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Universidade Tiradentes CENTRO DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DA SAÚDE - CCBS GUIA DE PRÁTICAS DE QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL I FARMÁCIA Professora: Vanessa Rodrigues Guedes 2024 1 RELAÇÃO DAS PRÁTICAS Página 1. Segurança em laboratórios químicos......................................................................... 03 2. Exames preliminares para a identificação de compostos orgânicos desconhecidos.. 06 3. Ponto de ebulição....................................................................................................... 08 4. Destilação por arraste................................................................................................. 12 5. Purificação de uma substância orgânica sólida – Recristalização............................. 15 6. Determinação da pureza de uma substância orgânica – Ponto de fusão.................... 21 7. Estudo de solubilidade – solventes polares e apolares............................................... 25 8. Estereoquímica........................................................................................................... 28 9. Extração descontínua................................................................................................. 33 10. Extração contínua....................................................................................................... 40 11. Cromatografia em camada delgada............................................................................ 44 12. Oxidação do etanol e sua caracterização pelo teste de Tollens.................................. 47 13. Influência do grupo funcional sobre o anel benzênico............................................... 50 14. Obtenção do cloreto de t-butila.................................................................................. 52 15. Preparação e Propriedades dos Sabões...................................................................... 54 16. Referências Bibliográficas......................................................................................... 55 2 COMO OBTER UM BOM DESEMPENHO NO LABORATÓRIO Em laboratório de Química é primordial que o aluno assuma uma postura cuidadosa e responsável durante as experiências. Estes cuidados têm o objetivo não apenas de evitar acidentes, como também diminuir o gasto dos reagentes, normalmente caros e muitas vezes poluentes. As experiências são geralmente seguras, desde que efetuadas com seriedade. É importante ler o experimento antes de iniciar o trabalho no laboratório. RECOMENDAÇÕES DE ORDEM TÉCNICA Não molhar os rótulos dos frascos de reagentes. Usar sempre que possível vidrarias limpas e secas. Jamais verter reagentes em tubos de ensaio quentes. Evitar contaminação dos reagentes sólidos, limpando bem a espátula. Substâncias inflamáveis devem ser aquecidas em banho-maria ou em placa aquecedora, de preferência na capela. NUNCA USE CHAMA DIRETA PARA AQUECER SUBSTÂNCIAS INFLAMÁVEIS. Ao transferir ou manipular substância (s), principalmente, as tóxicas voláteis (ex.: ácido nítrico fumegante, ácido clorídrico concentrado, benzeno, fenol, entre outros), faze-lo no interior da CAPELA. Não efetuar alterações no experimento sem consulta prévia ao Técnico ou Professor responsável. MANTER O LOCAL DE TRABALHO LIMPO E DEIXÁ-LO EM ORDEM ao terminar as operações. 3 SEGURANÇA EM LABORATÓRIO QUÍMICO Riscos Mais Comuns: Uso de substâncias tóxicas, corrosivas, inflamáveis, explosivas, voláteis. Manuseio de material de vidro; Trabalho a temperaturas elevadas; Trabalho a pressões diferentes da atmosférica; Uso de fogo; Uso de eletricidade. Riscos Químicos: 1- Formas de Agressão por Produtos Químicos: Inalação Absorção cutânea Ingestão 2- Limites de Tolerância: A ação e efeito dos contaminantes dependem de fatores como: Tempo de exposição; Concentração e características físico-químicas do produto; Suscetibilidade pessoal. 3- Medidas Básicas de Segurança: A- Medidas relativas às instalações Laboratório: localização; instalações elétricas e hidráulicas; tubulações para gases; capelas; tabelas; armazenagem de produtos. Prevenir e Contornar Emergências: proteção contra incêndios; chuveiros de emergência; lavadores de olhos; sinalização de segurança: cores adequadas, cartazes, placas. B- Medidas relativas às operações específicas Manuseio de produtos químicos: Pesquisar propriedades químicas, físicas e toxicológicas; rotulagem; operações envolvendo produtos voláteis e tóxicos; operações com vidrarias; despejos de resíduos. C- Medidas relativas ao pessoal Uso de equipamentos de proteção individual (EPI): Avental; Protetores faciais; Óculos; Máscaras para gases; Luvas. Treinamentos periódicos. Normas pessoais de segurança. 4 ACIDENTES MAIS COMUNS EM LABORATÓRIOS E PRIMEIROS SOCORROS QUEIMADURAS A) QUEIMADURAS TÉRMICAS - causadas por calor seco (chama e objetos aquecidos) A1) Tratamento para queimaduras leves - pomada picrato de butesina, paraqueimol, furacim solução. A2) Tratamento para queimaduras graves - elas devem ser cobertas com gaze esterilizada umedecida com solução aquosa de bicarbonato de sódio a 1%, ou soro fisiológico, encaminhar logo à assistência médica. B) QUEIMADURAS QUÍMICAS - causadas por ácidos, álcalis, fenol. B1) Por ácidos: lavar imediatamente o local com água em abundância. Em seguida, lavar com solução de bicarbonato de sódio a 1% e, novamente, com água. B2) Por álcalis: lavar a região atingida imediatamente com água. Tratar com solução de ácido acético a 1% e, novamente, com água. B3) Por fenol: lavar com álcool absoluto e depois com sabão e água. Atenção: Não retire corpos estranhos ou graxas das lesões - Não fure as bolhas existentes. Não toque com as mãos a área atingida. - Procure logo um médico. C) QUEIMADURAS NOS OLHOS Lavar os olhos com água em abundância ou, se possível, com soro fisiológico, durante vários minutos, e em seguida aplicar gazes esterilizada embebida com soro fisiológico, mantendo a compressa, até consulta a um médico. ENVENENAMENTO POR VIA ORAL A droga não chegou a ser engolida. Deve-se cuspir imediatamente e lavar a boca com muita água. Levar o acidentado para respirar ar puro. A droga chegou a ser engolida. Deve-se chamar um médico imediatamente. Dar por via oral um antídoto, de acordo com a natureza do veneno. INTOXICAÇÃO POR VIA RESPIRATÓRIA Retirar o acidentado para um ambiente arejado, deixando-o descansar. Dar água fresca. Se recomendado, dar o antídoto adequado. 5 EXAMES PRELIMINARES PARA A IDENTIFICAÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS DESCONHECIDOS O conhecimento do estado físico da amostra pode ser de grande valor para a sua identificação, mas sua cor e odor são de menos utilidade e devem ser interpretados com precaução, pois como as aminas simples, muitas substâncias que são incolores quando puras tornam-se rapidamente coloridas quando expostas à umidade. Mesmo assim, deve-se observar e anotar o estado físico, a cor e o odor e se possível no caso dos sólidos também o aspecto ao microscópio (estrutura cristalina, forma dos cristais), porque o conhecimento de qualquer desses dados pode vir a se tornar de importância decisiva no decorrer do processo de identificação. TESTE DE IGNIÇÃO Procedimento: Coloque diretamente sobre uma espátula de aço inoxidável (ou em um cadinho de porcelana), 2 mg da amostra se for sólida ou 2 gotas se for líquida e aqueça aproximando a espátula ou cadinho na chama do bico de gás. De vez em quando faça incidir a chama diretamente sobre a amostra para fazê-la queimar antes que volatilize. Se no início da combustão, desprenderem-se vapores, aproxime um papelde tornassol azul ou vermelho umedecido com água para verificar se o gás é ácido ou básico. Se a mostra carbonizar, aumente a chama e aqueça fortemente. Se houver resíduo, este deverá ser quase branco, dissolva-o em 1 gota de água sobre uma lâmina de vidro e verifique o pH. TESTE DE IGNIÇÃO – RESUMO OBSERVAÇÃO DA CHAMA INTERPRETAÇÃO Amarelo claro no baixo de átomos de carbonos Amarelo escuro no alto de átomos de carbonos Base azulada substância oxigenada Base esverdeada substância halogenada Ausência de fumaça baixo peso molecular Presença de fumaça alto peso molecular Ausência de fuligem composto alifático Presença de fuligem composto aromático Resíduo claro sal metálico de ácidos carboxílicos Resíduo escuro odor de mel queimado: carboidrato Resíduo escuro odor de cabelo queimado: proteína 6 Amostras que serão utilizadas Substância Estrutura Observação da chama Ácido esteárico Ácido salicílico Benzofenona Ciclohexano Clorobenzeno Etileno glicol Sacarose Tolueno Questionário: 1) Pesquise as estruturas das substâncias que serão utilizadas na prática. 2) De posse das estruturas, qual a característica da chama esperada de cada substância. 7 DETERMINAÇÃO DO PONTO DE EBULIÇÃO Verifica-se à pureza de um líquido determinando-se o ponto de ebulição. Ponto de ebulição é a temperatura em que a pressão de vapor é igual à pressão externa, ou ainda, é a temperatura em que o vapor e o líquido estão em equilíbrio a uma dada pressão. Quando ocorre um equilíbrio entre a tensão de vapor de um líquido e a pressão nele exercida, o mesmo ferve, ou entra em ebulição (devido ao desprendimento de bolhas) a uma dada temperatura. A tensão de vapor de um líquido aumenta com a elevação da temperatura. A recíproca é verdadeira e toda vez que se produz abaixamento da pressão a que está sujeito um líquido, há uma diminuição da temperatura de ebulição. Chama-se ponto de ebulição normal a temperatura em que um líquido entra em ebulição à pressão de 760 mmHg. Assim enquanto a pressão externa permanecer constante, o ponto de ebulição de uma substância pura também será constante. Como conseqüência destes fatos, o ponto de ebulição das substâncias varia de um ponto geográfico para outro. Igualmente, no mesmo lugar geográfico, o ponto de ebulição varia com a pressão. Este fato é aproveitado na destilação de substâncias que decompõem à temperatura de ebulição normal ou que apresentam elevado ponto de ebulição, provocando-se, nos vasos que as contêm, uma redução de pressão, fenômeno este conhecido por destilação à pressão reduzida. As diferentes substâncias possuem em geral, pressões de vapor diversas, conseqüentemente os seus pontos de ebulição são diferentes, permitindo-se uma primeira identificação da substância orgânica. Durante toda a destilação de uma substância pura, o ponto de ebulição deve manter-se constante, variando no máximo num intervalo de 1 a 3 graus. O aumento no suprimento de calor, num líquido em ebulição, não produz elevação do seu ponto de ebulição, pois o calor absorvido é todo consumido na formação das bolhas de vapor, resultando apenas num aumento da velocidade de destilação. Em geral, o ponto de ebulição de um composto depende do seu peso e estrutura molecular e da intensidade das forças de atração intermoleculares. Numa série homóloga, o ponto de ebulição cresce mais ou menos regularmente com o aumento do peso molecular dos seus compostos. Por outro lado os compostos polares apresentam os pontos de ebulição superiores aos dos apolares de mesmo peso molecular. Há ainda, a considerar, os compostos polares com a capacidade de associação intermolecular. A determinação do ponto de ebulição é feita através da destilação simples. A destilação é a operação que consiste na separação de líquidos de suas eventuais misturas, por passagem ao estado de vapor e posterior condensação com retorno ao estado líquido, com auxílio de calor e/ou por redução de vapor. Para que um corpo líquido passe para o estado de vapor ou gasoso deverá ser submetido a um aumento de temperatura ou a uma diminuição de pressão. A concorrência simultânea destes dois fatores facilitará consideravelmente o fenômeno. 