Esterificación de Fischer

Síntesis de acetato de etilo. Reacción de obtención

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OBJETIVOS

  • Preparar acetato de etilo a partir de ácido acético y alcohol etílico en presencia de ácido sulfúrico como catalizador, por el procedimiento de Fischer.

  • Calcular el rendimiento de la reacción de esterificación.

INTRODUCCIÓN

Los ácidos carboxílicos se convierten directamente en ésteres mediante la esterificación de Fischer, al reaccionar con un alcohol en presencia de un poco de ácido mineral, por lo general ácido sulfúrico concentrado o cloruro de hidrógeno seco. Esta reacción es reversible y alcanza el equilibrio cuando aun quedan cantidades apreciables de reactivo.

H2SO4

R-C-OH + OH-R' R-C-O-R' + H2O

El mecanismo es una sustitución nucleofílica de acilo, catalizada por un ácido, debido a que el grupo carbonilo de un ácido carboxílico, no es lo suficientemente electrófilo para ser atacado por un alcohol; el catalizador ácido protona el grupo carbonilo y lo activa hacia el ataque nucleofílico. La pérdida de un protón forma el hidrato de un éster.

:O: :O+-H O-H O-H O-H O

R-C-OH + H+ R- C -O-H R-C=O+-H R-C+-O-H R-C-O-H R-C-O-H + H+

H-O-R' H-O+-R O-R'

hidrato de éster

La pérdida de agua del hidrato del éster, se lleva a cabo mediante el mecanismo que la pérdida del hidrato de una cetona. La protonación de los grupos de hidroxilo permite que se elimine como agua, formando un catión estabilizado por resonancia. La pérdida de un protón del segundo grupo hidroxilo forma el éster.

OH H-O+-H O+-H OH OH O

R- C-O-H + H+ R-C-O-H H2O + R-C R-C+ R-C R-C-O-R' + H3O+

O-R' O-R' O-R' O-R' O+R'

hidrato éster

La esterificación de Fischer es una reacción de equilibrio y las constantes de equilibrio típica no son muy grande (aproximadamente igual a 4). Pero cuando se emplean alcoholes secundarios o terciarios la constante de equilibrio disminuye más aún. Por lo tanto, la presencia de grupos voluminosos próximos al lugar de la reacción, en el alcohol o en el ácido, disminuye la velocidad de esterificación (y la reacción inversa; la hidrólisis).

Se puede favorecer la esterficación hacia la derecha ya sea usando un exceso de uno de los recativos o eliminando uno de los productos. Por ejemplo, en la formación de esteres etílicos se emplea con frecuencia etanol en exceso para impulsar el equilibrio tan lejos como sea posible hacia el lado del éster. También se puede eliminar agua ya sea por destilación, o por adición de un deshidratante, como el sulfato de magnesio o cristales de zeolita deshidratada.

Debido a los inconvenientes para favorecer la esterificación de Fischer hasta su terminación, con frecuencia se prefiere la reacción de un cloruro de ácido con un alcohol para la síntesis de los ésteres en el laboratorio. La esterificación de Fischer normalmente se utiliza en la industria, donde las técnicas mencionadas arriba dan buenos rendimientos de productos.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se colocan 15 ml. de Ácido Acético y 8.5 ml. de alcohol isoamílico en un balón de 100 ml., se agregan 5 ml. de Ácido Sulfúrico concentrado y se añaden perlas de ebullición

Se le adapta un refrigerante Alhing (a bola) sobre el balón y reflujar la mezcla durante 1 hora, ver figura 1. Al finalizar, se enfría el balón en agua y luego en hielo y el montaje se modifica para hacer una destilación.

Verter el contenido del balón a 40 ml de agua fría destilda y transferir esta mezcla a un embudo de separación, si no ocurre la separación de la dos fases añadir una porción de cloruro de sodio y agitar. Separar la fase orgánica.

Lavar esta fase con 15 ml de bicarbonato de sodio al 5 %, repetir el procedimiento y chequear si la capa acuosa tiene Ph ligeramente alcalino o neutra. De no ser así repetir con una última extracción.

Lavar ahora la capa orgánica con agua destilada y separe la capa orgánica colocándola en un erlenmeyer, añadir 1 o 2 gr de sulfato de magnesio y agite ocasionalmente. Filtrar la mezcla y tomar la fase orgánica en un balón de destilación de 50 ml y agregar perlas de ebullición.

Destilar el éster como el montaje de la figura 2, hasta que quede poco residuo en el balón. Medir el volumen del destilado y anotar.

OBSERVACIONES EXPERIMENTALES

Al añadir el ácido sulfúrico se observó un color amarillento en la mezcla y ésta se puso

caliente.

Al empezar a calentar la mezcla se tornó rojo remolacha y a los 10 minutos se presenció gases en la columna de reflujo.

Después de reflujar durante una hora y agregarle agua destilada se observó dos capas una verde oliva en la parte superior y otra rosado pálido en la parte inferior, siendo ésta la capa acuosa. Al agregar bicarbonato de sodio continuaron las dos capas y se observó el burbujeo del dióxido de carbono, se probó la alcalinidad y se tuvo que hacer una segunda extracción hasta obtener un pH ligeramente alcalino.

