Practica 6 Reporte Sintesis De Acido Fumarico 2e5c68
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Instituto Politécnico Nacional ESCUELA NACIONAL DE CIENCIA BIOLÓGICAS Sección de Química Orgánica Laboratorio de Química Orgánica para Ingenieros en Bioquímica
Practica 6: “Síntesis de Acido Fumárico.” Fecha de realización Grupo: Jueves 21 de Mayo del 2015 Sección y número de equipo: 2IM2 – Equipo Núm. 20 Nombres de los integrantes del equipo: Olvera Flores Ivan de Jesus Osorio Quiroz Noemí Karina
OBJETIVOS: 1.- Convertir un isómero cis en un isómero trans. 2.-Diferenciar los isómeros geométricos del ácido 2-butenodioico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Observaciones: En la experiencia se observó que el anhídrido maleico al adicionarle agua, se hidrolizó fácilmente, dando lugar al ácido maleico, que también tiene la configuración cis (z) y es bastante soluble en agua y de bajo punto de fusión. Por acción del HCl, dicho ácido se puede isomerizar, ya que él ácido clorhídrico será un catalizador para nuestra reacción, en esta mezcla se observa desprendimiento de calor. Se entiende que la isomerización ocurre a través de la adición del cloruro de hidrógeno al sistema conjugado, formando un intermediario transitorio carente de doble enlace que explica la rotación de los enlaces de carbono, formándose la estructura trans (e), más estable, con eliminación del ácido clorhídrico. Después de adicionarle el HCl, se puso a calentar de 5 a 10 minutos en el cual se observó que empezó a ebullir rápidamente , y que la mezcla era totalmente homogénea e incolora al momento de enfriar se observa que la mezcla se precipito de color blanco. Se realizó la cristalización con los respectivos pasos y de nuevo se volvió a recristalizar el cual fue un poco tardado. Se observaron los primeros cristales de ácido fumárico también conocido como ácido trans-butenodioico, compuesto cristalino incoloro que es soluble en agua caliente.
Resultados:
Reactivo Ácido Maleico
Formula molecular
Propiedades: Peso Molecular Solubilidad 116,072 g/mol
Soluble en agua
Punto de ebullición 135°C
1|P á g i n a
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Ácido Fumárico
116,07 g/mol
Ácido Clorhídrico
HCl
Bicarbonato de sodio
NaHCO3
36.46094 g/mol
84,007 g/mol
Soluble en agua
----------------------------
Soluble en alcohol benceno y éter, insoluble en hidrocarburos. Soluble en agua
84. 8 ºC
851°C
Tabla de pH: Ácido Maleico pH=4
Bicarbonato de sodio Ácido Fumárico & Ácido Maleico pH=6 pH=2
Bicarbonato de sodio & Ácido Fumárico pH=4
Rendimiento teórico:
ÁCIDO MALEICO 1.6 gramos
ÁCIDO FUMÁRICO 1.1 gramos
%Rendimiento 68.75%
(Volumen)--------(100% de conc.) X gramos--------- al 1-100% 4mL-------------100% concentración Xgramos-------40% concentración = 1.6 gramos de ácido maleico
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1.1 gramos de ácido Fumárico % de rendimiento =
×
100
1.6 gramos de ácido Maleico Discusión de resultados: Se inicia el verdadero proceso con la combinación de ácido clorhídrico y la solución al 40% de ácido maleico en agua, se observa el desprendimiento de calor, y catalogamos a esta como a una reacción isotérmica pues el matraz de reacción se calentó. Utilizamos cuatro mililitros de cada componente ya que dos eran muy poco. Aquí en este momento se empieza la reacción acido-base que más adelante nos permitirá la rotación restringida en el doble enlace de los carbonos C 2=C3 Después de esto se volvió a calentar, se calentó para que las interacciones entre moléculas sean mucho mayor. Y el tiempo que haya que esperar sea menor. En realidad la espera fue muy poca, seguramente fue debido a que se calentó a fuego directo, la espera o el tiempo que se dejó calentando a reflujo fueron diez minutos aproximadamente. Antes de apagar el mechero ya se observaba un precipitado entre las paredes del matraz, se dejó enfriar y la formación de cristales fue mayor. La recristalización fue sencilla, aunque tardo bastante en disolverse en el agua, por esa razón la profesora nos dio la indicación de adicionar una gota de ácido clorhídrico, que ayudaría a disolver. La determinación del punto de fusión fue lo esperado, dando como un menor punto de fusión el ácido fumárico sin recristalizar. El ácido fumárico recristalizado presento un intervalo más cercano al punto de fusión teórico. El rendimiento teórico es relativamente sencillo pues se sabe que ambas estructuras son de igual densidad y de igual masa atómica. Por consiguiente se debe conseguir la misma cantidad de ácido fumárico (6.4g). Nuestro rendimiento fue un poco bajo, pues tuvo que haber perdidas atraves del proceso, en el trasvase de matraces, en el proceso de filtrado y en el proceso de recristalización más aparte la inexactitud de la solución al 40%, por esta razón el rendimiento fue un poco menor.
