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CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GERAIS DEPARTAMENTO DE QUÍMICA Laboratório de Sínteses Orgânicas Prof (a): Adriana Akemi Okuma RELATÓRIO DE SÍNTESES ORGÂNICAS Síntese da Sulfanilamida: 1ª etapa Gabriella Amorim de Sena Medeiros Henrique da Cruz Queiroga Isadora Ribeiro Melillo Nogueira Ibrahim BELO HORIZONTE - MINAS GERAIS Abril, 2022 1. Introdução A reação de acetilação é a introdução de um grupo acetila (COCH3) no composto, ocorrendo geralmente pelo ataque nucleofílico do grupo amino sobre o carbono carbonílico e utilizando como material de partida geralmente ésteres, acetatos e anidrido acético. Esse processo ocorre naturalmente no corpo humano, as proteínas sofrem acetilação durante a digestão delas, no intuito de melhorar suas propriedades funcionais. A acetanilida, produto de interesse da prática, tem propriedade analgésicas e antipirética, combate à febre, tal propriedade foi descoberta em 1886 por Arnold Cahn e Paul Hepp, químicos franceses, e mais tarde a acetanilida tornou-se o princípio ativo do paracetamol, sendo comercializadas pela companhia de laboratórios Bayer. Após um determinado tempo, essa substância passou a ser usada também para reagir com agentes redutores fortes e com substâncias desidratantes como o P2O2, tendo uma vasta aplicação no ramo químico e industrial. (Imagem 1: Molécula estrututural da acetanilida). Por conseguinte, a prática tem como o objetivo principal sintetizar a Acetanilida, a partir da acetilação da anilina, com alto grau de pureza, para que tal composto obtido dê continuidade a síntese da sulfa. 1ª Etapa: Preparo da acetanilida a partir da anilina 2. Parte I: Purificação e controle de qualidade dos materiais de partida. 2.1.1 Reagentes e solventes Para este experimento foi necessário a utilização de algumas reagente e solventes que estão sendo representados no quadro 1, mostrado a seguir: Reagente Fornecedor Lote Validade Anilina P.A. Vetec 0805876 09/2011 Anidrido acético P.A. Vetec 1110201 01/2019 Ácido acético glacial P.A. Vetec 1004030 07/2014 Solução limpeza etanol/éter etílico 1:1 Produção própria - - Água destilada Produção própria - indeterminado (Quadro 1: Reagentes e solventes utilizados durante o experimento). 2.1.2 Materiais Além de algumas vidrarias com seus respectivos volumes que estão sendo representada no quadro 2, mostrado a seguir Material Volume Balões Volumétricos 5 e 10 mL Béqueres 100 e 250 mL (Quadro 2: Vidrarias volumétricas e graduadas utilizadas no experimento). Outros equipamentos importantes para a realização desta prática, foram: • Manta aquecedora • Bomba de vácuo • Capela de exaustão • Balança • Refratômetro Abbe Além disso, foi necessário vidrarias para realizar a montagem da destilação sob pressão reduzida e outras vidrarias auxiliares: • Balão de fundo redondo. • Cabeça de destilação. • Termômetro. • Condensador reto. • Alonga. • Fraco de segurança. • Coletores. • Tubos de látex. • Suporte universal. • Mufas. • Garras. • Pipetas de Pasteur. • Algodão. • Pissetas. • Papel alumínio. • Teflon (fita veda rosca). • Parafilme. • Filme de PVC. • Filtro analítica. • Frasco âmbar. 2.2 Procedimentos Neste experimento, foi purificada a anilina que é um material de partida para a síntese da sulfa por meio da destilação sob pressão reduzida, conforme pode ser observado na imagem abaixo: (Imagem 2: Fotografia do sistema de destilação sob pressão reduzida montado). Depois que essa anilina passou pela destilação, foi armazenada em um frasco âmbar para ser protegida da luz e armazenada na geladeira para ser utilizada no próximo procedimento que era na próxima semana (1ª Etapa - PARTE II: Reação de acetilação da anilina) Para efetuar o controle de qualidade, testou duas propriedades físico- químicas do ácido acético glacial e do anidrido acético que é o material de partida para a síntese. Essas propriedades são densidade e o índice de refração do ácido acético. Primeiramente, para calcular a densidade, pesou um balão volumétrico de 10 ml vazio, encheu com ácido acético glacial até completar, o menisco côncavo ficar na acima da marca de aferição, como pode ser observado na imagem, logo a seguir: (Imagem 3: Ilustração