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Trabajos Prácticos de Química Orgánica II Trabajo Práctico N°4: Derivados de Ácidos Carboxílicos – Esteres

Introducción: Los ésteres, como ya se ha estudiado en trabajos prácticos previos, son compuestos orgánicos que derivan de la sustitución de un grupo hidroxilo de un ácido carboxílico (u otro ácido) por un grupo alcóxido, dando lugar al grupo éster –COOR o –CO2R. Este cambio altera en gran medida las propiedades físicas y químicas de los compuestos, ya que al perder su grupo hidroxilo, pierden la capacidad de establecer puentes de hidrógeno y de esta forma resultan mucho más volátiles y menos solubles en agua que los ácidos carboxílicos de igual número de átomos de carbono. También pierden sus propiedades ácidas en solución acuosa, y sólo pueden captarse los hidrógenos alfa de estos por acción de bases fuertes formando enolatos de ésteres. Los ésteres son muy sensibles a la hidrólisis, regenerando al ácido y al alcohol de los que provienen. Los ésteres de la glicerina son conocidos como glicéridos (que pueden ser monoglicéridos, diglicéridos o triglicéridos en función del número de hidroxilos esterificados del glierol) que forman parte de los lípidos (típicamente son triglicéridos), biomoléculas que cumplen la función de reserva de energía en el organismo. Una de las características más importantes de los ésteres es que presentan aromas y sabores característicos a frutas: Éster Butanoato de Metilo Octanoato de Heptilo Butirato de Butilo Etanoato de Octilo

Aroma Piña Frambuesa Manzana Naranja

Esto hace que la obtención de estos compuestos sea muy empleada en la industria y se busque sintetizarlos.

Fundamentos Teóricos: Los ésteres pueden obtenerse mediante reacción directa del alcohol y el ácido carboxílico correspondientes catalizada por ácidos o bases, reacción conocida como esterificación de Fisher: 𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝐻𝐻 + 𝑅𝑅´ − 𝑂𝑂𝑂𝑂

𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝑅𝑅´ + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂

El mecanismo que sigue esta reacción es una sustitución nucleofílica a un grupo acilo. En general, los alcoholes de pocos átomos de carbono que no presentan un gran impedimento estérico y su nucleofilia es algo mayor que la del agua, aunque esta última presenta un menor impedimento estérico y es un peor grupo saliente, lo que hace que la reacción sea una reacción reversible, y haya que controlar varios factores experimentales para lograr un buen rendimiento en la síntesis de éstos. La reacción suele catalizarse por ácidos, ya que el grupo hidroxilo es peor grupo saliente que el agua, y por esto la hidrólisis alcalina de los ésteres suele ser irreversible (esta reacción es conocida como saponificación). El uso de ácidos deshidratantes, cómo el ácido fosfórico o el ácido sulfúrico, desplaza el equilibrio favoreciendo la formación del éster ya que se genera agua como subproducto.

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El uso de uno de los reactivos como solvente de la reacción (típicamente el alcohol) también aumenta tanto la velocidad como el rendimiento de la reacción, ya que éste puede funcionar como disolvente y también ayuda a desplazar el equilibrio de la reacción hacía productos. En la síntesis del benzoato de metilo pueden observarse las condiciones experimentales anteriormente mencionadas. Este se obtiene por reacción entre el ácido benzoico y el metanol, catalizada por la acción del ácido sulfúrico. La reacción y el mecanismo se describen a continuación:

El metanol es líquido en condiciones ambientales mientras que el ácido benzoico es un sólido, por lo que el alcohol se emplea en exceso y resulta ser el disolvente de la reacción. Dada la volatilidad de esta sustancia se emplea el calentamiento a reflujo para permitir que la reacción se lleve a cabo sin pérdida de éste o del producto que también es relativamente volátil. El ácido sulfúrico es el catalizador por excelencia para estos casos ya que es un ácido fuerte y con acción deshidratante (uno de los productos de reacción es agua). Una vez obtenido el benzoato de metilo, éste debe purificarse, pues se encuentra acompañado de un exceso de metanol, agua y ácido sulfúrico.

