preparação e purificação do acetato de isopentila - cempeqc
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PREPARAÇÃO E PURIFICAÇÃO DO ACETATO DE ISOPENTILA Daniela Gonçalves Dias Jeniffer Biin Huoy Lin Renato Oyadomari Abe Reação de Esterificação Os ácidos carboxílicos reagem com álcoois produzindo ésteres quando aquecidos na presença de um ácido mineral (geralmente ácido súlfurico concentrado ou ácido clorídrico anidro). Esterificação de Fischer A esterificação de Fischer é caracterizada pela reação de um álcool com um ácido carboxílico utilizando um ácido como catalizador. O acetato de isopentila é um exemplo da esterificação de Fischer pois é preparado pela esterificação direta de ácido acético com álcool isopentílico na presença de ácido sulfúrico. Este éster é chamado de óleo de banana, uma vez que possui odor característico dessa fruta. Equilíbrio da Reação A reação é reversível e o ácido catalisa tanto a reação direta (esterificação) como a reação inversa (hidrólise do éster). Assim quando o equilíbrio é atingido, permanece no meio uma considerável quantidade dos reagentes. Para deslocar o equilíbrio em favor dos produtos pode-se utilizar dois métodos: remoção de um dos produtos ou excesso de um dos reagentes (se este for barato ou de fácil obtenção). Mecanismo Técnicas Utilizadas Refluxo Extração com Solvente e Químicamente Ativa Efeito Salting-Out Secagem de Líquidos Orgânicos Destilação Simples Refluxo Um dos mais importantes fatores que controlam uma reação é a temperatura. Várias reações à temperatura ambiente dificilmente ocorrem ou são muito lentas. Muitas vezes torna-se necessário manter a mistura em reação à temperatura de ebulição, por algum tempo para que a reação ocorra, é o caso da esterificação de Fischer. Tem-se portanto que aquecer a mistura e para que não se perca reagente ou solvente (por evaporação) pode-se usar um condensador de refluxo, que deve ser adaptado ao frasco de reação por uma rolha ou junta esmerilhada. O vapor produzido pelo líquido volátil ou pelo solvente da mistura atinge o tubo interno do condensador e aí é condensado, retornando ao frasco onde se processa a reação. Refluxo Embora teoricamente o uso do condensador permita um longo período de aquecimento, pode haver escape de vapores através da rolha se esta não for adequada e cuidadosamente furada ou se a junta não estiver perfeitamente adaptada. Além disso, pode haver escape de vapores através da extremidade aberta do condensador , devendo-se portanto controlar o aquecimento de maneira que o vapor alcance somente 1/3 do comprimento do tubo interno. A outra extremidade do condensador , introduzida no frasco de reação, não pode estar mergulhada no líquido. Líquidos , cuja temperatura de ebulição seja superior à 160° C , podem ser refluxados por um condensador resfriado a ar. Estes consistem apenas de um tubo de vidro. Montagem de um sistema de Refluxo Manta de Aquecimento: A manta é recomendada para substâncias inflamáveis pois proporciona um controle do aquecimento e não envolve chamas, eliminando o tumulto durante a ebulição. Condensador de bolas: É usado pois possui uma maior superfície de condensação e proporciona menor resistência à passagem de vapores quando utilizado no refluxo Extração com Solventes e Quimicamente Ativa Extração com Solventes: Processo que decorre da extração de um soluto da mistura orgânica por meio de um solvente imiscível. Extração quimicamente ativa: É o tipo de extração caracterizada pela alteração em um do componente da mistura a fim de mudar o coeficiente de distribuição nos dois solventes. Extração com Solventes e Quimicamente Ativa Efeito Salting-Out Quando um soluto apresenta um coeficiente de distribuição baixo entre o solvente orgânico e água, uma série de extrações não removerão o