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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ GIOVANNA GIACOBBO ALVES JACKELINE CAMARGO BAGIO MARIANE BORGES GHELLER SÍNTESE DE ACETONA RELATÓRIO DE QUÍMICA ORGÂNICA II APUCARANA 2015 2 SUMÁRIO 1-INTRODUÇÃO ............................................................................. 3 2-OBJETIVOS ................................................................................. 4 3-MATERIAIS E MÉTODOS ........................................................... 4 3.1- MATERIAIS.......................................................................4 3.2 – MÉTÓDOS ......................................................................5 4-RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................... 10 5-CONCLUSÃO ............................................................................ 13 REFERÊNCIAS ............................................................................. 14 3 1 – INTRODUÇÃO O campo da química se divide em dois grupos sendo estes o da química inorgânica e o da química orgânica, está por sua vez trabalha com várias sínteses como a da acetona muito usada em laboratórios e indústria. A acetona se caracteriza por ser um composto orgânico (apresenta carbonos e hidrogênio em sua estrutura) que possui formula geral RR’CO, onde R e R’ podem ser radicais alifáticos ou ramificados, contendo também uma ou mais carbonila (C=O) sendo assim classificada também como um composto carbonilico. (MORRISON,1985) A presença do grupo carbonila (que forma uma disposição trigonal plana entre o C, O e radicais) gera uma polaridade nestas, fato este que permite um ponto de ebulição mais elevado que os hidrocarbonetos e mesma massa molar, mas menor que os álcoois correspondentes e uma dificuldade na oxidação destes compostos. (SOLOMONS,2002) Devido a sua ampla utilidade são conhecidos várias formas de síntese uma acetona, sendo um exemplo a oxidação de um álcool secundários. Essas oxidações normalmente ocorrem com o auxílio de agentes oxidantes baseados no cromo VI (KMnO4, K2Cr2O7 ou por desidrogenação sobre cobre); a oxidação além da acetona implica na ruptura de ligações carbono – carbono, assim só é produzida na presença de uma alta quantidade de energia. A oxidação de um álcool implica na retirada de um hidrogênio do carbono ao qual o grupo hidroxila (OH) do álcool está ligado e possuindo ampla importância uma vez que permite a preparação de diversos compostos com grande facilidade. (SOLOMONS,2001; MORRISON,1985) A síntese da acetona embora de grande importância comercial gera um número alto de resíduos, desse modo é desvantajosa do ponto de vista ambiental. Sendo portanto uma área de estudo da química verde “desenvolvimento e implementação de produtos químicos e processos para reduzir ou eliminar o uso ou geração de substancias nocivas à saúde humana e ao ambiente”. (LENARDÃO,2003) Dentro dos princípios de estudo da química verde o que traria uma melhoria do ponto de vista ambiental para a síntese de acetona é o conceito de economia de átomos que investiga “metodologias sintéticas que possam 4 maximizar a incorporação de todos os materiais de partida no produto final”. Assim com técnicas sintéticas um número maior de acetona poderia ser sintetizada em cada processo como no caso da oxidação de álcoois gerando um número menor de resíduos e mais produtos. (LENARDÃO,2003) 2 - OBJETIVO Obter 10 mL de acetona por dois métodos diferentes e compara-los. 3 - MATERIAIS E MÉTODOS 3.1 – MATERIAIS Prática I - 11 mL de 2-propanol; - 122 mL de água destilada; - 14,4 mL de Ácido sulfúrico concentrado; - 14,48 gr de dicromato de potássio; - Balão volumétrico 125 mL; - Balão volumétrico 250 mL; - Bastões de vidro; - Bequer de 250 mL; - Condensador de Liebig; - Funil simples; - Gelo; - Manta de aquecimento; - Pérola; - Proveta de 100; - Proveta de 25 mL; - Termômetro. 5 Prática II - 11 mL de 2- propanol; - 91 mL de ácido acético; - 91 mL de hipoclorito de sódio; - 2,8 mL de DNPH; - 2,8 mL de solução saturada de bissulfito; - Agitador magnético; - Balão de 500 mL; - Bastão de vidro; - Bequer de 500 mL; - Capela; - Erlemeyer de 250 mL; - Gelo; - Papel iodetado; - Pérola; - Pipeta de 5 mL; - Pipeta de Pasteur; - Proveta de 100 mL; - Sistema de destilação simples; - Termômetro. 