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2018 2 ÍNDICE CALENDÁRIO ACADÊMICO 2022 – 3ºQ .................................................................................. 3 CRONOGRAMA - 3º. QUADRIMESTRE DE 2022 ..................................................................... 4 AVALIAÇÃO ................................................................................................................................. 5 OBJETIVOS DA DISCIPLINA ....................................................................................................... 6 INFORMAÇÕES IMPORTANTES................................................................................................ 7 SEGURANÇA ............................................................................................................................... 9 NORMAS DE TRABALHO ......................................................................................................... 10 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 11 BREVE FUNDAMENTO TEÓRICO DE ALGUMAS TÉCNICAS EXPERIMENTAIS .................. 12 RECRISTALIZAÇÃO ........................................................................................................... 12 REFLUXO ........................................................................................................................... 13 DESTILAÇÃO ..................................................................................................................... 14 CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA .................................................................. 19 EXPERIMENTO 1 – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE ........................................................................ 21 EXPERIMENTO 2 – EXTRAÇÃO DO EUGENOL ...................................................................... 28 EXPERIMENTO 3 – NITRAÇÃO DO EUGENOL ...................................................................... 31 EXPERIMENTO 4 – REDUÇÃO SELETIVA DO GRUPO NITRO .............................................. 34 EXPERIMENTO 4 – REAÇÃO DE DIELS-ALDER ...................................................................... 38 EXPERIMENTO 5 – REDUÇÃO DA DUPLA LIGAÇÃO DO ADUTO DE DIELS-ALDER, SÍNTESE DA NORCANTARIDINA ............................................................................................................ 41 EXPERIMENTO 6 - REAÇÃO DE ACOPLAMENTO ENTRE OS COMPOSTOS 3 E 7 ....... Erro! Indicador não definido. Professores (2022) Alvaro Takeo Omori (alvaro.omori@ufabc.edu.br) Celio Fernando Figueiredo Angolini (celio.fernando@ufabc.edu.br) 3 4 CALENDÁRIO ACADÊMICO 2022 – 3ºQ DIAS E LOCAIS DAS AULAS - 3ºQ – 2022 TURMA A1 (19:00 ~23:00) L405-3 5 CRONOGRAMA - 3º. QUADRIMESTRE DE 2022 §Somente em caso de falta justificada, como descrito no Art 2º da Resolução CONSEPE UFABC número 181, de 23 de outubro de 2014. Esta prova substitutiva será realizada somente para a avaliação final, não sendo permitida a reposição das aulas práticas. SEMANA ATIVIDADES CONCEITOS ENVOLVIDOS PRÉ-ATIVIDADES 1 VI SEMANA DA QUÍMICA (NÃO HAVERÁ AULA) – ASSISTIR VÍDEO DA APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA E FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2 Experimento 1: Extração Ácido-base Extração líquido- líquido, pKa, solubilidade Pesquisa sobre técnicas básicas de laboratório de Química Orgânica e estudo do experimento 3 Experimento 2: Extração do Eugenol Destilação por arraste a vapor Pesquisa sobre técnicas básicas de laboratório de Química Orgânica e estudo do experimento 4 FERIADO (12/10) 5 Experimento 3: Nitração do Eugenol Reações em anéis aromáticos Estudo do Experimento 3 6 Experimento 4: Redução usando cabelo (p.1) Métodos de reações de redução de grupo nitro Estudo do Experimento 4 7 FERIADO (02/11) 8 Experimento 4: Redução usando cabelo (p.2) Métodos de reações de redução de grupo nitro Estudo do Experimento 4 9 Experimento 5: Reação de Diels-Alder Reações de cicloadição Estudo do Experimento 5 10 Experimento 6: Redução da dupla ligação do aduto de D-A Reações de redução de alcenos Estudo do Experimento 6 11 DISCUSSÃO DOS EXPERIMENTOS 1 A 7 + ENTREGA E CORREÇÃO DE RELATÓRIOS 12 Avaliação Geral Todos os assuntos discutidos e estudados na disciplina Estudar conceitos envolvidos nos experimentos 1 a 7 e parte teórica. 13 Avaliação Substitutiva Estudar conceitos envolvidos nos experimentos 1 a 6 e parte teórica 6 AVALIAÇÃO 50% AVALIAÇÃ O GERAL 30% MÉDIA DOS QUESTIONÁRIOS 20% CADERNO DE LABORATÓRIO E TRABALHO INDIVIDUAL CONCEITO FINAL DE Q.Org.Exp 7 OBJETIVOS DA DISCIPLINA Ementa: Segurança em laboratório, montagem de aparelhagens, técnicas de purificação, identificação de compostos orgânicos, controle e tratamento de resíduos. A principal finalidade da disciplina é vivenciar e aprender as técnicas necessárias para lidar com produtos químicos orgânicos, buscando habilidade e conhecimento em reações orgânicas que originam novos produtos de interesse. É importante demonstrar e entender que a Química Orgânica permeia a vida de todos, em virtude de seus muitos usos comuns como, por exemplo, medicamentos, alimentos, plásticos e perfumes. Alguns aspectos importantes podem ser destacados para o desenvolvimento adequado da disciplina: 1) Registrar os dados cuidadosamente; 2) Registrar observações relevantes; 3) Utilizar o tempo de maneira efetiva; 4) Avaliar a eficiência do método experimental; 5) Planejar o isolamento e purificação da substância que será preparada; 6) Trabalhar com segurança; 7) Resolver problemas, propor modificações ou novos procedimentos e pensar como químico. 