Síntese Cloreto de T-Butila

UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS INSTITUTO DE QUÍMICA

Síntese do cloreto de t-butila

Professor: Guilherme Roberto de Oliveira Aluna: Rávila Almeida de Oliveira Química Orgânica Experimental

Março 2014

Resultados e Discussões

 Neste experimento, utilizou-se para a preparação do cloreto de t-butila o álcool t butílico e ácido clorídrico concentrado conforme a reação abaixo:

Figura 1  –   Reação de substituição nucleofílica (S N1) do álcool t-butílico com o ácido clorídrico para a  produção do cloreto de t-butila.

 Na reação acima, o átomo de oxigênio presente no álcool t-butílico polariza ambas as ligações C — O e O — H deste álcool. A polarização da ligação O — H faz com que o hidrogênio torne-se parcialmente positivo, e a polarização da ligação C  — O torna o átomo de carbono parcialmente positivo. A determinação do tipo de reação(S N2 ou S N1) foi feita de acordo com as condições de reação presentes na figura 1, ou seja, a presença de um álcool terciário(álcool t-butílico) altamente impedido estericamente e a possível conversão de um grupo de saída fraco (OH-) em um forte (H 2O). A presença de um álcool terciário(álcool t-butílico), e a consequente formação de carbocátions, nos indica que a reação será do tipo S N1(Substituição nucleofílica unimolecular), pois este tipo de reação ocorre em uma série de etapas, sendo que a etapa mais lenta(formação do carbocátion) determina a velocidade da reação global. Há a formação de carbocátions, pois como o álcool t butílico é um álcool terciário, cuja carga positiva que é adquirida pelo átomo de carbono é estabilizada pelos grupos alquilas, que cedem elétrons de seus orbitais para os orbital vazio(antiligante) do átomo de carbono deficiente em elétrons em um processo conhecido como hiperconjugação 1. A presença de um solvente polar prótico(H 2O) também favorece a formação de carbocátions, pois as moléculas de água envolvem e estabilizam os cátions que são formados. Como na etapa de formação do carbocátion não há formação de nenhuma outra ligação, ela é altamente endotérmica e possui uma elevada energia de ativação. A  presença da água diminui essa energia de ativação. O fato do álcool t-butílico ser altamente impedido estericamente não favorece uma reação S N2, pois o nucleófilo encontraria grande dificuldade para atacar o átomo de carbono deficiente em elétrons, devido aos grupos alquila ligados a este átomo de carbono. Para que esta reação de substituição ocorra, não basta apenas ter um álcool terciário, também é necessário que tenhamos no substrato (álcool t-butílico) um bom grupo de saída. Para isso, faz-se necessário a protonação do álcool, a qual ocorre na presença de uma solução aquosa de um ácido forte, no caso do experimento, ácido clorídrico concentrado (HCl(con.)) . A protonação do álcool converte um grupo de saída fraco (OH -) em um forte um forte (H2O).

Esta protonação ocorre pela existência do par de elétrons sobre o átomo de oxigênio, o que torna o grupo (OH -) básico, assim como nucleofílico. Na presença de ácidos fortes, os alcoóis agem como bases e aceitam prótons da seguinte maneira:

Figura 2  –   Mecanismo de protonação de um álcool por um ácido forte e a consequente formação do álcool protonado.

A protonação do álcool t-butílico pode ser observada de acordo com a primeira etapa do mecanismo de Substituição nucleofílica unimolecular:

De acordo com a primeira etapa do mecanismo, o álcool t-butílico atua como uma base e aceita um próton do íon hidrônio. O produto formado é um álcool protonado (íon terc butiloxônio) e água. Abaixo seguem a segunda e terceira etapa do mecanismo, as quais envolvem a formação do carbocátion e do produto cloreto de t-butila.

 Na segunda etapa, a ligação entre o carbono e o oxigênio do íon terc- butiloxônio quebra-se heteroliticamente levando a formação de um carbocátion e de uma molécula de água. Na terceira etapa, o carbocátion atuando como um ácido de Lewis aceita um  par de elétrons do íon cloreto Cl-  presente em solução pela ionização do ácido clorídrico, e então há a formação do produto. Ao lavar a fase orgânica, adicionou-se água para remover traços de HCl.Deve-se ficar atento para a realização do experimento, pois este deve ser realizado de forma rápida. Isso se deve ao equilíbrio da reação de preparação do cloreto de terc-butila. Conforme a  primeira etapa (figura 3) do mecanismo de substituição nucleofílica unimolecular, temos que há a formação de um álcool protonado (íon terc- butiloxônio) e água. Com a adição de água, o equilíbrio da reação é deslocado para o lado da formação do álcool t butílico, prejudicando a formação do produto desejado. Logo, é necessário que o experimento seja feito de forma rápida.

