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UNIVERSIDADE DE BRASÍLIAINSTITUTO DE QUÍMICALABORATÓRIO DE QUÍMICA ORGÂNICA

EXPERIMENTO 2. Purificação e Caracterização de Substâncias Orgânicas – Parte I. Processos Extrativos: A. Separação dos

componentes ativos da formulação APC; B. Experimento demonstrativo: Extração Continua Líquido-Líquido e Líquido-Sólido (extração da trimiristina a

partir da noz moscada)

OBJETIVOS

Examinar o comportamento de algumas substâncias orgânicas em termos solubilidade frente a solventes orgânicos, água e soluções aquosas ácidas e básicas.

Demonstrar a importância da solubilidade no fracionamento químico de uma mistura - Extração líquido-líquido

LEITURA RECOMENDADA

Forças intermoleculares; solubilidade; acidez e basicidade em química orgânica.

EXTRAÇÃO

INTRODUÇÃO

A extração é um dos processos de separação mais antigo e mais utilizado pelos químicos orgânicos. Virtualmente, todas as reações orgânicas requerem extração em algum estágio da purificação de seus produtos. Na prática, a extração em química orgânica é empregada para separar uma substância orgânica de uma solução aquosa ou suspensão. O processo de extração simples consiste em agitar a solução aquosa ou suspensão com um solvente imiscível com água em um funil de separação e deixar que as duas fases se separem (Figura 2). Os vários solutos presentes, então, se distribuem entre as camadas aquosa e orgânica de acordo com suas solubilidades relativas.

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Figura 2: (a) Maneira correta de segurar um funil de separação quando agitado; (b) Separação das camadas usando o funil de separação.

Durante o processo de extração simples pode ocorrer a formação de emulsões, isto é gotas de uma fase permanecem em suspensão na outra fase. Para quebrar a emulsão em alguns casos, basta deixar a mistura em repouso por alguns minutos. Em outros, a emulsão persiste por horas ou dias. Neste caso, o processo pode ser acelerado por adição de agentes antiemulsificantes ou tensioativos.

Uma das causas da formação de emulsões está relacionada com diferenças muito pequenas de densidade entre as duas fases. A adição de uma substância capaz de aumentar a diferença de densidade contribui para quebrar a emulsão. Pentano é normalmente usado para diminuir e tetracloreto para aumentar a densidade de soluções orgânicas. A adição de cloreto de sódio aumenta a densidade da fase aquosa, enquanto a adição de solventes orgânicos miscíveis com água, como etanol, tende a diminuir a densidade. Emulsões podem ocorrer também em extrações envolvendo soluções básicas. Isto ocorre porque o sal orgânico formado tem muitas vezes características emulsificantes. A adição de algumas gotas de ácido acético resolve este problema. A formação de emulsão pode ser evitada agitando a mistura com cuidado, no funil, durante um tempo maior.

No processo de separação por extração simples deve-se levar em conta as seguintes observações: a torneira do funil deve ser lubrificada com algumas gotas de água e o funil testado com o

solvente que se pretende usar para verificação de vazamento; quando o funil for agitado, a tampa e a torneira devem ser seguradas com firmeza e a

pressão interna abrandada, invertendo-se o funil e abrindo-se a torneira lentamente, evitando o direcionamento da abertura para si ou para o seu vizinho (por quê?);

se houver formação de emulsão entre as camadas de líquidos imiscíveis agite o funil de separação em movimentos suaves e circulares; se a emulsão persistir adicione cloreto de sódio (ou, se necessário, ácido clorídrico) à mistura e repita a operação anterior;

existem situações onde podem surgir dúvidas a respeito de qual é a camada orgânica, neste caso, adicione mais um pouco de um dos líquidos e verifique qual a camada que aumenta de volume;

para remover a camada inferior, remova a tampa e abra a torneira cuidadosamente, pressionando-a horizontalmente; em seguida, retire a fase superior;

terminada a extração, lave todo o sistema e, se for o caso, guarde-o desmontado para evitar a aderência da torneira ou da tampa, fato comum quando soluções básicas são usadas.