Cuando se agrega agua destilada a la capa orgánica ya lavada con la solución de bicarbonato de sodio se forma nuevamente dos capas, una incolora en la parte inferior y otra amarillo ocre en la parte superior, para acelerar este proceso de separación fue necesario añadir agua con sal.

Al añadir el sulfato de magnesio anhidro se formó un pegoste en el fondo y se separó por decantación la solución a destilar, inicialmente esta solución presentaba un color amarillo claro.

El destilado tuvo una temperatura de ebullición de 90 ºC, luego la temperatura bajó a 84 ºC y finalmente subió a 97 ºC , se recogió un destilado de 3 ml y este tenía un aspecto incoloro.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La reacción involucrada en el proceso de formación del acetato isoamílico, es la siguiente:

O OH CH3 O CH3

CH3- C -OH + CH2-CH2-CH-CH3 CH3- C -O-CH2-CH2-CH + H2O

CH3

Acido acético 3metil-1butanol Acetato isoamílico

Por ser una reacción de equilibrio se puede aplicar el principio de Le Chatelier agregando un exceso de unos de los reactivos (ácido acético, en este caso) para que el equilibrio se desplace hacia la formación del éster que es lo que se busca. Aplicando el mismo principio se justifica la técnica del reflujo, pues si observamos que el agua es la que tiene menor punto de ebullición, respecto a los demás compuestos, por lo tanto al evaporarse del medio se contribuye más aún el desplazamiento del equilibrio hacia a la derecha.

La formación de dos fases en el balón en el proceso de reflujo es lógico pues la reacción de esterificación implica la formación de agua, que no es compatible con el acetato por lo que entonces se forman dichas fases; una inferior donde se encuentran el ácido acético, el ácido sulfúrico y el alcohol. Y en la fase superior se encontrará la fase formada por el acetato isoamílico y ciertas impurezas de agua y ácido. El arreglo de las capas de esa forma se debe a las diferentes densidades de compuestos involucrados.

Esto explica también el comportamiento que ocurre en el embudo de separación y es de este fenómeno de que nos valemos para poder separar la capa orgánica de la acuosa. Sin embargo como en la capa acuosa pueden quedar remanentes del ácido acético se hace su extracción con la solución de bicarbonato de sodio formando así este una sal aniónica soluble en agua más dióxido de carbono que es el que forma las burbujas en el proceso de lavado. La gran cantidad de burbujeo en la primera extracción denota que en la capa orgánica existía una alta concentración de ácido acético, por lo que se hace más importante aún el lavado con agua posterior al hecho con la solución de bicarbonato de sodio para asegurar que la sal del ácido formada es extraída en su mayoría.

El olor a cambur del acetato isoamílico, es una característica predominante que poseen los ésteres. Los ésteres son compuestos distribuidos en la naturaleza que se encargan de dar el olor y sabor característicos de frutas y flores; aunque no siempre están presente de manera tan sencilla sino una mezcla compleja pero con el grupo funcional del éster presente.

Después de destilar se obtuvo 3 ml. de acetato isoamílico, obteniendo un rendimiento de: 20ºCOH = 0.8129 g/ml

20ºCAc. .isoamilíco= 0.8670 g/ml

Necesito saber los moles de alcohol porque la reacción es 1:1:

moles OH= 0.8129g/ml . 8.5 ml= 6.910 g (1mol/88.15 g)= 0.0784 mol

Los moles de acetato isoamílico obtenidos fueron:

moles acetato = 0.8670 g/mol .3ml= 2.601 g (1mol/130.19)=0.0200 mol

Esterificación de Fischer
Esterificación de Fischer

Este rendimiento se le atribuye a que la reacción es reversible y a pesar de que se agregó ácido acético en exceso para favorecer la formación de éster, no se evaporó suficiente cantidad de agua y esto movió el equilibrio hacia el lado no deseado. Para mejorar esto habría que reflujar por más tiempo para que se evapore todo el agua que se forma en la reacción y desfavorecer que se mueva el equilibrio hacia la izquierda.

BIBLIOGRAFÍA

  • Wade L. “Química Orgánica”. 2º edición. Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A. México 1993. Pp. 970-971

  • Pavia , D., LAMPMAN, G Yy otros, “Introducción to Organic Laboratory Techniques a Microscale Aproach”. Saunders Golden Sunburst Series. United State of america. 1990, pp. 85-86.

  • Dean, Jonh, “Lange Manual de Química”. 1º edición en español. Tomo III. McGraw-Hill. México 1990.

  • CONCLUSIONES

    • Se sintetizó el acetato isoamilíco, a partir de un alcohol isoamílico y ácido acético por el mecanismo de esterificación de Fischer.

    • La reacción de esterificación de Fischer implica un equilibrio por lo que el rendimiento resultó bajo.

    • Se puede lograr mover el equilibrio hacia el producto deseado con colocar en exceso uno de los reactivos y con el proceso de reflujo se ayuda a desplazar el equilibrio debido al principio de Le Chatelier.