Relatório do 2º Trabalho de Química Orgânica Separação e purificação de compostos orgânicos (2 sessões) 1ª sessão: Separação da p-toluidina, ácido benzóico e naftaleno 2ª sessão: Purificação do ácido p-toluidina ácido benzóico naftaleno Trabalho realizado por: Ana Patrícia Filipe nº62829 Gonçalo Rodrigues nº62827 MEBM
Índice: 1.Resumo... 3 2.Introdução... 3,4 3.Procedimento... 4 3.1.Primeira sessão... 5 3.2.Segunda sessão... 6 4.Resultados... 6 4.1.Rendimentos das separações... 6 4.2.Pontos de fusão... 7 5.Discussão/Questões... 7 5.1.Esquemas das reacções... 8,9 6.Conclusão... 9 7.Bibliografia... 9 2
1.Resumo Este trabalho experimental teve como objectivo a separação e purificação dos compostos orgânicos: ácido benzóico, p-toluidina e naftaleno. Para tal, utilizaram-se processos de separação baseados nas suas propriedades químicas, como solubilidade, ponto de ebulição basicidade e acidez. Procurou-se responder às seguintes questões sobre a experiência: Qual o rendimento da separação? Quais os pontos de fusão e o grau de pureza dos compostos obtidos? Quais os mecanismos das reacções. Obteve-se um rendimento da extracção de 50,8 % para o ácido benzóico, 56,7 % para a p-toluidina e 38,2 % para o naftaleno. Quanto à pureza, avaliada a partir da aproximação dos valores experimentais dos pontos de fusão aos valores teóricos, foram obtidos os erros relativos 0,4 %, 4,7 % e 6,4 % para o ácido benzóico, p-toluidina e naftaleno, respectivamente. Estes resultados mostram um elevado grau de pureza para os compostos obtidos (ainda que só o ácido benzóico tenha sido purificado), e, no caso da p-toluidina e do ácido benzóico, mostram que a separação foi feita com um rendimento muito próximo do valor esperado (cerca de 50%). 2.Introdução Compostos orgânicos são compostos químicos que contêm átomos de carbono. Apenas uma pequena parte dos compostos de carbono não é orgânica mas sim inorgânica, como óxidos de carbono, carbonatos e cianidos [1]. Até 1828, os cientistas acreditavam que os compostos orgânicos apenas podiam ser sintetizados por seres vivos, daí o nome [2]. A separação de misturas de compostos químicos é de grande importância pois para poder avaliar a composição de uma amostra química é frequentemente necessária a separação de alguns ou todos os seus componentes, e a maior parte dos compostos de interesse bioquímico ocorrem naturalmente em misturas muito complexas. [3] As separações podem ser conseguidas a partir de diferenças nas propriedades químicas, como difereças de ponto de ebulição ou outros meios químicos onde diferenças físicas são realçadas por reacções químicas. Os compostos orgânicos, em contraste com materiais inorgânicos, geralmente derretem, evaporam e decompõem-se a temperaturas inferiores a 300ºC. Tendem a ser 3
pouco solúveis em água e dissolver em solventes orgânicos, e, tal como os compostos inorgânicos, podem formar cristais. [4] Para a separação de compostos orgânicos podemos utilizar diversos processos, como extracção por solvente, cromatografia e troca de iões. Para componentes neutros, procura-se tirar partido da sua forte solubilidade em solventes orgânicos e diferenças de pontos de ebulição. Para um componente ácido, adiciona-se uma base com a qual este vai reagir para formar um anião, que é solúvel em água. Para um componente básico, adiciona-se um ácido com o qual reage formando um catião solúvel em água. [5] Nesta experiência os compostos que se procurou separar e purificar foram o ácido benzóico, a p-toluidina e o naftaleno. O ácido benzóico é um sólido incolor cristalino e o mais simples dos ácidos carboxílicos aromáticos. É um ácido fraco e importante precursor para a síntese de muitas outras substâncias orgânicas. Pode ser purificado por recristalização