Figura 3  –   Protonação do álcool t-butílico na presença de uma solução aquosa de ácido clorídrico concentrado.

Mesmo adicionando água para retirar traços de ácido clorídrico, resquícios de HCl ainda  poderiam estar presente na fase orgânica, pois no processo de protonação do álcool foi adicionado ácido clorídrico concentrado. Então, adicionou-se uma solução aquosa de  bicarbonato de sódio (NaHCO 3(aq.)), pois como este é uma base mais forte do que a água, há a reação ácido/base entre o bicarbonato de sódio e o ácido clorídrico,  produzindo NaCl e CO2 conforme a seguinte reação abaixo:  NaHCO3(aq.) + HCl(con)  H2CO3(aq.)

NaCl(aq.) + H2CO3(aq.)

(Reação 1)

H2O(l) + CO2(g)

Após a separação da camada orgânica, adicionou-se novamente água para que fossem removidos traços da base. Quando analisamos a dissociação do bicarbonato de sódio em água, os íons HCO3 - e H3O+ se associam e formam o ácido fraco H 2CO3. Por ser um ácido instável, ele se decompõe em CO 2 e H2O, porém, os íons Na + e OH- se mantém dissociados em solução aquosa porque o NaOH é uma base forte e solúvel. Na presença de um substrato terciário (álcool t-butílico) e de uma base forte (NaOH), há o favorecimento de uma reação de eliminação, e não é isso que se deseja. Por isso, devese retirar traços da base.

Rendimento

Peso do balão vazio: 51,357 g Peso do balão com a solução de cloreto de t-butila obtido: 61,740 g 61,740 g  –  51,357 g = 10,383 g Cálculos do Rendimento percentual da reação: Rendimento de uma reação é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtido e a quantidade que seria teoricamente obtida pela equação química correspondente. 1o Determinar o número de moles do reagente limitante, álcool t-butílico (CH 3)3COH: Densidade do (CH 3)3COH = 0,789g/ml

d=m/v

1 mol ___ 74,0 g

m = 0,789g/ml . 15ml

x _____ 11,835 g

m = 11,835 g de álcool t-butílico

x = 0,160 mol

2o Usar o fator estequiométrico, a partir da equação equilibrada, para determinar o número de mols do cloreto de t-butila.

1 mol ______ 1 mol 0,160 mol _____ x x = 0,160 mol de cloreto de t-butila

m = 0,160 . 92,5g/mol m = 14,8g Então a quantidade de cloreto de t-butila produzida  –  produção teórica  –  é de 14,8g Como: Rendimento percentual = produção real . 100 Produção teórica Rendimento = 10,383 . 100 14,8

Rendimento = 70,2% Um pouco da amostra contendo cloreto de t-butila foi enviada para a análise por espectroscopia de infravermelho (IV). Abaixo pode-se observar um espectro do cloreto de t-butila :

Figura 4  –  Espectro de infravermelho (IV) do cloreto de t-butila.

Pode-se observar uma banda forte em 800 cm -1 que corresponde ao estiramento C — Cl em cloretos alifáticos. Observa-se também uma banda forte em 580 cm -1 que também corresponde ao estiramento C — Cl em uma conformação diferente. O dobramento CH2 — Cl aparece em uma banda forte em 1380 cm -1. O estiramento C — H sp3 é observado em uma banda forte em 3000 cm -1.

Conclusão

Verifica-se ser eficiente o método utilizado para a realização do experimento, pois obteve-se um haleto de alquila(cloreto de t-butila) a partir de um álcool terciário(álcool t-butílico) através de um mecanismo de reação de substituição nucleofílica unimolecular, tendo como rendimento 70,2% . Este rendimento é razoável, já que encontra-se na literatura rendimentos para essa reação que variam de 70 a 80 %.

Bibliografia

(1) SOLOMONS, T.W. Química Orgânica. 7 ed. Rio de Janeiro: LTC Editora, 2001. (2) PAVIA, Donald. Introdução à espectroscopia. 4a Ed. São Paulo: CENGAGE Editora.