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Mecanismo de reacción:
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Anexos Cuestionario Experimental 1. Escribe tus observaciones del proceso de interconversión de isómeros. En el proceso que se lleva a cabo para la conversión de un isómero cis en uno trans (en este caso del ácido maleico a ácido fumárico) se observan principalmente cambios en las propiedades físicas, entre ellos la solubilidad en agua, donde el ácido maleico es soluble en agua, mientras que el ácido fumárico es soluble en agua solo cuando este es calentado. Esto nos indica diferentes interacciones intermoleculares que tienen cada uno con el agua. Siendo que el ácido maleico tiene más interacciones, y de aquí también se puede deducir que el ácido maleico es “mas” polar con relación al ácido fumárico. En base a estas deducciones de las diferencias de propiedades físicas de los isómeros. Se puede identificar en el proceso de laboratorio en que momento el ácido maleico se ha convertido en ácido fumárico. Al inicio se logra comprobar la solubilidad del ácido maleico en agua, ya que se usa una disolución al 40% de ácido maleico en agua. Después de la reacción acido-base entre el ácido clorhídrico y el ácido maleico y el calentamiento, se dejó enfriar, y se observó un precipitado, que fue el ácido fumárico, y aquí se comprobó la primera deducción que es la solubilidad en agua por parte del acido fumárico. Luego se tomaron pruebas de pH en una disolución de ácido maleico y ácido fumárico. Obteniendo resultados como se muestran en la tabla ubicada en la parte de resultados. Estos datos no concuerdan con los datos teóricos, ya que el ácido maleico se pensaba que era más acido que el ácido fumárico, se deduce que la disolución en la solución de bicarbonato de sodio de ambas sustancias no fue equitativa, ya que dos equipos diferentes realizaron las mediciones, y por consiguiente se utilizaron diferentes porcentajes de solución y de soluto para realizar la disolución. De aquí la discordancia entre los datos teóricos y los datos experimentales.
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2. Anota las características del producto crudo y el producto recristalizado incluyendo el punto de fusión de este último. Propiedad Formula Molecular Punto de fusión (Crudo) Punto de fusión (Recristalizado) Masa Molecular Densidad Apariencia Acidez Tiempo de efervescencia (NaHCO3) pH (antes de efervescencia) pH (después de efervescencia)
Ácido Maleico C4H4O4 136°C – 139 °C 116.07 g/mol 1.6 g/cm3 Blanco pKa1 = 1.9 -- pKa2 = 6.3 00:01:20 2 9
Ácido Fumárico C4H4O4 275 °C 285°C – 288°C 116.07 g/mol 1.6 g/cm3 Blanco pKa1 = 3.1 -- pKa2 = 4.4 00:00:12 4 7
CONCLUSIONES
Se cumplen los objetivos del experimento, se sabe ahora diferenciar en una estructura molecular la diferencia entre un isómero cis y un isómero trans, y por qué estos presentan características físicas y químicas muy distintas. También se aprendió a reconocer entre los distintos tipos de isómeros que hay, isómeros de grupo funcional, isómeros estructurales, isómeros geométricos, diasterómeros, enantiómeros y los distintos descriptores que hay para clasificarlos. También la diferencia que existe entre estos, ya que ninguno de estos presenta propiedades idénticas a excepción de los enantiómeros que tienen todas sus características físicas y químicas idénticas. También se aprendió a analizar estructuras y primera y segunda constante de disociación acida, que también debe de explicarnos la razón de las diferencias de estas constantes para estructuras similares o isómeros geométricos. Otro conocimiento experimental que se adquirido fue la identificación de cadenas insaturadas y grupos carboxilos. Muy importante en la investigación ya que la identificación de los grupos funcionales es base en la química orgánica. También fue muy importante conocer al ácido maleico y al ácido fumárico, ya que estos siendo isómeros geométricos tienen diferentes propiedades biológicas. Por ejemplo el ácido fumárico es un intermediario importante en las fases finales del metabolismo de los carbohidratos y se ha usado como sustituto del ácido tartárico en ciertos alimentos como bebidas y polvos para hornear mientras que su isómero geométrico el ácido maleico es una sustancia moderadamente toxica.
