Reacciones ácido-base y solubilidad de compuestos orgánicos PDF

Reacciones ácido-base y su efecto en la solubilidad de los compuestos orgánicos Profesores de Química Orgánica Departamento de Química Universidad de Caldas 2024 Objetivos a) Reconocer los sitios ácidos y básicos d...

Reacciones ácido-base y su efecto en la solubilidad de los compuestos orgánicos Profesores de Química Orgánica Departamento de Química Universidad de Caldas 2024 Objetivos a) Reconocer los sitios ácidos y básicos de los compuestos orgánicos para predecir su solubilidad en medios acuosos ácidos o básicos b) Utilizar pruebas cualitativas con el fin de acercarse al reconocimiento cualitativo de una muestra problema con carácter ácido o básico  Pruebas cualitativas Algunos procesos físicos y otros químicos, son visibles al ojo humano y suceden muy rápidamente 1 Los experimentos sencillos (realizables por lo general en tubos de ensayo) y cuya ocurrencia es fácilmente verificable por cambios notorios y rápidos, son 2 utilizados como pruebas cualitativas Cuando ocurre evidentemente el cambio esperado la prueba es positiva, mientras que la prueba se considera negativa cuando no se evidencia el cambio 3 esperado Pruebas cualitativas Sin embargo, las pruebas cualitativas son de utilidad limitada en investigación avanzada, ya que han sido desplazadas por las técnicas de análisis orgánico moderno a través de pruebas instrumentales (espectroscópicas), entre ellas la espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear Protónica (RMN-1H), de Carbono 13 (RMN-13C), espectroscopia Infrarroja (IR), espectroscopia del ultravioleta visible (UV-Vis), espectrometría de masas. En los enlaces que encuentran a continuación se describen algunos ejemplos de pruebas cualitativas:  https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=i2x4foEuRcI&feature=emb_logo  https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=dpjWqLDq2FQ&feature=emb_logo  https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=4Zq13W-0lU4&feature=emb_logo  La disolución La disolución de un compuesto en otro es un proceso físico que ocurre de manera rápida y se visualiza fácilmente; por lo tanto, la solubilidad o insolubilidad en agua y en solventes orgánicos es una prueba cualitativa de gran utilidad Las sustancias altamente polares son solubles en agua e insolubles en solventes orgánicos como hexano (C6H14) o diclorometano (CH2Cl2); las sustancias poco polares o no polares, por el contrario, son insolubles en agua y solubles en solventes orgánicos Este tema lo explicamos cuando vimos "Efecto de las fuerzas intermoleculares sobre la solubilidad de los compuestos” https://www.youtube.com/watch?time_continue=33&v=DupXDD87oHc&feature=emb_logo La acidez o la basicidad La acidez o la basicidad de una sustancia orgánica es fácilmente verificable usando papel tornasol y da un indicio inicial de la naturaleza de la sustancia que se está analizando La acidez o la basicidad Más aún, un compuesto básico por lo general es soluble en soluciones ácidas sin importar que sea insoluble o no en agua neutra; un ejemplo de esto es la solubilidad de la etilamina (CH3CH2NH2) con ácido clorhídrico (HCl acuoso) La acidez o la basicidad De manera análoga, un compuesto ácido por lo general es soluble en soluciones acuosas alcalinas, independiente de su solubilidad en agua neutra; un ejemplo de esto es la solubilidad del ácido acético (CH3COOH) o del ácido benzoico con hidróxido de sodio (NaOH) o con bicarbonato de sodio (NaHCO3) La acidez o la basicidad La acidez o la basicidad Estas pruebas son fácilmente verificables en tubos de ensayo  https://phet.colorado.edu/sims/html/acid-base-solutions/latest/acid-base-solutions_es.html  https://www.youtube.com/watch?time_continue=37&v=Jfa2wxpJJBA&feature=emb_logo  https://www.youtube.com/watch?time_continue=3&v=zOFhzWBvD5s&feature=emb_logo  https://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=NNXvokAcSuE&feature=emb_logo  https://www.youtube.com/watch?time_continue=85&v=t5eUOXm-wiE&feature=emb_logo  La efervescencia Una prueba cualitativa típica para compuestos ácidos, es la efervescencia, la cual se verifica cuando se forma un gas que abandona bruscamente la matriz líquida. Los productos comerciales efervescentes (como el alka- Seltzer® por ejemplo) se comportan así porque al contacto con el agua forman dióxido de carbono (CO2) gaseoso El bicarbonato de sodio (NaHCO3) (base débil) reacciona con compuestos ácidos formando dióxido de carbono (CO2), por lo cual la alta acidez es fácilmente reconocible por la efervescencia que resulta cuando se les ensaya con solución de bicarbonato de sodio (NaHCO3) Aparición de una coloración o decoloración de sustancias Algunas reacciones químicas se llevan a cabo con reactivos coloreados los cuales se convierten en nuevas sustancias incoloras; una decoloración sirve de prueba cualitativa siempre y cuando ocurra rápidamente Análogamente, algunas reacciones se inician con reactivos incoloros y dan lugar a sustancias coloreadas; la aparición de una coloración es igualmente una prueba cualitativa si se lleva a cabo con rapidez en un tubo de ensayo https://www.youtube.com/watch?v=0d6HRL65vyo&feature=emb_logo  Formación de precipitados, aparición de dos fases o turbidez de la solución Otras reacciones químicas se llevan a cabo con sustancias solubles y dan lugar a nuevas sustancias insolubles; este cambio es visible porque aparece un precipitado en el tubo de ensayo o se forman dos capas o se genera turbidez Lo anterior se resume expresando que sirven de pruebas cualitativas las reacciones que provoquen rápidamente la formación de precipitados o la aparición de dos fases o el enturbiamiento de la solución http://blogs.unlp.edu.ar/quimicaorganica/category/ensayos-de-laboratorio/ https://www.youtube.com/watch?v=Qc2pWUIzP2k&feature=emb_logo Solubilidad de compuestos orgánicos por reactividad ácido-base Solubilidad de compuestos orgánicos por reactividad ácido-base a) Basicidad de compuestos orgánicos: solubilidad en ácido sulfúrico (H2SO4) u otros ácidos fuertes La presencia de átomos eléctricamente neutros de nitrógeno o de oxígeno por lo general le da carácter básico a las sustancias orgánicas. Aunque la basicidad de las sustancias nitrogenadas puede inclusive detectarse con papel tornasol, la basicidad de los compuestos oxigenados es menos evidente. De todas maneras la basicidad derivada de la presencia de oxígeno o nitrógeno le confiere solubilidad en ácido sulfúrico a las sustancias que contienen estos elementos La mayoría de los éteres, alcoholes, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, son solubles en ácido sulfúrico (H2SO4) Las aminas y compuestos heterocíclicos son también solubles en ácido sulfúrico (H2SO4) o en ácido clorhídrico concentrado (HCl) Solubilidad de compuestos orgánicos por reactividad ácido-base Figura 1. Reacción ácido-base de un éter y una amina con un ácido mineral Solubilidad de compuestos orgánicos por reactividad ácido-base b) Acidez de compuestos orgánicos: solubilidad en hidróxido de sodio (NaOH) o bicarbonato de sodio (NaHCO3) acuosos En principio cualquier átomo de hidrógeno enlazado a un átomo electronegativo tiene comportamiento ácido. Pero en solución acuosa esa manifestación ácida es solamente evidente en ácidos minerales convencionales (ejemplo HCl, HI, H2SO4) y en los ácidos carboxílicos (RCOOH) y fenoles que son las familias de compuestos orgánicos más fuertes como ácidos Tanto los fenoles (ArOH) como los ácidos carboxílicos reaccionan cuantitativamente con hidróxido de sodio formando las respectivas sales iónicas hidrosolubles; en consecuencia, cualquier ácido carboxílico y la mayoría de los fenoles son solubles en solución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) (sean o no sean solubles en agua) Figura 2. Reacción ácido-base de un ácido carboxílico y un fenol con hidróxido de sodio  Figura 3. Reacción ácido-base de un ácido carboxílico con bicarbonato de sodio Sin embargo, solamente los ácidos carboxílicos tienen la acidez suficiente para reaccionar con el bicarbonato de sodio (base bastante débil). Uno de los subproductos de la reacción es el dióxido de carbono que se desprende evidenciando efervescencia, el cual se forma por la descomposición del ácido carbónico, así que los ácidos carboxílicos generan efervescencia cuando se les trata con soluciones acuosas de bicarbonato de sodio, formando en solución las respectivas sales de sodio (aniones carboxilato) b) Acidez de compuestos orgánicos: solubilidad en hidróxido de sodio (NaOH) o bicarbonato de sodio (NaHCO3) acuosos Las sales de aminas, son sales ácidas y también producen efervescencia con el bicarbonato de sodio. Tales sales son ácidos conjugados de las respectivas aminas (el ácido conjugado de una base débil por lo general es un ácido fuerte y viceversa) Por ejemplo el cloruro de amonio (NH4Cl) da lugar a efervescencia cuando se le trata con bicarbonato de sodio acuoso. La formación de ácido carbónico conlleva a su inmediata descomposición en agua y dióxido de carbono (responsable de la efervescencia por ser un gas a temperatura ambiente) Figura 4. Reacción ácido-base de una sal de amina con bicarbonato de sodio Parte experimental Escriba en las siguientes tablas los resultados de las pruebas que se ilustraran durante nuestra práctica demostrativa (ver video). Además, debajo de cada tabla escriba las ecuaciones balanceadas (si aplica) que representan cada una de las reacciones que dieron cambios positivos. Indique en cada ecuación cuál es la sustancia responsable del cambio en la apariencia que usted observó en el tubo de ensayo y haga un análisis global de los resultados. A. Prueba de acidez i) Solubilidad por reactividad ácido-base usando bicarbonato de sodio NaHCO3 (alistar 5 tubos de ensayo) Qué se va a hacer: analizar la solubilidad o no (y producción de efervescencia o no) de 4 solutos diferentes (por separado), cada uno en 3 mL de una solución acuosa al 5% de NaHCO3 Solutos a utilizar: ácido acético, ácido benzoico, ciclohexanol, y una muestra problema Cómo se hace: empezar con 3 mL de la solución acuosa al 5% de NaHCO3 en cada tubo de ensayo, adicionar pequeñas cantidades (gota a gota si el soluto es líquido, o pequeños cristales si el soluto es sólido) y agitar. Observar si hay efervescencia (desprendimiento de CO2), y la solubilidad o no de cada soluto que se está probando A. Prueba de acidez ii) Solubilidad por reactividad ácido-base usando hidróxido de sodio NaOH (alistar 5 tubos de