de água, devido à sua elevada solubilidade em água quente e fraca solubilidade em água fria. A p-toluidina é uma amina aril cuja estrutura química é semelhante à da anilina com a excepção de um grupo metil ser substituido no anel aromático. É uma base fraca devido ao grupo amina ligado ao anel aromático. À temperatura e pressão ambiente, a para-toluidina apresenta-se como um sólido escamoso. Não é solúvel em água pura, mas torna-se solúvel se o meio aquoso for ácido. O naftaleno é um hidrocarboneto cristalino aromático branco, com a estrutura de dois anéis de benzeno fundidos. É volátil, formando um vapor inflamável, e prontamente sublima à temperatura ambiente. [6] Assim, para separar estes compostos, há que basear-nos nas suas propriedades químicas e tratar o ácido benzóico, a p-toluidina e o naftaleno como o ácido, base e composto neutro que são respectivamente. 3.Procedimento O trabalho experimental dividiu-se em duas sessões, sendo que a primeira consistia na separação do ácido benzóico, da p-toluidina e do naftaleno, e a segunda consistia na purificação destes mesmos compostos. [7] 4
3.1. Primeira sessão Deitou-se 150 ml de uma solução contendo ácido benzóic, p- toluidina e naftaleno numa ampola de decantação, com uma concentração de 2 g/150 ml igual para os três compostos. Iniciou-se a extracção do ácido benzóico deitando uma solução de hidróxido de sódio 3M, 30 ml, na ampola. Agitou-se, e depois de repousar, retirou-se a fase aquosa para um erlenmayer e repetiu-se o processo. Extraiu-se a p-toluidina deitando uma solução aquosa de HCl 3M, 30 ml, na ampola. Agitou-se, e depois de repousar, retirou-se a fase aquosa para um erlenmayer e repetiu-se o processo. Em seguida, secou-se a fase orgânica restante, com o naftaleno impuro, com sulfato de magnésio anidro e filtrou-se, num funil com filtro de pegas, para um balão de 250 ml. Depois, destilou-se o clorofórmio num evaporador rotativo, Büchi B-491, (esta destilação deu-se à temperatura de 54 C e à pressão de 600 mmhg), até restarem cerca de 2mL e arrefeceu-se em gelo. Precipitou-se a fase aquosa, que continha o sal do ácido benzóico, com uma solução de HCl 3M até ph ácido (cerca de 100mL) e arrefeceu-se em gelo. Filtrou-se o ácido benzóico num funil de Bünchner, lavou-se com água gelada e guardou-se num frasco. Precipitou-se a fase aquosa, que continha sal da p-toluidina, com uma solução de NaOH 3M até ph básico Fase Aquosa R COO - Na + + HCl R COOH - Precipita + NaOH + Mistura: R neutro R NH 2 ácido R COOH básico CHCl 3 - clorofórmio Fase Aquosa R NH 3 + Cl - R NH 2 - Precipita + NaOH Fase Orgânica R Sulfato de magnésio, filtração e destilação Fase Orgânica (cerca de 125mL) e arrefeceu-se em gelo. Finalmente, filtrou-se a p- toluidina num funil de Bünchner, lavouse com água gelada e guardou-se num frasco. R 5
3.2.Segunda sessão Nesta sessão realizou-se, apenas, a purificação do ácido benzóico por haver falta de tempo para a purificação dos outros compostos. Fica a informação de que a purificação da p-toluidina e do naftaleno se realizaria da mesma forma. Recristalizou-se o ácido benzóico com água, colocando o sódio obtido num erlenmeyer de 250mL,e adicionando regularizadores de ebulição, água suficiente para cobrir o sódio e aqueceu-se numa placa eléctrica. Adicionou-se um pouco de carvão activado e deixou-se o refluxo mais 2 minutos. Filtrou-se a solução quente por um fio de pregas colocado num funil aquecido com camisa de água, e recolheu-se o filtrado num erlenmeyer. Arrefeceu-se em gelo e filtrouse a vácuo num funil de Bünchner e guardo-se num frasco. Isolados os compostos, procedeu-se à secagem da restante água presente nas amostras. Essa secagem ocorreu numa estufa, a baixa pressão, Raypan EV-50. Aproximadamente três dias depois, pesaram-se os frascos com os três compostos separados e purificados, e determinaram-se os seus pontos de fusão. 