura, adicione 3 mL de etanol absoluto. Junte esta solução ao cinamaldeído e aqueça a mistura em banho-maria por 5 minutos. Resfrie e deixe a semicarbazona do cinamaldeído cristalizar. Filtre em funil de Buchner e deixe secar. Determine o ponto de fusão do sólido obtido e compare com os valores encontrados na literatura. 4- QUESTIONÁRIO 1- Explique o funcionamento de uma destilação por arraste de vapor: 2- Qual a função dos agentes dessecantes? Cite exemplos: 3- Quais métodos poderiam ser utilizados para uma purificação do cinamaldeído, a partir da canela? 4- Apresente o mecanismo de reação entre cinamaldeído e semicarbazida: 5- Quais outros derivados poderiam ser preparados a partir do cinamaldeído? 6- Como pode ser realizada a caracterização do cinamaldeído? 7- Discuta a pureza do derivado de semicarbazona, a partir da medida de seu ponto de fusão. Como este composto poderia ser melhor purificado? 8- Calcule o rendimento da extração (porcentagem em massa de cinamaldeído isolado) e discuta os seus resultados: 9- Cite outros exemplos de compostos orgânicos (aromáticos ou não) que podem ser extraídos de fontes naturais, tais como: anis estrelado, noz moscada, pimenta, hortelã, guaraná e sassafrás: 10- Cite um método de extração e de dosagem para óleos essenciais. Explique: 11- Em caso de incêndio em um laboratório de Química, quais os procedimentos básicos? SAIBA MAIS SOBRE O OLFATO! QMCWEB: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/exemplar16.html 12- EXTRAÇÃO DA CAFEÍNA 69 combinada com taninos fracamente ácidos. A cafeína é solúvel em água, então pode ser extraída de grãos de café ou das folhas de chá com água quente. Junto com a cafeína, outros inúmeros compostos orgânicos são extraídos, e a mistura destes compostos é que dá o aroma característico ao chá e ao café. Entretanto, a presença desta mistura de compostos interfere na etapa de extração da cafeína com um solvente orgânico, provocando a formação de uma emulsão difícil de ser tratada. Para minimizar este problema utiliza-se uma solução aquosa de carbonato de cálcio. O meio básico promove a hidrólise do sal de cafeína-tanino, aumentando assim o rendimento de cafeína extraída. 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Em um erlenmeyer de 250 mL coloque 15,0 g de chá preto, 150 mL de água e 7,0 g de carbonato de cálcio. Ferva a mistura com agitação ocasional por 20 minutos, filtre a mistura quente em Buchner e esfrie o filtrado a 10-15C. Transfira o filtrado para um funil de separação e extraia a cafeína com 4 porções de 20 mL de cloreto de metileno (extração múltipla com agitação suave para evitar a formação de emulsão). Seque a fase orgânica com sulfato de sódio anidro e filtre por gravidade para um balão de fundo redondo previamente tarado. Destile o solvente com um aparelho de destilação simples até que se obtenha um volume de 5-7 mL no balão. Transfira então o extrato concentrado para um béquer e evapore o restante do solvente em banho de vapor até a secura. Pese o resíduo esverdeado de cafeína bruta e calcule a percentagem de alcalóide no chá. O resíduo pode ser recristalizado, dissolvendo-o em 2-3 mL de tolueno a quente e adicionando algumas gotas de éter de petróleo (p. e. 60-80C) até formar o precipitado. Opcionalmente, a recristalização pode ser realizada utilizando-se acetona. Determine o ponto de fusão do cristal e compare-o com o descrito na literatura. 4- QUESTIONÁRIO 1- O que é um alcalóide? 2- Por quê os alcalóides geralmente apresentam caráter básico? 3- Por quê a maioria dos alcalóides são extraídos das plantas com uma solução aquosa ácida? 4- Por quê a cafeína é extraída com uma solução aquosa básica? 12- EXTRAÇÃO DA CAFEÍNA 70 5- Explique a técnica de recristalização usada nesta experiência: 6- Quais as estruturas dos heterociclos: piridina, piperidina, pirrol, quinolina, indol e xantina? 