Síntesis furfural.pdf

ESCUELA SUPERIOR POLITÉNICA DEL LITORAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS (FCNM) INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA II

SÍNTESIS DE FURFURAL Profesor: Q.F. Michael Guillermo Rendón Morán Escrito por: Christian Montoya Jaramillo

GUAYAQUIL  – ECUADOR Primer Término 2017

1. Objetivos: 1.1. Objetivo General:

Sintetizar Furfural (54 2)  mediante la deshidratación de Pentosas a partir de muestras ricas en Pentosanos. 1.2. Objetivos específicos:

-

Investigar las descripciones físicas, químicas, abundancia y formas de caracterización del compuesto mediante las referencias bibliográficas obtenidas. Realizar un esquema de las reacciones que se llevarán a cabo basándose en las propiedades del compuesto sintetizado y en la estructura del reactivo de partida. Desarrollar un proceso de obtención rápido y efectivo para sintetizar el compuesto a partir del planteamiento de las reacciones que se llevarán a cabo. Estudiar de forma básica la forma de Espectro de masa e infrarrojo del Furfural para obtener una mayor descripción del compuesto sintetizado.

2. Fundamento de la práctica :

Esta práctica consiste en hidrolizar los Pentosanos que se encuentran dentro de la materia prima previamente procesada y así convertir de esta manera los polisacáridos en Pentosas. Finalmente, se deshidrata el compuesto obteniendo como resultado el producto deseado. 3. Marco Teórico : 3.1. Propiedades sintetizado:

físicas

y

químicas

importantes

del

producto

Furfural: Su fórmula molecular es: 4 3. Denominado también como Furfuraldehído y Furan  – 2  – Metanal. Es un éter Cíclio que contiene un grupo carbonílico en su estructura, además de presencia de 2 enlaces pi [1]. Su estructura molecular muestra un compuesto orgánico heterocíclico denominado como Furano. (Ver Ilustración 1.)

Ilustración 1. Estructura Básica del “Furano” . Fuente: WikiWand 

El cual, en el Segundo Carbono ( ∝) de la estructura básica del Furano se encuentra un grupo carbonilo ligado a este. (Ver Ilustración 2.)

Ilustración 2. Furano con un Grupo carbonilo en el Segundo Carbono. Fuente: Wikimedia

El Furfural es líquido en temperatura ambiente, claro y de aspecto incoloro cuando es recién destilado [2]. De color amarillento claro y ambarino. Si hay poca luz y presencia de aire se vuelve marrón parduzco. Tiene aroma agradable a almendras o en ciertos casos un aroma característico a formaldehído. Debido a la presencia de sus grupos furanos y aldehídos se caracteriza por ser un compuesto químicamente activo. [3]. Sus propiedades se muestran en la siguiente tabla (Ver Tabla.1)

Tabla 1. Propiedades del Furfural. Fuente:

Nombre Fórmula Molecular Peso Molecular (g/mol) Punto de Fusión (°C) Temperatura de Ign ición Espontánea (°C) Índice de Refracción (nD20) Punto de Ebulli ción (°C) Punto d e Inflamación (°C) Presión de Vapor a 20°C (atm) Densidad Relativa al agua Solubil idad en agua a 20°C (g/100ml)

Furfural 5 4 2

96.08 -36,5 315 1.524  – 1.527 162 60 1.44 1.16 8.3

Es un excelente compuesto con características de solvente debido a ciertas características en su estructura. El carácter aromático de su anillo brinda polaridad a su estructura convirtiéndolo en un buen candidato

durante la selección de solventes entre compuestos aromáticos y en compuestos insaturados. [4] El Furfural se produce a partir de productos agrícolas que contienen Pentosanos que son hidrolizados para obtener Furfural y otros subproductos. (Ver Ilustración 3.)