ensayo) Qué se va a hacer: analizar la solubilidad o no de 4 solutos diferentes (por separado), cada uno en 3 mL de una solución acuosa al 5% de NaOH Solutos a utilizar: ácido acético, ácido benzoico, ciclohexanol, y una muestra problema Cómo se hace: empezar con 3 mL de la solución acuosa al 5% de NaOH en cada tubo de ensayo, adicionar pequeñas cantidades (gota a gota si el soluto es líquido, o pequeños cristales si el soluto es sólido) y agitar. Observar si hay solubilidad o no de cada soluto que se está probando Pruebas de acidez usando bicarbonato de sodio (NaHCO3) e hidróxido de sodio (NaOH) (escribir los resultados observados, por ejemplo: soluble, soluble y efervescencia, etc.) Solución 5% de Solubilidad en Solución 5% Nombre del Estructura NaHCO3 agua de NaOH compuesto (pKa) química Ácido acético (4.76) Ácido benzoico (4.2) Ciclohexanol (16) Muestra problema N°______ *Análisis: hacer las reacciones químicas balanceadas para las reacciones positivas y explicar por qué son positivas. B. Prueba de basicidad de compuestos nitrogenados usando ácido clorhídrico HCl i) Solubilidad por reactividad ácido-base de aminas usando solución de HCl al 5% (alistar 3 tubos de ensayo) Qué se va a hacer: analizar la solubilidad o no de 3 solutos diferentes (por separado), cada uno en 3 mL de HCl acuoso al 5% Solutos a probar: anilina (insoluble en agua), dietilamina y una muestra problema Cómo se hace: empezar con 2 mL de solución al 5% de HCl en cada tubo de ensayo, adicionar unas cinco gotas (o pequeños cristales si el soluto es sólido) y agitar. Observar si hay solubilidad o no de cada soluto que se está probando Prueba de basicidad: solubilidad en ácido clorhídrico HCl al 5% (escribir los resultados observados, por ejemplo: insoluble, soluble y efervescencia) Soluble en HCl Estructura ¿Solubilidad acuoso al 5%? química en agua? (observaciones) Anilina Dietilamina Muestra problema N°____ * Análisis: hacer las reacciones químicas balanceadas para las reacciones positivas. C. Prueba de basicidad de compuestos oxigenados y alquenos usando ácido concentrado i) Solubilidad por reactividad ácido-base de éteres, alcoholes y alquenos, usando ácido sulfúrico H2SO4 concentrado (alistar 5 tubos de ensayo) Qué se va a hacer: ensayar la solubilidad o no de cinco solutos diferentes (por separado), cada uno en 2 mL de H2SO4 concentrado Solutos a probar: éter etílico, ciclohexanol, ciclohexeno y hexano (todos ellos son insolubles en agua) y una muestra problema Cómo se hace: empezar con 2 mL de H2SO4 concentrado en cada tubo de ensayo, adicionar unas cinco gotas (o unos pequeños cristales si el soluto es sólido) y agitar. Observar si hay solubilidad o no de cada soluto que se está probando  Prueba de solubilidad en H2SO4 concentrado (escribir los resultados observados, por ejemplo: soluble o insoluble) Soluble en H2SO4 concentrado? Estructura química (observaciones) Ciclohexanol Ciclohexeno Éter etílico Hexano Muestra problema N°____ Análisis: para el caso de ser positiva la solubilidad en H2SO4, hacer las reacciones químicas balanceadas.  Antocianinas como indicadores de pH (reacciones ácido-base) En este informe escrito que se va a elaborar por parte de cada uno de ustedes de manera individual, se revisarán las siguientes temáticas: antocianinas y los cambios estructurales con el cambio del pH. Debe contener los siguientes aspectos y se debe hacer en el cuaderno Fundamento de la práctica: incluir los aspectos teóricos sobre las antocianinas, y los cambios estructurales con el cambio del pH. Procedimiento experimental y resultados: acá deben anexar las fotos en el siguiente orden: i. Antes de adicionar la antocianina a cada sustancia ii. Una vez adicionada la antocianina a cada sustancia iii. Una vez organizadas las sustancias por orden de acidez, de pH menor a pH mayor (según la escala reportada en la literatura para los ensayos de acidez y basicidad usando las antocianinas) Debe agregar un análisis de los resultados obtenidos, es decir, cuál es el compuesto químico que contiene cada sustancia ensayada, responsable de hacer cambiar el color de la antocianina, indicando si tiene carácter ácido o básico y la razón. Conclusiones: debe escribir sus propias conclusiones de la práctica realizada. Referencias: escriba la bibliografía que utilizó para documentar su informe.  Cromatografía en capa fina Para todos es evidente la forma como se “mueve” la tinta sobre una hoja de papel cuando se moja, dando lugar a diversas manchas, porque la tinta no es un solo compuesto sino una mezcla. Así que el agua arrastra los diferentes componentes de la tinta a través del papel, pero cada componente se mueve a diferente velocidad y por ello se hacen visibles varias manchas. En la práctica, lo que ocurre es un proceso cromatográfico, en el cual el papel actúa como un material inmóvil (o estacionario) y el agua actúa como un material móvil que arrastra los componentes de la tinta. La mayoría de los métodos más modernos y sofisticados para la separación de mezclas involucran la cromatografía. La cromatografía se define como la separación de una mezcla de dos o más componentes mediante movimiento entre dos fases, una de las cuales es una fase estacionaria y la otra es una fase móvil. El nombre cromatografía fue dado por el investigador ruso Tswett, quien a principios del siglo consiguió la separación de pigmentos de plantas en un sorbente (extendiéndose el método a compuestos incoloros). El hecho de que la cromatografía se haya convertido en un elemento de trabajo indispensable en el laboratorio moderno tiene como principales causas: el gran ahorro de tiempo, la simplicidad de sus métodos en comparación con los tradicionales para determinación de compuestos orgánicos y el gran campo de acción, no sólo en la química analítica sino también en la química preparatoria. Hay cuatro clases importantes de cromatografía las cuales se basan en los principios mencionados anteriormente. Estas son: cromatografía de columna, cromatografía en capa fina, cromatografía de papel y cromatografía de gases. La cromatografía en capa fina (CCF) o TLC (Thin Layer Chromatography) –sigla en inglés) es una forma de cromatografía de adsorción sólido-líquido que constituye una técnica importante en química orgánica, química analítica, química inorgánica, etc., para el análisis rápido de pequeñas cantidades de muestras. Esta técnica tiene utilidad cualitativa más no cuantitativa, así que frecuentemente se usa para la simple detección cualitativa de un componente en una mezcla. Es común el uso de cromatografía en capa fina en el seguimiento de la evolución del progreso de una reacción, o para el control y seguimiento de las separaciones que se producen mediante una cromatografía en columna preparativa. Inicialmente, la muestra aplicada en la capa, es adsorbida en la superficie del material por la acción de las fuerzas electrostáticas, fuerzas de van der Waals, enlaces de hidrógeno, efectos inductivos, etc. Luego, cuando la capa es expuesta a un flujo líquido, por acción capilar se inicia una competencia de atracciones entre los sitios activos del adsorbente y la sustancia con el solvente. Los adsorbentes, (o fases estacionarias) más utilizados en la cromatografía en capa fina son: sílica gel, óxido de aluminio o alúmina ácida, neutra o básica, celulosa y poliamidas. La sílica-gel es la fase estacionaria utilizada en aproximadamente un 80% de las separaciones que a diario se llevan a cabo en los laboratorios de investigación.Preparación de la placa cromatográfica Se usan como soporte del adsorbente, láminas de vidrio, plástico o metálicas (por ejemplo aluminio). Los tamaños de la placa para CCF convencional son: 20 x 20, 10 x 20 y 5 x 2. Hay placas que contienen un indicador de fluorescencia (F254 o F366) el número que aparece como subíndice nos indica la longitud de onda a la cual se hace visible el indicador utilizado. Entre los usos comunes de la cromatografía en capa fina se incluyen:  Determinación del número de componentes en una mezcla  Determinación de la identidad de los compuestos en una mezcla  Monitorear el progreso de una reacción  Identificar la mezcla de solventes ideal para hacer una cromatografía de columna  Comprobar la efectividad de una purificación.  Elección de la fase estacionaria para realizar la separación: Los dos materiales de carácter polar o revestimientos como fase estacionaria (adsorbentes) más comunes para hacer cromatografía en capa fina son alúmina anhidra (Al2O3) y sílica gel (SiO2). La red covalente de estos adsorbentes crean materiales muy polares (fase estacionaria muy polar), debido al carácter electropositivo del aluminio y del silicio y el carácter electronegativo del oxígeno. El proceso de adsorción se debe a interacciones intermoleculares de tipo dipolo‐dipolo o enlaces de hidrógeno entre el soluto y el adsorbente. El adsorbente debe ser inerte con las sustancias a analizar y no actuar como catalizador en reacciones de descomposición. El adsorbente interacciona con las sustancias mediante interacción dipolo‐dipolo o mediante enlace de hidrógeno si lo presentan. La alúmina anhidra es el más activo de los dos, es decir, es el que retiene con más fuerza a los compuestos; por esta razón se utiliza para separar compuestos relativamente apolares (hidrocarburos, haluros de alquilo, éteres, aldehídos y cetonas). La sílica gel, por el contrario, se utiliza para separar sustancias más polares (alcoholes, aminas, ácidos carboxílicos). b) estructura de la sílica gel a) interacciones entre el soluto y el adsorbente SiO2 Estructura de la sílica gel e interacciones con el soluto En una situación extrema, por su máxima afinidad con la fase estacionaria, las sustancias muy polares no migran muy lejos sobre óxido de aluminio a partir del punto de partida, mientras los compuestos no polares se mueven con el frente del solvente si la cromatografía se desarrolla con un solvente no polar (mínima afinidad con la fase estacionaria). Similar comportamiento se observa cuando la cromatografía se lleva a cabo sobre sílica gel. Polaridad del solvente o de la mezcla de solventes usada como fase móvil El orden de elución de un compuesto se incrementa al aumentar la polaridad de la fase móvil o eluyente. Este puede ser un disolvente único o dos miscibles de distinta polaridad. Un solvente polar se llevará consigo los analitos polares y los solventes no polares llevarán los no polares. En cierto sentido, se aplica la frase “semejante disuelve semejante” La atracción del analito por