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UNIVERSIDADE FEDERAL DO TRIÂNGULO MINEIRO INSTITUTO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS E EXATAS DISCIPLINA: PRÁTICA QUÍMICA ORGÂNICA I Geórgea Lorena Zampolo Lorena Stella Corrado Pedro Vinicius Arantes Anaia Lucas Giesbrecht Souza Couto Felipe Luiz Thomaz Ferreira RELATÓRIO Síntese, Purificação e Caracterização do Ácido Acetilsalicílico (AAS) Profª Ana Cláudia Granato Malpass Uberaba – MG 2023 Geórgea Lorena Zampolo Lorena Stella Corrado Pedro Vinicius Arantes Anaia Lucas Giesbrecht Souza Couto Felipe Luiz Thomaz Ferreira Síntese, Purificação e Caracterização do Ácido Acetilsalicílico (AAS) Relatório apresentado para a disciplina de Química Orgânica II do 4º período do curso de Engenharia Química para fins avaliativos da Professora Dra. Ana Claudia Granato Malpass. Uberaba – MG 2023 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 4 2. OBJETIVO ............................................................................................................... 5 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL .................................................................. 5 3.1. MATERIAIS ...................................................................................................... 5 3.2. METODOLOGIA .............................................................................................. 5 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ........................................................................ 6 5. CONCLUSÃO ......................................................................................................... 9 QUESTIONÁRIO ......................................................................................................... 10 REFERÊNCIAS............................................................................................................ 16 1. INTRODUÇÃO O ácido acetilsalicílico, também conhecido como aspirina, é um dos medicamentos mais populares do mundo. Ele é utilizado como analgésico, anti- inflamatório e antitérmico, sendo indicado para o alívio de dores de cabeça, febre, inflamações e outras condições médicas. A síntese do ácido acetilsalicílico foi realizada pela primeira vez em 1897 pelo químico alemão Felix Hoffmann, que trabalhava para a empresa farmacêutica Bayer. A ideia de Hoffmann era desenvolver um medicamento que tivesse as propriedades terapêuticas do ácido salicílico, mas que fosse mais suave para o estômago, já que o ácido salicílico pode causar irritação gástrica. A síntese do ácido acetilsalicílico envolve a reação de ácido salicílico com anidrido acético na presença de um catalisador, como ácido sulfúrico. O produto dessa reação é o ácido acetilsalicílico e ácido acético. Em seguida, é necessário purificar o ácido acetilsalicílico por meio de cristalização em solução de água quente. Hoje em dia, a síntese do ácido acetilsalicílico é feita em larga escala pela indústria farmacêutica para produção em massa do medicamento. Apesar de sua simplicidade, a síntese do ácido acetilsalicílico é um exemplo de como a química pode ser aplicada na produção de medicamentos que beneficiam a saúde humana. O ácido Acetilsalicílico é formado a partir do Ácido Salicílico e o Anidrido Acético a reação geral se encontra na Figura 1. Figura 1- Reação geral para a formação do ácido acetilsalicílico Essa reação determina que a reação ocorre apenas em meio ácido, indicado pelo ácido sulfúrico agindo como catalisador. 2. OBJETIVO O objetivo do experimento para a síntese do ácido acetilsalicílico é realizar a síntese desse composto químico de forma eficiente e controlada, seguindo procedimentos padronizados e técnicas de síntese orgânica. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 3.1. MATERIAIS ⎯ Ácido salicílico; ⎯ Anidrido acético; ⎯ Balão volumétrico (100 mL); ⎯ Erlenmeyer (50 mL); ⎯ Ácido sulfúrico; ⎯ Cronômetro; ⎯ Água gelada; ⎯ Funil de Bunchner; ⎯ Solução EtOH/H20; ⎯ Béquer; ⎯ Etanol; ⎯ Papel filtro; ⎯ Vidro relógio; ⎯ Acetato de etila; ⎯ Bastão de vidro. 