UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS, TECNOLOGÍA E INGENIERÍA PROGRAMA DE QUÍMICA ANÁLISIS ORGÁNICO

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA PROGRAMA DE QUÍMICA ANÁLISIS ORGÁNICO JAVIER EDUARDO VILLAMIZAR VELÁSQUEZ (Autor) BARRANQUILLA Septiembre de 2012

2 ASPECTOS DE PROPIEDAD INTELECTUAL Y VERSIONAMIENTO El presente módulo fue diseñado en el año 2012 por el Químico Javier Eduardo Villamizar Velásquez, docente de la UNAD, y ubicado en el CEAD de Barranquilla, el Químico Villamizar es especialista en Gestión de Proyectos, se ha desempeñado como tutor de la UNAD desde el 2010 La obra que usted está leyendo posee un gran valor; en ella, yo he vertido mi conocimiento, experiencia y mucho trabajo, el Acreditador ha procurado una presentación digna de su conocimiento y esta puesto todo el empeño para que sea ampliamente difundida por la comunidad Unadista.

3 UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS ORGÁNICO Capítulo 1. Extracción y separación de sustancias orgánicas Lección 1. Destilación Lección 2. Extracción Lección 3. Sublimación Lección 4. Separaciones Cromatográficas Lección 5. Separación de muestras Capítulo 2. Purificación y caracterización de sustancias orgánicas Lección 6. Cristalización Lección 7. Filtración y formación de cristales Lección 8. Determinación de constantes físicas. Lección 9. Propiedades físicas de los enantiómeros- Actividad óptica Lección 10. Comportamiento ácido-básico de moléculas orgánicas Capítulo 3. Esquemas de análisis y ensayos preliminares de sustancias orgánicas Lección 11. Introducción al análisis cualitativo orgánico Lección 12. Ensayo de ignición Lección 13. Ensayo con indicadores Lección 14. Ensayo de instauración activa Lección 15. Ensayos de aromaticidad UNIDAD 2. ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Capítulo 4. Análisis elemental Cualitativo y clasificación por solubilidad Lección 16. Análisis elemental Cualitativo Lección 17. Investigación de carbono e hidrogeno Lección 18. Determinación de elementos por fusión con metales Lección 19. Clasificación por solubilidad Lección 20. Ensayos para la determinación de sustancias desconocidas Capitulo 5. Métodos químicos para la determinación de grupos funcionales Lección 21. Análisis de hidrocarburos alifáticos Lección 22. Análisis de hidrocarburos aromáticos Lección 23. Análisis de compuestos halogenados Lección 24. Análisis de grupos funcionales Lección 25. Análisis especiales Alcaloides y vitaminas Capitulo 6. Preparación de derivados

4 Lección 26. Generalidades Lección 27. Derivados de acetales, anhídridos y haluros de ácidos Lección 28. Derivados de compuestos halogenados y haluros de arilo Lección 29. Derivados dependiendo el grupo funcional Lección 30. Derivados de compuestos aromáticos UNIDAD 3. MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS PARA DETERMINACIÓN DE GRUPOS FUNCIONALES ORGÁNICOS Capitulo 7. Espectrometrías UV-vis, IR, FTIR Lección 31. Espectrofotometría visible (UV-vis) Lección 32. Aplicaciones de la espectrometría UV-vis a la detección de compuestos orgánicos Lección 33. Espectrometría Infrarroja (IR, FTIR) Lección 34. Aplicaciones del IR para la determinación estructural de compuestos orgánicos Lección 35. Interpretación de espectros IR Capitulo 8. Resonancia magnética Lección 36. Fundamentos de la RMN Lección 37. Distribución de Boltzman Lección 38. Equivalencia química, equivalencia magnética Lección 39. Constante de acoplamiento Lección 40. RMN- 1 y RMN- 13 C Capitulo 9. Espectrometría de masas Lección 41. Fundamentos de los procesos de ionización Lección 42. Ionización química positiva y negativa Lección 43. Acoplamiento del espectrómetro de masas a otras técnicas analíticas Lección 44. Análisis sistemático de espectros de masas Lección 45. Tipos generales de fragmentación

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6 LISTADO DE GRÁFICOS Y FIGURAS

7 UNIDAD 1: INTRODUCCIÓN AL ANÁLISIS ORGÁNICO CAPITULO 1: EXTRACCIÓN Y SEPARACIÓN DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS INTRODUCCIÓN Durante siglos se ha buscado mejorar las diferentes técnicas de análisis para purificar, sintetizar, extraer, separar y cuantificar compuestos químicos, basados en las propiedades fisicoquímicas que ofrecen los grupos funcionales que caracterizan a los compuestos orgánicos. Aunque aún hoy muchos compuestos del carbono se aíslan mejor a partir de fuentes vegetales y animales, la mayoría de ellos se obtienen por síntesis. A veces se sintetizan a partir de sustancias inorgánicas, como carbonatos y cianuros, pero más a menudo se parte de otros compuestos orgánicos. ay dos grandes fuentes de las que se pueden obtener sustancias orgánicas simples: el petróleo y el carbón. (Ambas son orgánicas en el sentido tradicional, puesto que son producto de la descomposición de plantas y animales), estas sustancias simples se emplean como elementos básicos, a partir de los cuales se pueden hacer compuestos más complicados. Un gran porcentaje de los compuestos orgánicos de interés se encuentran formando mezclas, así por ejemplo la industria del petróleo separa el crudo en fracciones que se utilizan como combustible, materias primas para la industria química, lubricantes etc. También la industria farmacéutica separa y purifica los diferentes fármacos naturales o sintéticos. Incluso a veces, el desarrollo de un nuevo método de separación supone un gran avance en ciencias para la medicina, la bioquímica o la farmacología. Lección 1: Destilación La destilación es una técnica de laboratorio utilizada en la separación de sustancias miscibles. Consiste en hacer hervir una mezcla, normalmente una disolución, y condensar después, por enfriamiento, los vapores que han producido; la separación y purificación de líquidos por destilación constituye una de las principales técnicas para purificar líquidos volátiles. La destilación hace uso de la diferencia entre los puntos de ebullición de las sustancias que constituyen una mezcla. Las dos fases en una destilación son: la vaporización o transformación del líquido en vapor y la condensación o transformación del vapor en líquido. Existen varias clases de destilación, la elección en cada caso se hace de acuerdo con las propiedades del líquido que se pretenda purificar y de las impurezas que lo contaminan. Podemos decir también que la destilación es el proceso que consiste en vaporizar parcialmente un líquido contenido en un recipiente y la subsiguiente condensación del vapor en un recipiente separado. La mezcla de vapores generado posee diferente composición que la mezcla de líquidos que la origina, obteniéndose en la fase vapor una mezcla mas enriquecida en el componente más volátil. Dos

8 líquidos diferentes tendrán distintas presiones de vapor a una misma temperatura o, lo que es equivalente, a igual presión total sus puntos de ebullición diferirán. Este es el fundamento de la destilación y su uso como técnica separativa Relación entre las composiciones de las fases líquidas y vapor. Volatilidad Si consideramos una mezcla binaria de líquidos, miscibles a todas las composiciones y la mezcla obedece la ley de Raoult: Donde P A =X A P A (Ecuación 1) P A : presión parcial de vapor del componente A en la mezcla X A : fracción molar del componente A en la mezcla líquida. P A : presión de vapor del componente A puro Si puede aplicarse, además, la ley de las presiones parciales de Dalton: P= P A + P B = X A P A + X B P B = X A P A + (1-X A )P B = X A (P A -P B )+P B donde P es presión total. De aquí: = ó 2 Además: = y = donde n es el número de moles en fase vapor. Por lo tanto: + = = = y es la fracción molar en fase vapor. Combinando esta última con ecuación 1 tenemos que: = ó 3 Con las ecuaciones (2) y (3) pueden calcularse composiciones de mezclas líquidas y del vapor en equilibrio correspondiente para los diferentes valores que las presiones de vapor de los componentes puros asumen a diferentes temperaturas. Para una mezcla determinada, con los datos de presión de vapor que corresponden al rango de temperatura comprendido entre los puntos de ebullición de los componentes puros, puede construirse el gráfico (Fig. 1) que relaciona el punto de ebullición de la mezcla y las composiciones de ambas fases en equilibrio:

9 Figura 1. Diagrama composición de mezclas La eficiencia de una separación mediante esta técnica está directamente relacionada con la diferencia de composiciones de las fases líquida y vapor en equilibrio (a la misma temperatura). Es conveniente, por lo tanto, introducir un parámetro que indique la relación entre ambas composiciones. Así, se define volatilidad como la relación entre la presión parcial de vapor de un componente y su fracción molar en la fase líquida: = ó 4 (si observa el comportamiento ideal, la volatilidad de un compuesto es directamente proporcional a su presión de vapor en el estado puro, ver ecuación (1)) Destilación Simple Si se parte de una mezcla de dos sustancias en la que sólo una de ellas es volátil, se pueden separar ambas mediante una destilación. El componente más volátil se recogerá por condensación del vapor y el compuesto no volátil quedará en el matraz de destilación. Si ambos componentes de una mezcla son volátiles la destilación simple (figura 2) no logrará su completa destilación. La mezcla comenzará a hervir a una temperatura intermedia entre los puntos de ebullición de los dos componentes, produciendo un vapor que es más rico en el componente más volátil (de menor punto de ebullición). Si condensamos este vapor obtendremos un líquido enriquecido notablemente en este componente, mientras que el líquido que queda en el matraz estará enriquecido en el componente menos volátil (mayor punto de ebullición). Por tanto, en una destilación simple no conseguimos separar completamente las dos sustancias volátiles.