8 Procedimento: O aparelho e montado colocando-se o balão de destilação à esquerda do operador. As rolhas devem entrar apenas 1/5 ou 1/3 de seu tamanho e estar bem em contato com a parede de vidro (Figuras 1 e 2). As pinças, condensadores, balões devem ficar bem presos. É necessário, porém, cuidado para não apertar demais as pinças, o que às vezes resulta em quebra do balão e do condensador, apesar da proteção de borracha ou de amianto que se coloca entre o metal e o vidro. Para se introduzir o termômetro na rolha molha-se a sua ponta em glicerina ou em água. O bulbo do termômetro deve ficar ligeiramente abaixo da saída do balão, uma vez que só assim medirá a temperatura dos vapores e não do próprio líquido. É preciso evitar que o líquido destilado entre em contato com as rolhas, para não ser contaminado. Isto se consegue fazendo com que a extremidade da saída lateral do balão passe alguns centímetros além da rolha, e seja introduzido no condensador até a proximidade do corpo desta peça. A água entra pela parte inferior e saí pela parte superior do condensador. Figura 1- Montagem da aparelhagem de destilação 9 Figura 2- Destilação simples O líquido a ser destilado é introduzido no balão através de um funil simples, de colo longo. É aconselhável que o volume do líquido não seja superior a 2/3 da capacidade do balão de destilação. Com o fim de homogeneizar a ebulição coloca-se pedrinhas de porcelana porosa, que irão fornecer ar durante a fervura, desempenhando o papel de núcleo de ebulição. Nota: se por esquecimento, as pedrinhas não forem colocadas ao iniciar o aquecimento, não se pode fazê-lo enquanto o líquido estiver quente. É conveniente deixar o líquido esfriar um pouco para colocá- las. Depois de fechar completamente o balão, acender o bico de gás e controlar a chama de acordo, naturalmente, com o ponto de ebulição do produto a destilar. A ponta de bico de gás deve ficar uns três cm abaixo da tela de amianto. Em lugar do bico de gás, usa-se com vantagem, um aquecedor elétrico. Importante: Os líquidos inflamáveis e de ponto de ebulição inferior ao da água (exemplo: bissulfeto de carbono e éter etílico) são destilados aquecendo-se o balão em banho-maria ou aquecedor elétrico e colocando-se na extremidade de condensador, em lugar de um erlenmeyer, um frasco kitassato, em cuja saída lateral se adapta um tubo de borracha, suficientemente longo 10 para ir do aparelho até o piso do laboratório. Para esta prática, coloca-se no interior do balão mais ou menos 50 mL do produto a destilar. Misturas a destilar: Etanol + Acetato de n-butila Etanol + Ácido acético Etanol + Ciclohexano Ácido acético + Ciclohexano Questionário: 1) No desenho da aparelhagem empregada, mencionando o nome de cada parte, explicando o seu funcionamento. Diga qual o ponto de ebulição das substâncias utilizadas. Substância Estrutura Ponto de ebulição Acetato de n-butila Ácido acético Ciclohexano Etanol 2) De quantos graus deve variar a temperatura durante a determinação do ponto de ebulição, para se ter a idéia de que a substância está pura ou não? 3) Que precauções devem ser tomadas quando se determina o ponto de ebulição de líquidos inflamáveis e de ponto de ebulição muito inferior ao da água? 4) Qual a finalidade da adição de pequenos pedaços de porcelana porosa ao líquido em determinação? Explicar seu funcionamento. 5) O termômetro no interior do balão de destilação deve ficar a uma altura determinada. Qual é esta altura e sua razão de ser? 6) Justifique porque, durante todo o processo, deve ficarsempre circulando água no interior do condensador. 7) Que volume máximo da capacidade do balão deve ser ocupado pelo líquido em determinação? Justifique. 11 DESTILAÇÃO POR ARRASTE A VAPOR A destilação a vapor é usualmente empregada no isolamento e purificação de substâncias orgânicas voláteis e imiscíveis em água. Esta operação envolve co-destilação da substância a purificar com a água e tem como principal vantagem o fato da mistura entrar em ebulição a temperatura inferior ao ponto de ebulição da água. A destilação a vapor é bastante utilizada na purificação de substâncias que se decompõem a temperaturas elevadas, bem como na separação de um composto de uma mistura reacional que contém outros compostos não-voláteis. Para que uma substância possa ser arrastada por vapor de água, é necessário que ela seja insolúvel ou pouco solúvel em água, não sofra decomposição em água quente e possua apreciável pressão de vapor (maior do que 5 mmHg a 100o). Os vapores saturados dos líquidos imiscíveis seguem a lei de Dalton das pressões parciais, que pode ser enunciada da seguinte maneira: quando dois ou mais gases ou vapores que não reagem quimicamente entre si são misturados à temperatura constante, cada gás exerce a mesma pressão que exerceria se estivesse sozinho, e a soma destas pressões é igual à pressão total exercida pelo sistema. Isto pode ser expresso: P = p1 + p2 + ... + pn, Onde P é a pressão total e p1, p2, etc. são pressões parciais dos componentes. Se uma mistura de dois líquidos imiscíveis for destilada, o ponto de ebulição será a temperatura na qual a soma das pressões de vapor é igual à atmosfera. Esta temperatura será menor que o ponto de ebulição do componente mais volátil. Como um dos líquidos é água, a destilação por arraste de vapor à pressão atmosférica resultará na separação do componente de ponto de ebulição mais alto a uma temperatura inferior a 100oC – uma vantagem considerável, se o composto se decompõe no seu próprio ponto de ebulição ou próximo. O processo também é útil para a separação de substâncias não voláteis ou não desejáveis. Quando um mistura de líquidos imiscíveis é destilada, o ponto de ebulição da mistura permanece constante, até que um dos componentes tenha sido quase que completamente removido (já que a pressão total de vapor é independente das quantidades relativas dos dois líquidos): o ponto de ebulição, então, cresce se eleva até atingir o do líquido remanescente no balão. O vapor que escapa de tal mistura contém todos os componentes na mesma proporção, em volume, que suas pressões de vapor relativas. A composição do vapor pode ser calculada da seguinte maneira: supondo-se que as leis dos gases são aplicáveis, segue-se que o número de moléculas de cada componente no vapor será proporcional à sua pressão parcial, isto é, à pressão de vapor do líquido puro aquela temperatura. Se pA e pB são as pressões de vapor dos dois líquidos A e B no ponto de ebulição da mistura, então a pressão total P é dada por P= pA + pB E a composição do vapor por nA/nB = pA/pB 12 onde nA e nB são o número de moles das duas substâncias em um dado volume da fase vapor. Mas nA = wA/MA e nB = wB/MB, onde w é o peso da substância em um dado volume do vapor e M é o peso molecular. Donde: BB AA BB AA B A pM pM nM nM w w Os pesos relativos dos dois componentes da fase vapor serão idênticos aos pesos relativos no destilado, isto é, os pesos dos dois líquidos sendo recolhidos no recipiente são diretamente proporcionais às suas pressões de vapor e aos seus pesos moleculares. A equação anterior indica o grande valor da destilação com arraste de vapor, já que quanto menor o produto MApA, tanto maior é o valor de wB. A água tem um peso molecular pequeno e uma pressão de vapor comparativamente moderada, de modo que o seu valor MApA é baixo. Isto permite que sejam separadas economicamente, em escala industrial, substâncias de alto peso molecular e de baixa pressão de vapor. Procedimento Transferir 20 a 40 g de flores de camomila, cravinho, erva doce, canela (pau) ou casca de laranja para um balão de 250 mL, conectado à aparelhagem para destilação por arraste a vapor (Figura 1). Adicionar água até um terço da capacidade do balão e colocar pedras de porcelana. Aquecer o balão (500 mL) gerador de vapor previamente preparado, colocando água até dois terços de sua capacidade e adicionando pedras de porcelana. Manter aquecido, com o uso de uma manta ou chama pequena, o balão de destilação mesmo depois que começar a passar o destilado. Recolher em erlenmeyer a mistura destilada. Interromper a destilação quando cessar a extração do óleo essencial, ou seja, quando destilar somente a água. Terminada a destilação, tirar a rolha do gerador de vapor e desconectar o balão de destilação. Transferir o destilado para o funil de separação recolher a camada de óleo, pesar e determinar o rendimento. Observação: Caso não haja formação bem definida da camada de óleo, extrair três vezes com diclorometano. Reunir as fases orgânicas em erlenmeyer de 125 mL. Adicionar aproximadamente 2g de sulfato de sódio anidro. Agitar, esperar alguns minutos e filtrar utilizando funil com algodão. Recolher o filtrado em balão de fundo redondo de 125 mL. Remover o diclorometano em evaporador rotativo, sem aquecer o banho. Transferir para frasco tarado. Pesar e determinar o rendimento. 13 Figura 1- Sistema de Destilação por arraste a vapor. Obs.: Bico de Bunsen 1 chama forte. Bico de Bunsen 2 chama fuliginosa. O tubo de látex (melhor é silicone) é o mais curto possível. Questionário: 1) Por que o ponto de ebulição da mistura em uma destilação a vapor é menor do que o ponto de ebulição de cada componente puro? 2) Que propriedade deve ter uma substância para ser arrastada pelo vapor? 3) Quais as vantagens de uma destilação a vapor? 4) Quando se deve utilizar a destilação a vapor. 5) Quais os constituintes principais do óleo essencial obtido neste experimento? 6) Por que o diclorometano é geralmente, o solvente indicado para a extração de óleos essenciais de destilados? 