3.2. METODOLOGIA Na primeira aula de laboratório realizamos a síntese do ácido acetilsalicílico a partir de 3g de ácido salicílico seco e 5 mL de anidrido acético, misturados em um béquer de 50 mL. Foram adicionadas 5 gotas de ácido sulfúrico concentrado e agitou-se o frasco, para obter-se uma mistura completa. A mistura foi aquecida em banho maria (50-60°C), durante 15 min, com agitação. Após esse processo, esperou que a mistura esfriasse, com agitação ocasional e adicionou-se 50 mL de água gelada observando formação de cristais. Então filtrou-se com um funil de Buchner, lavando com água gelada o béquer, afim de aproveitar o máximo possível do material obtido. Os cristais então foram postos para secar. Na segunda aula de laboratório foi realizada a purificação do ácido acetilsalicílico obtido anteriormente, com EtOH/H2O como solvente. Adicionou- se cerca de 5-10 mL de etanol e aqueceu-se novamente a mistura em banho maria (50-60°C) até total solubilização. Após resfriada, adicionou-se água, até que a mesma ficasse turva e o sistema ficou em repouso por alguns minutos. Observou-se nesse tempo a formação de alguns cristais e, caso necessário, o sistema poderia ter sido posto em banho de gelo para acelerar tal processo. Novamente foi filtrado com o auxilio do funil de Buchner e colocado para secar. Após seco, determinou-se o seu ponto de fusão e também foi possível analisar se havia sido, realmente, sintetizado o ácido acetilsalicílico. Na terceira e última aula de laboratório, analisamos o ácido acetilsalicílico através do infravermelho, obtendo seu espectro e comparando-o com os espectros, já conhecidos, de seus reagentes. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES A reação entre a hidroxila fenólica do ácido salicílico e o anidrido acético, realizada nesse experimento, segue um mecanismo de esterificação conhecido como esterificação de Fischer. O mecanismo da reação pode ser dividido em três etapas principais: 1. Protonação do anidrido acético: Na primeira etapa, o anidrido acético é protonado pelo ácido sulfúrico concentrado para formar o íon acetônio, que é um eletrófilo forte. 2. Ataque nucleofílico do ácido salicílico: Na segunda etapa, a hidroxila fenólica do ácido salicílico atua como nucleófilo e ataca o íon acetônio, resultando em um intermediário tetraédrico instável. 3. Eliminação do ácido acético: Na terceira e última etapa, o intermediário tetraédrico perde uma molécula de água e sofre uma eliminação intramolecular para formar o éster acetilsalicílico (aspirina) e o ácido acético. As etapas da reação podem ser acompanhadas na Figura 2. Figura 2 - Mecanismo da reação O ácido sulfúrico concentrado não é consumido na reação, ele apenas catalisa a mesma. O éster formado é insolúvel em água, permitindo a sua separação do ácido acético, que é solúvel em água. No experimento realizado foram pesadas as massas da amostra em todas as etapas, do papel de filtro sozinho e do conjunto envolvendo o papel e a amostra após todo o processo. A partir desses dados foi possível obter o rendimento da síntese, sabendo que a massa inicial do ácido salicílico é 3,0192g e que as massas molares da aspirina e do ácido salicílico são 180,158g/mol e 138,121g/mol respectivamente. 𝑀𝐴𝑠𝑝𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑀𝑖, Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑐í𝑙𝑖𝑐𝑜𝑀𝑀𝐴𝑠𝑝𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑀𝑀Á𝑐𝑖𝑑𝑜 𝑠𝑎𝑙𝑖𝑐í𝑙𝑖𝑐𝑜 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑀𝑀𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙 𝐵𝑟𝑢𝑡𝑜 𝑀𝐴𝑠𝑝𝑖𝑟𝑖𝑛𝑎 𝑇𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑎 ∗ 100% Assim, obteve-se um rendimento de síntese de 76,6%. O segundo rendimento calculado foi o da purificação, que foi obtido com a seguintefórmula: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 = 𝑀𝐹𝑖𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 𝑀𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑠𝑜 ∗ 100% Utilizando o valor da massa inicial do processo de 2,7141g e da massa final de 2,3261g obtemos um rendimento de purificação de 85%. O rendimento calculado foi bem próximo do esperado. Essa diferença pode ter ocorrido porque o rendimento depende de fatores como a solubilidade da aspirina, mas de modo geral pode-se dizer que o experimento foi realizado com sucesso, pois cumpriu com o objetivo de recristalização e purificação da amostra e os trouxe um resultado muito próximo ao esperado. Entende-se que a cristalização consiste na formação de cristais quando um sólido precipita de uma solução, que por sua vez deve ser supersaturada para permitir tal fenômeno. A redução da temperatura no experimento desencadeou esse processo, pois uma vez que a temperatura diminuiu a solubilidade da aspirina também diminuiu, o que fez com que a solução se tornasse supersaturada e houvesse a precipitação e formação dos cristais. Observou-se então que o rendimento depende