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QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 1 QMC 194 Química Orgânica F II 2° semestre 2013 TÈCNICAS EXPERIMENTAIS Profa. Ionara Irion Dalcol QMC194- QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II CURSO DE FARMÁCIA Bibliografia recomendada: Soares, B. G.; Souza, N.; Pires, D. “Química Orgânica”. Ed. Guanabara, RJ (1988). Vogel, ª I. “Química Orgânica – Análise Orgânica Qualitativa” (3ª ed.). Ed. Ao Livro Técnico S. ª RJ (1983). Roberts, R.; Gilbert, J.; Rodewald, L.; Wingrove, A "Modern Experimental Organic Chemistry" (4ª ed.) Saunders College Publishing, NY (1985). Ault, A "Techniques and Experiments for Organic Chemistry" (4ª ed.) University Science Books, (1998) Pavia, D.; Lampman, G.; Kriz, G.; Engel, R. "Organic Laboratory Techniques" (3ª ed) Saunders College Publishing, NY (1999). Solomons, T. G.; " Química Orgânica," 6 ed. LTC , Rio de Janeiro Vol I e II, (1996) Solomons, "Organic Chemistry "- 7 ed. Saunders College Pub., Int. Ed., (2000) Volhardt, K.C. - Organic Chemistry : Structure and function - 3rd Freeman , (1999) Allinger, N. L. e outros - " Química Orgânica," (2ª ed.) Ed Guanabara II , (1985) The Handbook The Index Merck. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 2 Segurança em laboratório: No laboratório de Química Orgânica disponibilizamos a todos os alunos um “Manual de Boas Práticas e de Segurança no Laboratório”. Sempre consultar o manual antes de iniciar um procedimento experimental. DE FORMA GERAL, DEVE-SE OBSERVAR AS SEGUINTES NORMAS BÁSICAS: 1- Usar sempre AVENTAL e SAPATOS apropriados ao laboratório, óculos ao invés de lentes de contato e CABELOS PRESOS a fim de evitar acidentes no laboratório. 2-Não fumar, beber ou comer dentro do laboratório. 3- Não sentar nem colocar pastas e bolsas sobre a bancada de laboratório. 4- Ler com atenção o rótulo de qualquer frasco de reagentes antes de colocá-lo em uso, e NÃO USAR reagente sem rótulo. 5- NUNCA pipetar um produto com a boca, e evitar contato de reagentes com a pele. 6- Trabalhar sempre que indicado em capela. 7- Identificar corretamente os produtos ao final de um experimento - ROTULAR SEUS FRASCOS DE PRODUTOS. 8- NUNCA efetuar um procedimento experimental SEM A AUTORIZAÇÂO prévia do professor. 9- Antes de ir embora do laboratório, verificar se a bancada está limpa e em ordem 10- NUNCA jogar RESÍDUOS na pia: No laboratório existem frascos destinados ao descarte adequado dos diferentes tipos de resíduos (em caso de dúvida consulte o professor): RESÍDUOS LÍQUIDOS HALOGENADOS RESÍDUOS LÍQUIDOS NÃO HALOGENADOS RESÍDUOS SÓLIDOS Caderno de laboratório: O CADERNO DE LABORATÓRIO ATENDE A DOIS PROPÓSITOS: - Registrar as informações que podem ser úteis enquanto se está realizando um experimento - Registrar a descrição correta e exata de um procedimento experimental, assim como os resultados obtidos. O formato recomendado para um Caderno de laboratório inclui: 1-Título descritivo e data 2- Equação da reação, mecanismo 3- Quantidades molares, pesos e volumes utilizados dos reagentes no experimento. 4- Nome sistemático e propriedades físicas dos reagentes e solventes utilizados. 5- Esquema de procedimento e da aparelhagem utilizada 6- Descrição do procedimento experimental. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 3 7- Desvios e alterações da evolução esperada do procedimento planejado 8-Resultados, incluindo: dados de Ponto de Fusão ou Ebulição determinados experimentalmente, Rendimentos (bruto e do produto purificado) em g e %, Tabelas de resultados, etc 9- Observações e comentários 10- Respostas das questões específicas Apresentação de Seminários da disciplina de QMC 194: Para os seminários da disciplina de QMC 194 será colocado a disposição dos alunos um data show. Assim, os seminários deverão ser apresentados em Powerpoint (tempo de duração de 15-20 minutos ou estipulado pelo professor). Os objetivos gerais dos seminários na disciplina são: Proporcionar uma dinâmica de estudo em grupo Estimular a participação ativa de todos os alunos, tanto como palestrantes como público Aprofundar, debater e socializar conhecimento para o grupo Estratégia de apresentação dos seminários: PARTE I – OPERAÇÕES BÁSICAS DE LABORATÓRIO 1. Purificação de Compostos Orgânicos por Destilação O processo de destilação consiste na vaporização do líquido por aquecimento seguida da condensação do vapor formado em um frasco separado (destilado). Destilação simples Destilação fracionada Destilação a pressão reduzida (destilação a vácuo) Destilação com arraste de vapor Destilação Simples: Utilizada principalmente para (a) separar impurezas não voláteis solúveis de um líquido, (b) separar líquidos de ponto de ebulição muito distantes e (c) separar um solvente usado em uma extração. Destilação Fracionada: Utiliza uma coluna de fracionamento, que permite que uma série de destilações simples ocorram em uma operação. A eficiência de uma coluna de fracionamento é medida pelo número de pratos teóricos, que expressa quantas vezes uma substância é vaporizada e novamente condensada durante a destilação. Quanto maior o número de pratos teóricos, melhor será a separação de líquidos de pontos de ebulição próximos. Os seminários deverão ser planejados de forma a contemplar os itens: Sumário Introdução- contextualização e importância e do tema, objetivos propostos Desenvolvimento dos tópicos- onde são desenvolvidos os conteúdos do seminário. Finalização- reflexão e síntese QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 4 Aparelho de destilação simples: Aparelho de destilação fracionada: QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 5 Diagrama de fases para a destilação fracionada