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QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL PARTE I Adaptado Prof. Giselle Guilhon APRESENTAÇÃO Este livro reúne roteiros a serem utilizados nas disciplinas experimentais das disciplinas básicas de Química Orgânica. Serão apresentadas as principais técnicas de um laboratório de Química Orgânica. A ideia inicial no desenvolvimento dos roteiros apresentados foi a de empregar as principais técnicas de um laboratório de Química Orgânica utilizando-se matéria-prima da região (Amazônica) e, preferentemente, aquela que normalmente é descartada. Esses procedimentos já vem sendo empregados há alguns semestres nas disciplinas experimentais de Química Orgânica da Universidade Federal do Pará (UFPA). Algumas normas de segurança serão listadas. Em um laboratório de Química Orgânica, particularmente, há muitos solventes inflamáveis, além disso, muitos dos compostos manipulados são tóxicos, corrosivos ou até explosivos e, por isso, cuidado e atenção precisam ser redobrados para que acidentes sejam evitados. Os experimentos devem seguir os roteiros previamente estabelecidos, os quais poderão ser modificados somente com a autorização do professor. Como na maioria dos textos de disciplinas experimentais de Química Orgânica, este livro divide-se em duas partes principais: uma voltada para aspectos de segurança, aparelhos e técnicas comuns de um laboratório e outra, voltada para os experimentos nos quais são empregadas as técnicas apresentadas envolvendo, a maioria, reações clássicas de Química Orgânica que levam à formação de substâncias de interesse, além de técnicas adicionais. A inclusão ou substituição de experimentos, especialmente de reações, é uma constante nas disciplinas experimentais de Química Orgânica, principalmente na tentativa de se trabalhar de acordo com a Química Verde. E é o que vem sendo feito nas disciplinas experimentais de Química Orgânica da UFPA. PARTE 1. PRÁTICA DE LABORATÓRIO 1 SEGURANÇA NO LABORATÓRIO A seguir são listadas algumas normas de segurança que devem ser sempre seguidas em um laboratório. 1.1 NORMAS DE SEGURANÇA • Usar jaleco comprido sempre e, se possível, calças ou saias compridas e sapatos fechados. Prender os cabelos compridos. • Usar óculos de proteção e luvas no manuseio de substâncias corrosivas e causadoras de irritação. • Usar máscaras de vapor no manuseio de substâncias voláteis e tóxicas. • Trabalhar na capela durante a utilização de substâncias tóxicas. • Não comer ou beber no laboratório e, muito menos, fumar. • Não correr no laboratório, evitar movimentos bruscos. • Ler todo o roteiro do experimento antes de executá-lo e certificar-se de que os reagentes e solventes foram corretamente selecionados. Verificar que tipos de substâncias serão utilizadas (tóxica, explosiva, corrosiva, inflamável) e empregar as medidas de segurança adequadas no manuseio de cada uma. • Manter a bancada sempre limpa. Caso algum produto químico derrame, informar ao professor e providenciar a limpeza adequada. • A vidraria a ser utilizada deve estar limpa e totalmente seca. A utilização de vidraria molhada pode comprometer os resultados. • Não usar vidrarias quebradas ou trincadas. Um cuidado especial deve ser tomado com os balões de destilação e refluxo, pois pequenas trincas (forma de estrela) podem levar a graves acidentes. • Lavar sempre as mãos durante e depois dos trabalhos; nunca levar as mãos aos olhos durante os trabalhos. • Nunca despejar solvente em pias ou tanques. • Certificar-se do uso adequado dos coletores. Deve haver no laboratório, frascos coletores para os diferentes tipos de solventes (clorados, não- clorados e misturas de reagentes) e sólidos (orgânicos e inorgânicos). • Localizar o equipamento de segurança: extintor, chuveiro de segurança, caixa de primeiros socorros, etc. • Evitar o uso do bico de Bunsen para aquecimento de substâncias orgânicas; nesses casos usar chapa ou manta aquecedora, pois a maioria dos solventes orgânicos é inflamável. Quando o uso de chama for necessário, afastar os solventes orgânicos das proximidades da fonte da chama. • A medida de volumes de líquidos pode ser feita na maioria dos casos em provetas. Quando for necessário o uso de pipetas, utilizar pêra de sucção (nunca pipetar diretamente com a boca!). • Desligar aquecedores e banhos que não estiverem sendo utilizados. • Lavar a vidraria utilizada e secar em estufa. A vidraria de medida volumétrica não deve ser seca com calor. • Ao final de cada aula, desligar todos os equipamentos elétricos (mantas, banhos de aquecimento, destiladores, estufas, exaustores, bombas de vácuo, etc.). Os aparelhos de ar condicionado e ventiladores devem também ser desligados. • No caso de dúvidas, sempre perguntar ao professor. 