LABORATORIO 1. CLASIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS POR SOLUBILIDAD

LABORATORIO 1. CLASIFICACIÓN DE COMPUESTOS ORGÁNICOS POR SOLUBILIDAD

Relación entre estructura molecular y propiedades físicas

OBJETIVOS

Hacer correctamente pruebas de solubilidad de sustancias conocidas y desconocidas

Clasificar compuestos orgánicos de acuerdo con su solubilidad en diferentes solventes

Identificar los factores y parámetros que influyen en la solubilidad de una sustancia.

INTRODUCCIÓN

Una solución es una mezcla homogénea de especies químicas (componentes) dispersadas a escala molecular. De esta definición se deduce que una solución consta de una sola fase. Los componentes de una solución que se encuentran en menor cantidad se llaman solutos (puede ser uno solo), mientras que el componente que se encuentra en mayor cantidad se llama solvente (normalmente es uno solo).

Toda sustancia pura en fase líquida o sólida tiende a mantener su integridad e identidad física debido a las fuerzas intermoleculares que actúan entre los iones o moléculas que la constituyen. En consecuencia, para formar una solución es necesario vencer las fuerzas intermoleculares que mantienen la identidad física del soluto y del solvente, permitiendo que las partículas individuales de las sustancias se mezclen e integren en un nuevo sistema homogéneo. La energía requerida para romper estas fuerzas se obtiene de la energía liberada por la formación de nuevas fuerzas de unión entre las unidades del soluto y del solvente. En otros términos y usando un lenguaje informal, la condición para que se forme una solución entre un soluto A y un solvente B es

FA-B > FA-A+FB-B

donde FA-A, FB-B y FA-B representan, respectivamente, las fuerzas de interacción totales entre moléculas de soluto (interacción soluto-soluto), entre moléculas de solvente (interacción solvente-solvente), y entre moléculas de soluto y moléculas de solvente (interacción soluto-solvente).

Puesto que la solubilidad depende de la intensidad de las interacciones intermoleculares soluto-soluto y soluto-solvente, y estas a su vez dependen de la estructura molecular del soluto, la solubilidad juega un papel importante en la identificación de un compuesto orgánico. En efecto, el análisis de solubilidad es un elemento central del método de identificación de compuestos orgánicos desarrollado por Kamm (1932). En el protocolo desarrollado por este autor, una de las primeras etapas consiste en tratar el compuesto a identificar con una serie de solventes, con el objeto de observar su comportamiento frente a ellos y así sacar algunas conclusiones sobre su posible estructura. En esta práctica usted se entrenará en esta etapa clave del análisis orgánico cualitativo.

FUNDAMENTO TEÓRICO

DETERMINANTES ESTRUCTURALES DE LA SOLUBILIDAD

Una sustancia es más soluble en un disolvente cuando sus estructuras son más parecidas. Esta observación, que constituye una de las reglas de oro de la química, suele enunciarse de esta manera: ¨LO SIMILAR DISUELVE LO SIMILAR¨. Entonces los solutos polares se disuelven en solventes polares y los solutos no polares en los solventes no polares.

La polaridad de una molécula orgánica depende de varios factores:

1) Los tipos de enlaces presentes (covalente polar, covalente no-polar), lo que determina si hay momentos dipolares y por tanto cargas parciales sobre los átomos involucrados en el enlace. El tipo de enlace obedece a la diferencia de electronegatividad entre los átomos enlazados: a mayor diferencia de electronegatividad, mayor polaridad del enlace.

2) La geometría de la molécula, pues para que una molécula tenga un momento dipolar neto no basta la presencia de enlaces polares, es además necesario que su geometría presente un elemento de asimetría. Consulte, por ejemplo, las estructuras moleculares del tetracloruro de carbono y del cloroformo: en ambas moléculas encontramos enlaces C-Cl altamente polares; sin embargo mientras el cloroformo tiene un momento dipolar neto, el tetracloruro de carbono no.

3) La presencia de cargas formales, en otras palabras si el compuesto es iónico o no.

Por ejemplo un hidrocarburo solo tiene enlaces covalentes no polares como C-H y C-C, entonces no tiene cargas ni parciales ni formales, es no polar y se disolverá en solventes apolares, de acuerdo con la ley de “lo similar disuelve lo similar”. El metanol tiene enlaces covalentes polares (C-O y O-H) además de una geometría asimétrica, lo que le otorga un momento dipolar neto; es entonces es una molécula polar y se puede disolver en solventes igualmente polares, como el agua. El cloruro de metilamonio (CH3NH3+Cl-) tiene enlaces covalentes ligeramente polares (C-N y N-H) y por su geometría asimétrica presenta momento dipolar neto; se esperaría entonces que fuera un poco menos polar que el etanol. Sin embargo, además de lo anterior el cloruro de metilamonio presenta cargas formales sobre los átomos de nitrógeno y de cloro, por lo que en realidad es mucho más polar que el etanol y es muy soluble en agua y otros solventes polares. Por último, el tetracloruro de carbono tiene enlaces covalentes ligeramente polares y además es una molécula simétrica que por lo tanto no tiene momento dipolar neto; este compuesto es insoluble en agua y otros solventes polares, disolviéndose en cambio en solventes apolares como el éter etílico.

