ANÁLISIS CUALITATIVO Ya se ha mencionado que en los compuestos orgánicos, los elementos que en general se encuentran presentes junto con el Carbón, el Hidrógeno y el Oxígeno son: Nitrógeno Halógenos (Flúor, Cloro, Bromo e Yodo) Azufre Fósforo La identificación de estos elementos en la muestra se basa en su conversión en compuestos iónicos solubles en agua y en la aplicación de pruebas específicas para llevar a cabo su detección. PRUEBA DE LASSAIGNE (FUSIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS CON METALES) 1.- En general se coloca dentro de un tubo de ensayo (de 8 x 50 mm), un trozo de sodio (o magnesio) metálico, de aproximadamente 4 mm de tamaño. 2.- El tubo se calienta con un mechero de Fisher hasta que se observa que el metal se funde. 3.- Se retira el tubo del mechero y se adicionan aproximadamente 5 mg. del compuesto desconocido (el cual previamente se mezcló con un peso igual de sacarosa). SACAROSA Se debe emplear sacarosa en polvo (azúcar para confitería), la cual contiene 97% de sacarosa y 3 % de almidón. Se mezcla el compuesto desconocido con el azúcar en polvo con el fin de que se tenga un medio para acarrear la muestra, así como un medio reductor para que: los compuestos que contienen nitrógeno presente en dicha muestra en forma de alguno de los siguientes grupos funcionales: amida, nitroso, nitro, azo, hidrazo y anillos heterocíclicos que contengan nitrógeno, produzcan invariablemente, a través de la fusión alcalina cianuro de sodio. los compuestos que contienen azufre presente en dicha muestra en forma de alguno de los siguientes grupos funcionales: sulfuros, sulfóxidos, sulfonas, sulfonamidas y compuestos heterocíclicos con azufre, a través de la fusión alcalina formen invariablemente sulfuro de sodio. 4.- Nuevamente se calienta el tubo y se repite la adición por una segunda vez. En este momento se calienta el fondo del tubo al rojo vivo, por unos 5 minutos. 5.- Al finalizar el calentamiento se deja enfriar el tubo y se adiciona con precaución 1 ml. de etanol para eliminar el exceso de sodio que no ha reaccionado (precaución). 6.- El tubo se calienta de nuevo y aún caliente se deja caer dentro de un vaso de precipitados de 100 ml. que contenga 20 ml. de agua destilada (precaución).
7.- El tubo se rompe con una varilla de vidrio, se calienta la solución se calienta a ebullición y se filtra. El filtrado debe ser incoloro y se usa para las siguientes pruebas:
ANÁLISIS CUALITATIVO DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS: FUSIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS CON METALES. PRUEBA DE LASSAIGNE
Colocar en un tubo de ensaye 1 trozo (cubo de 0.4 mm por lado) de sodio metálico
calentar con un mechero de Meker
¿esta fundido el sodio?
No
Si
adicionar 5 mg. de la muestra en 5 mg. de sacarosa Calentar el tubo
adicionar otros 5 mg. de la muestra en 5 mg. de sacarosa 1) Calentar el fondo del tubo al rojo vivo por 5 minutos 2) Dejar enfriar Si
¿se prendió la mezcla de reacción?
Tapar la boca del tubo
adicionar mezcla de reacción 1 ml. de etanol
No
mezcla de reacción fria
Repertir el paso (3) o bien toda la fusión
calentar el tubo con un baño de María en una parrilla de calentamiento mezcla de reacción caliente
1) Introducir el tubo dentro de un vaso de precipitados con 20 ml. de agua destilada 2) Romper el tubo con una varilla de vidrio 3) Filtrar
¿el filtrado es incoloro?