soluto da água. Nestes casos a adição de um sal inorgânico, como cloreto de sódio, altera o coeficiente de distribuição já que os compostos orgânicos são menos solúveis em água com sal solubilizado do que em água pura e às vezes, essa diferença de solubilidade é dramática. Por conta disso, com uma dissolução simples de cloreto de sódio em água nós podemos diminuir a solubilidade de uma substância orgânica na água e consequentemente aumentar a distribuição de um soluto em um solvente orgânico. Secagem de Solventes Orgânicos O uso de agentes secantes é muitas vezes necessária quando um solvente orgânico apresenta uma certa porcentagem de água em sua composição, nestes casos utiliza-se sais anidros que em contato com a água tornam-se sais hidratados removendo a água do solvente orgânico, os exemplos de sais mais utilizados são o cloreto de cálcio anidro e o sulfato de magnésio anidro. * CaCl2 + 6 H2O MgSO4 + 7H2O CaCl2 . 6H2O MgSO4 . 7H2O Destilação Simples Destilação Simples A destilação simples tem aplicação para separar um líquido de impurezas não voláteis (em solução no líquido) de um solvente usado numa extração, ou excepcionalmente, para separar líquidos de ponto de ebulição afastados. Parte Experimental Transferir 15 ml de álcool isopentílico e 20 ml de ácido acético glacial para um balão de fundo redondo. Em seguida adicionar cuidadosamente e com agitação 4 ml de ácido sulfúrico concentrado e 3 pedras de ebulição. Ligar o balão a um condensador de refluxo e deixar refluxar por 1 hora usando manta como fonte de aquecimento. Deixar o sistema esfriar à temperatura ambiente. Parte Experimental Transferir a mistura fria para um béquer contendo 55 mL de água fria (ácido sempre adicionado sobre água) e agitar a mistura heterogênea com bagueta e transferi-la para um funil de separação. Lavar o balão com 10 mL H2O fria, transferir para o funil e efetuar a extração. Separar a fase aquosa da fase orgânica e adicionar cuidadosamente 25 ml de solução aquosa de bicarbonato de sódio 5% na fase orgânica tomando cuidado com a liberação de dióxido de carbono. Na2SO4 + H2O + CO2 2NaHCO3 + H2SO4 Parte Experimental Remover a fase aquosa e repetir a extração com outra porção de 25 ml da solução de bicarbonato de sódio 5%, agora utilizado para a neutralização do ácido para futura extração pela extração quimicamente ativa, já que o sal formado é solúvel em água. (cuidado com o dióxido de carbono liberado novamente). NaHCO3 + CH3CO2H H2O CH3CO2Na + CO2 + Remover a fase aquosa e verificar se ela se apresenta básica (papel de tornassol). Em caso negativo repetir a extração até que a fase aquosa esteja básica (confirma a ausência de ácido acético). Parte Experimental Adicionar à fase orgânica 25 ml de água e 5 ml de solução saturada de cloreto de sódio. Agitar a mistura suavemente e remover a fase aquosa (efeito Salting-Out). Transferir o éster (pela parte superior do funil) para um erlenmeyer e adicionar cerca de 2g de sulfato de magnésio anidro. Tampar o frasco e agitá-lo ocasionalmente até que o líquido se apresente límpido. Se necessário, decantar a solução e repetir o tratamento com 0,5 g de agente secante. Parte Experimental Montar um sistema de destilação simples (vidraria seca). Coletar a fração destilada entre 134-143oC, recebendo o destilado em um erlenmeyer pesado, mantido em banho de gelo. Pesar o produto e calcular a % de rendimento. Anotar a pressão e corrigir o p.e. Cálculo do Rendimento da Experiência. Rendimento (estequiometria 1:1) V acido =20.00m dacido= 1.049 g/mL-1 PMacido= 60.05 g/mol-1 Valcool = 15.00mL dalcool= 0.813g/mL-1 PMalcool=88.15 g/mol-1 Reagente em excesso (ácido acético) d=m/v m= d.v m=1.049x(20)=20.98g 1 mol ac-----60.05g n-------20.98g n=0.350mols Reagente limitante (álcool) d=m/v m= d.v m=0.813x(15)=12.20g 1 mol -------- 88.15g n----------12.20g n=0.138mols X moles de ester = X moles do alcool = 0.138 1 mol ester ---------130.12g 0.138mols------------Y Y=17.96g 17.96g--------100% Xg----------Z% Rendimento = X x100 17 , 96 BIBLIOGRAFIA 1. D.L. PAVIA, G.M. LAMPMAN and G.S. KRIZ JR. lndroduction to Laboratory Techniques, 2nd ed., Saunders, 1995. 