de um sistema ideal de dois componentes (A e B): *Fonte: Pavia, D.; Lampman, G.; Kriz, G.; Engel, R. "Organic Laboratory Techniques" p. 647 (3ª ed) Saunders College Publishing, NY (1999). Destilação a vácuo: A destilação a vácuo (ou destilação a pressão reduzida) é muito utilizada para a destilação e purificação de líquidos de alto ponto de ebulição (acima de 200ºC) ou de líquidos que se decompõem a temperaturas elevadas. Como o ponto de ebulição de um líquido é a temperatura em que a sua pressão de vapor é igual a pressão externa sobre a superfície do mesmo, se baixarmos artificialmente a pressão exercida sobre o líquido, este entrará em ebulição a uma temperatura menor do que a do ponto de ebulição normal (a pressão atmosférica). Destilação com arraste de vapor: Este tipo de destilação é utilizada para a destilaçãode líquidos voláteis e imiscíveis em água. A mistura da substância a purificar e água entrará em ebulição a uma temperatura inferior ao ponto de ebulição da água. A destilação a vapor é muito utilizada para isolar líquidos de fontes naturais como, por exemplo, a extração de óleos essenciais. Procedimento Experimental: Em um balão de 100 ml seco, colocar 50 ml de uma mistura de hexano e tolueno e algumas pedras de ebulição. Montar a aparelhagem para destilação simples ou fracionada (conforme a orientação do professor) usando uma proveta graduada como recipiente de recepção. Ajustar a temperatura de aquecimento de modo que a velocidade de destilação seja constante e não mais que uma gota do destilado por 3 segundos. Anotar a temperatura inicial de destilação e a cada 3 ml anotar a temperatura de destilação correspondente. Construir uma tabela e um gráfico com os dados de temperatura (eixo y) e o correspondente volume cumulativo do destilado (eixo x) para a destilação simples e a destilação fracionada. Comparar os resultados. Composto Ponto de ebulição (°C) Hexano 69 Tolueno 111 QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 6 V (ml) T (ºC) V (ml) T (ºC) 2. Separação e Purificação de Compostos Orgânicos por Extração 2.1. Extração sólido-líquido – Nas extrações sólido-líquido utiliza-se frequentemente um aparelho de extração contínua chamado extrator de Soxhlet (ver figura abaixo). 2.2. Extração líquido-líquido- Neste processo uma solução é misturada com um segundo solvente que seja imiscível no primeiro solvente, formando assim 2 fases líquidas. O soluto é extraído da solução inicial pelo segundo solvente devido seu maior grau de solubilidade neste solvente (solvente extrator). QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 7 O processo de extração líquido-líquido baseia-se no princípio da distribuição de um soluto entre dois solventes imiscíveis. Quando um soluto A dissolvido em um solvente S’ é extraído com um solvente S (imiscivel em S’), o soluto distribui-se entre as duas fases líquidas. O coeficiente de partição K expressa quantitativamente esta distribuição do soluto, isto é, K indica que um soluto A, em contato com dois líquidos imiscíveis entre si S e S', será distribuído entre os líquidos de tal forma que no equilíbrio, a razão da concentração de A em cada fase será constante a uma determinada temperatura: K = Concentração de A em S (g/ml) Concentração de A em S' (g/ml) Quando há diferença entre os volumes dos dois solventes da extração: K = Concentração de A em S (g/ml) x V(ml) de S’ Concentração de A em S' (g/ml) V (ml) de S O soluto não será transferido para o solvente S (solvente extrator) em uma simples extração, a menos que K seja muito grande. Usualmente devem ser realizadas varias extrações com o solvente S para remover todo o soluto do solvente inicial S’. Quanto maior K, menor será o número de extrações sucessivas necessárias para uma separação eficiente do soluto. 2.2.1. Critérios para a escolha do solvente para extração: - O solvente deve ser imiscível com o solvente da solução a ser extraída - O solvente deve possuir um K favorável para a substância a ser extraída e um K desfavorável para os demais componentes da mistura. - O solvente deve ser facilmente removido da substância extraída após a extração. Usualmente o solvente é removido por destilação, assim os solventes relativamente voláteis são os mais adequados para a extração. - O solvente não deve reagir quimicamente com a substância a ser extraída. Exceção: Extração por solvente quimicamente ativo QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 8 2.2.2. Extração por solventes quimicamente ativos Envolve a utilização de uma substância que irá reagir quimicamente com a substância a ser extraída. As substâncias ácidas ou básicas são convertidas a seus sais correspondentes, geralmente solúveis em água e, após a separação da fase aquosa, a substância inicial é recuperada por neutralização seguida de filtração ou extração da fase aquosa com um solvente apropriado. Observações Práticas: 1. COMO UTILIZAR UM AGENTE SECANTE AO FINAL DA EXTRAÇÃO- Após um solvente orgânico ter sido agitado na presença de uma solução aquosa, este solvente ficará "umedecido", isto é, o solvente orgânico apresentará algumas gotas de água. A quantidade de água varia de solvente para solvente: éter etílico é um dos solventes que apresenta normalmente uma maior quantidade de água. Para remover esta água, usa-se um agente secante. Um agente secante é um sal inorgânico anidro que adquire água de hidratação quando exposto ao ar ou adicionado a solução orgânica "umedecida". Os sais mais utilizados são: Cloreto de cálcio, sulfato de magnésio, sulfato de sódio e carbonato de potássio. Para secar uma solução orgânica de 10-20ml, adiciona-se uma quantidade de agente secante suficiente para formar uma fase sólida de aproximadamente 1 a 3 mm no fundo do copo de bequer onde encontra-se a solução. Deixa-se a solução secar por 15 minutos e então, se não há mais sinal visível de água, o agente secante deve ser retirado da solução por filtração a gravidade. 