PRÁCTICA DE LABORATORIO: Síntesis de ésteres

 

 

Síntesis de ésteres

1. Objetivos

1.1. Objetivo general

·       Sintetizar un éster mediante esterificación de Fischer, relacionando las condiciones de reacción, el equilibrio químico y las etapas de separación y purificación con la obtención del producto.

Objetivos específicos

·       Preparar acetato de isoamilo a partir de alcohol isoamílico y ácido acético en presencia de ácido sulfúrico como catalizador.

·       Relacionar la estructura de los ácidos carboxílicos y los alcoholes con la formación del grupo funcional éster.

·       Explicar el carácter reversible de la esterificación de Fischer y la utilidad de emplear un reactivo en exceso para favorecer la formación del producto.

·       Aplicar operaciones de lavado, neutralización, separación de fases y secado de una fase orgánica.

·       Determinar el reactivo limitante y calcular el rendimiento porcentual aparente del producto obtenido.

·       Aplicar normas de seguridad en la manipulación de sustancias corrosivas, inflamables y volátiles.

2. Fundamento teórico

2.1. Estructura y propiedades generales de los ésteres

Los ésteres son derivados de los ácidos carboxílicos en los que el hidrógeno del grupo hidroxilo ha sido sustituido por un grupo alquilo o arilo. Su fórmula general puede representarse como R–COO–R′. El grupo funcional contiene un carbonilo unido a un átomo de oxígeno que, a su vez, se encuentra enlazado a otro grupo carbonado.

R–COO–R′

Figura 7.1 Estructura general de un éster.

Los ésteres de baja masa molecular suelen ser líquidos relativamente volátiles y muchos presentan aromas característicos. Sin embargo, en el laboratorio el olor no debe emplearse como criterio único de identificación y nunca se debe oler directamente un reactivo o producto.

2.2. Esterificación de Fischer

La esterificación de Fischer es una reacción de equilibrio entre un ácido carboxílico y un alcohol, catalizada por un ácido fuerte. El proceso produce un éster y agua:

R–COOH + R′–OH ⇌ R–COO–R′ + H₂O

Figura 7.2 Ecuación general de la esterificación de Fischer.

El ácido sulfúrico actúa como catalizador al protonar inicialmente el oxígeno del grupo carbonilo, aumentando la electrofilicidad del carbono carbonílico. El alcohol puede entonces realizar un ataque nucleofílico; después de transferencias de protones y eliminación de agua se regenera el catalizador ácido y se forma el éster.

2.3. Síntesis de acetato de isoamilo

En esta práctica se sintetizará acetato de isoamilo (etanoato de 3-metilbutilo) por reacción entre alcohol isoamílico y ácido acético glacial o concentrado, utilizando ácido sulfúrico como catalizador. Se empleará ácido acético en exceso para desplazar el equilibrio hacia la formación del éster.

Figura 7.3 Formación de acetato de isoamilo por esterificación de Fischer.

2.4. Separación y purificación del producto

Después del calentamiento, la mezcla puede contener acetato de isoamilo, ácido acético sin reaccionar, trazas de ácido sulfúrico, agua y pequeñas cantidades de alcohol isoamílico. El lavado con bicarbonato de sodio neutraliza los ácidos residuales y libera dióxido de carbono. El lavado posterior con solución de cloruro de sodio ayuda a disminuir la cantidad de agua disuelta en la fase orgánica, y el sulfato de sodio anhidro elimina la humedad remanente antes de recuperar el producto.

3. Materiales y equipos

·       Matraz de fondo redondo de 50–100 mL.

·       Refrigerante para reflujo y adaptadores.

·       Placa calefactora con agitación magnética.

·       Barra magnética.

·       Embudo de separación de 50–125 mL.

·       Vasos de precipitados de 50 y 100 mL.

·       Probeta y pipetas graduadas.

·       Pipetas Pasteur o goteros.

·       Embudo y papel de filtro.

·       Soporte universal y pinzas.

·       Balanza.

·       Vial o recipiente pequeño previamente pesado para recoger el producto.

·       Baño de agua fría para controlar la adición del ácido, si fuese necesario.

·       Campana extractora.

4. Reactivos

·       Alcohol isoamílico (3-metil-1-butanol).

·       Ácido acético glacial o ácido acético concentrado.

·       Ácido sulfúrico concentrado.

·       Bicarbonato de sodio al 5 %.

·       Cloruro de sodio.

·       Sulfato de sodio anhidro.

·       Agua destilada.

Los reactivos seleccionados corresponden a sustancias disponibles en el inventario del almacén de Química suministrado para la preparación de esta práctica.

5. Procedimiento experimental

Experimento A. Síntesis de acetato de isoamilo por esterificación de Fischer

Realizar toda la manipulación de alcohol isoamílico, ácido acético concentrado y ácido sulfúrico bajo campana extractora. No utilizar llama abierta.