de como realizar a aferição do menisco em um balão volumétrico). Logo após, pesou-se novamente o balão volumétrico cheio e depois foi calculado a densidade com os resultados obtidos. Depois se repetiu o mesmo procedimento, substituindo o ácido acético glacial por anidrido acético em um outro balão volumétrico que estava limpo e seco. Já o índice de refração foi utilizado o refratômetro de abbe em um ambiente claro (Luz natural), primeiramente limpou o cristal dentro do refratômetro com solução de limpeza etanol/éter etílico 1:1, esperou secar, pigou-se 3 gotas de ácido acético glacial com auxílio de uma pipeta pasteur nos cristais e depois realizou os ajustes necessário até ser possível realizar a leitura do índice de refração. Posteriormente, realizou a limpeza novamente, e repetiu o procedimento, substituindo o ácido acético glacial pelo anidrido acético. Por fim, limpou o equipamento e guardou. 2.3 Resultados e discussão Antes da destilação a vácuo, observou que a anilina acética apresentava uma coloração escura e devido a reação de polimerização que sofre na presença de luz, isto é, a anilina acética se polimeriza diversas vezes, formando uma mistura rica e com bastante diversidade de polianilina. Sendo assim, foi necessário passar pelo processo de destilação para separar a anilina acética (incolor) das demais polianilinas que é responsável pela coloração escura da mistura. Após o processo de destilação, foi possível observar que o líquido destilado apresentava um aspecto incolor. Após a destilação, o líquido foi armazenado em um frasco âmbar para proteger da luz do sol e armazenado na geladeira, e assim, diminuir a reação espontânea de polimerização da anilina. Para efetuar o teste de densidade, obtemos os seguintes pesos do balão volumétrico de 10 ml vazio e cheio de ácido acético: m (vazio, ácido acético) = (13,27 ± 0,01) g m (cheio, ácido acético) = (23,67 ± 0,01) g Como sabemos que a densidade (D) é a razão entre massa por volume, D = M(cheio) - E(Vazio)Volume do balão Realizando a soma dos erros absolutos para subtração e a soma dos erros relativos para a divisão, chegamos ao seguinte resultado: D (ácido acético) = (1,040 ± 0,004) g/ ml Já para o anidrido acético, foi possível obter os seguintes resultados: m (vazio, anidrido acético) = (10,86 ± 0,01) g m (cheio, anidrido acético) = (21,53 ± 0,01) g Aplicando os mesmos passos seguidos no passo anterior, chegamos: D (anidrido acético) = (1,067 ± 0,004) g/ ml Utilizando o refratômetro de abbe foi possível realizar a leitura do índice de refração (Ir) e com os resultados obtidos anteriormente, é possível visualizar melhor no quadro que será apresentada logo a seguir: Reagente Densidade (D) (g/mL) Índice de refração (Ir) ácido acético glacial 1,040 ± 0,004 Não realizado anidrido acético 1,067 ± 0,004 1,5765 ± 0,0002 (Quadro 3: Resultados obtidos após os cálculos e a leitura). Já na literatura, foram encontrados os seguintes valores que estão sendo representados no quadro 4, logo adiante: Reagente Densidade (D) (g/mL) Índice de refração (Ir) ácido acético glacial 1,049 - anidrido acético 1,082 1,3900 (Quadro 4: Resultados obtidos após consultar a literatura). Embora os valores não estejam dentro da margem de erro calculada, mesmo assim os valores são bem próximos. Essa diferença pode ser explicadapelas existências de outras variáveis que não foram controladas, tais como, temperatura, pressão e o grau de pureza da substância quando se trata da densidade. Já no refratômetro, pode ser explicado pela temperatura, composição do ar e até por desconhecer o equipamento que foi utilizado pela literatura. 3. Parte II: Reação de acetilação da anilina (proteção do grupo amina). 3.1.1 Materiais • Montagem para refluxo (balão de fundo redondo, condensador de bolas, tubos de látex, suporte universal, mufas, garras). • Montagem para filtração sob vácuo (kitazato, funil de Bûchner, frasco de segurança, tubos de silicone). • Béqueres, provetas, pipetas de Pasteur, bastão de vidro, manta aquecedora, bomba de vácuo, capela de exaustão, balança, estufa. • Balão de fundo redondo, banho de gelo, Teflon. 