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Laboratorio de Química Orgánica I

PRÁCTICA No. 2 – “ANÁLISIS ELEMENTAL DE LOS COMPUESTOS ORGÁNICOS”

RESUMEN

El análisis cualitativo de los compuestos orgánicos tiene por objeto la investigación de los elementos que

constituyen las sustancias orgánicas. La mayoría contiene carbono, hidrógeno, oxígeno y, con menos frecuencia,

nitrógeno, azufre, fósforo y halógenos.

Los elementos que se encuentran comúnmente en los compuestos orgánicos pueden ser identificados realizando

el reconocimiento adecuado de cada uno por medio de pruebas elementales y se pueden clasificar las sustancias

orgánicas de acuerdo a los grupos funcionales presentes en su estructura molecular, ya sea que al reaccionar

formen precipitados o sustancias coloreadas, estos resultados permiten comprobar la existencia de los elementos

que hacen parte de la molécula.

PALABRAS CLAVE:

Fusión sódica, sustancias orgánicas, análisis cualitativo.

INTRODUCCIÓN

En la caracterización de cualquier compuesto orgánico desconocido, el conocimiento de los constituyentes

elementales es esencial. Los compuestos orgánicos poseen propiedades físicas que los diferencian fácilmente de

compuestos inorgánicos, estas diferencias se deben sobre todo al tipo de enlace covalente presentes en ellos ya

sea un enlace simple, doble, triple, polar o no polar.

En esta práctica se determinarán, de forma cualitativa, el carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre y halógenos

presentes en las moléculas orgánicas sin embargo, para que estos métodos puedan ser aplicados el elemento debe

ser convertido de su forma covalente, en la cual se encuentran generalmente los compuestos orgánicos a iónica, a

través de la fusión sódica que se basa en la conversión los compuestos en sales, es decir compuestos iónicos que

reaccionan con solventes específicos.

MARCO TEÓRICO

En la identificación de los compuestos orgánicos es necesario recurrir a pruebas básicas para comprobar la

existencia de ciertos elementos en las moléculas, para el reconocimiento de cada uno se realizaron las siguientes

pruebas:

Reconocimiento de carbono e hidrógeno

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La detección de carbono se realizó por medio de la oxidación hasta CO2 calentando la muestra con óxido de

cobre, el CO2 se detecta haciéndolo pasar a través de un tubo con desprendimiento sobre una solución de

hidróxido de calcio o de bario, que se enturbiará al precipitar el carbonato de calcio o de bario y el hidrógeno

convertido en agua se condensará en forma de gotas sobre las paredes frías del tubo [1].

El precipitado se disuelve en medio ácido:

Reconocimiento de nitrógeno, azufre y halógenos

Ya que estos elementos se encuentran formando combinaciones, es necesaria su transformación en forma iónica

para su posterior identificación. Un método para convertir las sustancias orgánicas a sus formas iónicas es

tratarlas con un metal alcalino como el sodio.

Al disolver en agua estos productos de la fusión con sodio, la existencia del ion cianuro se demuestra por su

precipitación en forma de ferrocianuro férrico (azul de prusia), el ion sulfuro por su precipitación en forma de

sulfuro de plomo (negro), y la presencia de halógenos se pone de manifiesto con nitrato de plata, en presencia de

ácido nítrico diluido, produciendo el característico haluro de plata insoluble [1].

¿Por qué la mayoría de los compuestos orgánicos halogenados antes de la fusión con sodio, no dan

precipitado con la solución de nitrato de plata?

Porque para que se dé el precipitado, el nitrato de plata necesita reaccionar con el halógeno en su forma iónica ya

que antes de la fusión sódica el halógeno esta unido covalentemente al átomo de carbono, y es la fusión con

sodio con el compuesto orgánico, la que permite desprender el halógeno (cloro, bromo, flúor, yodo) del carbono

correspondiente [2].

En la determinación de nitrógeno por el método de Lassaigne, ¿para qué se adiciona el fluoruro potásico

(KF)?

Se adiciona KF con el fin de disolver los hidróxidos, ferroso y férrico, que se hubieran formado por la oxidación

con el aire durante la ebullición

Método directo e indirecto para determinar oxígeno

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Método directo: consiste en someter la sustancia orgánica a la acción directa del fuego, identificando al

hidrógeno y oxígeno por la formación de gotitas de agua.