Assim, a separação de uma mistura por extração fundamenta-se, essencialmente, na diferença de solubilidade dos seus componentes entre dois solventes. Para que a separação dos componentes de uma mistura seja eficiente, é necessário que haja uma grande diferença nos valores dos parâmetros de solubilidade dos líquidos imiscíveis e que o soluto seja mais solúvel em um destes solventes. O parâmetro de solubilidade () é uma medida quantitativa muito útil que reflete a intensidade das forças intermoleculares e é definido por:

= (E/V)1/2

onde, E é a energia necessária para romper as forças intermoleculares do líquido e V é o volume do líquido. Portanto, é a raiz quadrada da energia requerida para vencer as forças intermoleculares do líquido por unidade de volume. Na Tabela 1, estão enumerados vários solventes com os respectivos parâmetros de solubilidade. Para que dois líquidos possam ser usados na extração é necessário que eles sejam imiscíveis, e isto ocorre quando a diferença dos parâmetros de solubilidade é grande (por exemplo, água e éter etílico formam um par apropriado de solventes para a extração).

Tabela 1. Parâmetros de solubilidade de alguns solventes comuns.

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Solvente (cal/mL)1/2

Éter etílico 7,4Ligroína (éter de petróleo) 7,5

Cicloexeno 8,2Tetracloreto de carbono 8,6

Benzeno 9,2Clorofórmio 9,3

Água 23,4

Se tivermos um sistema de dois líquidos imiscíveis A e B, e adicionarmos uma terceira substância (soluto), a substância se distribuirá diferentemente nas duas camadas num processo denominado partição. A razão entre as concentrações do soluto nos dois solventes é uma constante K, denominada de coeficiente de partição, que é dependente apenas da temperatura:

K = CA/CB

onde K é a constante de partição ou coeficiente de partição, CA é a concentração molar do soluto no solvente A e, CB é a concentração molar do soluto no solvente B.

Uma boa aproximação da concentração do soluto em cada solvente pode ser feita com base em termos de solubilidade do soluto em um solvente puro. Os valores de solubilidade podem ser encontrados em tabelas de solubilidade.

Solubilidade do soluto no solvente A (g/ 100 mL)K = __________________________________________________

Solubilidade do soluto no solvente B (g/ 100 mL)

Considere um soluto S, o qual se dissolve em éter (solvente A) na proporção de 12 g/100 mL e dissolve em água (solvente B) na proporção de 6 g/100 mL. Então, o coeficiente de partição (k) será dado por:

12 g/ 100 mL de éterK = _______________________ = 2

6 g/ 100 mL de água

Se uma solução de 6 g de S em 100 mL de água é agitada com 100 mL de éter, teremos:

(x) g de S/ 100 mL de éterK = ________________________ = 2

(6 - x) g/ 100 mL de água

Daqui podemos tirar a quantidade em gramas do soluto extraído pelo éter (4 g) e a quantidade do soluto remanescente na água (2 g).

Se ao invés de fizer a extração com uma única porção de 100 mL de éter, realizarmos a extração com duas porções de 50 mL de éter, teremos na primeira extração:

(x1) g de S/ 50 mL de éterK = _________________________ = 2

(6 - x1) g/ 100 mL de água

Daqui podemos tirar a quantidade em gramas do soluto extraído pelo éter (3 g) e a quantidade do soluto remanescente na água (3 g).

Então, na segunda extração teremos:

(x2) g de S/ 50 mL de éterK = ___________________________ = 2

(3 - x2) g/ 100 mL de água

Portanto, a extração da solução inicial com duas porções de 50 mL éter irá extrair um total de 4,5 g do soluto S (x1 + x2). Três extrações com 33,33 mL de éter extrairia 4,7 g de

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soluto (S), e assim sucessivamente. Então é importante guardar que o uso de pequenas quantidades de solvente, repetidas vezes, é mais eficiente no processo de extração do que uma quantidade equivalente de solvente usada de uma só vez. Quando a constante K é muito pequena, não se recomenda a extração simples por causa do gasto excessivo de solvente. Prefere-se, neste caso, o método de extração contínua, que utiliza um volume bem menor de solvente. Uma aparelhagem comum para extração contínua de sólidos com uso de solventes de baixo ponto de ebulição é chamado extrator Soxhlet (Figura 3).