7- Apesar de existirem alcalóides de origem animal (por ex., nos venenos de alguns animais peçonhentos), a vasta maioria dos alcalóides é encontrada em vegetais. Sugira razões para este fato (ou seja, por quê as plantas sintetizam alcalóides?): 8- Discuta sobre a metodologia de isolamento de um produto natural a partir de plantas, que foi utilizado neste experimento. Ela pode ser considerada geral? Quais as dificuldades encontradas? Quais as vantagens desse método? 9- Discuta a porcentagem de cafeína bruta isolada e de cafeína após a recristalização. Levando-se em conta que as plantas produzem milhares de compostos diferentes, o que você conclui a respeito da quantidade de cafeína presente no chá preto? 10- Cite exemplos de alguns alcalóides extraídos de plantas, correlacionando-os com as respectivas atividades biológicas: 11- Em caso de intoxicação com soda cáustica e metanol, quais os primeiros socorros? (consultar o Manual de Segurança da Aldrich): CONHEÇA MAIS SOBRE A CAFEÍNA! 1) Onami, T.; Kanazawa, H. Journal of Chemical Education 1996, 73, 556. 2) Moyé, A. L. Journal of Chemical Education 1972, 49, 194. 3) QMCWEB: http://www.qmc.ufsc.br/qmcweb/exemplar22.html EXPERIÊNCIA 13 PREPARAÇÃO DE UM AROMATIZANTE ARTIFICIAL: ACETATO DE ISOAMILA 1- INTRODUÇÃO Ésteres são compostos amplamente distribuídos na natureza. Os ésteres simples tendem a ter um odor agradável, estando geralmente associados com as propriedades organolépticas (aroma e sabor) de frutos e flores. Em muitos casos, os aromas e fragrâncias de flores e frutos devem-se a uma mistura complexa de substâncias, onde há a predominância de um único éster. Muitos ésteres voláteis possuem odores fortes e agradáveis. Alguns destes são mostrados na tabela abaixo: Tabela 1: Ésteres utilizados como aromatizantes. ACETATO ODOR CARACTERÍSTICO Propila Pêra Octila Laranja Benzila Pêssego Isobutila Rum Isoamila Banana Químicos combinam compostos naturais e sintéticos para preparar aromatizantes. Estes reproduzem aromas naturais de frutas, flores e temperos. Geralmente estes flavorizantes contêm ésteres na sua composição, que contribuem para seus aromas característicos. Aromatizantes superiores reproduzem perfeitamente os aromas naturais. Em geral, estes aromatizantes são formados de óleos naturais ou extratos de plantas, que são intensificados com alguns ingredientes para aumentar a sua eficiência. Um fixador de alto ponto de ebulição, tal como glicerina, é geralmente adicionado para retardar a vaporização dos componentes voláteis. A combinação dos compostos individuais é feita por diluição em um solvente chamado de "veículo". O veículo mais frequentemente usado é o álcool etílico. EXPERIÊNCIA 14 PREPARAÇÃO DO CLORETO DE t-BUTILA 1- INTRODUÇÃO A reação de substituição nucleofílica (SN) é uma das mais importantes e mais estudadas em química. A compreensão dos mecanismos envolvidos nas reações SN permitiu grandes avanços para o estabelecimento da química orgânica moderna. Nu + R1 R2 R3 G R1 Nu R3 R2 + G Basicamente, dois mecanismos descrevem as reações SN: a) REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA DE SEGUNDA ORDEM (SN2): Ocorre através de um mecanismo direto, onde o ataque do nucleófilo (Nu) acontece simultaneamente à saída do grupo abandonador (G), ou seja, a ligação Nu- carbono vai se formando, enquanto a ligação carbono-G vai se rompendo. É o mecanismo mais operante para substratos primários, como na preparação do brometo de n-butila 1 a partir do 1-butanol 2. OH BrHBr 2 1 b) REAÇÕES DE SUBSTITUIÇÃO NUCLEOFÍLICA DE PRIMEIRA ORDEM (SN1): Este mecanismo se desenvolve em três etapas e envolve a participação de um carbocátion como intermediário reativo. Na primeira etapa (rápida), ocorre a protonação do oxigênio hidroxílico no álcool 3. Na segunda etapa (lenta), a ruptura da ligação carbono-OH2+ no intermediário 4 fornece o carbocátion 5. Na terceira etapa (rápida), a ligação Nu-carbono é formada, gerando o produto de substituição 6. Este é o mecanismo mais adequado para substratos que formam carbocátions estáveis, ilustrado pela preparação do cloreto de t-butila 6 a partir do t-butanol 3. 