14 PURIFICAÇÃO DE UMA SUBSTÂNCIA ORGÂNICA SÓLIDA RECRISTALIZAÇÃO Recristalização é uma técnica de purificação de compostos cristalinos impuros, a partir de um solvente apropriado ou de mistura de solventes. Os compostos orgânicos sólidos quando obtidos da extração de produtos naturais (plantas), ou de reações orgânicas, não são puros. Porém, podem ser purificados através da recristalização. No entanto deve-se levar em consideração que a recristalização direta dos produtos não deve ser feita, pois certas impurezas podem retardar a velocidade da recristalização e até mesmo impedir a formação de cristais. Portanto, é conveniente adotar previamente à cristalização, outros métodos de purificação como: cromatografia, destilação por arraste a vapor, extração em Soxhlet e extração com solventes imiscíveis. A purificação de sólidos por recristalização baseia-se em diferenças de suas solubilidades em um dado solvente ou mistura de solventes. O processo de recristalização consiste em: a) escolha do solvente; b) dissolução da substância impura em algum solvente apropriado no ponto ou próximo ao ponto de ebulição; c) filtração da solução quente para separar partículas de material insolúvel e poeira (usa-se papel de filtro previamente pregueado); d) deixar a solução esfriar, produzindo assim a cristalização da substância dissolvida; e) filtração a vácuo, para separação dos cristais da solução mãe, com subseqüente secagem. Com o material seco, testa-se sua pureza, geralmente por determinação do ponto de fusão. Se o sólido não estiver puro recristaliza-se com um novo solvente. O processo é repetido até que seja obtido o composto puro. Isto é indicando quando o ponto de fusão permanecer inalterado, após duas recristalizaçõessucessivas. Obs: A filtração à quente tem sua aplicação para evitar que a solução esfrie, formando cristais que ficariam depositados no papel de filtro. O uso do papel de filtro pregueado é porque favorece o depósito de carvão ativado com impurezas nas pregas, evitando que seja na parte inferior, o que retardaria a filtração. As principais características de um solvente usado na recristalização são: a) Deve dissolver as impurezas prontamente ou em pequena extensão; b) Deve produzir cristais bem formados do composto purificado; c) Deve ser facilmente removido dos cristais do composto puro, ou seja, deve possuir um ponto de ebulição relativamente baixo; d) Não deve reagir quimicamente com a substância a purificar. Importante - Pode-se empregar ainda misturas de solventes. Estas devem ser completamente miscíveis. Por exemplo, se um composto é solúvel em um solvente e insolúvel em outro, dissolvemo-lo em um volume mínimo do solvente no qual é solúvel e adicionamos à solução, o solvente no qual a amostra é insolúvel, até começo de turvação. Neste momento, aquecemos a mistura, para torná-la clara e deixamos esfriar para formação de cristais. 15 - Quando usamos solventes inflamáveis, colocamos a substância em um balão ligado a um condensador de bolas e aquecemos em banho-maria, sob refluxo, acrescentando-se o solvente aos poucos, até completa dissolução. Um ligeiro excesso de solvente é permitido e até aconselhado, porém deve-se evitar um grande excesso, o que diminuirá o rendimento da recristalização. Considerando o caso mais simples de purificação, onde C (amostra em análise) está misturado com uma impureza I. O solvente deve ser tal que dissolva I muito mais facilmente que C; ou então, quando provocamos a precipitação de C, produzindo uma solução super-saturada, I não precipitará (solução não sendo saturada em relação a I), mas ficará na “solução mãe”. Também podemos usar um solvente no qual C é solúvel e I, praticamente insolúvel, e então, separa-se os dois, provocando posteriormente a precipitação de C da “solução mãe”. A maneira mais simples de obter a precipitação de C de sua solução é usar um solvente que proporcione alta solubilidade para C a quente e pouco a frio. Neste caso, bastará esfriar a solução quente para obter um bom rendimento em cristais. Observar que o solvente escolhido não deve reagir quimicamente com C. A escolha está também condicionada ao custo, inflamabilidade, facilidade de obtenção, entre outros. Objetivos: Após esta experiência o aluno deverá ser capaz de: a) Escolher um solvente ou mistura de solventes de acordo com a sua polaridade; b) Comparar o caráter experimental observado com a literatura (Hand Book, Merck Index, etc.); c) Analisar o princípio da Recristalização; d) Conhecer a técnica de purificação por Recristalização; e) Avaliar o comportamento da amostra em análise, antes e após a purificação. Procedimento: Escolha experimental do solvente Coloca-se cerca de 0,1g da substância pulverizada em um pequeno tubo de ensaio e o solvente é adicionado gota à gota, com agitação contínua do tubo de ensaio. Após a adição de cerca de 1 mL do solvente, a mistura é aquecida até a ebulição, tomando as devidas precauções se a substância for inflamável. Se a amostra se dissolver facilmente em 1 mL do solvente frio ou com ligeiro aquecimento, o solvente não é apropriado. Se todo sólido não dissolver, adiciona-se mais solvente em porções de 0,5 mL e leva-se à ebulição após cada adição. Se 3 mL do solvente forem adicionados e a substância não dissolver por aquecimento, este solvente é impróprio. Deve-se procurar outro solvente. Se a substância se dissolver no solvente quente, o tubo deve ser resfriado para determinar se ocorre cristalização. Se não ocorre, pode ser devido à ausência de 16 núcleos apropriados para o crescimento do cristal. Com um bastão de vidro esfrega-se as paredes do tubo de ensaio, abaixo da superfície da solução. Os arranhões finos nas paredes do tubo e os diminutos fragmentos de vidro produzidos podem servir de excelentes núcleos para a cristalização. Outra maneira é colocar dentro da solução um cristal da substância pura. A formação destes núcleos para a cristalização é conhecida como SEMEADURA. Tabela 1- Substâncias que serão utilizadas Substância Estrutura Solubilidade Acetalinida Ácido benzóico Ácido ftálico Ácido pícrico Alfa naftol Benzofenona Cânfora Naftaleno Tabela 2- Solventes que podem ser utilizados na recristalização Solvente PE (oC) Observação Água (destilada) 100 A ser usada sempre que apropriada Éter etílico 35 Inflamável; evitar sempre que possa Acetona 56 Inflamável; deve ser seca antes Clorofórmio 61 Não inflamável; vapores tóxicos Álcool metílico 64,5 Inflamável; venenoso Tetracloreto de carbono 77 Não inflamável; vapores tóxicos Acetato de etila 78 Inflamável Álcool etílico 78 Inflamável Benzeno 80 Inflamável Éter de petróleo 40-60 Inflamável Ácido acético glacial 118 Não muito inflamável; vapores irritantes 17 Pares de solventes que podem ser utilizados na recristalização Metanol + Benzeno Etanol + Benzeno Clorofórmio + Metanol Hexano + Benzeno Benzeno + Éter de Petróleo Acetona + Éter de Petróleo Água + Ácido Acético Glacial Preparação do papel de filtro pregueado O papel de filtro é inicialmente dobrado ao meio, depois ao meio novamente e aberto como se vê na Figura 1. Então o papel é dobrado entre dois segmentos, numa direção oposta a prega anterior, isto é, as pregas são feitas para fora em vez de para dentro, como foi feita anteriormente, produzindo quando se abre o papel, novas pregas. A operação final consiste em produzir uma prega entre duas dobras. O resultado é um arranjo em forma de “sanfona” (Figura 1), depois de aberto, forma o papel de filtro pregueado. Em seguida colocar num funil simples adequando o papel pregueado, ligar o funil a quente. Na hora da filtração deve estar bem quente para evitar uma cristalização indesejável. Figura 1- Papel pregueado Papel de filtro Dobre na metade Dobre na metade novamente Dobre na prega de um quarto da seção Dobre na prega de um oitavo da seção Esta é a forma de “sanfona” Filtro cônico aberto 18 Recristalização da amostra em análise Pese 5 g da amostra e coloque em um béquer de 250-300 mL; se o solvente for inflamável usar um aparelho de refluxo. Adicionar aos poucos o solvente escolhido, aquecendo, até dissolução. Retire a solução do aquecimento e adicione carvão ativado (cerca de 1% do peso da amostra), homogeneizando com o bastão de vidro. Leve ao aquecimento e deixe em ebulição por 5-10 minutos, se a solução estiver colorida por impurezas, precisamos realizar essa etapa – CLARIFICAÇÃO. Não deve ser colocado o carvão ativado em solução muito quente para evitar derramamento. Filtre rapidamente a solução quente em aparelho de filtração à quente, usando papel de filtro pregueado, coletando o filtrado em erlenmeyer. Coloque o erlenmeyer com o filtrado para resfriar, se necessário apressar a cristalização, colocando o erlenmeyer em cuba com gelo. Cuidado com a mudança brusca de temperatura. Filtração x Lavagem: Os cristais são separados da água-mãe, por filtração, através de um funil de buchner, adaptado a um kitassato, por meio de uma rolha de borracha. Liga-se à saída lateral do kitassato uma trompa. Dentro do buchner coloca-se um papel de filtro, exatamente cortado de modo a cobrir apenas os furos da placa filtrante, sem que se projete nas paredes do funil. Umedece-se o papel com o solvente usado na cristalização e abre-se a trompa, lançando dentro do funil os cristais e a solução-mãe. Secagem: comprime-se os cristais com o fundo de uma proveta para remover todo o excesso de solvente na lavagem, retira do funil e coloca-seem dessecador à vácuo. A pureza é avaliada depois de o composto estar seco, sendo determinado através de suas constantes físicas, como por exemplo, o ponto de fusão. Questionário: 1) O que é recristalização? 2) Como é feita a purificação de um material bruto? 3) Em que se baseia a recristalização? 4) Como se faz a escolha experimental do solvente para recristalização? 5) Quando um composto sólido pode ser considerado puro? 6) Que tipo de filtração deve se usar para separar impurezas sólidas que não dissolvem no solvente usado na recristalização? 7) Qual a finalidade de usar filtração à quente? E papel de filtro pregueado? 8) Qual o procedimento de dissolução da amostra quando se usa mistura de solventes? 9) Como deve se dissolver a amostra quando se usa solventes inflamáveis? 19 10) Para que é feita a clarificação? 11) Quando uma solução se apresenta de difícil cristalização, quais os artifícios que devem ser empregados? 12) Analise todos os dados obtidos. Conclua em função da análise efetuada, os objetivos propostos. 