Si
MEZCLA DE REACCIÓN LISTA PARA EFECTUAR LAS PRUEBAS DE IDENTIFICACIÓN
No
REACCIONES COLORIDAS QUE IDENTIFICAN PRESENCIA DE COMPUESTOS ORGÁNICOS. La mezcla de reacción incolora que obtuviste en la primera parte de la prueba puede estar constituida por las siguientes sales de sodio:
MUESTRA ORGÁNICA CON C, H, O,N, S, X, P
o
SOLUCIÓN INCOLORA CONTENIENDO Na2S + NaX + NaCN
Na
CALOR
La presencia de cada una de estas sales en la solución incolora se detecta a través de las siguientes reacciones coloridas: 1.-Presencia de azufre (precipitado de color negro) 2.-Presencia de nitrógeno (precipitado de color azul de Prusia) 3.-Presencia de halógeno (precipitados de diversos colores) 4.-Presencia de flúor (complejo de color amarillo) 5.-Presencia de fósforo (precipitado de color amarillo) 1) Presencia de azufre en la muestra original
SOLUCIÓN INCOLORA CONTENIENDO Na2S + NaX + NaCN
1) AcOH (pH 4-5) PbS (pp. COLOR NEGRO) 2) Pb(OAc)4
AcOH + Pb(OAc)4
Na 2S
PbS
Na 2S
X
2) Presencia de nitrógeno en la muestra original
(FeSO4(NH4)2SO4.6H2O + KF)
(III)
(II)
KFe [Fe (CN)6] (azul de Prusia) NaCN
3) Presencia de halógenos en la muestra original
SOLUCIÓN INCOLORA CONTENIENDO Na2S + NaX + NaCN
1) HNO3 (pH 1) SE FORMA UN pp
2) 3) AgNO3
CON BASE EN EL COLOR: BLANCO, AgCl AMARILLO PÁLIDO, AgBr AMARILLO, AgI
En base al color del precipitado
HNO 3 + AgNO 3
Color blanco AgCl AgX Color amariilo pálido
NaX NaX
AgBr
Color amarillo AgI
4) Presencia de flúor en la muestra original. 1) Se adiciona ácido acético (AcOH) SOLUCIÓN INCOLORA
CONTENIENDO Na2S + NaF + NaCN
pH ácido 2) La solución se calienta a ebullición.
Se observa la formación de un complejo con color amarillo
3) Se coloca la muestra en un papel filtro impregnado con el complejo zirconio-alizarina Zirconio-Alizarina
El complejo zirconio-alizarina se forma mezclando 3 ml. de una solución de alizarina(1%) en etanol y 2 ml. de una solución de cloruro de zirconio (0.4%)
O
H
Cl Cl Cl Zr H Cl O O
O
O H
O H ZrCl 4 + O
O ALIZARINA
COMPLEJO DE COLOR ROJO
Complejo color amarillo La composición del complejo de color amarillo, que indica la presencia de flúor en la muestra es la siguiente: F F F Zr H F O O
Cl Cl Cl Zr H Cl O O
O H
O H 4 NaF + O COMPLEJO DE COLOR ROJO
4 NaCl + O COMPLEJO DE COLOR AMARILLO
5) Presencia de fósforo en la muestra original. Cuando un compuesto orgánico no volátil tiene fósforo y se calcina con óxido de calcio, deja un residuo resistente al calor de fosfato de calcio. Cuando esta sal se disuelve en ácido forma ácido fosfórico, el cual cuando se hace reaccionar una solución nítrica de molibdato de amonio da lugar a un precipitado, el fosfomolibdato de amonio con color amarillo cristalino. SOLUCIÓN INCOLORA CONTENIENDO
CaO, Ca3(PO4)2
C, H, O, N , S, P X 24 H2MoO4 + 6 NH4Cl + 6 HCl
2 (NH4)3PO4.(MoO3)12 + 24 H2O + 3 CaCl2 pp COLOR AMARILLO
2+ + 12 MoO4 + 3 NH 4 + 24 H
2PO4
(NH 4)3PO4.(MoO3)12 + 12 H2O PRECIPITADO DE COLOR AMARILLO
Problemas: Antes de continuar con nuestro estudio qué le parece sí resolvemos un par de ejercicios para reafirmar los contenidos sobre las diferentes pruebas que podemos realizar para identificar la presencia de compuestos orgánicos. 1) Si llegara al laboratorio con el fin de ser analizado una muestra de Synalar en la cual el principio activo tiene la siguiente estructura (acetónido de fluoccinolona)
OH O O HO
O
H F
CH3 C CH3
H
O F Lo primero que tendría Ud. que hacer es llevar a cabo un análisis elemental, para ver (o bien confirmar) que elementos están presentes en la muestra. ¿Cuales de los siguientes resultados esperarías obtener al realizar la prueba de Lassaigne?
a) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con la sal mixta de sulfato ferroso y sulfato de amonio, y se observa la formación de un complejo con color azul. b) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con el tetraacetato de plomo y se observa la formación de un precipitado de color negro. c) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con nitrato de plata y no se observa la formación de precipitado. Al hacer reaccionar la solución de las sales de sodio con el complejo zirconio-alizarina se observa un cambio de color de rojo a amarillo.
2) Se sospecha que una muestra que llega al laboratorio para su análisis es un antibiótico, en concreto se cree que es ampicilina:
O
H S
N NH2 O
N H
CH3 CH3 C OH O
Lo primero que tendría Ud. que hacer es llevar a cabo un análisis elemental, para ver (o bien confirmar) que elementos están presentes en la muestra. ¿Cuales de los siguientes resultados esperarías obtener al realizar la prueba de Lassaigne?
a) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con la sal mixta de sulfato ferroso y sulfato de amonio, y se observa la formación de un complejo con color azul. Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con el tetraacetato de plomo y se observa la formación de un precipitado de color negro. Y al tratar la solución de las sales de sodio con nitrato de plata se observaría la formación de un precipitado blanco. b) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con la sal mixta de sulfato ferroso y sulfato de amonio, y se observa la formación de un complejo con color azul. Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con el tetraacetato de plomo y se observa la formación de un precipitado de color negro. c) Sobre la solución con la mezcla de las sales de sodio se realiza la prueba con el nitrato de plata y se observa la formación de un precipitado de color amarillo intenso. ANÁLISIS CUANTITATIVO Rara vez es necesario analizar cuantitativamente todos los elementos presentes en los compuestos orgánicos. No obstante, para determinar con exactitud la fórmula de un compuesto orgánico se deberá efectuar el análisis cuantitativo de la muestra, ya que el análisis cualitativo solamente nos indica que elementos están presentes en el compuesto pero no en que proporción. ANÁLISIS CUANTITATIVO DE CARBONO E HIDRÓGENO El principal análisis orgánico cuantitativo que se efectúa permite determinar el contenido exacto de carbono y de hidrógeno en la muestra desconocida y este se realiza por medio de la combustión de la muestra. Los fundamentos del método para el análisis cuantitativo fueron desarrollados por Lavoisier en el siglo XVIII.
Antoine Laurent Lavoisier y su esposa Marie-Anne Pierrete Como ya se comentó, el análisis se basa en la combustión total de la muestra, la cual va a generar dióxido de carbono y agua. Para poder determinar el volumen de oxígeno consumido y el de dióxido de carbono formado, Lavoisier quemó cantidades pesadas de carbón sobre mercurio dentro de una campana conteniendo oxígeno y midió el volumen del gas que se formaba, antes y después de absorber el dióxido de carbono en un álcali. El también intentó estimar el contenido de carbono del etanol, de grasas y ceras, quemando estos compuestos en una lámpara de alcohol de tal manera que se pudieran medir la cantidad de oxígeno consumida y la de dióxido de carbono producida.
