Experimento 1. Purificação e Caracterização de Substâncias Orgânicas Processos Extrativos: A. Separação dos componentes de uma mistura por extração líquido-líquido B. Experimentos demonstrativos: Extrações continuas. OBJETIVOS Examinar o comportamento de algumas substâncias orgânicas em termos solubilidade frente a solventes orgânicos, água e soluções aquosas ácidas e básicas. Demonstrar a importância da solubilidade no fracionamento químico de uma mistura LEITURA RECOMENDADA Forças intermoleculares; solubilidade; acidez e basicidade em química orgânica. EXTRAÇÃO INTRODUÇÃO A extração é um dos processos de separação mais antigo e mais utilizado pelos químicos orgânicos. Virtualmente, todas as reações orgânicas exigem a extração ou purificação de seus produtos em algum estágio. Na prática, a extração é empregada para separar uma substância orgânica da sua solução (ou suspensão) em um meio líquido, geralmente água, ou sólido (lixiviação). O processo mais frequente é o de extração simples (líquido-líquido), consistindo em agitar a solução ou suspensão da substância desejada com um solvente imiscível em um funil de separação (Figura 2). Os vários solutos presentes, se distribuem, então, entre as camadas (geralmente aquosa e orgânica) de acordo com suas solubilidades relativas. Figura 2: (a) Maneira correta de segurar um funil de separação quando agitado; (b) Separação das camadas usando o funil de separação. Durante o processo de extração simples pode ocorrer a formação de emulsões, isto é gotas de uma fase permanecem em suspensão na outra fase. Para quebrar a emulsão em alguns casos, basta deixar a mistura em repouso por alguns minutos. Em outros, a emulsão persiste por horas ou dias. Neste caso, o processo pode ser acelerado por adição de agentes antiemulsificantes ou tensioativos. Uma das causas da formação de emulsões está relacionada com diferenças muito pequenas de densidade entre as duas fases. A adição de uma substância capaz de aumentar a diferença de densidade contribui para quebrar a emulsão. Pentano é normalmente usado para 2 diminuir e tetracloreto para aumentar a densidade de soluções orgânicas. A adição de cloreto de sódio aumenta a densidade da fase aquosa, enquanto a adição de solventes orgânicos miscíveis com água, como etanol, tende a diminuir a densidade. Emulsões podem ocorrer também em extrações envolvendo soluções básicas. Isto ocorre porque o sal orgânico formado tem muitas vezes características emulsificantes. A adição de algumas gotas de ácido acético pode eventualmente resolver o problema. A formação de emulsão pode ser evitada agitando a mistura com cuidado, no funil, durante um tempo maior. No processo de separação por extração simples deve-se levar em conta as seguintes observações: ♦ a torneira do funil deve ser lubrificada com algumas gotas de água e o funil testado com o solvente que se pretende usar para verificação de vazamento; funis com torneira deTeflon prescindem dessa precaução. ♦ quando o funil for agitado, a tampa e a torneira devem ser seguradas com firmeza e a pressão interna abrandada frequentemente, invertendo-se o funil e abrindo-se a torneira lentamente, evitando o direcionamento da abertura para si ou para o seu vizinho. ♦ se houver tendência à formação de emulsão entre os líquidos imiscíveis agite o funil de separação em movimentos suaves e circulares; se a emulsão persistir adicione cloreto de sódio (ou, se necessário, ácido clorídrico) à mistura e repita a operação anterior. ♦ existem situações onde podem surgir dúvidas a respeito de qual é a camada orgânica, neste caso, adicione mais um pouco de um dos líquidos e verifique qual a camada que aumenta de volume. ♦ para remover a camada inferior, remova a tampa e abra a torneira cuidadosamente, pressionandoa horizontalmente, se for de vidro. ♦ terminada a extração, lave todo o sistema e, se for o caso, guarde-o desmontado para