Método indirecto de Liebig: consiste en calentar la sustancia orgánica con óxido cúprico, se transforma en

vapor de agua que al ponerse en contacto con sulfato cúprico anhidro (blanco) lo hidrata (azul) [3].

Determinación sencilla de halógenos

Una prueba sencilla consiste en calentar a la llama de un mechero un alambre de cobre hasta que no produzca

llama de otro color distinto del rojo, después se deja enfriar y se introduce en la muestra, se lleva de nuevo al

mechero y si hay una llama de color verde, revela la existencia de un halógeno en la muestra, debido a la

formación de halogenuro de cobre, volátil [4].

Determinación de aminoácidos azufrados en biomoléculas orgánicas:

Reacción con acetato de Plomo alcalino: Los Aminoácidos azufrados como Metionina, Cisteína y Cistina se

reconocen por la formación de precipitados de Sulfuro de Plomo de color gris oscuro o negro que se forman

cuando reacciona con Acetato de Plomo en medio alcalino [5].

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL [1]

El procedimiento experimental que se describirá en esta sección se realizó únicamente para una sustancia

conocida y una muestra desconocida, la estructura de la sustancia conocida se presenta a continuación:

NH2

N+

O-

O

p-nitroanilina

Figura 1. Estructura del compuesto orgánico p-nitroanilina analizado en la práctica.

Reconocimiento de carbono e hidrógeno

Para la detección de estos elementos, se colocó en un tubo con desprendimiento lateral 0,1 g de la muestra y 0,5

g de CuO, se cerró el tubo con un tapón. Se unió el extremo de una manguera a la salida lateral del tubo y el otro

extremo se introdujo dentro de un tubo de ensayo que contenía 5 mL de hidróxido de bario.

Se puso a calentar el tubo con la mezcla en el mechero y se observó si al otro lado la solución de barita

burbujeaba, quedando un precipitado y las gotas de agua en las paredes del tubo de ensayo que indicaban la

presencia de carbono e hidrógeno.

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Fusión sódica

Con unas pinzas secas se cortó un pedazo de sodio metálico de cerca de 0,3 g que se secó utilizando papel de

filtro luego se depositó en un tubo de ensayo seco.

Con unas pinzas se sujetó el tubo de ensayo y se calentó en posición vertical hasta que el sodio se fundió y sus

vapores se elevaron unos 3 cm dentro del tubo. Se separó de la llama y con cuidado se adicionaron 0,2 g de

sólido de la muestra, haciendo que cayera de forma directa en el vapor de sodio sin tocar las paredes del tubo. Al

final se calentó el tubo al rojo de 5 minutos. Se dejó enfriar y se le agregaron gota a gota de 2 a 3 mL de etanol.

Se Llenó el tubo con 10 mL de agua desionizada, y se hirvió suavemente durante dos minutos para que los iones

entraran en solución.

Finalmente se filtró la solución en caliente, guardando la solución alcalina que se filtró para las determinaciones

de nitrógeno, azufre y halógenos.

Reconocimiento de nitrógeno por el método de Lassaigne

En un tubo de ensayo se colocó 2 mL del filtrado alcalino de la fusión sódica con 5 gotas de solución de FeSO4

al 5 % y 5 gotas de fluoruro de potasio al 10 %. Se calentó y agitó la muestra hasta ebullición por 5 segundos y

luego se dejó enfriar la solución.

Se agregaron 3 gotas de solución de FeCl3 al 2 % con HCl 2 N, para disolver los hidróxidos de hierro.

Se observó la aparición de una suspensión o precipitado azul para identificar la presencia de nitrógeno en la

muestra.

Reconocimiento de nitrógeno por el método de Will-Warrentrapp

En un tubo de ensayo se mezclaron 0,5 g de muestra con 0,7 g de cal sodada. Se colocó un papel tornasol rojo

humedecido en la boca del tubo y se calentó la mezcla al rojo. Se observó el cambio de color a azul del papel

tornasol para corroborar la presencia de nitrógeno en la muestra.