Ilustración 3. Esquema de obtención de Furfural y subproductos a partir de Vegetales. Fuente: Gianluca Marcotullio

Métodos de Identifi cación: La reacción con 2,4 -Dinitrofenilhidracina al realizar recristalización de esta mezcla generará cristales naranjas característicos de esta prueba  junto con el Furfural, esto ocurre cuando en una muestra hay un grupo aldehído (Sea este aldehído o cetona.).

Una segunda prueba necesaria es la prueba de tollens que consiste en la formación de un espejo de color plateado cuando hay un aldehído en la estructura que reacciona con el Nitrato de Plata amoniacal perteneciente a la prueba de Tollens. Finalmente, la identifiación de esta con una mezcla de anilina, la cual es una prueba propia del Furfural. En esta, el anillo del Furano sufre una ruptura con una molécula de la anilina y otra molécula de anilina reacciona con el grupo aldehído generando cristales violetas tras la cristalización. Previamente será una solución de color rojo cerezo. [5] Los Pentosanos se encuentran en abundancia en los productos agrícolas dentro de la celulosa de muchos tejidos de plantas leñosas.

Tabla 2. Tabla de abundancia. Fuente: Gianluca Marcotullio

3.2. Mecanismos de reacción

Los Pentosanos provenientes de la materia prima están estructurados por anillos unidos por puentes de oxígenos (Ver Ilustración 4.). La reacción debe ocurrir en un medio ácido para que ocurra la protonación en uno de sus enlaces de oxígeno (Hidrólisis).

Ilustración 4. Estructura básica de Pentosano. Fuente: Baez Mejia Lorena

Su primera etapa consiste en efectuar hidrólisis, se describe de forma textual e ilustrativa (Ver Ilustración 5.): 1. Se efectúa la protonación de un enlace de oxígeno formando un oxígeno trivalente con una carga positiva (Se describe en la Ilustración 5. En la primera y segunda línea de la reacción.) 2. Se elimina un enlace de Carbono y Oxígeno formando un Carbocatión en un lado de la cadena ya separada y en el otro lado un grupo hidroxilo. (Se describe en la Ilustración 5. En la Tercera línea de la reacción.)

3. El Carbocatión adhiere una molécula de agua enlazándose al oxígeno de está formando una inestabilidad en la estructura del agua ocasionando la ruptura de esta al eliminar un átomo de hidrógeno Formando Pentosas. (Se describe en la Ilustración 5. En la Cuarta y Quinta Línea). [6]

Ilustración 5. Descripción de Hidrólisis de Pentosano. Fuente: Baez Mejia Lorena

A continuación, se procede a deshidratar la pentosa ya generada con fin de formar los dobles enlaces respectivos que conforman el Furfural (Ver Ilustración 6.): 1. Al encontrarse en un medio ácido, los Cationes de Hidrógeno se enlazan a un átomo de oxígeno formando una inestabilidad en este, permitiendo separarse de la estructura principal y formando un Carbocatión (Se describe en la Ilustración 6. En la primera línea del diagrama de reacción). 2. Conforme busca la estabilidad del Carbocatión, se genera la ruptura del enlace del oxígeno del anillo formando un Enlace pi en el carbono inestable. El oxígeno inestable es estabilizado por su carbono adyacente al proporcionar un enlace pi sobre este y eliminando un hidrógeno de la estructura principal, formando así que se repita la reacción (Se describe en la Ilustración 6. En la segunda línea del diagrama de reacción). 3. Finalmente, se repite el proceso de la reacción hasta buscar su inestabilidad. Esto ocurre cuando los Elimina los grupos hidroxilos de su estructura principal. (Se describe en la Ilustración 6. En la tercera, cuarta y quinta línea del diagrama de reacción).[6]

Ilustración 6. Descripción de la deshidratación de Pentosanos y formación de Furfural. Fuente: Baez Mejia Lorena

