miércoles, 3 de abril de 2013

Preparación de Acetato de Etilo



1.- INTRODUCCIÓN

En esta práctica vamos a llevar a cabo una esterificación empleando el método de Fischer. Utilizando como reactivos ácido acético y alcohol etílico, vamos a obtener acetato de etilo, empleando como catalizador ácido sulfúrico.
Para conseguir nuestro objetivo, deberemos emplear técnicas de reflujo y recordar cómo se realizaba una destilación.

2.- MATERIALES

Durante la realización de la práctica se han empleado los siguientes materiales:
·        Matraz
·        Pipetas
·        Embudo de decantación
·        Plato poroso
·        Filtro de pliegues
·        Columna de destilación
·        Adaptadores
·        Columnas de sujeción
·        Manta eléctrica
·        Termómetro

Los productos que usamos a lo largo de la práctica fueron:
·        Ácido Acético (CH3-COOH)
·        Ácido Sulfúrico (H2SO4)
·        Alcohol Etílico (CH3-CH2OH)
·        Sulfato Magnésico Anhidro (MgSO4)
·        Carbonato de Sodio (Na2CO3)

3.- FUNDAMENTO TEÓRICO

La esterificación de Fishcer es un proceso de formación de ésteres empleando un ácido orgánico y un alcohol, para lo cual se necesita un catalizador ácido. Mientras que para la reacción vale cualquier ácido carboxílico, los alcoholes deben ser primarios o secundarios, es decir, no podemos emplear alcoholes terciarios ni fenoles, ya que dan un rendimiento muy bajo. Como reacción general empleamos la expresión:


Que en nuestro caso concreto se escribe como:


Este procedimiento presenta la desventaja de que el equilibrio químico suele ser desfavorable, lo cual se suele solucionar añadiendo en exceso uno de los reactivos, normalmente el más económico, o también eliminando agua. Nosotros añadiremos alcohol etílico en exceso y también añadiremos Sulfato Magnésico Anhidro para eliminar agua.
El mecanismo de la reacción es el siguiente:
Uno de los protones (H+) del ácido pasa al oxígeno del ácido carboxílico, después es atacado por un oxígeno del alcohol. Un protón sale del catión hidroxonio a otra molécula de alcohol, con lo que se forma un complejo activado. Se protoniza un grupo hidroxilo y se forma un nuevo ion oxonio, que pierde una molécula de agua y se forma el éster.

El ácido acético es un ácido orgánico presente en el vinagre. En disolución acuosa se ioniza (pKa=4.8), lo cual le convierte en un ácido débil.
El etanol es un alcohol orgánico incoloro e inflamable. Está presente en todas las bebidas alcohólicas y cabe destacar que forma una mezcla azeotrópica con el agua cuando su concentración es del 95%.
Entre sus propiedades destaca ser un buen disolvente, desinfectante y anticongelante.
El etanoato de etilo es un líquido incoloro miscible en hidrocarburos, cetonas, alcoholes y éteres, pero no en agua.
Además del método de esterificación de Fischer, podemos obtenerlo añadiendo al etanol el cloruro del ácido etanoico. También podemos hacer reaccionar etanoato de plata con yoduro de etilo.

4.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

El objetivo de esta práctica es la síntesis de acetato de etilo basándonos en la siguiente reacción:

Para lo cual vamos a tomar un matraz de fondo redondo de 100 mL donde vamos a introducir 15 mL de ácido acético, lo que equivale a 0,25 moles, y 20ml de etanol del 96%. Agitando el matraz se añaden 2,5 mL de ácido sulfúrico y se coloca un refrigerante de reflujo, calentado durante 40 minutos.
Pasado este tiempo, pasamos a la parte de destilación, enfriando previamente el matraz para evitar pérdidas. En el matraz se echa un trozo de plato poroso y se destila el acetato de etilo calentándolo en una manta eléctrica.


Tras esto, se pasa a un embudo de decantación con 10 mL de carbonato sódico. Agitamos para conseguir la separación de las fases abriendo la llave del embudo para dejar salir al dióxido de carbono. Una vez que se han separado las dos fases, despreciamos la fase acuosa y dejamos secar el producto durante 15 minutos sobre sulfato magnético anhidro.
Una vez que hemos eliminado toda el agua, se filtra el líquido a través de un filtro de pliegues para separar el sulfato magnésico. Se destila obteniéndose una única fracción de destilado.
Por último, se pesa el producto obtenido para calcular el rendimiento a partir de la cantidad de ácido acético inicial que hemos tomado.

5.- RESULTADOS EXPERIMENTALES

Los datos obtenidos en esta práctica han sido los siguientes:
§  Primera destilación
-  T primera gota: 63°C
-  T a la que lo hemos quitado: 80°C
§  Segunda destilación
-  T primera gota: 62°C
-  T a la que lo hemos quitado: 75°C
En la última parte de la práctica, para calcular el rendimiento, tenemos que saber la masa de producto obtenido, pero antes vamos a calcular el reactivo limitante para saber con qué reactivo realizamos la estequiometría.

Según la reacción:
Partimos de 0,25 moles de ácido y de 20ml del alcohol, del cual conocemos también la densidad. Con estos datos, calculamos los moles de alcohol y vemos que éste es el reactivo que está en exceso, ya que los moles obtenidos son 0,34.
Tomamos la masa del vaso de precipitados en vacío donde luego vamos a colocar el tubo de destilación para, por diferencia, y junto con la masa molecular del producto obtenido, poder calcular la masa obtenida.
m0= 141,016 gramos.
m1=161,943 gramos.
Mm acetato de etilo= 88 gramos/mol
Moles obtenidos= (m1-m0)/Mm= 0,237 gramos




6.- CUESTIONES

1.- La constante de equilibrio de la reacción de formación de acetato de etilo es 3.77 a 25°C. Calcúlese el % de éster en equilibrio con los reactivos en las proporciones molares utilizadas en esta experiencia.