evitar a aderência da torneira ou da tampa, fato comum quando soluções básicas são usadas. Assim, a separação de uma mistura por extração fundamenta-se, essencialmente, na diferença de solubilidade dos seus componentes entre dois solventes. Para que a separação dos componentes de uma mistura seja eficiente, é necessário que haja uma grande diferença nos valores dos parâmetros de solubilidade dos líquidos imiscíveis e que o soluto seja mais solúvel em um destes solventes. O parâmetro de solubilidade (δ) é uma medida quantitativa muito útil que reflete a δ intensidade das forças intermoleculares e é definido por: δ = (∆E/V) 1/2 onde, ∆E é a energia necessária para romper as forças intermoleculares do líquido e V é o volume do líquido. Portanto, δ é a raiz quadrada da energia requerida para vencer as forças intermoleculares do líquido por unidade de volume. Na Tabela 1, estão enumerados vários solventes com os respectivos parâmetros de solubilidade. Para que dois líquidos possam ser usados na extração é necessário que eles sejam imiscíveis, e isto ocorre quando a diferença dos parâmetros de solubilidade é grande (por exemplo, água e éter etílico formam um par apropriado de solventes para a extração). Tabela 1. Parâmetros de solubilidade de alguns solventes comuns. Solvente Éter etílico Ligroína (éter de petróleo) Cicloexeno Tetracloreto de carbono Benzeno Clorofórmio Água δ (cal/mL)1/2 7,4 7,5 8,2 8,6 9,2 9,3 23,4 Se tivermos um sistema de dois líquidos imiscíveis A e B, e adicionarmos uma terceira substância (soluto), a substância se distribuirá diferentemente nas duas camadas num processo denominado partição. A razão entre as concentrações do soluto nos dois solventes é uma constante K, denominada de coeficiente de partição, que é dependente apenas da temperatura: K = CA/CB onde K é a constante de partição ou coeficiente de partição, CA é a concentração molar do soluto no solvente A e, CB é a concentração molar do soluto no solvente B. 3 Uma boa aproximação da concentração do soluto em cada solvente pode ser feita com base em termos de solubilidade do soluto em um solvente puro. Os valores de solubilidade podem ser encontrados em tabelas de solubilidade. Solubilidade do soluto no solvente A (g/ 100 mL) K = __________________________________________________ Solubilidade do soluto no solvente B (g/ 100 mL) Considere um soluto S, o qual se dissolve em éter (solvente A) na proporção de 12 g/100 mL e dissolve em água (solvente B) na proporção de 6 g/100 mL. Então, o coeficiente de partição (k) será dado por: 12 g/ 100 mL de éter K = _______________________ = 2 6 g/ 100 mL de água Se uma solução de 6 g de S em 100 mL de água é agitada com 100 mL de éter, teremos: (x) g de S/ 100 mL de éter K = ________________________ = 2 (6 - x) g/ 100 mL de água Daqui podemos tirar a quantidade em gramas do soluto extraído pelo éter (4 g) e a quantidade do soluto remanescente na água (2 g). Se ao invés de fizer a extração com uma única porção de 100 mL de éter, realizarmos a extração com duas porções de 50 mL de éter, teremos na primeira extração: (x1) g de S/ 50 mL de éter K = _________________________ = 2 (6 - x1) g/ 100 mL de água Então, na segunda extração teremos: (x2) g de S/ 50 mL de éter K = ___________________________ = 2 (3 - x2) g/ 100 mL de água Portanto, a extração da solução inicial com duas porções de 50 mL éter irá extrair um total de 4,5 g do soluto S (x1 + x2). Três extrações com 33,33 mL de éter extrairia 4,7 g de soluto (S), e assim sucessivamente. Então é importante guardar que o uso de pequenas quantidades de solvente, repetidas vezes, é mais eficiente no processo de extração do que uma quantidade equivalente de solvente usada de uma só vez. Quando a constante K é muito pequena, não se recomenda a extração simples por causa do gasto excessivo de solvente. Prefere-se, neste caso, o método de extração contínua, que utiliza um volume bem menor de solvente. Uma aparelhagem comum para extração contínua de sólidos com uso de solventes de baixo ponto de ebulição é chamado extrator Soxhlet (Figura 3). Daqui podemos tirar a quantidade em gramas do soluto extraído pelo éter (3 g) e a quantidade do soluto remanescente na água (3 g). 