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BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA: 1. Skoog W., Hooler C.; “Fundamentos de química analítica”; Novena edición; Editorial Cengage Learning; 1300 pág.; 2013 2. McMurry J. “Química orgánica”; Octava edición; Editorial Cengage Learning; 1256 pág.; 2014. 3. Whitten D., Peck S. “Química”; Octava edición; Editorial Cengage Learning; 1345 pág.; 2011. 4. Ávila Sorrosa A., Trujillo Chávez G.; “Química Orgánica, Practicas de Laboratorio, Ingeniería Bioquímica”; Editorial ENCB; 124 pág.; 2015. 5. Hart, Schuetz; “Química Orgánica”; Primera Edición; Editorial Publicaciones Cultural S.A.; 419 pág.; 1980.
6. Lenz del Rio A.; “Química Orgánica Elemental”; Séptima Edición; Editorial Patria; 552 pág.; 1977 7. Josefa Rodríguez Y., Gómez Contreras F; “Curso experimental en Química Orgánica” Primera Edición; Editorial Síntesis; 309 pág. 1999.
8. Choppin G., Jaffe B.; “Química: Ciencia de la materia, la energía, y el cambio.” Primera Edición; Editorial Publicaciones Cultural; 721 Pág. 1967.
9. Hans K., Horst-Dieter F., Waldeck D.H.; “Principios de Fisicoquímica” Segunda Edición; Editorial Cengage Learning; 1030 pág.; 2013. 10. Potter M., Wiggert D., Ramadan B. “Mecánica de Fluidos” Cuarta Edición; Editorial Cengage Learning; 794 pág.; 2014. 11. “Diccionario esencial de Química” Primera Edición; Editorial Larousse; 370 pág. 2014. 12. “Diccionario esencial de Física” Primera Edición; Editorial Larousse; 338 pág. 2014.
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CUESTIONARIO 1) En la síntesis de ácido fumárico, indicar qué papel desempeña el ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico representa el papel de ácido, en la reacción acido-base necesaria para la interconversión de isómeros geométricos. Este es el ácido el cual hará que el grupo carbonilo se active y suceda una serie de procesos necesarios para el giro del doble enlace C=C. 2) Explicar cómo se puede justificar: a) La diferencia en los puntos de fusión de los isómeros estudiados. El punto de fusión del ácido maleico es de 139°C y el del ácido fumárico es de 287°C esta abismal diferencia entre los puntos de fusión es debida a la interacción intermolecular que tiene lugar en el hidrogeno a expensas de las interacciones moleculares. Es decir, el enlace por puente de hidrogeno interno del ácido maleico tendrá preferencia a formar fuerzas intramoleculares (puentes de hidrogeno sobre dos grupos funcionales dentro de la misma molécula) sobre las intermoleculares (interacciones dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London o dipolo inducido entre dos moléculas distintas). Lo que debilita las interacciones entre moléculas y reduce el punto de fusión.
b) La diferencia de solubilidad en agua La diferencia de solubilidad en el agua se comprueba realizando un análisis de ambas estructuras y se encuentras que los momentos dipolares en el ácido fumárico son cancelados, mientras que en el ácido maleico si se encuentra una pequeña suma vectorial que da como resultado un momento dipolar. Y por consiguiente mayor polaridad y mayor interacción con otra molécula polar, en este caso el agua, en la cual si es soluble.
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Ácido Maleico
Acido Fumárico
En la imagen se observa los momentos dipolares de cada átomo electronegativo, en este caso cuatro oxígenos. Se observa que en el Ácido Maleico haciendo una sumatoria de vectores por el método gráfico, se obtiene como resultante un momento dipolar con dirección entre los oxígenos más próximos (denotado por una flecha roja). En el caso del Ácido Fumárico, al realizar la misma operación se encuentra que cada vector tiene otro igual pero en dirección contraria, y por consiguiente este se cancela con su pareja, dando lugar a un momento dipolar muy bajo. Esto explica las interacciones con la molécula del agua. Siendo el agua una molécula muy polar, esta tendrá grandes interacciones con una molécula de su similitud, en este caso el ácido maleico. El ácido fumárico al no tener un momento dipolar sus interacciones con el agua son muy débiles, y esto explica que no se puede formar una disolución entre estos dos (o por lo menos no a condiciones normales de presión y temperatura). c) La diferencia de la primera y segunda constante de acidez. Las diferencias entre las constantes de acides (pKa1 y pKa2) se pueden deducir por medio de un análisis de las moléculas.