10 Figura 2: montaje destilación simple Casi todos los líquidos tienden a sobrecalentarse (alcanzar una temperatura algo superior al punto de ebullición). Se encuentran entonces en un estado metaestable que se interrumpe periódicamente al formarse súbitamente una gran burbuja de vapor en el seno del líquido. Se dice entonces que este hierve a saltos. Para evitar esto, antes de iniciar la destilación se añaden al líquido uno o dos trocitos de porcelana porosa, cuyos pequeños poros constituyen un lugar adecuado para la formación de núcleos de burbujas, hirviendo así el líquido normalmente al alcanzarse la temperatura de ebullición. Si el líquido se abandona cierto tiempo a una temperatura inferior a su punto de ebullición, entonces los poros de la porcelana se llenan de líquido y ésta pierde su efectividad. Para la adición de un nuevo trocito, el líquido debe enfriarse por debajo de su punto de ebullición; la adición de un trocito de material poroso a un líquido sobrecalentado provoca una ebullición repentina que puede ser violenta (peligro de incendio y quemaduras) Destilación Fraccionada Es una técnica que permite la realización de una serie de destilaciones sencillas en una sola operación continua. Una columna sencilla como la representada en la Figura 3, puede rellenarse con cualquier tipo de sustancia inerte que posea gran superficie, por ejemplo anillos o hélices de vidrio, alambre, trocitos de arcilla, fragmentos de porcelana o de carborundo, etc.

11 Figura 3. Columnas de destilación: a) Columna de relleno sencilla.; b) Columna Vigreux. Para conseguir esta separación de líquidos de muy semejante punto de ebullición habría que someter a nuevas destilaciones tanto el destilado como el residuo obtenido. Esto haría el destilado cada vez más rico en el componente más volátil separando éste del menos volátil. Las llamadas columnas de destilación efectúan este proceso de modo continuo. En una columna de destilación el vapor se condensa y se vuelve a destilar muchas veces antes de abandonar la columna. Normalmente se recogen pequeñas fracciones de producto destilado, llamándose al proceso destilación fraccionada. A medida que los vapores calientes suben a través del relleno, se van condensando en todas las zonas de la columna. El condensado gotea a través del relleno; al gotear y descender tiene lugar un intercambio de calor continuo con los vapores calientes, que continúan ascendiendo por toda la superficie del relleno. Si el condensado acepta en algún punto calor de los vapores se reevapora y el vapor formado será más rico en el componente más volátil que el condensado, a la vez, el vapor al haber perdido calor por habérselo cedido al condensado, se condensa parcialmente. Este condensado es más rico en el componente menos volátil. Cuando este proceso se repite muchas veces a través de toda la altura de una columna eficaz, acaba por producir vapor puro del componente de menor punto de ebullición, que pasa a través de la cabeza de destilación hacia el refrigerante. El residuo en el matraz de destilación se va enriqueciendo, mientras tanto, en el componente de mayor punto de ebullición de una manera continua. El componente de menor punto de ebullición continúa pasando a su temperatura de ebullición hasta que se separa completamente de la mezcla. Entonces, la temperatura de los vapores que destilan se eleva hasta el punto de ebullición del componente menos volátil de forma que este empieza a llegar al refrigerante. Se denomina destilación fraccionada a la totalidad del proceso.

12 1.4. Destilación con arrastre de vapor La destilación por arrastre con vapor es una técnica usada para separar sustancias orgánicas insolubles en agua y ligeramente volátiles, de otras no volátiles que se encuentran en la mezcla, como resinas o sales inorgánicas, u otros compuestos orgánicos no arrastrables. Los vapores saturados de los líquidos inmiscibles siguen la Ley de Dalton sobre las presiones parciales, que dice que: cuando dos o más gases o vapores, que no reaccionan entre sí, se mezclan a temperatura constante, cada gas ejerce la misma presión que si estuviera solo y la suma de las presiones de cada uno, es igual a la presión total del sistema. Su expresión matemática es la siguiente: P T = P 1 + P 2 + P n ó 5 Al destilar una mezcla de dos líquidos inmiscibles, su punto de ebullición será la temperatura a la cual la suma de las presiones de vapor es igual a la atmosférica. Esta temperatura será inferior al punto de ebullición del componente más volátil. Si uno de los líquidos es agua (destilación por arrastre con vapor de agua) y si se trabaja a la presión atmosférica, se podrá separar un componente de mayor punto de ebullición que el agua a una temperatura inferior a 100ºC. Esto es muy importante cuando el compuesto se descompone a su temperatura de ebullición o cerca de ella. Figura 4. Destilación por arrastre con vapor En general, esta técnica se utiliza cuando los compuestos cumplen con las condiciones de ser volátiles, inmiscibles en agua, tener presión de vapor baja y punto de ebullición alto. La destilación por arrastre con vapor también se emplea con frecuencia para separar aceites esenciales de tejidos vegetales. Los aceites esenciales son mezclas complejas de hidrocarburos, terpenos, alcoholes, compuestos

13 carbonílicos, aldehídos aromáticos y fenoles y se encuentran en hojas, cáscaras o semillas de algunas plantas. En el vegetal, los aceites esenciales están almacenados en glándulas, conductos, sacos, o simplemente reservorios dentro del vegetal, por lo que es conveniente desmenuzar el material para exponer esos reservorios a la acción del vapor de agua. Los aceites esenciales son productos naturales aplicados en diferentes industrias, como son la farmacéutica, alimenticia, en perfumería, entre otros usos. Actualmente, se constituyen en productos alternativos para la elaboración de biopesticidas o bioherbicidas. La obtención de los aceites esenciales es realizada comúnmente por la tecnología llamada de destilación por arrastre con vapor, en sus diferentes modalidades. La pureza y el rendimiento del aceite esencial dependerán de la técnica que se utilice para el aislamiento. Cuando se usa vapor saturado o sobrecalentado, generado fuera del equipo principal, ya sea por una caldera, una olla de presión o un matraz adecuado, esta técnica recibe el nombre de destilación por arrastre con vapor, propiamente dicha. También se puede usar el llamado método directo, en el que el material está en contacto íntimo con el agua generadora del vapor. En este caso, se ponen en el mismo recipiente el agua y el material a extraer, se calientan a ebullición y el aceite extraído es arrastrado junto con el vapor de agua hacia un condensador, que enfría la mezcla, la cual es separada posteriormente para obtener el producto deseado. Este método es usado de preferencia cuando el material a extraer es líquido o cuando se utiliza de forma esporádica. Lección 2: Extracción La extracción es una técnica de separación que se puede aplicar a todo tipo de mezclas, ya sean éstas sólidas, líquidas o gaseosas. La extracción se basa en la diferencia de solubilidad de los componentes de una mezcla en un disolvente adecuado. La forma más simple de realizar una extracción consiste en tratar la mezcla de compuestos con un disolvente de manera que uno de los componentes se disuelva y los demás no. Sin embargo, la técnica de extracción más empleada consiste en la disolución de la mezcla a separar en un disolvente que disuelva a todos los componentes. A continuación, se procede a la adición de un segundo disolvente, no miscible con el primero, de manera que los componentes de la mezcla se distribuyan entre los