Aparato empleado por Lavoisier para analizar alcohol y otras muestras orgánicas. A partir de estos datos él calculaba la composición de la muestra. El ya sabía que durante la combustión, los compuestos orgánicos solo daban lugar a dióxido de carbono y agua; esto indicaba que los únicos elementos presentes en sus muestras eran el carbono, el hidrógeno y el oxígeno.
Aparato de combustión que utilizó Lavoisier para analizar aceites
Lavoisier también analizó sustancias que eran difíciles de quemar como los azúcares y las resinas, usando dióxido de mercurio o bien plomo rojo como su fuente de oxígeno. Debido a los datos inadecuados sobre la composición del dióxido de carbono y del agua, todos sus resultados no fueron precisos. Posteriormente Justus von Liebig modificó el aparato, dándole esencialmente su forma moderna.
Justus von Liebig El desarrolló un aparato de potasa (Kaliapparat), con lo que eliminó el uso de la campana y del mercurio para colectar los gases. El aparato de potasa era un tubo de vidrio el cual estaba conectado en una serie de cinco bulbos conteniendo una solución de hidróxido de potasio, la cual absorbía el dióxido de carbono producido durante la combustión. Enfrente del aparato de potasa estaba un tubo conteniendo cloruro de calcio para absorber el vapor de agua formado a partir del hidrógeno contenido en la muestra; en la parte de atrás se encontraba otro tubo con cloruro de calcio para evitar cualquier pérdida de agua en los gases conforme éstos pasaban por la solución de hidróxido de potasio. El segundo
tubo esta pesado junto con el aparato de potasa y formaba parte del aparato. La combustión se llevaba a cabo dentro de un tubo de vidrio largo, el cual era calentado con carbono. Al final del análisis, la punta cerrada del tubo de combustión se rompía de tal manera que una corriente de aire se pasaba a través del aparato, para que cualquier cantidad residual de vapor de agua y de dióxido de carbono pasara dentro de los tubos de absorción. Liebig llegó simplificar tanto el procedimiento que llegó a hacer la extravagante afirmación que el análisis podía ser realizado por cualquier mono inteligente. Sin embargo, hay muchos estudiantes que después de realizar diversas determinaciones con el método, admiten que si esto es cierto, la evolución se debió de haber interrumpido en los monos.
Justus von Liebig Justus von Liebig en su estudio en Munich Debido a la escasez y al costo de los materiales, las microtécnicas desarrolladas por primera vez por Fritz Pregl en 1910 son las más usadas. En la siguiente figura se muestra un esquema del aparato.
Aparato de combustión para carbono-hidrógeno: (1) pinza de presión; (2) regulador de presión; (3) torre de secado; (4) regulador de flujo; (5) medidor capilar del flujo; (6) precalentador eléctrico; (7) purificador final de O2; (8) tubo de combustión; (9) controles del horno; (10) calentador de la muestra;
(11) horno de combustión; (12) calentador final; (13) tubo para la absorción del agua; (14) tubo para la absorción de CO2; (15) tubo de seguridad; (16) tubo con hopcalita y calentador eléctrico usado entre (13) y (14) cuando esta presente el nitrógeno. (La hopcalita es una mezcla de CuO + CoO + MnO2 + Ag2O).
La muestra se quema en una corriente de oxígeno para formar los óxidos de carbono y agua. El óxido cúprico se usa en el tubo de combustión (ver detalle en la siguiente figura) para asegurar la conversión del monóxido de carbono en dióxido de carbono.
Tubo de combustión: 1. 2. 3. 4. 5.
Tapón con viruta de plata; Cromato de cobre sobre esmeril; Alambre de óxido cúprico; Esmeril; Manecilla conteniendo la muestra; 6. Tapón inerte con sello hermético.