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Aquí en el ácido maleico se logra observar que en un medio básico, ocurre una desprotonación dando como producto, un oxigeno con carga negativa. Entre este oxigeno con carga negativa y el oxidrilo adyacente ocurre una interacción de puente de hidrogeno, formando un “enlace” débil, lo cual hace que si se quiere realizar una segunda desprotonación resulte más difícil, ya que la base debe de ser suficientemente fuerte como para romper esa interacción de puente de hidrogeno. En caso de que suceda dicha segunda desprotonación, se dará lugar a la tercer estructura donde aparecen ambos oxidrilos desprotonados, al estar relativamente cerca estos dos oxígenos con carga parcial negativa, se repelen, siendo esta una estructura inestable. Esto explica por qué la primer constante de disociación acida es más bajo (mas ácido pKa1 = 1.9) y la segunda constante de disociación es más alta (menos ácido pKa2 = 6.5) en el ácido maleico. Ahora analizando la serie de reacciones en solución básica para el ácido fumárico, se observa lo siguiente:
Se observa que en la primer desprotonación sucede relativamente fácil ya que la desprotonación sucede en un hidrogeno del grupo funcional acido carboxílico, lo que hace explica la baja constante de disociación acida (mas ácido pKa1 = 3), la segunda desprotonación también ocurre relativamente fácil debido a que se realiza (al igual que la primer desprotonación) en un hidrogeno perteneciente al grupo acido carboxílico (pKa2 = 4). En ambas desprotonaciónes se observa que la carga parcial negativa yace en un átomo muy electronegativo, mas aparte se pueden estabilizar por resonancia, esto le da especial estabilidad a la molécula, lo que genera una pequeña diferencia entre la primer y la segunda constante de disociación acida.
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d) Explicar a qué se debe que en el reflujo se observe formación y separación de cristales. En el reflujo se observa la “separación” o precipitación de cristales, debido a que ya se ha realizado el proceso de interconversión de isómeros, y se observa el precipitado (ácido fumárico) debido a que este no es soluble en el solvente. Como ya se explicó antes este tipo de isómeros geométricos especialmente estos que son diastereoisómero, presentan propiedades físicas diferentes. 3) Indicar porque de los isómeros cis y trans de esta práctica es la forma trans la que más predomina. Experimentalmente no se logra comprobar eso, pero se logra igual analizar con las estructuras se observa:
CIS
TRANS
En el ácido maleico existe una clase de tensión, esta tensión se conoce como tensión estérica y es causada debida a las interacciones repulsivas cuando los átomos se acercan mucho entre sí, en el caso del isómero cis, esta clase de tensión ocurre, lo que le da menos estabilidad a la molécula. En cambio en el isómero trans esta clase de tensión no existe, por consiguiente esta molécula tiene mayor estabilidad. Y por esta razón es que el isómero trans es predominante sobre el isómero cis.
4) Indicar que pruebas químicas se pueden llevar a cabo para evidenciar la presencia del grupo funcional carboxilo y la insatauración del ácido fumárico. Para reconocer la insatauración de compuestos orgánicos se puede realizar una reacción de adición de halógenos en este caso el bromo. La adición de bromo se usa frecuentemente como prueba cualitativa para instauraciones en compuestos orgánicos. La solución de bromo en tetracloruro de carbono es de un color rojo oscuro-pardo, mientras que los compuestos insaturados y sus derivados cromados son incoloros. A medida que la solución de bromo se añade al compuesto insaturado su color desaparece; mientras que si el compuesto fuese saturado y no reaccionara con bromo, el color persistiría.
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Para reconocer la presencia de grupo carboxilo (perteneciente a aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos), hay una serie de pruebas cualitativas; Usando el reactivo de Brady (2,4dinitrofenilhidrazina), al hacer reacción el reactivo de Brady con el grupo carboxilo, se presentara un precipitado color rojo o amarillo. Con el reactivo de Tollens (diamina-plata(I)) se puede identificar el grupo acetona o el grupo aldehído. Si el reactivo es un aldehído, el test de Tollens resulta en un espejo de plata. En otro cado, puede formarse o no un espejo amarillento.