14 dos disolventes según su coeficiente de reparto, que está directamente relacionado con la solubilidad de cada compuesto. Si algún componente de la mezcla es muy soluble en uno de los disolventes y muy poco en el otro quedará prácticamente todo en el que es soluble, mientras que los otros componentes de la mezcla quedarán en el otro disolvente. La separación de los dos disolventes y su evaporación suministrará residuos enriquecidos en los componentes más solubles. La extracción puede clasificarse dependiendo del estado físico de los materiales: sólido-líquido o líquido-líquido. Por sus características, la extracción puede ser continua o discontinua Extracción Líquido-Líquido: En la extracción líquido- líquido, el compuesto se encuentra disuelto en un disolvente A y para extraerlo se usa un disolvente B, inmiscible en el primero. Cuando se usa un embudo de separación, las dos fases A y B se agitan entre sí, con lo que el compuesto se distribuye entre las dos fases de acuerdo con sus solubilidades en cada uno de los dos líquidos. Cuando las dos fases se separan en dos capas, se dará un equilibrio tal entre la concentración del soluto en cada capa, a una temperatura dada, que la razón de la concentración del soluto en cada capa viene dado por una constante, llamada coeficiente de distribución o de partición, K, que es entonces definido por: K = C A / C B ó 6 donde C A es la concentración en gramos por litro del compuesto en el disolvente A y C B es la concentración del mismo en el disolvente B (a una temperatura dada); Los disolventes orgánicos utilizados en extracción deben tener baja solubilidad en agua, alta capacidad de solvatación hacia la sustancia que se va a extraer y bajo punto de ebullición para facilitar su eliminación posterior. Cuando el coeficiente de reparto es muy pequeño y se necesita un número grande de extracciones para aislar el compuesto deseado, es preferible emplear un aparato de extracción continua líquido-líquido. Para esto existen dos tipos de aparatos: uno para cuando se usa un disolvente más ligero que el agua (por ejemplo. éter) y otro diferente cuando el disolvente es más pesado que el agua (por ejemplo. cloroformo o diclorometano) Extracción Sólido-Líquido: La extracción sólido-líquido, se emplea cuando la sustancia que se desea extraer está contenida en un material sólido, junto con otros componentes, los cuales deberán ser prácticamente insolubles en el disolvente utilizado. Es muy usada para aislar sustancias naturales de origen vegetal, o bien, de mezclas resinosas

15 obtenidas por síntesis. Para esto, se suele emplear un aparato Soxhlet, que es un aparato de extracción continua (Ver la Figura 5). Figura 5.aparato soxhlet extracción continua También puede emplearse un método directo, calentando el sólido junto con el disolvente en un matraz y colocando un refrigerante en posición vertical para que se condense el disolvente que está hirviendo y no se pierda. (A esta operación se le llama calentamiento a reflujo), hasta que el producto deseado se encuentre disuelto en dicho disolvente (Ver la Figura 6). Lección 3: Sublimación Figura 6. Extracción directa a reflujo La sublimación es el paso de una sustancia del estado sólido al gaseoso, y viceversa, sin pasar por el estado líquido. Se puede considerar como un modo especial de destilación de ciertas sustancias sólidas.

16 3.1. El punto de sublimación, La temperatura de sublimación o punto de sublimación, es aquella en la cual la presión de vapor sobre el sólido es igual a la presión externa. La capacidad de una sustancia para sublimar dependerá por tanto de la presión de vapor a una temperatura determinada y será inversamente proporcional a la presión externa. Cuanto menor sea la diferencia entre la presión externa y la presión de vapor de una sustancia más fácilmente sublimará. Generalmente, para que una sustancia sublime debe tener una elevada presión de vapor es decir, las atracciones intermoleculares en estado sólido deben ser débiles. Así, los compuestos que subliman fácilmente tienen una forma esférica o cilíndrica, que no favorece unas fuerzas intermoleculares fuertes. La sublimación es un método excelente para la purificación de sustancias relativamente volátiles. Las condiciones necesarias para que se produzca la sublimación de cualquier sustancia, ya sea un elemento o un compuesto, son aquellas presiones y temperaturas que corresponden a la línea que separa los estados sólido y gas en el diagrama de estados para dicha sustancia. Para los demás valores de presiones y temperaturas, o bien no se produce un cambio de estado o se pasa por el estado líquido. En este diagrama de fases, hay un punto: el PUNTO TRIPLE, en el cual coinciden las líneas de separación de los tres estados, por lo que representa unas condiciones de Presión y temperatura para las cuales una sustancia puede encontrarse en los tres estados: sólido, líquido y gas. Figura 7. Diagrama de fases Lección 4: Aplicaciones Cromatográficas La cromatografía es un método analítico empleado ampliamente en la separación, identificación y determinación de los componentes químicos en mezclas complejas. Los componentes de una mezcla son llevados a través de la fase estacionaria por el flujo de una fase móvil gaseosa o líquida. Las separaciones están basadas en las diferentes afinidades por la fase estacionaria que determinan distintas velocidades de migración entre los componentes de la muestra.

17 4.1. Cromatograma: Figura 8. Esquema de funcionamiento de un cromatógrafo Es la representación grafica de la señal en función del tiempo una vez que la muestra es inyectada a un sistema cromatografico. Para obtener este cromatograma a la salida de la columna se coloca un sistema de detección y registro, que permite responder a una propiedad de la solución que contiene el analito o del propio analito en función del tiempo, (ver figura 9) Tiempo de Retención Figura 9: Cromatógrama de dos componentes El tiempo que transcurre después de la inyección de la muestra para que el pico del analito alcance el detector se denomina tiempo de retención y se le da el símbolo t R. (ver figura 9)

18 Tiempo Muerto Es el tiempo t M para que la especie no retenida alcance el detector (ver figura 9) 4.2. Ecuaciones básicas en cromatografía Constante de Distribución Los equilibrios de distribución implicados en cromatografía se describen por ecuaciones simples que suponen la transferencia de un analito entre las fases estacionaria y móvil. Así para una especie A Amóvil Aestacionaria La constante de este equilibrio K se denomina, constante de distribución y se define como: # = $ % $ & donde C S es la concentración molar de analito en la fase estacionaria y C M es la concentración molar de analito en la fase móvil Factor de Capacidad Es un parámetro (k ) que se utiliza para describir las velocidades de migración de los analitos en las columnas y se interpreta considerando que mientras mayor sea el valor de este factor menor es la velocidad de migración de los solutos en la columna. Para una especie A, el factor de capacidad K A se define como: # = # % & donde K A es la constante de distribución, V s es el volumen de la fase estacionaria y V M es el volumen de la fase móvil. También puede ser descrito en términos experimentales los cuales pueden ser tomados de un cromatograma:

19 donde (t R ) A es el tiempo de retención del componente A y t M es el tiempo muerto obtenido para una especie no retenida Factor de Selectividad El factor de capacidad α de una columna, como su nombre lo indica, es un término que define que tan selectiva es una columna para separar dos picos. Es de hacer notar, que la columna puede ser selectiva a una separación, que se identifica por un valor alto de este factor, pero si no se considera la mejora de los parámetros que pueden afectar el ancho de un pico, aun así no se lograría la separación de los mismos. Entonces el factor de selectividad de una columna para dos especies A y B se define como: donde k B es el factor de capacidad del compuesto B, que es el mas retenido y k A es el factor de capacidad del compuesto A, que es el menos retenido. Con esta definición α siempre es mayor que la unidad. En términos tomados a partir de un cromatograma α se puede calcular como sigue: La cromatografía es una técnica que permite la separación de los componentes de una mezcla debido a la influencia de dos efectos contrapuestos. a) Retención. Efecto producido sobre los componentes de la mezcla por una fase estacionaria, que puede ser un sólido o un líquido anclado a un soporte sólido. b) Desplazamiento. Efecto ejercido sobre los componentes de la mezcla por una fase móvil, que puede ser un líquido o un gas. El fenómeno de migración de los componentes de una mezcla a lo largo de la fase estacionaria, impulsados por la fase móvil, recibe el nombre de elución. La mezcla a separar se deposita sobre la fase estacionaría, mientras que la móvil atraviesa el sistema desplazando a los componentes de la mezcla a distinta velocidad, dependiendo de la magnitud de sus interacciones relativas con ambas fases. Las dos fases se eligen de forma que los componentes de la muestra se distribuyan de modo distinto entre la fase móvil y la fase estacionaria. Aquellos componentes

20 que son fuertemente retenidos por la fase estacionaria se mueven lentamente con el flujo de la fase móvil; por el contrario los componentes que se unen débilmente a la fase estacionaria, se mueven con rapidez. Como consecuencia de la distinta movilidad, los componentes de la muestra se separan en bandas o zonas discretas que pueden analizarse cualitativa y/o cuantitativamente. Dependiendo de la naturaleza de la fase estacionaria y de la fase móvil se pueden distinguir distintos tipos de cromatografía: a) Cromatografía sólido-líquido. La fase estacionaria es un sólido y la móvil un líquido. b) Cromatografía líquido-líquido. La fase estacionaria es un líquido anclado a un soporte sólido. c) Cromatografía líquido-gas. La fase estacionaria es un líquido no volátil impregnado en un sólido y la fase móvil es un gas. d) Cromatografía sólido-gas. La fase estacionaria es un sólido y la móvil un gas. Según el tipo de interacción que se establece entre los componentes de la mezcla y la fase móvil y estacionaria podemos distinguir entre. a) Cromatografía de adsorción. La fase estacionaria es un sólido polar capaz de adsorber a los componentes de la mezcla mediante interacciones de tipo polar. b) Cromatografía de partición. La separación se basa en las diferencias de solubilidad de los componentes de la mezcla en las fases estacionaria y móvil, que son ambas líquidas. c) Cromatografía de intercambio iónico. La fase estacionaria es un sólido que lleva anclados grupos funcionales ionizables cuya carga se puede intercambiar por aquellos iones presentes en la fase móvil Cromatografía de adsorción La adsorción es la propiedad que tienen ciertos sólidos de aumentar la concentración en su superficie de otras sustancias. La separación se debe a las diferencias de adsorción de los componentes de una mezcla sobre la fase estacionaria. La fase estacionaria ha de ser un sólido polar de gran superficie (adsorbente). La fase móvil puede ser un gas o un líquido dando lugar a la cromatografía gas-sólido (CGS) o líquido-sólido (CLS).