20 DETERMINAÇÃO DA PUREZA DE UMA SUBSTÂNCIA ORGÂNICA PONTO DE FUSÃO Determina-se a pureza de uma substância orgânica conhecida, verificando se as suas constantes físicas são idênticas às encontradas na literatura. Tais constantes físicas também chamadas de Critérios de Pureza são: densidade, índice de refração, peso molecular, ponto de fusão e ponto de ebulição. Para muitos compostos orgânicos somente as duas últimas são determinadas. Ponto de Fusão Por definição, ponto de fusão de uma substância é a temperatura em que as fases sólida e líquida estão em equilíbrio entre si, à pressão atmosférica. Para achar o ponto de fusão coloca-se uma pequena amostra num capilar de vidro e introduz-se este num banho apropriado para aquecer ao lado do bulbo de um termômetro. O aquecimento deve ser feito de tal maneira a permitir que a temperatura suba lentamente e estabeleça o equilíbrio entre a temperatura indicada pelo termômetro e a do sólido em exame. Caso contrário, obtém-se pontos de fusão mais altos do que o indicado na literatura. Comumente anotamos duas temperaturas aquela em que a substância começa a fundir e a observada quando a amostra está inteiramente líquida: O verdadeiro ponto de fusão estará no intervalo compreendido entre estas temperaturas. Na maioria dos casos, se a substância é suficientemente pura, esta diferença não é superior a 1-2 graus. Se um composto orgânico A, contém impurezas que são solúveis no líquido A, o ponto de fusão encontrado será menor, que o conhecido e o intervalo entre o início e o fim da fusão será maior. Assim, a determinação do ponto de fusão de um composto pode ser útil para a identificação do composto, por comparação com os valores encontrados nas tabelas (se a amostra for quase pura) ou por uma indicação aproximada da pureza relativa do composto. Um composto pode ser considerado puro se tem um pequeno intervalo de fusão e se por recristalização de 2 solventes diferentes ou tratamento por algum método de purificação não aumente o ponto de fusão e nem decresce o intervalo de fusão. Para purificarmos uma substância desconhecida para análise, devemos continuar a purificação até o ponto de fusão constante. Por exemplo, se o método de purificação for a recristalização, a substância será considerada pura quando após duas recristalizações sucessivas apresentar o mesmo ponto de fusão. Ponto de Fusão da Mistura Se possuirmos uma substância de identidade desconhecida, porém suspeitamos tratar-se de um composto orgânico A, do qual possuímos uma amostra já identificada, misturamos um pouco das substâncias e fazemos o ponto de fusão da mistura, naturalmente, se a amostra 21 desconhecida é realmente o composto A, se ambas amostras são de igual pureza, o ponto de fusão do composto A, o da mistura e o da amostra em exame serão iguais. Se, contudo, amostra desconhecida não é A, embora possua o mesmo ponto de fusão, o ponto de fusão da mistura será menor, pois cada um comporta-se como impureza para o outro. Há alguns casos, porém, nos quais compostos diferentes dão uma mistura com ponto de fusão nítido. Contudo, o número de tais casos é pequeno e o método do ponto de fusão da mistura é de uso constante nos laboratórios de química orgânica. Correção da Leitura nos Termômetros de Escala Externa Nos termômetros de escala interna ou naquele de escala tão curta que a coluna de mercúrio fica inteiramente imersa do banho, não há necessidade de se fazer correção alguma e os erros a considerar serão devidos a imperfeições da escala do termômetro e o erro do observador ao fazer a leitura. Empregando-se termômetros de escala externa e desde que a escala projete-se para fora do banho, a porção exterior do mercúrio é resfriada pela temperatura ambiente e contrai-se dando um ponto de fusão mais baixo. A correção é feita determinando-se por meio de um termômetro auxiliar, a temperatura média da escala e aplicando-se a seguinte fórmula: C = M (t-t’) 0,000154 Onde: C = graus a se acrescentar à leitura de termômetro. N = altura da escala emergente, isto é, número de graus da escala entre a superfície de banho e o topo da coluna de mercúrio. t = temperatura observada (lida no termômetro principal) t’ = temperatura média da coluna de mercúrio (lida no termômetro auxiliar) 0,000154 – coeficiente de dilatação de mercúrio no vidro. Verificação da Graduação do Termômetro Esta verificação é feita por comparação com outros termômetros ou determinando o ponto de fusão de substâncias puras, cujos pontos de fusão são bem conhecidos. Para isto pode-se tomar amostras puras da seguinte lista de compostos e fazer testes de precisão a temperaturas baixas, médias e altas. 22 Substância PF (oC) Água 0,0 Ácido acético 16,7 Ácido benzóico 121,7 Ácido salicílico 159,0 Ácido succínico 189-190 n-naftilamina 58 m-dinitrobenzeno 98,8 Ácido 3,5-dinitrobenzóico 204-205 Fenolftaleína 261 Procedimento Determina-se o ponto de fusão usando um Becker ou aparelho de Thiele (Figura 1) ou um balão apropriado com duas saídas laterais. Nos dois primeiros casos coloca-se o capilar de vidro unido ao termômetro por meio de um anel de borracha (Figura 1). O líquido usado como banho deve naturalmente possuir alto ponto de ebulição, como por exemplo: glicerol, parafina líquida, ftalatos de metila e etila, ácido sulfúrico (desaconselhado pelo perigo que apresenta) e parafina sólida (que resiste melhor a temperatura elevada sem escurecer). O bulbo do termômetro deve está colocado a uma distância média entre as duas saídas laterais que formam a laça do aparelho de Thiele e a ponta do capilar contendo a substância o mais próximo possível do bulbo do termômetro (Figura 1). Figura 1- Aparelhagem para determinação do ponto de fusão 23 O operador deve estar sentando de maneira confortável durante a determinação. Se a substância possui ponto de fusão conhecido, pode-se aquecer rapidamente até 5 graus abaixo do ponto de fusão indicado e depois lentamente, de modo que a temperatura suba cerca de 2 graus por minuto, usando uma pequena chama. Se o ponto de fusão é desconhecido faz-se um ponto de fusão rápido para a determinação aproximada e, numa Segunda vez então, observa-se as indicações acima. Nos casos de substâncias que se decompõe por aquecimento prolongado, aquece-se inicialmente o banho a uma temperatura próxima ao ponto de fusão e então introduz-se o capilar com a substância. Questionário: 1) Que se entende por ponto de fusão e qual a sua importância na Química Orgânica? 2) Qual o aparelho mais comumente usado para a determinação do P.F.? Quais as características desse aparelho? 3) Em que ponto do aparelho de Thiele deve ser feito o aquecimento? 4) Explicar porque na determinaçãodo P.F. o aquecimento deve ser lento? 5) Quais as características que deve apresentar o líquido que se coloca no interior do aparelho para servir como banho de aquecimento durante a determinação do PF? Justifique. 6) Quais os tipos de termômetros que você conhece e qual a fórmula que se aplica para corrigir o erro dos termômetros de escala externa? 7) Em que posição se deve colocar o capilar em relação ao termômetro? 8) Por que o termômetro deve ser adaptado ao aparelho por meio de uma rolha de cortiça chanfrada? 9) Como se deve realizar a leitura do PF? 10) Que se entende por “ponto de fusão da mistura”? 24 ESTUDO DE SOLUBILIDADE SOLVENTES POLARES E APOLARES A água é denominada solvente universal, isto se deve ao fato dela dissolver um número muito grande de compostos orgânicos e inorgânicos. Há, entretanto diversas substâncias que a água simplesmente não dissolve. Você por exemplo, já tentou dissolver azeite em água? Certamente você também já viveu a experiência de ter que preparar uma tinta para pintar um móvel. Você não usa água, mas outros solventes especiais. Porque este tipo de tinta não se dissolve em água? Nesta prática se quer que através da coleta dos dados experimentais e do raciocínio com estes dados e outros conhecimentos que você já tem, conduzi-lo à resposta de perguntas como estas: 1) Por que a água não dissolve compostos como o azeite e a gasolina? 2) Que tipos de solventes dissolvem compostos como o azeite? 3) Pode a estrutura molecular explicar algo do problema de solubilidade? Objetivos Após esta experiência o aluno deverá ser capaz de: 1) Descrever a ação da água, do álcool etílico e do hexano na solubilização de compostos polares e apolares. 2) Relacionar com a solubilidade a estrutura das moléculas das substâncias da experiência, na tentativa de encontrar uma regra de solubilidade. 3) Pela análise das substâncias utilizadas e outros exemplos dados nos exercícios, generalizar sobre o caráter apolar característico dos compostos orgânicos e o polar característico dos compostos inorgânicos. Procedimento 1. Tome três tubos de ensaio. Adicione 2 mL de água no primeiro, 2 ml de álcool no segundo e 2 mL de hexano no terceiro. 2. Junte a cada um deles uma ponta de espátula de cloreto de sódio (NaCl). 3. Agite vigorosamente os tubos de ensaio por três minutos e observe. Anote na tabela I se o sal se dissolve no líquido ou não. 4. Deixe na estante os três tubos usados; eles servirão como padrão para comparações posteriores. 5. Repita o processo descrito nos itens anteriores, usando, em vez do cloreto de sódio, três das substâncias abaixo. Se a substância que você escolher for líquida, pipete 1 mL para o teste. 25 - Ácido acetil salicílico - Éter sulfúrico - Ácido succínico - Fenolftaleína - Ácido esteárico - Naftalina - Anilina - Nitrato cúprico - Azeite - Querosene - Éter de petróleo - Sacarose Anote todos os resultados na Tabela 1, guardando os seus testes para que os outros grupos possam observar. Tabela 1- Resultados Amostras quanto á polaridade SOLVENTES Estrutura Classificação Água Etanol Hexano Cloreto de sódio Ác. acetil salicílico Ácido succínico Ácido esteárico Anilina Azeite Éter de petróleo Éter sulfúrico Fenolftaleína Naftalina Nitrato cúprico Querosene Sacarose 6. Feito os testes com as três substâncias que lhe couberam recolha junto aos outros os dados restantes que faltam para preencher a Tabela 1. Você saberia dar uma provável explicação para o fato de algumas substâncias dissolverem-se apenas em um dos solventes? Tente formular alguma hipótese. 7. Escreva agora as formulas estruturais das substâncias que se dissolverem apenas em água ou apenas no hexano. 8. Tente fazer uma correspondência entre as letras da esquerda com as descrições da direita. a) compostos que se dissolvem em água ( ) compostos iônicos polares b) compostos que se dissolvem em benzeno ( ) compostos apolares 26 9. Olhe a Tabela 1 e cite qual dos dois solventes (água ou hexano) dissolve mais compostos orgânicos. Comente. 10. Quais as fórmulas estruturais dos compostos que se dissolvem em álcool? 11. Você observa algo particular na estrutura destes compostos que os assemelha de alguma forma? 12. Há algum composto que se dissolva em todos os solventes? Se há, como você explicaria este comportamento, em face da regra que aparentemente obedecem as outras soluções observadas: “composto polar se dissolve em solvente polar; composto apolar se dissolve em solvente apolar”? 27 ESTEREOQUÍMICA: MOLÉCULAS QUIRAIS 1- Isomerismo: Isômeros Constitucionais e Estereoisômeros Estereoquímica- investigações químicas que levam em conta os aspectos espaciais das moléculas. Isômeros- são compostos diferentes que têm a mesma fórmula molecular. Todos os isômeros classificam-se em dois grupos: isômeros constitucionais ou estereoisômeros. Isômeros constitucionais são isômeros que têm os átomos ligados em diferentes ordens. Estereoisômeros têm os átomos ligados na mesma ordem, mas diferem pela configuração dos átomos no espaço. Os estereoisômeros podem ser divididos em duas categorias: os enantiômeros e os diastereômeros. Enantiômeros são estereoisômeros cujas moléculas são imagens especulares uma da outra, que não superpõem. Diastereômeros são estereoisômeros cujas moléculas não são imagens especulares uma da outra. Subdivisão dos Isômeros Isômeros (Compostos diferentes com a mesma fórmula molecular) 4 Isômeros constitucionais (Isômeros cujos átomos têm conectividade diferentes) Estereoisômero (Isômeros que têm a mesma conectividade, mas diferem pelo arranjo dos átomos no espaço) CH3CH2OH e CH3OCH3 Enantiômeros (Estereoisômeros que são imagens especulares um do outro, que não se superpõem) Diastereômeros (Estereoisômeros que não são imagens especulares um do outro) C CH2 CH3 H OH CH3 C C Cl H Cl H C C Cl H H Cl 2- Enantiômeros e Moléculas Quirais Os enantiômeros só ocorrem com os compostos cujas moléculas são quirais. Uma molécula quiral se define como uma molécula que não é idêntica à sua imagem num espelho. Qualquer átomo tetraédrico, coordenado a quatro grupos diferentes, é um estereocentro. Para todas as moléculas que contêm um único estereocentro tetraédrico é possível a existência de um par de enantiômeros. 