PRÁCTICA DE LABORATORIO: Propiedades físicas y químicas de los aldehídos y cetonas

 

Propiedades físicas y químicas de los aldehídos y cetonas

1. Objetivos

1.1. Objetivo general

·        Estudiar propiedades físicas y químicas características de compuestos carbonílicos, relacionando la estructura del grupo carbonilo con su solubilidad y con pruebas cualitativas de identificación y diferenciación entre comportamiento aldehídico y cetónico.

Objetivos específicos

·        Comparar el estado físico y la solubilidad en agua y etanol de cetonas de diferente tamaño molecular y grado de aromaticidad.

·        Identificar la presencia del grupo carbonilo mediante la reacción con 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNPH).

·        Diferenciar el comportamiento reductor asociado a aldehídos mediante las pruebas de Tollens y Fehling, utilizando D-glucosa como control positivo.

·        Relacionar los resultados experimentales con la estructura electrónica del grupo carbonilo y la diferente facilidad de oxidación de aldehídos y cetonas.

·        Registrar e interpretar cambios de color, formación de precipitados y depósito de plata como evidencias de reacción.

·        Aplicar normas de seguridad y manejo de residuos para reactivos inflamables, corrosivos, oxidantes y compuestos que contienen plata o cobre.

2. Fundamento teórico

2.1. Estructura del grupo carbonilo

Los aldehídos y las cetonas contienen el grupo funcional carbonilo (C=O). En los aldehídos, el carbono carbonílico está unido al menos a un átomo de hidrógeno y se representa de manera general como R–CHO. En las cetonas, el carbono carbonílico se encuentra unido a dos grupos carbonados y se representa como R–CO–R′.

El enlace C=O es fuertemente polar porque el oxígeno atrae con mayor intensidad la densidad electrónica. Por ello, el carbono carbonílico presenta carácter electrofílico y puede reaccionar con nucleófilos. Esta polaridad también influye en las propiedades físicas de aldehídos y cetonas.

 

Aldehído: R–CHO        Cetona: R–CO–R′

Figura 5.1 Estructuras generales de aldehídos y cetonas.

2.2. Propiedades físicas

Aldehídos y cetonas pueden actuar como aceptores de puentes de hidrógeno debido al oxígeno carbonílico, pero no poseen un enlace O–H y, por tanto, no forman entre sí puentes de hidrógeno con la misma intensidad que los alcoholes. Sus puntos de ebullición suelen ser mayores que los de hidrocarburos de masa molecular semejante y menores que los de alcoholes comparables.

La solubilidad en agua es mayor para los miembros de baja masa molecular y disminuye a medida que aumenta la porción hidrocarbonada. La acetona, por ejemplo, es completamente miscible con agua, mientras que la benzofenona presenta baja solubilidad acuosa debido a sus dos anillos aromáticos. En esta práctica no se evaluará el olor de las sustancias; los reactivos no deben olerse directamente.

2.3. Reacción con 2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNPH).

La 2,4-dinitrofenilhidrazina reacciona con aldehídos y cetonas mediante una secuencia de adición nucleofílica y eliminación de agua, formando derivados 2,4-DNPH. La aparición de un precipitado amarillo, anaranjado o rojizo constituye una evidencia cualitativa de la presencia de un grupo carbonilo reactivo.

Figura 5.2 Reacción general de un compuesto carbonílico con 2,4-DNPH.

2.4. Oxidación de aldehídos: prueba de Tollens

Los aldehídos se oxidan con relativa facilidad a especies carboxilato, mientras que las cetonas comunes son mucho más resistentes a la oxidación suave. El reactivo de Tollens contiene plata (I) complejada con amoníaco. Cuando está presente un compuesto con comportamiento aldehídico reductor, la plata (I) se reduce a plata metálica y puede observarse un espejo de plata o un depósito oscuro sobre las paredes del tubo.