3.3. Espectro Infrarrojo de la su stancia analizada

Gráfica 1. Espectro IR Furfural. Elaborado en: Webbook 

Entre las características más destacables a interpretar se ubica un grupo carbonilo determinado en el pico que se encuentra en el intervalo de 1500 y 1700. Una cadena de flexiones consecuentes al intervalo entre 1500 y 1700 confirma la presencia de oxígeno dentro del compuesto (Los cuales,  justamente son del grupo aldehído y ésteres). La flexión de menor tamaño ubicado a la izquierda del valor de 3000 indica la presencia de Carbono e Hidrógenos en la estructura; Antes de estos, entre los 2000 y 2500 se observan dos picos que muestran la presencia de dos enlaces pi en la estructura. Finalmente, aproximadamente en el valor 2000 se encuentran tres pequeños picos que análogamente indican la presencia de compuestos cíclicos en la estructura. [7] 3.4. Espectro de Masas

Gráfica 2. Espectro de Masa del Fu rfural. Elaborado en: Spectral Database for Organic Compounds.

4. Metodología: 4.1. Materiales: Tabla 3. Tabla de Materiales. Elaborado por: Autor.

Soporte Universal Pipetas Graduadas Agarradera Refrigerante de Bolas Camilla de Calentamiento Termómetro

Materiales Tubo de Ensayo Pinzas Nuez Refrigerante de Tubo Recto Matraz bola de 2 entradas Aro de Calentamiento Vaso de Precipitación

4.2. Reactivos Tabla 4. Tabla de Reactivos. Elaborado por: Autor.

Reactivos Ácido Clorhídrico (HCl) (10%) Avena molida Alcohol Etílico () Anilina (   ) 4.3. Procedimiento Observación:  Armar un sistema de destilación de reflujo tal y como se observa en la imagen (Ver Ilustración 7.)

Ilustración 7. Sistema de Reflujo. Fuente: Wikiwand 

4.3.1. Pesar 10 gramos de la materia prima a utilizar, en nuestro caso constituye a avena triturada dentro del matraz que será sometido a calentamiento.

4.3.2. Agregue 25 ml de Ácido Clorhídrico al 10% (HCl) en el matraz donde se encuentra la avena. 4.3.3. Dispóngase a calentar la mezcla regulando su temperatura durante 30 minutos. El objetivo de este procedimiento es acidificar la mezcla y obtener un mayor rendimiento en la mezcla. 4.3.4. Retirar el refrigerante de bolas y alternarlo por un refrigerante de tubo recto (Ver Ilustración 8.) para proceder a realizar un proceso de Destilación simple. 4.3.5. Destilar hasta obtener 25 ml de la muestra.

Ilustración 8. Sistema de Destilación Simple. Fuente: Salama Bermeo Benedetti

Identificación.

4.3.6. Recoger 5 ml de Furfural en un tubo de ensayo. 4.3.7. Agregar 3 gotas de Alcohol Etílico y 8 gotas de Anhilina ( 6 52). 4.3.8. Observar y confirmar la presencia de coloración. Si su coloración es de un rojo cereza se confirma la presencia de grupos carbonilos. 5. Resultados:

Durante los diferentes muestreos realizados por los integrantes del laboratorio, distintas estaciones optaron por no realizar un proceso de reflujo para acidificar. Consecuencia de esto se mostró durante la identificación al no reaccionar de forma inmediata la solución anilínica o en ciertos casos un cambio nulo en su coloración. Las muestras que realizaron reflujo y posterior destilación obtuvieron un cambio notorio e inmediato en su coloración a una formación de solución rojiza confirmando la presencia de carbonilos. 6. Conclusion es y Recomendaciones: 6.1. Conclusiones 6.1.1. En la presente práctica de laboratorio se estudió las descripciones generales y aplicabilidades del compuesto Furano  – 2  –  metanal. Obteniendo así una posibilidad de desenvolvimiento en el planteo de las reacciones pertinentes y en el desarrollo de un diagrama de procesos de operaciones para su obtención.