1.2 MAIS SOBRE SEGURANÇA Além do fogo, o principal perigo de um laboratório de Química Orgânica, o manuseio de produtos químicos requer sempre muito cuidado e atenção. Os produtos químicos são divididos em diferentes classes: inflamável, explosivo, corrosivo, tóxico e irritante/perigoso. Cada substância pode ser incluída em mais de um grupo. Essas classes são representadas pelos símbolos na Figura 1 (p. 11). Os solventes orgânicos correspondem à maioria das substâncias inflamáveis de um laboratório de Química Orgânica e devem ser mantidos longe das chamas. Estão incluídos nessa classe hexano, acetato de etila, éter de petróleo, etanol e metanol, acetona, tolueno e outros. O éter etílico, além de altamente inflamável é narcótico, tende a formar peróxidos explosivos com exposição ao ar e à luz. Alguns gases, como o hidrogênio, são inflamáveis. Compostos que reagem formando hidrogênio, que é inflamável, também são considerados inflamáveis, é o caso do sódio. As substâncias explosivas reagem violentamente com água ou com outros reagentes comuns. É o caso dos metais alcalinos (sódio e potássio). Outras substâncias, que têm alto teor de nitrogênio ou oxigênio, são também explosivas e tendem a ser sensíveis ao choque quando secas, como os polinitro, diazo, peróxidos etc. O manuseio dessas deve incluir máscaras de proteção, trabalhando sempre com as menores quantidades possíveis. Os compostos oxidantes são perigosos, pois podem causar incêndio. Produzem calor em contato com substâncias orgânicas. Estão incluídos, ácidos sulfúrico e nítrico, peróxido de hidrogênio, óxido de cromo, permanganato de potássio, entre outros. O manuseio das substâncias corrosivas (como de ácidos fortes, bases fortes, fenol, etc.) deve ser feito com luvas, pois essas substâncias destroem tecidos. Em contato com a pele, deve-se passar água corrente em abundância. Os produtos tóxicos podem causar a morte ou doença grave e devem ser manuseados em capela com exaustão eficiente. Aqui estão incluídos o diclorometano, fenol, bromo, etc. Entre os tóxicos, estão os cancerígenos (ou agentes suspeitos de serem cancerígenos) incluem-se os alquilantes (iodometano, sulfato de dimetila), formaldeído, tetracloreto de carbono e clorofórmio, anilina, benzeno, entre outros. Muitos compostos orgânicos são irritantes aos olhos, pele e sistema respiratório; outros não chegam a ser tóxicos, mas de qualquer maneira, o manuseio é perigosos; o uso de capela, é recomendável. Algumas substâncias, são tão irritantes que chegam a ser lacrimejantes, aqui se incluem haletos benzílico e alílico, cloretos de acila. Entre os irritantes/perigosos estão acetato de etila, hexano, o ciclo-hexano, ciclo-hexanona, t-butanol, 2,4-dinitrofenil- hidrazina, sílica. Corrosivo Explosivo Irritante/perigoso Tóxico Inflamável Oxidante Figura 1. Símbolos associados às classes das substâncias. Outras informações sobre as classes das substâncias podem ser encontradasnas referências citadas ao final do livro. 1.3 SUGESTÕES ADICIONAIS • Cada aluno deve ter seus óculos de proteção e par de luvas. • Aos alunos com alergias ou rinites, é recomendável que cada um tenha uma máscara de vapor própria. • O aquecimento de substâncias orgânicas, especialmente líquidas (inflamáveis ou não), sempre requer cautela redobrada, ou seja, deve-se avaliar a necessidade do uso de exaustor, condensador e fragmentos (pedras) de porcelana, verificar se as juntas estão bem adaptadas, evitar aquecimento excessivo. • Atenção também com vidraria quente, além de quebrar facilmente, visualmente é igual àquela a temperatura ambiente. • Cada aluno deve ter um caderno de laboratório para anotação de dados experimentais, pois os experimentos não serão repetidos. 2 VIDRARIAS E OUTROS UTENSÍLIOS DE UM LABORATÓRIO DE QUÍMICA ORGÂNICA São apresentados a seguir algumas vidrarias e utensílios mais utilizados em um laboratório de Química Orgânica. 2.1 VIDRARIA COMUM Boa parte da vidraria aqui utilizada é empregada em outros laboratórios de Química (Figura 2), outras são mais específicas. O aluno deve se familiarizar com esse material e com os equipamentos, tomando os devidos cuidados na utilização dos mesmos. Frasco Frasco de Pipeta graduada funil de Becker erlenmeyer Tubo de Tubo de kitassato Funil de ensaio centrifuga Buchner Funil de decantação Proveta Balão volumétrico Figura 2. Vidraria comum num laboratório de Química. 2.2 CONEXÕES ENTRE AS VIDRARIAS A conexão entre vidrarias é feita através das juntas que podem ser esmerilhadas, recomendadas para a maioria dos trabalhos, ou não. • tamanhos (diâmetro/altura em mm): 14/20, 14/23, 19/22, 19/26, 24/29, 24/40, 29/32, entre outras. • o uso de graxa (silicone ou hidrocarbonetos) nas juntas esmerilhadas deve ser evitado, exceto na destilação a vácuo a pressões menores que 5 mmHg. • as juntas devem ser mantidas limpas para evitar que se prendam umas nas outras. Na Figura 3 (p. 14), encontram-se algumas vidrarias com juntas. 2.3 LAVAGEM E SECAGEM DA VIDRARIA • a lavagem deve ser feita com detergente e água corrente. • a secagem da vidraria comum pode ser feita em estufa. As vidrarias usadas para medidas volumétricas (provetas, pipetas graduadas e volumétricas, buretas) não podem ser secas em estufa. • utensílios em borracha, teflon e similares, não podem ser secos em estufa. Adaptadores Condensadores Balões de fundo redondo uma saída duas saídas três saídas evaporador Figura 3. Vidraria com conexões. Linear Angular Saída lateral Claisen Ajuste de fluxo Liebig West Allihn Garhan 2.4 FONTES DE AQUECIMENTO As mais comuns fontes de aquecimento de um laboratório são o bico de Bunsen (não usar com solventes inflamáveis), banho-maria, banho de óleo, manta aquecedora, chapa aquecedora e pistola de ar. São mostradas na Figura 4 algumas fontes de aquecimento. Manta aquecedora Chapa aquecedora Bico de bunsen Figura 4. Algumas fontes de aquecimento de um laboratório. 2.5 AGITADORES Os agitadores magnético (com ou sem aquecimento) e mecânico (Figura 5) são bastante utilizados em laboratório. Figura 5. Agitador mecânico. 