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Practica 6: “Síntesis de Acido Fumárico.” Fecha de realización Grupo: Jueves 21 de Mayo del 2015 Sección y número de equipo: 2IM2 – Equipo Núm. 20 Nombres de los integrantes del equipo: Olvera Flores Ivan de Jesus Osorio Quiroz Noemí Karina
OBJETIVOS: 1.- Convertir un isómero cis en un isómero trans. 2.-Diferenciar los isómeros geométricos del ácido 2-butenodioico. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Observaciones: En la experiencia se observó que el anhídrido maleico al adicionarle agua, se hidrolizó fácilmente, dando lugar al ácido maleico, que también tiene la configuración cis (z) y es bastante soluble en agua y de bajo punto de fusión. Por acción del HCl, dicho ácido se puede isomerizar, ya que él ácido clorhídrico será un catalizador para nuestra reacción, en esta mezcla se observa desprendimiento de calor. Se entiende que la isomerización ocurre a través de la adición del cloruro de hidrógeno al sistema conjugado, formando un intermediario transitorio carente de doble enlace que explica la rotación de los enlaces de carbono, formándose la estructura trans (e), más estable, con eliminación del ácido clorhídrico. Después de adicionarle el HCl, se puso a calentar de 5 a 10 minutos en el cual se observó que empezó a ebullir rápidamente , y que la mezcla era totalmente homogénea e incolora al momento de enfriar se observa que la mezcla se precipito de color blanco. Se realizó la cristalización con los respectivos pasos y de nuevo se volvió a recristalizar el cual fue un poco tardado. Se observaron los primeros cristales de ácido fumárico también conocido como ácido trans-butenodioico, compuesto cristalino incoloro que es soluble en agua caliente.
Resultados:
Reactivo Ácido Maleico
Formula molecular
Propiedades: Peso Molecular Solubilidad 116,072 g/mol
Soluble en agua
Punto de ebullición 135°C
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Ácido Fumárico
116,07 g/mol
Ácido Clorhídrico
HCl
Bicarbonato de sodio
NaHCO3
36.46094 g/mol
84,007 g/mol
Soluble en agua
----------------------------
Soluble en alcohol benceno y éter, insoluble en hidrocarburos. Soluble en agua
84. 8 ºC
851°C
Tabla de pH: Ácido Maleico pH=4
Bicarbonato de sodio Ácido Fumárico & Ácido Maleico pH=6 pH=2
Bicarbonato de sodio & Ácido Fumárico pH=4
Rendimiento teórico:
ÁCIDO MALEICO 1.6 gramos
ÁCIDO FUMÁRICO 1.1 gramos
%Rendimiento 68.75%
(Volumen)--------(100% de conc.) X gramos--------- al 1-100% 4mL-------------100% concentración Xgramos-------40% concentración = 1.6 gramos de ácido maleico
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1.1 gramos de ácido Fumárico % de rendimiento =
×
100
1.6 gramos de ácido Maleico Discusión de resultados: Se inicia el verdadero proceso con la combinación de ácido clorhídrico y la solución al 40% de ácido maleico en agua, se observa el desprendimiento de calor, y catalogamos a esta como a una reacción isotérmica pues el matraz de reacción se calentó. Utilizamos cuatro mililitros de cada componente ya que dos eran muy poco. Aquí en este momento se empieza la reacción acido-base que más adelante nos permitirá la rotación restringida en el doble enlace de los carbonos C 2=C3 Después de esto se volvió a calentar, se calentó para que las interacciones entre moléculas sean mucho mayor. Y el tiempo que haya que esperar sea menor. En realidad la espera fue muy poca, seguramente fue debido a que se calentó a fuego directo, la espera o el tiempo que se dejó calentando a reflujo fueron diez minutos aproximadamente. Antes de apagar el mechero ya se observaba un precipitado entre las paredes del matraz, se dejó enfriar y la formación de cristales fue mayor. La recristalización fue sencilla, aunque tardo bastante en disolverse en el agua, por esa razón la profesora nos dio la indicación de adicionar una gota de ácido clorhídrico, que ayudaría a disolver. La determinación del punto de fusión fue lo esperado, dando como un menor punto de fusión el ácido fumárico sin recristalizar. El ácido fumárico recristalizado presento un intervalo más cercano al punto de fusión teórico. El rendimiento teórico es relativamente sencillo pues se sabe que ambas estructuras son de igual densidad y de igual masa atómica. Por consiguiente se debe conseguir la misma cantidad de ácido fumárico (6.4g). Nuestro rendimiento fue un poco bajo, pues tuvo que haber perdidas atraves del proceso, en el trasvase de matraces, en el proceso de filtrado y en el proceso de recristalización más aparte la inexactitud de la solución al 40%, por esta razón el rendimiento fue un poco menor.