Reconocimiento de azufre

Se colocaron aproximadamente 2 mL de solución alcalina en dos tubos de ensayo.

En uno de los tubos se agregó HNO3 diluido hasta pH ácido, y luego se añadieron 5 gotas de solución de acetato

de plomo (II) y se examinó si había aparición de un precipitado carmelita, negro o una tonalidad oscura para

identificar la presencia de azufre.

En el otro tubo se adicionaron 5 gotas de nitroprusiato de sodio, Na2[Fe(CN)5NO], al 0.1 %. Luego se registró

que no hubo aparición de color púrpura.

Reconocimiento de halógenos

A 2 mL del filtrado de la fusión sódica se le agregaron 6 gotas de HNO3 concentrado. La solución ácida se

hierve durante 4 minutos para eliminar el sulfuro de hidrógeno y el cianuro de hidrógeno. Se dejó enfriar la

solución y se adicionó 5 gotas de solución de AgNO3 al 1 %.

Se observó si había formación de un precipitado que es indicativo de halógeno.

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RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

En la siguiente tabla se presentan los resultados obtenidos durante la práctica para el reconocimiento de las

sustancias orgánicas analizadas.

Tabla 1. Resultados del reconocimiento de compuestos orgánicos.

Muestra Carbono Hidrógeno Nitrógeno Azufre Halógenos

Cloro Bromo Yodo

P-nitroanilina + + +

Muestra

problema + + + +

+: Prueba positiva; Prueba negativa

Análisis de la prueba

P-Nitroanilina:

1. IDENTIFICACIÓN DE CARBONO E HIDRÓGENO

Durante la prueba se observó ebullición en el tubo de ensayo y la sustancia se tornó color amarillo, luego

reaccionó con HCl y la sustancia se tornó color negro y se observó la presencia de precipitado en la solución de

barita.

NH2

N+

O-

O

+ Cu2+

O2-

CO2 + OH2 + Cu2+

Figura 2. Reacción P-nitroanilina y óxido de cobre.

La p-nitroanilina es una sustancia orgánica comúnmente usada en la síntesis de compuestos farmacéuticos

antioxidantes y otros, según su estructura se observa claramente la presencia de hidrógeno y de carbono, la

reacción con el óxido de cobre y el exceso de calor permite que los carbonos de la p-nitroanilina vibren a

frecuencias muy altas además permite que haya rompimiento del enlace iónico entre Cobre y Oxigeno lo que

provoca un aumento en la reactividad del oxígeno permitiendo la reacción entre este y el carbono formando un

compuesto de alta estabilidad como lo es el dióxido de carbono de esta manera se puede comprobar la presencia

de carbono ya que el dióxido de carbono reaccionará con el hidróxido de bario y como se anunció anteriormente

se formó precipitado que es un residuo carbonoso. La presencia de hidrógeno se confirmó por la formación de

gotas de agua sobre las paredes del tubo de ensayo esto debido a que los hidrógenos de la p-nitroanilina se

desprendieron y reaccionaron con el oxígeno proveniente del óxido de cobre formando agua mediante un enlace

covalente, la temperatura a la cual se realizó la reacción fue más alta que la temperatura de las paredes del tubo

de ensayo lo que permitió que el agua se condensara sobre estas.

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2. FUSIÓN SÓDICA:

El filtrado obtenido durante la fusión sódica presentó un color amarillo no muy oscuro, esto indica que la fusión

sódica realizada fue completa es decir que gran parte de la muestra que se depositó sobre el tubo de ensayo se

fundió con el sodio y el nitrógeno presente en la p-nitroanilina se convirtió totalmente a su forma iónica.

NH2

N+

O-

O

+ Na+

+ OH2Na N

Figura 3. Fusión Sódica de la p-nitroanilina.

3. IDENTIFICACIÓN DE NITRÓGENO.

a) Will-Warrentrapp: Se observó cambio de color del papel tornasol de rojo a azul, se liberaron vapores

amarillos ya que en la sustancia predomina el grupo amino, y debido a que tiene la capacidad de protonarse este

determina el comportamiento de la p-nitroanilina y hace virar el papel tornasol rojo a azul lo cual confirmó que

la muestra contiene nitrógeno y efectivamente se pudo corroborar con su estructura molecular.