la fase estacionaria y el solvente determina el equilibrio de éste y por lo tanto el movimiento a través de la fase estacionaria. En general, entre más polar el grupo funcional, más fuerte es la atracción por la fase estacionaria y las moléculas se moverán más lentamente. En una situación extrema, que las moléculas no se muevan, se puede superar incrementando la polaridad de la fase móvil para favorecer la migración de las moléculas. La polaridad del sistema de solventes usado como fase móvil polar es muy importante para obtener resultados más confiables. Con el fin de obtener la mejor separación posible, es decir, grandes diferencias en los valores de Rf entre los diferentes compuestos, la fase móvil puede ser un solvente puro o una mezcla de solventes miscibles. En la Tabla se muestra una lista de solventes comunes, para usar tanto en TLC como en columna; a mayor valor de la constante dieléctrica más polar es el solvente. Tabla. Lista de solventes comunes para hacer cromatografía en capa fina y de columna Solvente Constante Solvente Constante dieléctrica dieléctrica Hexano 1.9 Acetato de etilo 6.0 Éter de petróleo 2.0 Ácido acético 6.2 Ciclohexano 2.0 Alcohol isopropílico 18.3 Tetracloruro de 2.2 Acetona 20.7 carbono Benceno 2.3 Etanol 24.3 Tolueno 2.4 Metanol 32.6 Éter dietílico (éter) 3.4 Agua 78.5 Cloroformo 4.8 En general, estos solventes tienen bajos puntos de ebullición y bajas viscosidades, así que migran rápidamente a lo largo de la placa de TLC. La forma de determinar cuál es la mejor mezcla o sistema de solventes para separar analitos es haciendo mezclas de diferentes sistemas por ensayo y error en el laboratorio. En la Tabla se sugieren algunas mezclas y sus proporciones para separar compuestos orgánicos específicos usando sílica gel: Tabla. Lista de mezcla de solventes para separar algunos compuestos orgánicos específicos Clase de compuestos Mezcla o sistema de solventes Alcoholes Ciclohexano:acetato de etilo (1:1) o éter de petróleo:éter dietílico (10:1) Amidas Acetato de etilo:metanol (5:1) Aminas, aminoácidos Metanol:cloroformo (2:3) + 1% 8 vol) de 33% de amoníaco Ácidos carboxílicos Cloroformo + 90% ácido fórmico hasta saturación Ésteres Ciclohexano:acetato de etilo (1:1 o 1:2) Hidrocarburos Éter de petróleo o ciclohexano o benceno:étil dietílico (2:1) o ciclohexano:acetato de etilo (3:1) Cetonas Ciclohexano:acetate de etilo (1:1 o 1:2) o eter dietílico:hexano (1:9) Cómo identificar un compuesto desconocido por CCF Para identificar un compuesto desconocido por CCF, la estrategia usual es hacer cromatogramas de sustancias conocidas (los estándares) que se creen que están presentes en las muestras desconocidas, con las muestras desconocidas al mismo tiempo (en la misma placa de TLC). Si la muestra desconocida tiene uno o más puntos que corresponden con puntos con los mismos Rf de los estándares, entonces esas sustancias probablemente están presentes. Aplicación de la muestra y desarrollo de la placa La muestra se aplica con un capilar sobre la placa; el desarrollo de la placa es un proceso mediante el cual la muestra es transportada a través de la fase estacionaria por la fase móvil. En la Figura se ilustra el proceso completo de cómo hacer una cromatografía en capa fina. Cómo hacer una cromatografía en capa fina Ejemplo de cómo aplicar las muestras sobre la placa de TLC Revelado de la placa (detección o visualización de compuestos en CCF) La mayor parte de las placas de cromatografía llevan un indicador fluorescente que permite la visualización de los compuestos activos a la luz ultravioleta (254 nm). El indicador absorbe la luz UV y emite luz visible. La presencia de un compuesto activo en el UV evita que el indicador absorba la luz en la zona en la que se encuentra el producto, y el resultado es la visualización de una mancha en la placa que indica la presencia de un compuesto. En el caso de compuestos que no absorben luz UV, la visualización (o revelado) del cromatograma requiere utilizar un agente revelador. Este tiene que reaccionar con los productos adsorbidos proporcionando compuestos coloreados. También se conoce este procedimiento como revelado. Estos métodos son: químicos (por inmersión o rociado) o físicos (ópticos). Algunos pigmentos coloreados son posibles de ver sin ayuda de un revelador especial, de tal manera que se puede marcar su ubicación en la placa para medir el coeficiente de retención o recorrido frontal del analito (Rf). En la Figura se muestra una ilustración de cómo medir el coeficiente de retención (Rf). Cómo calcular el coeficiente de retención Objetivos a) Usar la cromatografía en capa fina para realizar la identificación de pigmentos naturales presentes en materiales vegetales. b) Identificar visualmente por su color, los tipos de pigmentos separados por cromatografía en capa fina. Preguntas de pre-laboratorio a) ¿Qué son los carotenos?, haga una descripción química de al menos 5 renglones b) Escriba la estructura de los carotenos y descríbalos químicamente de acuerdo a su polaridad e indique cuál es su color. c) ¿Qué es el coeficiente de retención, Rf?, ¿para qué sirve el coeficiente de retención? d) Haga las estructuras de todas las clorofilas que se han descubierto a la fecha, señalando el organismo que las contienen. Indique de qué color es cada una. e) Explique cómo y porqué se separan los componentes de la mezcla de pigmentos de la espinaca y consulte a cuál pigmento corresponde cada coloración observada durante la separación usando cromatografía en capa fina. f) ¿Cuál es la utilidad práctica de la cromatografía en el desarrollo de una investigación con material vegetal? g) ¿Cuál es la utilidad práctica de la cromatografía en el desarrollo de una reacción química que produce 2 productos. Materiales Aparatos Reactivos 1 probeta Algodón 10 gramos de espinaca 1 gotero 2 Erlenmeyer de 50 mL Diclorometano 1 espátula Mortero y un embudo de caña Etanol 3 capilares Sulfato de sodio 1 vaso de 400 mL 1 cubeta para cromatografía 1 embudo de separación Placas de sílica gel para cromatografía Parte experimental A. Extracción de los pigmentos de la espinaca Pesar 10 g de muestra vegetal en un beaker de 50 mL (puede usarse pasta de espinaca preparada mediante licuado de las hojas en una pequeña cantidad de agua). Adicionar 12 mL de etanol y macerar la muestra con una espátula, con el fin de remover agua (y sales disueltas) de la muestra vegetal. Filtrar a través de un embudo de caña corta con un tapón de algodón sueltamente empaquetado. Presionar la pulpa hasta que remueva la mayor cantidad de líquido etanólico-acuoso posible (este líquido puede ser descartado). Devolver la pulpa ya deshidratada y el algodón a un beaker de 50 mL seco. Adicionar 10 mL de diclorometano, agitar y macerar la mezcla durante unos dos minutos y proceder a filtrar de la misma manera como se hizo anteriormente. En este caso el líquido obtenido (extracto en diclorometano) sí es el material deseado, el cual será sometido a evaporación rotatoria hasta obtener la mezcla de pigmentos libre de solvente. Re-disolver la mezcla de pigmentos en unas 20 gotas de diclorometano. B. Aplicación de la muestra sobre la placa a. Sobre una placa de sílica gel para cromatografía de aproximadamente 6 x 3 cm. Trace suavemente una línea base, aproximadamente 1 cm del borde, con un lápiz (ver Figura 45). b. Introduzca la punta del capilar en la solución de los pigmentos. Luego que observe la solución dentro del capilar, retírelo. c. Toque momentáneamente y con suavidad con la punta del capilar lleno, un punto de la capa de cromatografía sobre la línea base trazada. Se debe lograr una manchita circular pequeña. d. Se deja que el solvente (o mezcla de solventes) se evapore y de esta manera está lista para hacer la cromatografía. C. Desarrollo de la cromatografía a. En una cubeta para cromatografía se introduce una tira de papel de filtro, se impregna bien el papel con una mezcla 60/40 de hexano/acetato y luego se agrega esta misma mezcla de solventes a la cubeta hasta una altura de unos 0.5-1.0 cm y se tapa, dejándola en reposo unos 5 minutos para que su atmósfera se sature con los vapores del solvente. b. Con una pinza se coge la placa para cromatografía preparada anteriormente con la muestra, por la parte superior y se introduce verticalmente en la cubeta con cuidado (mancha de muestra hacia abajo), se tapa. c. La mezcla de solventes al entrar en contacto con la parte inferior de la placa empieza a ascender y cuando llega a la mancha empezará el proceso de cromatografía. d. Retire la placa de cromatografía cuando el solvente haya subido 5 cm aproximadamente, marque y mida su recorrido. Resultados y análisis i. Pegue o dibuje la placa cromatográfica lograda en esta práctica en el cuaderno de apuntes. ii. Indique sobre la placa de cromatografía, a cual compuesto se debe cada color observado. iii. ¿Cuántas manchas se ven en la placa? ¿De qué color son? ¿Cuál es su posición?, indique el valor numérico del Rf de cada una. iv. En la cromatografía en capa fina que se desarrolló en esta práctica, ¿cuál es el nombre de la fase estacionaria y cuál es el de la fase móvil?  Cromatografía de columna En la cromatografía de columna la mezcla de compuestos que se van a separar se colocan en la parte superior de un tubo cilíndrico de vidrio relleno con partículas finas de un material sólido adsorbente, típicamente sílica o alúmina o celulosa; este material sólido constituye la fase estacionaria. El adsorbente se lava continuamente con un flujo de solvente (fase móvil) que va pasando a través de la columna. Los solutos que conforman la mezcla (llamados eluatos) se adsorben en las partículas de la sílica en el extremo superior de la columna; el flujo continuo del solvente a través de la columna eluye (o lava) los solutos adsorbidos a la sílica y los arrastra hacia abajo; por lo tanto el solvente también es llamado eluyente. Los diferentes componentes de la mezcla se mueven a través de la columna se eluyen a velocidades diferentes que dependen de su afinidad relativa por el adsorbente y por el eluyente. Por lo tanto, los componentes de la mezcla se van separando, de tal manera que en la parte inferior de la columna se pueden ir recolectando pequeños volúmenes de solvente (o fracciones) conteniendo individualmente los compuestos que van siendo separados Representación de una cromatografía de columna de los pigmentos de la espinaca Parámetros que afectan la separación La cromatografía es ciertamente un método sofisticado de separación de mezclas; su versatilidad depende de muchos factores que deben ajustarse, los cuales incluyen:  El adsorbente escogido.  