3.1.2 Reagentes e solventes • Anilina recém-destilada. • Anidrido acético P.A. • Ácido acético glacial P.A. 3.2 Procedimentos Adicionou-se em um balão de fundo redondo de 250 ml, 20 ml de anilina recém destilada e 20 ml de anidrido acético, agitou-se e adicionou gota a gota 20 ml de ácido acético glacial, como demonstrado na figura abaixo: (Imagem 4: anilina recém destilada) Após esse processo aqueceu-se a mistura em refluxo até a ebulição suave e manteve-se aquecendo por 30 minutos após o início da ebulição. (Imagem 5: Montagem do refluxo) Passados os 30 minutos transferiu-se o conteúdo do balão ainda quente para um Erlenmeyer de 1 litro e acrescentou-se 500 ml de água destilada e esfriou- se a solução em banho de gelo. (Imagem 6: solução após o banho de gelo) Após o esfriamento completo, filtrou-se a solução sob vácuo e lavou-se os cristais com água destilada fria. Por fim, secou-se bem os cristais na estufa. 3.3 Resultados e discussão Ao misturar a anilina com o anidrido acético ocorreu a formação de um intermediário tetraédrico, pois o anidrido se liga ao par de elétrons disponíveis no nitrogênio da anilina, mecanismo exemplificado na figura 2. Uma vez que a anilina é muito reativa, ao misturar os reagentes, ocorreu uma projeção dos reagentes ocorrida devido à alta velocidade ao verter o anidrido na anilina. Ao misturar o ácido acético glacial, ocorre uma estabilização do intermediário pela liberação de um hidrogênio para a molécula do ácido, assim, observa-se uma leve mudança de cor para amarelo na solução, além do aquecimento da solução, indicando que a reação é exotérmica. Ao colocar a solução em refluxo suave, observa-se a mudança de coloração expressiva parra marrom caramelo, indicando que o calor acelerou a reação, sintetizando maior quantidade de produto que fora do aquecimento. Após o processo de aquecimento por refluxo suave, resfriou-se a solução e com isso observou-se a formação dos cristais de acetanilida, o abaixamento da temperatura do sistema ocasionou-se consequentemente o aumento na quantidade de cristais, indicando que a acetanilida, em temperaturas mais elevadas, é solúvel em compostos polares como a água e o ácido acético, substância também presente no meio reacional. Ao filtrar a solução resfriada em banho de gelo, observou-se a separação dos cristais no papel de filtro, porém, ao observar o resíduo da filtração, notou-se que ocorreu a formação de cristais no kitazato, o que indica que a solução não foi resfriada adequadamente e, por isso, o filtrado, ao entrar em contato com a vidraria fria, cristalizou. (Imagem 7: mecanismo de reação). 4. Parte III: Purificação (recristalização). 4.1.1 Materiais • Chapa elétrica. • Montagem para filtração sob vácuo (kitazato, funil de Bûchner, frasco de segurança, tubos de silicone, papéis de filtro). • Banho Maria. • Estufa. • Erlenmeyer de 1L. • Proveta de 100 ml. • Termômetro. • Bastão de vidro. • Vidro de relógio ou Placa de Petri. • Balança. • Banho de gelo. • Água destilada (temperatura ambiente, quente e gelada) • Frascos para resíduos. 4.1.2 Reagentes e solventes • Carvão ativado. • Acetanilida impura (produto bruto da parte I). 4.2 Procedimentos Previamente, foi colocado o carvão na estufa a 100℃, por 1 hora antes do início dos procedimentos. Inicialmente, transferiu-se a acetanilida impura, obtida na parte I, para um erlenmeyer de 1L, adicionou-se água destilada quente, previamente aquecida em uma chapa elétrica, em porções de 100 ml aquecendo a mistura até a ebulição e a agitando após cada adição. Manteve-se a temperatura em torno de 100℃, com o intuito de evitar perdas por decomposição ou até mesmo por sublimação. (Imagem 8: solubilização da acetanilida em banho-maria). Após a solubilização completa da acetanilida, pesou-se 4g do carvão ativado na balança. Então, retirou-se o erlenmeyer do aquecimento e foi adicionado aos poucos, e com cuidado, porções do carvão. Em seguida, aqueceu-se a mistura até a fervura, por aproximadamente 10 min. Posterior a isso, a solução foi filtrada ainda quente utilizando o funil de Bûchner, previamente aquecido pela água destilada em ebulição, utilizou-se de 2 papéis de filtro. Após a filtração, o filtrado foi transferido para um erlenmeyer de 500 ml, e o esfriou em água corrente para que posteirormente fosse colocado em banho de gelo/água. Com o resfriamento, foi formado cristais de acetanilida, que foram filtrados a vácuo e lavados com 10 ml de água destilada gelada. Transferiu-se os cristais, com o auxílio de uma espátula, para uma Placa de Petri, previamente pesada. Então, pesou-se os cristais formados na placa e os colocou na estufa para a secagem. 