3 METODOLOGIA DO LABORATÓRIO Os cursos das disciplinas experimentais de Química Orgânica básica serão divididos em duas etapas. Na primeira, serão desenvolvidos experimentos empregando-se as técnicas experimentais mais comuns de um laboratório, ou seja, extração, destilação, partição, refluxo, cromatografia, entre outras. Para isso, nos experimentos será empregado material botânico comum à região amazônica e que geralmente é descartado, como por exemplo, caroços de manga, bacuri, cupuaçu, ou de outras espécies. Esse tipo de material botânico é rico em triacilgliceróis, o que permite que várias técnicas sejam empregadas. Sempre que possível, os produtos obtidos são utilizados em outros experimentos. Na segunda metade do curso, serão desenvolvidos experimentos empregando-se as técnicas experimentais discutidas previamente; técnicas adicionais, como determinação do ponto de ebulição e purificação por sublimação, serão aqui incluídas. Aqui serão apresentados experimentos clássicos da Química Orgânica, incluindo-se as reações. Os produtos obtidos serão purificados e sempre caracterizados por métodos físicos ou químicos. Ao final de cada experimento, os produtos puros devem ser acondicionados em frascos próprios para que possam ser utilizados em outras disciplinas experimentais de Química. Os experimentos deverão ser desenvolvidos em equipes, não sendo recomendável que o aluno trabalhe sozinho. Alguns experimentos podem ser conduzidos na forma de rodízio de equipes, como é o caso da destilação simples, destilação fracionada e destilação sob vácuo. Sempre que possível os espectros de infravermelho (ou mesmo outros espectros) das substâncias envolvidas devem ser fornecidos. As formas de avaliação sugeridas incluem: • relatórios que devem incluir o levantamento teórico sobre a técnica apresentada, levantamento sobre a espécie botânica estudada, os mecanismos das reações, interpretação de dados espectrais, quando for o caso. • avaliação por escrito dos experimentos apresentados. 4 ESCOLHA DO MATERIAL BOTÂNICO O material botânico será escolhido dependendo da época do ano. Assim, no primeiro semestre, será mais fácil de obter o caroço de bacuri (que apresenta um alto rendimento em tripalmitina) ou caroço de cupuaçu (que contém triestearina). Já a manga é mais facilmente conseguida no segundo semestre do ano (contém triacilglicerol misto). Outras sementes podem ser usadas (maracujá, seringa, ou outras), mas em geral resultam em óleos (triacilgliceróis ricos em insaturados), o que dificulta ou impede a execução de certas técnicas, como filtração, cristalização, o teste de solubilidade, ponto de fusão, etc. O aluno deverá fazer uma pesquisa bibliográfica relativa ao material botânico trabalhado, incluindo estudos químicos anteriores com o mesmo. 4.1 QUANTIDADES • manga: 40 caroços por equipe OBS. Não misturar mangas de diferentes variedades. • bacuri: 40 caroços por equipe. • cupuaçu: 80-100 caroços por equipe. Em todos os casos, somente será utilizada a amêndoa, sem a casca, que se encontra dentro dos caroços. 5 PREPARO DA AMOSTRA Esta etapa inclui separação, secagem e moagem do material botânico. PROCEDIMENTO: Separar a polpa dos caroços. Abrir os caroços com uma faca e retirar a amêndoa (descartar a casca). Reduzir o tamanho dos caroços com auxílio de uma faca e triturar rapidamente em moinho ou em processador/liquidificador (Figura 6, p. 19). OBS. Se o material botânico estiver muito úmido, secar em estufa a 40 oC por 30 minutos antes da moagem (Figura 7A). Não triturar muito o material para não haver aquecimento excessivo e perda. Pesar (Figura 7B, p.19) uma amostra para extração em extrator de Soxhlet e para outra extração à temperatura ambiente frio (as quantidades dependem do tamanho dos extratorese frascos disponíveis). A B Figura 6. Moinho (A) e processador (B). A B Figura 7. Estufa (A) e balança de 0,1 g de precisão (B). 6 TÉCNICAS EXPERIMENTAIS 6.1 EXTRAÇÃO EM EXTRATOR DE SOXHLET E POR MACERAÇÃO Na técnica de extração de extração, as substâncias orgânicas presentes no material botânico se tornam solúveis no solvente orgânico utilizado. É importante lembrar que “semelhante dissolve semelhante”. O solvente orgânico das soluções é separado dos compostos extraídos posteriormente por outras técnicas, como a destilação sob vácuo ou destilação simples. Duas técnicas de extração serão apresentadas: em extrator de Soxhlet e por maceração (também conhecida como extração a frio). Aplicação: obtenção extratos orgânicos. Material: extrator de Soxhlet, manta aquecedora, papel de filtro, pedras de porcelana porosa, frasco de Erlenmeyer, funil, solventes orgânicos (hexano e metanol), material botânico. Procedimento A: extração em extrator de Soxhlet Com o papel de filtro, fazer um cartucho com diâmetro inferior ao do copo do extrator a altura inferior à do sifão. Sugestão: para fazer o cartucho, usar como modelo, um frasco com diâmetro menor do que o do copo do extrator e dobrar o papel em pregas por cima do frasco, amarrando com um barbante para não abrir. Colocar no cartucho, o material botânico triturado, seco e pesado; dobrar o papel de filtro de tal maneira que o cartucho fique fechado (ou colocar algodão em cima do material botânico). Introduzir o cartucho no extrator, colocar as pedras de porcelana no balão (com solvente ainda frio!) e fazer as adaptações balão/copo e copo/condensador. As garras devem prender o balão, copo de extração e o condensador. Verificar os tubos de borracha e o fluxo de água no condensador. Introduzir o solvente orgânico (hexano) no copo do extrator num volume de cerca de 1,5 a 2 vezes o volume do sifão (Figura 8, p. 21). Iniciar o aquecimento e após o sistema entrar em regime, contar o tempo de extração (em média de 3 h). Encerrada a extração, deixar esfriar o