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Mecanismo de reacción:
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Anexos Cuestionario Experimental 1. Escribe tus observaciones del proceso de interconversión de isómeros. En el proceso que se lleva a cabo para la conversión de un isómero cis en uno trans (en este caso del ácido maleico a ácido fumárico) se observan principalmente cambios en las propiedades físicas, entre ellos la solubilidad en agua, donde el ácido maleico es soluble en agua, mientras que el ácido fumárico es soluble en agua solo cuando este es calentado. Esto nos indica diferentes interacciones intermoleculares que tienen cada uno con el agua. Siendo que el ácido maleico tiene más interacciones, y de aquí también se puede deducir que el ácido maleico es “mas” polar con relación al ácido fumárico. En base a estas deducciones de las diferencias de propiedades físicas de los isómeros. Se puede identificar en el proceso de laboratorio en que momento el ácido maleico se ha convertido en ácido fumárico. Al inicio se logra comprobar la solubilidad del ácido maleico en agua, ya que se usa una disolución al 40% de ácido maleico en agua. Después de la reacción acido-base entre el ácido clorhídrico y el ácido maleico y el calentamiento, se dejó enfriar, y se observó un precipitado, que fue el ácido fumárico, y aquí se comprobó la primera deducción que es la solubilidad en agua por parte del acido fumárico. Luego se tomaron pruebas de pH en una disolución de ácido maleico y ácido fumárico. Obteniendo resultados como se muestran en la tabla ubicada en la parte de resultados. Estos datos no concuerdan con los datos teóricos, ya que el ácido maleico se pensaba que era más acido que el ácido fumárico, se deduce que la disolución en la solución de bicarbonato de sodio de ambas sustancias no fue equitativa, ya que dos equipos diferentes realizaron las mediciones, y por consiguiente se utilizaron diferentes porcentajes de solución y de soluto para realizar la disolución. De aquí la discordancia entre los datos teóricos y los datos experimentales.
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2. Anota las características del producto crudo y el producto recristalizado incluyendo el punto de fusión de este último. Propiedad Formula Molecular Punto de fusión (Crudo) Punto de fusión (Recristalizado) Masa Molecular Densidad Apariencia Acidez Tiempo de efervescencia (NaHCO3) pH (antes de efervescencia) pH (después de efervescencia)
Ácido Maleico C4H4O4 136°C – 139 °C 116.07 g/mol 1.6 g/cm3 Blanco pKa1 = 1.9 -- pKa2 = 6.3 00:01:20 2 9
Ácido Fumárico C4H4O4 275 °C 285°C – 288°C 116.07 g/mol 1.6 g/cm3 Blanco pKa1 = 3.1 -- pKa2 = 4.4 00:00:12 4 7
CONCLUSIONES
Se cumplen los objetivos del experimento, se sabe ahora diferenciar en una estructura molecular la diferencia entre un isómero cis y un isómero trans, y por qué estos presentan características físicas y químicas muy distintas. También se aprendió a reconocer entre los distintos tipos de isómeros que hay, isómeros de grupo funcional, isómeros estructurales, isómeros geométricos, diasterómeros, enantiómeros y los distintos descriptores que hay para clasificarlos. También la diferencia que existe entre estos, ya que ninguno de estos presenta propiedades idénticas a excepción de los enantiómeros que tienen todas sus características físicas y químicas idénticas. También se aprendió a analizar estructuras y primera y segunda constante de disociación acida, que también debe de explicarnos la razón de las diferencias de estas constantes para estructuras similares o isómeros geométricos. Otro conocimiento experimental que se adquirido fue la identificación de cadenas insaturadas y grupos carboxilos. Muy importante en la investigación ya que la identificación de los grupos funcionales es base en la química orgánica. También fue muy importante conocer al ácido maleico y al ácido fumárico, ya que estos siendo isómeros geométricos tienen diferentes propiedades biológicas. Por ejemplo el ácido fumárico es un intermediario importante en las fases finales del metabolismo de los carbohidratos y se ha usado como sustituto del ácido tartárico en ciertos alimentos como bebidas y polvos para hornear mientras que su isómero geométrico el ácido maleico es una sustancia moderadamente toxica.
