lunes, 25 de marzo de 2013

Práctica 15



Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey
Campus Puebla
Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas
Departamento de Biotecnología

Laboratorio de Química Experimental-Q.1014.01
Dr. Isaac Monroy
Mtro. Víctor H. Blanco

Práctica 15: Propiedades de los alcoholes y síntesis de aldehídos y cetonas
Equipo 7:
Laura Barba Castillo A01322562
Alejandro Larios Campos A00399515
Rodrigo E. Hernández Jiménez A01324406
Brenda Berenice Jerónimo Atanacio   A01324138

Fecha de entrega: jueves 21 de marzo de 2013


Objetivo:
Ø  Comprobar algunas de las propiedades de los alcoholes y sintetizar un aldehído y/o cetona a partir de su oxidación.


Introducción

Los alcoholes reaccionan con ácidos carboxílicos para dar ésteres, la reacción puede darse en un solo paso si se utiliza como catalizador un ácido fuerte aunque con frecuencia se mejora la reactividad del ácido carboxílico al convertirlo primero en un cloruro de ácido carboxílico, el cual reacciona con el alcohol. (McMurry, 2008)

La conversión de alcoholes primarios en aldehídos requiere un cuidadoso control de condiciones de reacción, ya que el aldehído es mi susceptible a oxidarse. El procedimiento consiste en añadir cantidades limitadas de oxidante y destilar el aldehído, por su punto de ebullición más bajo que el alcohol. Los productos de oxidación de los aldehídos son los ácidos carboxílicos. El permanganato de potasio, es un buen oxidante de alcoholes primarios. La oxidación de alcoholes primarios con permanganato da lugar al ácido correspondiente.

Para la oxidación de alcoholes secundarios se una el ácido crómico y permanganato de potasio en medio básico. El producto de oxidación es la cetona que en general son estables y no sufren reacciones posteriores.

Los alcoholes terciarios son resistentes a la oxidación, solo en condiciones muy ácidas, se deshidratan a alquenos que por posteriores reacciones se fragmentan en moléculas más pequeñas. (Santiago, 1995)

La esterificación de alcoholes consiste en tratar al ácido con exceso de metanol y un catalizador (HCl,  H2SO4). El mecanismo de esterificación de alcoholes primarios y secundarios  (SN2). El ácido se combina con un protón, formando un ion oxonio, que reacciona con R’OH generando agua. La acción catalítica del protón puede ser realizada igualmente por otros receptores de electrones (ácidos de Lewis)

La esterificación de alcoholes terciarios tiene lugar a través de la formación de un ion carbonio, R3C+, lo que hace que el OH proceda del alcohol, no del ácido (Fieser, 1985)



Desarrollo
Experimento 1. Solubilidad
1.      Se vació un mililitro de agua en cuatro tubos de ensayo y a otros cuatro tubos se les agregó un mililitro de éter.
2.      Posteriormente se agregaron 10 gotas de metanol a un tubo, isopropanol a otro, glicerina al siguiente y etanol al último. Se repitió el procedimiento con los tubos que contenían éter.
3.      Se observó la solubilidad en cada tubo.


Figura 1. Tubos de ensayo para observar la solubilidad.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


Experimento 2. Esterificación
1.      Se rotularon 3 tubos de ensayo con: alcohol metílico, alcohol Isopropílico y alcohol etílico respectivamente,  se le añadieron a cada tubo 1.5 ml de su respectivo alcohol y además 1.5ml de ácido acético a cada uno.
2.      Se añadieron 8 gotas de ácido sulfúrico concentrado a cada tubo de ensayo.
3.      Se calentaron en baño María. Una vez que alcanzaron su punto de ebullición, se dejaron por 3 minutos más.


Figura 2. Soluciones calentándose hasta el punto de ebullición.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


4.      Una vez finalizados los 3 minutos, a cada tubo se le agregaron 25 ml de agua helada. Se taparon y mezclaron.


Figura 3. Soluciones con el alcohol correspondiente, ácido acético, H2SO4 y agua fría.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


5.      Finalmente se trató de identificar el aroma de cada solución como agradable o desagradable.


Experimento 3. Oxidación de los alcoholes
1.      Se rotularon tres tubos para cada alcohol con el nombre referido: etílico, metílico e isopropílico y se agregó 1ml de este respectivamente.
2.      Se agregaron 20 gotas de H2SO4 diluido.
3.      Para cada muestra de un alcohol se agregaron 5 gotas de solución de KMnO4 al 5%, cromato de potasio o dicromato de potasio.