654 + CH3 CH3CH3 C CH3H3C CH3 CI C CH3H3C CH3 OH2 C CH3H3C CH3 OH 3 HCI + -H2O 14- PREPARAÇÃO DO CLORETO DE t-BUTILA 75 É importante salientar que os mecanismos apresentados acima descrevem apenas os dois extremos de uma reação de substituição nucleofílica. Geralmente as reações SN apresentam mecanismos intermediários, situando-se entre SN1 e SN2. Em outras palavras, na maioria das vezes a quebra e formação de ligações não são processos independentes. 2- METODOLOGIA Neste experimento será realizada a preparação do cloreto de t-butila 4, através do tratamento do t-butanol 5 com ácido clorídrico. A reação é rápida e simples, e pode ser efetuada diretamente em um funil de separação. A reação se processa segundo o mecanismo SN1, conforme apresentado anteriormente. Pequenas quantidades de isobutileno podem se formar durante a reação, devido a reações de eliminação competitivas. Sendo que a presença de ácido sulfúrico provoca a formação de quantidades consideráveis deste alceno, a metodologia de preparação de haletos a partir da reação entre álcoois, H2SO4 e um sal de bromo (NaBr, KBr) deve ser evitada. 3- PARTE EXPERIMENTAL Misture em um funil de separação 5 mL de álcool t-butílico e 12 mL de ácido clorídrico concentrado. Não tampe o funil. Cuidadosamente agite a mistura do funil de separação durante um minuto; tampe o funil e inverta-o cuidadosamente. Durante a agitação do funil, abra a torneira para liberar a pressão. Feche a torneira, tampe o funil, agite-o várias vezes e novamente libere a pressão. Agite o funil durante dois a três minutos, abrindo-a ocasionalmente (para escape). Deixe o funil em repouso até completa separação das fases. Separe as duas fases. A operação da etapa subsequente deve ser conduzida o mais rapidamente possível, pois o cloreto de t-butila é instável em água e em solução de bicarbonato de sódio. Lave a fase orgânica com 25 mL de água; separe as fases e descarte a fase aquosa. Em seguida, lave a fase orgânica com uma porção de 25 mL de bicarbonato de sódio a 5%. Agite o funil (sem tampa) até completa mistura do conteúdo; tampe-o e inverta-o cuidadosamente. Deixe escapar a pressão. Agite abrindo cuidadosamente para liberar a pressão, eventualmente. Deixe separar as fases e retire a fase do bicarbonato. Lave a fase orgânica com 25 mL de água e novamente retire a fase aquosa. Transfira a fase orgânica para um erlenmeyer seco e adicione cloreto de cálcio 14- PREPARAÇÃO DO CLORETO DE t-BUTILA 76 anidro (ou Na2SO4 anidro). Agite ocasionalmente o haleto de alquila com o agente secante. Decante o material límpido para um frasco seco. Adicione pedras de ebulição e destile o cloreto de t-butila em aparelhagem seca, usando banho-maria. Colete o haleto em um recipiente com banho de gelo. Pese e calcule o rendimento. 4- QUESTIONÁRIO 1- Por quê o haleto de alquila bruto deve ser cuidadosamente seco com cloreto de cálcio antes da destilação final? 2- Por quê a solução de bicarbonato de sódio deve ser empregada na purificação do cloreto de t-butila? Por quê não utilizar uma solução de NaOH? 3- Apresente o mecanismo de reação para a formação de um provável sub-produto, o isobutileno (2-metil-1-propeno). 4- Como o 2-metil-1-propeno poderia ser removido durante o processo de purificação? 5- Água e cloreto de metileno são insolúveis. Em um tubo de ensaio, por exemplo, eles formam duas camadas. Como você poderia proceder experimentalmente para distinguir a camada aquosa da camada orgânica? Suponha que você não disponha dos valores das densidades destas duas substâncias: 6- Tanto o 2-pentanol quanto o 3-pentanol, quando tratados com HCl concentrado, produzem misturas de 2-cloropentano e 3-cloropentano. Explique estas observações, e apresente os dois mecanismos de reação envolvidos: 7- Quais os cuidados que um laboratorista deve ter ao utilizar ácidos e bases fortes, durante um procedimento experimental qualquer? E com relação aos primeiros socorros? Quais os procedimentos a serem tomados se por acaso ocorrer um acidente? 