Figura 3. Extrator Soxhlet

O sólido é colocado em um cartucho apropriado de celulose na câmara do extrator (A). O solvente, colocado no balão (B), é aquecido e os vapores condensam-se na câmara do extrator, caindo sobre o material a extrair. Quando o nível do destilado na câmara de extração atingir o nível do sifão (C), a solução retornará ao balão. Isto torna a operação automática e menos laboriosa, além de empregar uma quantidade bem menor de solvente. O processo de extração em Soxhlet é rotineiramente utilizado para extração de produtos naturais de plantas, por exemplo. No caso de extração contínua de líquidos, as aparelhagens apresentadas na Figura 4 são as mais indicadas. A primeira é empregada quando o solvente é menos denso do que a solução ser extraída, e a segunda, no caso contrário.

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Figura 4. Aparelhagens para extração contínua de líquidos: extração por líquidos menos densos (A); extração por líquido mais denso (B).

Até agora consideramos casos em que não há reação entre o soluto e o solvente, mas também podemos fazer uma separação usando solventes quimicamente ativos, denominados “solventes de reação”. Um solvente de reação é aquele que reage com o soluto para dar origem a um composto mais solúvel. Por exemplo, uma amina tal como a anilina é solúvel em uma solução aquosa de HCl, por que forma um sal solúvel em água. Esta reação permite uma separação da anilina de impurezas não básicas. O sal passando para a solução aquosa ácida enquanto que os outros componentes permanecem em solução na fase orgânica. Após a separação das camadas, amina pode ser regenerada a partir do sal, pela reação com uma base, e subseqüentemente ser extraída com um solvente orgânico.

NH2

+ HCl

Impurezas neutras

H2O

Et2O

1. NaOH

2. Et2OC6H5NH3 Cl

NH2

Reações similares podem ser usadas para separar ácidos carboxílicos, fenóis, naftóis, etc., e aminas de substâncias neutras, aplicando a variação do pka destes substratos. O uso de solventes de reação também pode ser útil para separar uma substância desejada de impurezas solúveis no mesmo solvente. Essas impurezas podem ser destruídas ou transformadas em derivados solúveis na fase aquosa, via reações rápidas.

PARTE EXPERIMENTAL

A-I EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO

Objetivo: Fracionar componente ácido (aspirina), básico (cafeína) e neutro (fenacetina) de uma mistura por meio de extração líquido-líquído. A mistura aspirina-cafeína-fenacetina é conhecida como APC e encontra-se presente em algumas formulações farmacêuticas.

Procedimento:

1. Dissolver cerca de 5 g de uma mistura contendo aspirina, cafeína, fenacetina (ou alternativamente acetanilida) em 30 mL de clorofórmio e transferir para um funil de separação.

2. Adicionar 20 mL de uma solução de uma solução aquosa de ácido clorídrico 4 M, agitar bem e deixar em repouso para que as duas fases se separem completamente. Separar a camada orgânica inferior e reservá-la para tratamento posterior.

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3. Neutralizar a camada contida no funil de bicarbonato de sódio (5 a 7 g), adicionado em pequenas porções e com agitação contínua.

4. Extrair com duas porções de 10 mL de clorofórmio. Juntar os extratos orgânicos em um béquer tarado, evaporar o solvente por meio de um banho-maria (operação a ser realizada na capela!) ou evaporador rotatório. Após remoção do solvente, determinar a massa do sólido, neste caso a cafeína (por quê?).

5. Transferir a solução de clorofórmio reservada anteriormente (item 2) para um funil de separação, adicionar 25 mL de solução de bicarbonato de sódio 0,5 M e agitar bem a mistura.