 

R–CHO + 2[Ag(NH₃)₂]⁺ + 3OH⁻ → R–COO⁻ + 2Ag(s) + 4NH₃ + 2H₂O

Figura 5.3 Ecuación simplificada de la prueba de Tollens.

2.5. Prueba de Fehling

La prueba de Fehling utiliza cobre (II) en medio alcalino complejado. Los compuestos reductores de tipo aldehído pueden reducir Cu²⁺ a óxido cuproso, Cu₂O, que aparece como un precipitado rojo ladrillo. Las cetonas simples, como la acetona, normalmente no producen esta reacción bajo las condiciones de la prueba.

R–CHO + 2Cu²⁺ + 5OH⁻ → R–COO⁻ + Cu₂O(s) + 3H₂O

Figura 5.4 Ecuación simplificada de la oxidación de un aldehído en la prueba de Fehling.

3. Materiales y equipos

·        Tubos de ensayo limpios y secos.

·        Gradilla para tubos de ensayo.

·        Pipetas Pasteur o goteros.

·        Pipetas graduadas de 1, 2 y 5 mL.

·        Probeta de 10 mL.

·        Vasos de precipitados de 100 y 250 mL.

·        Espátula.

·        Varilla de vidrio.

·        Baño de agua con control de temperatura.

·        Placa calefactora.

·        Termómetro.

·        Pinza para tubos de ensayo.

·        Campana extractora.

4. Reactivos

·        Acetona.

·        Benzofenona.

·        D-glucosa.

·        2,4-dinitrofenilhidrazina (2,4-DNPH) en solución preparada por el laboratorio.

·        Reactivo de Tollens, preparado o verificado por el personal del laboratorio inmediatamente antes de su uso.

·        Reactivo de Fehling A.

·        Reactivo de Fehling B.

·        Etanol al 95 %.

·        Agua destilada.

5. Procedimiento experimental

Experimento A. Observación de propiedades físicas y solubilidad

Este ensayo se realizará a pequeña escala. No oler directamente ninguna sustancia.

1. Rotular tres tubos de ensayo como A1, A2 y A3.

2. En el tubo A1 colocar aproximadamente 1 mL de acetona. Registrar estado físico y color. Agregar 2 mL de agua destilada, agitar suavemente y registrar si se forma una sola fase o dos fases.

3. En el tubo A2 colocar aproximadamente 0.1 g de benzofenona. Registrar estado físico y color. Agregar 2 mL de agua destilada, agitar y observar su solubilidad.

4. En el tubo A3 colocar aproximadamente 0.1 g de benzofenona y agregar 2 mL de etanol al 95 %. Agitar y comparar su solubilidad con la observada en agua.

5. Registrar las observaciones y relacionarlas con la polaridad del grupo carbonilo, la masa molecular y la presencia de anillos aromáticos.

Experimento B. Identificación del grupo carbonilo con 2,4-DNPH

Realizar este ensayo bajo campana extractora. Utilizar únicamente el reactivo de 2,4-DNPH preparado por el laboratorio.

1. Rotular dos tubos limpios y secos como B1 y B2.

2. En B1 colocar aproximadamente 0.5 mL de acetona.

3. En B2 disolver aproximadamente 0.1 g de benzofenona en 1 mL de etanol al 95 %.

4. Agregar a cada tubo aproximadamente 1 mL de solución de 2,4-DNPH.

5. Agitar suavemente y dejar reposar entre 5 y 10 minutos.

6. Registrar la aparición o ausencia de precipitado y su color. Si el precipitado de benzofenona tarda en aparecer, mantener el tubo algunos minutos adicionales a temperatura ambiente; no calentar con llama.

Experimento C. Diferenciación mediante la prueba de Tollens

El reactivo de Tollens debe emplearse en pequeñas cantidades y no debe almacenarse después de la práctica. Todo residuo se mantendrá húmedo y se colocará inmediatamente en el recipiente destinado a residuos con plata.

