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Roteiro de Práticas de Química Orgânica Profa. Dra. Karisia Barros MÓDULO V EXTRAÇÃO DE COMPOSTOS BIOATIVOS DE VEGETAIS COM SOLVENTE 1. OBJETIVO Extrair a bixina de uma solução aquosa alcalina a qual foi preparada a partir da semente de urucum e solução de NaOH 5%, usando um solvente orgânico. 2. INTRODUÇÃO O urucuzeiro (Bixa orellana L.), conhecido desde o descobrimento do continente americano, é originário de clima tipicamente tropical da América Latina. A semente, seu principal produto é rica em pigmentos, sendo que os mais importantes são a orelina e a bixina (monoéster do ácido carotenodióico – estrutura 1), utilizados como corantes em laticínios, na panificação, refrigerantes, cosméticos e madeireiras. Sua utilização é bastante favorecida pela legislação, devido a utilização de corantes sintéticos serem altamente cancerígenos. No Brasil, além do amplo emprego na indústria, a preparação comercial contendo 0,20-0,25% de bixina é conhecida como colorau, componente indissociável de inúmeros pratos da culinária brasileira. Este é produzido a partir das sementes de urucum, previamente aquecidas a 70 °C em óleo vegetal, seguido de abrasão com fubá ou farinha de mandioca ou pela mistura destas com urucum em pó, obtido por extração com solventes. A bixina (Estrutura I) possui uma cadeia isoprênica de 24 carbonos, contendo um ácido carboxílico e um éster metílico nas extremidades, perfazendo assim a fórmula molecular C25H30O4. Representa 80% dos pigmentos da Bixa orellana L., ocorrendo apenas nesta espécie e em Aristolochia cymbifera Mart. A bixina ocorre naturalmente na forma 16-Z, porém durante o processo de extração é isomerizada conduzindo à forma 16-E, denominada isobixina. (Figura 1). HO O OCH3 O ESTRUTURA I (BIXINA) COR: VERMELHO-ALARANJADO Extração com solvente Vários outros carotenoides (C19, C22, C24, C25, C30, C32) foram isolados e identificados, porém constituem a parcela minoritária dos pigmentos. O constituinte majoritário das sementes de urucum é o geranilgeraniol, representando 1% das sementes secas. A norbixina (C24H28O4) é o derivado desmetilado da bixina que, apesar de ocorrer naturalmente, é quase sempre referida como produto da saponificação da bixina, sendo esta a sua forma de obtenção para fins comerciais. 2. METODOLOGIA 1. Meça 25 g de sementes de urucum, previamente trituradas no liquidificador e transfira para o Erlenmeyer. 2. Adicione 100 ml de uma solução de NaOH 5%. 3. Aqueça a mistura em banho maria à 50 °C e agite manualmente durante 5 minutos. 4. Separe as sementes por filtração e a fase aquosa alcalina contida no béquer transfira para o funil de separação. 5. Adicione 30 mL de éter etílico para a separação do geranilgeraniol que é um metabolito indesejado. 6. Tampe o funil de separação e agite cuidadosamente, com movimentos leves. Esse processo deve ser acompanhado de repetidas liberações dos gases que se formam. Consegue-se isto virando o funil de separação e abrindo a torneira. 7. Recolha a fase etérea (A) em um Erlenmeyer, e a fase aquosa (B) em outro Erlenmeyer. Guarde a fase orgânica para posterior comparação com a próxima extração. 8. Repita o procedimento de extração mais 2 vezes com 30 mL de éter etílico em cada. Extração com solvente 9. Acidifique a fase aquosa (contendo o carboxilato de sódio da bixina) até pH ~3,0 com HCl 37%. 10. Transfira o extrato acidificado novamente para o funil de separação e extraída 3 vezes com 30 ml de acetato de etila. 11. Separa a fase orgânica da fase aquosa e reserve. 12. A fase orgânica lave com água e depois com 30 ml de solução saturada NaCl. 13. A fase orgânica coloque para secar em estufa à 50 °C por 30 min ou deixe secando em um dessecador. PS.: Os extratos de sementes de urucum obtidos podem ser submetidos a testes com H2SO4 98% concentrado. Dissolva cerca de 5 mg dos extratos em 1 ml de H2SO4 98% concentrado para a verificação de carotenoides, segundo metodologia de Costa et al. (2005). 