15- PREPARAÇÃO DE UM CORANTE: METIL ORANGE 79 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- DIAZOTIZAÇÃO DO ÁCIDO SULFANÍLICO: Em um erlenmeyer de 125 mL dissolva 0,3 g de carbonato de sódio anidro em 25 mL de água. Adicione 1,0 g de ácido sulfanílico a esta solução e aqueça em banho- maria até a completa dissolução do material. Deixe a solução atingir a temperatura ambiente e adicione 0,4 g de nitrito de sódio, agitando a mistura até a completa dissolução. Resfrie a solução em banho de gelo por 5-10 minutos, até que a temperatura fique abaixo de 10oC. Em seguida, adicione 1,25 mL de ácido clorídrico, mantendo uma agitação manual. O sal de diazônio do ácido sulfanílico separa-se como um precipitado branco finamente dividido. Mantenha esta suspensão em um banho de gelo até ser utilizada. 3.2- PREPARAÇÃO DO METIL ORANGE: Misture em um béquer de 50 mL, 0,7 mL de N,N-dimetilanilina e 0,5 mL de ácido acético glacial. Com a ajuda de uma pipeta de Pasteur, adicione esta solução à suspensão resfriada do ácido sulfanílico diazotizado preparado previamente. (item 3.1). Agite a mistura vigorosamente com um bastão de vidro. Em poucos minutos um precipitado vermelho de heliantina será formado. Mantenha esta mistura resfriada em banho de gelo por cerca de 10 minutos. Adicione 7,5 mL de hidróxido de sódio 10%. Faça isso lentamente, com agitação, enquanto mantém a mistura resfriada em banho de gelo. Verifique se a mistura está básica, com o auxílio de um papel de tornassol. Se necessário, adicione mais base. Leve a solução básica à ebulição por 10-15 minutos, para dissolver a maioria do metil orange recém formado. Em seguida, adicione 2,5 g de cloreto de sódio e deixe a mistura atingir a temperatura ambiente. A completa cristalização do produto pode ser induzida por resfriamento da mistura reacional. Colete os sólidos formados por filtração em funil de Buchner, lavando o erlenmeyer com 2-3 porções de cloreto de sódio saturado. 3.3- RECRISTALIZAÇÃO: Transfira o precipitado (juntamente com o papel filtro) para um béquer de 125 mL, contendo cerca de 75 mL de água em ebulição. Mantenha a mistura em ebulição branda por alguns minutos, agitando constantemente. Nem todo o corante se dissolve, mas os sais contaminantes são dissolvidos. Remova o papel filtro e deixe a mistura atingir a temperatura ambiente, resfriando posteriormente em banho de gelo. Filtre a vácuo e lave com um mínimo de água gelada. Deixe o produto secar, pese e calcule o rendimento. 15- PREPARAÇÃO DE UM CORANTE: METIL ORANGE 80 3.4- TESTE COMO INDICADOR DE pH: Dissolva em um tubo de ensaio, uma pequena quantidade de metil orange em água. Alternadamente, adicione algumas gotas de uma solução de HCl diluído e algumas gotas de uma solução de NaOH diluído, observando a mudança de cor no ponto de viragem (pH = 3,1: solução vermelha; pH = 4,4: solução amarela). 4- QUESTIONÁRIO 1- Por quê a N,N-dimetilanilina acopla com o sal de diazônio na posição para- do anel? 2- A reação de acoplamento do sal de diazônio é uma reação de substituição eletrofílica aromática. Forneça o mecanismo para a síntese do corante metil orange. 3- Forneça a estrutura de outros corantes empregados industrialmente. 