La polaridad del solvente o de los solventes que se escojan.  El tamaño de la columna (longitud y diámetro) en relación a la cantidad de material que se va a someter a cromatografía.  La velocidad de elución (o flujo). En condiciones normales, usando adsorbentes polares como sílica, alúmina o celulosa, los solutos no polares atraviesan la columna más rápidamente que los solutos polares, ya que los primeros tienen menor afinidad por el adsorbente. Si el adsorbente enlaza los solutos muy fuertemente, ellos no descienden en la columna. De otra parte si se escoge un solvente demasiado polar, todos los solutos (polares y no polares) son lavados de la columna sin alcanzarse a separar. Debe entonces escogerse un adsorbente y un solvente que no favorezca excesivamente ninguno de los dos extremos acabados de describir. Típicamente, en condiciones de cromatografía en fase normal, se utiliza un adsorbente polar y se eluye con un solvente poco polar, lo cual es de uso muy corriente en cromatografía de columna tradicional, y en algunas separaciones por cromatografía líquida de HPLC. Sin embargo en HPLC también es de uso corriente la cromatografía en condiciones de fase reversa, es decir, usando un adsorbente no polar y eluyendo con solventes polares. Tamaño de la columna y cantidad de adsorbente Como norma general de aproximación, la cantidad de adsorbente a utilizarse debe ser 25 a 30 veces en peso con respecto a la cantidad de la mezcla que se va a separar. Adicionalmente, la columna debe tener una relación altura/diámetro de aproximadamente 8/1. En la siguiente Tabla se resumen algunas relaciones típicas. Tabla. Relaciones aproximadas entre tamaño de la columna y cantidad de adsorbente Cantidad de Cantidad de Diámetro de la columna, Altura de la columna, muestra, g adsorbente, g mm mm 0,01 0,3 3,5 30 0,10 3,0 7,5 60 1,00 30,0 16,0 130 10,00 300,0 35,0 280 Las relaciones acabadas de explicitar deben cambiarse según el grado de dificultad de separación de los componentes de la mezcla; así, pueden usarse menores cantidades de adsorbente o menores dimensiones de la columna cuando los componentes de la mezcla se separan con mucha facilidad, pero deben aumentarse si los componentes de la mezcla son más difíciles de separar. Monitoreo de la separación en la columna La elución de materiales coloreados se visualiza muy fácilmente a medida que descienden por la columna, por lo cual el experimentador sabe a ciencia cierta en qué momento cambia la recolección de cada fracción. Si los materiales no son coloreados puede conectarse a la parte inferior de la columna un dispositivo detector que produce señales eléctricas que se registran en forma de picos a medida que los compuestos van emergiendo de la columna y del detector; cada componente que sale de la columna produce un pico, así que se cambia de fracción cuando se termina un pico y empieza la formación de uno nuevo. En caso de que no disponga de un detector, deben recogerse fracciones de tamaño proporcional a la cantidad total de solvente utilizado y de material adsorbente; a continuación se lleva a cabo una cromatografía en capa fina (Thin Layer Chromatography, (TLC) a cada una de las fracciones recogidas; y luego se combinan las fracciones con idéntico patrón en la placa de TLC (lo cual indica que todas las fracciones contienen el mismo compuesto). Recuperación de los compuestos separados Una vez combinadas las fracciones idénticas, el solvente se evapora y el compuesto puro resultante se termina de purificar de la manera tradicional (métodos de destilación si el compuesto es líquido o métodos de cristalización si el compuesto es sólido). La secuencia cromatografía-destilación (para líquidos) o cromatografía-cristalización (para sólidos) por lo general da lugar a compuestos muy puros. Objetivos a) Preparar una columna con sílica gel y analizar cada aspecto a tener en cuenta para su preparación. b) Usar la cromatografía de columna para separar los pigmentos presentes en un material vegetal. c) Estudiar los parámetros que se deben tener en cuenta para la realización de una cromatografía de columna. Preguntas de pre-laboratorio a) ¿Qué es un adsorbente? Haga una lista de 6 de ellos. b) ¿Qué es una resina de intercambio aniónica y una resina catiónica? c) Haga una lista de al menos 3 tipos de mezclas que se pueden usar como reveladores de una placa de cromatografía en capa fina. d) ¿Qué es cromatografía de columna relámpago? e) ¿Cómo se prepara una columna con sílica gel? f) ¿Cómo se debe escoger el mejor solvente de elución para cromatografía de columna? Materiales y reactivos Mortero Capilar Acetona Placa de silica gel Pinza Hexano:acetato de etilo (60:40) Frasco para cromatografía Embudo Algodón Parte experimental Pasos generales 1) “Deshidratación” de una muestra de espinaca (u otro material vegetal) con etanol absoluto. 2) Extracción (sólido-líquido) de pigmentos lipídicos con diclorometano. 3) Aislamiento mediante cromatografía de columna (monitoreo de las fracciones mediante cromatografía en capa fina). Como criterio de identificación, se podrían tomar los espectros UV-Vis de los pigmentos aislados y compararlos con los respectivos espectros de muestras auténticas que pueden ser consultados en fuentes bibliográficas apropiadas. A. Primera parte del experimento: preparación de la muestra Es deseable realizar esta parte del experimento en un sitio poco iluminado. Puede empezarse con 10 g de muestra vegetal en un beaker de 50 mL (puede usarse pasta de espinaca preparada mediante licuado de las hojas en una pequeña cantidad de agua). Adicionar 12 mL de etanol y macerar la muestra con una espátula, con el fin de remover agua (y sales disueltas) de la muestra vegetal. Filtrar a través de un embudo de caña corta con un tapón de algodón sueltamente empaquetado. Presionar la pulpa hasta que remueva la mayor cantidad de líquido etanólico-acuoso posible (este líquido puede ser descartado). Devolver la pulpa ya deshidratada y el algodón a un beaker de 50 mL seco. Adicionar 10 mL de diclorometano, agitar y macerar la mezcla durante unos dos minutos y proceder a filtrar de la misma manera como se hizo anteriormente. En este caso el líquido obtenido (extracto en diclorometano) sí es el material deseado, el cual será sometido a evaporación rotatoria hasta obtener la mezcla de pigmentos libre de solvente. Re-disolver la mezcla de pigmentos en unas 20 gotas de diclorometano. B. Segunda parte del experimento: aislamiento de pigmentos mediante cromatografía de columna Fase estacionaria (material adsorbente): Alúmina o sílica gel Eluyente (fase móvil): mezcla 60:40 de hexano:acetato de etilo Preparación y desarrollo de la cromatografía de columna:  Preparación de un lodo homogéneo de alúmina (o sílica gel) en la mezcla 60:40 de hexano:acetato de etilo.  Colocar un poco de algodón en la punta final de la columna, luego una pequeña base de arena de mar.  Depositar el lodo preparado sobre la columna (puede usarse un émbolo de una jeringa de 10 mL) y evacuar la mezcla de solventes sin permitir que se seque ningún punto de la columna.  Regresar la mezcla de solventes a la columna y evacuarla varias veces de la misma manera ya descrita hasta que la columna se asiente. En todo instante la columna debe permanecer impregnada de  solvente. Si llegara a secarse algún punto, la columna quedará defectuosa y no se recomienda proceder a la separación en estas condiciones.  El nivel de solvente debe quedar justo en el primer milímetro de la superficie superior de la columna de alúmina (o sílica gel).  Cubrir con una capa de arena la superficie superior del lodo.  Depositar la muestra en la cabeza de la columna y llevar a cabo la elución con la fase móvil, recogiendo fracciones debidamente rotuladas. Resultados y análisis i. Describa sus observaciones durante la realización de la cromatografía de columna. ii. Cuál compuesto salió primero de la columna, explique por qué este compuesto salió antes que el otro. iii. ¿Cuántas fracciones pasaron antes que apareciera el primer compuesto? iv. ¿Cuántas fracciones del primer compuesto se obtuvieron? v. ¿Cuántas fracciones del segundo compuesto se obtuvieron? vi. ¿Se obtuvo cada compuesto totalmente independiente del otro y en estado puro? vii. ¿Por qué es más fácil la separación de los pigmentos de una planta por cromatografía de columna que la separación de por ejemplo, una mezcla de naftaleno y ácido benzoico?  Laboratorio de Química Orgánica: Obtención de un aceite esencial por destilación por arrastre con vapor de agua 1  Objetivos  Extraer aceites esenciales a partir de un producto natural (eugenol a partir de clavos de olor)  Presentar las principales etapas del trabajo experimental describiendo la fundamentación teórica y las principales orientaciones prácticas sobre la técnica de destilación´por arrastre con vapor de agua 2  Obtención de un aceite esencial por destilación por arrastre con vapor de agua Los componentes de los aceites esenciales se encuentran a menudo en las glándulas o espacios intercelulares en el tejido de las plantas. Éstos podrían existir en todas las partes de las plantas pero a menudo se concentran en las semillas, flores, hojas o frutos La composición puede ser igual o diferente; las flores del naranjo (azahar) contienen sustancias muy diferentes a las que se encuentran en la esencia de las naranjas Muchos componentes de los aceites esenciales son volátiles con el vapor y pueden ser aislados por destilación por arrastre de vapor de agua 3  Metabolismo Azúcares Proceso de síntesis (anabolismo) y degradación (catabolismo) de Aminoácidos sustancias químicas Metabolitos en el interior de las primarios células Ácidos grasos comunes Se puede clasificar según el tipo de compuestos en: Derivados poliméricos Metabolitos Productos secundarios Naturales (PN) Ambos tipos de metabolismo están interconectados, por lo que no es fácil establecer la línea de separación. Muchos metabolitos secundarios se forman a partir de metabolitos primarios 4 Metabolismo primario Comprende los procesos químicos que cada organismo debe realizar cada día para sobrevivir y reproducirse Fotosíntesis Glicólisis Ciclo del ácido cítrico Síntesis de aminoácidos Transaminación Síntesis de proteínas y enzimas Síntesis de coenzimas Síntesis de materiales estructurales Duplicación del material genético Reproducción celular (crecimiento) Absorción de nutrientes 5  Metabolismo