da solubilidade do ácido acetilsalicílico e também do volume final da solução, porque quanto menor a quantidade de solvente, menor a quantidade de soluto dissolvido e maior a precipitação. Ao final do experimento, discutiu-se se que a aspirina recristalizado estava com nível de pureza maior do que a amostra inicial, uma vez que os cristais formados por esse processo contém majoritariamente apenas uma substância, mas que ainda era possível que a aspirina não estivesse 100% puro devido à outras substâncias presentes na solução que podem estar presentes no cristal, ainda que em níveis extremamente baixos. Vale também ressaltar, o espectro de massa da aspirina, obtido pela técnica de Espectroscopia no Infravermelho no final do experimento, que pode ser visualizado da Figura 3. Figura 3 – Espectro no infravermelho da aspirina Assim, a partir da visualização do espectro obtido pode-se concluir que a síntese do composto foi obtida com sucesso, pois é possível notar semelhanças com os espectros do ácido salicílico e do anidrido acético, como a presença de OH associado ao ácido carboxílico em torno de 3000 ondas, a presença de C=O de éster em torno de 1750 ondas e outra ligação de C=O de ácido benzóico em torno de 1690 ondas. 5. CONCLUSÃO Podemos concluir que a partir dos resultados obtidos, mesmo que tenha havido uma perda significativa de rendimento, a síntese da aspirina foi bem- sucedida e o rendimento calculado foi próximo do esperado, tendo em vista que houve a necessidade da purificação da substância e que foram realizados sem o uso de processos industriais para o aquecimento e esfriamento, que certamente proporcionariam maior rendimento. Vale ressaltar a eficiência do ácido salicílico, que funcionou corretamente seu papel de agente limitante. QUESTIONÁRIO 1) Qual é o mecanismo da reação entre o ácido salicílico e o anidrido acético, em meio ácido? Resposta: A reação entre o ácido salicílico e o anidrido acético em meio ácido é uma reação de esterificação, que produz o composto orgânico conhecido como acetilsalicílico, ou aspirina. O mecanismo da reação começa com a protonação do ácido salicílico pelo ácido sulfúrico presente no meio, formando um íon salicilônio. Em seguida, o anidrido acético é adicionado à solução, e o grupo carbonila do anidrido reage com o íon salicilônio, formando um intermediário reativo chamado de anidrido acetilsalicílico. A seguir, ocorre a eliminação de um ácido carboxílico, que é catalisada pelo ácido sulfúrico presente no meio, produzindo a molécula de ácido acético e o composto final acetilsalicílico. A reação pode ser representada pela seguinte equação química simplificada: Ácido salicílico + Anidrido acético + Ácido sulfúrico → Acetilsalicílico + Ácido acético + Água 2) OH+ atua, na reação de preparação do AAS, como um reagente ou como um catalisador? Justifique sua resposta: Resposta: Na reação de preparação do AAS, o H+ atua como catalisador e não como reagente. Isso ocorre porque o ácido sulfúrico presente no meio reage com o ácido salicílico para formar um intermediário reativo (o íon salicilônio), que reage com o anidrido acético para produzir o composto final, o acetilsalicílico. O H+ catalisa a reação ao facilitar a protonação do grupo hidroxila (-OH) do ácido salicílico, o que aumenta a sua reatividade e permite a formação do intermediário reativo. Além disso, o H+ também ajuda a acelerar a eliminação do grupo carboxílico do intermediário, o que favorece a formação do produto final. O H+ não é consumido na reação e é regenerado no final da reação, o que indica que ele atua como um catalisador. Portanto, podemos concluir que o H+ atua como catalisador na reação de preparação do AAS. 3) Qual é a função do "trap" (kitasato) no aparato para filtração a vácuo? Resposta: Quando utilizamos uma filtração com bomba geradora de vácuo o trap protege a bomba da possibilidade de sugar a substância que foi filtrada, o que comprometeria sua vida útil. Caso o vácuo seja gerado por uma trompa d’água, o trap protege a substância (primária) mãe de ser diluída com a entrada de água, mas isto só ocorreria caso a torneira fosse desligada antes de ser reestabelecida a pressão do sistema. 