8 INFORMAÇÕES IMPORTANTES AVALIAÇÃO DOS EXPERIMENTOS 1. Caderno de laboratório: Cada aluno deverá ter um CADERNO DE LABORATÓRIO exclusivo para a disciplina, onde deverão constar todas as informações necessárias para a execução e compreensão do experimento a ser realizado. Antes do dia do experimento, deverá ser previamente elaborada por cada aluno, e registrada no CADERNO DE LABORATÓRIO, a sequência de atividades que serão desenvolvidas. O registro deverá conter os seguintes itens: a) Título do experimento e data b) Procedimento e figura(s) da aparelhagem c) Propriedades físicas (em uma Tabela) dos principais reagentes e produtos. d) Características dos principais reagentes e produtos e) Reações utilizadas e mecanismos f) Estequiometria e rendimento teórico g) Esquema do procedimento (diagrama de blocos/fluxograma) h) Referências bibliográficas O caderno de laboratório será verificado aleatoriamente, antes de cada experimento, e receberá uma nota (20%) que juntamente com a nota do relatório (80%) comporá a nota correspondente ao experimento desenvolvido. As notas do caderno serão avaliadas no final da disciplina. O aluno só poderá executar o experimento se, no início da aula, apresentar o CADERNO DE LABORATÓRIO contendo os itens obrigatórios solicitados. Caso contrário, o aluno será convidado a se retirar do laboratório, ficando com falta apenas no dia em questão. 2.Relatórios: cada grupo terá que entregar ao todo 4 relatórios - 1º relatório: Experimento 1 (até o dia 12/10) - 2º relatório: Experimentos 2, 3 e 4 (até o dia 02/11) - 3º relatório: Experimentos 5 e 6 (até o dia 23/11) - 4º relatório: Experimento 7 (até o dia 30/11) No relatório deverão constar obrigatoriamente, e na sequência indicada abaixo, os seguintes itens: a) Título do experimento, nomes e RAs dos autores b) Resumo (Descrição sumária dos resultados obtidos, com a finalidade de dar uma ideia global do que foi feito sem ser necessária a leitura de todo o relatório. (10 linhas no máximo). 9 c) Enunciado do problema Contextualizar a relevância do tema abordado. (máximo de ½ página). d) Resultados e discussão (Considerações experimentais e teóricassobre o experimento realizado, equações, mecanismos, rendimento, pureza e caracterização dos compostos obtidos, análise espectroscópica, comparações com a literatura, mencionando no texto a bibliografia consultada (citações).) e) Conclusões Parágrafo destacando os aspectos mais relevantes do experimento, resultados das reações e/ou caracterização das substâncias obtidas. (15 linhas no máximo). f) Parte experimental Descrição precisa dos procedimentos utilizados, informando todos os dados importantes como quantidades de reagentes e solventes, tempo e temperatura das reações, métodos de extração, purificação e identificação dos produtos obtidos, propriedades químicas e propriedades físicas. (Obs.: O procedimento deve ser descrito de tal forma que qualquer pessoa minimamente experiente possa reproduzi-lo). g)Referências bibliográficas Lista de livros ou obras de referência e artigos de revistas utilizados na confecção do relatório: deve ser apresentada de acordo com as normas internacionais (preferência da ACS – American Chemical Society). h) Anexos Espectros, figuras e esquemas considerados importantes para o esclarecimento da discussão, devidamente numerados e com legendas explicativas. O aluno que faltar a um experimento terá nota zero no dia em que esteve ausente no laboratório. Enviar via pdf via Classroom da disciplina. 3. Avaliação (07/12) e frequência: Na avaliação do desempenho do aluno na disciplina serão considerados as notas dos relatórios, testes e provas. Média dos relatórios (MR); Caderno; Prova (P); Média final (MF). Média final = [(CADERNOx2) + (MRx3) + (Px5)] / 10 = MF AVISOS: 1) O ALUNO NÃO PODERÁ REALIZAR O EXPERIMENTO SEM O ESTUDO PRÉVIO DO MESMO; 2) TOLERÂNCIA PARA ATRASO: 15 MINUTOS; Sendo que cada minuto de atraso é um minuto a menos para realização do teste. 3) FREQUÊNCIA MÍNIMA: 75%; 4) NÃO HAVERÁ REPOSIÇÃO DE EXPERIMENTO. 10 SEGURANÇA Leia integralmente o Guia de Segurança, Experimentos e Atividades da disciplina de Base Experimental das Ciências. 11 NORMAS DE TRABALHO 12 BIBLIOGRAFIA Bibliografia Básica 1. Zubrick, J.W. Manual de Sobrevivência no Laboratório de Química Orgânica. 6a ed. LTC. 2005. 2. COLLINS, C. H; Braga, G., Bonato, P. S. Fundamentos de cromatografia. Editora da Unicamp. 2006 3. GILBERT, J.C. et al. Experimental Organic Chemistry: A Miniscale and Microscale Approach. 5a ed. Cengage Learning. 2010. 960p. Bibliografia Complementar 1. PAVIA, D.L. Introduction to organic laboratory techniques: a microcale approach. 4a ed. Spain: Brooks/Cole. 2007. 2. ARMAREGO, W. L. F.; CHAI, C. Purification of laboratory chemicals. 6a.ed. Burlington, USA: Elsevier: Butterworth-Heinemann. 2009. 3.PADIA, A.B. Making the Connections 2: A How-To Guide for Organic Chemistry Lab Techniques. 2a ed. Hayden-McNeil Publishing. 2011. 