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.

 

 

Laboratorio de Química Orgánica: Síntesis del ácido acetilsalicílico (AAS, “aspirina”)

 

Síntesis del ácido acetilsalicílico (AAS, “aspirina”)

1. Introducción

El ácido acetilsalicílico (AAS) es uno de los fármacos más producidos y estudiados. Su síntesis clásica —la acetilación del grupo fenólico del ácido salicílico con anhídrido acético en presencia de un catalizador ácido— es un experimento formativo en cursos de Química Orgánica por integrar conceptos de química de ésteres, mecanismos acilo–transferencia, purificación por recristalización, análisis de pureza (punto de fusión, ensayos cualitativos) y cálculo de rendimientos.
Pedagógicamente, además refuerza la cultura de seguridad (uso de ácidos fuertes y anhídridos corrosivos/inflamables) y la gestión responsable de residuos.

El valor didáctico radica en:

• Comprender cómo la acilación de un fenol (salicílico) origina un éster aromático (AAS), disminuyendo el carácter fenólico libre.
• Contrastar propiedades entre reactivos y producto (solubilidad, acidez, reactividad con Fe³⁺, punto de fusión).
• Practicar recristalización y caracterización básica (p.f., IR opcional, prueba de FeCl₃ para fenoles).

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

Sintetizar y purificar ácido acetilsalicílico por acetilación del ácido salicílico con anhídrido acético, evaluando rendimiento y pureza, y aplicando buenas prácticas de seguridad y manejo de residuos.

2.2 Objetivos específicos

• Ejecutar la acetilación catalizada por ácido (H₃PO₄ recomendado; H₂SO₄ como alternativa).
• Purificar el AAS por recristalización y verificar su punto de fusión.
• Emplear la prueba de FeCl₃ para evidenciar fenol libre (control de impurezas de salicílico).
• Registrar datos, realizar cálculos estequiométricos y % de rendimiento.
• Redactar y balancear ecuaciones químicas de las reacciones involucradas.

3. Fundamentos teóricos

El ácido salicílico (2-hidroxibenzoico) (1) contiene un grupo fenol y un carboxilo. En medio ácido, el anhídrido acético (2) actúa como agente acilante, transfiriendo un grupo acetilo al oxígeno fenólico para formar ácido acetilsalicílico (3) y ácido acético (4) como subproducto. El proceso es una acilación de tipo “Fischer–Speier” análoga a la formación de ésteres, pero usando un anhídrido (más reactivo que el ácido). El catalizador ácido (H₃PO₄ o H₂SO₄) activa el anhídrido y estabiliza estados de transición.

Figura 1.- Síntesis del ácido acetilsalicílico (AAS).

Aspectos clave:

• Mecanismo: activación del anhídrido por protonación → ataque nucleófilo del O–fenólico → intermediario tetraédrico → colapso liberando ácido acético → desprotonación al producto.
• Selectividad: el fenol es más nucleófilo que el –OH ácido del carboxilo; por ello se acetila preferentemente el fenol.
• Análisis de pureza:
• Punto de fusión del AAS puro: ~ 135–136 °C (mezclas y humedad lo deprimen/amplían el rango).
• FeCl₃ (ac): el salicílico da complejo violeta intenso; el AAS (fenol acetilado) debe dar negativo o débil.
• IR (opcional): C=O de éster ~ 1750–1735 cm⁻¹; C=O ácido ~ 1715–1680 cm⁻¹; banda ancha O–H ácido ~ 2500–3300 cm⁻¹; desaparición de la banda O–H fenólica (~ 3500–3600 cm⁻¹).

Seguridad y medioambiente:

• Anhídrido acético: corrosivo, lacrimógeno, inflamable; reacciona fuertemente con agua (exotérmico).
• Catalizadores ácidos (H₃PO₄/H₂SO₄): corrosivos; adición lenta y bajo campana.
• AAS: irritante (polvo); evitar inhalación.
• Residuos: separar orgánicos (contienen anhídrido/acético) y acuosos ácidos; neutralizar antes de desechar según normativa institucional.