secundario Comprende los procesos químicos que dan lugar a la formación de un producto natural (PN) y son únicos de cada organismo y no son universales En el metabolismo secundario los mecanismos se activan durante épocas especiales de crecimiento y desarrollo, en periodos en que el organismo está sometido a algún tipo de estrés, hay limitaciones nutricionales o ataques por microorganismos 6  Producto Natural (PN) Metabolito secundario: Moléculas pequeñas (PM < 1500 u.m.a.) No forman parte de la estructura básica de la célula (no parecen ser esenciales) Específicos a un grupo de organismos Cumplen funciones ecológicas (defensa, atracción) influenciadas por las condiciones del medio Presentes en órganos o tejidos particulares (Producción dependiente a etapas de crecimiento) Producidos en muy pequeña cantidad y por tanto no se comercializan fácilmente Se producen en células especializadas Small molecules 7 9  Terpenos Importancia, estructura general y biosíntesis El nombre “terpeno” se deriva de la palabra “terpentina”, líquido muy oloroso, volátil e inflamable, formado básicamente por pinenos, que se aíslan por arrastre con vapor de las especies de la familia Pinaceae (pinos, abetos) Químicamente los terpenos son producto de la unión de varias moléculas (unidades) del Isopreno, que es un hidrocarburo insaturado de fórmula C5H8 Los isoprenos pueden acoplarse entre sí de múltiples maneras y formar numerosos isómeros  Terpenos : Importancia, estructura general y biosíntesis Las funciones biológicas y ecoquímicas de los terpenos aún no se han establecido por completo Numerosas plantas producen terpenos volátiles con el fin de atraer insectos específicos para la polinización o para alejar cierto tipo de animales que las usan como alimento Los terpenos menos volátiles (de sabor amargo o tóxicos) protegen algunas plantas de ser comidas por los animales Desempeñan un papel importante como compuestos señalizadores y reguladores del crecimiento (fitohormonas) de las plantas  Terpenos : Importancia, estructura general y biosíntesis Muchos insectos metabolizan los terpenos que han consumido en los vegetales, en hormonas de crecimiento y feromonas Las feromonas son compuestos señal (sociohormonas) que los insectos y otros organismos excretan para comunicarse con otros como ellos, para advertir (feromonas de alarma), para marcar los recursos alimenticios y su ubicación (feromonas de rastreo), así como los lugares de reunión (feromonas de agregación) y para atraer a las parejas sexuales para la cópula (feromonas sexuales) Inofensivas para el medio ambiente las feromonas pueden reemplazar a los insecticidas convencionales para atrapar insectos dañinos https://www.youtube.com/watch?v=0PlhcI8O1NY  Estructura general: “La regla del isopreno” En la literatura se han reportado mas de 30000 terpenos. Su estructura básica cumple un principio general: Los residuos de 2-metilbutano habitualmente denominados como unidades de isopreno (C5)n, forman el esqueleto de carbono de los terpenos (regla de isopreno) encontrada por Ruzicka y Wallach En esta familia de compuestos (terpenos) se observa toda clase de isomería (geométrica, óptica, estereoisomeria) Por tanto los terpenos también han sido denominados compuestos isoprenoides Enlace de unidades de isoprenoide  En la naturaleza los terpenos se encuentran predominantemente como hidrocarburos, alcoholes y sus glucósidos, éteres, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres  Clasificación de los terpenos Dependiendo del número de subunidades de isopreno se clasifican como: Clasificación de los terpenos  Terpenos: Importancia, estructura general y biosíntesis En los seres vivos no se encuentra isopreno como tal, sino sus derivados fosforilados: isopentenilpirofosfato y dimetilalilpirofosfato (isómeros entre sí, que proceden de la fosforilación del ácido mevalónico)  Monoterpenos Aceites esenciales: Estos compuestos se presentan en diferentes lugares de la planta como en raíces, rizomas, corteza, hojas, frutos y semillas del jenjibre, la canela, el alcanfor, el laurel, los cítricos, entre otros. Algunos de los compuestos mejor conocidos son: Componente Planta Mayoritario Pineno Pino (resina) Mentol Menta (hojas) Geraniol Rosa (pétalos) Eucaliptol Eucalipto (hojas) Anetol Anís (frutos) Monoterpenos C10  Fenilpropanoides Otra categoría de aceites esenciales son los compuestos de naturaleza química aromática (o sea que contienen un anillo de benceno). Algunos de estos compuestos, como el p-cimeno, son terpenos cíclicos aromatizados, pero la mayoría de ellos no son terpénicos. Muchos compuestos aromáticos son fenilpropanoides, es decir que están formados por el esqueleto del fenilpropano. Los fenilpropanoides están relacionados estructuralmente con los aminoácidos fenilalanina y tirosina pero muchos de ellos se 28 derivan de la ruta bioquímica del ácido shikímico. Ruta del ácido shikímico Formación de bloques a partir del acido shikímico  Fenilpropanoides El ácido cafeíco y otros compuestos son ejemplos de fenilpropanoides típicos derivados de la ruta del ácido shikímico El aceite de clavos de olor (Eugenia caryophyllata) es rico en eugenol (4-alil-2-metoxi-fenol), y además contiene cariofileno en pequeñas cantidades, junto con otros terpenos. Todos estos componentes pueden ser 31 aislados de los clavos mediante arrastre con vapor de agua.  Biosíntesis de Eugenol La biosíntesis de eugenol comienza con el aminoácido tirosina. L-tirosina se convierte en ácido p-cumárico por la enzima tirosina amoniaco liasa (TAL). Desde aquí, el ácido p-cumárico se convierte en ácido cafeico mediante la p-coumarato 3-hidroxilasa usando oxígeno y NADPH. Con la S-Adenosyl metionina (SAM) se forma el ácido ferúlico, que a su vez convierte a feruloyl-CoA por la enzima 4-hidroxicinamoil-CoA ligasa (4CL). A continuación, feruloyl-CoA se reduce a coniferaldehido y posteriormente se reduce 32 al alcohol coniferílico. Posteriormente se convierte en un éster. Por último, el acetato de coniferilo se convierte en eugenol través de la enzima eugenol sintasa 1 y el uso de NADPH. 33 34  El eugenol se extrae principalmente del clavo de olor pero también se lo encuentra en pimienta, hojas de laurel, canela, albahaca, entre otras  Es un líquido aceitoso de color amarillo muy tenue, su olor es característico y muy fácil de distinguir. En cuanto a la solubilidad es insoluble en agua y soluble en solventes orgánicos 35  Dentro de las propiedades físicas y químicas del eugenol podemos mencionar: Punto de fusión: - 9,2 °C Punto de ebullición: 252 °C Punto de inflamación: > 110 °C 36 Densidad: 1,07 g/cm3 (20 °C) Separación de especies químicas por destilación El objetivo de una destilación es separar dos o más líquidos37 de puntos de ebullición diferente  Separación de especies químicas por destilación La destilación es un método de purificación de líquidos que no se descomponen con el calor Es el proceso de calentamiento de un líquido hasta su punto de ebullición, pasando los vapores a través de un refrigerante llamado condensador y colectando el líquido condensado 38  Separación de especies químicas por destilación Cuando coexisten dos líquidos en un recipiente abierto a la atmósfera, ambos contribuyen a la presión parcial sobre la superficie de los dos líquidos Al aumentar la temperatura, la presión de vapor sobre la superficie del líquido aumentará, debido a que se incrementa el número de moléculas que pasan a la fase de vapor 39 Separación de especies químicas por destilación El punto de ebullición se alcanza cuando la presión de vapor de la sustancia, solución o mezcla iguala la presión atmosférica que se ejerce sobre la sustancia, iniciándose en esa temperatura la ebullición (o destilación si se recogen los vapores en un recipiente separado) 40  Separación de especies químicas por destilación Destilación sencilla En este método el vapor formado por la ebullición de un líquido es simplemente condensado y recogido Se utiliza para separar un líquido de sus impurezas no volátiles o para separar líquidos con una diferencia mínima de 80 °C en sus puntos de ebullición 41  Separación de especies químicas por destilación Destilación fraccionada Se puede usar cuando los líquidos que se desean separar tienen una diferencia de 30 a 50°C en sus puntos de ebullición ▪ Cuando la diferencia es inferior a 30°C se deben usar columnas de fraccionamiento especiales ▪ Cuando las presiones de vapor de dos o más componentes de la mezcla son tan cercanas, una destilación simple no es efectiva para separarlos 42  Separación de especies químicas por destilación Destilación a presión reducida Una disminución en la presión total sobre la superficie del líquido (presión atmosférica más baja), resulta en una disminución en el punto de ebullición. Algunas veces se nombra como destilación al vacío lo cual se refiere a una destilación bajo presión reducida ✓ Este efecto puede manejarse experimentalmente de manera intencional aplicando vacío dentro del equipo de destilación ✓ En estas circunstancias el componente que se desea remover de la mezcla destila a una temperatura inferior a su punto de ebullición normal 43  Separación de especies químicas por destilación Rotaevaporación Es una forma especial de destilación al vacío para solventes volátiles. La rotación continua de la solución incrementa la superficie efectiva de evaporación, mientras el vacío disminuye el punto de ebullición del solvente (de esta manera el solvente se remueve rápidamente con un calentamiento muy suave) El equipo de rotaevaporación se usa en la mayoría de los laboratorios para la evaporación y recuperación de solventes volátiles como paso posterior a un proceso de extracción 44  Extracción de aceites esenciales Los aceites esenciales poseen comúnmente puntos de ebullición altos y son insolubles en agua, sin embargo, se pueden separar de su fuente natural usando el punto de ebullición del agua Existen dos métodos para realizar una destilación por arrastre de vapor: El método directo y El método del vapor vivo 45  El método directo El vapor se genera in situ (en el mismo balón) por calentamiento del balón de destilación que contiene agua y el compuesto deseado o su fuente natural 46  El método del vapor vivo El vapor se genera en un balón diferente al que contiene el compuesto deseado y se hace pasar dentro del balón de destilación usando un tubo Dado que la destilación en corriente de vapor de agua es un proceso eficaz y barato (sólo se requiere agua y calor), se usa con frecuencia para 47 aislar y purificar aceites naturales a partir de sus fuentes biológicas Hidrodestilación 48 Procedimiento experimental A continuación los invito a que vean el video sobre la práctica de “ obtención de un aceite esencial por arrastre con vapor de agua” elaborado en la Universidad de Caldas (Se encuentra disponible en la plataforma Moodle) 49  Resultados y análisis En su cuaderno de laboratorio realice un diagrama de flujo donde muestre el paso a paso del procedimiento experimental presentado en el video Reporte el peso y el porcentaje de aceite obtenido en la práctica de hoy a) Describa químicamente y estructuralmente qué son los compuestos terpénicos. Realice estructuras b) Qué son compuestos monoterpénicos, sesquiterpénicos y diterpénicos, dar ejemplos con las estructuras de cada uno. c) Escriba la estructura química del mayor componente esencial del aceite extraído de la naranja, de los clavos de olor, del limoncillo y de la canela. Consulte el punto de ebullición de cada componente. d) Escriba la reacción química que ocurre entre el eugenol (insoluble en agua) y el NaOH. e) Escriba la reacción química que ocurre entre el producto del literal (d) y el HCl. f) Cuál es la utilidad en la separación de compuestos orgánicos de la destilación por arrastre de vapor. g) Consulte cuáles son los principales usos de los aceites esenciales  Extracción de cafeína a partir de fuentes naturales 1 Profesores de Química Orgánica Departamento de Química Universidad de Caldas 2024 2 Objetivos Aislar cafeína a partir de café molido. 