1. Preparar una solución de D-glucosa al 5 % m/v disolviendo 0.5 g de D-glucosa en agua destilada y completando a 10 mL.

2. Rotular dos tubos de ensayo como C1 y C2.

3. Colocar en C1 aproximadamente 1 mL de solución de D-glucosa al 5 % y en C2 aproximadamente 1 mL de acetona.

4. Agregar a cada tubo 1.0 mL de reactivo de Tollens preparado o verificado por el personal del laboratorio.

5. Colocar ambos tubos en un baño de agua a aproximadamente 50–60 °C durante 3–5 minutos. No utilizar llama abierta.

6. Observar la formación de espejo de plata, depósito gris/negro o ausencia de cambio y registrar el resultado.

7. Al finalizar, transferir inmediatamente el contenido de los tubos al recipiente de residuos con plata indicado por el docente. Enjuagar los tubos según el procedimiento del laboratorio y no permitir que residuos de Tollens se sequen.

Experimento D. Diferenciación mediante la prueba de Fehling

Preparar la mezcla de Fehling inmediatamente antes del ensayo.

1. Rotular dos tubos de ensayo como D1 y D2.

2. En cada tubo mezclar 1 mL de Fehling A con 1 mL de Fehling B.

3. Agregar a D1 1 mL de solución de D-glucosa al 5 % y a D2 1.0 mL de acetona.

4. Colocar los tubos en un baño de agua caliente, aproximadamente 80–90 °C, durante 3–5 minutos.

5. Registrar el color inicial, la formación o ausencia de precipitado rojo ladrillo y cualquier otro cambio visible.

6. Dejar enfriar y colocar los residuos en el recipiente destinado a residuos acuosos que contienen cobre.

6. Registro de resultados

Ensayo	Sustancia / etapa	Medio/reactivo	Observación	Interpretación
A1	Acetona	Agua destilada
A2	Benzofenona	Agua destilada
A3	Benzofenona	Etanol 95 %
B1	Acetona	2,4-DNPH
B2	Benzofenona	2,4-DNPH / etanol
C1	D-glucosa 5 %	Reactivo de Tollens
C2	Acetona	Reactivo de Tollens
D1	D-glucosa 5 %	Fehling A + B / calor
D2	Acetona	Fehling A + B / calor

7. Análisis de los resultados

A partir de las observaciones obtenidas, el estudiante deberá relacionar la estructura del grupo carbonilo con las propiedades físicas y la reactividad observada en cada ensayo.

Propiedades físicas y solubilidad

Comparar el comportamiento de la acetona y la benzofenona frente al agua y, en el caso de la benzofenona, frente al etanol. Relacionar las diferencias con la masa molecular, el tamaño de la porción hidrocarbonada y la capacidad del oxígeno carbonílico para aceptar puentes de hidrógeno.

Prueba con 2,4-DNPH

Interpretar la formación de precipitados como evidencia de derivados hidrazona. Explicar por qué esta prueba permite reconocer compuestos carbonílicos, pero por sí sola no distingue de manera definitiva un aldehído de una cetona.

Prueba de Tollens

Comparar el resultado de la D-glucosa con el de la acetona. Explicar la reducción de Ag(I) a plata metálica y justificar por qué la acetona no presenta normalmente una reacción positiva bajo estas condiciones.

Prueba de Fehling

Relacionar la aparición de Cu₂O rojo ladrillo con la oxidación de la forma abierta de la D-glucosa. Comparar el resultado con la acetona y explicar la diferencia de reactividad.

Limitaciones del modelo experimental

Reconocer que la D-glucosa se utiliza como control reductor disponible y que su comportamiento se debe al equilibrio con una forma abierta aldehídica. Discutir qué información adicional se obtendría si se dispusiera de un aldehído simple, como etanal o benzaldehído, para realizar las mismas pruebas.

8. Normas de seguridad específicas

·        Utilizar bata de laboratorio, gafas de seguridad, calzado cerrado y guantes apropiados durante toda la práctica.