2. COMO SOLUCIONAR O PROBLEMA DE FORMAÇÃO DE EMULSÃO NA EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO- Uma emulsão é uma suspensão coloidal formada pela mistura de dois líquidos. A formação indesejada de emulsão pode ser frequente no processo de extração devido a agitação vigorosa da mistura dos dois solventes (um solvente orgânico e um solvente aquoso). Quando há emulsão, a separação das duas fases líquidas pode requerer um longo tempo de laboratório, mas existem algumas técnicas que podem ser utilizadas com sucesso para a eliminação de emulsões: - uma emulsão poderá ser eliminada se deixarmos a mistura dos dois líquidos descansar por um longo período de tempo. Uma suave agitação ocasional da solução com um bastão de vidro ou espátula também poderá auxiliar na eliminação da emulsão. - Se um dos solventes é água, a adição de uma pequena quantidade de solução saturada de NaCl poderá ajudar na eliminação da emulsão. Desta maneira, a água na fase orgânica migrará para a solução concentrada de sal facilitando a separação das duas fases. - A tendência de uma mistura de líquidos emulsificar pode ser diminuida pela adição de algumas gotas de ácido acético. R-COOH + NaOH R-COO - Na + H2O R-COOH + NaCl (insolúvel em H2O) (solúvel em H2O) (insolúvel em H2O) Neutralização R-NH2 + HCl R-NH3 + Cl - H2O R-NH2 + NaCl (insolúvel em H2O) (solúvel em H2O) (insolúvel em H2O) Neutralização QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol9 Procedimento Experimental 2.1. Separação de ma mistura de compostos por extração: Você recebeu uma mistura com 1,0 g de ácido benzóico e 1,0 g p- nitroanilina com naftaleno como contaminante. Para separar estes componentes, inicialmente deve-se dissolver esta mistura em 50 ml de cloreto de metileno. Após, procede-se como descrito: Colocar a solução orgânica em ampola de separação e extrair 2 vezes com 15 ml de HCl 4M. Combinar os extratos aquosos em um frasco marcado Aq. ácida (p-nitroanilina) Extrair a fase orgânica 2 vezes com 15 ml de solução de NaOH 4M. Combinar os extratos aquosos obtidos em um frasco marcado Aq. básica (ácido benzóico) A fase orgânica (onde se encontra o naftaleno) é desprezada. Resíduos Os extratos aquosos devem ser neutralizados com HCl 4M ou NaOH 4M. A neutralização com HCl deve ser feita com resfriamento. Após a neutralização, o precipitado deve ser filtrado em funil de Büchner e lavado com água fria. Deixar secar ao ar. Determinar o rendimento das 2 frações. Determinar o ponto de fusão de cada substância separada nesta extração. Elaborar um fluxograma do processo de extração. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 10 3. Determinação do Ponto de Fusão O ponto de fusão de um sólido é definido como a temperatura na qual sólido e líquido estão em equilíbrio a uma pressão total de uma atmosfera. Como cada composto sólido puro possui um ponto de fusão característico e bem definido, esta é uma propriedade física importante usada como critério de pureza. A presença de impurezas produz, em geral, um alargamento na faixa de fusão de um composto, além de produzir uma diminuição na sua temperatura de fusão. Uma Mistura Eutética é definida como uma mistura de sólidos que, a uma determinada composição, possui um ponto de fusão constante (comporta-se como um sólido puro). Determinação experimental do ponto de fusão - Determinar experimentalmente o ponto de fusão dos compostos extraídos na técnica anterior utilizando o aparelho de Fischer-Johns. Registrar a temperatura na qual aparece a primeira gota de líquido e a temperatura na qual desaparece o restante da porção sólida. Essa faixa de temperatura representa o ponto de fusão do sólido analisado. 4. Recristalização O processo de recristalização baseia-se no fato que a solubilidade de um composto orgânico, em um determinado solvente, às vezes aumenta grandemente quando este solvente é aquecido a uma temperatura próxima a seu ponto de ebulição. As impurezas insolúveis (não dissolvidas na solução quente) são removidas por filtração a gravidade, e as impurezas solúveis permanecem dissolvidas na solução fria (chamada água-mãe) após a recristalização e separação dos cristais do composto desejado por filtração a sucção. Etapas do processo de recristalização: 1. Selecionar um solvente apropriado para a recristalização. 2. Dissolver o composto sólido no solvente a uma temperatura próxima a seu ponto de ebulição. Utilizar a mínima quantidade de solvente necessária para a dissolução do composto sólido. 3. Adicionar carvão ativo se necessário 4. Filtrar a mistura quente, em um funil de cano curto previamente aquecido em estufa ou banho-maria, para a remoção do carbono ativo e quaisquer impurezas insolúveis. É importante que esta operação seja realizada o mais rapidamente possível, para evitar que a solução resfrie e ocorra a precipitação do produto no funil. p-nitroanilina- PF lit: PF exp: Ácido benzóico - PF lit: PF exp: QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 11 5. Resfriar lentamente a mistura para a cristalização do composto desejado. 6. Coletar os cristais por filtração a vácuo, usando funil de Büchner. 7. Lavar os cristais com uma pequena quantidade de solvente FRIO. 8. Secar os cristais. Critérios para a escolha do solvente apropriado para recristalização: 1. O solvente adequado para recristalização será aquele no qual a substância é muito solúvel em uma temperatura próxima a seu ponto de ebulição e insolúvel a temperatura ambiente ou temperaturas inferiores a esta. Para a escolha do solvente para a recristalização, deve-se verificar a estrutura do composto e, em função desta, orientar o trabalho, já que a solubilidade de compostos orgânicos depende da polaridade do solvente e do soluto (material dissolvido): Princípio Geral: SEMELHANTE DISSOLVE SEMELHANTE 2. O solvente deve possuir ponto de ebulição inferior ao ponto de fusão do composto. 