6. Deixar a mistura em repouso até que se separe a camada orgânica inferior, que é recolhida em um béquer previamente tarado. Evaporar o solvente, utilizando um banho-maria ou evaporador, e verificar a massa do sólido, no caso a fenacetina (porquê?).

7. Transferir a solução aquosa contida no funil para um béquer, adicionar (lentamente e com agitação) 5 mL de solução de ácido clorídrico 4 M (verificar o pH da mistura o qual deve estar ácido).

8. Resfriar o conteúdo do béquer, filtrar aspirina (porquê?) em um pequeno funil de Büchner, secar ao ar e pesar para o cálculo do rendimento.

Atenção!!! Cuidado especial deve ser tomado com o desprendimento de gás ou desenvolvimento de calor quando da agitação do funil! Alivie constantemente a pressão no funil.

DISPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS E INSUMOS:

Os resíduos aquosos deverão ser descartados na pia com água corrente. Todas as misturas contendo solventes orgânicos deverão ser acondicionadas em frascos

de deposição de resíduos conforme indicado pelo instrutor. Reservar os sólidos obtidos após o fracionamento, para utilização em práticas

posteriores.

DISCUSSÃO

(a) Elabore um diagrama de fluxo (flow-sheet) demonstrando e justificando cada etapa do processo de fracionamento.

(b) Calcule o rendimento percentual dos componentes da mistura e comente sobre a eficiência da técnica, sabendo-se que a mistura inicial e formada por ~2,0 g de aspirina, ~2,0 g de cafeína e ~1,0 g de fenacetina ou acetanilida.

EXPERIMENTO OPCIONAL

PARTE B: ISOLAMENTO DA TRIMIRISTINA A PARTIR DA NOZ MOSCADA (NUS VOMICA)

Objetivo: Isolamento de um produto natural (trimiristina) a partir da noz moscada usando a técnica de refluxo.

A noz moscada é uma semente natural da Índia Oriental (Myristica fragrans), o componente principal da noz moscada é um lípídio, mais precisamente um triacilglicerol cujo o único

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ácido graxo é ácido mirístico (trimiristina). A trimistina é também um dos principais contituintes do óleo de coco.

CH2

CH

CH2

O

O CO

O CO

CO C13H27

C13H27

C13H27 Trimiristina

Dado que triacilgliceróis são completamente não hidrossolúveis, não podem ser extraídos com água, por outro lado, também não são voláteis, ou seja, não podem ser extraídos usando a técnica por arraste a vapor, técnica que será apresentada mais adiante em nosso curso. A metodologia mais apropriada para o isolamento de insumos com estas características a partir de materiais biológicos é a extração com solventes pouco polares, para que apenas o componente lipídico seja extraído. Em específico, a trimiristina, poder ser extraída da semente de noz moscada pelo uso de um sistema de refluxo (Figura 5) e em seguida, purificada através de sucessivas cristalizações, uma vez que esta é uma gordura sólida.

OBSERVAÇÃO: Será apresentada a extração da trimiristina em Soxhlet a partir da noz moscada como experimento demonstrativo.

Figura 5. Aparelhagem para refluxo

Procedimento:1. Coloque cerca de 5g de noz moscada em pó em um balão de 100ml, contendo uma

barra magnética e 15 ml de éter etílico. 2. Adapte um condensador descendente como mostrado na Figura 5 e aqueça

brandamente sob refluxo por aproximadamente 30 min.3. Filtre a mistura para um balão de 25 mL, lavando o resíduo com 2 a 4mL de éter etílico.4. Remova o solvente a vácuo, utilizando o evaporador rotatório e dissolva o óleo amarelo

resultante em 3 a 4 mL de acetona, com aquecimento.

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5. Coloque imediatamente a solução quente em um frasco Erlenmeyer de 25 ml e deixe a solução atingir a temperatura ambiente. Se não ocorrer cristalização neste momento, esfregue levemente as paredes do frasco com um bastão de vidro.