3.2 - MÉTODOS A prática I consistia na síntese de 10 mL de acetona a partir de uma reação de oxiredução. Em função deste objetivo fizeram-se os cálculos estequiométricos para a proporção correta de reagentes. Em um béquer de 250 mL preparou-se a mistura oxidante, ou seja, adicionou-se dicromato de potássio a 87 mL de água destilada e adicionou-se cuidadosamente o ácido sulfúrico, em um banho de gelo para manter a temperatura amena e resfriar a mesma. Colocou-se 11 mL de 2-propanol e 35 mL de água destilada em um balão, posteriormente adicionou-se a solução oxidante resfriada aos poucos e agitou- 6 se ligeiramente. Em seguida, adaptou-se um sistema destilação simples e destilou-se lentamente, assim recolheu-se o líquido que estava em torno 54ºC, de modo que o frasco coletor se encontrava imerso em banho de gelo. A prática II consistia na síntese de 10 mL acetona. Em função deste objetivo fizeram-se os cálculos estequiométricos para a proporção correta de reagentes. Colocou-se 11 mL de 2-propanol e 91 mL de ácido acético em um erlemeyer de 500 mL, em seguida manteve-se agitando essa mistura e adicionou-se lentamente 91 mL de uma solução de hipoclorito de sódio, o erlemeyer encontrava-se na capela imerso em um banho de gelo com a finalidade de manter a temperatura entre 15 a 20ºC. Após a adição completa do hipoclorito, transferiu-se o erlemeyer para o agitador magnético onde permaneceu por cerca de 30 minutos. Em seguida, fez-se o teste do papel iodetado e adicionou-se 2,8 mL de solução saturada de bissulfito. Na sequência adaptou-se um sistema de destilação simples e destilou-se lentamente, assim recolheu-se o líquido que estava em torno 54 a 60 ºC, de modo que o frasco coletor se encontrava imerso em banho de gelo. 4 - RESULTADOS E DISCUSSÃO Prática I Para atingir o objetivo da pratica ajustou-se os valores dos reagentes por meio de cálculos estequiométricos, como observado na tabela I abaixo. Tabela I – Cálculos estequiométricos 7 2- PROPANOL 𝑑 = 𝑚 𝑣 → 0,7855 = 𝑚 11 → 𝑚 = 8,6405𝑔 1 mol de 2-propanol ---- 60,1 g x mol de 2-propanol ---- 8,6405 g x = 0,144 mols de 2-propanol ACETONA 1 mol de acetona ----- 58,08 g 0,144 mols de acetona ----- x g x = 8,36 g de acetona 𝑑 = 𝑚 𝑣 → 0,791 = 8,36 𝑣 → 𝑣 = 10,56 𝑚𝐿 DICROMATO DE POTÁSSIO 25 g de Dicromato de Potássio ----- 19 mLde 2-propanol x g de Dicromato de Potássio ----- 11mLde 2-propanol x = 14,47 g de dicromato de Potássio ÁCIDO SULFÚRICO 24,4 mL de Ác. Sulfúrico ----- 19 mL de 2-propanol x mL de Ác. Sulfúrico ----- 11mL de 2-propanol x = 14,12 mL de Ác. Sulfúrico ÁGUA (1ª parte) 150 mL de Água ----- 25 g de Dicromato de Potássio x mL de Água ----- 14,47 g de Dicromato de Potássio x = 86,82 mL de Água (2ª parte) 19mL de 2-propanol ----- 60 mL de Água 11 mL de 2-propanol----- x mL de Água x = 34,74mL de Água 8 Após a realização do experimento obteve-se 9 mL de acetona por destilação. Assim observou-se um rendimento de reação de 90 % como demonstrado no cálculo a baixo: 10 mL de acetona ----- 100% 9mL de acetona ----- x % x = 90 % de rendimento De acordo com dados da literatura expressos na tabela II abaixo e a quantidadede reagente limitante usado (2-propanol) o rendimento da reação deveria ser de 76,32% resultando na obtenção de 7,632 mL de acetona, no entanto na prática este rendimento foi de 117,92% resultando em 9 mL de “acetona” que se encontrava impura devido a presença de 2-propanol que foi destilado também. Tabela II – Condições experimentais e rendimentos em roteiro Este fato se deve a excessiva elevação de temperatura, a qual ultrapassou a estipulada em roteiro, chegando perto de 90ºC, o produto final destilado (acetona) não apresentou uma total pureza, pois continha álcool (2-propanal) em seu meio uma vez que este apresenta ponto de ebulição superior ao da acetona, assim o 2-propanal que não resultou na formação de 9 produto foi destilado junto a acetona quando a temperatura foi elevada e seu ponto de ebulição foi atingido. Com base nos resultados obtido na prática calculou-se a economia atômica (A%) e o fator E da reação com os dados que se encontram em anexo, para verificar sua contribuição com na química verde, como demonstrado nos cálculos abaixo: 𝐴% = Ʃ 𝑀. 𝑃 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 Ʃ 𝑀. 