Práctica de Laboratorio: Preparación de benzoato de metilo

 

Preparación de benzoato de metilo

 

1. Objetivos

Objetivo general

• Sintetizar benzoato de metilo mediante la reacción de esterificación de Fischer, aplicando técnicas básicas de síntesis y purificación en Química Orgánica.

Objetivos específicos

• Reconocer el principio de la esterificación como una reacción característica de los ácidos carboxílicos.
• Comprender el papel del catalizador ácido en la velocidad de reacción y en el desplazamiento del equilibrio químico.
• Aplicar correctamente el montaje y uso del sistema de reflujo.
• Identificar experimentalmente la formación de un éster a partir de sus propiedades físicas (olor, aspecto, insolubilidad en agua).
• Calcular el reactivo limitante, el rendimiento teórico y el rendimiento porcentual de la reacción.

2. Introducción

La síntesis de compuestos orgánicos simples constituye uno de los pilares fundamentales del laboratorio de Química Orgánica, ya que permite relacionar la teoría química con la práctica experimental. Entre estas reacciones, la esterificación ocupa un lugar destacado por su simplicidad, su valor didáctico y su amplia aplicación industrial y cotidiana, especialmente en la fabricación de fragancias, saborizantes, solventes y plastificantes.

El benzoato de metilo es un éster aromático derivado del ácido benzoico y el metanol, que se caracteriza por su aroma dulce y agradable, similar al de algunas flores y frutas. Esta propiedad sensorial lo convierte en un excelente ejemplo para demostrar cómo pequeñas modificaciones en la estructura molecular pueden generar cambios significativos en las propiedades físicas y químicas de una sustancia.

Desde el punto de vista pedagógico, esta práctica es especialmente útil para estudiantes de la Licenciatura en Química con orientación a la Educación Secundaria, ya que integra varios conceptos fundamentales que luego deberán enseñar:

• Reacciones orgánicas típicas de los grupos funcionales.
• Equilibrio químico y desplazamiento del equilibrio.
• Catálisis ácida.
• Técnicas básicas de laboratorio como el reflujo, la extracción, la purificación y el cálculo de rendimientos.

Además, esta experiencia permite fortalecer habilidades científicas esenciales como la observación, el registro de datos, el análisis crítico de resultados y el cumplimiento de normas de seguridad. De esta manera, no solo se promueve la formación química del estudiante, sino también su preparación como futuro docente capaz de vincular teoría, práctica y seguridad en el laboratorio escolar.

3. Fundamentos teóricos

La preparación del benzoato de metilo se basa en la esterificación de Fischer, una reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol que produce un éster y agua, en presencia de un catalizador ácido:

Esta reacción es reversible, lo que significa que los productos pueden reaccionar entre sí para regenerar los reactivos. Por esta razón, en el laboratorio se aplican estrategias para desplazar el equilibrio hacia la formación del éster, tales como:

• Emplear un exceso de alcohol (metanol).
• Utilizar un catalizador ácido fuerte, como ácido sulfúrico o ácido clorhídrico concentrado.

El catalizador ácido cumple dos funciones principales:

1. Aumenta la velocidad de la reacción al activar el grupo carbonilo del ácido carboxílico.
2. Facilita la formación del intermediario reactivo que permite la sustitución del grupo hidroxilo por el grupo alcoxi.

Desde el punto de vista mecanístico, la reacción ocurre mediante varias etapas:

• Protonación del grupo carbonilo del ácido carboxílico.
• Ataque nucleofílico del alcohol.
• Formación de un intermediario tetraédrico.
• Eliminación de agua.
• Desprotonación final para formar el éster.

El uso del reflujo permite calentar la mezcla de reacción a la temperatura de ebullición del metanol sin que este se pierda (ver figura 1), ya que sus vapores se condensan y regresan al sistema. Esto garantiza que la reacción transcurra con mayor rapidez y eficacia.

Figura 1. Aparato de reflujo.

Una vez finalizada la síntesis, el producto debe purificarse. Para ello se emplean técnicas de extracción líquido-líquido, basadas en la diferencia de solubilidad de las sustancias en dos líquidos inmiscibles (fase acuosa y fase orgánica). Los lavados con solución de bicarbonato de sodio (NaHCO₃) permiten eliminar restos de ácido benzoico y del catalizador ácido, observándose la liberación de dióxido de carbono:

Posteriormente, el uso de un agente secante (como Na₂SO₄ anhidro o MgSO₄) elimina la humedad residual de la fase orgánica. Finalmente, se evapora el solvente para obtener el benzoato de metilo relativamente puro.

Este proceso integra de forma práctica conceptos clave de Química Orgánica: reactividad de los ácidos carboxílicos, equilibrio químico, catálisis, técnicas de separación y criterios de pureza, todos fundamentales en la formación del químico y del futuro docente de ciencias.