210p Informações técnicas (propriedades físicas, toxicidade, preço, nomenclatura) 1. CRC Handbook of Chemistry and Physics 2. Sigma-Aldrich – www.sigmaaldrich.com 3. IUPAC Gold Book - http://goldbook.iupac.org/ Bases de Dados/Referências/Desenho 1. The Web os Science (www.isiknowledge.com) 2. SciELO - Scientific Electronic Library Online (www.scielo.org) 3. Sciencedirect (www.sciencedirect.com) 4. American Chemical Society (www.pubs.acs.org) 5. Royal Society of Chemistry (www.rsc.org) LISTA DE APLICATIVOS PARA DESENHAR ESTRUTURAS: https://en.wikipedia.org/wiki/Molecule_editor PORTAL DE SITES DE QUÍMICA ORGÂNICA (VALE A PENA ACESSAR): https://organicchemistrydata.org/ http://goldbook.iupac.org/ http://www.isiknowledge.com/ http://www.scielo.org/ http://www.sciencedirect.com/ http://www.pubs.acs.org/ http://www.rsc.org/ https://en.wikipedia.org/wiki/Molecule_editor https://organicchemistrydata.org/ 13 BREVE FUNDAMENTO TEÓRICO DE ALGUMAS TÉCNICAS EXPERIMENTAIS Para que uma reação orgânica seja bem sucedida, o químico precisar estar familiarizado com uma variedade de técnicas de laboratório. Mostraremos neste curso algumas delas. RECRISTALIZAÇÃO Na maioria dos experimentos, o produto desejado é isolado sempre na forma impura. Se este produto é sólido, o método mais comum de purificação é via cristalização. Em geral, a técnica envolve a dissolução do material a ser cristalizado com o mínimo de solvente a quente e seguido do lento esfriamento da solução. O material dissolvido tem a solubilidade diminuída a temperaturas mais baixas e vai se separar da solução à medida que é resfriada. Este fenômeno é chamado de cristalização se a germinação é relativamente lenta e seletiva ou precipitação se o processo é rápido e não-seletivo. Como as impurezas estão em quantidades muitos menores que o do composto a ser cristalizado, a maior parte das impurezas se mantém dissolvida no solvente mesmo quando é resfriado. Assim, a substância purificada pode ser separada do solvente e das impurezas por filtração. O solvente apropriado para a recristalização deve ser capaz de solubilizar o produto sólido a quente e ter pouca solubilidade em temperaturas baixas. E também dever solubilizar as impurezas em qualquer temperatura. Os passos para a cristalização estão representados na figura 1. 14 Figura 1 – Etapas para recristalização REFLUXO Existem reações em que é desejado o aquecimento da mistura reacional (solvente orgânica + reagentes) para fornecer energia necessária para a completa transformação. Para evitar que o solvente seja perdido por evaporação é necessário a utilização de um condensador de refluxo conectado ao frasco de reação (figura 2). Além do condensador é necessário uma correta escolha do solvente, que deve ter as seguintes características: - Capaz de dissolver os reagentes na temperatura de ebulição; 15 - A temperatura de ebulição deve ser elevada o suficiente para que a reação ocorra; Figura 2 – Montagem básica para refluxo DESTILAÇÃO Este método de separação (ou purificação) de líquidos por vaporização e condensação é uma das mais antigas utilizadas pelo homem. Os principais tipos de destilação e suas aplicações estão a seguir. Simples: deve ser utilizado para separar líquidos (ponto de ebulição ABAIXO de 150 ºC, a 1 atm) de impurezas não voláteis ou de outro líquido que tenha ponto de ebulição de pelo menos 25 ºC acima do líquido desejado (figura 3). Destilação à pressão reduzida: deve ser utilizado para separar líquidos (ponto de ebulição ACIMA de 150 ºC, a 1 atm) de impurezas não voláteis ou de outro líquido que tenha ponto de ebulição de pelo menos 25 ºC acima do líquido desejado. A aparelhagem para a destilação à vácuo é similar ao da destilação simples, com exceção do uso do vácuo (figura 4). Destilação Fracionada: deve ser utilizado para separar misturas de líquidos com pontos de ebulição próximos, com menos de 25 ºC de diferença. A aparelhagem é similar da destilação simples, com exceção da coluna de Vigreux (figura 5). Condensador de refluxo Banho de óleo Chapa de aquecimento com agitação 16 Figura 3 – Aparelhagem para destilação simples Figura 4 – Aparelhagem para destilação a vácuo. Condensador Termômetro Adaptador em L com saída lateral Frasco Coletor Adaptador de 3 vias Condensador Termômetro Adaptador em L com saída lateral, para aplicar o vácuo Frasco Coletor Coluna Vigreux 17 Figura 5 – Aparelhagem para destilação fracionada Existem outras colunas que são utilizadas para destilação fracionada, algumas contendo materiais empacotados (bolas de vidro, pedaços de cerâmica e até palha de aço) com a mesma finalidade da coluna Vigreux. O aumento da área superficial da coluna faz com que haja uma maior troca de calor com o vapor e a superfície da coluna, isso confere uma separação mais eficaz dos componentes do que uma coluna comum. Destilação por Arraste a Vapor: as destilações simples, fracionada ouà pressão reduzida são técnicas aplicadas apenas para misturas miscíveis. Misturas não miscíveis também podem ser destiladas, com resultado diferente. A mistura de líquidos imiscíveis irá entrar em ebulição numa temperatura inferior aos pontos de ebulição dos líquidos puros. Se uma dessas fases imiscíveis é o vapor de água, o processo é chamado de destilação por arraste a vapor. A aparelhagem está representada na figura 6, abaixo. Condensador Termômetro Adaptador em L com saída lateral Frasco Coletor Coluna