𝑃 𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑠 × 100 𝐴% = 58,08 289,66 = 20% 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐸 = Ʃ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠 Ʃ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐸 = 42,501 7,119 = 6 Este método de síntese possui como produtos acetona, água e K2CrO4 que foram considerados para os cálculos da A% que se mostrou igual a 20%, assim para esta prática apenas 20% dos reagentes foi incorporado ao produto e o resto gera rejeitos, dado esse que se encontra de acordo com a literatura como demonstrado na tabela III em sequência. O fator E desta se mostra igual a 6 divergindo dos dados da literatura que deveriam resultar em um fator E de 10,6. No entanto como esse cálculo considera a massa do produto obtido (acetona) e está se encontrava impura, contento assim mais massa resultando em uma divergência esperada. Tabela III – Resultados do fator E e economia atômica dos roteiros 10 Como em toda síntese, a da acetona também apresenta vários métodos de obtenção, sendo um exemplo a acilação de Friedel-Crafts onde ocorre um substituição eletrolítica no composto aromático catalisada por cloreto de alumínio (AlCl3 – ácido de Lewis). Em relação ao método usado em prática a acilação de Friedel – Crafts apresenta a restrição de reagir apenas com compostos aromáticos que necessitam ser aquecidos para que a reação ocorra e os catalisadores utilizados no mecanismo atuam apenas como promotores da reação e assim necessitam de uma etapa a mais de hidratação gerando uma corrente de resíduos altamente corrosiva que destrói por completo o catalisador, tornando essa reação inviável economicamente e industrialmente, causando prejuízos ambientais. Uma vantagem deste método é que seus catalizadores não utilizam metais pesados como o cromo (Cr2) por exemplo, contribuindo com a química verde. (JUNIOR, 2008) Um modo de identificação entre acetona e aldeído em laboratório é através do reativo de Fehling que se divide em duas soluções uma contendo sulfato de cobre pentahidratado (CuSO4 5H2O) e outra contendo “sal de Rochelle” tartarato de sódio e potássio tetrahidratado que são misturados no momento do teste e adicionado no material a ser testado que deve ser aquecido levando aos resultados. Devido aos grupos funcionais diversos os aldeídos (R-COH) apresentam maior facilidade de serem oxidados formando ácidos carboxílicos em condições ácidas ou sais de ácidos carboxílicos em condições básicas, assim nesta oxidação o agente oxidante (íon cobre II) é reduzido a cobre I formando o óxido cuproso que se deposita no fundo da vidraria na forma de um precipitado vermelho fato que não ocorre nas acetonas. Prática II Para atingir o objetivo da prática ajustou-se os valores dos reagentes por meio de cálculos estequiométricos, como observado na tabela IV abaixo. 11 Tabela IV – Cálculos estequiométricos ÁCIDO ACÉTICO Utilizando 11 mL de 2-propanol 10,6 mL de 2-propanol ----- 88 mL de Ácido Acético 11 mL de 2-propanol ----- x mL de Ácido Acético x = 91,32 mL de Ácido Acético HIPOCLORITO 10,6 mL de 2-propanol ----- 88 mLde Hipoclorito 11 mL de 2-propanol ----- x mL de Hipoclorito x = 91,32 mL de Hipoclorito SOLUÇÃO SATURADA DE BISSULFITO 10,6 mL de 2-propanol ----- 2,7 mL de Solução Saturada de Bissulfito 11 mL de 2-propanol ----- x mL de Solução Saturada de Bissulfito x = 2,8 mL de Solução Saturada de Bissulfito DNPH 10,6 mL de 2-propanol ----- 2,7 mL de DNPH 11 mL de 2-propanol ----- x mL de DNPH x = 2,8 mL de DNPH Por questões de tempo na realização da prática a agitação da solução se deu apenas por 30 minutos e não 1 hora como o previsto em roteiro. Assim quando realizado o teste do papel iodetado este se mostrou positivo, uma vez que a cor do papel se alterou, assim ainda encontrava-se hipoclorito de sódio na solução. Como o intuito da prática era que todo o hipoclorito de sódio fosse consumido adicionou-se a solução saturada de bissulfito a mistura e em sequência o teste do papel iodetado foi realizado novamente mostrando-se como negativo, mostrando que a solução estava pronta para ser destilada. 