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El éster puede ser separado en su mayoría realizando una extracción (separación de una sustancia contenida en una mezcla con un disolvente no miscible con ésta) en cloroformo; dado que la mezcla obtenida tiene un carácter netamente polar y el benzoato de metilo se encuentra emulsionado y sus interacciones son, en principio, de baja polaridad, éste éster resultará mucho más soluble en la fase orgánica de cloroformo que en la fase acuosa-alcohólica. Así se establece el siguiente equilibrio físico: 𝐶𝐶6 𝐻𝐻5 − 𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝑎𝑎𝑎𝑎- 𝑜𝑜𝑜𝑜) ⇄ 𝐶𝐶6 𝐻𝐻5 − 𝐶𝐶𝐶𝐶2 𝐶𝐶𝐶𝐶3 (𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜)

En el cual el benzoato de metilo se disuelve tanto en la fase orgánica (de cloroformo) como en la fase acuosa-alcohólica hasta que se logra un equilibrio estable y dinámico en el cual las concentraciones en ambas fases del éster son constantes (las moléculas pasan de una fase a la otra en simultáneo). De esta forma, se establece una constante de equilibrio, llamada constante de partición, reparto o distribución (Kd), que sólo depende de la temperatura, dada por la relación de la concentración (C) del benzoato de metilo en ambas fases, la cual puede estimarse como la relación de las solubilidades (s) del compuesto en ambos disolventes: 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

𝐾𝐾𝐾𝐾𝑎𝑎𝑎𝑎 =

𝐶𝐶𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 𝑠𝑠𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 ≈ 𝐶𝐶𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑠𝑠𝑎𝑎𝑎𝑎

Esta constante indica cuantas veces más soluble es un dado compuesto en un solvente respecto a otro. Así, si por ejemplo, la relación de las concentraciones orgánico/acuoso de una sustancia X diera como resultado 5, esto indicaría que X es cinco veces más soluble en el disolvente orgánico que en agua. 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶

La 𝐾𝐾𝐾𝐾𝐻𝐻2 𝑂𝑂 3 para el benzoato de metilo indica que el benzoato de metilo es mucho más soluble en cloroformo que en agua por lo que, con una sola extracción, casi todo el éste pasa a la fase orgánica. En el proceso de extracción pueden quedar restos de metanol, agua y ácido sulfúrico en la fase orgánica, por lo que en una primera etapa se lava (el proceso de lavado es distinto al de extracción, pues en este se eliminan impurezas) con agua y luego con solución de carbonato ácido de sodio, en este último caso para neutralizar al ácido remanente: 2 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁3 (𝑎𝑎𝑎𝑎) + 𝐻𝐻2 𝑆𝑆𝑆𝑆4 (𝑎𝑎𝑎𝑎) → 𝑁𝑁𝑁𝑁2 𝑆𝑆𝑆𝑆4 (𝑎𝑎𝑎𝑎) + 2 𝐶𝐶𝐶𝐶2 (𝑔𝑔) + 2 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 (𝑙𝑙)

Una vez terminados los lavados, la fase orgánica debe secarse. Esto se debe a que los restos de agua que pueden quedar en la fase orgánica debido a las interacciones puente hidrógeno establecidos entre los oxígenos de los grupos ésteres y los hidrógenos del agua. De esta forma se emplean sustancias secantes como el sulfato de sodio anhidro que forma su decahidrato: 𝑁𝑁𝑁𝑁2 𝑆𝑆𝑆𝑆4 (𝑠𝑠) + 10 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 (𝑙𝑙) → 𝑁𝑁𝑁𝑁2 𝑆𝑆𝑆𝑆4 . 10𝐻𝐻2 𝑂𝑂 (𝑠𝑠)

El sulfato de sodio también puede captar moléculas de metanol, incluso de éster, por lo que no debe usarse un gran exceso, y lavar al sólido hidratado con cloroformo. Una vez que se ha obtenido la fase orgánica libre de restos acuosos, la mezcla cloroformobenzoato de metilo puede separarse por destilación ya que el solvente orgánico presenta un punto de ebullición mucho menor que el éster, quedando este último en el balón de destilación. La mayoría de los ésteres son líquidos y es por esto que resulta dificultoso caracterizarlos por su punto de fusión, pero si por su punto de ebullición. El punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión del vapor del líquido es igual a la presión atmosférica, y las consideraciones experimentales son similares a las de la determinación del punto de fusión. Un ensayo que puede realizarse para diferenciar haluros de ácido, anhídridos, ésteres y amidas de los ácidos de los cuales derivan es mediante el test de los ácidos hidroxámicos.