4. Materiales y equipos

• Matraz de fondo redondo (50–100 mL)
• Condensador de reflujo, soporte, pinzas y mangueras
• Placa calefactora con agitación o baño María/aceite
• Embudo de separación (125–250 mL)
• Probeta/pipetas, vaso de precipitados
• Embudo y papel filtro (o algodón)
• Frasco seco para producto
• (Opcional) equipo para IR o punto de ebullición

5. Reactivos

• Ácido benzoico: 5 g
• Metanol: 20 mL (exceso)
• Ácido sulfúrico concentrado o HCl concentrado: 0.5–1.0 mL (catalizador)
• Agua destilada
• Solución de NaHCO₃ al 5% (o saturada)
• Solución salina (NaCl) saturada (salmuera)
• Agente secante: Na₂SO₄ anhidro o MgSO₄
• Disolvente orgánico para extracción (elige uno según disponibilidad): éter etílico o diclorometano (DCM)

Nota docente: si no se dispone de éter/DCM, puede usarse un solvente orgánico apropiado disponible en el laboratorio institucional. Ajusta volúmenes y seguridad.

6. Seguridad y manejo de residuos

• Metanol: tóxico e inflamable (evitar inhalación/ingestión y trabajar con ventilación).
• H₂SO₄/HCl concentrado: corrosivos (añadir siempre el ácido al alcoholy por las paredes del recipiente, nunca al revés).
• DCM/éter: volátiles; el éter es muy inflamable, el DCM requiere buena ventilación.
• En el lavado con NaHCO₃ se libera CO₂: ventear el embudo con frecuencia.

Residuos:

• Fase orgánica a contenedor de residuos orgánicos.
• Fases acuosas ácidas/básicas a contenedores designados según normativa del laboratorio.

7. Procedimiento experimental

A) Síntesis bajo reflujo

1. Coloca en un matraz de fondo redondo 5 g de ácido benzoico y 20 mL de metanol.
2. Agrega con cuidado 0.5–1.0 mL de ácido concentrado (catalizador). Mezcla suavemente.
3. Monta el sistema de reflujo (condensador vertical con circulación de agua: entra por abajo y sale por arriba).
4. Calienta a reflujo suave durante 45–60 min con agitación (evita ebullición violenta).
5. Enfría a temperatura ambiente.

B) Trabajo posterior (work-up) y extracción

6. Vierte la mezcla de reacción en un vaso con 30–40 mL de agua fría (esto reduce la solubilidad del producto en la fase acuosa).
7. Transfiere al embudo de separación y extrae con 2 porciones de solvente orgánico (p. ej., 15 mL + 15 mL).
8. Reúne las fases orgánicas en un matraz/vaso limpio.

C) Lavados de purificación

9. Lava la fase orgánica con 10–15 mL de NaHCO₃ (¡ventea!); repite si es necesario hasta que cese la efervescencia marcada.
10. Lava con 10–15 mL de agua.
11. Lava con 10–15 mL de salmuera (ayuda a romper emulsiones y pre-secar).

D) Secado y obtención del producto

12. Agrega una pequeña cantidad de Na₂SO₄ anhidro (o MgSO₄) a la fase orgánica hasta que el secante quede “suelto” y no forme grumos. Deja 5–10 min.
13. Filtra el secante.
14. Elimina el solvente (preferible en rotavapor; si no, evaporación controlada en campana con baño tibio).
15. Conserva el benzoato de metilo en frasco seco y rotulado.

 

 

8. Observaciones y registro de datos (tabla sugerida)

Etapa	Observación (color/olor/fases/emulsión)	Volúmenes usados	Incidencias
Reflujo
Extracción 1 y 2
Lavado con NaHCO₃	Efervescencia (CO₂)
Secado	Secante libre o grumoso
Producto final	Olor/Aspecto	masa (g)

 

9. Cálculos

1. Moles de ácido benzoico (reactivo limitante usual):

2. Rendimiento teórico (1:1):

3. Rendimiento porcentual:

10. Resultados esperados (orientativos)

• Producto líquido incoloro a ligeramente amarillento, olor dulce/aromático.
• Rendimientos típicos de laboratorio docente: 50–85% (dependiendo de pérdidas por extracción/transferencia y control del reflujo).

11. Cuestionario (para informe)

1. Explique por qué la esterificación de Fischer es una reacción reversible.
2. ¿Qué función cumple el catalizador ácido en el mecanismo?
3. ¿Por qué se utiliza exceso de metanol?
4. ¿Qué especie se elimina al lavar con NaHCO₃? Escriba la reacción y explique la efervescencia.
5. ¿Para qué sirve la salmuera en el lavado final?
6. Mencione dos fuentes de pérdida de rendimiento en esta práctica.
7. (Opcional) ¿Qué señal característica esperarías observar en un IR para confirmar un éster?

12. Bibliografía

• Clayden, J., Greeves, N., & Warren, S. (2012). Organic chemistry (2nd ed.). Oxford University Press.
• Furniss, B. S., Hannaford, A. J., Smith, P. W. G., & Tatchell, A. R. (1989). Vogel’s textbook of practical organic chemistry (5th ed.). Longman.
• Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Engel, R. G. (2015). Introduction to organic laboratory techniques: A microscale approach (5th ed.). Cengage Learning.