21 El grado de adsorción varía según la naturaleza y superficie específica de los adsorbentes y naturaleza de los solutos. Los enlaces entre moléculas adsorbidas y el adsorbente han de ser débiles para que su fijación sea reversible, las uniones son debidas a fuerzas intermoleculares (interacciones dipolo-dipolo o puentes de hidrógeno). Como regla general, las polaridades del adsorbente y de los solutos han de ser opuestas Cromatografía líquido-sólido (CLS). La fase estacionaria está constituida por un sólido polar poroso y que esta finamente granulado. La superficie específica contiene centros polares aptos para la adsorción de las moléculas polares presentes en la fase móvil. Al disminuir el tamaño de las partículas, el número de centros activos por unida es mayor, y la capacidad de adsorción se incrementa. El adsorbente más utilizado es gel de sílice aunque también se emplea alúmina activada. En el caso del gel de sílice la interacción se establece entre los grupos Si-O y Si-O-Si, y los grupos funcionales polares de los compuestos orgánicos. La fase móvil está constituida por un disolvente en el que los componentes de la mezcla deben ser al menos parcialmente solubles. La velocidad de elución de un compuesto se incrementa al aumentar la polaridad de la fase móvil y se puede utilizar un gradiente de polaridad aumentando con el tiempo la proporción del disolvente más polar. Tabla 1. Disolventes más comunes (no polares)

22 Tabla 2. Disolventes más comunes (polares apróticos) Tabla 3. Disolventes más comunes (polares próticos)

23 La retención se realiza en base a la competencia que se establece entre el soluto a separar (S) y las moléculas de la fase móvil (M) por adsorberse a los centros activos polares (X) de la fase estacionaria. Así las moléculas de soluto se adsorben a los centros activos de la fase estacionaria y van siendo desplazados por las moléculas polares presentes en la fase móvil. Los tiempos de retención y la selectividad en la separación dependerán de la polaridad de los compuestos a separar (S), la naturaleza del adsorbente (X) y la naturaleza de los disolventes que componen la fase móvil (M) Cromatografía en capa fina. La cromatografía en capa fina se basa en la preparación de una capa, uniforme de un absorbente mantenido sobre una placa, la cual puede ser de vidrio, aluminio u otro soporte. La fase móvil es líquida y la fase estacionaria consiste en un sólido. La fase estacionaria será un componente polar y el eluyente será por lo general menos polar que la fase estacionaria, de forma que los componentes que se desplacen con mayor velocidad serán los menos polares. La mezcla a analizar se deposita a una pequeña distancia del borde inferior de la placa y se introduce en una cubeta que contiene la fase móvil, que asciende a lo largo de la placa por capilaridad, desplazando a los componentes de la mezcla a diferentes velocidades, lo que provoca su separación. Cuando el frente del disolvente se encuentra próximo al extremo superior de la placa esta se saca y se visualiza. La relación entre la distancia recorrida por un compuesto y por el disolvente desde el origen se conoce como R f (rate factor). ( ) = *+, -./--0 1/-.2 /31.+,/ *+, -./--0 1/-.2 0+/24.,. La búsqueda del eluyente requiere probar con varios disolventes de diferente polaridad o con mezclas. Para compuestos poco polares, que se desplazan con mucha facilidad, se debe utilizar un disolvente apolar como el hexano y en el caso de compuestos de polaridad media, mezclas de hexano y acetato de etilo. La mayoría de las placas de cromatografía llevan un indicador fluorescente que permite la visualización de los componentes activos a la luz ultravioleta (254 nm). En el caso de componentes que no absorban a la luz ultravioleta, la visualización requiere utilizar un agente revelador. El revelador reacciona con los productos proporcionando productos coloreados.

24 Figura 10. Representación del desplazamiento del compuesto Ejemplo De acuerdo a la figura 9 se calculara el R f ( ) = 2,1 2,8 =0, Cromatografía preparativa en placa. La cromatografía preparativa se lleva a cabo en placas de gel de sílice de 1-2mm de espesor sobre un soporte de vidrio. Se utiliza para la separación y aislamiento de los componentes de una mezcla en cantidades comprendidas entre mg. En la superficie del adsorbente (gel de sílice), mediante una pipeta Pasteur, se traza una línea continua con la muestra disuelta y se introduce la placa en posición vertical en una cubeta. Durante la elución debe permanecer tapada para evitar la evaporación del disolvente. Una vez se han separado los productos que componen la muestra, se marca con una cuchilla el contorno del compuesto a aislar y con ayuda de una espátula se desprende del soporte de vidrio el gel de sílice con el compuesto adsorbido. Una vez transferido a un erlenmeyer se añade un disolvente en el cual sea soluble el producto, se filtra el gel de sílice y una vez eliminado el disolvente tenemos el producto puro Cromatografía en columna. Es el método más utilizado para la separación de compuestos orgánico a escala preparativa. La fase estacionaria se deposita en el interior de una columna de vidrio que termina con una placa porosa que impide su paso y en un estrechamiento con una llave. La mezcla se deposita sobre la parte superior de la fase estacionaria mientras que la fase móvil atraviesa el sistema. Los compuestos van saliendo por separado de la columna y se recogen en fracciones, los más polares quedan más retenidos y para que salgan generalmente hace falta aumentar la polaridad del disolvente. El tiempo necesario para eluir un compuesto de la columna se llama tiempo de retención.

25 Figura 11. Representación de cromatografía por columna El adsorbente más utilizado para cromatografía de columna es gel de sílice, aunque también se puede emplear alúmina y florisil. La elución de la cromatografía puede realizarse por gravedad o mediante presión (Flash chromatography), la diferencia en ambos casos está en el tamaño de las partículas de gel de sílice (0,063-0,200 nm, sílice de columna, 0,040-0,063 nm, sílice flash). Debido a que la disminución del tamaño de las partículas de adsorbente conduce a una separación más eficaz, la cromatografía a media presión (flash) proporciona mejores resultados, además de ser más rápida. Las variables que más influyen en la eficacia de la separación en cromatografía de columna y utilizando gel de sílice como adsorbente son las siguientes: a) Diámetro de la columna y cantidad de gel de sílice. La altura del adsorbente está relacionada con la diferencia de R f de los componentes de la mezcla. El diámetro de la columna con la cantidad de producto a separar. b) Elección del disolvente. El disolvente tienen que conducir a una buena separación de los componentes de la mezcla en capa fina, utilizándose en muchos casos mezclas de disolventes y se realiza una elución en gradiente. Una de las mezclas más utilizadas es hexano/acetato de etilo Cromatografía en papel. Es la más sencilla de las técnicas, pero sólo nos dará resultados cualitativos. Está casi en desuso. El método se basa en un mecanismo de reparto, y consiste en depositar una pequeña cantidad de muestra en el extremo de una tira de papel de filtro, que se deja evaporar. Luego se introduce la tira en una cubeta que contenga el disolvente, de manera que éste fluya por la tira por capilaridad.