4- Discuta seus resultados em termos de rendimento, pureza e teste de pH. VEJA TAMBÉM: Guaratini, C. C. I.; Zanoni, M. V. B. Química Nova 2000, 23, 71. EXPERIÊNCIA 16 DESIDRATAÇÃO DE ÁLCOOIS: OBTENÇÃO DO CICLOEXENO A PARTIR DO CICLOEXANOL 1- INTRODUÇÃO Reações de eliminação são uma das mais importantes e fundamentais classes de reações químicas. Basicamente, o mecanismo da eliminação compreende a saída de dois átomos ou grupos de átomos em uma molécula orgânica. Eliminações do tipo 1,2 fornecem ligações duplas, sendo uma ótima metodologia para a preparação de alcenos. Quando um álcool é aquecido na presença de um ácido forte, ocorre a eliminação de água com formação de um alceno. Esta reação é conhecida como desidratação de álcoois. Quando tratados com ácidos, álcoois secundários e terciários geralmente eliminam água através de um mecanismo envolvendo a participação de um carbocátion como intermediário (mecanismo E1). cicloexenocicloexanol OH H2SO4 ou + H2O H3PO4 Dependendo de uma série de fatores (substrato, temperatura, condições reacionais) as reações de substituição nucleofílica também podem ocorrer no meio reacional, fornecendo éteres como sub-produtos. 2- METODOLOGIA A síntese do cicloexeno a partir da desidratação do cicloexanol será investigada neste experimento. O procedimento escolhido para esta experiência envolve a catálise com ácido sulfúrico ou ácido fosfórico. Melhores resultados são obtidos quando o ácido fosfórico é empregado, pois o ácido sulfúrico provoca carbonização e formação de óxido de enxofre, além da possibilidade de fornecer produtos secundários através de reações de polimerização. EXPERIÊNCIA 17 SÍNTESE DA BENZOCAÍNA 1- INTRODUÇÃO A benzocaína (4-aminobenzoato de etila) pertence a uma classe de compostos que possuem propriedades anestésicas. Dentre eles podemos citar alguns, como cocaína, procaína, lidocaína e tetracaína. Estes compostos possuem certas características em comum: os que possuem atividade farmacológica contêm em uma das extremidades da cadeia da molécula um grupo aromático, e na outra um grupo amino secundário ou terciário. Esses grupos estão interligados por uma cadeia central de átomos contendo de uma a quatro unidades. A benzocaína, em particular, é utilizada como um dos ingredientes na preparação de loções e pomadas no tratamento de queimaduras solares. Um reagente de partida adequado para a preparação da benzocaína é o ácido p-aminobenzóico (PABA). O PABA é muito importante nos processos biológicos, e é considerado uma vitamina para a bactéria. A bactéria utiliza o PABA na produção do ácido fólico, que por sua vez é necessário na síntese de ácidos nucleicos, os quais participam do crescimento bacteriano. Por outro lado, o ácido fólico é uma vitamina essencial para os animais, pois a célula animal não consegue sintetizá-lo e assim esse deve ser parte da sua dieta. Quando combatemos uma determinada bactéria através do uso de uma droga do tipo sulfa, essa na realidade não mata a bactéria mas sim impede o crescimento bacteriano devido a competição entre a sulfa e o PABA pelo sítio ativo da enzima que catalisa a reação de formação do ácido fólico. A sulfa forma um complexo com a enzima, recebendo assim o nome de inibidor competitivo. Se há impedimento na síntese do ácido fólico a bactéria não poderá sintetizar os ácidos nucleicos, resultando assim em uma supressão do crescimento bacteriano e possibilitando ao corpo tempo necessário para que o seu sistema imunológico possa responder e destruir a bactéria. Outra importante aplicação do PABA está na preparação de protetores solares, já que o composto tem a capacidade de absorver o componente ultravioleta da radiação solar. 