3. O solvente deve dissolver as impurezas mesmo a frio, ou, então, não dissolvê-las, mesmo a quente. 4. O solvente não deve reagir quimicamente com o composto a ser recristalizado. Tabela: Solventes comuns em recristalização SOLVENTE PONTO DE EBULIÇÃO (ºC) SOLUBILIDADE EM ÁGUA água 100 - etanol 95% 78 sim acetona 56 sim metanol 65 sim éter de petróleo 20-90 não cicloexano 81 não acetato de etila 77 sim ácido acético 118 sim cloreto de metileno 41 não éter etílico 35 pouco solúvel tetracloreto de carbono 76 não clorofórmio 61 não QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 12 Mistura de solventes (par de solventes): Se não for encontrado um solvente adequado para a recristalização, pode- se utilizar uma mistura de solventes miscíveis entre si. Neste caso, deve- se dissolver a substância em uma mínima quantidade de solvente no qual ela seja solúvel a quente, adicionando-se a seguir um segundo solvente (miscível no primeiro) no qual a substância não seja solúvel até atingir o “ponto de turvamento” (início da precipitação). Com o resfriamento desta mistura a substância desejada cristalizará. Misturas de solventes utilizadas em recristalização: etanol-água tolueno-cicloexano metanol-água acetato de etila-hexano éter etílico-metanol metanol-clorofórmio clorofórmio-éter de petróleo metanol-cloreto de metileno Procedimento Experimental Seguindo todas as etapas do processo de recristalização, purificar: - 1 g de ácido benzóico utilizando como solvente água e - 1 g de naftol utilizando a mistura de solventes ETANOL-ÁGUA. Determinar o Rendimento de recristalização e o ponto de fusão de cada composto antes e após a purificação. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 13 5. Cromatografia Cromatografia é um processo de separação de uma mistura de 2 ou mais compostos diferentes por distribuição entre duas fases, uma fase estacionária e uma fase móvel. De um modo geral: Fase estacionária - sólida ou líquida Fase móvel - líquida ou gasosa Principais métodos cromatográficos- são caracterizados pelas diferenças na natureza das duas fases (móvel e estacionária) : - Partição líquido-sólido: cromatografia em coluna (CC), cromatografia em camada delgada (TLC), cromatografia líquida de alta pressão (HPLC) - Partição líquido-líquido: cromatografia empapel - Partição gás-líquido: cromatografia gasosa (CG) 5.1. CROMATOGRAFIA EM COLUNA A coluna cromatografica consiste em um tubo (geralmente de vidro) empacotado com uma fase estacionária sólida tal como alumina (Al2O3) ou sílica (SiO2). A fase móvel, neste caso, será um líquido (solvente) ou uma mistura de líquidos. Inicialmente a mistura a ser separada é colocada no topo da coluna (adsorção na fase estacionária) e a eluição dos componentes desta mistura através da fase estacionária é acompanhada por um fluxo contínuo de fase móvel (solvente) do topo até a base da coluna, onde serão coletadas as frações referentes a separação da mistura. Parâmetros que afetam a separação cromatográfica: A cromatografia é um método muito versátil de purificação e separação, pois muitos parâmetros podem ser ajustados para obter-se uma separação efetiva. Principais parâmetros: Escolha da fase estacionária (adsorvente) Polaridade do solvente ou solventes utilizados (fase móvel) Tamanho da coluna (comprimento e diâmetro) relativo a quantidade de material a ser cromatografado Velocidade de eluição. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 14 Tabela 1: Solventes usuais para cromatografia: éter de petróleo cicloexano cloreto de metileno clorofórmio Aumenta a polaridade e a éter etílico “força acetato de etila do solvente” acetona etanol metanol água ácido acético Tipos de fases estacionárias mais usuais em Cromatografia em coluna: “A fase estacionária deve ser um sólido que não se dissolva na fase líquida (fase móvel)” Fases estacionárias mais utilizadas em Cromatografia em coluna: Sílica gel SiO2.xH2O Alumina Al2O3.xH2O (200-400 mesh) Tipos de interações principais envolvidas em cromatografia em coluna: Compostos apolares - forças de Van der Waals Compostos polares - interações dipolo-dipolo pontes de hidrogênio complexação formação de sal “Quanto mais polar o grupo funcional, mais forte é a interação com a fase estacionária polar” QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 15 5.2. CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA (CCD) (TLC - "thin-layer chromatography") A cromatografia em camada delgada é uma técnica muito importante para a rápida separação e análise qualitativa de pequenas quantidades de material. Os princípios da CCD são basicamente os mesmos da cromatografia em coluna. Como na cormatografia em coluna, a CCD é uma técnica de partição líquido-sólido. Etapas da cromatografia em camada delgada: Parâmetros que afetam a separação cromatográfica em TLC: - Escolha da fase estacionária (adsorvente) - Sistema de solventes (fase móvel) - Espessura da camada de fase estacionária - Quantidade de amostra aplicada na placa cromatográfica Métodos de visualização em TLC: Se os compostos separados por CCD são coloridos, a separação pode ser facilmente acompanhada visualmente. Entretanto, o mais frequente é que os compostos sejam incolores. Nestes casos, costuma-se utilizar métodos ou reagentes que tornem os compostos visíveis. Principais métodos: - Revelação da placa em atmosfera de Iodo - o