14. Anote suas observações e tente identificá-las. EXERCÍCIOS 1. Qual o princípio básico do processo de extração com solventes? 2. Por que a água é geralmente usada como um dos solventes na extração líquido-líquido? Extração com solvente 3. Quais as características de um bom solvente para que possa ser usado na extração de um composto orgânico em uma solução aquosa? 4. Qual fase (superior ou inferior) será a orgânica se uma solução aquosa for tratada com: a) éter etílico c) acetona e) benzeno b) clorofórmio d) n-hexano 5. Pode-se usar etanol para extrair uma substância que se encontra dissolvida em água? Justifique sua resposta. 6. Deseja-se separar um composto A a partir de 500 mL de uma solução aquosa contendo 8,0 g de A. Utilizando-se éter etílico como solvente para a extração, quantos gramas de A seriam extraídos: a) Com uma única extração usando 150 mL de éter etílico? b) Com 3 extrações sucessivas de 50 mL de éter etílico cada uma? (Assuma que o coeficiente de distribuição éter etílico/água é igual a 3). Extração com solvente 7. A solubilidade (a 25oC) do ácido m-hidroxibenzóico em água é de 0,0104g/mL e de 0,0908g/mL em éter. a. estime o coeficiente de distribuição deste ácido em um sistema água/éter; b. estime a massa de ácido extraído de 100 mL de sua solução aquosa saturada, por uma única extração usando 100 mL de éter; c. estime a massa de ácido extraído de 100 mL de sua solução aquosa saturada por duas extrações sucessivas, empregando 50 mL de éter em cada uma; d. calcule o número mínimo de extrações sucessivas, usando volumes totais iguais de éter e solução aquosa, necessárias para remoção de 99% do ácido da solução aquosa. Extração com solvente 8. A solubilidade do 2,4-dinitrofenol a 25oC é de 0,0068g/mL em água, e de 0,66g/mL em éter. Qual é o número mínimo de extrações necessárias, usando volumes totais iguais de éter e solução aquosa, para remover 95% do composto de sua solução aquosa? 9. Esquematize uma sequência plausível de separação, usando extração líquido-líquido, de uma mistura equimolar composta de N,N-dietilanilina (solubilidade em água 0,016g/mL, muito solúvel em éter), acetofenona (insolúvel em água, solúvel em éter) e 2,4,6-triclorofenol (solubilidade em água de 0,0008g/mL, muito solúvel em éter). Solubilidade de compostos orgânicos SOLUBILIDADE DE COMPOSTOS ORGÂNICOS 1. INTRODUÇÃO A solubilidade de uma substância é uma propriedade física muito importante, na qual se baseiam certos métodos de separação de misturas, de extração de produtos naturais e de recristalização de substâncias. Adicionalmente, a solubilidade de compostos orgânicos em determinados solventes pode auxiliar na identificação de grupos funcionais presentes em tais compostos. A solubilidade de um composto está intimamente relacionada com o tipo de interação que existe entre o soluto e o solvente. Conforme os princípios de solubilidade, uma substância polar tende a dissolver em um solvente polar, e uma substância apolar em um solvente apolar. Isto porque solventes polares são capazes de interagir com compostos de polaridadesemelhante (i. é, polares) através de interações do tipo dipolo-dipolo ou ligações de hidrogênio, criando uma camada de solvatação ao redor de partículas pequenas ou moléculas ou íons individuais. Por sua vez, solventes apolares são capazes de solvatar compostos apolares através de interações de van der Waals entre o soluto e o solvente. No entanto, misturas contendo soluto e solvente com polaridade distinta, tendem a formar precipitados, uma vez que o solvente é incapaz de interagir