Las reacciones involucradas son las siguientes, las cuales se ejemplifican para la combustión de la sacarosa (azúcar de caña):
C12H22O11 + 12 O2
CuO
+ CO
12 CO2 + CO2
+
11 H2O
Cu
Antes de efectuar el análisis, cada unidad de absorción (esto es los tubos de absorción, en uno de los cuales se coloca cloruro de calcio para la absorción de agua y en el otro se coloca hidróxido de potasio (o de bario) para determinar el dióxido de carbono) se pesan por separado y se colocan en posición. La corriente de oxígeno (la cual debe estar libre de trazas de humedad y de dióxido de carbono antes de entrar al tubo de combustión), acarreará los productos de la combustión de la muestra desconocida. El incremento en peso en los tubos de absorción, respectivamente representa la cantidad de hidrógeno y carbono oxidados presentes en el compuesto orgánico original. Una determinación más exacta de los gases producidos se puede realizar por medio de la cromatografía de gases.
Sí como ocurre frecuentemente con un producto de síntesis, un investigador que ha obtenido un compuesto orgánico en el laboratorio puede prever la composición de dicho
compuesto, simplemente a través de una comparación del resultado del análisis orgánico cuantitativo realizado sobre la muestra con respecto a la composición teórica calculada para el compuesto esperado, podrá tener un buen indicio si efectivamente tiene el compuesto por él sintetizado. Si suponemos que este investigador está efectuando una reacción de esterificación para obtener el tereftalato de dimetilo:
O
OH
O
OCH3
+ H + CH3OH
O
+ 2 H2O
OH
O
OCH3
C10H10O4 PM = 194.18 Si el análisis concuerda con la composición calculada para el ftalato de dimetilo, se deberá expresar de la siguiente manera: Calculado: C10H10O4: C=61.83 %; H=5.19% Encontrado: C=61.87%; H=5.23%
ANÁLISIS DE NITRÓGENO Los dos métodos usados actualmente para determinar la cantidad de nitrógeno presente en una muestra, son el método gasométrico de Dumas (1830) y el método titulométrico de Kjeldahl (1883). En la siguiente figura se muestra el equipo de Dumas.
Equipo
de
Dumas
para
determinar
nitrógeno
(modificación
de
Shelberg):
(1) Regulador de mercurio para controlar la presión; (2) Frasco Dewar con CO2 sólido; (3) Llave de tres pasos; (4) Tubo para combustión; (5) Mecheros; (6) Horno para combustión; (7) Nitrómetro de Schiff; (8) Botella niveladora; (9) Cierre de mercurio y válvula de seguridad
La muestra se oxida con el óxido cúprico, el cual produce nitrógeno y sus óxidos. Los óxidos producidos son reducidos a nitrógeno empleando una malla de cobre caliente. Después los gases resultantes son arrastrados hasta el nitrómetro, en donde se mide el volumen del nitrógeno generado, sobre una solución concentrada de hidróxido de potasio. Las reacciones efectuadas se muestran a continuación:
2 C6H5NO2 + 27 CuO 2 NO + 2 Cu
12 CO2 + 5 H2O + 2 NO + 27 Cu N2 + 2 CuO
¿CÓMO FUNCIONAN LOS DOS MÉTODOS QUE SE UTILIZAN EN LA ACTUALIDAD? En el procedimiento de Kjeldahl, una muestra es digerida con ácido sulfúrico concentrado en presencia de sulfato de potasio y un agente oxidante (permanganato de potasio o bien
ácido perclórico) para descomponer la sustancia y convertir el nitrógeno, presente en la muestra, en sulfato de amonio. Esta sal de amonio es convertida en amoniaco mediante la adición de hidróxido de sodio. El amoniaco se destila y se recoge en un volumen conocido de un ácido patrón, el cual se valora por retroceso con una base normalizada para determinar la cantidad de amoniaco. El método de Kjeldahl se utiliza principalmente para el análisis de alimentos y productos agrícolas y el método de Dumas generalmente se emplea para compuestos puros. Sin embargo, las técnicas modernas para llevar