aparelho, mantendo o fluxo da água de refrigeração. OBS. Somente desmontar o extrator quando o solvente esfriar. Figura 8. Extrator de Soxhlet. Retirar o cartucho, montar o extrator de Soxhlet novamente, aquecer para a separação parcial do solvente. Desligar o aquecimento antes do solvente passar pelo sifão novamente. Deixar esfriar, fechar o fluxo de água de refrigeração e retirar a solução concentrada do balão e do copo do extrator. Levar a solução à geladeira para verificar a formação, ou não de material sólido (cerca de 24 h). Separar o sólido por filtração a vácuo e concentrar a fase líquida em um aparelho de destilação simples (Técnica Experimental 2), ou em evaporador rotativo (Técnica Experimental 4). Pesar o sólido obtido e o extrato hexânico. Repetir o procedimento da extração utilizando o mesmo cartucho de material com metanol. Concentrar e pesar o extrato metanólico. Pesar o extrato. Procedimento B: extração por maceração Transferir o material botânico seco, triturado e pesado para um frasco de Erlenmeyer. Adicionar o solvente (hexano) de maneira que este fique acima do material botânico. Tampar o frasco (Figura 9). Deixar o solvente em contato com o material (cerca de 2 a 7 dias) agitando de vez em quando. Separar a fase líquida por filtração simples (usar a capela). Adicionar o mesmo solvente ao material botânico para continuar a extração (2 a 7 dias). Juntar os filtrados e concentrá-los parcialmente em evaporador rotativo (Técnica Experimental 4) ou por destilação simples (Técnica Experimental 2). Figura 9. Extração a frio do material botânico. Resfriar a solução hexânica parcialmente concentrada e verificar a formação de sólido, repetindo o procedimento de filtração do sólido, concentração da solução e pesagem do extrato. Após a extração com hexano, continuar o procedimento da extração utilizando metanol. Após a separação do sólido, terminar a concentração e pesar o extrato. Questões: 1. Como funciona o extrator de Soxhlet? 2. Qual a finalidade de se vedar o cartucho de extração com algodão? 3. Por que a altura do cartucho deve ser menor do que a do sifão? 4. Qual a finalidade das pedras de porcelana porosa? 5. Comparar as técnicas de extração por maceração e por percolação. 6.2 DESTILAÇÃO SIMPLES A destilação simples é uma técnica de separação ou de purificação de um líquido de ponto de ebulição abaixo de 150 ºC a 1 atm de pressão, na forma uma solução, de impurezas não voláteis ou de outro líquido com ponto de ebulição pelo menos 25 ºC mais alto. Aplicação: concentração da solução obtida da extração do material botânico. Material: balão de fundo redondo, adaptador, condensador, manta aquecedora com regulador de voltagem, pedras de porcelana, funil, termômetro. Procedimento: Montar o aparelho de destilação simples com cuidado, evitando qualquer tensão física no material de vidro. A ordem de montagem a ser seguida pode ser: • Balão e manta aquecedora, • Condensador e junta balão / condensador, • Alonga e frasco receptor, • Termômetro - o bulbo deve ficar logo abaixo da altura da saída lateral do balão de destilação. Com um funil, transferir para o balão (fora da manta!) a solução a ser concentrada (no máximo até a metade do volume do balão). Colocar as pedras de porcelana porosa (3-4 pedaços). Adaptar novamente o sistema (balão / manta / condensador alonga / erlenmeyer / termômetro). Ver Figura 10 (p. 24). Iniciar o aquecimento lentamente até que o sistema entre em regime (cerca de 10 gotas por minuto de condensado). Antes de destilar todo o solvente, desligar a fonte de calor e deixar esfriar. Transferir a solução concentrada para um frasco previamente pesado, para calcular a massa e o rendimento obtido, e deixar evaporar o resto do solvente na capela. Reservar o destilado para que seja posteriormente purificado através da destilação fracionada. Figura 10. Aparelho de destilação simples. Questões: 1. Explicar o processo de separação em uma destilação simples. 2 . Citar outras misturas que podem ser separadas por essa técnica. 6.3 DESTILAÇÃO SOB VÁCUO EM EVAPORADOR ROTATIVO O evaporador rotativo é usado na remoção rápida de grandes quantidades de solventes voláteis, sob pressão reduzida, de uma solução. O princípio da operação é baseado em uma destilação, conduzida sob vácuo, no qual o ponto de ebulição das substâncias é menor do que à pressão atmosférica. A rotação do frasco de destilação aumenta a taxa de remoção do solvente e diminui o risco da projeção da solução a ser concentrada (muito comum em destilação sob vácuo). Existem vários modelos disponíveis, um dos mais comuns é apresentado na Figura 11 (p. 25). O evaporador rotativo é constituído basicamente de um frasco de destilação (de fundo redondo), um frasco coletor (fundo redondo), duto de vapor, condensador em espiral com entrada e saída para líquido refrigerante e do vácuo e torneira de vedação, além do banho de aquecimento (nem sempre necessário) e da unidade de rotação. Necessita-se também da unidade de geração de vácuo. O aquecimento do banho deve estar de acordo com o solvente a ser destilado, lembrando-se do efeito da pressão reduzida nos pontos de ebulição. Aplicação: concentração de uma solução orgânica. Material: evaporador rotativo, unidade de refrigeração, bomba de vácuo. Procedimento: Adaptar o frasco coletor ao equipamento prendendo-o com uma garra de segurança. Verificar se água (ou mistura água-álcool)está passando através do condensador. Adaptar o frasco de destilação com a solução a ser concentrada (no máximo 1/4 do frasco) e segurá-lo. Ligar