28 O plano de simetria é um plano que corta a molécula de tal forma que as duas metades são imagens especulares uma da outra. Qualquer molécula com plano de simetria é aquiral. O plano pode passar pelos átomos e/ou entre os átomos. 3- Nomenclatura dos Enantiômeros: o Sistema R- S Sistema R-S ou Sistema Cahn-Ingold-Prelog. As identificações (R) ou (S) são atribuídas com base no seguinte sistema: 1. A cada um dos 4 grupos ligados ao estereocentro se atribui uma prioridade, com base no número atômico do átomo diretamente ligado. O grupo com o menor número tem a prioridade mais baixa. 2. Quando não se pode atribuir prioridades com base no número atômico dos átomos diretamente ligados ao estereocentro, consideram-se os grupos de átomos sucessivos nos grupos que não foram hierarquizados. O processo continua até que se possa tomar uma decisão. As regras para uma cadeia ramificada exigem que sigamos a cadeia com os átomos de prioridade mais elevada. 3. Agora, fazemos a fórmula (ou modelo girar, de modo que o grupo com a prioridade mais baixa fique afastado do observador). C CH2 CH3 HO H CH3 1 2 3 4 C CH2 CH3 H3C OH H 1 2 3 R-butanol Traçamos uma curvaligando 1 a 2 e a 3. Se neste sentido o traçado for horário, o enantiômero é identificado por (R). Se o sentido for anti-horário, o enantiômero é identificado por (S). No caso de compostos com ligações múltiplas 4. Os grupos com ligações duplas ou triplas são hierarquizados como se os dois átomos fossem duplicados ou triplicados, ou seja: C Y como se fosse C Y Y C C Y como se fosse C Y Y Y C C 29 Exemplo C Br H Cl CH3 C H Br CH3 Cl A e B são iguais? A B C H Br CH3 Cl Rotação C Br CH3 H Cl Rotação C Br H Cl CH3 B Idêntica a A 4- Propriedade dos Enantiômeros: Atividade Ótica Os isômeros constitucionais e os diastereômeros têm ponto de fusão e ponte de ebulição diferentes. Os enantiômeros têm ponto de fusão e ponto de ebulição idênticos. Os enantiômeros têm índices de refração idênticos, solubilidades diferentes em solventes constituídos por um único enantiômero ou com excesso de um único enantiômero. Uma forma de observar a diferença entre os enantiômeros é o comportamento em relação à luz plano-polarizada. Quando um feixe de luz plano-polarizada passa por um enantiômero, o plano de polarização gira no espaço. Além disto, os enantiômeros separados provocam o mesmo desvio angular do plano da luz plano-polarizada, mas em sentidos opostos. Em virtude do efeito sobre a luz plano-poarizada, os enantiômeros, separados, se dizem compostos oticamente ativos. Uma substância que gira o plano de polarização da luz plano-polarizada no sentido horário é denominada dextrogira, e a substância que gira o mesmo plano no sentido anti-horário é denominada levogira. Não existe correlação evidente entre a configuração de um enantiômero e o sentido [(+) ou (-)] da rotação da luz plano polarizada e não há correlação necessária entre as identificações (R) e (S) e o sentido da rotação da luz plano-polarizada. A mistura equimolecular de dois enantiômeros é denominada forma racêmica, ou racemato ou mistura racêmica. A forma racêmica não exibe rotação do plano de polarização da luz polarizada; é designada por (). 5. Moléculas com Mais de um Estereocentro Nos compostos cujo estereoisomerismo provém de estereocentros tetraédricos, o número de estereoisômeros não é maior do que 2n, onde n é o número de esterecocentros tetraédricos. 30 C C H Br CH3 Br CH3 H C C Br H CH3 H CH3 Br C C H Br CH3 H CH3 Br C C Br H CH3 Br CH3 H 1 e 2, 3 e 4 são estereoisômeros. 1 e 3 são diastereômeros, portanto PE e PF diferentes. 1 2 3 4 6. Composto Meso É uma molécula aquiral que tem estereocentros tetraédricos. Em virtude de ser aquiral, é um composto oticamente inativo. CH3-CHBr-CHBr-CH3 C C Br H CH3 Br CH3 H C C H Br CH3 H CH3 Br C C Br H CH3 H CH3 Br C C H Br CH3 Br CH3 H girando de 180o, são iguais Estereoisômeros Composto meso enantiômeros Procedimento Quais das moléculas abaixo são quirais? Qual é o carbono do estereocentro? Faça a estrutura R e S de cada composto quiral utilizando o KIT. Substância Estrutura A 2-propanol B 2-butanol C 1-cloro propano D 2-metil-1-cloro-proprano E 2-bromo-butano F 1-cloro-pentano G 2-cloro-pentano H 3-cloro petano I 2-cloro 2-bromo butano J 2,3-dimetil pentano L 2,3-dibromo butano M N 31 Qual o carbono quiral das moléculas abaixo? Faça a estrutura R e S utilizando o KIT. Limoneno R-limoneno – odor de laranja S- limoneno – odor de limão Dopamina HO HO C O O H N H 2H S-dopa (L-dopa) – utilizada no tratamento do mal de Parkinson Deoxispergalin S- antitumoral H 2N C HN N N N N H 2 O O H O H H H Ibuprofen O H O S- antiinflamatório, analgésico R- não tem ação Talidomida N N O O O O H S- teratogênico R- sedativo e analgésico Indacrinona C l O C O 2H O C l + agente diurético. Retenção de ácido úrico - reduz o nível de ácido úrico 32 EXTRAÇÃO COM SOLVENTES Extração é a ação ou efeito de extrair-tirar (uma coisa) do lugar onde está, do corpo em que espontânea ou acidentalmente se formou ou introduziu. Tecnicamente falando é isolar substâncias de soluções ou misturas sólidas ou ainda para remover impurezas solúveis indesejáveis de misturas. Este último processo é geralmente denominado de lavagem e é muito empregado em síntese Orgânica. A teoria do processo é de fácil entendimento, freqüentemente efetuado no laboratório, para extrair um composto de sua solução aquosa com um solvente imiscível. Estamos tratando aqui da lei da distribuição ou lei da partição. Se a um sistema de duas camadas líquidas, constituído de dois componentes imiscíveis ou ligeiramente miscíveis, for adicionada uma quantidade de uma terceira substância solúvel em ambas as camadas, a substância se distribui entre as camadas, de modo que a razão da concentração em um solvente para a concentração no outro permaneça constante a uma temperatura constante. Supõe-se que o estado molecular da substância seja o mesmo em ambos solventes1. Se CA e CB forem as concentrações nas camadas A e B, então, a uma temperatura constante: Kconstante C C B A A constante K é denominada de coeficiente de distribuição ou partição. Como uma aproximação muito grosseira, pode-se considerar o coeficiente de distribuição igual a razão das solubilidades nos dois solventes. Compostos orgânicos são em geral, relativamente mais solúveis em solventes orgânicos do que em água, donde podem ser extraídos de soluções aquosas. Se eletrólitos, por exemplo, cloreto de sódio, forem adicionados à solução aquosa, a solubilidade da substância orgânica será diminuída, isto é, ocorrerá uma dissolubilização (efeito “salting-out”) o que ajudará a extração de compostos orgânicos. A determinação da constante de partição é efetuada na Físico-Química. Além de solventes orgânicos imiscíveis em água, fazem-se extrações também com soluções diluídas de ácidos e bases. Por exemplo, temos: carbonato de sódio, bicarbonato de sódio, hidróxido de sódio que são usados para extrair compostos ácidos dissolvidos em solventes orgânicos, ou impurezas de caráter ácido enquanto ácido clorídrico, sulfúrico são usados para extrair compostos básicos de suas soluções em solventes orgânicos ou impurezas básicas. Em qualquer dos casos formam-se sais que passam a fase aquosa onde são solúveis. Geralmente o material assim extraído precipita quando se neutraliza a solução. Muitas vezes durante a agitação formam-se emulsões que torna difícil a separação completa das camadas líquidas. O aparecimento destas emulsões pode ser evitado agitando-se a mistura, sem violência. Para destruí-las pode-se juntar um pouco de álcool, saturar a camada aquosa com cloreto de sódio, deixar a mistura em repouso durante a noite. 33 Existe a técnica continua ou descontínua escolhida conforme o valor de K. Se o coeficiente de partição for maior que 1, ou seja, a substância for mais solúvel no solvente orgânico do que na água, recorre-se ao método descontínuo. Se o coeficiente de partição for menor que 1 utiliza-se o método contínuo. Os dois líquidos A e B são agitados juntos em funil de separação. O solvente B é geralmente um líquido de baixo ponto de ebulição, facilmente eliminável do soluto por evaporação. O éter etílico é freqüentemente usado como solvente, ele dissolve a maioria dos compostos orgânicos mais facilmente do que a água. Ele ferve a 34,5oC, sendo fácil portanto,removê-lo do soluto por destilação. O seu uso apresenta, porém as seguintes desvantagens: alta inflamabilidade e relativa solubilidade em água. A alta inflamabilidade obriga a usar um aparelho de destilação especial, um banho de vapor ou evaporador rotatório. Em hipótese alguma se deve usar uma chama livre sob o banho de água, e nenhuma chama deve ficar próxima da aparelhagem de destilação (chama a 3 cm de distância pode inflamar o éter dietílico, se soprar uma leve corrente de ar na direção da chama). 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 do solvente orgânico para se extrair mesmo pequenas quantidades da substância. Isto pode ser evitado pelo uso de um aparelho de extração contínua, no qual é necessária uma quantidade relativamente pequena de solvente. Problema Dada uma quantidade limitada de solvente, esta deverá ser usada em uma operação ou dividida em diversas porções para extrações repetidas, a fim de assegurar o melhor resultado? Considerações: o solvente orgânico e imiscível em H2O. Ex.: Benzeno, clorofórmio ou tetracloreto de carbono, sulfeto de carbono, entre outros. V (mL) – solução aquosa A Wo (g) – substância dissolvida - soluto na camada A S (mL) – porções novas do solvente orgânico (B) (solvente extrator) W1, W2, ....Wn (g) – peso do soluto restante na fase aquosa Primeira extração V W1 é a relação do peso do soluto restante na fase aquosa. S W W 1 o é a relação entre a quantidade do soluto extraído na camada do solvente orgânico. 