Vigreux Chapa de aquecimento com agitação 18 Figura 6 – Aparelhagem para destilação por arraste a vapor Esta técnica é útil no processamento e isolamento de óleos essenciais e resinas, e possui a vantagem de ser seletiva, pois apenas substâncias insolúveis em água e voláteis com o vapor são destiladas. Destilação Azeotrópica (remoção de água usando Dean-Stark): A reação de esterificação pode ser representada no esquema abaixo: Para alcoóis primários reagindo com ácidos carboxílicos desimpedidos, o Keq 4. Isso significa que em no equilíbrio, o rendimento teórico do éster é abaixo de 70%. Para deslocarmos o equilíbrio a favor dos produtos, podemos diminuir a concentração de um dos produtos. Isso pode ser feito no laboratório, removendo a água do sistema reacional como um azeótropo (mistura binária água-solvente orgânico de ponto de ebulição constante). A aparelhagem para a destilação com remoção de água está representada na figura 7 abaixo. Condensador Termômetro Adaptador em L com saída lateral Proveta Kitassato Tubo de vidro aberto 19 Figura 7 – Aparelhagem para destilação azeotrópica O acessório Dean-Stark possui um braço graduado com torneira onde o vapor condensado é acumulado. Na mistura binária, a água é mais densa e com o decorrer da reação há a separação das duas fases. Tão logo a quantidade teórica de água é coletada neste braço graduado, a reação é finalizada e o produto conterá grande quantidade do éster. Condensador Dean-Stark Banho de óleo Chapa de aquecimento com agitação 20 CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA Do inglês Thin Layer Chromatography, é mais conhecido pela abreviação TLC. É usado na identificação de compostos e análise qualitativa de pureza. Como toda separação cromatográfica, a mistura é separada através da interação de duas fases (móvel e estacionária). O adsorvente, comumente a Sílica Gel, geralmente é suportado em vidro ou em folhas de alumínio e junto pode estar presente um material fluorescente que pode auxiliar na visualização (com luz ultravioleta, por exemplo). A aplicação das amostras está ilustrada na figura 8. Figura 8 – Representação de um TLC Legenda: SM = material de partida, distância percorrida pelo substrato pdts = amostra da reação S = distância percorrida pela fase móvel (solvente) P = distância percorrida do possível produto co-spot = mistura SM + pdts Rf = distância percorrida do composto / S O processo de separação depende das diferenças de quão forte os componentes da mistura estão adsorvidas na fase estacionária e quão solúveis eles são na fase móvel. Essas diferenças dependem basicamente nas polaridades relativas dos componentes. Aplicações do TLC: - Determinar o número de componentes da mistura - Identificação de substâncias baseados no Rf -Monitoramento de reação - Pureza -Determinar condições para separação cromatográfica em coluna - Para monitorar separações cromatográficas 21 22 EXPERIMENTO 1 – EXTRAÇÃO ÁCIDO-BASE Introdução A separação de uma dada substância, presente em uma mistura, pelo contato com um solvente que preferencialmente dissolve o material desejado se chama extração. A extração de uma substância de uma fase líquida para uma outra é um processo de equilíbrio determinado pelas solubilidades da substância (soluto) nos dois solventes. A razão das concentrações nas duas fases em equilíbrio (kd = C1/C2) é chamada coeficiente de distribuição e é uma constante de equilíbrio com um valor característico para uma substância (soluto) em um par de solventes imiscíveis a uma dada temperatura. Em uma extração quimicamente ativa, uma substância é modificada quimicamente para mudar seu coeficiente de distribuição em um par de solventes. Materiais e Reagentes - Mistura de reagentes (1,5 mL de anilina; 1,0 g naftaleno; 1,0 g -naftol e 1,0 g ácido benzoico). - 3x Erlenmeyer (250 ml) - Acetato de etila (100 ml) - 2x Funil separação (250 ml) ou (1 de 250ml e 1 125ml) - Funil analítico - Solução HCl (10%) em água (60 ml) - Solução NaOH (30%) em água (20 mL) - Papel indicador de pH - Papel filtro (6 unidades) - Balão de fundo redondo (250 mL) - HCl concentrado - Funil buchner , Kitassato e alonga; - Banho de Gelo - Solução NaOH (10%) (60 mL) - Placas cromatográficas de gel de sílica, sob suporte de alumínio (6 X 10 cm2) - Solução Acetato:hexano (70:30) para CCD (5 ml) - Sulfato de magnésio ou de sódio anidro - Câmara de revelação com luz UV - Cubas cromatográficas - Rotaevaporador rotativo - Argola e suporte universal - Solução aquosa de NaHCO3 10% (60 mL) Objetivos Separação e purificação de compostos orgânicos através do uso de solventes reativos. Conceitos envolvidos a) Acidez/Basicidade de compostos orgânicos: Utilizar as diferenças de pka das substâncias orgânicas para alterar seu coeficiente de distribuição em um par de solventes. b) Extração/Coeficiente de Distribuição: Extrair com um solvente (3 x 20 mL), por exemplo, significa extrair três vezes utilizando 20 mL de solvente cada vez. Note que, 23 considerando o coeficiente de distribuição, essa extração é mais eficiente do que se fosse de uma só vez utilizando 60 mL do solvente. c) Densidade dos solventes: Geralmente o solvente de maior densidade constitui a fase inferior, sendo o primeiro a ser retirado do funil de separação. Em química orgânica, estão nessa classe de solventes (maior densidade) os