a fonte de vácuo, fechando a torneira de vedação e verificando se o frasco de destilação está seguro, soltando-o, logo após. Abaixar o frasco de destilação até o banho. Iniciar a rotação lentamente. Observar de perto o sistema até que a destilação entre em regime. Caso o sistema entre em ebulição descontrolada, abrir e fechar rapidamente a torneira de vedação (não esquecer de segurar o frasco de destilação). A destilação pode ser conduzida até que todo o solvente seja evaporado (ou quando o destilado atingir 1/4 da capacidade do frasco coletor). Quando terminar a destilação, desligar a rotação, levantar o balão do aquecimento. Segurando o balão, abrir a torneira de vedação e fechar o vácuo. Retirar o frasco de destilação e o frasco coletor (o solvente obtido será submetido à destilação fracionada). Figura 11. Evaporador rotativo com unidade de refrigeração. OBS. Não esquecer de desligar a bomba de vácuo. Questões: 1. Qual o efeito da pressão reduzida sobre o ponto de ebulição de uma substância. 2. Explicar esse efeito (pesquisar). 6.4 DESTILAÇÃO FRACIONADA A destilação fracionada é o método utilizado para separar misturas de líquidos miscíveis, com pontos de ebulição que diferem em menos de 25 ºC à temperatura ambiente. Na destilação fracionada, ocorrem múltiplos processos de destilação na superfície do empacotamento da coluna. À medida que a mistura é aquecida, entra em ebulição, o vapor sobe e parte dele condensa; o vapor que continua a subir na coluna vai se tornando cada vez mais rico no componente mais volátil e o liquido descendente, mais rico no componente menos volátil. Neste experimento, o solvente resultante da concentração das soluções orgânicas (obtido no evaporador rotativo e da destilação simples) será purificado. Aplicação: recuperação de solventes. Material: balão de fundo redondo, coluna de fracionamento, condensador, adaptador, manta aquecedora com regulador de voltagem, pedras de porcelana ou esferas de vidro, funil, alonga, termômetro. Procedimento: Montar o aparelho de destilação fracionada, com os mesmos cuidados observados na destilação simples. Nessa técnica, o balão de destilação, que deve ser de colo curto, e preferentemente de duas saídas, é adaptado a uma coluna de fracionamento. Colocar a mistura a ser destilada (solvente recuperado do evaporador rotativo ou da destilação simples) diretamente no balão de destilação (nunca através da coluna), colocar as pedras de porcelana. A quantidade da mistura a ser destilada deve ser maior do que a quantidade retida na coluna de fracionamento durante a destilação. Ver Figura 12 (p. 28). Iniciar o aquecimento (o processo é mais lento do que na destilação simples). Descartar os primeiros 30 mL destilados. OBS. No caso de separação de misturas de solventes, quando for atingida a temperatura constante, colocar um novo frasco coletor, pois nesse momento, um componente da mistura começa a destilar. Mantém-se o mesmo frasco coletor enquanto a temperatura estiver constante. Assim que a temperatura começar a subir, trocar de frasco coletor (a fração intermediária é que está destilando). Trocar o frasco coletor quando uma nova temperatura constante for atingida, pois um outro componente começa a destilar. Continuar o procedimento até que quase toda a mistura líquida tenha sido destilada. Se as frações intermediárias apresentarem volumes apreciáveis, estas poderão ser novamente destiladas. Figura 12. Aparelho de destilação fracionada. Questões: 1. Explicar o processo da destilação fracionada. 2. O que é um azeótropo? Quais os tipos de azeótropos ? Exemplificar cada. 3. Citar maneiras de separar uma mistura azeotrópica. 6.5 TESTE DE SOLUBILIDADE E RECRISTALIZAÇÃO Substâncias orgânicas sólidas quando obtidas de reações ou extraídas de alguma fonte natural, raramente estão puras; estão geralmente em mistura com outras substâncias. A recristalização é uma técnica de purificação de substâncias sólidas no qual a substância sólida impura é solubilizada e os cristais são novamente obtidos, sob determinadas condições, levando à formação de um sólido com um maior teor de pureza. Para escolher um solvente para a recristalização devem ser observadas as seguintes características: • a substância a ser recristalizada deve ser pouco solúvel no solvente à temperatura ambiente. • a substância a ser recristalizada deve ser totalmente solúvel no solvente à quente. • não deve haver reação entre o solvente e o soluto. • o solvente deve ser suficientemente volátil para que seja eliminado com facilidade do sistema. Obs. Misturas de solventes também podem ser usadas na recristalização. Nesse experimento, o triacilglicerol, apesar de não ser cristalino, será purificado por procedimento de solubilização/solidificação, o que se aproxima de uma recristalização, uma vez que as substâncias mais solúveis em um solvente (ou numa mistura) se separam da que tende a solidificar. Aplicação: purificação de um sólido por de recristalização. Material: tubos de ensaio, solventes, garra de madeira, banho-maria, frascos de Erlenmeyer, funil, suporte, papel de filtro. Procedimento A: teste de solubilidade (escolha do solvente) Colocar cerca de 0,l g da substância em um tubo de ensaio e adicionar 1 mL do solvente gota a gota. Se a substância não solubilizar, aquecer em banho-maria. Se ainda não solubilizar, adicionar porções de 0,5 mL até completar 3 mL. Aquecer novamente. Depois de solubilização, resfriar o tubo para ver se ocorre a cristalização (se necessário, arranhar com um bastão de vidro, o tubo de ensaio