Figura 4. Indicadores de potasio.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


4.      Se calentó y se registró el olor.


Experimento 4. Identificación de aldehídos
1.      Se agregaron x gotas del reactivo de Tollens a 5 tubos de ensayo.
2.      Para cada tubo se agregaron 2 gotas de una muestra diferente, las cuales eran: sacarosa, glucosa, fructosa, lactosa y maltosa.
3.      Se calentó.
4.      Se observó si ocurría la formación de un espejo de plata.


Figura 5. Ejemplo: formación del espejo de plata.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.



Resultados

Experimento 1. Solubilidad

Tabla. Solubilidad de algunos alcoholes dentro de agua y dentro de éter.
Alcohol
Solubilidad en agua
Solubilidad en éter
Metanol
Soluble
Poco soluble
Etanol
Soluble
Poco soluble
Isopropanol
Soluble
Poco soluble
Glicerol
Insoluble
Insoluble
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla. 


Experimento 2. Esterificación

Esterificación
Muestra de Alcohol
Tipo de Ácido
Catalizador
Olor
1ra
Alcohol etílico
Acético
Ácido sulfúrico
-Desagradable
-Olor concentrado de ácido acético
1ra
Alcohol isopropílico
Acético
Ácido sulfúrico
-Agradable
-Olor similar a menta
1ra
Alcohol metílico
Acético
Ácido sulfúrico
-Desagradable
-El aroma es poco perceptible
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Esterificación
Reacciones
1ra
C2H4O2 + C2H6à   C4H8O2  + H2O
1ra
C2H4O2 + C3H8à   C5H10O2  + H2O
1ra
C2H4O2 + CH4à   C3H6O2  + H2O
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


Experimento 3. Oxidación de los alcoholes

Los alcoholes se oxidan para formar cetonas, aldehídos o ácidos carboxílicos.
Tablas. Oxidación de alcoholes con diferentes sustancias.

Ø  Permanganato de potasio
Muestra de alcohol
Compuesto formado
Olor
Observaciones
Etílico
Precipitado café
Dulce
Morado à café
Metílico
Precipitado café
---
Morado à café
Isopropílico
Precipitado café
---
Morado à café
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Ø  Cromato de potasio
Muestra de alcohol
Compuesto formado
Olor
Observaciones
Etílico
Precipitado café
Frutal
Arriba: verde à azul
Abajo: naranja
Metílico
Precipitado café
---
Amarillo à naranja
Isopropílico
Precipitado café
---
Arriba: verde musgo
Abajo: naranja
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

Ø  Discromato de potasio
Muestra de alcohol
Compuesto formado
Olor
Observaciones
Etílico
Ningún precipitado
Jugo de manzana
Verde agua à azul
Metílico
Ningún precipitado
---
Naranja  à amarillo
Isopropílico
Ningún precipitado
---
Arriba: verde agua à azul
Abajo: amarillo
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


Figura 6. Respectivo alcohol con H2SO4 y su oxidante, de izquierda a derecha en grupos de tres tubos: permanganato de potasio, cromato de potasio y dicromato de potasio
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.


Experimento 4. Identificación de aldehídos

En la siguiente tabla se muestran los resultados de la prueba realizada a diversos azúcares para comprobar la presencia o no de aldehídos por medio del reactivo de Tollens.

Muestra
Reacción (+) o (-)
Sacarosa
-
Glucosa
+
Fructosa
+
Lactosa
-
Maltosa
-
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.

 
 
      Figuras 7, 8 y 9. Prueba de espejo de plata.
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.



 
Figuras 10 y 11. Prueba de espejo de plata.  
Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.



Discusión

Experimento 1 y 2. Solubilidad y Esterificación

El grupo –OH de los alcoholes forma puentes de hidrógeno con el agua, sin embargo la cadena de carbono es la parte apolar de la molécula y esto es lo que le da un cierto grado de insolubilidad en agua, es decir, entre mas grande sea la cadena carbonada del alcohol, este sera menos soluble en agua. En el caso de la glicerina, cuando el –OH funciona como radical este es hidrofóbico por lo tanto no favorece la solubilidad en agua.
El éter es muy utilizado dentro del laboratorio como disolvente orgánico por ser estables y no reactivos, pero algunos otros forman peróxidos con el oxigeno del aire. El grupo –OH de los alcoholes se une con el R-O-R pero la parte apolar de las moléculas es la que hace que se presenten las dos faces  (McMurry 2008).
Los ácidos  junto a algún alcohol en presencia de un catalizador prótico dan como resultado la formación de ésteres. Es una reacción reversible ya que los ésteres en presencia de agua producen un alcohol más un ácido, es por ello que debe utilizarse un catalizador. Analizando las reacciones, es probable que el uso del agua provoca que no se pueda distinguir el aroma del éster ya que, el agua rompe los enlaces –COO-.