34 Logo S )W(W V W K 1o 1 ou S KV KV WW o1 Segunda extração W2 é o peso remanescente do soluto na fase aquosa. K S )W(W V W 21 2 ou 2 2 o12 )S KV( )KV( W S KV KV WW Enésima extração Wn é o peso remanescente do soluto na fase aquosa. n n )S KV( )KV( WW on Desejamos tornar Wn tão pequeno quanto possível para um dado solvente, isto é, que o produto de n e S seja constante, donde n deve ser grande e S pequeno. Como conclusão, os melhores resultados são obtidos, dividindo-se o solvente extrator em diversas porções, em vez de fazer uma extração única com a quantidade total. Deve-se enfatizar que a expressão deduzida acima se aplica estritamente a um solvente que pode ser considerado como completamente imiscível em água, como benzeno, clorofórmio ou tetracloreto de carbono. Se o solvente for ligeiramente miscível, por exemplo éter, a dedução efetuada anteriormente é apenas aproximada, mas útil para indicar a natureza qualitativa dos resultados esperados. Exemplo Extração de uma solução de 4,0 g de ácido n-butírico em 100 mL de água a 15oC com 100 mL de benzeno a 15oC. O coeficiente de partição do ácido entre benzeno e água pode ser tomado como 3 (ou 1/3 entre água e benzeno) a 15oC. Para uma extração única com benzeno, temos: g0,1 100 3 100 100 x 3/1 4Wn Para 3 extrações com porções de 33,3 mL de benzeno ainda não usado como extrator, temos: 35 g5,0 33,3 3 100 100) x 3/1( 4W 3 3 n Conclusão: Uma extração de 100 mL de benzeno remove 3,0 ou 75% de ácido n-butírico. Em três extrações são removidos 3,5g ou 87,5% do ácido total. Método Descontínuo na Extração Prende-se a rolha no pescoço do funil por meio de arame ou de cordão. Lubrifica-se a torneira com uma pequena quantidade de vaselina. O funil é colocado em um anel preso a um suporte de ferro. Antes de colocar o líquido no funil é preciso certificar se a torneira não está vasando. Coloca-se os dois líquidos na seguinte ordem: a) água contendo soluto; b) líquido extrator. Fecha- se bem a rolha e agita-se fortemente. De vez em quando, vira-se o funil para cima e abre-se a torneira para retirar o excesso de pressão. Esta operação é particularmente importante quando se usa solvente de baixo ponto de ebulição, como o éter. Em seguida deixa-se o funil em repouso por alguns minutos separando-se as duas camadas: a água por baixo e o líquido extrator por cima, ou o contrário, dependendo da densidade do líquido extrator. Os extratos éteres são retirados pela parte superior do funil e não pela inferior para evitar traços de água. Repete-se esta operação duas ou três vezes conforme seja necessário até que se complete a extração do soluto. O éter é evaporado do destilado, obtendo-se assim o produto. Antes de fazer a eliminação de solvente orgânico para isolar o produto desejado, é necessário eliminar a água que freqüentemente se encontra na solução. Para isto usam-se diversos agentes desidratantes, que também servem para dessecar compostos orgânicos líquidos, tais como, cloreto de cálcio anidro, sulfeto de magnésio anidro, entre outros, dependendo do solvente empregado. A maneira usual de fazer o isolamento do composto orgânico consiste em eliminar o solvente, destilando a maior parte do mesmo e evaporando a porção final com o necessário cuidado. Quando a extração for feita com soluções ácidas ou básicas, neutraliza-se a solução produzindo a separação do soluto que se recolhe por um dos métodos usuais. Para efetuar a secagem final do produto usa-se técnica que depende de suas propriedades, e que pode ser: 1. Expor ao ar 2. Aquecer em estufa a uma temperatura determinada. 3. Colocar em dessecador. Para facilitar a ação dos dessecadores, pode-se refazer o ar em seu interior. Em certos casos usando-se aparelhos especiais. 36 Objetivos 1. Escolher a técnica adequada de extração de acordo com o produto em mãos. 2. Comparar o caráter experimental da polaridade dos solventes com os fundamentos estudados da teoria. 3. Analisar o princípio de extração. 4. Conhecer a técnica de extração com solventes ativos. 5. Preparar a amostra a ser extraída. 6. Saber secar as soluções extraídas. 7. Isolar o composto desejado com eficiente rendimento. 8. Avaliar o comportamento da amostra em análise antes e após a purificação. Procedimento Extração de iodo Colocar 3 mL de solução aquosa de iodo em um tubo de ensaio e adicionar 3 mL de n- hexano. Agitar e observar. Extração de carotenos de cenoura e de tomate Os carotenóides compreendem uma família de compostos naturais, dos quais mais de 600 variantes estruturais estão reportadas e caracterizadas, a partir de bactérias, algas, fungos e plantas superiores. Os mamíferos não estão bioquimicamente capacitados para a biossíntese de carotenóides, mas podem acumular e/ou converter precursores que obtêm da dieta (por exemplo, conversão de -caroteno em vitamina A). No plasma humano predominam o -caroteno e o licopeno. Os carotenóides mais comumente encontrados nos alimentos são o -caroteno (cenoura; Daucus carota), licopeno (tomate; Lycopersicum esculentum), várias xantofilas (zeaxantina, luteína e outras estruturas oxigenadas do milho, Zea mays; da manga, Mango indica, do mamão, Carica papaya e da gema do ovo) e a bixina (aditivo culinário e corante dérmico usado por indígenas amazônicos, obtido do urucum, Bixa orellana). A cenoura é muito rica em caroteno e traços de xantofila e o tomate em licopeno e traços de astaxantina, de onde se pode extrair por prévia destruição das células. Preparo da amostra 1. Roçar a cenoura ou o tomate; 2. Colocar na estufa para desidratar; 3. Passar em moinho até ficar um pó; 4. Reserve em local fresco e em recipiente bem fechado ou em dessecador. 37 Estrutura do -caroteno Estrutura da Astaxantina HO O O H O Coloque no erlenmeyer 1,0g do pó da cenoura ou tomate e 45 mL de éter de petróleo ou hexano. Deixe a mistura em repouso durante meia hora, agitando esporadicamente. Filtre-a através de algodão para dentro de um funil de separaçãode 125 mL ou 250 mL de capacidade de acordo a técnica. Extraia a solução de éter de petróleo com 3 porções de 10 mL de metanol a 92% (tomar 9,2 mL de metanol e completar para 10 mL de água destilada). Reúna as frações metanólicas e reserve. Para identificar o caroteno (camada etérea), em uma cápsula de porcelana coloque cerca de 0,5 mL do extrato em éter de petróleo ou hexano. Deixe evaporar o solvente a temperatura ambiente. Adicione ao resíduo algumas gotas de clorofórmio, em seguida 3 a 4 gotas de ácido sulfúrico concentrado. Observe e explica a reação. Questionário: 1) Conseguiu atingir todos os objetivos da prática? Qual(is) não conseguiu entender? 2) Qual o material necessário a execução de todo o trabalho? Desenhe o aparelho de extração usado. 3) Explicar o aparelho do ato da execução. Na mistura, qual o solvente nas camadas A e B? Explicar a densidade. 4) Que podemos fazer quando ocorre formação de emulsões? 5) Qual é a inconveniência do uso do éter? 6) Como devemos escolher um solvente para a extração em estudo? 38 7) Que cuidado devemos ter antes de usar o material e após a extração? 8) Qual o componente extraído (fórmula estrutural e molecular)? 9) A prova de identificação foi positiva? Explicar. 10) Que achou do trabalho executado, já sentiu necessidade do conhecimento desta técnica em alguma disciplina do seu curso? 39 EXTRAÇÃO CONTÍNUA DE UM SÓLIDO POR UM SOLVENTE À QUENTE Quando a substância a ser extraída (seja de misturas naturais, seja de misturas formadas nas reações) não é muito solúvel, recomenda-se o uso de dispositivos tais que permitem fazer uma extração contínua por um solvente à quente e que não permita a sua perda por volatilização. O aquecimento é indispensável uma vez que o calor é responsável pelo aumento da solubilidade da substância e o processo é contínuo para que permita a substância ficar o maior tempo possível em contato com um volume de solvente. O aparelho mais comumente empregado para este tipo de extração é o aparelho de SOXHLET (Figura 1). O aparelho completo compõe-se de: um balão de fundo redondo (B) na parte inferior, um extrator propriamente dito (E) e um condensador de refluxo (C) na parte superior. O extrator propriamente dito (E), apresenta em um dos lados um tubo para circulação dos vapores do solvente proveniente do balão, e do outro lado um sifão para descarga do solvente líquido que se acumula em seu interior após condensação. A substância sólida a ser extraída é colocada no interior do aparelho dentro de um cartucho de papel de filtro apropriado, A. O solvente mais indicado para a extração é depositado no balão, B. Em geral são solventes de baixo ponto de ebulição. Fervendo suavemente o solvente contido no balão, os seus vapores, passam por intermédio do tubo lateral, E do Soxhlet, condensando-se no condensador, C, onde caem ainda quente, gota a gota sobre a substância contida no cartucho, A. Quando o solvente se acumula no corpo do SOXHLET alcança o topo do sifão, tubo F, volta ao balão, B, transportando assim a quantidade de substância que extraiu do cilindro, A, através de uma rápida sifonagem. Esta operação se repete contínua e automaticamente até completa extração do sólido. Figura 1 – aparelho de Soxhlet O sólido a ser extraído deverá estar completamente seco, isto é, isento de água. Antes de ser introduzido no cartucho de papel de filtro, deverá ser convenientemente triturado em geral em B A C E Entrada de água de refrigeração Material sólido sendo extraído Solvente passa através do cartucho Saída de água F 40 gral ou almofariz até obtenção de partículas de menor tamanho possível (pó), isto para que haja uma maior superfície de contato entre o sólido em extração e o solvente extrator, facilitando desta forma a extração. Em se tratando de sólido de difícil trituração, podemos fragmenta-los e em seguida misturá-los com areia lavada, levando-os ao almofariz onde serão reduzidos a pó. A areia além de facilitar a trituração também facilita contato do solvente extrator com o sólido em extração, motivo porque deverá ser colocado juntamente com o produto. Tratando-se de produtos naturais (raízes, caule, folhas) estes devem ser dessecados em estufa à temperatura conveniente, sendo em seguida cortados em pequenos pedaços e só então triturados ou pulverizados conforme o caso. O material pulverizado não deve encher totalmente o cartucho, sua superfície deve ficar cerca de 1 cm abaixo das bordas do mesmo, e protegidas por uma fina camada de algodão para evitar que durante o gotejamento sobre materiais, este não se projete para fora do cartucho e seja então arrastado pelo solvente durante a sifonagem, o que poderá provocar entupimento do sifão. Outrossim, o sólido pulverizado não deve ser fortemente comprimido no interior do cartucho, pois assim dificultará o embebimento do material por parte do solvente e, conseqüentemente, prejudicará o rendimento da extração. O material deve ser compactado no interior do cartucho apenas com leves batidas do mesmo sobre a superfície do balcão. O cartucho deve entrar folgadamente no corpo do extrator e ter altura ligeiramente inferior a do sifão. Para impedir que durante a sifonagem o cartucho fique aderido a entrado do sifão costuma-se colocar, atravessado um toquinho de vidro por fora do cartucho. Não é aconselhável colocar algodão por baixo do cartucho porque comumente provoca sifonagem contínua, impedindo assim um demorado