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En éste, los derivados se transforman en un ácido hidroxámico que, por agregado de una sal férrica, origina una solución de color violeta. El ácido hidroxámico se obtiene por tratamiento del derivado de ácido con hidroxilamina. Las reacciones involucradas pueden representarse con las siguientes ecuaciones: 𝑁𝑁𝑁𝑁3 𝑂𝑂𝑂𝑂 + 𝐶𝐶𝐶𝐶 − + 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 → 𝑁𝑁𝑁𝑁2 𝑂𝑂𝑂𝑂 + 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 + 𝐻𝐻2 𝑂𝑂 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁

𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝑅𝑅′ + 𝑁𝑁𝑁𝑁2 𝑂𝑂𝑂𝑂 �⎯⎯� 𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁) + 𝑅𝑅′ 𝑂𝑂𝑂𝑂

Parte Experimental:

3 𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁) + 𝐹𝐹𝐹𝐹 3+ → [𝑅𝑅 − 𝐶𝐶𝐶𝐶(𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁)]3 𝐹𝐹𝐹𝐹 + 3 𝐻𝐻 +

Materiales: Vasos de Precipitados, Pipetas, Espátulas, Embudos, Telas Metálicas, Trípodes, Probetas, Termómetros (con una escala mínima de 250°C), Encendedores o Fósforos, Vidrios de Reloj o Cristalizadores, Agarraderas, Mecheros, Papel de Filtro, Microequipos de Calentamiento a Reflujo, Microequipos de Destilación Simple, Tubos de Ensayo, Capilares, Ampollas de Decantación de 125 mL. Reactivos: Ácido Benzoico, Metanol, Ácido Sulfúrico Concentrado, Cloroformo, Solución de Carbonato Ácido de Sodio al 10 %, Sulfato de Sodio Anhidro, Ácido Acético Glacial, Ácido Salicílico, Alcohol Amílico, Alcohol Butílico, Alcohol Isoamílico, n-Octanol, Solución Alcohólica de Clorohidrato de Hidroxilamina 0,5 M, Solución de Ácido Clorhídrico 1 M, Solución de Hidróxido de Sodio 6 M, Solución de Cloruro Férrico 5 %.

Procedimientos:

Síntesis de Benzoato de Metilo: En un vaso de precipitados pesar 3 g de ácido benzoico y agregarle bajo campana y sumergiendo el vaso en un baño de agua fría, 7 mL de metanol. Sin retirar el recipiente del baño de agua, agregar gota a gota 1 mL de ácido sulfúrico concentrado con agitación constante y manteniendo el sistema bajo campana. Trasvasar la mezcla de reacción a un balón y agregue perlas de ebullición o material poroso, y adaptar a un refrigerante sosteniendo el mismo con una agarradera de la parte media y. El balón debe estar sumergido en un cristalizador con agua y éste debe estar sostenido por un trípode y una tela metálica. Una vez finalizado el armado del aparato, calentar a reflujo por una hora. Pasado este tiempo, enfríe la solución, agregue 10 mL de agua y transferir esta mezcla a una ampolla de decantación. Extraer dos veces con 10 mL de cloroformo y posteriormente descartar la fase acuosa (recuerde que los solventes clorados presentan mayor densidad que el agua). Lavar la fase acuosa con 5 mL de agua y posteriormente con 5 mL de solución de carbonato ácido de sodio al 10 %. Durante todo el proceso no olvide purgar el sistema la ampolla de decantación. Descartar en ambos casos la fase acuosa y trasvasar la fase orgánica a un vaso de precipitados, agregarle porciones de sulfato de sodio anhidro para secar la solución (esto se logra cuando se observa que la misma ya no está turbia). Filtrar el sistema para eliminar al sulfato de sodio y lavarlo con otros 5 mL de cloroformo que reunirá con el resto de la fase orgánica. Destile el solvente a baño maría (el punto de ebullición del cloroformo es 61,2 °C) en un microequipo de destilación, deje que el sistema se enfríe y finalmente mida el volumen de éster obtenido para calcular el rendimiento de la reacción.