4 Figura 3. Extrator Soxhlet O sólido é colocado em um cartucho apropriado de celulose na câmara do extrator (A). O solvente, colocado no balão (B), é aquecido e os vapores condensam-se na câmara do extrator, caindo sobre o material a extrair. Quando o nível do destilado na câmara de extração atingir o nível do sifão (C), a solução retornará ao balão. Isto torna a operação automática e menos laboriosa, além de empregar uma quantidade bem menor de solvente. O processo de extração em Soxhlet é rotineiramente utilizado para extração de produtos naturais de plantas. No caso de extração contínua de líquidos, as aparelhagens apresentadas na Figura 4 são as mais indicadas. A primeira é empregada quando o solvente é menos denso do que a solução ser extraída, e a segunda, no caso contrário. Figura 4. Aparelhagens para extração contínua de líquidos: extração por líquidos menos densos (A); extração por líquido mais denso (B). Até agora consideramos casos em que não há reação entre o soluto e o solvente, mas também podemos fazer uma separação usando solventes quimicamente ativos, denominados “solventes de reação”. Um solvente de reação é aquele que reage com o soluto para dar origem a um composto mais solúvel. Por exemplo, uma amina tal como a anilina é solúvel em uma solução aquosa de HCl, porque forma um sal solúvel em água. Esta reação permite uma separação da anilina de impurezas não básicas. O sal passa para a solução aquosa ácida enquanto que os outros componentes permanecem em solução na fase orgânica. Após a separação das camadas, a amina pode ser regenerada a partir do sal, pela reação com uma base, e subseqüentemente ser extraída com um solvente orgânico. 5 NH2 Et2O Impurezas neutras 1. NaOH 2. Et2O NH2 + HCl H2O C6H5NH3 Cl Reações similares podem ser usadas para separar ácidos carboxílicos, fenóis e aminas de substâncias neutras, aplicando a variação do pKa destes substratos. O uso de solventes de reação também pode ser útil para separar uma substância desejada de impurezas solúveis no mesmo solvente. Essas impurezas podem ser destruídas ou transformadas em derivados solúveis na fase aquosa, via reações rápidas. PARTE EXPERIMENTAL A-I EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO Fracionamento dos componentes ácido (aspirina), básico (cafeína) e neutro (fenacetina) de uma mistura por meio de extração líquido-líquído. A mistura aspirina-cafeína-fenacetina é conhecida como APC e encontra-se presente em algumas formulações farmacêuticas. O O O CO2H O N N H O N N OCH2CH3 Aspirina Cafeína Fenacetina N Procedimento: Precaução: o uso de éter como solvente requer cuidado. O solvente é muito volátil (pE 34ºC) e inflamável! 1. Dissolver cerca de 3 g de uma mistura contendo aspirina, cafeína, fenacetina (ou alternativamente acetanilida) em 50 mL de éter etílico e transferir para um funil de separação. 2. Adicionar 10 mL de uma solução de uma solução aquosa de HCl 2 M, agitar bem e deixar em repouso para que as duas fases se separem completamente. Separar a camada inferior. Repetir o processo, juntando os dois extratos ácidos em béquer e conservando-os para tratamento posterior. 3. À solução contida no funil adicionar 8 mL de NaHCO3 saturado (ca. de 10%). Agitar (EXTREMA CAUTELA! Desprendimento gasoso com geração de muita pressão, aliviar a pressão frequentemente!) e decantar a fase inferior. Repetir o processo, juntando os dois extratos básicos (o último extrato deve estar francamente básico ao papel de tornassol!), conservando-os para tratamento posterior. 