4.3 Resultados e discussão Na etapa de purificação da acetanilida por recristalização foi utilizado de alguns métodos comuns, porém eficientes, para que se fizesse possível a posterior análise da pureza da substância em questão. Ao aquecer a mistura de acetanilida com porções de água, aumentou-se sua solubilidade fazendo com que ocorre a dissolução completa, levando em consideração que uma de suas principais propriedades é a solubilidade em altas temperaturas. Em soma disso, no meio do processo de aquecimento houve o surgimento de um óleo acastanhado que se trata de uma solução aquosa saturada de acenatilida, que pode se apresentar em fase separada em contato com a fase aquosa, como mostrado na figura abaixo: (Imagem 9: aparição do óleo acastanhado). Em seguida, foi adicionado carvão ativado com o intuito de remover o máximo de impurezas possíveis, presentes na solução. (Imagem 10: adição do carvão ativado na solução). Posterior a isso, foi realizada a filtração com 2 papéis de filtro, com a intenção de remover o carvão presente na amostra juntamente com as impurezas, para que posteriormente possa recuperá-lo. Então, foi realizado o resfriamento da solução em banho de gelo para que pudesse ser formados cristais que após o resfriamento seriam filtrados. (Imagem 11: solução após o banho de gelo). Por fim, ao realizar a filtração após o banho de gelo, obteve-se cristais brancos que foram pesados em uma Placa de Petri, previamente tarada. (Imagem 12: cristais formados após a filtração). Ao pesar essa amostra, obteve-se 5,08g de produto puro. E então foi realizado o cálculo do rendimento. 1 mol de anilina (93g/mol) --------- 1 mol de acetanilida (135g/mol) 20,5g de anilina ----------- Xg de acetanilida 𝑋 = 29,75𝑔 29,75g de acetanilida -------- 100% 5,08g de acetanilida ------ y % 𝑦 = 17,08 % Esperava-se um rendimento ligeiramente mais satisfatório. Entretanto, o fato de o rendimento ter ficado na faixa dos 17% indica que houve perda em algumas etapas do processo de obtenção de acetanilida pura. Como por exemplo, o fato de não ter ficado o tempo suficiente no banho de gelo, fazendo com houvesse a perda das substâncias não cristalizadas, assim como na filtração, pode-se ter perdido material devido o resfriamentoligeiro do funil, fazendo com que a filtração não fosse totalmente eficaz. 5. Parte IV: Caracterização e controle de qualidade do produto. 5.1.1 Reagentes e solventes • Água destilada. • Etanol. • Acetato de etila. • Acetona. • Anilina. • Solução aq. de ácido clorídrico 20% v/v. • Propilenoglicol. • Sol. aq. de cloreto de hidroxilamônio 1 mol L¹. • Sol. etanólica de Cloreto de ferro (III) 5% m/v. • Éter dietílico. • Acetanilida. 5.1.2 Materiais e equipamentos • Tubos de ensaio. • Apoio para tubos de ensaio. • Fusômetro digital. • Vidro de relógio. • Espátula. 5.2 Procedimentos Primeiramente fizemos o teste do ponto de fusão com um fusômetro digital, aquecendo em uma taxa de 10ºC por minuto, até a temperatura atingir os 100ºC, depois foi reduzido a taxa de aquecimento 2,5ºC para facilitar a visualização do início do ponto de fusão e o término, em seguida anotou o resultado obtido. Realizou o teste de solubilidade da seguinte forma, foram separados 6 tubos de ensaio e adicionado alguns cristais do produto purificado em cada um deles, depois realizou o teste de solubilidade com os solventes que está apresentado no quadro 5, adicionando 1 ml de cada um deles: Tubo Solvente 01 Água 02 Etanol 03 Acetona 04 Acetato de etila 05 Éter dietílico 06 Propileno-glicol (Quadro 5: Tubo de ensaio e seus respectivos solventes que foi usado no teste de solubilidade). Obs.: No tubo 1 foi adicionado água na temperatura ambiente e depois colocou o tubo no banho maria para aquecer a amostra. Já no tubo 6 foi adicionado Propileno-glicol em temperatura ambiente e depois colocado a amostra em banho maria, ambos para realizar o teste de solubilidade no solvente a temperatura ambiente e quente. Depois foi realizado o teste de basicidade, colocou alguns cristais de acetanilida e depois adicionou 1mL de solução aquosa de ácido clorídrico a 20% v/v, agitou e anotou o resultado observado. Depois repetiu o mesmo procedimento com o tubo 8, mas substituiu a acetanilida por 1 gota de anilina, os resultados foram apresentados no quadro 6 que está no tópico de resultados e discussões. 