26 Cuando el disolvente deja de ascender o ha llegado al extremo, se retira el papel y seca. Si el disolvente elegido fue adecuado y las sustancias tienen color propio se verán las manchas de distinto color separadas. Cuando los componentes no tienen color propio el papel se somete a procesos de revelado. ay varios factores de los cuales depende una cromatografía eficaz: la elección del disolvente y la del papel de filtro Cromatografía de partición. Figura 12. Representación de cromatografía en papel La cromatografía líquido-líquido, también llamada de partición se caracteriza por emplear una fase estacionaria líquida, anclada a un soporte sólido, y una fase móvil también líquida. el soporte sólido por lo general es gel de sílice, sobre cuya superficie se ha anclado una fase líquida con la incorporación de una cadena hidrocarbonada larga, mediante la transformación de los grupos silanol (si-oh) de la gel de sílice en grupos siloxano (si-o-si-r), lo que proporciona una fase líquida estacionaria térmicamente estable y difícil de hidrolizar en condiciones normales. Tabla 4. Cadenas hidrocarbonadas ancladas a la gel sílice en cromatografía líquido-líquido

27 La polaridad de la fase estacionaria puede modificarse en función de la naturaleza de las cadenas hidrocarbonadas introducidas en la gel de sílice, lo que permite disponer de fases estacionarias con selectividad diferente. La separación en la cromatografía líquido-líquido se basa en la diferencia de solubilidad de los componentes de la mezcla entre las dos fases líquida o en las diferentes interacciones de los componentes de la mezcla con los grupos funcionales presentes en la cadena enlazada al gel de sílice. En función de la polaridad de la fase líquida estacionaria, se distingue entre: Cromatografía en fase normal: La fase estacionaria está constituida por un líquido de carácter polar. Como fase móvil se emplean mezclas de disolventes apolares (hexano, pentano), con disolventes polares (cloroformo, diclorometano, T..F., etanol, metanol o acetonitrilo). Se utiliza para la separación de compuestos muy polares que quedarían demasiado retenidos en una cromatografía sólido-líquido. En este tipo de cromatografía el orden de elución está gobernado por interacciones de tipo polar: los solutos más polares quedan más retenidos, igual que en la cromatografía de adsorción Cromatografía en fase reversa: La fase estacionaria está constituida por un líquido de carácter apolar. Como fase móvil se emplean mezclas de agua con disolventes polares miscibles, como metanol o acetonitrilo siendo la fase móvil más polar que la fase estacionaria. Se emplea para la separación de mezclas de compuestos de polaridad baja, que se retienen muy poco en una cromatografía sólido-líquido, y para la separación de compuestos de una misma serie homóloga. La retención se explica en base a una adsorción preferencial del disolvente menos polar de la fase móvil a la superficie de las cadenas apolares que constituyen la fase estacionaria, de manera que se establece un mecanismo complejo que supone una combinación de equilibrios de solubilidad (partición) de la mezcla que se cromatografía entre la fase líquida adsorbida a la fase estacionaria y la fase móvil. La separación ocurre como consecuencia de las diferencias en la superficie apolar de los componentes de la muestra, los compuestos menos polares serán más solubles en la fase estacionaria que los más polares. Por tanto, al contrario que en la fase normal, los compuestos más polares estarán menos retenidos que los menos polares. Los tiempos de retención disminuyen cuando menor sea la proporción de agua, cuando menos polar sea el disolvente empleado Cromatografía de intercambio iónico. La cromatografía de intercambio iónico (cromatografía iónica) es un proceso que permite la separación de iones y moléculas polares basadas en las propiedades de carga de las moléculas. Puede ser usada en casi cualquier tipo de molécula

28 cargada, incluyendo grandes proteínas, pequeños nucleótidos y aminoácidos. La solución que se inyecta es usualmente llamada muestra y los componentes separados individualmente son llamados analitos. Es usada a menudo en purificación de proteínas, análisis de agua o control de calidad. La fase estacionaria (resina de intercambio) muestra en la superficie grupos funcionales iónicos que interactúan con iones de carga opuesta. Este tipo de cromatografía se subdivide a su vez en la cromatografía de intercambio catiónico y cromatografía de intercambio aniónico: La cromatografía de intercambio catiónico retiene cationes cargados positivamente debido a que la fase estacionaria muestra un grupo funcional cargado negativamente (SO 3 -, CO 2 - ). Las resinas cuyo grupo funcional activo es un sulfonato (SO 3 - ) se consideran resinas intercambiadoras ácidas fuertes, mientras que aquéllas cuyo grupo funcional activo es un ión carboxilato (CO 2 - ) se consideran resinas ácidas débiles. Las cromatografías mencionadas son extraordinariamente útiles para fines analíticos y para los ensayos de identificación de compuestos orgánicos. Bajo las condiciones adecuadas, todas las formas de cromatografía pueden usarse como técnicas de separación de compuestos orgánicos. Lección 5: Separación de mezclas Existen diferentes procesos de separación de mezclas en sustancias puras, como por ejemplo la filtración, la decantación, la cristalización y la centrifugación entre otros 5.1. La filtración La filtración es una técnica muy común que permite una separación rápida y sencilla de sólidos y líquidos haciendo pasar la mezcla a través de una barrera porosa, normalmente papel de filtro, de forma que el sólido queda retenido en la barrera y el líquido pasa. Podemos distinguir dos tipos generales de filtración: Filtración por gravedad: con filtro cónico o con filtro de pliegues Filtración a vacío Filtración a Gravedad: Se emplea cuando una de las sustancias es líquida y la otra es sólida (granos o polvo). Consiste en utilizar un papel filtro, de manera que por él pasa el líquido pero no el sólido; por lo tanto consiste en retener partículas sólidas suspendidas de un líquido o un gas forzando la mezcla a través de una barrera porosa que puede ser mallas, fibras, material poroso o un relleno sólido.

29 5.1.2 Filtración al vacío: Figura 13. Montaje de filtración por gravedad La filtración al vacío se utiliza cuando se requiere un proceso más rápido. En estos casos se utiliza un embudo Buchner, el cual posee una placa con huecos para soportar el papel de filtro (figura 14). Existen embudos Buchner de porcelana, vidrio y plástico. Antes de colocarse, el papel de filtro se recorta de modo tal que tape todos los huecos pero sin que quede levantado en las paredes. El papel se humedece con agua destilada para fijarlo en su lugar. El embudo está provisto de un anillo de caucho que encaja perfectamente en la boca de un erlenmeyer de tubuladura lateral. Cuando el líquido (filtrado) es importante, es conveniente colocar una trampa entre el erlenmeyer que recibe el filtrado y la trompa de succión, porque siempre existe el peligro de que el agua se devuelva y contamine el filtrado La decantación Figura 14. Montaje de filtración al vacío Sirve para separar dos líquidos inmiscibles (que no se mezclan), que contienen diferentes fases siempre que exista una diferencia significativa entre las densidades de las fases como por ejemplo agua y aceite o un sólido de un líquido.

30 Se usa un embudo de separación o decantación donde se dejan reposar los líquidos, para después vaciar el que está en la fase de abajo al abrir la llave Precipitación. Una reacción de precipitación es aquella en la que se forma una fase sólida en el seno de una disolución, usualmente de forma tan rápida que se forman multitud de cristales. Este tipo de reacciones se utilizan a menudo en el análisis orgánico, con alguna de estas finalidades: separación del precipitado, identificación del precipitado para realizar un análisis cualitativo) o determinación del precipitado (en análisis cuantitativo). Las reacciones de precipitación suponen la formación de un electrolito sólido M x A y. Este electrolito se encuentra en equilibrio con sus iones, y la constante de equilibrio correspondiente se denomina producto de solubilidad, K ps, que como toda constante de equilibrio sólo depende de la temperatura: El producto de las concentraciones de los iones, elevadas a sus correspondientes coeficientes estequiométricos, en una disolución no saturada o que no esté en equilibrio, se denomina producto iónico de la misma. En el caso de disoluciones saturadas, el producto de solubilidad y el producto iónico son iguales. Por ello, si el producto iónico de una disolución, por diversas causas, resulta ser mayor que K ps, precipitará el exceso de soluto hasta que ambos productos se igualen, restableciéndose el equilibrio de saturación. Por tanto, se produce precipitación cuando se mezclan dos reactivos que originan un tercero de solubilidad más baja. Sin embargo, la precipitación puede producirse por otras causas distintas, como una disminución de la solubilidad de la sustancia disuelta al descender la temperatura, o bien por eliminación del disolvente por precipitación. Una vez producida la precipitación, es preciso separar el precipitado del líquido que resta sobre él (líquido sobrenadante). Para ello se pueden utilizar dos técnicas de separación, conocidas como filtración y centrifugación La centrifugación Es uno de los métodos más utilizados para separar un sólido insoluble (finamente dividido y de difícil sedimentación) de un líquido. Se realiza cuando la sedimentación es lenta, acelerando el proceso por medio de la rotación y la fuerza centrifuga, para lo cual es necesario que el precipitado sea más denso que el fluido. Para separar sólidos por centrifugación, es necesario utilizar un aparato denominado centrífuga o centrifugadora, que consta de un motor capaz de hacer girar a alta velocidad una pieza llamada rotor, que se coloca en el eje del motor, y en el que existen una serie de senos en los que se pueden colocar unos tubos de