organoclorados (clorofórmio, diclorometano e tetracloreto de carbono). Esses são os mais usuais e todos têm densidade maior do que a densidade da água (1). Assim, em uma extração, eles estão sempre na fase inferior. Consultar a tabela de densidade no Handbook. Esse dado também está disponível no Catálogo de algumas empresas que comercializam reagentes químicos (Aldrich, Sigma, Fluka, Merck, etc). d) Agentes secantes: Normalmente duas ou três pontas espátulas (tipo cânula) de Na2SO4 (sulfato de sódio) anidro é a quantidade suficiente para remover a água que fica nos solventes orgânicas quando fazemos uma partição com a água. Em química orgânica, todas as vezes que fazemos uma extração envolvendo água e um solvente orgânico, sempre vai haver a passagem de pequenas quantidades de água para o solvente. Se o solvente for evaporado diretamente, sem passar pela etapa de secagem, vamos ficar com o nosso produto cheio de água, já que esse solvente tem um ponto de ebulição maior do que a média dos solventes orgânicos mais utilizados. Para evitarmos isso, antes de evaporarmos o solvente orgânico utilizado em uma extração, a água presente no solvente deve ser removida com a ajuda de um agente dessecante. O mais comum é o Na2SO4 (sulfato de sódio) anidro. Esse sólido perde água quando seco em estufa. Em contato com um solvente orgânico, contendo uma pequena quantidade de água, ele recupera a água na sua rede cristalina e dessa maneira seca o solvente orgânico. É muito fácil observar quando a quantidade de agente secante é suficiente. Normalmente o solvente orgânico contendo água fica levemente turvo. A proporção que adicionamos o agente de secagem e agitamos a solução, vamos observar que a solução fica mais límpida e o sólido se aglomera. Adicionamos quantidade suficiente de agente de secagem para ter uma solução bem límpida (três ouquatro pontas de uma espátula tipo cânula). e) Análise cromatográfica 24 Procedimento Experimental A mistura que você recebeu contem 1,5 mL de anilina (kb = 4,2 x 10-10) e 1,0 g das seguintes substâncias: naftaleno (neutro), -naftol (ka + 10-10) e ácido benzoico (ka = 6,1 x 10-5). As estruturas dessas substâncias são apresentadas abaixo (Figura 1). Figura 1 - Substâncias utilizadas no experimento de extração com solvente reativo. Dissolva todo o conteúdo do frasco em um Erlenmeyer contendo 60 mL de acetato de etila e transfira quantitativamente esta solução para um funil de separação de 250 mL (com o auxílio de um funil analítico). Lave o frasco com 10 mL de acetato de etila para dissolver e transferir o resíduo de amostra que tenha ficado no erlenmeyer, para o funil de separação. Extraia, em seguida, com as soluções aquosas na ordem descrita, mantendo sempre a solução orgânica no funil. Perguntas: 1) Qual é a densidade do acetato de etila (use um Handbook para obter essa informação)? Resposta: 2) Partindo da premissa que o acetato de etila é imiscível em água. Em uma mistura acetato de etila: água, quem será a fase superior e quem será a fase inferior? Resposta: 1) Extração da anilina: Extraia a solução orgânica inicial com uma solução de HCl 10% (3 x 20 mL), combine as duas extrações. CUIDADO: Lembre-se sempre de abrir a torneira do funil após cada agitação para aliviar a pressão interna, posicionando a abertura do funil para cima, conforme mostrado abaixo (ver Figura 2). 25 Figura 2 - Operações de agitação e alivio de pressão em funil de separação e decantação. Porque utilizamos HCl para extrair a anilina? Resposta: Escreva uma equação que explique o que ocorre. A anilina passa para a fase aquosa? Porque? Resposta: Guarde a solução orgânica no funil para prosseguir o experimento de extração. Item 2: Neutralizar as frações aquosas ácidas (3 extrações) com solução de NaOH 30% até pH 7-8. Transfira essa solução neutralizada para outro funil de separação (com auxílio de um funil analítico) e extraia essa fração aquosa neutralizada com acetato de etila (20 mL). Separe a fase orgânica em um erlenmeyer. Pergunta: Qual será a fase orgânica? Resposta: Porque foi necessário neutralizar a solução ácida antes de extrairmos? Resposta: Repita a operação de extração da fase aquosa com mais 20 mL de acetato de etila. Combine as fases orgânicas. Seque as fases orgânicas reunidas com Na2SO4, filtre para um balão previamente pesado, utilizando um funil analítico e papel pregueado (ou um chumaço de algodão) e evapore o solvente em um rotaevaporador rotativo. Pesar o produto obtido para determinar a percentagem de produto recuperado. 26 Que cálculos você deve fazer para determinar essa percentagem de recuperação? Resposta: 2) Extração do ácido benzoico: Extraia a solução orgânica original (guardada no funil de separação) com uma solução aquosa de NaHCO3 10% (3 x 20 mL). CUIDADO: lembre-se de abrir a torneira para aliviar a pressão que agora será maior, devido ao desprendimento de CO2. Recolha a fase aquosa em um erlenmeyer e mantenha a fase orgânica no funil para fazer as outras extrações. Escreva a equação da reação do ácido carboxílico com NaHCO3 para explicar o desprendimento de CO2. Resposta: Após juntar as três fases aquosas, neutralize-as utilizando uma solução de HCl concentrado, agitando cuidadosamente até o pH do meio atingir um valor entre 3-4. Pode haver um intenso desprendimento de CO2. Atenção: Cuidado ao manusear a solução concentrada de HCl. Isso deve ser feito sob a capela e com luva. Coletar o precipitado formado, através da filtração a vácuo utilizando um funil de Büchner (Figura 3) (e papel de filtro adequado). Lave os cristais com água fria. Seque os cristais entre papéis de filtro e pese o produto obtido. Calcule a percentagem de material recuperado. Figura 3. Funil de Büchner. 