5.3 Resultados e discussão Ao consultar a temperatura de fusão da acetanilida na literatura, observou que o ponto de fusão é de 114,3ºC. Sendo assim, ao fazer o teste do ponto de fusão, conseguiu encontrar a temperatura do início (T0) e a temperatura final (Tf) da fusão do produto da síntese que o resultado é: o T0 = 110,8 ºC o Tf = 112,2 ºC Quando a faixa de fusão é menor do que 3 ºC de temperatura, podemos considerar que o produto tem um elevado grau de pureza. Então, com os resultados obtidos, foi possível notar que a faixa de fusão foi de 1,4 ºC, comprovando que o produto obtido do processo anterior (purificação) é de elevada pureza. Após realizar os testes de solubilidade, os dados dos resultados foram colocados no quadro 6 para melhorar a visualização dos resultados obtidos, conforme pode ser visto a seguir: Tubo Solvente Solubilidade 01 Água à T ambiente Água em ebulição Insolúvel em T ambiente, mas solúvel em T quente 02 Etanol Solúvel 03 Acetona Solúvel 04 Acetato de etila Parcialmente Solúvel 05 Éter dietílico Solúvel 06 Propileno-glicol Solúvel (Quadro 6: Resultados dos testes de solubilidade da acetanilida). No tubo 01, a solubilidade da acetanilida na temperatura quente da água, explica o processo de recristalização que foi utilizado para purificar na etapa anterior, pois como a acetanilida é pouco solúvel em água fria, à medida que vai se resfriando o líquido da solução contendo acetanilida, acontece a recristalização da acetanilida e isso torna possível a utilização da filtração a vácuo para separar da solução. Outra característica importante é a solubilidade em solventes pouco polares, quanto mais apolar é o solvente, maior a solubilidade da acetanilida, isso é mais bem observado no tubo 01 e no 04 que são solventes que possui uma polaridade um pouco maior do que os outros. Tubo Substância Resultado 07 Acetanilida Insolúvel 08 Anilina solúvel (Quadro 6: Resultados dos testes de basicidade da acetanilida e da anilina). Quando fizemos a acetilação da anilina, formando acetanilida, colocamos um grupo protetor que além de estabilizar o par de elétrons não ligante do nitrogênio, também cria um impedimento estérico, isso torna os pares de elétrons não ligante do nitrogênio menos receptível a receber prótons em meio ácido, por esse motivo a anilina é solúvel, pois o par de elétrons não ligantes do nitrogênio está mais exposto a sofrer ataques nucleofílicos. Na imagem 12, mostra a forma estrutural das duas substâncias, conforme pode ser visto adiante: (Imagem 12: Forma estrutural das duas substâncias). 6. Conclusão Por meio desse experimento foi possível estudar a primeira etapa da síntese da sulfanilamida, a formação da acetanilida através da anilina. Observou-se que a reação gerou um rendimento de 17,05% do total estimado, o que foi um valor significativamente abaixo do esperado, todavia satisfatório. Em soma disso, também foi possível comparar as propriedades físico-químicas do produto obtido nessa primeira etapa da síntese, comprovando o nível de pureza do produto obtido. Logo, é possível concluir que esta primeira etapa da síntese foi executada com êxito, apesar do baixo rendimento obtido. REFERÊNCIAS [1] OKUMA, Adriana Akemi OkumA; SANTOS, Míriam Stassun dos. Apostila de Laboratório de Sínteses orgânicas. Bacharelado em Química Tecnológica. Universidade Federal de Minas Gerais, 2017. [2] VINCENTE, João. O processo de acetilação. StuDoc, 2021. Disponível em: https://www.studocu.com/pt-br/document/universidade-estadual-do- oeste-do-parana/bioquimica-geral/processo-de-acetilacao/14558569. Acesso em: 25/04/2022. [3] LIMA, Dimitri e MACHADO, Marcos. Preparação da Acetanilida. Slideserve, 2014. Disponível em: https://www.slideserve.com/whitney- osborn/prepara-o-da-acetanilida. Acesso em: 26/04/2022.
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