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Determinación del punto de ebullición por el método de Siwoloboff: En un tubo de ensayos colocar 2 o 3 mL del producto obtenido e introducir el líquido dentro de tubo capilar con uno de sus extremos cerrado hacía arriba adosado a un termómetro con ayuda de una goma. Calentar el tubo sosteniendo el mismo con un broche de madera moviéndolo suavemente. A medida que el sistema es gradualmente calentado, habrá un lento escape de burbujas de aire del capilar. Cuando se alcanza el punto de ebullición del líquido, se observa una rápida y continua corriente de burbujas de aire que salen del tubo capilar. En ese momento se suspende el calentamiento; la velocidad a la cual salen las burbujas disminuye y finalmente, cuando aparece la última burbuja, y esta presenta una tendencia a ser aspirada hacía adentro del capilar, se lee la temperatura que marca el termómetro. Este es el punto de ebullición del líquido porque en ese momento la presión de vapor del líquido es igual a la presión atmosférica. Comparar con el punto de ebullición de tablas. Test de los Ácidos Hidroxámicos: En un tubo de ensayos térmico colocar unas gotas del producto obtenido, agregarle 1 mL de solución alcohólica de clorhidrato de hidroxilamina 0,5 M y 4 gotas de hidróxido de sodio 6 M. Calentar suavemente a ebullición, dejar que se enfríe ligeramente (puedes ayudarte mojando el tubo con agua de la canilla si el mismo no está demasiado caliente) y añadir 2 mL de ácido clorhídrico 1 M. Si la solución es turbia, añada 2 mL de etanol. Por último añada gotas de cloruro férrico hasta observar cambios. Repetir este ensayo colocado una punta de espátula de ácido benzoico. Observar, interpretar y escribir las ecuaciones químicas balanceadas que representan las reacciones que ocurren. Síntesis de Ésteres con aromas: En diferentes tubos de ensayos colocar las cantidades de ácido y alcohol indicadas en el siguiente cuadro (REALIZAR ESTA MEZCLA BAJO CAMAPANA), junto con una gota de ácido sulfúrico concentrado manteniendo los tubos en un baño de agua: Tubo 1 2 3 4 5 6 7

Ácido 1 mL Ácido Acético Glacial 1 mL Ácido Acético Glacial 1 mL Ácido Acético Glacial 1 mL Ácido Acético Glacial 1 punta de espátula de Ácido Benzoico 1 punta de espátula de Ácido Benzoico 1 punta de espátula de Ácido Salicílico

Alcohol 1,5-2 mL de Alcohol Amílico 1,5-2 mL de Alcohol Isoamílico 1,5-2 mL de Alcohol Butílico 1,5-2 mL de n-Octanol 1,5-2 mL de Alcohol Etílico 1,5-2 mL de Alcohol Metílico 1,5-2 mL de Alcohol Metílico

Una vez adicionado el ácido sulfúrico a las mezclas de alcohol-ácido, calentar unos minutos a baño maría y luego sentir el aroma del producto obtenido. Formular las reacciones que tienen lugar.

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Cuestionario: 1) Describe, mediante ecuaciones químicas balanceadas, las reacciones de esterificación de Fisher que permiten obtener a los siguientes productos: a) Acetato de n-Propilo d) Pentanoato de n-Pentilo b) Butanoato de n-Butilo e) Fenilacetato de Isopropilo c) Salicilato de Etilo 2) ¿Por qué es necesario agregar ácido sulfúrico? ¿Qué ácido podría emplearse para reemplazar al mismo? 3) ¿Por qué deben mantenerse las condiciones de la reacción lo más anhidras posibles? Ilustrar con ecuaciones químicas balaceadas. 4) Explicar el objetivo de las siguientes operaciones realizadas en la síntesis del benzoato de metilo: a) b) c) d) e) f)

Calentamiento a reflujo. Realizar un esquema del equipo empleado. Extracción con cloroformo. Lavado con agua. Lavado con solución de carbonato ácido de sodio. Tratamiento con sulfato de sodio anhidro. Destilación. Realizar un esquema del equipo empleado.