eficazmente com o soluto, não permitindo a criação de uma camada de solvatação ao seu redor. Desta forma, a polaridade é uma propriedade importante na predição e interpretação da solubilidade de um composto orgânico em um determinado solvente. Em resumo, as moléculas para solubilizarem-se devem formar interações intermoleculares atrativas de mesma ordem de grandeza ou similares a aquelas que existem nos compostos puros. A polaridade em compostos orgânicos baseia-se na existência de regiões de alta ou de baixa densidade eletrônica na molécula (dipolos), proveniente da diferença de eletronegatividade entre os átomos numa ligação química. Quanto maior a diferença de eletronegatividade entre os átomos em uma ligação química, maior será a polaridade desta ligação. Dessa forma, a presença de certos grupos funcionais em compostos orgânicos pode aumentar ou diminuir sua polaridade, e consequentemente, sua solubilidade em determinados solventes. Regra geral, os fatores abaixo são os mais utilizados para prever a polaridade de um composto orgânico, seja ele soluto ou solvente: a) Ranking de polaridade dos grupos funcionais: Certos grupos funcionais são mais polares que outros e conferem, portanto, maior polaridade à molécula com um todo. O ranking resumido de polaridade é este (em ordem decrescente): Amida > Ácido carboxílico > Álcool > Cetona ≈ Aldeído > Amina > Éster > Éter > Hidrocarbonetos b) Extensão da cadeia hidrocarbônica: a cadeia hidrocarbônica, presente em compostos orgânicos, tem características apolares e, portanto, contribui para diminuir a polaridade da molécula. Quanto mais extensa a cadeia hidrocarbônica, mais apolar (ou menos polar) será o composto orgânico. No entanto, a polaridade é uma propriedade vetorial mensurada a partir do momento dipolar (μ), a qual depende, portanto, da geometria da molécula. Assim, mesmo moléculas que apresentam ligações ou grupos funcionais polares, podem formar compostos apolares caso os vetores se anulem e o momento dipolar resultante seja nulo. Um exemplo disso é a molécula do tetracloreto de carbono (CCl4) que é apolar. Certos compostos orgânicos podem reagir com determinados solventes ou soluções, modificando sua distribuição eletrônica e tornando-se mais (ou menos) polares que a molécula original. Compostos orgânicos com características ácidas — como os ácidos Solubilidade de compostos orgânicos carboxílicos, fenóis, dentre outros — são capazes de reagir com soluções básicas, gerando sais aniônicos (grupos carboxilatos, fenóxidos, etc.) que, por possuírem maior densidade de carga em sua estrutura, são muito mais polares que o composto original (Figura 1). Figura 1 – Equilíbrio ácido-base para o grupo carboxílico Por sua vez, compostos orgânicos com características básicas — como as aminas — podem reagir com soluções ácidas gerando sais catiônicos (grupo amônio ou amina protonada) que também são muito mais polares que os compostos originais não protonados, uma vez que apresentam maior densidade de carga em sua estrutura (Figura 2). Figura 2 – Equilíbrio ácido-base para o grupo amino Além dos compostos orgânicos com características ácidas e básicas, os compostos orgânicos neutros que contém átomos de oxigênio — como os álcoois, aldeídos, cetonas e ésteres — ou insaturações podem reagir com soluções concentradas de ácido sulfúrico gerando compostos ou intermediários carregados positivamente, portanto, mais solúveis (Figura 3). Por sua vez, o ácido fosfórico (H3PO4) concentrado reage apenas com compostos oxigenados, permitindo a inserção de grupos fosfato altamente polares (PO4 3- ) em sua estrutura (ésteres de fosfato), os quais conferem um aumento de polaridade à molécula, que se tornará então mais solúvel em solventes polares. Figura 3 – Reações entre compostos