4. Resultados 4.1.Rendimentos das separações Para calcular os rendimentos das separações, determinaram-se, em primeiro lugar, as massas dos compostos purificados obtidas. Para isso fez-se a diferença entre as massas dos recipientes com os compostos e as massas dos recipientes vazios. As massas foram medidas numa balança Kern 440-47. Tabela 1 - Massas dos compostos e rendimentos Compostos Massas Rendimentos Ácido Benzóico 1,016 g 50,8 % P-toluidina 1,134 g 56,7 % Naftaleno 0,764 g 38,2 % Em segundo lugar, determinou-se a massa total do composto presente em cada solução inicial de 150 ml. Como todos os compostos se encontravam dissolvidos com uma concentração igual a 2 g/ 150 ml, a massa total presente nas amostras era igual a 2 g. 6
4.2.Pontos de fusão Tabela 2 - Pontos de Fusão Compostos Ponto de Fusão Ponto de fusão teórico [2] Erro Relativo Ácido Benzóico 123 ºC 122,4 ºC 0,4 % P-toluidina 41 ºC 43 ºC 4,7 % Naftaleno 85,3 ºC 80,2 ºC 6,4 % Para determinar os pontos de fusão utilizou-se o aparelho Büchi 530. 5.Discussão/Questões Começando pelos rendimentos das separações, podemos desde já dizer que os valores obtidos para o ácido benzóico (η=50,8 %) e para a p-toluidina (η=56,7 %) são bastante bons, uma vez que o valor esperado era 50% de rendimento, e este valor é ultrapassado em ambos os casos. No caso do naftaleno (η=38,2 %), o rendimento foi inferior ao das outras separações. Este facto pode dever-se a: após a filtração, podem terse perdido alguns cristais enquanto se guardava o composto purificado; o naftaleno é um composto volátil que facilmente sublima à temperatura ambiente; e porque passou por mais processos de separação que os outros compostos, e isso pode ter levado a mais perdas no geral. Em relação aos pontos de fusão, ácido benzóico p.f. = 123 ºC, p-toluidina p.f. = 41 ºC e naftaleno p.f. = 85,3 ºC, aproximaram-se muito dos valores esperados (122,4 ºC; 43 ºC; 80,2 ºC, respectivamente), apresentando margens de erro quase desprezáveis. Este facto é um indicador do elevado grau de pureza dos produtos finais. É certo que só o ácido benzóico foi purificado, e, por essa razão, apresenta um erro relativo menor (0,4 %), mas os pontos de fusão medidos para os outros produtos devem ser tomados em conta, porque mostram que a separação dos diferentes compostos foi realizada com sucesso. 7
5.1.Esquemas das reacções [7],[8] a) Extracção do Ácido Benzóico através da reacção com Hidróxido de Sódio (NaOH): b) Extracção da p-toluidina reagindo com o Ácido Clorídrico (HCl): c) Precipitação da fase aquosa contendo o sal de Ácido Benzóico com uma solução de Ácido Clorídrico (HCl): d) Precipitação da fase aquosa contendo o sal da p-toluidina com uma solução de Hidróxido de Sódio (NaOH): 8
6.Conclusão Terminado o trabalho laboratorial, podemos concluir que este decorreu sem problemas e que os resultados obtidos, de uma maneira geral, foram os esperados. Os compostos foram separados com rendimentos razoáveis, e o ácido benzóico foi purificado eficazmente. 7.Bibliografia [1] http://library.thinkquest.org/3659/orgchem/ [2] http://www.answers.com/topic/organic-compound [3] http://caltechbook.library.caltech.edu/122/10/bpocchapter9.pdf [4]http://en.wikipedia.org/wiki/Organic_chemistry [5] http://jan.ucc.nau.edu/~jkn/235l3-separations.htm [6]http://en.wikipedia.org [7] SIMÃO, Dulce, et al., QUIMICA ORGÂNCIA LABORATÓRIO, 2º Semestre 2008/2009, Departamento de Engenharia Química e Biológica, Instituto Superior Técnico; [8] SIMÃO, Dulce, QUIMICA ORGÂNICA, ACETATOS AULAS TEORICAS, Parte I, 2º semestre 2008/2009, IST - Secção de Folhas. [9] Becker, et al., Organikum, Gulbenkian; 9