IODO reage com muitos materiais orgânicos formando complexos de coloração marrom ou amarela. - Revelação com lâmpada Ultravioleta - Métodos químicos específicos para determinados grupos funcionais. Cálculo do Fator de retenção (Rf): Como já mencionado, os parâmetros da CCD incluem o tipo de sistema de solventes utilizado, o tipo de adsorvente e sua espessura na placa cromatográfica e a quantidade relativa de amostra aplicada. Com o conjunto bem estabelecido destas condições, um determinado composto sempre apresentará o mesmo valor de tempo de retenção. Assim, juntamente com outras técnicas de identificação de compostos (infravermelho, RMN, espectrometria de massas, análise elementar, etc), o valor de Rf pode ser usado para identificar um composto desconhecido. Rf = é a razão entre a distância percorrida pela substância, a partir do ponto de aplicação até o meio da mancha, e a distância percorrida pelo solvente a partir do ponto de aplicação da amostra. O Rf auxilia na identificação de uma substância. 1 2 3 Papel filtro embebido no solvente Direção do solvente Am ostra (Ponto de aplicação) QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 16 Rf = d substância d solvente Cromatografia em camada delgada aplicada a química orgânica: A CCD tem várias utilizações importantes em química orgânica. As suas principais aplicações apresentam como vantagem ser necessária somente uma pequena quantidade de material: - Comparar compostos para estabelecer se são identicos ou não. - Determinar o número de componentes de uma mistura -Determinar o solvente ou sistema de solventes apropriado para uma separação em coluna cromatográfica - Monitorar a separação em uma coluna cromatográfica -Confirmar a eficiencia de uma separação realizada por extração, por recristalização ou em coluna cromatográfica - Monitorar o desenvolvimento (progresso) de uma reação 5.3. PARTE EXPERIMENTAL : A. Identificação do licopeno e -caroteno no extrato de tomate por cromatografia em camada delgada Carotenóides são os pigmentos amarelo/ laranja e caroteno), e vermelho (licopeno) largamente distribuidos no reino animal e vegetal. São polienos de cadeia longa subdivididos em: Hidrocarbonetos (solúveis em éter de petróleo) e Xantofilas (derivados oxigenados de carotenos, solúveis em etanol). Composto 2 Composto 1 Cromatograma original Cromatograma desenvolvido Frente do solvente CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H3C CH3 carote no caroteno CH3 H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H3C CH3 QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 17 Procedimento Experimental Colocar 10 gramas de extrato de tomate comercial em um frasco erlenmeyer de 50 ml. Adicionar 15 ml de etanol a 95% e agitar vigorosamente a mistura com um bastão de vidro por 3 minutos. Filtrar a mistura através de um funil de vidro, pressionando o sólido no filtro com uma espátula para retirar todo o líquido remanescente. Desprezar o líquido contendo álcool, água e alguns sais solúveis. Colocar o resíduo desidratado (pasta) em um erlenmeyer, adicionar 10 ml de CH2Cl2 , agitar a mistura por 3 minutos e filtrar. Repetir a extração do resíduo com outra porção de 10 ml de CH2Cl2 e combinar os dois extratos. Passar o extrato a uma ampola de separação, adicionar 5-10 ml de uma solução saturada de NaCl e agitar suavemente. Após as fases seremseparadas, drenar a fase orgânica para um balão de 100 ml de fundo redondo e evaporar o solvente em evaporador rotatório até cerca de 1 ml (a solução não deve ser aquecida em excesso). Este extrato concentrado deve ser analisado por cromatografia em camada delgada, sendo a placa eluida no sistema de solventes CH2Cl2-Hexano (3:10). Observa-se a separação de 3 componentes que desenvolvem cor: licopeno (Rf ~0,2): xantofilas (Rf -caroteno (Rf~ 0,8). Calcular os valores de Rf obtidos experimentalmente para estes compostos. -caroteno são compostos muito sensíveis a oxidação por ação da luz e ar. Por isso, deve-se proteger as soluções contendo estes compostos para evitar exposição a tais agentes. H3C CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H3C Licope no zeaxantina (xantofila) CH3 CH3 CH3 CH3 CH3 H3C H3C CH3 HO OH H3C CH3 QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 18 B. Identificação dos componentes de analgésicos por cromatografia em camada delgada (CCD) COOH O CH3 O N H3C O N N N CH3 O CH3 Ácido acetilsalicílico Cafeína Procedimento Experimental Em um erlenmeyer de 50 ml colocar 1 comprimido (previamente triturado) do analgésico a ser analisado. Adicionar 5 ml de uma mistura diclorometano-etanol (1:1) e aquecer brevemente até ebulição. Não haverá dissolução total do analgésico. Após o aquecimento deixar a solução descansar para sedimentar o material insolúvel. O sobrenadante resultante ("AMOSTRA") será analisado por CCD. Separadamente preparar dois padrões contendo: 1º PADRÃO: 0,1 g de ácido acetilsalicílico dissolvido em 2,0 ml de uma solução de acetato de etila-0,5% de ácido acético 2º PADRÃO: 0,1-0,2 g de cafeína disolvida em 1,0 ml de clorofórmio. Preparar uma cubeta (contendo papel filtro) com 0,5 cm da fase móvel Acetato de etila-0,5% de ácido acético. Colocar na cubeta a placa cromatográfica já preparada e deixar a fase móvel eluir até ~ 1 cm do topo da placa. Utilizar como método de revelação da placa cromatográfica a Lâmpada UV, marcando com um lápis onde aparecem as manchas. Com o auxílio dos padrões determinar a composição do analgésico analisado. Determinar a ordem de eluição (Rf) dos componentes do analgésico (ácido acetilsalicílico e/ou cafeína). Na placa cromatográfica fornecida pelo professor, marcar suavemente com lápis três pontos com intervalos regulares de ~ 0,6 cm. Estes serão os pontos nos quais os dois padrões e a amostra deverão ser aplicados. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 19 6. Identificação de grupos funcionais via reações químicas 6.1. Halogenetos de alquila: SN1 x SN2 6.1.1. Reação via SN1: Solução alcoólica de nitrato de prata Em um tubo de ensaio adicionar 2 gotas da amostra a ser analisada e 2 ml da solução 0,1 M de AgNO3 em EtOH a 95% - realizar este procedimento com cada uma das amostras fornecidas pelo professor. Observar o tempo de cada reação - após a adição, agitar o tubo para a homogeneização. Anotar o tempo requerido para a formação de precipitado. Após 5 minutos, aquecer em banho-maria a 50ºC cada solução que não formou precipitado e observar a formação ou não de precipitado. Anotar os resultados e explicar porque cada composto tem a reatividade observada. Explicar as reatividades em termos de estrutura dos compostos. Ordem crescente de reatividade: 1º< 2º<3º, benzílico, alílico 6.1.2. Reação via SN2: Solução de Iodeto de sódio em acetona Em um tubo de ensaio adicionar 2 gotas da amostra a ser analisada e 2 ml do reagente NaI (15% em acetona) - realizar este procedimento com cada uma das amostras fornecidas pelo professor. Observar o tempo de cada reação - após a adição, agitar o tubo para a homogeneização. Anotar o tempo requerido para a formação de precipitado. Após 5 minutos, aquecer em banho-maria a 50ºC cada solução que não formou precipitado e observar a formação ou não de precipitado. Anotar os resultados e explicar porque cada composto tem a reatividade observada. Explicar as reatividades em termos de estrutura dos compostos. Ordem de reatividade: 1º> 2º>3º -------------------------------------------------------------------------- 6.2. Aldeídos e Cetonas Aldeídos e cetonas reagem com 2,4-dinitro-fenil-hidrazina formando 2,4- dinitro-fenil-hidrazona, um precipitado de coloração amarelo-avermelhada (Teste com 2,4-dinitro-fenil-hidrazina). Este teste dará positivo tanto para um aldeído como para uma cetona. O Ensaio de Tollens permitirá distinguir entre os dois tipos de compostos, pois qualquer aldeído alifático ou aromático será facilmente oxidado a seu correspondente ácido carboxílico pelo reagente de Tollens enquanto que, com cetonas, normalmente não haverá reação. Outra maneira de diferenciar aldeídos e cetonas envolve a oxidação do aldeído por ácido crômico (Teste do ácido crômico). Na reação, a cor da mistura muda de laranja para verde quando o ácido crômico é convertido no sulfato de cromo (III). Cetonas não serão oxidadas por este reagente. 6.2.1 Teste com 2,4-dinitro-fenil-hidrazina: Reagente: Dissolver 1 g de 2,4-dinitro-fenil-hidrazina em 5 ml de ácido sulfúrico concentrado. Preparar uma solução contendo 7 ml de água e 25 ml de etanol 95%. Juntar a solução de 2,4-dinitro-fenil-hidrazina à solução etanólica, com agitação. Manter a agitação durante alguns minutos e filtrar, caso haja material em suspensão. RX + AgNO3 AgX + RONO2 EtOH RCl + NaI NaCl + RI Acetona QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 20 Teste: Dissolver 1 ou 2 gotas do líquido a ser analisado em 2 ml de etanol e adicionar 2 ml da solução de 2,4-dinitro-fenil-hidrazina. Agitar fortemente. Caso não haja precipitação imediata, deixar em repouso por 15 minutos. Se ainda assim não ocorrer precipitação, aquecer ligeiramente a solução e deixar em repouso por mais 15 minutos. Teste positivo: formação de um precipitado amarelo-avermelhado. 6.2.2. Ensaio de Tollens: Reagente: Colocar, em um tubo de ensaio, 2 ml de solução de nitrato de prata a 5% e 1 gota de solução de hidróxido de sódio a 10%. Adicionar, gota a gota e com agitação constante, solução diluída de hidróxido de amônio (NH4OH 2%) até a dissolução completa do precipitado de óxido de prata. Para não comprometer a sensibilidade do teste, deve-se evitar excesso de amônia. ATENÇÃO: O reagente deve ser preparado momentos antes do seu emprego e não deve ser estocado, pois sua decomposição leva a um precipitado extremamente explosivo. Teste: Dissolver uma pequena quantidade da amostra a ser analisada em algumas gotas de água ou etanol. Gotejar esta solução com agitação constante sobre o reagente de Tollens. Caso a reação não ocorra imediatamente, aquecer o tubo de ensaio levemente em banho-maria. Teste positivo: formação de um precipitado escuro de prata ou a formação de espelho são indicativos da presença de aldeído. 6.2.3. Teste do ácido crômico: (ver Teste do ácido crômico mais adiante) ---------------------------------------------------------------------------6.3. Álcoois O Teste de Lucas permite distinguir entre álcoois primários, secundários e terciários que tenham menos de 8 átomos de carbono. O teste não é usado para álcoois de cadeia mais longa devido a sua insolubilidade no reagente de Lucas. Este teste baseia-se na diferença de velocidade de formação de um cloreto de alquila pela reação de álcoois com solução de ácido clorídrico e cloreto de zinco: R-OH + HCl R-Cl + H2O ZnCl2 A reação ocorre com a formação de um carbocátion intermediário, portanto forma-se mais rapidamente o carbocátion mais estável e a reatividade dos álcoois aumenta na ordem: 1º < 2º < 3º < alílico < benzílico O Teste do ácido crômico (Oxidação de Jones) permite distinguir álcoois primários e secundários de álcoois terciários. Álcoois primários e secundários são oxidados pelo ácido crômico a ácidos carboxílicos e cetonas, respectivamente, com a formação de um precipitado verde de sulfato de cromo (III). 