abaixo do nível da solução para que os diminutos pedaços de vidro sirvam de núcleos para o crescimento dos cristais). Testar diferentes solventes: água, acetato de etila, diclorometano, metanol, hexano, etc. Anotar os resultados em uma tabela, como se segue, indicando se é solúvel (+) ou não (-), ou ainda se parcialmente solúvel (+/-). Água a frio Água a quente Metanol a frio Metanol a quente Acetato de etila a frio Acetato de etila a quente Acetona a frio Acetona a quente Hexano a frio Hexano a quente CH2Cl2 a frio CH2Cl2 a quente Com base nas informações do quadro acima escolher o melhor solvente para a “recristalização” da substância. Procedimento B: recristalização Pesar o material a ser cristalizado e transferi-lo para um frasco de Erlenmeyer adicionando a mínima quantidade de solvente para solubilizar a substância. Aquecer até a ebulição. Filtrar rapidamente a solução quente, caso existam impurezas insolúveis na solução quente. Resfriar o filtrado ou simplesmente deixá-lo em repouso para a obtenção dos cristais. Separar os cristais da água-mãe (fase líquida) por filtração. Repetir o processo evaporação / resfriamento até que não sejam obtidos mais cristais da água-mãe. Juntar os cristais, repetir a recristalização. Pesar o sólido cristalino após a evaporação do solvente. Reservar o material cristalino para posterior determinação do ponto de fusão. As etapas da purificação por cristalização estão resumidas na Figura 13. Cristalização Filtração à vácuo FILTRADO (ÁGUA-MÃE) impurezas solúveis CRISTAIS DO COMPOSTO com solvente FILTRADO composto impurezas solúveis COMPOSTO IMPURO impurezas solúveis impurezas insolúveis 1. Dissolução em solvente quente 2. Filtração por gravidade da solução quente descartar 1. Secagem ao ar pesar e verificar pureza cristalizar novamente ou descartar Figura 13. Fluxograma das etapas de purificação de um composto orgânico por cristalização. Questões: 1. Justificar aexpressão “semelhante dissolve semelhante” com base na avaliação forças de atração intermoleculares soluto/soluto, solvente/solvente e soluto/solvente. 2. O que fazer quando os cristais não se formam? 3. Qual o efeito da temperatura durante o resfriamento da solução no tamanho dos cristais? CRISTAIS DO COMPOSTO IMPUREZAS INSOLÚVEIS 6.6 EXTRAÇÃO LÍQUIDO – LÍQUIDO (PARTIÇÃO) A extração líquido-líquido é um método de fracionamento baseado na distribuição de uma ou mais substâncias entre duas fases líquidas imiscíveis. Essa distribuição ou partição depende da solubilidade da(s) substância(s) em cada uma das fases líquidas. Esse procedimento deve ser conduzido em capela, de preferência. O termo lavagem de uma fase orgânica líquida com água refere-se exatamente à extração líquido-líquido com água. É frequentemente empregada em um laboratório de Química Orgânica e geralmente utilizada para retirar traços de reagentes, como ácidos, bases etc. Outra técnica - a secagem do solvente-, ou seja, a remoção de água de um solvente orgânico, será também empregada. A remoção de traços de água de um solvente orgânico de baixa a média polaridade pode ser conseguida com o uso de sais capazes de formar água de cristalização e, assim, após a filtração, retirar a água do meio. Aplicação: fracionamento do extrato metanólico por da partição. Material: funil de decantação, suporte, funis, metanol, diclorometano, água destilada. Procedimento: Em um frasco de Becker, dissolver o extrato metanólico pesado (cerca de 3 g) em 80 mL de uma mistura metanol - água 3:1. Transferir a solução para um funil de decantação e adicionar diclorometano. Agitar o funil com cuidado, não esquecendo de aliviar a pressão no interior do mesmo. Retirar a fase diclorometânica pela parte inferior. Adicionar mais diclorometano à fase hidroalcoólica e repetir o processo de partição. Juntar as fases diclorometânicas. Ver Figura 14 (p. 33). Adicionar sulfato de sódio à fase diclorometânica. Deixar em repouso por cerca de 20 minutos, agitando esporadicamente. Separar o agente secante por filtração. Concentrar a fase clorada em evaporador rotativo e pesar. Caso seja necessário, conduzir a extração da fase metanólica com acetato de etila e/ou n-butanol. Concentrar e pesar. Desprezar a fase aquosa. Figura 14. Extração líquido-líquido. Questões: 1. Fazer o fluxograma do processo de separação. 2. Qual a vantagem de se realizar três extrações com pequenas porções de solvente, no lugar de apenas uma? 3. O que é uma emulsão. 4. Qual a finalidade do uso de sulfato de sódio no processo acima? 5. Citar outros agentes dessecantes e as respectivas aplicações. 6. O que é extração ácido - base? Citar exemplos (pesquisar). 6.7 REFLUXO Grande parte das reações de preparação de derivados e de síntese orgânica envolve uma etapa chamada refluxo, na qual as substâncias são mantidas em solução à temperatura constante através da ebulição/condensação de um solvente apropriado para a mistura. A temperatura do refluxo é geralmente próxima à temperatura de ebulição do solvente. Aplicação: hidrólise básica de triacilglicerois. Os ésteres podem sofrer hidrólise em meio ácido ou em meio básico. Quando essa reação ocorre em meio básico, a reação é chamada de saponificação por ser a reação envolvida no preparo de sabões. Na reação são obtidos o glicerol e o sal dos ácidos que, após acidificação, forma os ácidos graxos correspondentes (abaixo estão representados apenas os ácidos graxos saturados). Reação: Material: equipamento de refluxo (balão e condensador), manta aquecedora, funil de Büchner, Kitasato, provetas, frasco de