1. Colocar en un matraz de fondo redondo seco 3.0 mL de alcohol isoamílico y 4.0 mL de ácido acético glacial o concentrado.

2. Agregar una barra magnética y enfriar externamente el matraz si se observa calentamiento apreciable.

3. Añadir lentamente 0.5 mL de ácido sulfúrico concentrado, gota a gota y con agitación. La adición debe realizarse con precaución debido al carácter corrosivo del ácido y al posible calentamiento de la mezcla.

4. Adaptar un refrigerante para reflujo y calentar la mezcla con agitación a reflujo suave durante aproximadamente 30–40 minutos.

5. Finalizado el calentamiento, apagar la placa y dejar enfriar la mezcla hasta temperatura ambiente antes de desmontar el sistema.

Experimento B. Separación, neutralización y lavado

La neutralización con bicarbonato produce CO₂. El embudo de separación debe ventearse con frecuencia y nunca debe orientarse hacia otras personas.

1. Agregar lentamente aproximadamente 10 mL de agua destilada a la mezcla de reacción fría y transferirla a un embudo de separación.

2. Dejar reposar hasta observar claramente las dos fases. En estas condiciones se espera que la fase orgánica que contiene principalmente acetato de isoamilo se encuentre en la parte superior. Si existe duda, confirmar la identidad de las fases mediante una pequeña prueba con agua.

3. Separar la fase acuosa y conservar la fase orgánica en el embudo.

4. Agregar aproximadamente 5 mL de bicarbonato de sodio al 5 % a la fase orgánica. Inicialmente mezclar suavemente y ventear inmediatamente para liberar el CO₂ formado.

5. Repetir la agitación suave y el venteo varias veces hasta que disminuya el desprendimiento de gas. Dejar separar las fases y retirar la fase acuosa.

6. Si la efervescencia fue intensa, repetir el lavado con otra pequeña porción de bicarbonato de sodio al 5 % para favorecer la eliminación del ácido acético residual.

7. Lavar la fase orgánica con aproximadamente 5 mL de agua destilada, dejar separar y retirar la fase acuosa.

8. Preparar, si fuese necesario, una solución concentrada de cloruro de sodio y lavar la fase orgánica con aproximadamente 5 mL de esta solución. Separar nuevamente la fase acuosa.

Experimento C. Secado y recuperación del producto

1. Transferir la fase orgánica a un vaso o matraz seco y agregar sulfato de sodio anhidro en pequeñas porciones, agitando suavemente.

2. Continuar agregando el agente secante hasta que una pequeña porción permanezca libre y móvil y la fase orgánica se observe transparente.

3. Filtrar o decantar la fase orgánica seca hacia un vial limpio, seco y previamente pesado.

4. Determinar por diferencia la masa del producto orgánico recuperado. Este valor se considerará masa de producto crudo y permitirá calcular un rendimiento aparente.

5. Conservar una pequeña muestra para observar su aspecto físico. No oler directamente el producto.

Cálculo del rendimiento

Para los cálculos puede utilizarse, como referencia, una densidad aproximada de 0.81 g·mL⁻¹ para el alcohol isoamílico y una masa molar de 88.15 g·mol⁻¹. La masa molar del acetato de isoamilo es aproximadamente 130.19 g·mol⁻¹. La relación estequiométrica alcohol:éster es 1:1.

m(alcohol isoamílico) = V × ρ

n(alcohol isoamílico) = m / M

m teórica(acetato de isoamilo) = n del reactivo limitante × 130.19 g·mol⁻¹

Rendimiento aparente (%) = [masa de producto crudo / masa teórica] × 100

Debido a que el producto se recupera sin una etapa instrumental de verificación de pureza, el rendimiento calculado debe interpretarse como rendimiento aparente del producto crudo.

6. Registro de resultados

Ensayo	Sustancia / etapa	Medio / reactivo	Observación	Interpretación
A1	Alcohol isoamílico + ácido acético	Antes del catalizador
A2	Mezcla de reacción	H₂SO₄ / reflujo
B1	Separación inicial	Agua
B2	Lavado ácido-base	NaHCO₃ 5 %
B3	Lavado final	NaCl / agua
C1	Secado	Na₂SO₄ anhidro
C2	Producto crudo	Acetato de isoamilo	Aspecto: __________

Datos para el cálculo del rendimiento

Dato	Valor experimental / calculado
Volumen de alcohol isoamílico utilizado (mL)
Masa de alcohol isoamílico (g)
Moles de alcohol isoamílico (mol)
Volumen de ácido acético utilizado (mL)
Reactivo limitante
Moles teóricos de acetato de isoamilo (mol)
Masa teórica de acetato de isoamilo (g)
Masa del vial vacío (g)
Masa del vial + producto (g)
Masa de producto crudo (g)
Rendimiento aparente (%)

7. Análisis de los resultados

El estudiante deberá relacionar las observaciones obtenidas con el equilibrio de esterificación, la función del catalizador ácido, la separación de fases y las operaciones empleadas para purificar el producto orgánico.