oxigenados e o ácido sulfúrico concentrado De acordo com o Esquema 1, os testes de solubilidade são iniciados pelo ensaio com água. Diz-se que uma substância é “solúvel” em um dado solvente quando esta se dissolve na razão de 3 g por 100 mL de solvente. Entretanto, quando se considera a solubilidade em ácido ou base diluído, a observação importante a ser feita não é saber se Solubilidade de compostos orgânicos ela atinge os 3% ou outro ponto arbitrário, e sim se a substância desconhecida é muito mais solúvel na solução ácida ou básica aquosa do que em água. Este aumento na solubilidade constitui o ensaio positivo para a existência de um grupo funcional ácido ou básico. Os compostos ácidos são classificados por intermédio da solubilidade em hidróxido de sódio 5%. Os ácidos fortes e fracos (respectivamente, classes A1 e A2 da Tabela 1) são distintos por serem os primeiros solúveis em bicarbonato de sódio 5% (uma base fraca), enquanto os últimos não o são. Os compostos que atuam como base em solução aquosa são detectados pela solubilidade em ácido clorídrico a 5% (classe B). Muitos compostos que são neutros frente ao ácido clorídrico 5% comportam-se como base na presença de solventes mais ácidos tais como ácido sulfúrico e ácido fosfórico concentrado. Em geral, compostos contendo oxigênio ou insaturações podem ser solúveis em ácido sulfúrico concentrado, mas geralmente os compostos insaturados são insolúveis em ácido fosfórico concentrado enquanto os compostos oxigenados geralmente se solubilizam neste ácido. Para compostos muito polares, apenas os testes de solubilidade (em água e em éter) podem não fornecer informações suficientes sobre a presença de grupos funcionais ácidos ou básicos. Esta informação pode então ser obtida pelo ensaio de pH das soluções aquosas através do papel tornassol ou a partir de outro indicador de pH. A seguir apresentamos o fluxograma a ser seguido para análise usual de solubilidade de amostras de compostos orgânicos. Cada ensaio deve ser realizado com uma nova quantidade de amostra em novo tubo de ensaio limpo e seco. Solubilidade de compostos orgânicos Esquema 1 – Classificação dos compostos orgânicos pela solubilidade O papel tornassol azul, em presença de uma solução ácida, muda da cor azul para a vermelha. O papel tornassol vermelho, em contato com uma base, muda da cor vermelha para a azul. O papel neutro, em contato com ácidos, torna-se vermelho; em contato com bases, torna-se azul. Tabela 1 – Classes de solubilidade para os compostos orgânicos Grupo Características Funções orgânicas S2 Compostos muito polares Sais de ácidos orgânicos, sais de amônio (aminas protonadas), aminoácidos, compostos polifuncionais (carboidratos, poliálcoois, ácidos, etc.) SA Compostos polares de caráter ácido Ácidos monocarboxílicos com 5 átomos de carbono ou menos, ácidos arenossulfônicos SB Compostos polares de caráter básico Aminas monofuncionais com seis átomos de carbono ou menos. S1 Compostos polares neutros Álcoois, aldeídos, cetonas, ésteres, nitrilas e amidas monofuncionais com cinco átomos de carbono ou menos. Solubilidade de compostos orgânicos A1 Ácidos orgânicos fortes e apolares Ácidos orgânicos fortes: ácidos carboxílicos com menos de seis átomos de carbono, fenóis com grupos eletrofílicos em posições orto e para, -dicetonas. A2 Ácidos orgânicos fracos e apolares Ácidos orgânicos fracos: fenóis, enóis, oximas, imidas, sulfonamidas, tiofenóis com mais de cinco átomos de carbono,-dicetonas, compostos nitro com hidrogênio em , sulfonamidas. B Bases orgânicas e apolares Aminas aromáticas com oito ou mais carbonos, anilinas e alguns oxiéteres. MN Bases orgânicas Diversos compostos neutros de nitrogênio ou enxofre contendo mais de cinco átomos de carbono. N1 Bases orgânicas e apolares