6.3.1.Teste de Lucas: Reagente: Dissolver 20 g de cloreto de zinco anidro em 10 ml de HCl concentrado e esfriar em banho de gelo. Teste (apenas para álcoois solúveis em água): Em tubo de ensaio misturar 4 a 5 gotas da amostra a ser analisada e 2 ml do reagente de Lucas. Observar o tempo gasto para turvação da solução ou formação de QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 21 duas fases (formação do cloreto de alquila). Se não ocorrer reação em 5 minutos, aquecer cuidadosamente em banho-maria durante 3 minutos. Álcoois alílicos, benzílicos e terciários: reagem imediatamente. Álcoois secundários: demoram 5 minutos para reagir (talvez haja necessidade de aquecimento) Álcoois primários: não reagem 6.3.2. Teste do ácido crômico (oxidação de Jones): Reagente de Jones: Dissolver 10 g de óxido de cromo (CrO3) em 10 ml de ácido sulfúrico concentrado. Adicionar cuidadosamente esta solução a 30 ml de água. Teste: Dissolver, em um tubo de ensaio, 2 gotas da amostra a ser analisada em 20 gotas de acetona pura. Adicionar, com agitação, 5 gotas do reagente de Jones. Teste positivo: o aparecimento em 5 segundos de um precipitado verde [Cr2(SO4)3] confirma a presença de álcool primário ou secundário. --------------------------------------------------------------------------- 6.4. Alcenos e alcinos 6.4.1.Teste com solução de bromo: Ligações duplas e triplas de alcenos e alcinos descoram a solução de bromo em CCl4 devido a formação de dibrometo ou tetrabrometo, incolores. Reagente: solução de bromo em tetracloreto de carbono a 5% (v/v). Procedimento para o teste: Dissolver uma pequena porção da amostra a ser analisada em 2 ml de CCl4 e adicionar 10 gotas da solução de bromo em CCl4 verificando se há o desaparecimento da coloração vermelha do bromo. 6.4.2 Teste de Bayer: O teste de Bayer consiste no descoramento da solução de permanganato de potássio pela ligação dupla ou tripla. Reagente: solução aquosa de permanganato de potássio a 2%. Procedimento para o teste: Dissolver uma pequena porção da amostra a ser analisada em 2 ml de água ou etanol e gotejar, com agitação, a solução de permanganato de potássio até que a coloração violácea persista. ---------------------------------------------------------------------- C C R R R R + Br2 (vermelho) RR C C Br Br R R (incolor) C C + MnO4 - (violáceo) (precipitado castanho) H2O C C OH OH + MnO2 QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 22 6.5. Ácidos carboxílicos Os ácidos carboxílicos são identificados principalmente pela sua solubilidade característica em soluções diluidas de NaOH e NaHCO3. Os testes de identificação de ácidos carboxílicos envolvem desde a medida do pH de uma solução aquosa da amostra (que, é claro, deverá ser ácido se tratar-se de um ácido carboxílico) a reação com bicarbonato de sódio. 6.5.1. Teste com Bicarbonato de sódio: Reagente: solução de bicarbonato de sódio a 5%. Teste: Dissolver uma pequena quantidade da amostra em uma solução aquosa de NaHCO3 a 5% e observar a solução cuidadosamente. Se o composto for um ácido, você observará bolhas devido a formação de dióxido de carbono. ------------------------------------------------------------------------- 6.6. Compostos Fenólicos 6.6.1. Teste com cloreto férrico: Os fenóis formam complexos coloridos com o íon Fe3+. A coloração varia do azul ao vermelho. O teste com cloreto férrico pode ser realizado em água, metanol ou colreto de metileno. Reagente: Solução aquosa de cloreto férrico a 3%. Teste: Dissolver 10 a 20 mg (........gotas) da amostra a ser analisada em 1 ml de água. Adicionar 5 gotas da solução de cloreto férrico a 3% e observar o desenvolvimento de cor (caso a amostra seja insolúvel em água, dissolver em etanol). A maior parte dos fenóis solúveis em água desenvolvem intensa coloração vermelha, azul, verde ou púrpura. O desenvolvimento de cor é imediato, mas esta coloração pode ser transitória, assim é importante observar a solução cuidadosamente no momento em que os reagentes são misturados. 6.6.2. Teste com Hidróxido de sódio: Os fenóis reagem com NaOH produzindo fenolatos, que podem ser coloridos ou tornar-se marrons por oxidação. Alguns fenolatos precipitam em solução aquosa de NaOH a 10%, mas se dissolvem na água. Reagente: Solução aquosa de NaOH a 10%. Teste: Colocar em um tubo de ensaio 1 ml da solução de NaOH 10% e uma pequena quantidade da amostra a ser analisada. Agitar bem e observar o desenvolvimento de cor. Caso isto não ocorra, deixar a solução em repouso por 30 minutos. Se ocorrer precipitação, diluir a solução com 20 ml de água e agitar. 6.6.3. Teste com água de bromo RCOOH + NaHCO3 RCOO - Na + + H2CO3 H2CO3 CO2 + H2O QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 23 8. Preparação do cicloexeno a partir do cicloexanol Reação: Procedimento experimental Em um balão de 100 ml colocar 21 ml de cicloexanol, 2 ml de ácido sulfúrico concentrado e algumas pedras de ebulição. Agitar bem e adaptar uma aparelhagem para destilação fracionada. Usar um frasco coletor imerso em banho de gelo. Aquecer suavemente o balão utilizando uma manta de aquecimento, até que permaneça no balão um pequeno resíduo. Durante o aquecimento, manter a temperatura do destilado abaixo de 100°C. Adicionar ao destilado cerca de 4 ml de solução aquosa saturada de cloreto de sódio e 2 ml de solução aquosa de carbonato de sódio a 10% e transferir a mistura para um funil de separação. Separar a camada aquosa e verter o produto sobre sulfato de sódio anidro. Agitar bem e filtrar o produto para um recipiente previamente pesado e determinar o rendimento da reação. Caracterização do produto: Ponto de ebulição: 83-84°C. Insolúvel em água, infinitamente solúvel em etanol, éter etílico, acetona e benzeno. Aplicações: o cicloexeno tem emprego em sínteses orgânicas.QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 24 9. Preparação de cicloexanodiol cis Procedimento Experimental: Em um balão de fundo redondo provido de agitação magnética, condensador de refluxo e termômetro adicionar o cicloexeno, dissolvidos em 180 ml de etanol 95%. Preparar uma mistura com o KMnO4 ,o MgSO4 e a água e adicionar ao balão contendo a solução do cicloexeno, a uma velocidade que a temperatura interna não ultrapasse a 5°C. Após a adição completa do oxidante, agitar por 90 min. Filtrar o precipitado a vácuo e lavar 3x50 ml de acetona. Unir os extratos orgânicos e evaporar o solvente a um volume de 100 ml. Extrair com solução saturada de NaCl e clorofórmio, secar o material com sulfato de magnésio e evaporar o solvente. Recristalizar com tolueno. 