Esterificación

Explicar la función del ácido sulfúrico y justificar por qué el empleo de ácido acético en exceso favorece la formación del acetato de isoamilo de acuerdo con el principio de Le Châtelier.

Lavado con bicarbonato

Interpretar la efervescencia observada durante el lavado con bicarbonato como evidencia de neutralización de los ácidos residuales y formación de CO₂. Explicar la necesidad de ventear periódicamente el embudo de separación.

Secado de la fase orgánica

Explicar por qué se utiliza sulfato de sodio anhidro después de los lavados y cómo puede reconocerse visualmente que la fase orgánica contiene menos agua.

Rendimiento

Calcular el rendimiento aparente y discutir posibles pérdidas durante el reflujo, la transferencia de la mezcla, los lavados, la separación de fases, el secado y la recuperación del producto. Señalar también que la presencia de trazas de alcohol u otras impurezas puede producir un rendimiento aparente mayor que el rendimiento real del éster puro.

8. Normas de seguridad específicas

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

·       Manipular alcohol isoamílico, ácido acético concentrado y la mezcla de reacción bajo campana extractora.

·       El ácido sulfúrico concentrado es fuertemente corrosivo. Añadirlo lentamente a la mezcla de reacción y nunca realizar la operación de manera brusca.

·       No utilizar llama abierta. Los compuestos orgánicos de la práctica son combustibles y deben mantenerse alejados de fuentes de ignición.

·       No desmontar el sistema de reflujo mientras la mezcla esté caliente.

·       Durante el lavado con bicarbonato, el embudo de separación debe ventearse repetidamente debido a la formación de CO₂. Orientar la salida lejos de personas y equipos.

·       No cerrar herméticamente recipientes en los que se esté produciendo gas.

·       No oler directamente los reactivos ni el producto. Si el docente autoriza una evaluación olfativa, deberá hacerse únicamente mediante una técnica de abaniqueo a distancia y con cantidades mínimas.

·       No pipetear con la boca ni devolver sobrantes de reactivos a los frascos originales.

·       Lavarse las manos al finalizar la práctica.

9. Manejo de residuos

Residuos orgánicos no halogenados

El acetato de isoamilo, el alcohol isoamílico residual y otras fracciones orgánicas de esta práctica deberán depositarse en el recipiente destinado para residuos orgánicos no halogenados.

Residuos acuosos ácidos o básicos

Las fases acuosas procedentes del primer lavado y de la neutralización con bicarbonato deberán recolectarse en el recipiente correspondiente para residuos acuosos ácidos o básicos, siguiendo las indicaciones del laboratorio. No eliminar por el drenaje sin autorización.

Sulfato de sodio usado

El agente secante utilizado deberá colocarse en el recipiente destinado a residuos sólidos contaminados con sustancias orgánicas, de acuerdo con el sistema de segregación del laboratorio.

10. Preguntas de análisis

1. ¿Qué grupos funcionales reaccionan en una esterificación de Fischer y qué productos se forman?

2. ¿Qué función cumple el ácido sulfúrico en la síntesis de acetato de isoamilo?

3. ¿Por qué se utiliza ácido acético en exceso en esta práctica?

4. Escriba la ecuación química de la formación de acetato de isoamilo a partir de ácido acético y alcohol isoamílico.

5. ¿Por qué la esterificación de Fischer se considera una reacción reversible?

6. ¿Qué especies ácidas se eliminan durante el lavado con bicarbonato de sodio?

7. ¿Por qué se produce efervescencia al agregar bicarbonato de sodio a la fase orgánica?

8. ¿Qué función cumple el lavado con solución concentrada de cloruro de sodio?

9. ¿Qué función cumple el sulfato de sodio anhidro antes de pesar el producto?

10. Explique dos causas por las que el rendimiento aparente obtenido podría diferir del rendimiento real de acetato de isoamilo puro.

11. Prelaboratorio

1. Defina qué es un éster y escriba su fórmula general.

2. Explique brevemente en qué consiste una esterificación de Fischer.

3. Dibuje o escriba las fórmulas estructurales del ácido acético, alcohol isoamílico y acetato de isoamilo.

4. Si se emplean 3.0 mL de alcohol isoamílico con densidad 0.81 g·mL⁻¹ y masa molar 88.15 g·mol⁻¹, calcule los moles de alcohol utilizados.

12. Conclusión

Al finalizar la práctica, el estudiante deberá elaborar una conclusión breve relacionando la formación del grupo funcional éster con la reacción entre un ácido carboxílico y un alcohol, la función del catalizador ácido, el carácter reversible de la esterificación, las operaciones de separación y secado empleadas y el rendimiento aparente del acetato de isoamilo obtenido.