3 Objetivos Presentar las principales etapas del trabajo experimental describiendo la fundamentación teórica y las principales orientaciones prácticas sobre la técnica: Extracción líquido- líquido con embudo de separación 4 5 6 7 Cantidad de cafeína (mg/oz) encontrada en bebidas comerciales Miligramos por Bebida onza de bebida Café 18-25 Café instantáneo 12-16 Café decafeinado 5-10 Té 5-15 Chocolate 1 (además de 20 mg/oz de teobromina) Coca-cola 3.5 8 9 Extracción líquido-líquido Cuando se realiza una extracción implica pasar un soluto de un primer solvente a un segundo solvente que sea inmiscible (insoluble) con el primero. Dicha transferencia se logra porque el soluto se distribuye (o se “parte”) entre los dos solventes. Cuando dos sustancias líquidas insolubles entre sí tienden a separarse, se forman fases por lo cual cada una de estas forma una capa. El solvente menos denso (es necesario consultar las densidades de los solventes usados) flota encima del solvente más denso. Cada una de esas capas es considerada una fase líquida.  La basicidad de las aminas puede usarse para su purificación 10  11 La basicidad de las aminas puede usarse para su purificación  Proceso de obtención de cafeína 12  Proceso de obtención de cafeína 13  Proceso de obtención de cafeína 14 15 Los invito a visitar los siguientes enlaces sobre la técnica de extracción líquido-líquido y la rotaevaporación https://www.youtube.com/watch?v=Q3QxStCFDUo https://www.youtube.com/watch?v=kvcfuEDDbuc https://www.youtube.com/watch?v=yZUZnF0Aj1U&feature=youtu.be https://www.youtube.com/watch?v=oLtHtCHAsM8 16 Procedimiento experimental La infusión de café contiene componentes solubles en agua caliente: cafeína, glucosa, taninos y ácido clorogénico; e insolubles en agua: proteínas, celulosa y grasas 17 Procedimiento experimental: materiales y reactivos 10 gramos de café molido 2.5 g de carbonato de calcio 1 embudo de separación con tapón de 100 mL Sulfato de sodio anhidro 2 Beaker de 250 mL Diclorometano 18 Procedimiento experimental En un beaker de 250 mL se colocan 10 gramos de café molido, se agregan 100 mL de agua y se deja hervir durante 20 minutos. Permitir que la solución se decante por un período de 10 minutos y transferir cuidadosamente (evitando trasvasar material sólido) la solución de café concentrado a un nuevo vaso de precipitados de 250 mL. A la solución final se le agrega 2.5 g de carbonato de calcio (CaCO3) y se calienta nuevamente durante 5 minutos, con agitación, evitando el sobrecalentamiento. La solución se deja enfriar y luego se transfiere a un embudo de separación y se le adicionan 10 mL de diclorometano (en porciones de 5 mL) y se agita lentamente para evitar la formación de emulsiones. El diclorometano se elimina por evaporación rotatoria, según instrucciones del profesor. La cafeína cruda obtenida se puede purificar por sublimación o por recristalización. En esta práctica se debe recristalizar con una mínima cantidad de tolueno-hexano, para dar pequeñas agujas de un sólido cristalino blanco. 19 Resultados y análisis 1. Peso de la cafeína obtenida: ________ 2. ¿Por qué el sulfato de magnesio se tiene que usar completamente seco? 3. ¿De qué manera se logra separar finalmente la cafeína del diclorometano? 4. La cafeína que obtuvimos hoy en el laboratorio aún está impura. ¿De qué manera se podría purificar  Extracción sólido-líquido de colorantes vegetales Ante la necesidad que presenta la sociedad de reemplazar los productos químicos como por ejemplo, colorantes sintéticos, por productos orgánicos o naturales, es importante la extracción de colorantes naturales a partir de diferentes extractos vegetales. Existen muchos métodos de obtención de extractos vegetales, en esta práctica se explicará el uso básicamente de una extracción sólido-líquido usando un equipo Soxhlet, la cual es una operación importante en todos los procesos tecnológicos relacionados con la industria agroalimentaria, química y agroquímica, entre otros. Extracción Soxhlet: La extracción de muestras sólidas con solventes, generalmente conocida como extracción sólido-líquido o lixiviación, o extracción Soxhlet, es un método muy utilizado en la separación de analitos de muestras sólidas y corresponde a una extracción continua, debido a que, el solvente pasa repetidas veces sobre el material sólido al que se le desea extraer los compuestos de interés. Así, se trata de la extracción continua de un compuesto orgánico soluble en el solvente usado, a partir de una mezcla sólida (puede ser material vegetal) y debe usarse un montaje Soxhlet Los métodos tradicionales de extracción sólido-líquido pueden dividirse en dos grandes grupos:  Métodos que necesitan un aporte de calor, Soxhlet. Soxtec® System HT y extracción soxhlet asistida por microondas.  Métodos que no requieren un aporte de calor: agitación con ultrasonidos y agitación simple. La extracción Soxhlet ha sido (y en muchos casos, continua siendo) el método estándar de extracción de muestras sólidas más utilizado desde su diseño en el siglo pasado, y actualmente, es el principal método de referencia con el que se comparan otros métodos de extracción. Etapas de la extracción Soxhlet: El aparato usado para realizar la extracción Soxhlet se compone de tres cuerpos unidos entre sí por uniones esmeriladas. La extracción se fundamenta en las siguientes etapas:  El material sólido se coloca en una copa porosa o dentro de un dedal hecho de papel filtro.  El dedal se coloca dentro del tubo interno del extractor.  En la parte inferior del aparato se encuentra el balón de fondo redondo que contiene el solvente de bajo punto de ebullición, por ejemplo éter etílico o alcohol etílico, el cual se evapora, mediante calentamiento usando un mechero o una manta de calentamiento (preferiblemente). Los vapores suben por el lado izquierdo hacia el condensador.  En la parte media va el extractor donde se encuentra el material sólido, con los compuestos orgánicos de interés a extraer.  En la parte superior va un condensador recto o de bolas que permite el reflujo del solvente, condensándolo y poniéndolo en contacto con el material sólido.  El solvente caliente empieza a llenar el dedal y extrae el compuesto deseado a partir del material sólido.  Una vez el dedal se llena con el solvente, el brazo de la derecha actúa como un sifón, y el solvente, el cual contiene el compuesto deseado disuelto, se regresa dentro del balón de destilación. De esta manera la concentración de los compuestos orgánicos extraídos va haciéndose mayor cada vez que se completa el ciclo (evaporación-condensación- extracción-evacuación). A este tipo de extracción se le denomina extracción por agotamiento.  Montaje para realizar una extracción soxhlet Algunas ventajas de la extracción Soxhlet  La muestra está en contacto repetidas veces con porciones frescas de solvente.  La extracción se realiza con el solvente caliente, así se favorece la solubilidad de los analitos.  No es necesaria la filtración después de la extracción.  La metodología empleada es muy simple.  Es un método que no depende de la matriz.  Se obtienen excelentes recuperaciones, existiendo gran variedad de métodos oficiales cuya etapa de preparación de muestra se basa en la extracción con Soxhlet.  Algunas desventajas de la extracción Soxhlet  El tiempo requerido para realizar una extracción eficiente puede tomar entre 6 a 24 horas.  El gran volumen de solvente orgánico utilizado para la extracción (50-300 mL).  La descomposición térmica de los analitos termolábiles, ya que la temperatura del solvente orgánico está próxima a su punto de ebullición.  No es posible la agitación del sistema, la cual podría acelerar el proceso de extracción.  Es necesaria una etapa final de evaporación del disolvente para la concentración de los analitos.  