10. Preparação de cicloexanodiol trans Procedimento experimental: Em um balão de fundo redondo provido de agitação magnética, condensador de refluxo, misturar o ácido fórmico 98%, a H2O2 à 30%,adicionar com agitação durante 5 minutos 0,1 mol de cicloexeno A Temperatura do meio reacional aumentará atingindo 65-70 0C. Manter esta temperatura durante duas horas. O término da reação é verificada com sol. de KI. Remover a maior parte do ácido fórmico e água por rotaevaporação. Aquecer o resíduo em presença de uma solução de NaOH 20% durante 45 min. Resfriar e neutralizar com solução de HCl 3 N. Remover a água por destilação. Extrair o resíduo com acetato de etila à quente. Evaporar o solvente e recristalizar com etanol 95%. Rend.= 70% QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 25 10. Síntese de parabenos Ref: COMPARAÇÃO DAS ATIVIDADES ANTIMICROBIANAS DOS DIFERENTES PARABENOS SINTETIZADOS: Consultar a referência indicada na técnica QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 26 15. Síntese do analgésico Fenacetina e do adoçante Dulcina Ref: Quim. Nova, Vol. 26, No. 2, 284-286, 2003 A) B) B C D QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 27 C) D) QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 28 16.3. Preparação do Salicilato de Metila – "Gelol" Reação: COMPOSTO PM PF (°C) Ácido salicílico 138 158-160 Salicilato de metila 152,12 Procedimento experimental: Em balão de 100 ml adicionar 2,0 g (....mmol) de ácido salicílico, 5,0 ml de metanol (.....mmol) e adicionar então cuidadosamente 2 mL de ácido sulfúrico concentrado. Adaptar ao balão um condensador de refluxo e aquecer a mistura sob agitação a ebulição por 50 minutos. Todo o ácido salicílico deve dissolver-se. Após o período indicado, resfriar a temperatura ambiente. Transferir a mistura reacional para um funil de separação, adicionar 15 ml de éter etílico e 15 ml de água, agitar, separar a fase aquosa. Extrair a fase orgânica com 1 x 15 mL de solução 5% de NaHCO3 seguida de 1 x 15 mL de água. A fase orgânica é tranferida a um béquer e seca com sulfato de sódio anidro, sendo então filtrada para um balão seco de peso conhecido. O solvente orgânico é então destilado, sendo calculado o rendimento. 16.4. Obtenção do Ácido acetil-salicílico Reação: Procedimento experimental: Em um balão de 100 ml, colocar 10 g de ácido salicílico, 14 ml de anidrido acético e 3 gotas de ácido sulfúrico concentrado. Adaptar um condensador para refluxo e aquecer em banho-maria entre 50 e 60ºC, durante 30 minutos. Durante o aquecimento, forma-se um sólido branco. Resfriar o frasco, adicionar 100 ml de água gelada e filtrar em funil de Buchner, lavando com uma porção pequena de água gelada. Recristalizar o produto obtido, dissolvendo-o em 30 ml de etanol e aquecendo até o refluxo . Filtrar a quente, se necessário, recebendo o filtrado em um béquer de 250 ml contendo 80 ml de água morna (40/50ºC). Resfriar, filtrar em funil de Büchner e secar ao ar. Rendimento: 75-85%; Tempo: 3 horas Caracterização: ponto de fusão: 134-135ºC, com decomposição (sólido branco); solubilidade: solúvel em água quente com decomposição, bastante solúvel em etanol, solúvel em éter etílico e clorofórmio, ligeiramente solúvel em benzeno. QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 29 19. Reações de Condensação: 19.1 Obtenção da Dibenzalacetona Referências: Hull, L. (2001) J. Chem. Educ. 78, 226-227. Hawbecker, B.; Kurtz, D.; Putnam, T.; Ahlers, P.; Gerber, G. (1978) J. Chem. Educ. 55, 540-541. Reação: Procedimento experimental: Preparar uma solução de 4,24 g (..........mol) de benzaldeído em 40 ml de etanol. Adicionar cuidadosamente 40 ml de uma solução 0,5 M de NaOH aquoso. Adicionar então 1,5 ml (...........g; ...........mol) de acetona e deixar a mistura sob leve agitação por ~ 40 minutos. Filtrar o sólido amarelado formado em funil de Buchner. Lavar o produto com água destilada gelada. Purificar a dibenzalacetona obtida por recristaslização com etanol a 95%. Rendimento esperado:40-60% Calcular o rendimento da reação. Confirmar o produto determinanado seu ponto de fusão. Benzalacetona PM: 146,2 PF: 39-41ºC O H + O NaOH aq O O H , NaOH aq O Dibenzalacetona PM: 234 PF: 110-112ºC + H2O QMC194 -QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL F II Profa. Ionara I. Dalcol 30 21.Epoxidação da Benzalacetofenona Reação: Procedimento experimental: Em um balão de fundo redondo de 100 mL adicionar 4 g de benzalacetofenona, 50 mL de etanol e 3 mL de água oxigenada (30%). Sob agitação constante adicionar lentamente 8 mL de solução aquosa de NaOH 5%. Ao final, agitar a mistura reacional 15 minutos adicionais, sendo após deixada em repouso por cerca de 20 minutos. Colocar o balão em banho de gelo para finalizar a cristalização. Filtrar os cristais em funil de Buchner, lavando-os com um pouco de etanol gelado. Deixar os cristais secando ao ar. Rendimento esperado: 75-85% Calcular o rendimento da reação. Confirmar o produto através do ponto de fusão. O O O H2O2 NaOH 1,3-DIFENIL-2,3-EPOXIPROPAN-1-ONA P.F. 89-90 °C
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