Relatório de Orgânica (Síntese de Ésteres)

Relatório de Orgânica (Síntese de Ésteres)

CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE QUÍMICA DE NILÓPOLIS – RJ

UNIDADE NILÓPOLIS

Curso Técnico Em Química Industrial

Química Orgânica Experimental III

Síntese de Ésteres (Esterificação de Fischer).

TURMA: QIM 251

PROFESSOR:

Marcelo Bastos

DATA DE REALIZAÇÃO: 14/05/2008

COMPONENTES DO GRUPO

Raphael dos Santos

Gabrielle Guimarães

Zelia Fernanda da Silva

NILÓPOLIS

JUNHO DE 2008

1. TÍTULO

Síntese de Ésteres (Esterificação de Fischer).

2. INTRODUÇÃO

Os Ésteres são compostos orgânicos que apresentam fórmula geral R − COO − R1, são caracterizados pelo grupo funcional:

O

R− C − O − R1

R e R1 são radicais orgânicos, veja o exemplo:

O

H3C − C − O − CH3

Etanoato de metila ou

acetato de metila

Os ésteres, nas condições ambientes, se apresentam como líquidos ou sólidos, dependendo da quantidade de carbono. Os primeiros membros da série, os que apresentam baixa massa molecular, são líquidos incolores, de cheiro agradável. No entanto, à medida que se aumenta a massa molecular, vão se tornando líquidos xaroposos, viscosos e gordurosos, até se tornarem sólidos (aspecto de cera), daí ocorre a perda de cheiro agradável. São compostos insolúveis em água, porém são solúveis em álcool, éter e clorofórmio. Como não apresentam pontes de hidrogênio, os ésteres têm ponto de ebulição menor que o dos álcoois e ácidos de mesma massa molecular.

Industrialmente, a reação de esterificação de Fischer é um dos principais métodos para a síntese dos ésteres. Por estarem presentes na composição dos flavorizantes, os ésteres são compostos de destaque na indústria alimentícia. Nas indústrias que trabalham com aromas a esterificação de Fischer também é muito importante na síntese de ésteres de baixa massa molar, os quais podem ser facilmente caracterizados por possuírem aromas de frutas.

Em 1895, Fischer e Speier constataram que era possível a obtenção de ésteres através do aquecimento de um ácido carboxílico e um álcool na presença de catalisador ácido. Esta reação ficou conhecida como esterificação de Fischer, sendo um dos principais métodos utilizados na produção de ésteres. Observe:

Na reação, o grupo hidroxila (OH) do ácido carboxílico é substituído por um grupo alcóxi (R'O) do álcool. Dois ésteres podem reagir entre si, na presença de um catalizador, numa reação chamada trans-esterificação. Os ésteres também podem ser obtidos pela reação de haletos de ácidos ou anidridos de ácidos, com álcoois.

Em geral, os ésteres, principalmente os de baixa massa molar, apresentam aromas agradáveis, estando presentes em frutas e flores. “Esses compostos possuem uma importante aplicação na esterificação, aromas, cotidiano indústria como flavorizantes, ou seja, substâncias que, quando adicionadas em pequena quantidade aos alimentos, conferem-lhes características degustativas e olfativas.”(Solomons, 1983). A tabela a seguir apresenta alguns exemplos de ésteres e seus respectivos aromas:

Tabela 1: Ésteres e seus respetivos aromas

Nome

Aroma

Etanoato de Etila

Maçã

Etanoato de Octila

Laranja

Butanoato de Etila

Abacaxi

Etanoato de 3-metil-butila

Banana

Além, das aplicações já citadas os ésteres apresentam outras diversas aplicações tais como:

  • Acetato de Celulose – Polímero de filmes fotográficos;

  • Ácido Acetilsalicílico – Analgésico, Anestésico e Anti-térmico.

  • Salicilato de Fenilo – Película que envolve as cápsulas farmacêuticas;

  • Trinitroglicerina – Explosivo;

  • PET - Poli(etil-tereftalato) – Fibra sintética, plástico.

3. OBJETIVOS

Este procedimento teve como objetivo realizar a síntese e o isolamento de ésteres, comprovando suas características organolépticas.

4. MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais: Balão de fundo redondo de 100mL; Condensador de bolas; Papel de filtro; Manta de aquecimento; Funil de decantação; Suporte Universal; Garras; Argola, Mangueiras de Látex; Pérolas de vidro; Metanol; Ácido Sulfúrico Conc; Sol. de Bicarbonato de Sódio 5%; Ácido acético; Sulfato de Magnésio Anidro.

Métodos:

Colocou-se 5,7mL (0,138 mols) de metanol e 20mL (0,35 mols) de ácido acético em um balão de fundo redondo de 100mL. Cautelosamente, adicionou-se ao sistema 4mL de ácido sulfúrico (H2SO4) concentrado e algumas pérolas de vidro, para que a ebulição do meio reacional fosse controlada. Deixou-se o sistema em aquecimento sob refluxo durante uma hora. Posteriormente o período de refluxo, retirou-se do aquecimento e esperou-se até que o sistema atingisse a temperatura ambiente.

Transferiu-se então o meio reacional para um funil de decantação de ao mesmo adicionou-se 55mL de água gelada. Rinsou-se o balão de fundo redondo com água gelada, a fim de evitar perda de produto, e depositou-se no funil de decantação. Agitou-se o funil repetidas vezes e separou-se a fase aquosa da fase orgânica, logo após adicionou-se solução de bicarbonato de sódio 5% à fase orgânica ao invés de água gelada, e repetiu-se o mesmo processo descrito anteriormente. Recolheu-se a fase orgânica em um recipiente adequado e adicionou-se 2g de sulfato de magnésio anidro para que eventuais moléculas de água ainda presentes na fase orgânica (éster) fossem ‘capturadas’ pelo sal.

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Procedeu-se com os seguintes cálculos para determinar a quantidade de reagente necessária para a realização do procedimento:

1mol Ac. Acético ___ 60g

0,35mol __________ x

x = 21g

d = m/v ; dác. acético = 1,0492 g/cm³ ; v = 21/1.0492 = 20,0mL

1mol Metanol ___ 32g

0,138mol _______ y

y = 4,5g

d = m/v ; dmetanol = 0,7918 g/cm³ ; v = 4,5/0,7918 = 5,7mL

Posteriormente a realização dos processos descritos no tópico anterior, os resultados obtidos foram contrários aos que se esperavam. Ao adicionar-se 55mL de água gelada, não se constatou a formação de duas fases, como era de se esperar.

A justificativa proposta a seguir, foi baseada em literaturas de técnicas de experimentos em química orgânica.

O procedimento adotado consiste em deslocar o equilíbrio da reação de esterificação de Fischer no sentido da produção de éster a partir de um excesso de reagentes. Considerando que ésteres derivados de álcoois de baixo peso molecular, como o utilizado no experimento, possuem ponto de ebulição bem próximo do mesmo, impossibilitando o isolamento do éster. Ésteres são, em sua maioria, insolúveis em água, entretanto são solúveis em alguns solventes orgânicos, neste caso, fazendo-se uso do processo descrito, o éster produzido (com rendimento baixíssimo) é solubilizado pelo álcool do meio, que por sua vez é solubilizado pela água, ou seja, o éster produzido acaba por sofrer hidrólise, resultando nos reagentes iniciais. Num outro caso, em que o éster seja solúvel em água, acontecerá à mesma coisa, eles reagirão entre si retornando aos reagentes. O equilíbrio da reação não consegue ser deslocado. Outro fato a ser considerado é o tamanho das moléculas dos reagentes utilizados, devido ao fato de serem moléculas pequenas, um tempo maior de refluxo poderia talvez resultar na obtenção do éster, mesmo que em escalas mínimas. Um maior tempo sob refluxo e aquecimento, poderia culminar num resultado melhor, garantido que todo reagente limitante fosse consumido, entretanto o éster deveria ser produzido e destilado, afim de não ficar no meio reacional para que não reaja.

Com base nestes argumentos, propôs-se um novo procedimento para a reação de esterificação de reagentes com baixo peso molecular, tomando-se como exemplo o acetato de etila, descrito a seguir:

Em um balão de 3 bocas, de 250mL de capacidade, colocar uma mistura de 17mL de ácido acético e 15mL de ácido sulfúrico concentrado, posteriormente preparada em um erlenmeyer.