3) Extração do -Naftol: Extraia a solução orgânica original com solução aquosa de NaOH 10% (3 x 20 mL). Guarde a solução orgânica original para prosseguir a extração no item 4. 27 Porque utilizamos NaOH para extrair o -naftol? Resposta: Junte as frações aquosas básicas em um erlenmeyer. Neutralize esta solução final com HCl concentrado, que deve ser adicionado em pequenas porções. O precipitado formado deve ser coletado através de uma filtração a vácuo utilizando um funil de Büchner. Lavar o precipitado com água fria. Seque os cristais entre papéis de filtro e pese o produto obtido. Calcule a percentagem de material recuperado. 4) Recuperação do naftaleno: Lave com água destilada a solução orgânica original (2 x 20 mL). Separe as fases e recolha a solução orgânica em um erlenmeyer e seque com Na2SO4 anidro. Filtre, com a ajuda de um papel pregueado ou então com um chumaço de algodão, a solução para dentro de um balão de fundo redondo previamente pesado e evapore o solvente orgânico em um evaporador rotatório. Pese o produto obtido para calcular a percentagem de produto recuperado. Separe amostras das substâncias que você separou para obtenção dos espectros de IV e para a análise por Cromatografia em Camada Delgada (CCD). (vide Erro! Fonte de referência não encontrada.) 28 29 EXPERIMENTO 2 – EXTRAÇÃO DO EUGENOL Introdução O Cravo da Índia (Syzygium aromaticum) é uma especiaria oriental amplamente utilizada na culinária e possui ações terapêuticas. Na época das grandes navegações teve uma participação muito importante na história da civilização. Sua composição é caracterizada pela presença de um propenilfenol, largamente preponderante, o eugenol. O teor desta substância no óleo essencial varia entre 70-85%, majoritariamente na forma livre e uma parte na forma de acetato de eugenila. O eugenol é acompanhado de uma dezena de substâncias terpênicas, alifáticas, aromáticas e heterocíclicas; salienta-se a presença de cerca de 10% de cariofileno. Neste experimento será isolado o eugenol do óleo de cravo (Eugenia caryophyllata), pela técnica de destilação por arraste a vapor. Uma vez obtido o eugenol, deve-se separá- lo da solução aquosa através de extrações com diclorometano. Traços de água presentes no solvente deverão ser retirados com a ajuda de um sal dessecante (sulfato de sódio ou magnésio). Materiais e Reagentes - Cravo comercial (50 g); - Proveta; - Balões de fundo redondo 250 mL ou de 500 mL; - Manta de aquecimento; - Pedras de porcelana; - Garra, mufa, argola e suporte universal; - Chapa de agitação com aquecimento para a geração de vapor; - Condensador; - Tubo com saída lateral; - Kitassato; - Rolhas; - Adaptador com saída lateral; - Termômetro; - Tubo com junta em L; - Funil de Separação de 250 mL; - Erlenmeyer de 250 mL ou maior (2); - Evaporador rotativo; - Funil de vidro; - Papel de filtro; - Diclorometano; - Sulfato de magnésio anidro. 30 - Mangueiras; Procedimento Monte a aparelhagem conforme a Figura 6. Coloque 50 g de cravos num balão de fundo redondo e adicione 150 mL de água. Inicie o aquecimento de modo a ter uma velocidade de destilação lenta, mas constante. Durante a destilação continue a adicionar vapor através do tubo de saída lateral, numa velocidade que mantenha o nível original de água no frasco de destilação. Continue a destilação até coletar 100 mL do destilado. Transfira o destilado no funil de separação e extraia com duas porções de diclorometano (10 mL). Separe as camadas e despreze a fase aquosa (superior ou inferior?). Seque a fase orgânica com sulfato de magnésio anidro. Filtre a mistura em papel pregueado (diretamente em um balão de fundo redondo previamente pesado), lave com uma pequena porção de CH2Cl2 e, em seguida, retire o solvente no evaporador rotativo. Atividade Proponha uma maneira adequada de descartar os resíduosgerados. Questões de Verificação 1. Qual é a diferença entre a Lei de Raoult aplicada à líquidos miscíveis (experiência da destilação fracionada) e pressão total de vapor em uma mistura de líquidos imiscíveis? 2. Qual a vantagem de uma destilação a vapor? Qual é o princípio do fenômeno de arraste a vapor? 3. Como você faria para comprovar a existência do eugenol no destilado? 4. Desenhe outros exemplos de aparelhagens para extração de óleos essenciais e mostre o funcionamento. 5. Apresente três aplicações do eugenol em síntese orgânica. 