5) La mayoría de los ésteres fabricados para ser usados como aromatizantes no se purifican por recristianización ¿a qué se debe este hecho? 6) En el laboratorio de química orgánica se adapató un aparato de reflujo que contenía 87,5 mmol de ácido acético glacial (δ= 1,05 g.cm-3) con 100 mmol de etanol 96 % V/V (δ Etanol Absoluto= 0,789 g.cm-3), y se agregó 1 mL de ácido sulfúrico concentrado. Luego de una hora de reflujo, se purificó adecuadamente el éster obtenido, registrándose 7,8 mL de producto (δ= 0,9 g.cm-3). Se pide: a) Formular la reacción de esterificación de Fisher para sintetizar al acetato de etilo. b) Plantear el mecanismo de la reacción. c) Calcular el volumen de cada uno de los reactivos que son necesarios emplear. d) Justificar cuál es el reactivo en exceso. 7) Determinar el rendimiento de la reacción. Se tienen 100 ml de solución que contiene 1 g de aspirina. Para extraer la misma se colocan en una ampolla de decantación y se agregan 60 ml de éter etílico. a) ¿Qué masa de aspirina se separó de la fase acuosa? b) Repetir el cálculo si se realizan dos extracciones con 30 mL de éter. Datos: Solubilidad en éter etílico= 4,27 g/100 ml – Solubilidad en agua= 1,22 g/100 ml c) Si se cambiara el éter etílico por acetato de etilo ¿se realizará una mejor extracción de la solución acuosa respecto al éter etílico? Justifica tu respuesta. Solubilidad en acetato de etilo= 0,453 M. 8) En un equipo de reflujo se colocan 3,4 g de ácido salicílico con 7 ml de metanol (δ= 0,792 g.cm-3) con 1 mL de ácido sulfúrico concentrado, y se calentó 45 minutos a reflujo. Una vez finalizado este calentamiento se le agrega agua hasta completar 20 ml (la fase se mantiene homogénea) y se extrae dos veces con 5 ml de n-octanol reuniéndose estas fases (inmiscibles con la fase acuosa). Sabiendo que el coeficiente de reparto octanol-agua del salicilato de metilo es 355, determina el volumen de éster obtenido si la densidad del mismo es 1,18 g.cm-3.

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9) Describe brevemente el fundamento del ensayo de la determinación del punto de ebullición de Siwoloboff ¿qué ocurriría con el valor registrado si el éster no se encontrará seco? ¿qué ensayo podría realizar para verificar la formación de un éster? Descríbalo. 10) El 2-aminobenzoato de metilo es un éster que se emplea para fabricar aromatizantes con olor a uva. El mismo puede fabricarse a partir de la esterificación de Fisher del ácido 2aminobenzoico con metanol catalizada por la acción del ácido fosfórico. En un experimento se partió de los reactivos antes enunciados para obtener 5 g de 2aminobenzoato de metilo. a) Formular la reacción que tiene lugar y desarrollar el mecanismo de reacción. b) Teniendo en cuenta que el punto de fusión del éster obtenido es 42 °C ¿qué técnica (o técnicas) emplearía para purificar al mismo una vez separado? Justifique su respuesta. c) ¿Será necesario realizar un calentamiento a reflujo para obtener este éster? d) Calcular qué masa de ácido 2-aminobenzoico y qué volumen de metanol (δ= 0,792 g.cm-3) son necesarios para obtener los 5 g requeridos si la reacción tiene un 67 % de rendimiento.

Bibliografía: Guía de trabajos prácticos de química orgánica II del profesor Diego Amato – Obtención de un éster: Benzoato de Metilo. Shriner. Identificación Sistemática de Compuestos Orgánicos. Editorial Limusa. Ilustraciones realizadas por Facundo Daniel Agostini. Revisión y ampliación, Terraciano, Luca.