17- SÍNTESE DA BENZOCAÍNA 85 2- METODOLOGIA Neste experimento será preparada a benzocaína (1), a partir da esterificação do ácido p-aminobenzóico (PABA, 2) com etanol e catálise ácida. Embora o PABA seja disponível comercialmente, ele pode ser eficientemente preparado em laboratório. O PABA será preparado através de uma seqüência de três reações, sendo a primeira delas uma acetilação da p-toluidina (3) pelo anidrido acético, fornecendo a N- acetil-p-toluidina 4. A acetilação do grupo amino em 3 tem a função de protegê-lo durante a segunda etapa: a oxidação do grupo metila pelo permanganato de potássio, formando o ácido p-acetamidobenzóico 5. Se a oxidação do grupo metila fosse executada sem a proteção do grupo amino, este também seria oxidado. O grupo acetil em 5 será removido através de tratamento com ácido clorídrico diluído, gerando o PABA como um sólido cristalino. KMnO4 HCI HCI EtOH H2SO4 1 2 PABA 3 4 5 Ac2O CH3 H2N N H CH3 O CH3 OH O N H CH3 O H2N O OH H2N OCH2CH3 O 3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1- SÍNTESE DA N-ACETIL-p-TOLUIDINA (4): Coloque 8,0 gramas de p-toluidina em um erlenmeyer de 500 mL, adicione 200 mL de H2O destilada e 8 mL de HCl concentrado. Se necessário, aqueça a mistura em banho-maria com agitação manual até que se obtenha uma solução. Caso a solução apresente coloração escura, adicione 0,5 a 1,0 g de carvão ativo, agite manualmente por vários minutos e filtre por gravidade. Use papel filtro pregueado para esta filtração. Prepare uma solução de 12 g de acetato de sódio triidratado em 20 mL de H2O. Se necessário aqueça a mistura até que todo o sólido seja dissolvido. Aqueça à 50C a solução contendo p-toluidina previamente preparada e adicione 8,4 mL de anidrido acético, agite rapidamente e adicione imediatamente a 17- SÍNTESE DA BENZOCAÍNA 86 solução aquosa de acetato de sódio. Esfrie a mistura em banho de gelo. Um sólido branco deve aparecer nesse estágio. Filtre a mistura a vácuo utilizando filtro de Buchner, lave os cristais com três porções de H2O gelada e deixe secar sob vácuo. Determine o ponto de fusão dos cristais e o rendimento da reação. 3.2- SÍNTESE DO ÁCIDO p-ACETAMIDOBENZÓICO (5): Coloque o composto previamente preparado, N-acetil-p-toluidina, em um béquer de 1,0 L junto com ~25 gramas de MgSO4 hidratado e 350 mL de H2O. Aqueça a mistura em banho-maria e adicione, em pequenas porções, uma mistura de 30 g de KMnO4 em uma pequena quantidade de H2O (suficiente para formar uma pasta). Mantenha a mistura reacional em banho-maria por 1 hora (é necessário que o béquer esteja bem imerso no banho). A cada intervalo de 3 a 5 minutos agite a mistura manualmente. Depois de 1 hora, filtre a solução quente à vácuo através de uma camada de celite (5 cm) usando filtro de Buchner e lave o precipitado (MnO2) com pequenas porções de H2O quente. Se a solução apresentar coloração púrpura (presença de MnO4), adicione 0,5 - 1,0 mL de etanol e aqueça a solução em banho- maria por 30 minutos. Filtre a solução quente por gravidade em papel filtro pregueado, esfrie o filtrado e acidifique-o com solução 20% de H2SO4. Separe por filtração à vácuo o sólido branco formado e seque-o na estufa. Pese, calcule o rendimento baseado na p-toluidina e determine seu ponto de fusão. 3.3- SÍNTESE DO ÁCIDO p-AMINOBENZÓICO (PABA; 2): Prepare uma solução diluída de HCl misturando 24 mL de HCl 37% em 24 mL de H2O. Coloque o ácido p-acetamidobenzóico preparado na etapa anterior em um balão de fundo redondo de 250 mL e adicione a solução diluída de HCl. Adapte um condensador de refluxo e aqueça a mistura (use manta de aquecimento), de tal forma que o refluxo seja brando por 30 minutos. Esfrie a solução resultante a temperatura ambiente, transfira-a para um erlenmeyer de 250 mL e adicione 48 mL de H2O. Neutralize com uma solução aquosa de amônia (use a capela) e basifique adicionando pequenas porções de NH4OH (aq.) até pH 8-9 (use papel indicador de pH). Para cada 30 mL da solução final, adicione 1,0 mL de ácido acético glacial, resfrie a solução em banho de gelo e inicie a cristalização. Se necessário arranhe a parede lateral interna do frasco com um bastão de vidro para iniciar a cristalização. Filtre os cristais a vácuo e seque-os deixando sob o mesmo sistema de vácuo. Determine seu peso, seu ponto de fusão e calcule o rendimento desta etapa (e o rendimento global a partir da p-toluidina).