Becker, solução de NaOH 10%, solução de HCl 10%, gelo, etanol, metanol, água destilada, papel de filtro. Procedimento: Transferir para um balão de fundo redondo 2 g do triacilglicerol e adicionar 25 mL de etanol e 10 mL de solução de NaOH 10% e algumas pedras porosas. Adaptar um condensador (com a entrada e saída de água) ao balão (Figura 15, p. 36). Aquecer o balão contendo a mistura em manta aquecedora (ou outra fonte de calor) de maneira que o vapor do solvente não ultrapasse a metade do condensador. Esperar o sistema entrar em regime, anotar o tempo e manter o refluxo (cerca de duas horas) até a saponificação total (ausência de gotas de óleo na mistura). Em um Becker, colocar 30 mL de solução de HCl 10% e o mesmo volume de gelo picado. Transferir a mistura reacional do balão para o béquer contendo a solução ácida e agite a mistura. Continuar agitando até a precipitação completa do sólido que se forma. Adicionar 50 mL de água destilada e filtrar em funil de Büchner. Lavar o sólido com duas porções de 10 mL água destilada para remover o excesso de ácido. Recristalizar o sólido obtido usando uma mistura de metanol e água dissolvendo o sólido em 30-40 mL de metanol a temperatura ambiente, em seguida aquecendo em banho- maria e filtrando a mistura ainda quente; adicionar água destilada, gota a gota, até o aparecimento de turvação deixando esfriar para recristalizar e em seguida, filtrar em funil de Büchner, deixar secar e pesar o produto (PAVIA et al., 1999; DOMINGUEZ, 1987). Figura 15. Unidade de refluxo. Questões: 1. Qual a finalidade de manter um sistema reacional em refluxo?. 2. Classificar o tipo de reação ocorrida em cada etapa e a reação geral. 3. O que é saponificação? Sugestão: seria recomendável entregar e discutir espectros no infravermelho de triacilgliceróis e de ácidos graxos. 6.8 DETERMINAÇÃO DO PONTO DE FUSÃO DE UM COMPOSTO ORGÂNICO A determinação das propriedades físicas de compostos orgânicos é utilizada na caracterização das substâncias e, muitas vezes, são utilizadas como critérios de pureza. Ponto de fusão, ponto de ebulição, densidade, índice de refração são algumas das propriedades frequentemente determinadas. A maioria dos compostos orgânicos sólidos a temperatura ambiente tem pontos de fusão de até 300 ºC e o intervalo de fusão aceitável para uma substância pura é de 2 ºC. Aplicação: determinação do ponto de fusão dos ácidos graxos. Material: capilar, aparelho de ponto de fusão, substância orgânica. Procedimento: Usar um capilar vedado em uma das pontas ou vedar a extremidade em chama (cuidado!!) mantendo a extremidade do mesmo arredondada (Figura 16, p.38). Transferir para o capilar uma pequena quantidade de substância (cerca de 2 mm de altura). Colocar o capilar com a amostra no aparelho de ponto de fusão. Determinar o intervalo de fusão considerando o início do intervalo de fusão, a temperatura na qual a primeira gota de líquido aparece e o final, a temperatura em que o último fragmento de sólido desaparece. Após o resfriamento do aparelho, repetir a determinação. Tirar a média dos valores. Figura 16. Modelo de aparelho para determinação do ponto de fusão. Observações: • Muitas vezes se obtém uma mistura de ácidos graxos, assim o intervalo de fusão será maior do que 2 graus. • Caso seja sólido, é possível obter também o ponto de fusão do triacilglicerol. • Na falta do aparelho para determinar ponto de fusão, um tubo de Thiele pode ser usado. Questões 1. Pesquisar sobre os fatores que afetam os pontos de fusão de compostos orgânicos. 6.9 CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA COMPARATIVA (CCD) A CCD é uma importante técnica para a rápida separação e análise qualitativa de pequenas quantidades de material. É uma técnica de partição, ou adsorção, sólido/líquido, na qual uma fase móvel líquida ascende por uma fase fixa, constituída de uma fina camada de adsorvente espalhada em uma placa de vidro (ou em outro material). Uma pequena quantidade da amostra é colocada, em geral, na base da placa que é colocada em uma cuba contendo solvente ou umamistura de solventes apropriada (fase móvel); a fase móvel ascende (ou corre) pela placa e os componentes da amostra sofrem partição entre a fase fixa e a fase móvel. A sílíca e a alumina constituem as fases fixas mais utilizadas na CCD (aqui será usada a sílica). Se houver separação, obtém- se uma série vertical de manchas na placa que podem ser reveladas com uso de luz UV, vapores de iodo, solução de sulfato cérico, etc. Aplicação: CCD dos extratos e de suas fases, triacilgliceróis e ácidos graxos. Cada equipe fará duas placas de CCD: uma para o material menos polar (extratos pouco polares, triacilgliceróis, ácidos graxos) e outra com o material mais polar (extrato metanólico e suas fases) Material: placas cromatográficas (ou cromatoplacas) de sílica gel, cuba, capilares, revelador, solventes, pipetas, provetas. Procedimento: • Ativação das placas: aquecer as placas previamente durante 1 horas a 105 oC para eliminação da umidade. • Aplicação da amostra: dissolver uma pequena quantidade do material em um solvente volátil. Com auxílio de um capilar, aplicar o material a cerca de 1 cm da base inferior formando uma mancha de no máximo 2 mm. Manter um afastamento de 1 cm entre as aplicações. • Preparo da fase móvel: em uma cuba com tampa, colocar um pedaço de papel de filtro cobrindo mais da metade desta. Adicionar o solvente que servirá de fase móvel umedecendo o papel de filtro e tampar a cuba. O volume de solvente na cuba deve ser tal que este não atinja as amostras aplicadas na placa. OBS. A escolha do solvente (ou sistema de solventes) a ser usado como fase móvel deverá ser escolhido através da observação experimental levando-se em conta a sua capacidade de separação das substâncias. • Eluição: colocar a placa na cuba e deixar o solvente "correr" até cerca de 5 mm da extremidade superior da placa (Figura 17). Retirar a placa e marcar com um lápis a linha do solvente. Deixar evaporar o solvente. • Revelação das placas: de acordo com o tipo de material utilizado usar o método de visualização apropriado (uma cuba com iodo é apropriada para a maioria das substâncias). Figura 17. Placa cromatográfica em eluição. Questões: 1. Fazer um desenho esquemático das placas após revelação. 