contato do solvente com o material. O solvente é introduzido no balão depois do aparelho se encontrar completamente montado. Derrama-se o solvente por meio de um funil simples colocado no topo do condensador, até início da 1a sifonagem. Suspende-se a adição do solvente até terminar completamente a 1a descarga. Repete-se a operação até início da 2a sifonagem. Terminada esta 2a descarga, junta-se mais solvente, até o nível deste atingir a metade da altura do cartucho. A capacidade do balão deve ser tal que o volume da 2a sifonagem ocupe-o apenas até ao meio. Retira-se o funil, inicia-se o aquecimento suave do balão (banho- maria ou placa elétrica). A operação é considerada concluída quando o solvente não estiver mais extraindo a substância do produto colocado no cartucho. Quando se trata de substância colorida isto se torna fácil de notar, pois o solvente não tem mais a cor da substância. Quando se trata de substância incolor, um teste rápido para verificar se a extração terminou, consiste em retirar algumas gotas do solvente existente no corpo do extrator, deixá-las evaporar sobre o vidro de relógio limpo, ou papel de filtro. Resíduo ou mancha após a evaporação do solvente, indicam que a operação não terminou. Durante a realização do teste, deve ser afastada a chama do bico de gás ou desligada a chapa elétrica somente quando se trabalha com solvente muito inflamável. Quando o solvente empregado é muito inflamável, como éter, clorofórmio, entre outros, o balão deve ser aquecido com banho-maria, manta aquecedora ou 41 chapa elétrica do tipo que possui resistência encoberta nos casos que se trabalha com éter etílico o condensador deverá ser resfriado com água gelada. O sólido extraído pode ser recuperado por posterior evaporação do solvente em recipiente aberto, quando se trata de solventes baratos ou que tenham sido usados em quantidades insignificantes. Quando se trata de solventes caros e grandes quantidades, a evaporação deve ser feita com recuperação do solvente por meio de uma destilação à vácuo. Optativamente pode-se conservar o sólido extraído em solução no solvente extrator determinando-se previamente sua concentração da seguinte maneira: tomar uma pequena alíquota do extrator total e evaporá-la até secura em cápsula de porcelana tarada, pesar o resíduo e calcular a percentagem do sólido extraídona solução. A extração com o Soxhlet tem a vantagem de possibilitar uma extração eficiente com uma pequena quantidade de solvente. Como se pode observar o solvente entra num ciclo (vaporiza-se, condensa-se e volta ao balão passando ainda quente através do material em extração, arrastando consigo a parte solúvel), ficando desta forma repetidas vezes em contato com a mistura e fazendo assim várias extrações parciais, portanto, há sempre solvente puro, não saturado, gotejando sobre o material em extração, enquanto que a solução do balão torna-se cada vez mais rica (concentrada) da substância extraída. Além disso, a operação é prática e cômoda, pois pode ser efetuada automaticamente por tempo bastante longo que pode variar de horas até vários dias, sem necessitar da assistência constante do operador. Procedimento 1. Lubrifique as juntas no caso de juntas esmerilhadas. Caso contrário faça as adaptações por meio de rolhas de cortiça. 2. Junte alguns fragmentos de porcelana porosa ao balão e monte sobre uma manta elétrica. 3. Triture o material (Tabela 1) a extrair em grau de porcelana até reduzi-lo a pó. 4. Transfira o pó obtido para um cartucho de papel de filtro (o qual pode ser adquirido já pronto, ou ser improvisado com um pedaço de papel de filtro comum, usando um tubo de ensaio como molde). 5. Pese o cartucho e calcule o peso do material nele contido. 6. Coloque o cartucho no interior do extrator e adapte-o ao balão. 7. Ponha o condensador em posição, ligue os tubos de borrachas, faça circular a água no interior. 8. Adicione o solvente ao balão e inicie o aquecimento. 9. Deixe o aparelho em funcionamento por cerca de 1 hora e meia. 10. Terminado este tempo, suspenda o aquecimento e retire o balão do suporte. 11. Tomar uma alíquota (5 mL) do extrato total obtido e evaporar até secar em cápsula de porcelana previamente tarada. 12. Pesar a cápsula de porcelana previamente tarada. 13. Calcular a percentagem do sólido na solução. 42 Tabela 1- Solventes utilizados na extração contínua de produtos naturais Material Extrair Solvente Beterraba Betacianina e betaxantina Etanol Casca de laranja Xantofila Etanol Casca de limão Clorofila Etanol Folhas de Espinafre Clorofila Acetona Gema de ovo Luteína, colesterol e lipídeos Acetona 43 CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA A cromatografia é um método físico-químico de separação. Ela está fundamentada na migração diferencial dos componentes de uma mistura, que ocorre devido a diferentes interações, entre duas fases imiscíveis, a fase móvel e a fase estacionária. A grande variedade de combinações entre fases móveis e estacionárias a torna uma técnica extremamente versátil e de grande aplicação. A cromatografia pode ser utilizada para a identificação de compostos, por comparação com padrões previamente existentes, para a purificação de compostos, separando-se as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura. As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerando-se diversos critérios sendo alguns deles listados abaixo: - Forma física do sistema cromatográfico - em relação à forma do sistema, a cromatografia pode ser cromatografia em coluna e cromatografia planar. - Fase móvel empregada - em se tratando da fase móvel, existe três tipos de cromatografia: a gasosa, a líquida e a cromatografia supercrítica (CSC), utilizando-se na última um vapor pressurizado, acima de sua temperatura crítica. - Fase estacionária utilizada - distingue-se entre fases estacionárias sólidas, líquidas e quimicamente ligadas. - Modo de separação - separações cromatográficas se devem à adsorção, partição, troca iônica, exclusão ou misturas desses mecanismos. Para se ter uma visão mais ampla dos diferentes tipos de cromatografia, os mesmos estão dispostos no diagrama da Figura 1. Cromatografia Planar Coluna Centrífuga Cromatografia de Camada Delgada Cromatografia de Papel Líquida │ Cromatografia Supercrítica Gasosa │ Clássica CLAE CG CGAR Figura 1 - Representação esquemática dos diferentes tipos de cromatografia. 44 A cromatografia em camada delgada (CCD) é uma técnica de adsorção líquido-sólido. Nesse caso, a separação se dá pela diferença de afinidade dos componentes de uma mistura pela fase estacionária. Procedimento 1- Numa placa de cromatografia de sílica gel com cerca de 2,5x12,5 cm, usando um lápis e muito levemente para não remover a sílica, marque uma linha de base a cerca de 1,5 cm de uma das extremidades mais estreitas da placa. 2- Mergulhe um capilar limpo no extrato do espinafre. Aplique este extrato na placa de sílica gel sobre a linha de base. Esta aplicação deve ser feita a meio da linha de base. O capilar deve estar numa posição vertical em relação à placa e o líquido deve ser depositado com cuidado, de modo a não ferir a camada de sílica gel, até que se formem manchas de diâmetro não superior a 5 mm. Aguarde a mancha secar, pode usar uma corrente de ar para facilitar a secagem, e repita a aplicação pelo mesmo processo mais 2 vezes. Entre cada aplicação deve secar, de modo a manter o diâmetro da mancha dentro do valor máximo indicado. A repetição da aplicação é necessária para assegurar que é aplicado material suficiente. 3- Repita o mesmo procedimento para o extrato da casca do limão, casca de laranja, gema de ovo e beterraba. 4- Coloque na cuba de cromatografia a mistura 2:1 de éter de petróleo-acetona até atingir uma altura de cerca de 0,5 cm. 5- Ponha a placa de cromatografia dentro do cuba com cuidado, o eluente não deve chegar à linha de base. Tape imediatamente a cuba e não mexa até se ter completado a eluição (Figura 2a). 6- Observe a placa e deixe eluir até que o eluente esteja a cerca de 1 cm da extremidade superior da placa. Tenha cuidado para não deixar chegar ao topo da placa. 7- Quando a eluição estiver completa, tire a placa da cuba com uma pinça. Marque imediatamente com um lápis até onde chegou o eluente. Deixe secar bem a placa e marque com um lápis todas as manchas visíveis. No caderno de laboratório tome nota do aspecto da placa e das características de cada mancha. As manchas podem desaparecer ou mudar de cor quando expostas ao ar e à luz. 8- Calcule o Rf de cada mancha identificando-as com letras (A, B, C,…). Determine os Rf pela relação: eluente pelo percorrida Distância mancha pela percorrida Distância R f Para medir a distância percorrida pela mancha, mede-se a distância entre a linha de partida e a frente da mancha, uma vez que muitas vezes é impossível localizar o centro da mancha ou o ponto de maior concentração (Figura 2b). 9- Tente identificar os pigmento pela cor. A clorofila-a é azul esverdeada, a clorofila-b amarelo- esverdeada e o -caroteno é amarelo alaranjado. 45 Figura 2- a) Placa imersa em uma cuba cromatográfica que contém uma pequena quantidade de solvente (eluente). Este eluirá pela camada do adsorvente por ação capilar. As amostras devem ser colocadas, na placa, acima da linha do eluente. b) Cada mancha corresponde a um componente separado da mistura original. Neste caso, as manchas são bem visíveis, coloridas. Se as manchas fossem incolores, seria necessário "revelar a placa". Questionário 1- Em que se baseia a técnica cromatográfica que utilizou? 2- Porque é que a cuba em que faz a cromatografia deve estar bem tampada? 46 OXIDAÇÃO DO ETANOL E SUA CARACTERIZAÇÃO PELO TESTE DE TOLLENS Dependendo do tipo do álcool (primário ou secundário) podemos obter por oxidação aldeídos e ácidos carboxílicos (álcool primário) e cetona (álcool secundário). No caso de álcoois terciários estes jamais se oxidam em condições alcalinas. Em presença de ácidos, porémse desidratam com formação dos alcenos correspondentes que por sua vez se oxidam facilmente com a formação de ácidos carboxílicos. No caso dos álcoois primários, podemos através de uma oxidação parcial obter o aldeído correspondente. Em nossa prática usaremos como agente oxidante o dicromato de potássio (K2Cr2O7) e o permanganato de potássio (KMnO4) e em seguida para caracterizar o aldeído formado, usaremos a reação de Tollens. O reagente de Tollens é uma solução amoniacal de nitrato de prata e prepara-se conforme mostrado nas equações abaixo. 2 NaOH + 2 AgNO3 Ag2O + 2 NaNO3 + H2O Ag2O + 4 NH4OH 2[Ag(NH3)2 +OH-] + 3 H2O Os aldeídos sendo compostos redutores oxidam-se com extrema facilidade, o que os diferenciam das cetonas, pois estas não oxidam facilmente; baseando-se nesta propriedade química é que sua caracterização, pode ser feita com o teste de Tollens, por exemplo: R C O H + 2[Ag(NH3)2 +OH-] Alcalino R C O ONH4 + 2Ago + 3 NH3 + H2O Aldeído Sal Espelho de prata Solução incolor O íon Ag(NH3)2 + (diamino prata) do reagente de Tollens é reduzido pelo aldeído formando-se prata metálica que adere as paredes do tubo sob a forma de um espelho ou de um precipitado preto de prata metálica. Procedimento 1 1. Pipetar em um tubo de ensaio grande 5 mL de etanol. 