Esta técnica no es fácilmente automatizable Algunas aplicaciones de la extracción Soxhlet en la industria: Aunque la aplicación de la extracción Soxhlet es ampliamente reconocida en el campo agroalimentario es también de utilidad en el área medioambiental, dado que es el método de análisis recomendado para la determinación del aceite y la grasa total recuperable en aguas de vertidos industriales permitiendo la determinación de hidrocarburos relativamente no volátiles, aceites vegetales, grasas animales, ceras, jabones y compuestos relacionados. Así, en el campo agroalimentario, la extracción soxhlet es la técnica de separación sólido-líquido comúnmente usada para la determinación del contenido graso en muestras de diferente naturaleza. De igual modo, puede ser usada como técnica preparativa de muestra como paso previo al análisis mediante otra técnica instrumental, por ejemplo, la extracción de ácidos grasos en muestras de tocino para su posterior determinación mediante cromatografía de gases. El procedimiento puede aplicarse a distintos tipos de alimentos sólidos. Tiene una importancia esencial que la muestra sea anhidra (que esté seca), porque el solvente orgánico puede ser parcialmente soluble en agua, lo cual conlleva a extraer azúcares entre otros compuestos no deseados, lo que puede ser fuente de error. Extracto vegetal: Un extracto vegetal es una mezcla compleja, con multitud de compuestos químicos, obtenible por procesos físicos, químicos o microbiológicos a partir de una fuente natural y utilizable en cualquier campo de la tecnología. El carácter especial de los extractos vegetales es que a partir de una misma planta se pueden obtener extractos diferentes con principios activos variados. También depende del solvente empleado para extraer una parte vegetal definida. El alcohol disuelve los principios activos liposolubles de una parte vegetal específica. Los extractos de planta se diferencian no solamente por medio del solvente primario empleado, sino también por los pasos de preparación empleados. Los colorantes permitidos como aditivos para los alimentos, están regulados una lista denominada “lista E de aditivos” los cuales están fijados por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) como la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA) y la Comunidad Económica Europea (CEE). Algunos aspectos sobre las antocianinas: Las antocianinas son pigmentos naturales hidrosolubles (solubles en agua), pertenecientes a la familia de los flavonoides, ampliamente distribuidos en el reino vegetal, y que son responsables del color atractivo y brillante de las frutas, las flores y las hojas. El color puede variar desde el rojo vivo al violeta o azul dependiendo de la longitud de onda ( max) en la que absorban la luz del espectro visible. Poseen características de glicósidos; están constituidos por una molécula de antocianidina, que es la aglicona, a la que se le une un azúcar por medio de un enlace -glicosídico y en algunos casos por un enlace -glicosídico. La estructura química fundamental de estas agliconas es el ión flavilio (o catión 2- fenilbenzopirilio). Como se observa en la Figura, el catión flavilio consta de dos grupos aromáticos: un sistema heteroanular fusionado tipo benzopirilio formados por los anillos A y C y un anillo B de naturaleza fenólica. R1 y R2 pueden ser H o azúcares; R3 y R4 pueden ser OH, OCH3 o H.Por el carácter trivalente del oxígeno, el flavilo normalmente se comporta como un catión. Cuando en una misma molécula se encuentran dos azúcares, éstos se localizan en los hidroxilos 3 y 5, produciendo una estructura que generalmente es más estable que cuando contiene un solo monosacárido. Estructura general de una antocianina De todas las antocianidinas que actualmente se conocen (aproximadamente 20), las más importantes en los alimentos son: pelargonidina, delfinidina, cianidina, la peonidina, petunidina y la malvidina. Estos nombres se derivan de la fuente vegetal de donde se aislaron por primera vez. La combinación de éstas con los diferentes azúcares, genera aproximadamente 150 antocianinas que abundan en la naturaleza. Es muy común que una misma antocianidina interaccione con más de un hidrato de carbono para formar diferentes antocianinas. Son responsables de los colores rojo, anaranjado, azul y púrpura de las uvas, manzanas, rosas, fresas y muchos otros productos de origen vegetal, principalmente frutas y flores. Generalmente, se encuentran en la cáscara o piel, como en el caso de las peras y manzanas, pero también se pueden localizar en la parte carnosa, como en las fresas y ciruelas. Estructura química de algunas antocianinas importantes en los alimentos Uso de antocianidinas en los alimentos: Las antocianinas son uno de los pigmentos naturales más estudiados en la industria de los alimentos y una de las opciones más atractivas para el desarrollo de colorantes naturales. Debido a que las antocianidinas no existen en estado libre en los alimentos, su presencia es indicio de una posible hidrólisis química o enzimática del enlace glucosídico del pigmento; esta reacción no necesariamente causa la pérdida del color, pero la aglicona se vuelve más sensible a muchos factores externos, e incluso puede precipitar. En ambos casos el color se ve fuertemente afectado después de algún tiempo. Las antocianinas se utilizan solamente como colorantes en algunos derivados lácteos, helados, caramelos, pastelería y conservas vegetales, licores, sopas y bebidas y son eliminadas en parte por la flora intestinal. Estabililidad de las antocianinas: Las antocianinas son altamente inestables lo que conlleva a que sean rápidamente perecibles, su estabilidad se afecta por varios factores como el pH, la temperatura de almacenamiento, su estructura química (debido a la presencia del núcleo flavilio el cual es deficiente en electrones y por lo tanto, muy reactivo), la concentración, la luz, el oxígeno, los solventes, la presencia de enzimas, flavonoides, proteínas e incluso, iones metálicos. Las reacciones ordinariamente comprenden decoloración de los pigmentos y son casi siempre no deseables en el procesado de frutas y hortalizas. El color de las antocianinas depende de varios factores intrínsecos, como son los sustituyentes químicos que contenga y la posición de los mismos en el grupo flavilio; ejemplo, si se aumentan los hidroxilos (OH) del anillo fenólico se intensifica el color azul, mientras que la introducción de metoxilos (CH3O) provoca la formación de los tonos rojos. En la naturaleza las antocianinas siempre se aprecian en la forma heteroglucosídica (R1 y R2), conteniendo una o más moléculas de azúcar, como monosacáridos (glucosa, galactosa, remanosa, arabinosa); también pueden ser encontrados disacáridos y trisacáridos. Son solubles en agua y en mezcla de agua y alcohol etílico, pero son insolubles en aceites y grasas. En diferentes pH estos pigmentos se encuentran en formas y colores diversos; así, en soluciones ácidas (pH inferior a 2) las antocianinas se encuentran en la forma de sales de oxonio (catión flavilio, AH+) y son generalmente de color rojo brillante. Con el aumento del pH ocurre pérdida de un protón y adición de agua en la posición 2, dando lugar a un equilibrio entre la pseudobase carbinol o hemiacetal B (inestable e incolora) y la forma chalcona C (inestable e incolora). A valores de pH superiores a 7 se presentan las formas quinoidales (A, A-) de color púrpura que se degradan rápidamente por oxidación con el aire. Los cambios fisiológicos en la maduración de los frutos llevan consigo alteraciones en el pH y por tanto, modificaciones en el color del tejido vegetal. Cambios estructurales de las antocianinas con el pH Uno de los primeros pigmentos caracterizados por Willstatter y Everest en 1913, fue la cianina, que se encuentra en la rosa y amapola. Sus cambios de color con el pH, se interpretan en función de los siguientes cambios estructurales: la hidrólisis ácida de las antocianinas da un azúcar (con frecuencia glucosa C 6H12O6) y una sal de oxonio denominada antocianidina. Así la hidrólisis de la cianina con ácido clorhídrico produce glucosa y cloruro de cianidina. Hidrólisis ácida de la cianina Cambios estructurales de la cianina con el pH Objetivos a) Realizar una extracción continua sólido-líquido de los componentes orgánicos de los pétalos de las rosas. b) Estudiar el comportamiento de las antocianinas frente a los cambios de pH. c) Conocer el uso de las antocianinas en la industria de los alimentos. d) Consultar acerca de otros pigmentos de la naturaleza.  Preguntas de pre-laboratorio a) Haga un breve resumen de la historia del extractor “Soxhlet” b) Haga una lista de al menos 5 aplicaciones (con ejemplos prácticos) de la extracción Soxhelt en la industria alimentaria. c) Cuál es la definición de colorante, que tipos de colorantes existen, cuál norma regula la adición de colorantes a los alimentos en Colombia y haga una lista con las estructuras de los colorantes permitidos en los alimentos por la Comunidad Económica Europea (CEE). d) Que es el color. e) Escriba la estructura de la tartrazina (E-102) e indique que tipo de colorante es, sus usos y sus restricciones. f) Escriba la relación entre la longitud onda y los colores percibidos por el ojo humano. g) Escriba al menos 5 fuentes naturales que contengan antocianinas y que se usen en la industria de los alimentos. h) Escriba que se debe observar al cambiar el pH de la cianidina en un rango de 1 a 14. i) Consulte cuáles son las estructuras químicas responsables del cambio de color en las hojas de las plantas. j) Consulte cuál es la estructura del pigmento que le da el color verde y luego naranja o rojo (según el caso) a los siguientes frutos: mango, tomate, guayaba, manzana, banano, plátano. Materiales Aparatos Reactivos Aparato Soxhlet completo Etanol Balón de fondo redondo de 250 mL Pétalos de rosas u otras flores Condensador Parte experimental Parte A  Adicione el material vegetal en el dedal fabricado con papel filtro e introdúzcalo en el extractor Soxhlet.  Adicione 150 mL de etanol en el balón de fondo redondo y adicione piedritas de ebullición.  Monte el equipo de extracción Soxhlet para realizar la extracción del material vegetal seleccionado.  Realice la extracción Soxhlet durante 45 minutos aproximadamente, luego deje enfriar hasta temperatura ambiente.  Retire el material vegetal del extractor Soxhlet y descártelo.  Concentre el extracto de los colorantes evaporando el solvente con recuperación (preferiblemente al vacío usando un equipo de evaporación rotatoria) o usando el mismo montaje pero sin el dedal. Entregue el solvente recuperado al auxiliar del laboratorio. Parte B Ensayos de los cambios de color con el pH. La auxiliar preparará una gama de soluciones buffer con pH de 1 a 14 con el fin de ensayar el cambio del color del extracto obtenido. Resultados y análisis i. Reporte la apariencia del producto recogido de la extracción después de la evaporación del solvente. ii. Reporte el resultado del cambio de color con los diferentes pH ensayados. iii. ¿Por qué se debe pasar el solvente repetidas veces sobre el material vegetal y no se hace simplemente una extracción con un embudo de separación? iv. ¿Para qué se deben adicionar las piedritas de ebullición al solvente que se va a ebullir? v. Reporte la apariencia del producto de la extracción soxhlet después de la evaporación del solvente. vi. Explique en sus propias palabras a que se refiere la expresión extracción por agotamiento. Mediante cuál técnica se podría determinar cuántos componentes contiene la mezcla de pigmentos obtenida durante esta práctica.  