2. Explicar o processo de separação por ccd. 3. Como escolher o solvente ideal para uma ccd? 4. O que é o Rf numa ccd? Quais os fatores que alteram seu valor? 6.10 HIDRODESTILAÇÃO A hidrodestilação consiste em se levar à ebulição com água um material para extração. As substâncias mais voláteis (pv no mínimo 5-10 mmHg) destilam com o vapor e podem ser separadas da água no destilado, desde que imiscíveis. A destilação tem lugar a uma temperatura abaixo do ponto de ebulição da água (e abaixo do p.e. de muitas substâncias orgânicas). Isso torna possível a separação de substâncias que decompõem nas proximidades de seus pontos de ebulição. Neste experimento será utilizado um aparelho de Clevenger na obtenção de óleo essencial. O material botânico será adquirido somente para esse experimento. Pode ser qualquer planta aromática; qualquer parte da planta. Os mercados e feiras da região são ricos em plantas deste tipo. Patchouli, priprioca, canela, cascas de laranja, cascas de limão, são alguns exemplos que podem ser usados como fontes de óleo essencial. Aplicação: extração do óleo essencial. Material: aparelho de Clevenger, balão de fundo redondo, manta aquecedora. Procedimento: Colocar o material a ser extraído, cortado e pesado, no balão de destilação até no máximo a metade de sua capacidade. Adicionar água para cobrir material botânico. Montar o aparelho, utilizando unidade de refrigeração para resfriamento. Ver Figura 18 (p. 42). Uma vez estabilizada a destilação, manter o aquecimento por cerca de 1 ou 2 horas. Em geral, para óleos essenciais, a separação pode ser conseguida por decantação ou, se o rendimento for muito pequeno, pode-se optar por uma extração com solvente volátil (diclorometano ou éter etílico) e concentrar a solução em evaporador rotativo sem aquecimento. Figura 18. Aparelho de Clevenger para obtenção de óleo essencial. Questões: 1. Qual a diferença entre a hidrodestilação e a destilação por arraste de vapor (pesquisar). 6.11 DESVIO POLARIMÉTRICO As substâncias capazes de desviar o plano da luz polarizada, ou seja, que têm atividade ótica, podem existir em duas formas distintas (enanciômeros). Todas as propriedades físicas de um par de enanciômeros são idênticas, exceto o sinal do desvio da luz polarizada. A sacarose é uma molécula que desvia o plano da luz polarizada (D diferente de zero) e essa propriedade é usada no controle de qualidade do açúcar. O teor de pureza de uma amostra de açúcar comercial será determinado a partir do valor do desvio do plano da luz polarizada observado. Aplicação: determinação da pureza do açúcar. Material: polarímetro, balança analítica, frasco de Becker de 100 mL, balão volumétrico de 100 mL, proveta de 50 mL, termômetro Procedimento Pesar 26 g de sacarose amostra em Becker de 100 mL; transferir quantitativamente para balão volumétrico de 100 mL com água destilada; completar o volume. Caso a solução esteja turva, adicionar o acetato de chumbo neutro, em pequenas quantidades e filtrar em papel de filtro. Transferir a solução de açúcar para um tubo de 200 mm do polarímetro (Figura 19, p. 44). Proceder rapidamente à leitura a 2 0 ºC, com luz de sódio. Realizar a análise em duplicata (ZENEBON e PASCUET, 2005). Para uma substância pura D = D obs/ c x l , onde D obs = desvio observado, c = concentração da solução (g/100 mL) e l = comprimento do tubo (dm). Cálculo do teor de pureza: Teor de sacarose no açúcar (% p/p) = L x 100 / 34,62 L = leitura no polarímetro Figura 19. Polarímetro. Questões: 1. Escrever a fórmula da sacarose. 2. Identificar os centros estereogênicos na sacarose. 3. Citar exemplos de substâncias orgânicas cujas moléculas são quirais. Incluir fórmulas estruturais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS DOMINGUEZ, X. A. Experimentos de Química Orgánica. Editorial Limusa. México, 1987. HARWOOD, L. M.; MOODY, C. J. Experimental Organic Chemistry. Principles and practice. Blackwell Scientific Publications. Oxford, 1989. MANO, E. B.; SEABRA, A. D. P. Práticas de Química Orgânica. 3ª ed. Editora Edgard Blücher LTDA. Rio de Janeiro, 1987. MORITA, T. ; ASSUMPÇÃO, R. M. V. Manual de soluções, reagentes & solventes: padronização, preparação, purificação. 2ª ed. Editora Edgard Blüchner Ltda. São Paulo, 1972. PAVIA, D. L.; LAMPMAN, G. M.; KRIZ, G. S.; ENGEL, R. G. Introduction to Organic Laboratory Techniques – a microscale approach. 3ª ed. Saunders College Publishing. Fort Worth, 1999. VOGEL, A. I.. Vogel’s textbook of Practical Organic Chemistry. 5ª ed rev. por FURNISS, B. S.; HANNAFORD, A. J.; SMITH, P. W. G.; TATCHELL, A. R. Pearson Education Limited. Harlow, 1989. ZENEBON, O.; PASCUET, N. S.. Métodos físico-químicos para análise de alimentos. 4ª ed. Instituto Adolfo Lutz. São Paulo, 2005.
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