4. Parte Experimental

4.1 Materiales y reactivos

Equipo y material:

• Matraz de fondo redondo 50–100 mL
• Condensador/reflujo corto (opcional; suele bastar baño caliente)
• Baño maría o placa con control de temperatura
• Termómetro, pipetas Pasteur, varilla, papel parafilme
• Embudo Büchner, kitasato, manguera y vacío
• Papel de filtro, cápsula de porcelana, desecador
• Capilares para punto de fusión; equipo de p.f.
• Campana extractora.

Reactivos (escala típica, 10 mmol):

• Ácido salicílico (1.38 g, 10 mmol)
• Anhídrido acético (3.0–3.5 mL, 32–37 mmol; exceso)
• Ácido fosfórico 85% (3–5 gotas) o ácido sulfúrico conc. (1–2 gotas)
• Agua destilada (fría y caliente)
• Etanol 95% (opcional, para recristalización mixta con agua)
• Cloruro férrico 1% acuoso (prueba de fenoles)
• Bicarbonato de sodio sólido o solución (neutralización de residuos)
• Hielo para cristalización

Precauciones críticas (leer antes de iniciar):

• Anhídrido acético: vapores irritantes; no inhalar; campana; evitar contacto con agua al manipular.
• H₃PO₄ / H₂SO₄: corrosivos; agregar siempre ácido a la mezcla, gota a gota; gafas, guantes, bata.
• Reacción exotérmica: controlar temperatura (baño ≤ 80 °C).
• Mantener fuentes de ignición alejadas (anhídrido/etanol inflamables).
• Residuos ácidos: neutralizar con NaHCO₃ (libera CO₂).

4.2 Procedimientos

A) Síntesis (acetilación)

1. En un Erlenmeyer seco, añadir ácido salicílico (1.38 g).
2. Agregar anhídrido acético (3.2 mL). Mezclar suavemente.
3. Añadir 3–5 gotas de H₃PO₄ 85% (o 1–2 gotas de H₂SO₄). Tapar con parafilme.
4. Calentar en baño maría (70–80 °C) durante 10–15 min, agitando ocasionalmente hasta disolución completa y reacción.
5. Retirar del calor. Con agitación, añadir cautelosamente 10–15 gotas de agua (destruye el exceso de anhídrido → acético).
6. Verter lentamente la mezcla sobre 50–70 mL de agua fría con hielo en un vaso de 250 mL. Agitar; dejar cristalizar 10–15 min.
7. Filtrar al vacío (Büchner), lavar el sólido con pequeñas porciones de agua fría (2 × 5 mL) para remover ácido acético y trazas de catalizador.

B) Purificación (recristalización)

8.     Transferir el sólido húmedo a un vaso; añadir 15–25 mL de agua caliente o mezcla etanol/agua (1:1) caliente, lo justo para disolver.

9.     Si hay impurezas coloreadas, carbón activado (punta de espátula), calentar 2 min y filtrar en caliente.

10.  Dejar enfriar lentamente hasta temperatura ambiente; luego en baño de hielo 10 min para completar cristalización.

11.  Filtrar al vacío, lavar con 3–5 mL de agua fría.

12.  Secar en desecador o estufa suave (≤ 60 °C) hasta masa constante.

C) Caracterización

13.  Determinar masa de AAS seco → rendimiento.

14.  Medir punto de fusión (rango de inicio–fin).

15.  Prueba de FeCl₃ (control de salicílico):

• Preparar dos tubos: disolver pequeña porción (~10 mg) de producto en 2 mL de etanol/agua (1:1); en paralelo, preparar solución de salicílico como control.
• Añadir 2–3 gotas de FeCl₃ 1% a cada tubo.
• Registrar: violeta intenso = fenol libre (salicílico); amarillo pálido = negativo (AAS puro).

16. (Opcional) Registrar IR del sólido.