4. Juntar 10 mL de salmoura (solução saturada de NaCl) à solução remanescente no funil. Agitar energicamente e decantar a fase inferior. Recolher a fase etérea em Erlenmayer, secar com ca. de 1 g de Na2SO4 anidro, filtrar e evaporar o solvente em um béquer tarado (pedrinha de ebulição; banho-maria na capela!). Após remoção do solvente, determinar a massa do sólido (que componente?). 5. Tratar o extrato ácido reservado anteriormente (etapa 2) com solução saturada de NaHCO3 (gás!) até reação francamente básica ao papel de tornassol. Filtrar o precipitado formado em funil de Buchner, lavar com pequena quantidade de água gelada, secar e determinar sua massa (que componente?). 6. Tratar o extrato básico reservado anteriormente (etapa 3) com solução aquosa de HCl 6 M (gás!) até reação francamente ácida ao papel de tornassol. . Filtrar o precipitado formado em 6 funil de Buchner, lavar com pequena quantidade de água gelada, secar e determinar sua massa (que componente?). DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS E INSUMOS: ⇒ Os resíduos aquosos deverão ser descartados na pia com bastante água corrente. ⇒ Todas as misturas contendo solventes orgânicos deverão ser acondicionadas em frasco deposição de resíduos conforme indicado pelo instrutor. ⇒ Reservar os sólidos obtidos após o fracionamento, para utilização em práticas posteriores. DISCUSSÃO (a) Elabore um diagrama de fluxo (flow-sheet) demonstrando e justificando cada etapa do processo de fracionamento. (b) Calcule o rendimento percentual dos componentes da mistura e comente sobre a eficiência da técnica, sabendo-se que a mistura inicial e formada por 1 g de aspirina, 1 g de cafeína e 1 g de fenacetina. EXPERIMENTO OPCIONAL PARTE B: ISOLAMENTO DA TRIMIRISTINA A PARTIR DA NOZ MOSCADA (NUS VOMICA) Objetivo: Isolamento de um produto natural (trimiristina) a partir da noz moscada usando a técnica de extração contínua de sólidos. A noz moscada (Myristica fragrans) é uma semente natural da Índia Oriental. O componente principal da noz moscada é um lípídio, mais precisamente um triglicerídeo (trimiristina) com grupos acila derivados do ácido mirístico (n-C13H27CO2H). A trimistina é também um dos principais contituintes do óleo de coco. CH2 O CO C13H27 CH O CO C13H27 CH2 O CO C13H27 Trimiristina Dado que triglicerídeos (óleos e gorduras de origem vegetal ou animal) não são hidro-solúveis, não é possível extrai-los com água. Posto que não são voláteis, também não podem ser extraídos usandose a técnica por arraste a vapor ( a ser apresentada mais adiante em nosso curso). A metodologia mais apropriada para o isolamento de insumos com tais características é a extração com solventes pouco polares, para que apenas o componente lipídico (relativamente apolar) seja extraído. Por exemplo, a trimiristina, um triglicerídeo sólido cristalino, poder ser extraída da semente de noz moscada por extração a quente (Figura 5) seguida de purificação do extrato bruto por meio de sucessivas cristalizações. OBSERVAÇÃO: Será apresentada a extração da trimiristina em Soxhlet a partir da noz moscada como experimento demonstrativo. 7 Figura 5. Aparelhagem para aquecimento sob refluxo Procedimento: 1. Coloque cerca de 5 g de noz moscada em pó em um balão de 100 mL, contendo uma barra magnética e 15 mL de éter etílico (Cautela! Solvente muito volátil e inflamável). 2. Adapte um condensador como mostrado na Figura 5 e aqueça brandamente sob refluxo por aproximadamente 30 min. 3. Separe o solvente de extração do resíduo insolúvel por filtração para um balão de 25 mL, lavando o resíduo com 2 a 4mL de éter etílico. 4. Remova o solvente a vácuo, utilizando o evaporador rotatório e dissolva o óleo amarelo resultante em 3 a 4 mL de acetona, com aquecimento. 5. Coloque imediatamente a solução quente em um frasco Erlenmeyer de 25 mL e deixe a solução atingir a temperatura ambiente. Se não ocorrer cristalização neste momento, esfregue levemente as paredes do frasco com um bastão de vidro. 