a cabo el micro Kjeldahl han hecho que este método sea más atractivo para los investigadores que solo disponen de pequeñas muestras para efectuar el análisis. ANÁLISIS DE HALÓGENOS Para realizar este tipo de análisis podemos hacer uso de los siguientes métodos: a) Método de combustión catalítica Este método es válido únicamente para determinar cloro y bromo. La muestra se quema en un tubo de combustión con una corriente de oxígeno. Los productos de la combustión se hacen pasar por contactos de platino al rojo y posteriormente los gases se absorben en una solución de carbonato de sodio que contenga bisulfito de sodio (este último compuesto se usa para reducir los halogenatos o hipohalogenitos) y después se adiciona una mezcla de nitrato de plata con ácido nítrico y el haluro de plata obtenido se pesa por precipitación. b) Método de Carius Este método supone la descomposición de la sustancia orgánica por acción del ácido nítrico bajo presión y en caliente, en presencia de nitrato de plata. De esta forma los halógenos se transforman en los haluros de plata, los cuales se determinan por los métodos gravimétricos ordinarios. ANÁLISIS DE AZUFRE El azufre presente en la muestra se procede a oxidarlo en ácido sulfúrico (o bien en un sulfato) el cual se determina gravimétricamente, ó mejor aún, volumétricamente. Para realizar esta oxidación se utilizan dos procedimientos:
a) La combustión y absorción por agua oxigenada, la cual oxida el ácido sulfuroso a ácido sulfúrico.
b) El método de Carius, el cual supone el calentamiento en un tubo cerrado en presencia de ácido nítrico y de cloruro de bario.
ANÁLISIS DE FÓSFORO Los métodos de determinación cuantitativa del fósforo presente en una muestra desconocida, suponen la destrucción de la sustancia orgánica, ya sea por medio de una fusión con una mezcla de carbonato de sodio y nitrato de potasio o bien por calentamiento a ebullición con una mezcla sulfonítrica (una mezcla de ácido sulfúrico con ácido nítrico). De esta forma, el fósforo presente en la sustancia orgánica se transforma en el ácido ortofosfórico, el cual se determina por alguno de los siguientes métodos:
a) Por medio de una precipitación cuantitativa con molibdato de amonio (reactivo de Lorenz).
b) Colorimétricamente, por el método del azul de molibdeno. c) Volumétricamente, disolviendo el precipitado en un exceso de hidróxido de sodio, destilando el amoniaco y titulando el álcali por retroceso.
PROBLEMAS 1.- Dadas las siguientes fórmulas empíricas y pesos moleculares, calcule usted la formula molecular de los siguientes compuestos: Fórmula empírica Peso molecular Fórmula molecular CH2 34 HO 34 CH2O 150 HgCl 472 HF 80 2.- Cuando se calienta azúcar a 600 C en ausencia de aire, se convierte en una masa de color negra, amorfa, de carbono (C) y agua (H2O) la cual se volatiliza como un gas. Si 465 mg de azúcar producen 196 mg de C, ¿Cuál es su fórmula empírica?. Si el peso molecular del azúcar es 312.27 g/mol, ¿cuál es su fórmula molecular?. 3.- Un compuesto desconocido tiene la siguiente composición porcentual: 3.2 % de H, 37.5 % de C y 59.3 % de F. ¿Cuál es su fórmula empírica?. Si 150 ml del vapor de este compuesto pesan 1.07 g a temperatura y presión estándar, ¿cuál es su fórmula molecular?. 4.- Al realizar un análisis por combustión de un compuesto desconocido, se obtuvieron los siguientes resultados: se pesaron 0.3720 g de la muestra y se obtuvieron 0.9680 g de anhídrido carbónico y 0.3960 g de agua. Cuando se disolvieron 2.5 g de la sustancia en 50 ml de agua, se observó un descenso en su punto de congelación de 0.50 C. ¿Cuál es la fórmula molecular del compuesto?. La constante molal para 100 g de agua para su punto de congelamiento es de 18.5 C/mol.