Adaptar ao balão, na boca central, uma coluna de destilação fracionamento com termômetro e ligá-la a um refrigerante de Liedbig. Numa boca lateral do balão colocar um funil separados com tubulação longa e extremidade afunilada e, na outra, um termômetro.

No funil separador, colocar 34,0mL de álcool etílico e 33mL de ácido acético.

Aquecer a mistura reagente a 130-140°C e acrescentar, gota a gota, a mistura do funil separador. Controlar a temperatura do topo da coluna, evitando que passe de 75°C.

Neutralizar o destilado com solução saturada de bicarbonato de sódio até meio alcalino. Decantar o éster em funil separador.

Dessecar o éster com sal anidro. Filtrar para um balão de 100ml, seco, de fundo redondo.

Destilar, colhendo o produto que passa entre 68-75°C.

Neste método o álcool não fica em contato com o éster, já que a mistura dos reagente é transferida gota-a-gota para o balão contendo o catalisador. O ácido sulfúrico (ácido forte) funciona como catalisador neste processo, pois o mesmo converte o ácido acético (ácido carboxílico) no ácido conjugado. Observe o mecanismo:

O ácido carbônico recebe um próton do catalisador de ácido forte, dando origem a um grupo carbonila protonoado, que é instável.

Este grupo instável é atacado pelo par de elétrons livres do oxigênio da carboxila do álcool, fornecendo ao meio um intermediário tetraédrico.

No intermediário tetraédrico, ocorre então um prototropismo intramolecular, culminado assim na liberação de uma molécula de água, fornecendo assim uma molécula de éster protonada.

Neste momento, a água se comportará como base, absorvendo um próton da molécula de éster protonada, levando ao éster desejado e reconstruindo o ácido do ácido forte, já que o mesmo é um catalisador e tem que ser reobtido ao fim da reação.

Este mecanismo é o mecanismo de esterificação de um ácido catalisada por ácido, entretanto se as reações forem feitas no sentido inverso, terar-se-á o mecanismo para a hidrólise de um éster catalisado por ácido.

(*) Numa pesquisa feita sobre síntese de Acetato de Metila, não foi encontrado nenhum tipo de procedimento específico para o éster, o qual foi proposto a ser sintetizado neste experimento. O procedimento proposto neste tópico não foi testado na produção do mesmo, sendo assim não é possível garantir sucesso no uso deste procedimento para o acetato de metila.

6. CONCLUSÃO

Conclui-se que a metodologia de Fischer para a obtenção de ésteres é eficaz, dependendo das condições em que se encontra o processo de esterificação, a escolha de um procedimento adequado para cada determinado tipo de éster provou ser essencial. Concluiu-se também, embasando-se nas literaturas consultadas que a síntese de alguns ésteres é inviável, ou de alto nível de dificuldade, principalmente para os ésteres de baixo peso molecular e para os ésteres com peso molecular muito alto, já que estes acabam sofrendo o processo de eliminação ao invés da adição nucleofílica.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

SOLOMONS, G., FRYHLE, C.; Química Orgânicavolume 2. Tradução de Whei Oh Lin. 7ª edição, Rio de Janeiro, LTC – Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., 2001.

LIDE, D. R. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 85th edition, 2004-2005. CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington D.C.

http://www.qmc.ufsc.br/organica/exp13/index.html#

http://qnesc.sbq.org.br/online/qnesc19/a11.pdf

GONÇALVES, DANIEL; WAL, EDUARDO; ALMEIDA, ROBERTO RIVA DE. Química Orgânica Experimental. São Paulo, McGraw-Hill, 1988.

8. Anexo

Substância

Fórmula Molecular

Peso Molecular (g)

Densidade

(g/cm³)

nD

Solubilidade

(H2O)

PF

(°C)

PE

(°C)

Ácido Sulfúrico

H2SO4

98

-

-

solúvel

-

-

Ácido Acético

CH­3COOH

60

1,0446

1,3720

solúvel

16,64

117,9

Metanol

CH3OH

32

0,7914

1,3288

solúvel

-97,53

64,6

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