31 32 EXPERIMENTO 3 – NITRAÇÃO DO EUGENOL Introdução A reação de nitração de compostos aromáticos é o método mais importante para a introdução de um grupo nitrogenado ao anel aromático. Os produtos nitro-aromáticos são de grande interesse em diversas aplicações industriais e, além disso, podem ser transformados em outros derivados como, por exemplo, os derivados amino correspondentes. O nitro-eugenol é de considerável importância, pois apresenta propriedades biológicas (antibacteriana e anti-oxidante) e, através de modificações estruturais, possibilita dar origem a novas moléculas de interesse para a pesquisa científica. Materiais e Reagentes - Eugenol (3,0 g); - Ácido acético (50 mL); - Ácido nítrico 70%; - Éter dietílico; - Solução saturada de NaCl; - Solução tampão fosfato (pH= 7); - Sulfato de magnésio anidro; - Balões de fundo redondo de 100 mL; - Barra de agitação magnética; - Funil de Separação de 250 mL - Erlenmeyers de 250 mL - Evaporador rotativo - Funil de vidro - Papel de filtro Procedimento A uma solução de eugenol (aproximadamente 3,0 g do eugenol extraído na aula anterior) em ácido acético (50 mL) em banho de gelo, adiciona-se ácido nítrico 70% (1,5 mL) gota a gota. A mistura reacional foi mantida sob agitação durante 30 minutos. Após o período, a mistura deve ser extraída com éter dietílico (2 x 20 mL), a fase orgânica lavada com solução saturada de cloreto de sódio e com solução tampão fosfato (pH = 7). Em seguida, a fase orgânica deve ser secada com sulfato de magnésio anidro, filtrada e concentrada em evaporador rotativo. 33 Atividade Proponha uma maneira adequada de descartar os resíduos gerados. Questões de Verificação 1. De acordo com as possibilidades de reações com anéis aromáticos, a nitração pertence a qual tipo de reação? Mostre detalhadamente o mecanismo da reação realizada. 2. Qual a influência dos substituintes do anel aromático para a inserção preferencial do grupo nitro na posição indicada do produto? 3. Indique o produto formado na nitração de cada um dos seguintes compostos: benzeno, tolueno, clorobenzeno e ácido benzóico. 34 35 EXPERIMENTO 4 – REDUÇÃO DE NITROAROMÁTICOS COM CABELO Pré-aula: trazer cabelo (pref. do sexo feminino) cortado (aprox. 2 g), lavado com água e seco Introdução A reação de redução do grupo nitro para a preparação de derivados de anilina é uma parte importante e bem-sucedida da indústria de corantes. O método mais comumente utilizado envolve o ferro metálico e ácido clorídrico, no entanto, outros métodos interessantes foram publicados, como este utilizando cabelo e boroidreto de sódio. Para constatar a metodologia, faremos três reações em paralelo. Materiais e Reagentes (P.1 e P.2) - Cabelo (aprox. 4 g) - Nitro-eugenol (10 mmol); - Boroidreto de sódio (50 mmol); - Etanol; - Água destilada; - Hidróxido de sódio; - Solução saturada de NaCl; - Acetato de etila (3 x 10 mL) - Sulfato de sódio anidro; - 3 Vials com tampa de 10 mL; - 3 plaquinhas de CCD (4 x 4 cm) - Cuba para CCD - Silica-flash para cromatografia - Banho de óleo; - Condensador de bolas - Barra de agitação magnética pequeno; - Funil de Separação de 25 mL - Erlenmeyers de 25 mL e 50 mL (2x); - Béquer de 100 mL - Evaporador rotativo - Funil de vidro - Papel de filtro, algodão - Chapa de aquecimento com agitação; - Garra, mufa, argola e suporte universal; - Hexano - Coluna (fina) para cromatografia Procedimento Preparação do cabelo: coletar aproximadamente 4 g de cabelo, lavar com água destilada e secar sob pressão reduzida. 36 Reação: (VIAL 1) No vial de 10 mL foram adicionados uma solução aquosa de NaOH (3,7 mmol em 3 mL de H2O) e 1 g do cabelo humano. Agita-se a 50 °C até dissolver o cabelo. Depois, foram adicionados o nitroareno (0,4 mmol), NaBH4 (0,8 mmol, 30 mg) e EtOH (0,75 mL). A mistura é tampada e agitada novamente a 50°C até o término da reação (aprox. 12 h). (VIAL 2): Repetir o procedimento do VIAL 1 sem cabelo (VIAL 3): Repetir o procedimento do VIAL 1 sem NaBH4 (VIAL PROFESSOR): Irá fazer o procedimento usando NaBH4 com Carvão ativado ou Pd/C Antes do término da aula é feito uma análise de CCD (fazer 4 pontos: MP, VIAL 1, VIAL 2, VIAL 3). Pt. 2: No final da reação, a mistura reacional foi lavada com acetato de etila (3×5 mL) e a fase orgânica foi separada e secada com sulfato de sódio anidro. É feito uma purificação por cromatografia em coluna. CROMATOGRAFIA EM COLUNA: prenda a coluna com auxílio de uma garra, mufa e suporte universal. Coloque um algodão no final da coluna para evitar vazamento de sílica. Insira a sílica seca com auxílio de um funil até 2/3 da coluna. Verta a coluna em um Erlenmeyer e despeje a sílica. Faça uma suspensão com a mistura de solvente apropriada (Hex: AcOEt) e transfira de volta para a coluna. Não esqueça de deixar um Erlenmeyer embaixo da saída. Quando o nível do solvente estiver próximo à superfície da sílica, transfira o material a ser purificado (esta parte deverá ser feita junto com o professor). Use o mínimo de solvente necessário para a transferência. Se necessário, faça a técnica de adsorção em sílica. Colete frações em tubos e após coletar aprox. 10~15 tubos com solvente, faça um CCD para localizar as frações contendo o produto principal. Colete estes tubos em um balão de fundo redondo e evapore o solvente no rotaevaporador. Secar a amostra e pesar. 37 Questões de Verificação 1. Quais os tipos de condensadores existentes em um laboratório de química orgânica? Qual a aplicação de cada um deles? 2. Busque outras 2 metodologias poderiam ser utilizadas para reduzir compostos nitroaromáticos a anilinas (cite as referências), 3. Neste experimento foi utilizado um agente dessecante diferente daquele utilizado nos outros experimentos realizados anteriormente. Quais as principais diferenças entre estes dois sais em relação ao seu uso como agentes dessecantes? 4. Determine o rendimento isolado da reação. 