·        Realizar la manipulación de acetona, etanol y solución de 2,4-DNPH bajo campana extractora y mantenerlos alejados de llamas, chispas y superficies capaces de producir ignición.

·        No utilizar mechero. Todos los calentamientos se realizarán mediante baño de agua sobre placa calefactora.

·        No oler directamente acetona, benzofenona ni ninguna mezcla de reacción.

·        La 2,4-DNPH se utilizará únicamente en solución preparada. No manipular ni permitir que se seque 2,4-DNPH sólida durante la sesión.

·        El reactivo de Tollens deberá prepararse o verificarse inmediatamente antes de su uso por personal responsable. No almacenar sobrantes ni permitir que residuos de plata amoniacal se sequen en tubos o recipientes.

·        Manipular los reactivos de Fehling evitando contacto con piel y ojos. Los residuos con cobre no deben verterse al drenaje.

·        Utilizar pinzas para manipular tubos que hayan estado en baño caliente.

·        No devolver sobrantes de reactivos a los frascos originales.

·        Lavarse las manos al finalizar la práctica.

9. Manejo de residuos

Residuos orgánicos con 2,4-DNPH

Las mezclas que contengan acetona, etanol, benzofenona y 2,4-DNPH se depositarán en el recipiente designado por el laboratorio para residuos orgánicos peligrosos. No eliminar por el drenaje.

Residuos con plata

Los residuos de la prueba de Tollens se colocarán inmediatamente en el recipiente específico para residuos que contienen plata. No se almacenarán mezclas de Tollens en tubos de ensayo y no se permitirá que estos residuos se sequen.

Residuos con cobre

Las mezclas procedentes de la prueba de Fehling se recolectarán en el recipiente destinado a residuos acuosos que contienen metales. No verter al drenaje.

Residuos acuosos no contaminados

Las soluciones que no contengan reactivos peligrosos se manejarán de acuerdo con las normas internas del laboratorio y únicamente se eliminarán por el drenaje cuando exista autorización del docente o del personal responsable.

10. Preguntas de análisis

1. ¿Qué diferencia estructural fundamental existe entre un aldehído y una cetona?

2. ¿Por qué la acetona es miscible con agua mientras que la benzofenona presenta una solubilidad mucho menor?

3. ¿Qué evidencia experimental indica una prueba positiva con 2,4-DNPH y qué información proporciona esta reacción?

4. ¿Por qué la prueba con 2,4-DNPH no es suficiente por sí sola para distinguir aldehídos de cetonas?

5. Explique el fundamento químico de la formación del espejo de plata en la prueba de Tollens.

6. ¿Por qué la D-glucosa puede dar positiva la prueba de Tollens aunque en solución predominen sus formas cíclicas?

7. ¿Qué especie se forma como precipitado rojo ladrillo en una prueba positiva de Fehling?

8. Compare los resultados esperados de D-glucosa y acetona en las pruebas de Tollens y Fehling.

9. ¿Qué ventaja tendría repetir la práctica con un aldehído simple, como benzaldehído, si estuviera disponible?

11. Prelaboratorio

1. Defina aldehído y cetona y escriba la fórmula general de cada grupo funcional.

2. Explique brevemente qué detecta el reactivo de 2,4-DNPH.

3. Prediga el resultado de la acetona en las pruebas de Tollens y Fehling y justifique su respuesta.

4. ¿Por qué los ensayos con acetona, etanol y 2,4-DNPH deben realizarse sin llama abierta?

12. Conclusión

Al finalizar la práctica, el estudiante deberá elaborar una conclusión breve relacionando la polaridad del grupo carbonilo con las propiedades físicas observadas, la formación de derivados con 2,4-DNPH, la diferente facilidad de oxidación de compuestos con comportamiento aldehídico frente a cetonas y la utilidad de las pruebas de Tollens y Fehling para el análisis cualitativo de compuestos carbonílicos.