6. Complete a cristalização resfriando o frasco em um banho de gelo.7. Colete a trimiristina por filtração a vácuo em um funil de Büchner.8. Depois de seca, pese a trimiristina . Calcule o rendimento bruto da extração.9. Reserve o material para recristalização em aula prática posterior.

DISCUSSÃO

(a) O coeficiente de distribuição K= (conc. em ligroína/conc. em água), entre ligroína e água para o soluto A é 7,5. Qual o peso de A que seria recuperado da solução de 10 g de A em 100 mL de água com uma única extração usando 100 mL de ligroína? Qual o peso de A que seria recuperado com quatro extrações sucessivas com 25 mL de ligroína? Quanto de ligroína seria necessário para recuperar 98,5% de A em uma única extração?

(b) O pKa do p-nitrofenol é 7,15. Você esperaria que p-nitrofenol se dissolvesse numa solução de bicarbonato de sódio? O pKa do 3,5-dinitrofenol é 5,15. Você esperaria que dissolvesse numa solução de bicarbonato?

(c) (Provão MEC - 2002) Em um laboratório de química orgânica experimental, dois alunos receberam uma amostra de naftaleno contaminada por ácido benzóico. Um dissolveu a amostra em éter dietílico (SISTEMA I) e o outro, em diclorometano (SISTEMA II). A seguir, as soluções foram transferidas para funis de decantação que continham solução aquosa de NaOH a 5%. Após agitação das misturas, foram obtidas as fases mostradas na figura abaixo.

Dados:Substância Densidade a 25 oC (g/cm3)Éter dietílico 0,7diclorometano 1,3

O naftaleno deve ser recuperado da(s) fase(s)(A) I A apenas.(B) II B apenas.(C) I A e II A.(D) I A e II B.(E) I B e II B.

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(d) (Provão 2000– MEC): Os compostos (a), (b), (c), (d) representados abaixo, estão presentes na mistura 1.

Visando à separação desta mistura, foi executado o seguinte procedimento

Os Compostos (a), (b), (c) e (d) põem ser recuperados respectivamente das frações:

(A) I, III, II e IV(B) II, IV, III e I(C) III, I, IV e II(D) IV, II, I e III(E) IV, II, III e I

(e) (Provão 2001– MEC): Observe as seguintes aminas:

Sobre a basicidade dessas aminas, é correto afirmar que(A) I é a mais básica por ser a única amina secundária.(B) I é a mais básica pelo fato de o par de elétrons não ligantes do nitrogênio não

estar deslocalizado.(C) II é a mais básica, pois o par de elétrons não ligantes do nitrogênio faz parte do

sistema aromático.(D) III é a mais básica em virtude de o nitrogênio estar ligado a um anel de seis

membros.(E) II e III são mais básicas que I por serem aminas aromáticas.

(f) (Provão 2003-MEC) Considere as seguintes espécies: I II III IV

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A ordem crescente de acidez desses compostos é:(A) I, II, III, IV.(B) II, III, I, IV.(C) III, II, I, IV.(D) IV, I, III, II.(E) IV, III, I, II.

(g) (Provão 2003-MEC) Considere as estratégias X e Y empregadas na extração, com diclorometano, de cafeína contida em uma solução aquosa.

(Dados: Coeficiente de partição, K = C2/C1, onde: C1 = concentração da cafeína em água C2

= concentração da cafeína em CH2Cl2). Com relação à eficiência de extração das estratégias X e Y, é correto afirmar que:

(A) as duas estratégias fornecem resultados idênticos, pois foi utilizada uma mesma quantidade de diclorometano.

(B) a estratégia X é mais eficiente, pois um menor número de etapas leva a menores perdas de cafeína.

(C) a estratégia X é mais eficiente, pois o K nesta estratégia é maior que na estratégia Y.

(D) a estratégia Y é três vezes mais eficiente, pois cada extração remove a mesma quantidade de cafeína.

(E) a estratégia Y é mais eficiente, pois como K é constante, um maior número de etapas remove uma maior quantidade de cafeína.

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