UNIVERSIDAD DE CALDAS CURSO DE LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA Práctica: Extracción de cafeína a partir de fuente naturales  En el siguiente texto encontrará la fundamentación teórica para realizar nuestra práctica sobre extracción de cafeína a partir de fuentes naturales Componentes químicos del té y el café El café está compuesto por más de 1000 sustancias químicas distintas incluyendo aminoácidos y otros compuestos nitrogenados, polisacáridos, azúcares, triglicéridos, ácido linoleico, diterpenos , ácidos volátiles (fórmico y acético) y no volátiles (láctico, tartárico, pirúvico, cítrico), compuestos fenólicos (ácido clorogénico), cafeína, sustancias volátiles (sobre 800 identificadas de las cuales 60-80 contribuyen al aroma del café), vitaminas, minerales. El ingrediente activo que hace al té y al café valioso para los humanos es la cafeína Ésta es un alcaloide, una clase de compuestos de origen natural que contiene nitrógeno y tiene las propiedades de una base orgánica como amina (alcalina, por lo tanto, alcaloide). El té y el café no son las únicas plantas fuente de cafeína. Otras incluyen cascanueces, hojas de mate, semillas de guaraná y, en pequeñas cantidades, granos de cacao. La cafeína (1,3,7-trimetilxantina) pertenece a la familia de los compuestos que ocurren naturalmente llamados xantinas Estructuras químicas de xantinas La cafeína es el constituyente natural del café, té y cascanueces (Kola nítida). La cantidad de cafeína encontrada en el té varía de 2 a 5%. En un análisis de té negro, se encontraron los siguientes compuestos: cafeína, 2.5%; teobromina, 0.17%; teofilina, 0.013%; adenina, 0.014%; y trazas de guanina y xantina. Los granos de café contienen por encima de 5% por peso de cafeína, y el cocoa contiene alrededor de 5% de teobromina. La cola comercial es una bebida basada en un extracto de Kola nut. El contenido de cafeína de varias bebidas se lista en la Tabla. Es importante tener presente que, en promedio, una taza de café contiene alrededor de 5 onzas de líquido, mientras una botella de alguna de las bebidas cola contiene alrededor de 12 onzas de líquido. Tabla. Cantidad de cafeína (mg/oz) encontrada en bebidas comerciales Miligramos por onza de Bebida bebida Café 18-25 Café instantáneo 12-16 Café decafeinado 5-10 Té 5-15 Chocolate (además de 20 1 mg/oz de teobromina) Coca-cola 3.5 En este experimento, la cafeína se aislará a partir de café molido. La infusión de café contiene componentes solubles en agua caliente: cafeína, glucosa, taninos y ácido clorogénico; e insolubles en agua: proteínas, celulosa y grasas. Para llevar a cabo nuestra práctica demostrativa debemos tener presente la fundamentación de la técnica de extracción. Algunos de estos conceptos los vimos en nuestra anterior práctica Extracción: Cuando se realiza una extracción implica pasar un soluto de un primer solvente a un segundo solvente que sea inmiscible (insoluble) con el primero. Dicha transferencia se logra porque el soluto se distribuye (o se “parte”) entre los dos solventes. Cuando dos sustancias líquidas insolubles entre sí tienden a separarse, se forman fases por lo cual cada una de estas forma una capa. El solvente menos denso (es necesario consultar las densidades de los solventes usados) flota encima del solvente más denso. Cada una de esas capas es considerada una fase líquida. Extracción sencilla -vs- extracción múltiple: Una única extracción, llamada extracción sencilla, es suficiente si la solubilidad del soluto en agua difiere grandemente de su solubilidad en solventes orgánicos. Los compuestos orgánicos pueden transferirse desde el agua hacia un solvente orgánico si para ese soluto en particular su solubilidad es mayor en el compuesto orgánico que en el agua. En la extracción de un soluto de una solución, es mejor usar varias porciones pequeñas del segundo solvente en lugar de llevar a cabo una única extracción con una porción grande de dicho solvente. Selección del solvente de extracción: Además de tener en cuenta las consideraciones sobre solubilidad de los compuestos orgánicos, es imprescindible tener en cuenta los siguientes criterios:  El solvente debe ser inmiscible con la fase de la cual se va a extraer el soluto.  Para el aislamiento final del material extraído, el solvente debe ser removido fácilmente, por lo general mediante evaporación, para lo cual éste debe ser razonablemente volátil. Métodos de separación mediante técnicas extractivas: De acuerdo con el estado de agregación de las fases involucradas, hay fundamentalmente dos tipos de extracción: extracción líquido-líquido y extracción sólido-líquido. En este apartado solo se expondrá la técnica de extracción líquido-líquido, en una siguiente práctica se explicará todo lo relacionado con la extracción sólido-líquido. Extracción líquido-líquido Esta técnica es la más tradicional y es usada para por ejemplo, partir extractos naturales en diversos solventes (que sean inmiscibles entre sí). Además es especialmente usada como una parte importante del proceso de purificación después de muchas reacciones químicas. Mediante su uso, el producto deseado se separa de los materiales de partida que no reaccionaron o de los productos colaterales indeseables presentes en la mezcla de reacción. Las extracciones líquido-líquido se pueden agrupar en tres diferentes categorías, dependiendo de la naturaleza de la impureza que se desea remover, a continuación se describe cada una: A. Extracción de una mezcla orgánica con agua Las extracciones acuosas se diseñan para remover de la fase orgánica sustancias altamente polares como sales inorgánicas y ácidos o bases fuertes; también se pueden remover de la fase orgánica sustancias polares de bajo peso molecular como alcoholes, ácidos carboxílicos y aminas de muy bajo número de carbonos (habitualmente menos de cinco carbonos) y compuestos poli-funcionales. De igual manera se usan las extracciones acuosas justamente a continuación de una extracción con ácido acuoso o con base acuosa para asegurar que todas las trazas de ácido o base quedan removidas de la fase orgánica. B. Extracción de una mezcla orgánica con ácido diluido Generalmente se usa HCl acuoso al 5% o 10%. Tales extracciones ácidas se realizan para remover impurezas básicas (como por ejemplo aminas orgánicas). Las bases así quedan convertidas en sus correspondientes sales catiónicas (sales ácidas). Si una amina es uno de los reactantes, o si la piridina (u otra amina) es el solvente de reacción, la extracción ácida puede usarse para remover cualquier exceso de amina presente al final de la reacción. Las sales catiónicas habitualmente son solubles en la solución acuosa, y así se pueden remover del material orgánico; inmediatamente después de la extracción ácida debe hacerse una extracción con agua para remover del material orgánico todas las trazas del ácido usado. Si al final del procedimiento se desea la amina orgánica intacta, es necesario volver ajustar el pH de la solución acuosa al estado alcalino origina. Extracción de una mezcla orgánica con una base diluida Habitualmente se usa bicarbonato de sodio o hidróxido de sodio al 5%. Tales extracciones básicas se intentan para convertir impurezas ácidas (tales como ácidos carboxílicos insolubles en agua) en sus respectivas sales aniónicas, solubles en agua (sales básicas). Por ejemplo, cuando se sintetiza un éster en el laboratorio, puede usarse una extracción con bicarbonato de sodio para remover cualquier exceso de ácido carboxílico (pKa 5) que no haya reaccionado. Por su alta polaridad, se espera que las sales aniónicas sean solubles en la solución acuosa; como resultado, las impurezas de estos ácidos carboxílicos se extraen de los materiales orgánicos hacia la solución alcalina. Inmediatamente después de la extracción básica debe hacerse una extracción con agua para remover del material orgánico todas las trazas de la base usada. Si al final del procedimiento se desea el ácido carboxílico intacto, es necesario volver ajustar el pH de la solución acuosa al estado ácido original (neutralizando por ejemplo con una solución diluida de HCl). Preguntas de consulta: a) Escriba un breve resumen sobre la historia del descubrimiento del café. b) Explique porqué se debe mantener el pH básico durante la extracción de la cafeína. c) Para qué se usa el carbonato de calcio en la extracción de cafeína? d) Consulte las propiedades físicas y químicas de la cafeína. e) Dado que en la gran mayoría de los casos el interés de la técnica de extracción radica en la necesidad de transferir el soluto desde el agua hacia un solvente orgánico o viceversa, describa que es el coeficiente de distribución y como se analiza su valor. f) Explique con ejemplos o con reacciones químicas cómo funcionan las extracciones líquido- líquido, según las tres categorías en las que se agrupan, teniendo en cuenta la naturaleza de la impureza que se desea remover, o el compuesto de interés que se desea separar. g) En la extracción con embudo usando diclorometano y agua, explique ¿cuál solvente queda en la fase superior y cuál en la fase inferior? Y ¿por qué? h) Explique que son los taninos, en donde se encuentran y para qué sirven. i) Consulte cuales son los solventes comunes usados para realizar extracciones, realice su estructura química, su densidad y peligrosidad. j) Consulte la estructura del ácido gálico, el ácido clorogénico (un tanino) y de la glucosa que son algunos componentes solubles en agua de una infusión de café  Parte experimental El aceite de clavos de olor (Eugenia caryophyllata) es rico en eugenol (4-alil-2- metoxi-fenol), y además contiene cariofileno en pequeñas cantidades, junto con otros terpenos. Todos estos componentes pueden ser aislados de los clavos mediante arrastre con vapor de agua. Se ensambla un aparato de destilación con un balón redondo de 100 mL, en el cual se colocan aproximadamente los 10 g de clavos de olor que usted trae al laboratorio y 50 mL de agua, luego se inicia un calentamiento suave. La mezcla se destila por arrastre de vapor, hasta que el destilado evidencie la ausencia de gotas de aceite. El condensado se pasa a un embudo de separación y se extrae con 2 porciones 10 mL de diclorometano. Se extrae la fase inferior (orgánica), y la fase acuosa se extrae de nuevo con 10 mL de diclorometano. Las fases orgánicas se reúnen. La disolución orgánica se seca con sulfato de sodio anhidro, el agente secante se decanta y al diclorometano se evapora en un baño maría o en un rotaevaporador, y se pesa el aceite obtenido de los clavos de olor (rico en eugenol).