31 vidrio o de plástico denominados tubos de centrífuga. Para centrifugar una muestra, se coloca en un tubo de centrífuga el líquido en cuyo seno está el sólido que se desea separar y en otro tubo gemelo se coloca agua, de forma que ambos tubos tengan igual masa, colocándose uno y otro tubo en senos del rotor diametralmente opuestos. Al finalizar la centrifugación, aparecerá el sólido que se desea separar en el fondo del tubo (precipitado), quedando sobre él el fluido, que recibe el nombre genérico de sobrenadante. Este puede sacarse del tubo por simple decantación, si el precipitado es suficientemente consistente, o con ayuda de una pipeta o de un cuentagotas en cuyo extremo se coloca un trozo de algodón, de no serlo. La centrifugación se utiliza a menudo si el precipitado es abundante, si con facilidad colmata los filtros, o si es preciso recuperar tanto la fase sólida como la fase líquida para operaciones posteriores. Con ello, la sustancia más densa queda en el fondo y la de menor densidad en la superficie. También puede ser aplicada en líquidos con el mismo principio descrito anteriormente. CAPITULO 2: PURIFICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE SUSTANCIAS ORGÁNICAS Lección 6: Cristalización La purificación de un compuesto orgánico sólido por cristalización se basa en las distintas solubilidades en un mismo solvente del compuesto a purificar y de las impurezas que contiene. Para que las impurezas se eliminen definitivamente es condición que sean totalmente insolubles en el solvente caliente o por el contrario que sean totalmente solubles en el solvente frío. Si este es el caso, el sólido a purificar se disuelve en la mínima cantidad de solvente para facilitar un máximo de recuperación de la muestra cuando se enfríe la solución; los cristales se separan por filtración y se secan. El enfriado de la solución debe hacerse de manera tal que cristalice un máximo de sustancia con un mínimo de impurezas. Es preferible que los cristales sean medianos dado que los cristales grandes pueden ocluir solvente conteniendo impurezas y los cristales muy pequeños adsorben impurezas sobre la superficie. El tamaño de los cristales se controla por la velocidad de cristalización. Si ésta es lenta, los cristales son grandes. Por tanto de acuerdo con las leyes de la termodinámica, para que el proceso sea, espontáneo, debe producirse un descenso de la temperatura que compense el incremento de orden, ya que en la naturaleza todo sistema tiende a un mínimo de energía y a un máximo de desorden (2 principio de la termodinámica). Un problema que se presenta de manera habitual en química orgánica y de los productos naturales, es la separación de una sustancia de interés del resto

32 desustancias que la acompañan y que es necesario eliminar, puesto que constituyen impurezas, requiere repetidos pasos de purificación, acompañado de estudios para verificar, fehacientemente, que se ha logrado obtener el compuesto buscado en forma pura. Si el sólido se forma de un modo rápido, desordenado, en muchos puntos simultáneamente (núcleos de cristalización) y las partículas son, en consecuencia, de tamaño muy pequeño, se habla de un proceso de precipitación Elección del solvente: La mejor forma de encontrar el disolvente adecuado para una cristalización es el ensayo experimental con varios solventes. Sin embargo, algunas consideraciones teóricas con respecto a la elección del solvente pueden simplificar el número de ensayos experimentales; por ejemplo, los compuestos orgánicos no iónicos no se disuelven en agua, a menos que puedan asociarse con moléculas de agua por puente hidrógeno. Algunos de los solventes orgánicos comúnmente usados en una cristalización son los siguientes: éter etílico, acetona, tetracloruro de carbono, etanol, metanol, cloroformo, benceno. Los solventes se clasifican, entonces, en polares y no polares, existiendo una amplia gama de polaridades intermedias. En orden creciente de polaridad se presenta la siguiente lista: Tabla 5: polaridad de algunos solventes La mayoría de los compuestos orgánicos son más solubles en solventes calientes que en el mismo solvente en frío, como se observa en los siguientes ejemplos:

33 Tabla 6: Efectos de la temperatura en la solubilidad 6.2. Condiciones que debe cumplir un solvente para cristalización: Disolver una gran cantidad del compuesto a purificar a la temperatura de ebullición y sólo una muy pequeña cantidad a temperatura ambiente. Las impurezas presentes deben ser insolubles en el solvente caliente para poder separarlas por filtración, o bien, solubles a cualquier temperatura de trabajo de modo de poder separar los cristales del producto por filtración en frío. Al enfriarse debe dar cristales bien formados del compuesto y debe ser fácilmente separable de los mismos. No debe reaccionar con el soluto. Debe ser lo menos tóxico e inflamable posible. Debe ser económico. La mejor forma de encontrar un disolvente adecuado para la recristalización de una sustancia determinada es ensayar experimentalmente distintos disolventes. No obstante, algunas generalizaciones, razonablemente válidas, pueden ayudar a simplificar la búsqueda por ejemplo: Los compuestos iónicos se disuelven en disolventes polares y compuestos no iónicos en disolventes no polares. los

34 Los compuestos no iónicos se pueden disolver en agua si sus moléculas se ionizan en solución acuosa o puedan asociarse con moléculas de agua a través de puentes de hidrógeno. Por este motivo, los hidrocarburos y sus derivados halogenados son prácticamente insolubles en agua, pero los compuestos en cuyas moléculas existen grupos funcionales tales como alcohol (-O), aldehído (-CO), cetona (R-CO-R), ácido carboxílico (-COO) y amida (-CON2)], que pueden formar puentes de hidrógeno con agua, son solubles en este disolvente, a menos que la relación del número total de átomos de carbono al de tales grupos funcionales en la molécula sea superior a 4 ó 5. Los disolventes hidroxílicos asociados como metanol, etanol, ácido acético, presentan un poder intermedio entre agua y el éter etílico o benceno. Son buenos disolventes para los compuestos orgánicos que pueden asociarse. Con el fin de conseguir una cristalización más correcta algunas veces es necesario llevar a cabo un recristalización La finalidad de este proceso es conseguir un adecuado grado de pureza. Una recristalización se lleva a cabo disolviendo al sólido impuro en el solvente caliente y dejando luego enfriar la solución. De esta forma el sólido se separará de la misma como precipitado cristalino En la siguiente tabla presentamos los disolventes más empleados en la cristalización de las clases más comunes de compuestos orgánicos. Tipos de compuestos idrocarburos Éteres aluros Compuestos carbonílicos Alcoholes y ácidos Sales Agua Tabla 7: disolventes más empleados Disolventes sugeridos exano, ciclohexano, tolueno Éter, diclorometano Diclorometano, cloroformo Acetato de etilo, acetona Etanol Con frecuencia, por concentración de las aguas madres (filtrado) se puede obtener una nueva cantidad de cristales. Sin embargo, éstos son casi siempre algo menos puros que los cristales obtenidos en primer lugar. Lección 7: Filtración y formación de cristales Para el proceso de formación de cristales implica cinco etapas bien definidas (ver esquema general figura 15):

35 I) Disolución del sólido: El punto más importante es la elección del disolvente ya que debe reunir el cual una serie de características las cuales serán tratadas en el transcurso del modulo. II) Filtración de la disolución (para eliminar impurezas insolubles en el disolvente): La filtración se lleva a cabo con filtro de pliegues y en caliente (para que no precipite el sólido). En algunos casos la disolución está coloreada debido a la presencia de impurezas solubles que pueden contaminar los cristales. Para eliminarlas se suele utilizar su adsorción sobre carbón activo añadiendo aprox. 2% del mismo a la disolución, calentando de nuevo para que las impurezas se adsorban en el carbón (5-10 min) y después eliminándolo por filtración en caliente. III) Enfriamiento y formación de cristales: La disolución filtrada se deja enfriar sin mover hasta que alcance temperatura ambiente. Después puede enfriarse con un baño de hielo -agua para bajar más la temperatura. La velocidad de enfriamiento determina el tamaño de los cristales y un enfriamiento lento favorece la formación de cristales más grandes. IV) Recogida de los cristales: Los cristales se separan por filtración a vacío. La disolución remanente del proceso de cristalización recibe el nombre de aguas madres. Para eliminar las aguas madres que impregnan el sólido hay que lavar los cristales con pequeñas porciones del disolvente de cristalización frío. Si se ha utilizado una mezcla de disolventes en la cristalización, se debe emplear una mezcla de esos disolventes en la misma proporción en los lavados. V) Secado de los cristales: Se pueden emplear varias técnicas con esta finalidad. Suele ser suficiente hacer un paquete con un papel de filtro debidamente etiquetado y dejarlo durante un tiempo en la estufa o en un lugar adecuado Qué hacer cuando no se forman cristales? a) Añadir un cristal del compuesto (sembrar) para que actúe como núcleo para otros cristales. b) Rascar los bordes del matraz con una varilla de vidrio (se generan micropartículas que pueden actuar como iniciadores de la cristalización). c) Eliminar disolvente por evaporación, y volver a cristalizar (especialmente adecuado si el punto de ebullición. del disolvente es bajo) En algunos casos el producto se separa como un aceite, bien debido a que está muy impuro o a que su punto de fusión es menor o cercano al punto de ebullición del disolvente. Estos casos requieren un tratamiento especial.