4) Qual o reagente limitante usados nesta experiência? Justifique calculando o número de moles de cada reagente. Resposta: O reagente limitante usado nessa experiência é o ácido salicílico. Número de moles do ácido salicílico = massa/massa molar = 3,00g / 138,12g/mol = 0,0217mol Número de moles do anidrido acético = massa/massa molar = 5,40g/ 102,09g/mol = 0,0529mol. 5) Ao purificar um composto por recristalização, é aconselhável esfriar a solução lenta ou rapidamente? Explique. Cite outra(s) técnica(s) utilizadas para iniciar a formação de cristais. Resposta: Ao purificar um composto por recristalização, é aconselhável esfriar a solução lentamente para formar cristais de alta qualidade. Isso ocorre porque a taxa de formação de cristais está diretamente relacionada à taxa de resfriamento da solução. Se a solução for resfriada rapidamente, os cristais tendem a se formar rapidamente, mas podem ser pequenos e ter impurezas adsorvidas em sua superfície. Além disso, a rápida formação de cristais também pode levar à formação de núcleos múltiplos, o que resulta em cristais de tamanhos variados. Por outro lado, o resfriamento lento da solução permite que as moléculas do composto se organizem em uma rede cristalina mais ordenada, produzindo cristais maiores e mais puros e também permite que as impurezas presentes na solução sejam rejeitadas pelos cristais, aumentando assim a pureza do composto. Outras técnicas utilizadas para iniciar a formação de cristais incluem a adição de um solvente antissolvente, como água ou hexano, que diminui a solubilidade do composto na solução e ajuda a formar cristais. Também pode ser usada a raspagem das paredes do recipiente, que ajuda a produzir núcleos de cristalização para iniciar a formação dos cristais. 6) Por que é recomendável utilizar apenas uma quantidade mínima de solvente na etapa de recristalização e quais critérios deverão ser levados em consideração para que um solvente possa ser empregado neste processo? Resposta: É recomendável utilizar apenas uma quantidade mínima de solvente na etapa de recristalização por vários motivos. Em primeiro lugar, o excesso de solvente pode prejudicar a recristalização, pois pode dissolver mais solução do que o necessário, gerado em um baixo rendimento de recuperação. Além disso, o excesso de solvente pode aumentar o tempo necessário para a recristalização, uma vez que é necessário aquecer a mistura para evaporar ou o excesso de solvente. Ao selecionar um solvente para recristalização, é importante levar em consideraçãovários critérios. O solvente deve ser capaz de dissolver o soluto a altas temperaturas, mas ter uma solubilidade baixa a temperaturas mais baixas para permitir a recristalização. O solvente deve ser seguro para trânsito e não tóxico. O solvente deve ter um ponto de ebulição baixo para que possa ser facilmente evaporado após a recristalização, mas não tão baixo que o solvente seja perdido durante a recristalização. Finalmente, o solvente deve ser facilmente disponível, puro e de baixo custo. 7) Na etapa de filtração a vácuo, os cristais formados são lavados com água gelada. Por quê? Resposta: Na etapa de filtração a vácuo, os cristais formados são geralmente lavados com água gelada para remover impurezas e resíduos que possam estar adsorvidos na superfície dos cristais. A água gelada ajuda a minimizar a solubilidade do composto, o que evita a dissolução dos cristais durante a lavagem. Além disso, a baixa temperatura da água gelada diminui a taxa de difusão das impurezas, o que facilita sua remoção. A lavagem com água gelada também ajuda a eliminar ácidos, bases ou sais que possam estar presentes na superfície dos cristais. Essas substâncias podem interferir na análise do composto ou afetar sua reatividade em reações subsequentes. Em resumo, a lavagem com água gelada é uma etapa importante no processo de purificação por recristalização, pois ajuda a remover impurezas e resíduos que possam estar adsorvidos na superfície dos cristais, aumentando assim a pureza do composto final. 8) Três alunos (João, Maria e Ana) formavam uma equipe, na preparação do AAS. Um deles derrubou, acidentalmente, grande quantidade de ácido sulfúrico concentrado no chão do laboratório. Cada um dos três teve uma ideia para resolver o problema: - João sugeriu que jogassem água sobre o ácido; - Maria achou que, para a neutralização do ácido, nada melhor do que se jogar uma solução concentrada de NaOH; - Ana achou conveniente se jogar bicarbonato de sódio em pó sobre o ácido. Qual dos procedimentos seria o mais correto? Explique detalhadamente: Resposta: O procedimento mais apropriado seria seguir a sugestão da Ana e aplicar bicarbonato de sódio em pó sobre o ácido derramado, pois o bicarbonato de sódio é um agente neutralizante comum para ácidos. Por outro lado, a neutralização com NaOH seria inadequada, pois ela é extremamente exotérmica e pode ser perigosa. Além disso, adicionar água diretamente ao ácido sulfúrico concentrado é altamente desaconselhável, pois pode gerar uma reação exotérmica violenta que pode resultar em superaquecimento e até em uma mistura explosiva de água e ácido. 