6.1.2. Se desarrolló una técnica que compleja al incluir un sistema de reflujo previo antes del proceso principal. Sin embargo, se obtuvieron resultados notorios en comparación a los procesos simples realizados en el laboratorio. 6.1.3. Se obtuvo Furfural y se pudo caracterizar su presencia con la coloración del aspecto rojizo en la solución inicial al ser reaccionada con una solución Anilínica. 6.2. Recomendaciones 6.2.1. La técnica empleada pudo haber sido mejorada en su rendimiento si se hubiese aplicado una bomba de vacío para disminuir la presión del sistema. 6.2.2. Al alternar los refrigerantes para cambiar de destilación de reflujo a destilación simple se recomienda cambiar de forma inmediata y rápida y utilizar una mascarilla de gases y unas gafas protectoras debido a la presencia de gases. 6.2.3. Se recomienda tener previamente listo los sistemas de destilación simple para evitar retrasos en el procedimiento. 7. Bibliografía: 1. Walter W. Limstromberg.(1979). Curso Breve de Química Orgánica. 2. Baez Lejia Lorena, Herrera Hernandez Francisco Javier (2014). Obtención y Caracterización del Furfural a partir del Olote. 3. Margarita Rivera Soto. (2000). Propiedades Físicas y Termodinámicas del Furfural: Primera Parte, 1  – 3. 4. Dd 5. Universidad Iberoamericana (2012). Compuestos Heterocíclicos, 222  – 223. 6. Salvador Sayas Valero (2012). Producción de Hidrógeno a Partir de Furfural. 7. Baez Lejia Lorena. Síntesis de Furfural. 8. Erika Plaza, Paola Posligua (2004). Obtención Experimental de Furfural a partir de las Cáscaras de Arroz. 8. Apéndice:

Ilustración 4. Estructura Básica del “Furano”. Fuente: WikiWand 

Ilustración 5. Furano con un Grupo carbonilo en el Segundo Carbono. Fuente: Wikimedia

Ilustración 6. Esquema de obtención de Furfur al y subproductos a partir de Vegetales. Fuente: Gianluca Marcotullio

Ilustración 4. Estructura básica de Pentosano. Fuente: Baez Mejia Lorena

Ilustración 5. Descripción de Hidrólisis de Pentosano. Fuente: Baez Mejia Lorena

Ilustración 6. Descripción de la deshidratación de Pentosanos y formación de Furfural. Fuente: Baez Mejia Lorena

Ilustración 7. Sistema de Reflujo. Fuente: Wikiwand 

Ilustración 8. Sistema de Destilación Simple. Fuente: Salama Bermeo Benedetti

Tabla 2. Propiedades del Furfural. Fuente:

Nombre Fórmula Molecular Peso Molecular (g/mol) Punto de Fusión (°C) Temperatura de Ign ición Espontánea (°C) Índice de Refracción (nD20) Punto de Ebulli ción (°C) Punto d e Inflamación (°C) Presión de Vapor a 20°C (atm) Densidad Relativa al agua Solubil idad en agua a 20°C (g/100ml)

Furfural 5 4 2

96.08 -36,5 315 1.524  – 1.527 162 60 1.44 1.16 8.3

Tabla 2. Tabla de abundancia. Fuente: Gianluca Marcotullio Tabla 3. Tabla de Materiales. Elaborado por: Autor.

Soporte Universal Pipetas Graduadas Agarradera Refrigerante de Bolas Camilla de Calentamiento Termómetro

Materiales Tubo de Ensayo Pinzas Nuez Refrigerante de Tubo Recto Matraz bola de 2 entradas Aro de Calentamiento Vaso de Precipitación

Tabla 4. Tabla de Reactivos. Elaborado por: Autor.

Reactivos Ácido Clorhídrico (HCl) (10%) Avena molida Alcohol Etílico () Anilina (   )

Gráfica 3. Espectro IR Furfural. Elaborado en: Webbook 

Gráfica 4. Espectro de Masa del Fu rfural. Elaborado en: Spectral Database for Organic Compounds.