Álcoois, aldeídos, metil cetonas, cetonas cíclicas e ésteres contendo somente um grupo funcional e número de átomos de carbono entre cinco e nove; éteres com menos de oito átomos de carbono; epóxidos. N2 Bases orgânicas e apolares Alcenos, alcinos, éteres, alguns compostos aromáticos (com grupos ativantes) e cetonas (além das citadas em N1). I Compostos inertes e apolares Hidrocarbonetos saturados, alcanos halogenados, haletos de arila, éteres diarílicos, compostos aromáticos desativados. Obs.: Os haletos e anidridos de ácido não foram incluídos devido à alta reatividade. Questionário Pré-Laboratório 1. Defina solubilidade e explique os fatores que influenciam essa propriedade físico- química. 2. Como se deve quantificar a solubilidade e quando se pode considerar uma substância solúvel ou insolúvel em outra? 3. Em cada grupo, coloque os compostos em ordem crescente de solubilidade aquosa. Justifique sua resposta 4. Explique por que sempre um composto orgânico iônico (sal) será mais solúvel em água do que a molécula neutra que lhe deu origem. 5. Explique, com base nos conceitos de acidez/basicidade e solubilidade, por que o sabão abaixo, um sal de ácido carboxílico, perde a sua eficiência quando em solução ácida Solubilidade de compostos orgânicos 6. Explique, com base nos conceitos de acidez/basicidade e solubilidade, por que certos fármacos como a efedrina, um estimulante do apetite, são comercializados na forma de cloridrato e não na forma de base livre, quando destinados para o uso oral. METODOLOGIA (Leia com atenção) PARTE I 1. Cinco amostras (A, B, C, D, E) encontram-se em cima da bancada ou em outro local indicado pelo professor. 2. Cada uma dessas amostras terá sua solubilidade testada separadamente em um ou mais dos seguintes solventes: água, éter etílico, HCl 5%, NaOH 5%, NaHCO3 5%, H2SO4 concentrado, e H3PO4 85%, seguindo o roteiro apresentado no Esquema 1. (Cada teste se refere uma amostra + um solvente, nunca mais de um solvente ou mais de uma amostra será misturado no mesmo tubo). Os compostos sólidos devem estar finamente pulverizados para facilitar a dissolução. 3. Para cada teste, separe um tubo de ensaio, adicione cerca de 1 mL (~ 20 gotas) do solvente a ser usado. Em seguida adicione ~ 6 gotas da amostra líquida ou com uma espátula uma quantidade equivalente a um grão de arroz se amostra for sólida. 4. Agite cuidadosamente o tubo de ensaio e anote o resultado. O desaparecimento do líquido ou do sólido, ou o aparecimento de linhas de mistura indica que está ocorrendo dissolução. Alguns minutos podem ser necessários para dissolver o sólido e às vezes um leve aquecimento pode ajudar a dissolução. Quando um composto colorido se dissolve, a solução assume esta cor e a mudança de coloração deve ser considerada como um teste positivo. Um erro comum na determinação da solubilidade de um composto é usar uma quantidade muito grande da amostra desconhecida. Portanto, use pequenas quantidades. Caso a observação lhe traga dúvidas sobre se é solúvel ou não, adicione mais um pouco da amostra que está sendo testada e/ou solvente. 5. Conforme o resultado siga o esquema 1 para o próximo teste indicado no fluxograma, separando novo tubo de ensaio, novo solvente e nova quantidade de amostra, cada resultado deverá melhor se enquadrar em um dos grupos observados no Esquema 1 e listados na Tabela 1. DESCARTE: Cada tubo com teste realizado deve ser descartado em recipiente indicado pelo instrutor, que estará separado por tipo de amostra. Os tubos contendo ácido Solubilidade de compostos orgânicos concentrado devem ser diluídos antes do descarte peça orientação. Utilize a Tabela 2 dada abaixo para anotar os resultados obtidos durante a marcha de solubilidade, seguindo os exemplos dados Tabela 2 – Resultado dos testes de solubilidade PARTE II: Nesta experiência, um composto será dito solúvel em um dado solvente, se 0,1g (sólido) ou 0,5 mL (líquido) for completamente miscível em 3 mL do solvente. O aluno deverá submeter às amostras a uma série de testes, de acordo com o fluxograma em anexo e os resultados deverão ser anotados na tabela. As amostras deverão ser identificadas analisando os resultados obtidos. 