6. Complete a cristalização resfriando o frasco em um banho de gelo. 7. Colete a trimiristina por filtração a vácuo em um funil de Büchner. 8. Depois de seca, pese a trimiristina . Calcule o rendimento bruto da extração. 9. Reserve o material para recristalização em aula prática posterior. DISCUSSÃO (a) O coeficiente de distribuição K= (conc. em ligroína/conc. em água), entre ligroína e água para o soluto A é 7,5. Qual o peso de A que seria recuperado da solução de 10 g de A em 100 mL de água com uma única extração usando 100 mL de ligroína? Qual o peso de A que seria recuperado com quatro extrações sucessivas com 25 mL de ligroína? Quanto de ligroína seria necessário para recuperar 98,5% de A em uma única extração? (b) O pKa do p-nitrofenol é 7,15. Você esperaria que p-nitrofenol se dissolvesse numa solução de bicarbonato de sódio? O pKa do 3,5-dinitrofenol é 5,15. Você esperaria que dissolvesse numa solução de bicarbonato? (c) (Provão MEC - 2002) Em um laboratório de química orgânica experimental, dois alunos receberam uma amostra de naftaleno contaminada por ácido benzóico. Um dissolveu a amostra em éter dietílico (SISTEMA I) e o outro, em diclorometano (SISTEMA II). A seguir, as soluções foram transferidas para funis de decantação que continham solução aquosa de NaOH a 5%. Após agitação das misturas, foram obtidas as fases mostradas na figura abaixo. 8 Dados: Substância Éter dietílico diclorometano Densidade a 25 C (g/cm3) 0,7 1,3 o O naftaleno deve ser recuperado da(s) fase(s) (A) I A apenas. (B) II B apenas. (C) I A e II A. (D) I A e II B. (E) I B e II B. (d) (Provão 2000– MEC): Os compostos (a), (b), (c), (d) representados abaixo, estão presentes na mistura 1. H3C C O HO CH3 H3C NH2 H3C COOH (a) (b) (c) (d) Visando à separação desta mistura, foi executado o seguinte procedimento Fase aquosa Mistura 1 Solução em éter etílico NaHCO3 aq 5% Fase etérea Fração I Mistura 2 NaOH aq 5% Fase Aquosa Fração II Fase Etérea Mistura 3 HCl aq. 5% Fase Etérea Fração IV Fase aquosa Fração III Os Compostos (a), (b), (c) e (d) põem ser recuperados respectivamente das frações: (A) I, III, II e IV (B) II, IV, III e I 9 (C) III, I, IV e II (D) IV, II, I e III (E) IV, II, III e I (e) (Provão 2001– MEC): Observe as seguintes aminas: N H (I) N H (II) NH2 (III) Sobre a basicidade dessas aminas, é correto afirmar que (A) I é a mais básica por ser a única amina secundária. (B) I é a mais básica pelo fato de o par de elétrons não ligantes do nitrogênio não estar deslocalizado. (C) II é a mais básica, pois o par de elétrons não ligantes do nitrogênio faz parte do sistema aromático. (D) III é a mais básica em virtude de o nitrogênio estar ligado a um anel de seis membros. (E) II e III são mais básicas que I por serem aminas aromáticas. (f) (Provão 2003-MEC) Considere as seguintes espécies: I II III IV A ordem crescente de acidez desses compostos é: (A) I, II, III, IV. (B) II, III, I, IV. (C) III, II, I, IV. (D) IV, I, III, II. (E) IV, III, I, II. (g) (Provão 2003-MEC) Considere as estratégias X e Y empregadas na extração, com diclorometano, de cafeína contida em uma solução aquosa. 10 (Dados: Coeficiente de partição, K = C2/C1, onde: C1 = concentração da cafeína em água C2 = concentração da cafeína em CH2Cl2). Com relação à eficiência de extração das estratégias X e Y, é correto afirmar que: (A) as duas estratégias fornecem resultados idênticos, pois foi utilizada uma mesma quantidade de diclorometano. (B) a estratégia X é mais eficiente, pois um menor número de etapas leva a menores perdas de cafeína. (C) a estratégia X é mais eficiente, pois o K nesta estratégia é maior que na estratégia Y. (D) a estratégia Y é três vezes mais eficiente, pois cada extração remove a mesma quantidade de cafeína. (E) a estratégia Y é mais eficiente, pois como K é constante, um maior número de etapas remove uma maior quantidade de cafeína.