12 Após a realização do experimento obteve-se 0,4 mL de acetona por destilação. Assim observou-se um rendimento de reação de 4% como demonstrado no cálculo a baixo: 10 mL ------ 100% 0,4 mL ----- x % x = 4 % de rendimento De acordo com dados da literatura expressos na tabela II e a quantidade de reagente limitante usado (2-propanol) o rendimento da reação deveria ser de 14,8 % resultando na obtenção de 1,48 mL de acetona, no entanto na prática este rendimento foi de 72,97% menor resultando em 0,4 mL de acetona. Uma vez que o tempo de destilação foi menor que o previsto e o rendimento real em raras ocasiões se mostra de 100%. Com base nos resultados obtido na prática calculou-se a economia atômica (A%) e o fator E da reação de acordo com os dados que se encontram em anexo, para verificar sua contribuição com na química verde, como demonstrado nos cálculos abaixo: 𝐴% = Ʃ 𝑀. 𝑃 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 Ʃ 𝑀. 𝑃 𝑑𝑎𝑠 𝑠𝑢𝑏𝑠𝑡â𝑛𝑐𝑖𝑎𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎𝑠 × 100 𝐴% = 58,08 134,53 = 43% 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐸 = Ʃ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑢𝑛𝑑𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠 Ʃ 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑗𝑎𝑑𝑜 𝑓𝑎𝑡𝑜𝑟 𝐸 = 207,0997 0,3168 = 653,72 Este método de síntese possui como produtos acetona, água e NaCl que foram considerados para os cálculos da A% que se mostrou igual a 43%, assim para esta prática apenas 43% dos reagentes foi incorporado ao produto e o resto gera rejeitos, dado esse que se encontra de acordo com a literatura como demonstrado na tabela III em sequência. O fator E desta se mostra igual a 653,72 13 convergindo com os dados da literatura que deveriam resultar em um fator E maior que 30. No entanto o produto (acetona) não foi obtido em sua totalidade, mas o produto obtido encontrava-se puro – ao contrário da prática I – gerando valores de acordo com a literatura. Comparando-se os resultados obtidos para %A dos dois roteiro percebe- se que a prática II apresenta valor de economia atômica maior que a prática I, consequentemente do ponto de vista da %A esta é mais viável. Porém quando se considera o fator E a prática II se mostra desvantajosa pois devido ao seu elevado valor temos a geração de mais resíduos por kg de produto e quando analisado o rendimento porcentual percebe-se que a prática I é mais viável uma vez que seu rendimento foi maior que o da prática II, uma vez que a prática II deveriaser repetida mais 22,5 vezes para se obter o rendimento da prática I, que mesmo com sua impureza ainda apresenta um rendimento maior. 5 - CONCLUSÃO Após a realização das duas prática conclui-se que existem várias formas de síntese de acetona, inclusive partindo do mesmo reagente base (álcool). Quando verifica-se os cálculos conclui-se que o rendimento percentual da prática I é maior sendo esta mais viável do ponto de vista econômico e do fator E, no entanto quando analisa-se o mecanismo através da %A esta se mostra em desvantagem em relação a prática II uma vez que sua %A é menor. REFERENCIA MORRISON, Robert.T.; BOYD, Robert. N. QUÍMICA ORGÂNICA. 7ed. Fondo Educativo Interamericano.S.A : San Marcos. 1985. p. 505,506,732 SOLOMONS, Graham; FRYHLE, Craig. Química Orgânica. 7 ed. v2. LTC editora S.A: Rio de Janeiro. 2002. p. 4 SOLOMONS, Graham; FRYHLE, Craig. Química Orgânica. 7 ed. v1. LTC editora S.A: Rio de Janeiro. 2001. p. 460. 14 MERAT, Leila Maria Oliveira Coelho; SAN GIL, Rosane Aguiar da Silva. Inserção do conceito de economia atômica no programa de uma disciplina de química orgânica experimental. Quím. Nova, São Paulo , v. 26, n. 5, p. 779- 781,Oct.2003.Availablefrom<http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext& pid=S010040422003000500025&lng=en&nrm=iso>accesson 18 Sept. 2015. http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422003000500025 LENARDAO, Eder João et al . "Green chemistry": os 12 princípios da química verde e sua inserção nas atividades de ensino e pesquisa. Quím. Nova, São Paulo , v. 26, n. 1, p. 123-129, jan. 2003 . Disponível em <http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S010040422003000100 020&lng=pt&nrm=iso>.acessosem 18 set. 2015. http://dx.doi.org/10.1590/S0 100-40422003000100020 JUNIOR, Walter Alves Gomes. Aplicação dos heteropoliácidos do tipo Keggin à acilação Friedel-Crafits e à síntese de chalconas. 2008, Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal da Bahia, Salvador. http://dx.doi.org/10.1590/S0100-40422003000500025