Experimento 3. Oxidación de los alcoholes

En presencia de un agente oxidante, los alcoholes primarios se oxidan a aldehído y posteriormente a ácido carboxílico. Ejemplos de alcoholes primarios son el metanol, etanol y alcohol isopropílico. (Yurkanis, 2008)

Oxidación del etanol:
CH3CH2OH à CH3CHO à CH3COOH

El permanganato de potasio es un oxidante fuerte de intenso color violeta. Como se observó en la práctica, en presencia de alcoholes primarios, en medio neutro, este se reduce a oxido de manganeso II, formándose un precipitado de color pardo. Esta reacción fue espontanea, con un potencial estándar de reducción de 1.692V,  de acuerdo con la siguiente ecuación:

MnO4- + 4H+ + 3e-  ßà  MnO2(s) + 2H2O

En disolución ácida, el ion dicromato, de color naranja, es un oxidante fuerte que se reduce a ion crómico de acuerdo con la siguiente ecuación:

Cr2O72- + 14H+ + 6e-  ßà  2Cr3+ + 7H2O    Eº = 1.36V

En presencia del ion dicromato, tanto el metanol, etanol como el alcohol isopropílico se oxidaron. La presencia de cromo3+ torno las soluciones verde - azuladas. (Harris, 2007)

El cromato de potasio, posee un color inicial amarillo. En presencia del ion cromato, tanto los tres alcoholes se oxidaron, dando como resultado soluciones café para el alcohol metílico e isopropílico y naranja para el etanol. (Harris, 2007)


Experimento 4. Identificación de aldehídos

Los aldehídos son sustancias de fórmula general RCHO. Los aldehídos y cetonas contienen el grupo carbonilo, C=O, y a menudo se denominan colectivamente compuestos carbonílicos, que es que determina en gran medida la química de estos compuestos. El grupo carbonilo de los aldehídos contiene un hidrógeno, mientras que el de las cetonas tiene dos grupos orgánicos, esto afecta de forma que los aldehídos se oxidan con facilidad y suelen ser más reactivos que las cetonas en adiciones nucleofílicas.

Aldehídos y cetonas se caracterizan por la adición de reactivos nucleofílicos al grupo carbonilo, en especial derivados del amoniaco.
Los aldehídos se distinguen en particular de las cetonas por su facilidad de oxidación: los aldehídos dan prueba de Tollens positiva, mientas que para las cetonas es negativa.
(Thornton& Neilson, 1998)

El reactivo de Tollens es una solución de nitrato de plata en hidróxido de amonio. Conforme el aldehído se oxida a la sal de un ácido carboxílico, el ion plata Ag+ se reduce a  plata metálica. Si la reacción se lleva a cabo en un tubo de ensayo la plata se deposita en las paredes del vidrio y crea una superficie reflejante lisa, de ahí el nombre de prueba de espejo de plata.
La reacción que se lleva  acabo es la siguiente:

(Bailey & Bailey, 1998)

Las sustancias que dieron positivo a la prueba de Tollens fueron la glucosa y fructosa. Como se puede ver en la imagen la glucosa presenta al grupo carbonilo como aldehído, por lo que es positiva en la prueba de Tollens.



La fructosa da prueba positiva de Tollens (azúcar reductor) debido al equilibrio tautomérico ceto-enol catalizado por base, lo que da por resultado su conversión en una aldohexosa como se muestra en la imagen:

(UNAM)


La sacarosa es un disacárido formado por glucosa y fructosa, cuyo enlace implica al grupo aldehído de la primera y al grupo cetona de la segunda, por lo que ninguno puede actuar como reductor.

La lactosa es un disacárido formado por galactosa y glucosa, donde la galactosa no tiene efecto reductor, pero sí la glucosa, pues su grupo aldehído del C1 no está implicado en el enlace. La maltosa se forma por dos moléculas de glucosa unidas por enlace α(1,4) con un grupo aldehído libre, por lo que puede actuar como reductor. Ambas presentaron un color negro en el tubo, pero no se llegó a formar el espejo de plata.