El peso molecular tiene un efecto sobre la solubilidad que se hace patente al analizar la solubilidad de una serie homóloga de compuestos^[1]. Por ejemplo, típicamente los compuestos de hasta 4 átomos de carbono con un solo grupo polar (e.g. OH) son solubles en solventes polares, pero cuando el número de átomos de carbono aumenta a 5 o más pierden esta propiedad.

INTERACCIONES DURANTE LA SOLUBILIZACIÓN

Dipolo-dipolo: en estas se aproximan dos moléculas polares debido a que presentan dipolos permanentes de enlaces covalentes polares y momento dipolar neto, se orientan de tal forma que el extremo positivo del dipolo se aproxima al extremo negativo del dipolo de una molécula vecina y la fuerza resultante es de atracción.

Puente de hidrógeno: entre moléculas con enlaces covalentes polares donde participa el hidrógeno, este viene unido a un elemento altamente electronegativo, como el oxígeno o el nitrógeno, y es atraído hacia un par de electrones libre de otro elemento altamente electronegativo.

Carga-dipolo: entre una molécula con carga formal (ión poliatómico) y una molécula con un dipolo por un enlace covalente polar, debido a diferente distribución de carga.

Carga-carga: entre moléculas con cargas formales opuestas.

Fuerzas de dispersión de London: ocurren cuando dos moléculas apolares están lo bastante cerca para que las nubes electrónicas que las rodean influencien la una a la otra. Se presentan entonces fluctuaciones sincrónicas entre las posiciones de los electrones alrededor de los núcleos, lo que produce dipolos instantáneos o no permanentes complementarios que generan atracción entre las moléculas.

REACCIONES QUÍMICAS DURANTE LA SOLUBILIZACIÓN

Alguno procesos de disolución están mediados por reacciones químicas. Un caso típico es el de la disolución de ácidos carboxílicos de tamaño medio en una solución acuosa fuertemente básica. Por ejemplo, el ácido benzoico consta de un grupo ácido carboxilo unido a un anillo de benceno:

[pic 2]

Debido al carácter poco polar del anillo aromático y a su gran tamaño comparado con el del grupo carboxilo, las interacciones dominantes en este compuesto son de tipo apolar y por ende es poco soluble en agua a pH neutro. En cambio, el mismo compuesto es muy soluble en una solución acuosa fuertemente básica, como lo es el NaOH al 10%. Esto es debido a la formación de una sal mediante la reacción ácido-base entre el ácido benzoico y el hidróxido de sodio:[pic 3][pic 4]

• NaOH   →

Los iones constituyentes de la sal resultante establecen interacciones carga-dipolo con el agua, permitiendo que la sustancia se disuelva con mucha facilidad.

CLASIFICACIÓN POR SOLUBILIDAD EN EL MÉTODO DE KAMM

En la tercera etapa del método de Kamm se clasifica al compuesto problema en uno de nueve grupos de acuerdo con su composición elemental y su solubilidad en los seis solventes que discutiremos a continuación.

Para este propósito e independientemente de las causas de la disolución del compuesto que se investiga, se considera que hay disolución cuando 0,2 g de la sustancia sólida, o 0,1 mL de la sustancia líquida, forman una fase homogénea a temperatura ambiente con 3 mL del solvente.

Agua: En general cuatro tipos de compuestos son solubles en agua, los electrolitos, los ácidos, las bases y los compuestos polares. En cuanto a los electrolitos, las especies iónicas se hidratan debido a las interacciones ion-dipolo entre las moléculas de agua y los iones. El número de ácidos y bases que pueden ser ionizados por el agua es limitado, y la mayoría se disuelve por la formación de puentes de hidrógeno. Las sustancias no iónicas no se disuelven en agua, a menos que sean capaces de formar puentes de hidrógeno; esto se logra cuando un átomo de hidrógeno se encuentra entre dos átomos fuertemente electronegativos, y para propósitos prácticos sólo el flúor, oxígeno y nitrógeno lo forman. Por consiguiente, los hidrocarburos, los derivados halogenados y los tioles son muy poco solubles en agua.

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