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BIBLIOGRAFÍA DE CONSULTA: 1. Skoog W., Hooler C.; “Fundamentos de química analítica”; Novena edición; Editorial Cengage Learning; 1300 pág.; 2013 2. McMurry J. “Química orgánica”; Octava edición; Editorial Cengage Learning; 1256 pág.; 2014. 3. Whitten D., Peck S. “Química”; Octava edición; Editorial Cengage Learning; 1345 pág.; 2011. 4. Ávila Sorrosa A., Trujillo Chávez G.; “Química Orgánica, Practicas de Laboratorio, Ingeniería Bioquímica”; Editorial ENCB; 124 pág.; 2015. 5. Hart, Schuetz; “Química Orgánica”; Primera Edición; Editorial Publicaciones Cultural S.A.; 419 pág.; 1980.
6. Lenz del Rio A.; “Química Orgánica Elemental”; Séptima Edición; Editorial Patria; 552 pág.; 1977 7. Josefa Rodríguez Y., Gómez Contreras F; “Curso experimental en Química Orgánica” Primera Edición; Editorial Síntesis; 309 pág. 1999.
8. Choppin G., Jaffe B.; “Química: Ciencia de la materia, la energía, y el cambio.” Primera Edición; Editorial Publicaciones Cultural; 721 Pág. 1967.
9. Hans K., Horst-Dieter F., Waldeck D.H.; “Principios de Fisicoquímica” Segunda Edición; Editorial Cengage Learning; 1030 pág.; 2013. 10. Potter M., Wiggert D., Ramadan B. “Mecánica de Fluidos” Cuarta Edición; Editorial Cengage Learning; 794 pág.; 2014. 11. “Diccionario esencial de Química” Primera Edición; Editorial Larousse; 370 pág. 2014. 12. “Diccionario esencial de Física” Primera Edición; Editorial Larousse; 338 pág. 2014.
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CUESTIONARIO 1) En la síntesis de ácido fumárico, indicar qué papel desempeña el ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico representa el papel de ácido, en la reacción acido-base necesaria para la interconversión de isómeros geométricos. Este es el ácido el cual hará que el grupo carbonilo se active y suceda una serie de procesos necesarios para el giro del doble enlace C=C. 2) Explicar cómo se puede justificar: a) La diferencia en los puntos de fusión de los isómeros estudiados. El punto de fusión del ácido maleico es de 139°C y el del ácido fumárico es de 287°C esta abismal diferencia entre los puntos de fusión es debida a la interacción intermolecular que tiene lugar en el hidrogeno a expensas de las interacciones moleculares. Es decir, el enlace por puente de hidrogeno interno del ácido maleico tendrá preferencia a formar fuerzas intramoleculares (puentes de hidrogeno sobre dos grupos funcionales dentro de la misma molécula) sobre las intermoleculares (interacciones dipolo-dipolo, fuerzas de dispersión de London o dipolo inducido entre dos moléculas distintas). Lo que debilita las interacciones entre moléculas y reduce el punto de fusión.
b) La diferencia de solubilidad en agua La diferencia de solubilidad en el agua se comprueba realizando un análisis de ambas estructuras y se encuentras que los momentos dipolares en el ácido fumárico son cancelados, mientras que en el ácido maleico si se encuentra una pequeña suma vectorial que da como resultado un momento dipolar. Y por consiguiente mayor polaridad y mayor interacción con otra molécula polar, en este caso el agua, en la cual si es soluble.
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Ácido Maleico
Acido Fumárico
En la imagen se observa los momentos dipolares de cada átomo electronegativo, en este caso cuatro oxígenos. Se observa que en el Ácido Maleico haciendo una sumatoria de vectores por el método gráfico, se obtiene como resultante un momento dipolar con dirección entre los oxígenos más próximos (denotado por una flecha roja). En el caso del Ácido Fumárico, al realizar la misma operación se encuentra que cada vector tiene otro igual pero en dirección contraria, y por consiguiente este se cancela con su pareja, dando lugar a un momento dipolar muy bajo. Esto explica las interacciones con la molécula del agua. Siendo el agua una molécula muy polar, esta tendrá grandes interacciones con una molécula de su similitud, en este caso el ácido maleico. El ácido fumárico al no tener un momento dipolar sus interacciones con el agua son muy débiles, y esto explica que no se puede formar una disolución entre estos dos (o por lo menos no a condiciones normales de presión y temperatura). c) La diferencia de la primera y segunda constante de acidez. Las diferencias entre las constantes de acides (pKa1 y pKa2) se pueden deducir por medio de un análisis de las moléculas.