2. L.F. FIESER - "Experimentos Orgânicos", Editorial Reverté, 1967. 3. G.R. ROBERTSON and T.L. JACOBS - "Laboratory Practice of Organic Chemistry, 4th ed., Macmillan, 1962. 4. A.I. VOGEL – “Química Orgânica”, trad. 3ªed. , Editora da Universidade de São Paulo Química Orgânica Experimental I Preparação e Purificação do Acetato de Isopentila Bruna Rafaela de Oliveira Juliana Oyan Roque Leonardo Perez de Souza Introdução Neste experimento, será preparado um éster, o Acetato de Isopentila que freqüentemente é chamado de óleo de banana devido ao odor semelhante ao da fruta, o acetato de isopentila, é também conhecido como acetato isoamílico. Esse éster é pouco solúvel em água e miscível com a maioria dos solventes orgânicos. Aplicações Nas formulações de tintas, atua como um excelente solvente ativo, de média taxa de evaporação para a maioria das resinas acrílicas, celulósicas), epóxis, poliésteres, poliuretânicas e sistemas híbridos. Apresenta alta resistividade elétrica, atuando como regulador de condutividade, contribuindo assim para a melhoria do rendimento e das características de deposição de tintas base solvente, aplicadas eletrostaticamente. É utilizado em formulações de adesivos e de produtos para limpeza. É utilizado também na preparação de aromas e fragrâncias como solvente e intermediário de síntese Toxicidades Ácido acético glacial: Libera vapores de odor irritante. Manusear em capela. Evitar contato com pele, olhos e boca. Ingestão pode causar corrosão da boca e do trato gastro intestinal. Ácido sulfúrico concentrado: provoca sérias queimaduras. Exposição prolongada causa irritação da pele, olhos, nariz e garganta. Acetato de isopentila: os principais indícios de exposição prolongada são: irritação dos olhos, pele, nariz e garganta; dermatites. Álcool isopentílico: exposição prolongada causa irritações nos olhos, pele, nariz e garganta; dor de cabeça, tontura; tosse, dificuldade na respiração, náusea, vômito e diarréia; rachadura na pele. Sulfato de magnésio: em contato com os olhos causa vermelhidão e a ingestão causa câimbras e diarréia. Bicarbonato de sódio: baixíssima toxicidade. Cloreto de sódio: baixíssima toxicidade. Primeiros Socorros Em caso de contato acidental: – Olhos: lavar abundantemente com água. – Pele: lavar as partes atingidas com água. – Ingestão: procurar auxílio médico. Obtenção O Acetato de Isopentila é obtido através da reação direta de esterificação entre o álcool isopentílico e o ácido acético. A reação ocorre muito lentamente na ausência de ácidos fortes, por isso acrescenta-se ácido sulfúrico ou ácido clorídrico concentrado no meio reacional. Sendo assim uma catálise ácida. Esse tipo de reação é chamada de esterificação de Fischer. Esterificação ácido carboxílico + álcool éster + água Ex: CH3CO2 + (CH3)2CH2CH2CH2OH ' CH3CO2CH2CH2CH(CH3)2 + H2O HAc Álcool Isopentílico Acetato de Isopentila Esterificação de Fischer Mecanismo da Esterificação de Fischer Equilíbrio químico A esterificação é um exemplo de reação que entra em equilíbrio. Por se tratar de um equilíbrio o rendimento da reação nunca será de 100%. Uma vez que o equilíbrio não favorece a formação do produto, ele deve ser deslocado para a direita favorecendo à formação do éster utilizando-se excesso de um dos reagentes e aumentando o rendimento. O reagente que utiliza-se em excesso é o ácido acético, pois o ácido é de fácil obtenção, tem custo baixo em relação ao álcool isopentílico e