Las estructuras de estos disacáridos se presentan a continuación:

 




Cuestionario

1.      Explicar el mecanismo de solubilidad del glicerol en éter.

La glicerina es un buen soluto en agua y alcoholes de cadena pequeña. Sin embargo, al agregar el éter como solvente, ésta se vuelve insoluble debido a que la estructura del éter evita que se unan los grupos hidroxilos libres con la glicerina, de igual forma no se pueden formar puentes de hidrógeno porque los grupos –OH de la glicerina le dan una cierta polaridad a la molécula.

2.      Escribir la reacción química que se efectúa al reaccionar el etanol con sodio. ¿Qué gas se desprende de esa reacción?

2C2H5OH + 2Na à 2C2H5Na + H2
El gas que se desprende es Hidrogeno.

3.      Escribe la estructura de los productos de oxidación esperados en la oxidación de los alcoholes usados en tu experimento. Si no observaste reacción con ninguno de los alcoholes explica por qué.

Etanol                              CH3CH2OH à CH3CHO à CH3COOH

Metanol                           CH3OH à CH3CHO à CH3COOH

Alcohol isopropílico       CH3CH(OH)CH3 à CH3COCH3 à CH3COOCH3

4.      ¿Cómo identificó el grupo carbonilo en aldehídos y cetonas?
En los aldehídos el grupo carbonilo se encuentra siempre al inicio de la cadena puesto que solo se une con un hidrogeno y un -R, nunca dentro de la cadena. Por otra parte el grupo carbonilo en cetonas se encuentra dentro de la cadena como: R-CO-R. Ejemplo:
      CH3CH2CH2CH2CHO                                                 CHCOCH3
              Pentanal                                                            Propanona

(Macy 2005)

5.      Escriba la reacción que permitió dicha identificación.



6.      ¿Cómo diferenció a un aldehído de una cetona?

El grupo carbonilo de los aldehídos contiene un hidrógeno, mientras que el de las cetonas tiene dos grupos orgánicos, esto trae como consecuencia que los aldehídos se presentan mayor facilidad de oxidación: los aldehídos dan prueba de Tollens positiva, mientas que para las cetonas es negativa.
(Thornton& Neilson, 1998)


7.      Escriba la o las reacciones que le permitieron diferenciar uno de otro.

CH3HC=O + 2Ag(NH3)2OH à CH3OHC=O + 4NH3 + H2O+ 2Ag


8.      Complete el siguiente cuadro indicando sus resultados:

Compuesto
Reacción con ácido crómico
Reacción de Tollens
Aldehído alifático
Precipitado café
Espejo de plata
Aldehído aromático
---
---
Cetona alifática
---
Espejo de plata (fructosa)
Cetona aromática
---
---
 Fuente. Laboratorio de Química Experimental, ITESM, Campus Puebla.




Conclusión
Los alcoholes como el metanol, etanol e isopropanol son polares y solubles en compuestos polares como el agua y poco solubles en compuestos no polares como el éter. El glicerol es insoluble en ambos compuestos mencionados anteriormente. Los alcoholes mencionados anteriormente se transforman en ésteres al reaccionar con ácido acético y en presencia de ácido sulfúrico como catalizador.

El alcohol etílico presenta un olor agradable al oxidarse en un éster. El permanganato, cromato y dicromato de potasio son agentes oxidantes de alcoholes primarios.
La glucosa es un aldehído, ya que presentó espejo de plata. La fructosa, cetona, se vuelve aldehído al llegar al equilibrio ceto - enólico. Los azúcares como la sacarosa, lactosa y maltosa son cetonas al no presentar espejo de plata.





Bibliografía
Bailey, P. & Bailey, C. (1998) Química orgánica: conceptos y aplicaciones. Pearson Educación.
Facultad de química, UNAM. Carbohidratos.
Fieser, L. (1985) Química Orgánica Fundamental. Reverté. Barcelona, España.
Harris, D. (2007) Análisis químico cuantitativo. Editorial Reverte. Barcelona, España.
Macy, R. (2005). Química Orgánica simplificada. Reverte. España.
McMurry, J. (2008) Química Orgánica. 7ª Edición. Cengage Learning. México.
Santiago, F. (1995) Cinética y Mecanismo de la Reacción de Oxidación de 1-2 Etanodiol, 1-3 Propanodiol y 2-3 Butanodiol por Hexacianoferrato (III) Alcalino Catalizada por Tricloruro de Rutenio. Universidad de Castilla – La mancha. Murcia, España.
Thornton, R. & Neilson, R. (1998) Química orgánica, 5ED. Pearson Educación. Massachusetts, E.U.A.
Yurkanis, P. (2008) Química Orgánica. (5º ed.) Pearson Educación. México.






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