5. Procure uma referência de uma aplicação do produto obtido no experimento 38 39 EXPERIMENTO 4 – REAÇÃO DE DIELS-ALDER Introdução A reação de Diels-Alder é certamente uma das reações mais estudadas em química orgânica sintética devido à facilidade com que ligações C-C e anéis de seis membros podem ser formados, além de apresentar uma economia de átomos de 100%. É dita uma reação pericíclica de cicloadição [4+2] entre um dieno conjugado com quatro elétrons π e um segundo componente alceno com dois elétrons π, chamado de dienófilo, em uma reação concertada. A cicloadição se procede numa única etapa, sem intermediários, por um único estado de transição e ocorre a formação de duas ligações químicas covalentes σ. Apesar de sua antiga descoberta (1928), a reação de Diels-Alder é alvo constante de estudos buscando um entendimento melhor de seu mecanismo, aliando cálculos computacionais aos resultados experimentais. Materiais e Reagentes - Anidrido maleico 5 (2,4 g); - Furano (2,0 mL); - Erlenmeyer de 250 mL com tampa; - Éter dietílico anidro; - Balões de fundo redondo 125 mL; - Barra de agitação magnética; - Chapa de aquecimento com agitação; - Garra, mufa, argola e suporte universal;- Banho de óleo; - Condensador; - Tubo com saída lateral; - Bastão de vidro; - Kitassato; - Funil de Buchner; - Papel de filtro; - Acetato de etila; - Proveta. Procedimento 40 Para esta reação é importante que o éter etílico a ser utilizado como solvente esteja anidro. Portanto, a primeira etapa deste procedimento é a secagem e destilação do éter etílico. Transfira 50 mL de éter etílico previamente tratado para um balão de fundo redondo de 125mL e monte o sistema de destilação conforme a Figura 3. Realize a destilação com cuidado (o éter etílico é extremamente inflamável!). Adicione 2,4 g de anidrido maleico a um frasco de erlenmeyer de 250 mL. Utilizando uma proveta, meça 20 mL de éter dietílico anidro e acrescente o solvente ao sólido. Dissolva o sólido aquecendo suavemente a mistura até atingir a ebulição, em uma placa de aquecimento (algumas partículas permanecerão sem ser dissolvidas). Deixe a mistura esfriar à temperatura ambiente e, então, adicione 2,0 mL de furano ao erlenmeyer. Em seguida, tampe o frasco, envolva com parafilm a tampa (ou rolha) e o frasco, para reduzir a evaporação. Mantenha o frasco em local determinado pelo professor durante 7 dias (próxima aula). Os produtos de Diels-Alder devem se precipitar da solução de éter dietílico em repouso. Tente quebrar o sólido com auxílio de um bastão e filtre a mistura à vácuo para coletar o sólido. Poderá ser obtida maior quantidade do produto, se necessário, despejando-se o filtrado em um balão de fundo redondo e, em seguida, removendo-se o solvente em um evaporador rotatório. Purifique o aduto de Diels-Alder por recristalização em acetato de etila e determine o ponto de fusão. Atividade Proponha uma maneira adequada de descartar os resíduos gerados. Questões de Verificação 1. Neste tipo de reação, dois produtos são possíveis: o produto endo e o exo. Desenhe as estruturas para os dois produtos e explique os fatores que estão relacionados à formação de cada um. 2. O isopreno (C5H8), quando colocado sob condições apropriadas, pode sofrer uma dimerização através de uma reação de Diels-Alder. O produto formado é um terpeno natural encontrado em frutas cítricas. Mostre a reação completa. 41 42 EXPERIMENTO 5 – REDUÇÃO DA DUPLA LIGAÇÃO DO ADUTO DE DIELS-ALDER, SÍNTESE DA NORCANTARIDINA Introdução Os adutos de Diels-Alder obtidos na forma de anidridos biciclos são importantes intermediários para a síntese de compostos com grande interesse farmacológico. A hidrogenação catalítica é o método mais usado para a redução da dupla ligação do biciclo, no entanto, a propriedade inflamável do gás hidrogênio torna este método perigoso. A proposta de uma condição reacional mais simples e segura será realizada no laboratório, empregando o cicloexeno como agente de transferência de hidrogênio na presença do catalisador de paládio suportado em carvão ativado. Materiais e Reagentes - Anidrido tricíclico 6 (2 g); - Cicloexeno; - Paládio em Carvão 10%; - Frasco Schott de 100 mL - Erlenmeyer de 250 mL; - Etanol anidro; - Bastão de vidro; - Kitassato; - Funil de Buchner; - Papel de filtro; - Acetato de etila; - Proveta. Procedimento Em um Frasco Schott de 100 mL, adicione o triciclo 6 e 30 mL de solvente etanol. Em seguida, adicione o cicloexeno (2 mL) e 60 mg do catalisador de paládio (10% Pd/C). A mistura deverá ser mantida sob aquecimento durante 24 horas em estufa a 80 ºC e em repouso a temperatura ambiente até a semana seguinte. Após o período, o catalisador deve ser filtrado e o solvente removido em evaporador rotativo. O resíduo obtido será purificado por recristalização em benzeno. 43 Atividade Proponha uma maneira adequada de descartar os resíduos gerados. Questões de Verificação 1. Qual é a função do Paládio em carvão 10% nesta reação de hidrogenação? Poderia ser utilizado Paládio puro? Justifique. 2. Além do cicloexeno, que outros reagentes podem ser utilizados como fonte de hidrogênio em reações de hidrogenação como esta realizada neste experimento? 44 TABELAS (pKa, Infravermelho, RMN) 1. Acidez de moléculas orgânicas 45 2. Tabela Infravermelho 46 3. Tabela RMN 1H 47 48 4. Tabela RMN 13C
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