é facilmente removido da mistura reacional. Sendo o álcool isopentílico o reagente limitante. Pode-se aumentar ainda mais o rendimento da reação removendo a água da mistura reacional. Estequiometria da esterificação Concentração dos reagentes: – Com quantidades equimolares (1:1) de ácido e álcool, a esterificação pára, segundo sua cinética, quando 2/3 do ácido é consumido. Analogamente, quantidades equimolares de éster e água, a hidrólise pára quando 1/3 do éster reage. Variando a taxa ácido/álcool, isto é, trabalhando com excesso de um dos reagentes, é possível deslocar o equilíbrio, aumentando o rendimento. Técnicas Utilizadas Refluxo Extração com Solvente Extração Quimicamente ativa Efeito Salting-Out Secagem de Líquidos Orgânicos Destilação Simples Refluxo Uma forma de aumentar a velocidade de uma reação é aquecendo o meio reacional. A técnica de refluxo permite que seja realizado o aquecimento sem a perda de compostos voláteis. Esse aquecimento é feito com o uso de manta elétrica, ou seja, uma resistência elétrica a qual se encontra envolvida por algodão de vidro. A velocidade do refluxo deve ser tal que a condensação de vapores se dê, no máximo, até 1/3 da altura do condensador, isto evita que algum vapor consiga escapar através do condensador. Aparelhagem do refluxo Condensador Frasco de ebulição Manta de aquecimento Refluxo Refluxo Condensador de bolas: utiliza-se o condensador de bolas pois a sua forma proporciona uma maior superfície de contato entre o gás e as paredes do condensador, em relação ao condensador de Liebig. Refluxo Manta de Aquecimento: Proporciona um aquecimento constante e controlado, atingindo prontamente temperaturas de cerca de 400°C. Pode ser empregada com líquidos altamente inflamáveis, e o “tumulto” na ebulição é grandemente eliminado. Por que o uso de pedras de ebulição? Para evitar a ebulição tumultuosa do líquido durante o refluxo sob pressão atmosférica. Consiste em adicionar poucos fragmentos de porcelana porosa não vidrada ao balão. Esses liberam pequenas quantidades de ar que promovem o refluxo regular. Estes fragmentos são adicionados ao líquido frio, antes que se inicie o refluxo. A porcelana porosa jamais deve ser colocada em um líquido que já foi aquecido até a ebulição: o desprendimento de vapor pode resultar em arrasto e, às vezes, em uma grande porção do líquido ser projetada fora do balão. Cuidados a serem tomados!! Observar se o fluxo de água esta correto, ou seja, de baixo para cima. Usar o modo de aquecimento correto. (manta elétrica) Utilizar pedras de ebulição. Deve-se controlar o aquecimento de maneira que o vapor alcance somente 1/3 do comprimento do tubo interno do condensador, para evitar o escape de vapores. Fluxo de água constante para favorecer o resfriamento. A pressão do fluxo de água deve ser alta o suficiente para manter o fluxo, mas não excessivamente forçando a mangueira do condensador. Extração simples A extração consiste na separação de um componente de uma mistura por meio de um solvente.Os solventes devem ser imiscíveis e formar duas fases ou camadas separadas. A substância de interesse deve ser mais solúvel no segundo solvente. Extração Extração quimicamente ativa Nesta prática a mistura reacional não pode ser separada através de uma extração passiva. Na extração quimicamente ativa fazemos com que um dos compostos reaja de modo que suas características sejam alteradas, para assim podermos separá-los. Extração quimicamente ativa Nesta prática, adiciona-se um reagente (solução de bicarbonato de sódio) que reage com a substância a ser retirada (ácido acético) da solução de interesse. O produto da reação (Acetato de sódio) deve ser mais solúvel em outro solvente (água) que na solução de interesse, extraindo então o sal formado da solução orgânica. NaHCO3 + CH 3 COOH → CH 3 CO2 Na + H 2 O + CO2 Extração quimicamente ativa O bicarbonato de sódio, também reage com o ácido sulfúrico presente, neutralizando-o e garantindo um meio básico. NaHCO3 + H 2 SO4 → Na 2 SO4 + H 2 O + CO2 Obs: nenhuma reação que libera gás pode ser realizada dentro de um funil de separação! Este corre o risco de estourar. Efeito salting-out A adição de solução saturada de cloreto de sódio, irá diminuir a solubilidade do éster formado em água, fazendo com que esta possa ser removida, sem perda do produto desejado, garantindo um bom rendimento. Secagem de Líquidos Orgânicos Utiliza-se agentes secantes inorgânicos e minerais. Seu SULFATO DE MAGNÉSIO ANIDRO: forma objetivo é eliminar a água da mistura. com a água um sal hepta- hidratado (MgSO4.7H2O). É um agente secante neutro, de ação rápida e quimicamente inerte. Pode ser utilizado em misturas contendo ésteres, aldeídos, aminas, amidas e cetonas. MgSO 4 + 7 H 2 O → MgSO 4 .7 H 2 O Para as misturas citadas acima, não se pode empregar o Cloreto de Cálcio como agente secante, em virtude de reagirem quimicamente com esses compostos. Secagem de Líquidos Orgânicos Uma substância dessecadora deve satisfazer as seguintes condições: não reagir quimicamente com nenhum dos componentes da mistura; não deve dissolver-se apreciavelmente no produto; não provocar, por catálise, reações do composto entre si: polimerização, condensação ou auto oxidação, nem com os demais componentes da mistura. Possuir a capacidade de secagem rápida e efetiva; Ser de fácil aquisição e por preço baixo. Teoria de Destilação Aplicações: Separar um líquido de impurezas não voláteis (em solução no líquido); Separar um líquido de um solvente usado numa extração; Separar líquidos de ponto de ebulição afastados. No caso deste experimento corresponderá à separação do acetato de isopentila (P.E. 142°C) do restante das impurezas. Sistema de Destilação Simples Cuidados na destilação Uso de manta de aquecimento Uso de pedras de ebulição Uso de vidraria seca Uso de banho de gelo Não descuidar da temperatura a ser usada Perda do produto obtido por evaporação Propriedades físicas das substâncias Nomencla tura Ácido Acético CH3O2H Álcool Isopentíli co C5H12O Bicarbon ato de sódio NaHCO3 Ácido Sulfúrico H2SO4 Cloreto de Sódio NaCl Sulfato de Magnésio MgSO4 Acetato de Isopentila C7H14O2 Densidade (g/mL) 1,0492 0,813 2,159 1,84 2,17 1,67 0,8670 M.M. (g/mol) 60,05 88,15 84,01 98,08 58,45 120,37 130,19 p.f (ºC) 16,604 -117,2 ______ 10 804 ______ -78,5 p.e (ºC) 118 130,5 ______ 290 1413 ______ 142 Nomenclatu ra Ácido Acético CH3O2H Álcool Isopentílico C5H12O Bicarbona to de sódio NaHCO3 Ácido Sulfúrico H2SO4 Cloreto de Sódio NaCl Sulfato de Magnésio MgSO4 Acetato de Isopentila C7H14O2 Solubilidade Excelente solvente para diversos compostos orgânicos, miscível em água, álcool glicerol e éter. Fracament e solúvel em água, miscível em álcool, éter, benzeno, clorofórmio Solúvel em 10 partes de água, insolúvel em álcool Miscível em água e em álcool com liberação de muito calor e contração de volume. Insolúvel em HCl concentrad o Solúvel em água, levemente solúvel em álcool. Miscível em álcool, éter, acetato de etila. Propriedades Físicas Líquido, odor pungente Liquido, odor Desagradáv el característi co Cristais brancos ou granulado s Liquido incolor e volátil Cristais brancos, grânulos ou pó, incolor Cristais ou pó eflorescent es Incolor e liquido neutro Fluxograma *As pedras de ebulição auxiliam na formação de bolhas no líquido, diminuindo o risco de ebulição tumultuosa. 15 mL de álcool isopentílico em um balão de fundo redondo 1. 2. 3. 4. 5. 