01. Coloque 0,5 mL ou 0,1g da amostra em um tubo de ensaio e adicione 3 mL de água destilada. Agite vigorosamente e verifique se a amostra é solúvel. 02. Se o composto for solúvel em água, faça o teste de pH (utilize um bastão de vidro para molhar o papel indicador com uma gota da solução). 03. Caso a amostra não se dissolva em água, abandone o tubo de ensaio anterior e prossiga a análise com o solvente seguinte, seguindo o fluxograma. 04. Seguindo o fluxograma, a amostra será determinada em classes funcionais, dependendo da sua solubilidade nestes solventes. 05. 2. BIBLIOGRAFIA 1.VOGEL, A. I. - Química Orgânica, Análise Orgânica Qualitativa, vol. 3, 3a ed.Livros Técnicos e Científicos Editora S.A ; Rio de Janeiro, RJ, 1979. 2. MASTERTON, W. L., Slowinski, Emil J. - Princípios de Química, 6a ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A ; Rio de Janeiro, RJ, 1990. 3. SOLOMONS, T. W. G., FRYHLE, C. B. – Química Orgânica 7a ed., Livros Técnicos e Científicos Editora S.A ; Rio de Janeiro, RJ, 2001. 4. MORRIS, R.T., BOYD, R. N., - Química Orgânica, 13a ed., Fundação Caloustre Gulbenkian, Lisboa, Portugal 1996. 5. ALLINGER, N. L. e outros – Química Orgânica, Editora Guanabara Dois, R.J. 2a Edição, 1978. Questionário Pós-Laboratório 1. Utilize a tabela abaixo para relacionar os compostos, previamente identificados no início da aula, com as amostras desconhecidas que tiveram sua solubilidade testada de acordo com a marcha de solubilidade. Solubilidade de compostos orgânicos 2. Sugira um composto (desenhe sua estrutura ou dê seu nome) que poderia tratar-se do Exemplo 1 e do Exemplo 2, indicados na Tabela 2 do METODOLOGIA acima. Utilize o Esquema 1 e a Tabela 1 para auxiliar na identificação do(s) grupo(s) funcional(is) possíveis. 3. Indique as classes de solubilidade que melhor devem corresponder os compostos abaixo, baseando-se apenas em suas características estruturais e no Esquema 1 e na Tabela 1. Solubilidade de compostos orgânicos 4. Um composto desconhecido é solúvel em água e em éter etílico. O teste com papel de tornassol indicou coloração azul. Qual(is) do(s) composto(s) poderia ser o desconhecido? 5. Se um composto fosse insolúvel em água e HCl 5%, quais testes ainda seriam necessários para identificá-lo? Existe alguma substância da questão anterior que apresenta estas características de solubilidade? 6. Um composto desconhecido é solúvel em água e em cloreto de metileno. O teste com papel de tornassol indicou coloração azul. Qual(is) do(s) composto(s) abaixo poderia ser o desconhecido? Quais seriam solúveis em H2SO4 95%? 2,3-dibromopentano dietilamina 3-etilfenol 2,4-dimetiloctano 4-etilanilina Solubilidade de compostos orgânicos 7. Se um composto desconhecido fosse insolúvel em água e HCI 5%, quais testes ainda seriam necessários para identificá-lo? Existe alguma substância do exercício 4.2. que apresentaria estascaracterísticas de solubilidade? 8. Qual o significado da expressão “semelhante dissolve semelhante”? Solubilidade de compostos orgânicos 9. Benzeno, anilina e querosene, não se dissolvem em água. Por outro lado ácido acético, e etanol se dissolvem. Por quê? 10. O ácido benzoico é solúvel tanto em solução aquosa de NaOH a 5 % quanto em NaHCO3 a 5 % o p-cresol por sua vez é solúvel apenas em NaOH a 5 % enquanto o ciclo- hexanol não é solúvel em NaOH, nem em NaHCO3. Como se explicam estes fatos?