9) Justifique o fato do analgésico comercial Aspirina ser mais solúvel em água do que o ácido acetilsalicílico: Resposta: O ácido acetilsalicílico é o princípio ativo da Aspirina, que é um dos analgésicos mais populares do mundo. O ácido acetilsalicílico é um composto orgânico ácido que apresenta baixa solubilidade em água, mas é altamente solúvel em solventes orgânicos como o álcool e o éter. Por outro lado, a forma comercial da Aspirina contém outros componentes além do ácido acetilsalicílico, incluindo amido, celulose micro cristalina e ácido cítrico, que conferem ao produto maior solubilidade em água. O ácido cítrico, por exemplo, é um ácido fraco que pode ionizar parcialmente em solução aquosa, formando íons citrato que aumentam a solubilidade da Aspirina em água. Além disso, a forma comercial da Aspirina é geralmente produzida em forma de comprimidos ou pós que são formulados com adjuvantes tecnológicos para melhorar a solubilidade e a estabilidade do medicamento. Esses adjuvantes podem incluir surfactantes, polímeros e outros excipientes que ajudam a solubilizar o ácido acetilsalicílico em água e mantê-lo em solução. Dessa forma, a solubilidade da Aspirina em água é maior do que a solubilidade do ácido acetilsalicílico puro em água, devido à presença de outros componentes e adjuvantes tecnológicos na formulação do medicamento. 10) Pesquise sobre a ação farmacológica do ácido acetilsalicílico e seus efeitos colaterais. Resposta: O ácido acetilsalicílico (AAS) é um medicamento analgésico, antipirético e anti-inflamatório não esteroide (AINE) que age inibindo a síntese de prostaglandinas. As prostaglandinas são substâncias produzidas pelo organismo que têm diversas funções, incluindo a promoção da inflamação, da dor e da febre. Ao inibir a síntese de prostaglandinas, o AAS reduz a dor, a inflamação e a febre. Além disso, o AAS tem ação antitrombótica, ou seja, previne a formação de coágulos sanguíneos. Isso ocorre porque o AAS inibe a ação da enzima ciclooxigenase (COX), que é necessária para a produção de tromboxano A2, uma substância que promove a agregação plaquetária e a formação de coágulos sanguíneos. Como resultado, o AAS é frequentemente prescrito para pacientes com doenças cardiovasculares, como aterosclerose, angina e infarto do miocárdio. Apesar de ser um medicamento amplamente utilizado e considerado seguro quando usado adequadamente, o AAS pode ter efeitos colaterais, especialmente quando utilizado em doses elevadas ou por longos períodos de tempo. Alguns dos principais efeitos colaterais do AAS incluem: • Irritação gástrica: O AAS pode irritar a mucosa do estômago e do intestino, causando gastrite, úlcera e até mesmo sangramento gastrointestinal. Por isso, o AAS não deve ser usado por pacientes com histórico de úlcera péptica ou outras doenças gastrointestinais. • Alergias e reações cutâneas: Algumas pessoas podem ser alérgicas ao AAS, desenvolvendo reações cutâneas, como urticária e dermatite. Em casos mais graves, pode ocorrer anafilaxia, uma reação alérgica generalizada que pode ser fatal. • Problemas renais: O AAS pode afetar a função renal, especialmente em pacientes com insuficiência renal preexistente. O uso prolongado de AAS pode levar à nefrite intersticial, uma inflamação dos túbulos renais que pode causar insuficiência renal. • Sangramento: Como o AAS tem ação antitrombótica, ele pode aumentar o risco de sangramento, especialmente em pacientes que estão usando outros medicamentos anticoagulantes, como a varfarina. • Toxicidade hepática: O uso excessivo de AAS pode causar danos ao fígado, especialmente em pessoas que consomem álcool regularmente. Portanto, o AAS deve ser utilizado com precaução e sob orientação médica, especialmente por pacientes com histórico de problemas gastrointestinais, renais, hepáticos ou de sangramento. REFERÊNCIAS SOLOMONS, TW Graham; FRYHLE, Craig B. Organic Chemistry. John Wiley & Sons, 2008. BROWN, William Henry; POON, Thomas; POON, Thomas. Introduction to organic chemistry. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2014. JEFFREYS, Diarmuid. Aspirin: the remarkable story of a wonder drug. Bloomsbury Publishing USA, 2008.