36 Figura 15. Esquema general de separación de una Cristalización Lección 8. Determinación de constantes físicas. Las constantes físicas además de servir como criterio de pureza, son datos valiosos en la identificación de las sustancias. Dentro de estas constantes tenemos: para los sólidos, el punto de fusión y para los líquidos el punto de

37 ebullición, el índice de refracción y la densidad. En los compuestos ópticamente activos, la rotación específica es una constante útil en su identificación Punto de fusión: Cuando se transfiere calor a un sólido, se eleva su temperatura debido al aumento en la amplitud de las vibraciones de las partículas que lo constituyen. Como consecuencia, disminuyen las fuerzas de cohesión de dichas partículas, rompiéndose la red cristalina que forman y transformándose en un líquido, es decir, el sólido funde. Se define como punto de fusión de una sustancia la temperatura a la cual la sustancia pasa del estado sólido al estado líquido y como rango de fusión al intervalo de temperatura comprendido entre la temperatura a la cual la sustancia comienza a fundir y la temperatura a la cual la sustancia está totalmente fundida. La determinación de esta constante física sirve no solo como criterio de pureza sino también como método de identificación de sustancias, ya que existen tablas más o menos completas en que las sustancias están ordenadas por su punto de fusión. Con frecuencia puede ocurrir que haya varias sustancias con puntos de fusión muy similares. En estos casos se debe recurrir a otros métodos de identificación como el análisis elemental o el análisis funcional Punto de fusión como criterio de Pureza: En las sustancias puras, el rango de fusión resulta pequeño, entre 0,5 y 1 C. Las sustancias impuras tienen un rango de fusión mayor que llega hasta los 10 C o más y es inferior a la temperatura del punto de fusión de la sustancia pura. Si el rango en el punto de fusión o descomposición es grande puede deberse a tres factores: a) La sustancia esta impura y por lo tanto debe cristalizarse en un solvente apropiado y determinar nuevamente el punto de fusión. b) Se calentó muy rápido el baño y la velocidad de dilatación del mercurio es menor que la velocidad de aumento de la temperatura. c) ay mucha sustancia dentro del capilar. Algunos compuestos como aminoácidos, sales de ácidos o aminas y carbohidratos funden con descomposición sobre un rango más o menos grande de temperatura.

38 Figura 16. fusiometro digital ia-9100 marca: electrothermal Figura 17. Montaje para punto de fusión tradicional Punto de ebullición: El punto de ebullición de un compuesto es la temperatura a la cual el compuesto líquido se convierte en gas. Para que un compuesto se vaporice, las fuerzas que mantienen las moléculas unidas unas a otras deben romperse. Esto significa que el punto de ebullición de un compuesto depende de la tracción entre las moléculas, de manera que si las moléculas se mantienen unidas por fuertes fuerzas, se necesitará mucha energía para apartar las moléculas unas de otras y el compuesto tendrá el punto de ebullición muy alto. Por otra parte, si las fuerzas intermoleculares son débiles, una cantidad de energía relativamente baja será necesaria para separa las moléculas unas de otras, y el compuesto tendrá el punto de ebullición bajo. Los alcanos tienen punto de ebullición relativamente bajo porque como se trata de moléculas polares las fuerzas intermoleculares que actúan son las de dispersión de London entre dipolos inducidos que son las más débiles. Además estas fuerzas son mayores cuanto mayor es el área de contacto entre moléculas, por eso para moléculas lineares al aumentar el número de C (aumenta el peso molecular) el punto de ebullición también aumenta, sin embargo para un mismo número de C la molécula ramificada presenta un punto de ebullición menor que la lineal. En el caso de alcoholes, éteres, (Moléculas con heteroátomos) con cierto carácter polar, las fuerzas que intervienen son las dipolo-dipolo, más fuertes que las de London. Por tanto, sus puntos de ebullición serán mayores que los de los alcanos. En el caso de alcoholes y las aminas, además de estas fuerzas entre dipolos intervienen las fuerzas por puente de hidrógeno. Aunque cada puente de hidrógeno sólo supone 5 KJ/mol hay que pensar que hay al menos un puente de por cada molécula. Como el O es más electronegativo que el N el punto de ebullición de los alcoholes será mayor que el de las aminas.

39 8.3. Densidad: La densidad de un compuesto es otra consecuencia de las fuerzas intermoleculares. Su magnitud se puede considerar como una fuerza intermolecular por unidad de volumen de molécula. Así, la densidad de los hidrocarburos aumenta sólo al pasar de los alcanos, a los alquenos y alquinos así como también aumenta muy poco con el peso molecular en cualquiera de dicha series homologas. En términos generales, los halogenuros orgánicos tienen densidad mayor que el agua y son insolubles en ella. La tabla 8 muestra el punto de ebullición y la densidad de algunos compuestos representativos: Tabla 8: propiedades físicas de algunos compuestos halogenados Densidad, Compuesto g/ml Pentano 0,626 Acetonitrilo 0,786 Acetona 0,791 Metanol 0,791 Tolueno 0,865 Acetato de etilo 0,902 Agua 1,000 Clorobenceno 1,060 Diclorometano 1,325 Cloroformo 1,492 Tetracloruro de Carbono 1,594 Bromoformo 2,89 Tabla 9: densidad de algunos Alcanos, alquenos, alquinos y arenos

40 8.4. Índice de Refracción: Cuando un rayo luminoso pasa de un medio a otro la trayectoria cambia de dirección, siendo desviado en la superficie entre ambos medios. Este fenómeno se debe a la distinta velocidad de la luz en dos medios diferentes y origina la relación expresada en la siguiente ecuación: η 20 D = sen i (aire) / sen r (liq.) donde i es el ángulo que el rayo luminoso incidente forma con una línea perpendicular a la superficie y r es el ángulo que el rayo refractado forma con la misma perpendicular. Este valor de η es una propiedad de los compuestos líquidos llamado índice de refracción. Cuando se da un valor de índice de refracción debe indicarse la temperatura a la cual fue hecha la determinación (exponente) y la longitud de onda de la luz usada, ya que el índice de refracción depende de esta variable. La longitud de onda más usada es la línea D del sodio (subíndice) Figura 18. Rayo luminoso incidente El índice de refracción es de gran utilidad para la determinación de pureza de compuestos líquidos. Las sustancias líquidas que tienen puntos de ebullición análogos pueden tener distinto índice de refracción, por lo que la medida de este último puede servir como un medio auxiliar para determinar la pureza de un líquido. La determinación del índice de refracción se realizará colocando unas gotas de líquido en el instrumento usado para medir esta constante llamado refractómetro, leyendo luego en la escala de valores el η.

41 Índice de Compuesto Refracción C 3 C 2 C 2 C 2 C 2 C 3 1,3748 (C 3 ) 3 CC 2 C 3 1,3750 C 3 C 2 C 2 C=CC 3 1, C=CC 2 C 2 C=C 2 1,4044 C 3 C 2 C 2 C CC 3 1,4135 C 3 C 2 C 2 C=C=C 2 1,4298 C 3 C=CC=CC 3 1,4516 (Z) 2 C=CC=CC=C 2 1,4577 (E) 2 C=CC=CC=C 2 1,5135 Benceno 1,5011 Tabla 10: Índice de refracción de algunos compuestos orgánicos 8.5. Rotación específica: Los compuesto orgánicos que guardan entre sí relación de imagen especular son denominados isómeros ópticos. Estos compuestos poseen un carbono asimétrico, es decir, que tiene unidos cuatro sustituyentes diferentes. La única propiedad por la cual se diferencian estos isómeros ópticos es la dirección en que hacen girar el plano de la luz polarizada. La magnitud absoluta de la desviación provocada por cada isómero es la misma pero su signo es diferente. Esto se denomina rotación óptica. El instrumento utilizado para medir el sentido y la magnitud de la rotación óptica es el polarímetro. Este equipo posee una lámpara que emite radiación a una longitud de onda determinada, generalmente la línea D del sodio (5893 A). El lente polarizador y el lente analizador son dos prismas de Nicol o dos placas Polaroid que cumplen la función de transformar la luz incidente, que vibra en infinitos planos, en luz polarizada, es decir que vibra en un solo plano. Cuando se intercala una solución de un compuesto ópticamente activo entre las dos lentes alineadas previamente, se produce un campo oscuro. El lente analizador deberá girarse hasta que se llegue nuevamente a la posición de máxima transmisión de luz. Por convención si el giro se efectúa hacia la derecha la rotación óptica tendrá signo (+) y si se efectúa hacia la izquierda será (-). La rotación óptica se determinara solamente si la lista de compuestos probables contiene sustancias ópticamente activas. La rotación específica es una propiedad física de cada isómero óptico y se representa con la letra α. Depende de la longitud de onda (λ) La longitud de onda mas comúnmente usada es nm (línea D del sodio), la temperatura (T), la concentración del soluto (c) y del solvente utilizado para preparar la solución. La rotación observada (a) esta relacionada con la rotación específica por la siguiente ecuación:

42 Donde: [<] > $ a: rotación observada, en grados L: Longitud del tubo en decímetros C: gramos de sustancia por 100mL de sln Lección 9: Propiedades físicas de los enantiómeros- Actividad óptica 9.1. Enantiómeros: Los enantiómoros o enantiomorfos del griego, enantios, opuesto; morphe, forma) también llamados isómeros ópticos son compuestos que poseen propiedades físicas y químicas casi idénticas. Se diferencian tan poco estructuralmente que de todas las mediciones físicas que pueden efectuarse, solamente una que requiere de un instrumento especial y de un tipo excepcional de luz puede distinguirlos. Ellos rotan el plano de la luz polarizada en direcciones opuestas, propiedad que se conoce como la Actividad Optica y se mide en un Polarímetro 9.2. Luz Polarizada en un Plano La luz blanca ordinaria es el conjunto de ondas electromagnéticas que poseen energía con una variedad de longitudes de onda, cada una correspondiente a un color diferente. Estas ondas electromagnéticas son sensibles al ojo humano, se propagan en todos los medios (incluido el vacío) y vibran en un número infinito de planos perpendiculares entre sí a la dirección de propagación. La luz será monocromática (un solo color) si se usan filtros que eliminen a los otros colores (u ondas componentes) de la luz blanca, o si se genera de una fuente especial. La lámpara de sodio es una fuente de luz monocromática amarilla que se usa frecuentemente en el estudio de la actividad óptica. Aunque la luz sea monocromática, ella vibra en todos los planos posibles que pasan por su línea de propagación (Figura. 19). Figura 19. Direcciones de las ondas de luz emitidas desde una fuente de luz Sin embargo ciertos materiales colocados frente a la línea de propagación actúan a manera de pantalla restringiendo el paso de las ondas luminosas. De esta forma la luz sólo vibrará en uno solo de los planos posibles. Esta es la llamada luz polarizada (Figura 20). El material que se usa como polarizador de la luz es lo que

43 se denomina un prisma de Nicol o trozos de calcita (CaCO 3 ) también llamado espato de Islandia. Figura 20. Rayo de Luz Polarizada en un Plano 9.3. El Polarímetro El polarímetro es un instrumento que se emplea para detectar y medir la actividad óptica de las sustancias (Fig. 21). Cuando el tubo está vacío, puede observarse que el máximo de luz alcanza el ojo cuando el arreglo de ambas lentes es tal, que dejan pasar luz que vibra en el mismo plano. Se ajustan las lentes de modo que se obtenga el máximo de luz (o que se extinga por completo). Si la sustancia no afecta el plano de luz polarizada, la transmisión lumínica sigue siendo máxima y se dice que el compuesto es ópticamente inactivo. Figura 21. Representación esquemática de las partes esenciales de un polarímetro Si la rotación del plano de luz polarizada y por consiguiente el giro de la lente es hacia la derecha (en sentido de las manecillas del reloj) se dice que la sustancia es dextrógira (del latin dexter, "derecha"). Su imagen de espejo la cual rota el plano de luz polarizada hacia la izquierda (en sentido contrario a las manecillas del reloj) se denomina levógira (del latin, laevus, "izquierda"). La dirección de rotación se especifica en el nombre del compuesto ópticamente activo por (+) para dextrógiro y (-) para levógiro. (En la literatura mas antigua se han usado las letras minúsculas d para dextrógiro y l para levógiro)

44 Puede medirse la magnitud de la dirección del giro de la lente mediante el ángulo de giro en grados. La cantidad de rotación en grados α no es una constante para un enantiómero dado, ella depende de: a) longitud del tubo que contiene la muestra b) temperatura c) solvente d) concentración (para soluciones); presión para gases e) longitud de onda (λ) de la luz empleada Por supuesto, que rotaciones determinadas para el mismo compuesto bajo las mismas condiciones son idénticas. La rotación específica como se mencionará en siguientes apartados es una propiedad tan importante y característica de un compuesto como lo son sus puntos de fusión, de ebullición y su densidad. Por ejemplo, la rotación específica de una solución acuosa de sacarosa (o azúcar de mesa) es [α] D 20ºC = º, se diría entonces que tal sustancia es dextrógira y se designaría como ( + ) sacarosa. Ejemplo: la siguiente figura representa los enantiómeros del 2-octanol los cuales presentan las siguientes propiedades físicas: Figura 22. Enantiómeros del 2-octanol Observe que estas dos sustancias solo difieren en el sentido de la rotación del plano de luz polarizada. Con la excepción de la quiralidad, las estructuras de un par de enantiómeros son las mismas y como se mencionó antes casi todas las propiedades físicas son

45 idénticas. Por ejemplo, cada enantiómero puro de un par tiene el mismo punto de fusión o punto de ebullición, la misma densidad, etc. La única propiedad física que los diferencia es la dirección de rotación (o giro) del plano de la luz polarizada. Lección 10. Comportamiento ácido-básico de moléculas orgánicas Acidez en las moléculas orgánicas. Según la teoría de Arrhenius, desarrollada al final del siglo XIX, un ácido es una sustancia que se ioniza en disolución dando iones + y una base es una sustancia que se ioniza en disolución generando aniones hidroxilos (O - ). Esta definición ayudó a comprender el comportamiento de muchos ácidos y bases pero no explicaba la reactividad de otros compuestos, como el amoniaco N 3, que neutraliza a los ácidos pero no contiene una función hidroxilo en su fórmula molecular. En 1923 Brönsted y Löwry definieron un ácido como una sustancia capaz de ceder protones y una base como una sustancia capaz de aceptar protones. Según esta definición, cualquier compuesto que contenga un puede potencialmente actuar como ácido y cualquier compuesto con un par de electrones solitario puede actuar como una base. Las dos especies, ácido y base, se necesitan en cualquier reacción de transferencia de protones, puesto que si una base cede un protón ha de haber una base que lo acepte. Por eso las reacciones de transferencia de protones se les conoce con el nombre de reacciones ácido-base. Cuando un compuesto pierde un protón, la especie que se genera es su base conjugada. De la misma forma, cuando un compuesto acepta un protón, la especie generada es su ácido conjugado. Representación generación de una base y ácido conjugado Cuanto más fuerte es el ácido más débil será su base conjugada y viceversa. Se podría decir que la basicidad es una medida de la capacidad que posee un compuesto para compartir sus electrones con un protón. La fuerza de un ácido depende de la capacidad para donar protones. Cuando un ácido se disuelve en agua se disocia hasta alcanzar un equilibrio en el que coexisten especies iniciales (ácido) y finales (base conjugada). Este equilibrio

46 viene definido por su constante K a que se denomina constante de disociación ácida. Constante de disociación ácida La constante de acidez es una medida de la fuerza del ácido, de manera que cuanto mayor sea su valor más fuerte será el ácido (mayor facilidad para donar el protón). La acidez también se puede expresar como pk a, que se define como: pk a = -log K a Cuanto menor sea el pk a mayor será la acidez del compuesto. Determinados compuestos orgánicos poseen características ácidas. Los más importantes son: Los ácidos carboxílicos (RCOO) con pk a del orden de 3 a 5. Estos compuestos son, al igual que el agua, anfotéricos y por tanto capaces de actuar como ácidos o como bases. Los alcoholes, mucho menos ácidos que los ácidos carboxílicos, con valores de pk a alrededor de 16. Son también de anfóteros. Las sales de amonio, ácidos conjugados de las aminas, tienen un valor de pk a entre 5-10, y son más ácidos que los alcoholes. Tabla 11: Algunos ejemplos de valores de pk a

47 Un ácido carboxílico se puede disociar en agua para dar un protón y un ión carboxilato. Normalmente, los valores de la constante de acidez (K a ) de los ácidos carboxílicos simples son de alrededor de 10-5 (pka=5). Por ejemplo, la constante de acidez del ácido acético (C 3 COO) es de (pka=4.7). Constante de disociación ácida para el ácido acético Aunque los ácidos carboxílicos no son tan ácidos como los ácidos minerales (Cl, 2 SO 4, NO 3 ) son mucho más ácidos que los alcoholes. Por ejemplo, el ácido acético es veces más ácido que los alcoholes más ácidos. De hecho, el ácido acético concentrado puede provocar quemaduras graves en contacto con la piel. Al igual que el protón del hidroxilo del agua, el protón del hidroxilo de un alcohol es débilmente ácido. Una base fuerte puede sustraer el protón del hidroxilo de un alcohol para generar un alcóxido. Generación de un alcóxido La constante de disociación de un alcohol queda definida por el siguiente equilibrio: Constante de disociación ácida para un alcohol La constante de disociación ácida de los alcoholes varía según su estructura desde aproximadamente para el metanol hasta aproximadamente para la mayor parte de los alcoholes terciarios. La acidez de los alcoholes disminuye a medida que aumenta el grado de sustitución en el sustituyente alquilo. Variación de la acidez de los alcoholes con el grado de sustitución