5. Observaciones y resultados

5.1 Bitácora de reacción

• Masa de ácido salicílico (g): ______
• Volumen anhídrido acético (mL): ______
• Catalizador y nº de gotas: __________________
• Temperatura y tiempo de reacción: ___________
• Observaciones (disolución, color, cristalización): ____________________________

5.2 Cálculos y rendimiento

Tabla 1. Estequiometría

Sustancia	Masa/Volumen utilizados	Densidad (si aplica)	mmoles	Rendimiento %
Ácido salicílico
Anhidrido acético

 

 Producto: Ácido acetilsalicílico (AAS)

• Moles teóricos (mmol): ______
• Masa teórica (g): ______
• Masa obtenida (g): ______
• % Rendimiento: ______ %

5.3 Control de calidad

Tabla 2. Punto de fusion

Muestra	p.f. observado (°C)	Rango (°C)	Observaciones
Producto AAS

 

Tabla 3. Prueba con FeCl₃

Muestra	Observación (color)	Interpretación
AAS sintetizado
Control (Ácido salicílico)

 

Tabla 4. IR (Opcional)

Banda (cm⁻¹) esperada	Observada	Asignación
~1750–1735 (C=O éster)
~1715–1680 (C=O ácido)
2500–3300 (ancha, O–H ácido)
3500–3600 (O–H fenólico) ausente

 

6. Cuestionario

Instrucción: escribe las ecuaciones químicas balanceadas en el orden indicado y responde brevemente cuando se solicite.

1. Ecuación global de síntesis del AAS
• Ejercicio 1: Ácido salicílico + anhídrido acético → AAS + ácido acético. (Ecuación molecular balanceada.)
2. Mecanismo (resumen por pasos, con fórmulas desarrolladas o texto breve):
• Ejercicio 2: Propón el esquema mecanístico de la acetilación (activación por ácido, ataque nucleófilo del O–fenólico, colapso del intermedio).
3. Hidrólisis del exceso de anhídrido
• Ejercicio 3: Anhídrido acético + agua → ________. (Balancea y nombra productos.)
4. Ensayo de fenoles con FeCl₃
• Ejercicio 4: Reacción cualitativa del ácido salicílico con FeCl₃ (aq) formando complejo coloreado. (Esquema o ecuación iónica simplificada.)
• Ejercicio 5: Explica por qué el AAS da negativa o débil con FeCl₃.
5. Comparación estructural–propiedades
• Ejercicio 6: Relaciona punto de fusión y pureza. ¿Por qué una muestra impura muestra p.f. deprimido y rango amplio?
• Ejercicio 7: Sugiere dos mejoras para aumentar el rendimiento o la pureza (p. ej., control de la temperatura, disolvente de recristalización, lavado del sólido, tiempo de cristalización).
6. Seguridad y residuos
• Ejercicio 8: Redacta el procedimiento de neutralización de residuales ácidos (menciona el desprendimiento de CO₂ con NaHCO₃ y las precauciones).

7. Referencias bibliográficas

• Pavia, D. L., Lampman, G. M., Kriz, G. S., & Engel, R. G. (2015). Introducción a las técnicas de laboratorio de química orgánica (ed. en español). Cengage Learning.
• Zubrick, J. W. (2014). The Organic Chem Lab Survival Manual: A Student’s Guide to Techniques (10th ed.). Wiley.
• Mayo, D. W., Pike, R. M., & Trumper, P. K. (2010). Microscale Organic Laboratory: With Multistep and Multiscale Syntheses (5th ed.). Wiley.
• Furniss, B. S., Hannaford, A. J., Smith, P. W. G., & Tatchell, A. R. (1989). Vogel’s Textbook of Practical Organic Chemistry (5th ed.). Longman.
• American Chemical Society (ACS). (2020). Safety in Academic Chemistry Laboratories (8th ed.). American Chemical Society.
• MenteQuímik. (2024, 18 de septiembre). Aspirina: Composición, estructura química y síntesis [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=wBHaaU6347Q
• MenteQuímik. (2023, 4 de enero). Grupos Funcionales presentes en la Aspirina [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=th07rs1JOT4