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Aquí en el ácido maleico se logra observar que en un medio básico, ocurre una desprotonación dando como producto, un oxigeno con carga negativa. Entre este oxigeno con carga negativa y el oxidrilo adyacente ocurre una interacción de puente de hidrogeno, formando un “enlace” débil, lo cual hace que si se quiere realizar una segunda desprotonación resulte más difícil, ya que la base debe de ser suficientemente fuerte como para romper esa interacción de puente de hidrogeno. En caso de que suceda dicha segunda desprotonación, se dará lugar a la tercer estructura donde aparecen ambos oxidrilos desprotonados, al estar relativamente cerca estos dos oxígenos con carga parcial negativa, se repelen, siendo esta una estructura inestable. Esto explica por qué la primer constante de disociación acida es más bajo (mas ácido pKa1 = 1.9) y la segunda constante de disociación es más alta (menos ácido pKa2 = 6.5) en el ácido maleico. Ahora analizando la serie de reacciones en solución básica para el ácido fumárico, se observa lo siguiente:
Se observa que en la primer desprotonación sucede relativamente fácil ya que la desprotonación sucede en un hidrogeno del grupo funcional acido carboxílico, lo que hace explica la baja constante de disociación acida (mas ácido pKa1 = 3), la segunda desprotonación también ocurre relativamente fácil debido a que se realiza (al igual que la primer desprotonación) en un hidrogeno perteneciente al grupo acido carboxílico (pKa2 = 4). En ambas desprotonaciónes se observa que la carga parcial negativa yace en un átomo muy electronegativo, mas aparte se pueden estabilizar por resonancia, esto le da especial estabilidad a la molécula, lo que genera una pequeña diferencia entre la primer y la segunda constante de disociación acida.
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d) Explicar a qué se debe que en el reflujo se observe formación y separación de cristales. En el reflujo se observa la “separación” o precipitación de cristales, debido a que ya se ha realizado el proceso de interconversión de isómeros, y se observa el precipitado (ácido fumárico) debido a que este no es soluble en el solvente. Como ya se explicó antes este tipo de isómeros geométricos especialmente estos que son diastereoisómero, presentan propiedades físicas diferentes. 3) Indicar porque de los isómeros cis y trans de esta práctica es la forma trans la que más predomina. Experimentalmente no se logra comprobar eso, pero se logra igual analizar con las estructuras se observa:
CIS
TRANS
En el ácido maleico existe una clase de tensión, esta tensión se conoce como tensión estérica y es causada debida a las interacciones repulsivas cuando los átomos se acercan mucho entre sí, en el caso del isómero cis, esta clase de tensión ocurre, lo que le da menos estabilidad a la molécula. En cambio en el isómero trans esta clase de tensión no existe, por consiguiente esta molécula tiene mayor estabilidad. Y por esta razón es que el isómero trans es predominante sobre el isómero cis.
4) Indicar que pruebas químicas se pueden llevar a cabo para evidenciar la presencia del grupo funcional carboxilo y la insatauración del ácido fumárico. Para reconocer la insatauración de compuestos orgánicos se puede realizar una reacción de adición de halógenos en este caso el bromo. La adición de bromo se usa frecuentemente como prueba cualitativa para instauraciones en compuestos orgánicos. La solución de bromo en tetracloruro de carbono es de un color rojo oscuro-pardo, mientras que los compuestos insaturados y sus derivados cromados son incoloros. A medida que la solución de bromo se añade al compuesto insaturado su color desaparece; mientras que si el compuesto fuese saturado y no reaccionara con bromo, el color persistiría.
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Para reconocer la presencia de grupo carboxilo (perteneciente a aldehídos, cetonas y ácidos carboxílicos), hay una serie de pruebas cualitativas; Usando el reactivo de Brady (2,4dinitrofenilhidrazina), al hacer reacción el reactivo de Brady con el grupo carboxilo, se presentara un precipitado color rojo o amarillo. Con el reactivo de Tollens (diamina-plata(I)) se puede identificar el grupo acetona o el grupo aldehído. Si el reactivo es un aldehído, el test de Tollens resulta en un espejo de plata. En otro cado, puede formarse o no un espejo amarillento.
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