2.- Formúlese el mecanismo detallado de la reacción de esterificación de Fischer.

Se denomina esterificación al proceso por el cual se sintetiza un éster. Un éster es un compuesto derivado formalmente de la reacción química entre un ácido carboxílico y un alcohol.
Comúnmente cuando se habla de ésteres se hace alusión a los ésteres de ácidos carboxílicos, substancias cuya estructura es R-COOR', donde R y R' son grupos alquilo. Sin embargo, se pueden formar en principio ésteres de prácticamente todos los oxácidos inorgánicos. Por ejemplo los ésteres carbónicos derivan del ácido carbónico y los ésteres fosfóricos, de gran importancia en Bioquímica, derivan del ácido fosfórico.
Los ácidos carboxílicos se convierten directamente en ésteres mediante la esterificación de Fischer, al reaccionar con un alcohol en presencia, por lo general de ácido sulfúrico concentrado o cloruro de hidrógeno seco. Esta reacción es reversible y alcanza el equilibrio cuando aun quedan cantidades apreciables de reactivo.

3.- Calcular el rendimiento de acetato de etilo que se obtiene.

Esta pregunta ya ha sido respondida en el apartado de Resultados Experimentales.

4.- ¿Por qué es importante recoger en la destilación sólo la fracción que se destila enre 75-78°C?

Es importante recoger sólo la fracción que destila entre 75 y 78 °C porque el acetato de etilo puro hierve a 77 °C. Pero forma un azeótropo de punto de ebullición mínimo con agua y también con etanol. Por lo que al recoger la fracción entre ese intervalo de temperaturas, conseguimos una fracción con un alto porcentaje de acetato de etilo.
La composición expresada en % en peso, de estos los azeótropos que forma y sus puntos de ebullición son los siguientes:
93,9 % de acetato de etilo, 6,1 % de agua; p.e. 70,4 °C
69,1 % de acetato de etilo, 30,9 % de etanol; p.e. 71,8 °C
83,3 % de acetato de etilo, 8,9 % de etanol, 7,8 % de agua; p.e. 70,3 °C

5.- ¿Qué otros métodos  de esterificación  pueden utilizarse? ¿Qué ventajas e inconvenientes presentan?

Se pueden emplear derivados del ácido con activos. Un ejemplo de este proceso es la formación del ácido acetilsalicílico, componente fundamental de las aspirinas, que se obtiene a partir del anhidruro del ácido acético y del ácido salicílico. En este proceso no se libera agua, sino ácido acético, presentando la ventaja de que es más fácil de separar que si fuera H2O.
También se puede emplear el cloruro del ácido (R-COCl) y el alcohol, empleando además piridina. Ahora obtenemos ácido clorhídrico que reacciona con la piridina (C5H5N) para formar hidrocloruro de piridina. No requiere el uso de temperaturas altas (tiene lugar a temperatura ambiente) y no hace falta emplear ácidos o bases fuertes.
Por último, se pueden llevar a cabo procesos de transesterificación, en los que un éster con un alcohol forman un alcohol unido en forma de éster, para lo cual debemos emplear un catalizador como el GeCl4.

6.- El espectro infrarrojo del acetato de etilo, ¿qué bandas de absorción características presenta?

El espectro infrarrojo del acetato de etilo presenta tres bandas de absorción características, como son la del doble enlace: C=O; el enlace sencillo: C-O; y el éster: C-O-C.
El doble enlace se encuentra en la banda de 1750 cm-1, el enlace sencillo en la de 1000-1300 cm-1 y el éster en la banda de 1250 cm-1.

7.- ¿Cómo sería su espectro RMN? Represente de forma aproximada los desplazamientos químicos, áreas relativas y multiplicidad de cada uno de los picos.


El espectro RMN del acetato de etilo tiene un triplete de tres protones (CH3COOCH2CH3 ) situado a 1.2 ppm; un singlete de tres protones (CH3COOCH2CH3)  a 1.9 ppm; y un cuarteto de dos protones (CH3COOCH2CH3)  situado 4.1 ppm.


8.- ¿A qué velocidades relativas es de esperar que transcurran las siguientes reacciones de esterificación?

a)      CH3-COOH + n-C4H9OH
b)     C2H5-CH(CH3)-COOH + n-C4H9OH
c)      C2H5-CH(CH3)-COOH + sec-C4H9OH
d)     C2H5-CH(CH3)-COOH + terc-C4H9OH
e)     (CH3)3C-COOH + terc-C4H9OH

En la velocidad de formación de ésteres influye la estructura ramificada de las moléculas así como que los ácidos sean del mismo tipo molecular
Cuanto más ramificado sea y mayor peso molecular tenga el compuesto, la velocidad de la reacción será menor.
Según esto, las velocidades relativas, atendiendo al peso molecular y a las ramificaciones que presentan, responden a este orden:
E<D<C<B<A

7.- BIBLIOGRAFíA

http://www.quimica.es/enciclopedia/es/Esterificación/
http://es.wikipedia.org/wiki/Esterificación
http://es.wikipedia.org/wiki/Esterificación_de_Fischer-Speier


2 comentarios:

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  2. La actividad de las sustancias puras en estado liquido o solido es unitaria por ende no deben incluirse numericamente en la constante de equilibrio.

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