2. Gotejar lenta e cuidadosamente por meio de uma pipeta graduada, 1 mL de ácido sulfúrico concentrado sobre o etanol contido no tubo de ensaio. Cuidado com o ácido; faça-o lentamente para evitar projeções do líquido. 47 3. Em seguida adicionar lentamente pipetando 5 mL de uma solução de dicromato de sódio a 10%. Observar que a medida que se adiciona o dicromato de potássio a coloração da mistura de reação torna-se verde. 4. Introduzir no tubo pedras de porcelana e adaptar o tubo de desprendimento por meio da rolha de cortiça. 5. Preparar um tubo de ensaio colocando no mesmo cerca de 2 mL de água destilada. 6. Aquecer suavemente o tubo contendo a mistura reacional. 7. Sustentar o tubo de ensaio por meio de uma pinça de madeira, de tal maneira que a extremidade do tubo de desprendimento fique mergulhada na água. 8. Observar o borbulhamento dos vapores do aldeído formado no interior do tubo de ensaio contendo água destilada na qual se dissolve, constituindo no final da experiência uma solução de aldeído. Este borbulhamento deverá ser mantido por um período de 5 a 10 minutos. 9. Observar o odor característico desprendido no tubo de ensaio contendo água destilada, e utilizar a solução aldeídica resultante para caracterizar o aldeído formado. Caracterização 1. Pipetar 1 mL de uma solução de nitrato de prata a 5% para um tubo de ensaio absolutamente limpo e seco. 2. Colocar 0,5 mL de NaOH 1% e observar o aparecimento de um precipitado negro de Ag2O. 3. Adicionar gota a gota solução de hidróxido de amônio a 10% com agitação do tubo de ensaio, parando imediatamente após a dissolução total do precipitado de Ag anteriormente formado; cerca de 3 a 4 gotas são suficientes. Nota: Excesso de hidróxido de amônio diminui a sensibilidade do método. 4. Adicionar a esta solução 0,5 mL da solução aldeídica obtida anteriormente. 5. Prender o tubo de ensaio com uma pinça de madeira e aquecer suavemente. 6. Observar a precipitação da prata sob a forma de um espelho que se adere as paredes internas do tubo de ensaio, se este estiver bem limpo ou sob forma de um precipitado de prata metálica preta. Obs.: O precipitado de prata sob a forma de um espelho, ocorre sem a necessidade de aquecimento. Procedimento 2 1. Pipetar 2 mL de álcool primário (etanol), secundário (2-propanol) ou terciário (álcool terc- butílico) para um tubo de ensaio. 2. Adicionar 1 mL de NaOH 0,5N e 1 mL de KMnO4 2%. 3. Observar a formação ou não de precipitado marrom. Explique a reação. 48 Questionário: 1) Que produto se espera obter pela oxidação de um álcool primário? 2) Dar a equação da reação de oxidação do álcool utilizado nesta experiência. 3) Quando misturamos o álcool + ácido sulfúrico + K2Cr2O7, a mistura adquire uma tonalidade verde-escuro. A que se deve esta coloração? 4) Que produto daria se em vez de um álcool primário, tivesse sido usado nesta experiência um álcool secundário? 5) Qual o agente oxidante usado nesta experiência? 6) Álcoois terciários são passíveis de sofrerem oxidação? Justifique. 7) De que maneira se pode provar que o composto obtido nesta experiência pertence a função aldeído. 8) De que consiste o reativo de Tollens? 9) Qual o íon responsável pela caracterização do aldeído obtido? 10) O que evidência a positividade do teste de Tollens? 11) Em que propriedade química dos aldeídos se fundamenta o teste de Tollens? 49 INFLUÊNCIA DO GRUPO FUNCIONAL SOBRE O ANEL BENZÊNICO (ORIENTAÇÃO E REATIVIDADE) O benzeno trata-se de um composto muito estável não sofrendo ação dos reagentes usuais (por exemplo bromo), nas condições ambientais. Entretanto certos átomos ou grupo de átomos quando ligados a ele podem facilitar ou dificultar o ataque, como também orientar a substituição do anel. No fenol, a substituição eletrofílica (nitração, sulfonação) se dá mais rapidamente do que no benzeno produzindo principalmente os isômeros orto e para. No ácido benzóico a substituição eletrofílica (nitração, sulfonação) ocorre mais lentamente do que no benzeno e conduz sobre tudo a obtenção do isomero meta. No ataque de um reagente eletrofílico ao anel aromático é o grupo ligado ao anel que determina o grau de facilidade do ataque e também o ponto onde ele ocorre. Os grupos ativantes são aqueles que conferem ao anel benzênico maior reatividade do que o benzeno, já os grupos desativantes são aqueles que tornam o anel benzênico menos reativo que o benzeno. Os dirigentes orto para são os grupos que orientam o ataque do agente eletrofílico principalmente para as posições orto para e os dirigentes meta são os grupos que fazem com que o ataque eletrofílico ocorra principalmente na posição meta. Geralmente os grupos ativantes são orientadores orto para e os grupos desativantes são orientadores meta. Os halogênios constituem um grupo a parte, pois são desativantes e dirigentes orto para. Tabela 1- Efeitos dos substituintes na substituição eletrofílica em compostos aromáticos Orto-para-diretores Meta-diretores Grupos ativantes fortes ,,, Ö HN̈ R 2N H R¨N̈ H 2 Grupos desativantes fortes ─NO2, ─NR3 +, ─CF3, ─NH3 + Grupos ativantes moderados N H C O R¨ O R¨ O C O R¨, , Grupos desativantes moderados ─C☰N, ─SO3H, ─COOH, ─COOR, ─CHO, ─COR Grupos ativantes fracos ─R, ─C6H5 Grupos desativantes fracos : ¨ Ï: ¨ B r¨C̈ l ¨ :: ¨ F̈ , , , A finalidade desta prática é fazer com que os alunos possam observar, através de uma reação rápida, a influência destes grupos sobre o anel aromático. 50 Procedimento 1. Pipetar 1,5 mL de solução de ácido benzóico para um tubo de ensaio. 2. Adicionar, também por meio de uma pipeta, pequenas porções de água de bromo agitando o tubo de ensaio após cada adição, até ligeiro excesso, observado a persistência de leve coloração amarela (coloração da água de bromo) na solução de ácido benzóico contida no tubo de ensaio, após 1 minuto de agitação. 3. Repita a experiência anterior (itens 1 e 2), utilizando em vez de solução de ácido benzóico, solução de fenol, anilina, benzeno, nitrobenzeno, benzaldeído ou benzoato de etila. 4. Observe o aspecto, a cor. Substância Estrutura Observações Ácido benzóico Fenol Anilina Benzeno Nitrobenzeno Benzaldeído Benzoato de etila Questionário: 1) Explicar porque a água de bromo é descorada ao entrar em contato com a solução de fenol. 2) Dar a equação da reação entre o fenol e o bromo citando o nome oficial do compostoorgânico formado. 3) Explique porque nas condições usadas nesta prática (a frio e na ausência de catalisadores) não houve reação entre o ácido benzóico e o bromo. 4) De que tipo é a reação de halogenação do fenol? Por que? 5) Explicar porque a reação entre o fenol ou a anilina e o Bromo processa-se rapidamente. 6) Com relação a orientação e reatividade classificar os grupos substituintes OH e COOH. 51 OBTENÇÃO DO CLORETO DE t-BUTILA Podemos obter os halogenetos de alquila pela reação de álcoois com haletos de hidrogênio. A reação pode se dar segundo o mecanismo unimolecular (SN1) ou bimolecular (SN2) e o rendimento depende da classe do álcool se primário, secundário ou terciário. Aplicação Composto muito valioso em síntese orgânica (álcoois, nitrilo, amina). Constantes Físicas Líquido incolor, cheiro característico, PE = 51-2oC; PF = -28,5oC, d= 0,847. Solubilidade: muito levemente solúvel em água; infinitamente solúvel em álcool e éter. Reação C CH3 CH3 CH3 OH + HCl C CH3 CH3 CH3 Cl H2O+ Procedimento Em um funil de separação de 300 mL, coloque 25 g (29,5 mL) de álcool terc-butílico anidro (P.E. 82-83oC, P.F. 25oC) e 85 mL de ácido clorídrico concentrado. Agite a mistura de vez em quando, durante 20 minutos. Após cada agitação, afrouxe a rolha para aliviar a pressão interna. Deixe a mistura em repouso por alguns minutos até que as camadas estejam nitidamente separadas. Retire e abandone a camada ácida inferior. Lave o halogeneto com 20 mL de solução de bicarbonato de sódio a 50%. Separe as fases e reserve o halogeneto. Lave o halogeneto com 20 mL de solução de bicarbonato de sódio 50%. Separe as fases e reserve o halogeneto. Lave o halogeneto com 20 mL de água destilada. Separe as fases e reserve o halogeneto. Seque o preparado com 5 g de sulfato de magnésio anidro ou cloreto de cálcio anidro. Decante o líquido seco por meio de um funil com chumaço de algodão, para um balão de destilação de 125 mL, adicione 2-3 pedrinhas de porcelana porosa e destile. Colete a fração que ferve a 49-5oC. Observações: 1- Pode-se usar álcool comercial de ponto de ebulição constante de 80oC/760 mm Hg, contendo 88% de álcool terc-butílico; são necessários 28,5 g. 52 2- A adição de 10 g de cloreto de cálcio anidro tende a concentrar o ácido e ajuda a separação do cloreto; o rendimento é ligeiramente aumentado. 3- Rendimento: 28g. Questionário: 1) Qual é a função do ácido clorídrico? 2) Qual a função do cloreto de cálcio anidro? 3) Qual a função da lavagem com bicarbonato de sódio? 4) Explicar como se processa a purificação do produto obtido? 5) Efetuar o rendimento teórico e prático? 53 PREPARAÇÃO E PROPRIEDADES DOS SABÕES Preparação do Sabão de Sódio 1. Pesar 75g de NaOH e dissolver em água, completar o volume para 100 mL. 2. Pesar 5g de óleo em um béquer de 100 mL 3. Aquecer brandamente o óleo. 4. Juntar ao óleo, em pequenas porções, 2 mL da solução de NaOH, sempre agitando com bastão de vidro e esperando que termine a reação de cada porção para juntar uma nova. Cuidado pode projetar. 5. Após ter juntado toda solução de NaOH, continuar o aquecimento por mais 5 minutos. 6. Desligar o bico de Bunsen. Deixar o sabão formado e retirá-lo do béquer. 7. Lavar as mãos com um pedaço de sabão obtido. Propriedades dos Sabões 1. Colocar aproximadamente 2 g do sabão obtido em um béquer de 250 mL. Juntar 100 mL de água. Aquecer até a ebulição. Deixar esfriar a mistura. O sabão de sódio foi solúvel em água? 2. Colocar 5 mL da solução em um tubo de ensaio, juntar 1 mL de HCl a 3M. Agitar e observar. 3. Colocar 5 mL da solução de sabão em um tubo de ensaio. Juntar 1 mL de solução de MgSO4 a 0,1 M. Registrar suas observações. Houve formação de algum precipitado? 4. Colocar 5 mL da solução de sabão em um tubo de ensaio, juntar 1 mL de solução de CaCl2 a 0,1 M. Agitar e registrar suas observações. Baseado nos resultados obtidos formular as reações químicas que ocorrem Questionário: 1) Que componentes químicos estão presentes nos óleos e gorduras. 2) O que são os triglicerídeos? 3) Pesquisar a estrutura dos ácidos oléico e esteárico e montar a estrutura da trioleína e da triestearina. 54 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALLINGER, N.L.; CAVA, M.P.; JONGH,, D.C; JOHNSON, C.R.; LEBEL, N.A.; STEVENS, C.L. Química Orgânica. Rio de Janeiro, Ed. Guanabara, 1976. DEGANI, A.L.G.; CASS, Q.B.; VIEIRA, P.C. 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