6. Adicionar 20mL de ácido acético glacial Acrescentar 4mL de ácido sulfúrico concentrado com cuidade e agitando. Adicionar pedras de ebulição*; Conectar o balão a um condensador de refluxo; Refluxar por 1 hora, utilizando manta como fonte de aquecimento Deixar esfriar à temperatura ambiente; Acetato de Isopentila + ácido acético Traços: álcool isopentílico, água, ácido sulfúrico. 7. Transferir a mistura para um funil de separação; 8. Adicionar 55mL de água fria; 9. Lavar o balão com 10mL de água fria e transferir para o funil de separação; 10. Efetuar a extração simples; Fase aquosa (inferior): H3O+, HSO4acetato, acetato de isopentila, álcool isopentílico Fase Orgânica (superior): acetato de isopentila, ácido acético Traços: H3O+, HSO4-, SO42-, acetato, água e álcool isopentílico 10.a-Transferir a solução para um béquer 11. Adicionar 25mL de solução aquosa de bicarbonato de sódio 5%*; * Há liberação de CO2. ** Extração quimicamente ativa 12. Fazer extração**, removendo a fase aquosa; 13. Adicionar novamente 25mL de solução aquosa de bicarbonato de sódio 5%; 14. Repetir a extração, removendo a fase aquosa; Fase aquosa (inferior): Na+, acetato, H3O+, HSO4Traços: acetato de isopentila, álcool isopentílico Fase Orgânica (superior): acetato de isopentila Traços: Na+, H3O+, HSO4-, SO42-, acetato, água e álcool isopentílico 15. Medir o pH da fase aquosa após a extração usando papel de tornassol; 16. Se esta não se apresentar básica, repetir a extração até obtê-la básica; * Efeito salting - out. 17. Adicionar 25mL de água e 5mL de solução saturada de cloreto de sódio*; 18. Agitar a mistura suavemente e extrair a fase aquosa; Descartar Fase aquosa (inferior): Na+, acetato, Cl-. Traços: acetato de isopentila, Na+, H3O+, HSO4-, SO42-, Cl-, acetato, água e álcool isopentílico Descartar Fase Orgânica (superior): acetato de isopentila Traços: Na+, H3O+, HSO4-, SO42-, Cl-, acetato, água e álcool isopentílico *Transferir o éster pela parte superior do funil. 19. Transferir o éster* para um erlenmeyer de 250 ml e adicionar 2g de MgSO4 anidro; 20. Tampar o frasco e agitar ocasionalmente até que o líquido apresente-se límpido; 21. Se necessário, decantar a solução e repetir o tratamento com 0,5g de MgSO4; Fase Orgânica: acetato de isopentila Traços: Na+, H3O+, HSO4-, SO42-, Cl-, acetato, água e álcool isopentílico * Vidraria seca. 22. Montar um sistema de destilação simples*; 23. Coletar a fração destilada entre 134 e 143ºC, em um erlenmeyer previamente tarado e em banho de gelo; Acetato de isopentila 24. Pesar o produto e calcular o rendimento; 25. Anotar a pressão e corrigir o ponto de ebulição; 26. Armazenar o produto obtido num frasco rotulado contendo faixa de destilação, volume, massa, data, componentes do grupo. Cálculo do rendimento Ácido Acético Álcool Isopentílico Volume do ácido= 20.00 mL Densidade do ácido= 1.045 g mL-1 MM ácido= 60.05 g mol-1 Densidade do álcool= 0.813 g mL-1 d=m/V d=m/V m=d.V m=1,045 x 20,00=20,90g 1mol ác. acético --- 60,05g n --- 20,90g n=0,348mol de ác. acético Volume de álcool= 15.00 mL MM álcool= 88.15 g mol-1 m=d.V m=0,813 x 15,00=12,20g 1mol álcool --- 88,15g n ---12,20g n=0,138 mol de álcool Rendimento Densidade do éster= 0.876 g mL-1 MM éster= 130.18 g mol-1 CH3CO2 + (CH3)2CH2CH2CH2OH ' CH3CO2CH2CH2CH(CH3)2 + H2O 1mol de éster = 1 mol de álcool n mols de éster = 0,138 mols de álcool 1 mol de éster = 130,12g 0,138 mol de éster = x x = 17,96g* * Massa de éster equivalente a 100% de rendimento. Rendimento (%)= (m de éster obtida x 100)/17,96 Bibliografia VOGEL, A. I. Análise Orgânica Qualitativa, vol. 1, 3ª edição, Livros Técnicos e Científicos, Editora Rio de Janeiro. PAVIA, D. L., LAMPMAN, G. M., KRIZ, G. S. Introduction to Laboratory Techniques: a microscale approach. 2nd ed. Philadelphia: Saunders College, 1995. http://labjeduardo.iq.unesp.br Solomons,G. Química Orgânica, vol2, 7aedição. Editora LTC, 2002.
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