NH2

N+

O-

O

+ OH-

2(OH)-Na

+Ca

2++ NH3 +

O

N+

O-

O

Na

Figura 4. Reacción Will-Warrentrapp de la fusión sódica (NaCN).

b) Lassaigne: La prueba se realizó directamente con la función sódica (NaCN) la coloración es debida a la

formación del complejo de ferrocianuro de hierro también conocido como azul de Prusia, es por esto que se debe

trabajar con la función sódica para que sea posible la formación del complejo que encierre al ion cianuro de

manera que se compruebe la presencia de nitrógeno en la muestra. En este caso la prueba fue positiva se obtuvo

un complejo coloreado azul y se confirma la presencia de Nitrógeno con la estructura de la P-nitroanilina.

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6NaCN + FeSO4 Na4(Fe(CN)6) + Na2SO4

3Na4(Fe(CN)6) + 2Fe2(SO4)2 Fe4(Fe(CN)6)3 6Na2SO4+

Figura 5. Formación del complejo Azul de Prusia.

4. RECONOCIMIENTO DE AZUFRE:

Se realizaron dos tratamientos en el tubo No 1 que se trató con HNO3 Se observó una tonalidad carmelita muy

clara y en el tubo No 2 que se trató con nitroprusiato de sodio la solución se coloreo de verde azuloso, estas

reacciones obtenidas nos permiten concluir que en la muestra no hay presencia de azufre debido a que no hubo

ningún precipitado color negro y cuando se analizó nitrógeno por el método de Lassaigne el precipitado o

complejo no se tornó color rojizo que indicaría tanto la presencia de Nitrógeno como de Azufre.

5. RECONOCIMIENTO DE HALÓGENOS:

Al utilizar Nitrato de plata con la solución obtenida en la fusión sódica no se produjo ningún precipitado esto

debido a que no había halógenos que reaccionaran con el nitrato de plata para dar lugar al haluro de plata que es

quien precipita. Por lo tanto y además comprobando con la estructura de la p-nitroanilina se comprueba que la

muestra no tiene presencia de halógenos en su estructura.

MUESTRA PROBLEMA:

Nota: No se realizó prueba de reconocimiento de Hidrógeno y Carbono debido a que el docente aseguró que era

una sustancia orgánica que indudablemente contenía estos elementos en su estructura.

1. RECONOCIMIENTO DE NITRÓGENO.

a) Will-Warrentrapp: Se produjo un cambio de color en el papel tornasol, de manera que se confirma la

presencia de Nitrógeno en la muestra problema y por lo tanto debe poseer un grupo amina o amida. El cambio de

color se debe a la liberación de amoniaco por la reacción entre la muestra problema y la cal sodada al calentarse.

b) Lassaigne: Al agregarle a la fusión sódica de la muestra problema el ácido clorhídrico y el cloruro férrico

presentó una coloración azul oscura bien definida que es el complejo que encierra al ion cianuro, es decir, el azul

de Prusia, que confirma la presencia de nitrógeno como ya se había observado en la prueba de Will Warrentrapp.

2. RECONOCIMIENTO DE AZUFRE:

Ninguna de las dos pruebas fue positiva, en el tubo No 1 la solución de la fusión sódica se trató con HNO3 y se

perdió la coloración tornándose transparente. En el tubo No 2 que se trató con Nitroprusiato de Sodio no se

observó ninguna reacción y la solución no presentó cambios de color ni tampoco se formaron precipitados

coloreados, por lo que se concluye que la muestra problema no contiene azufre en su estructura.

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3. RECONOCIMIENTO DE HALÓGENOS:

Se obtuvo un precipitado de color amarillo pálido y se encontró que este precipitado era poco soluble en

amoniaco, esta reacción se realizó con la fusión sódica, lo que indica que los halógenos se deben presentar en

forma de haluros para que sea posible la reacción con el nitrato de plata y se genere el precipitado del haluro de

plata, como el precipitado que se obtuvo fue poco soluble en amoniaco se pudo concluir que la muestra tiene

Bromo en su estructura.

ANÁLISIS DEL ESPECTRO IR:

Se hizo necesario el análisis del espectro IR de la muestra problema debido a que hubo inseguridad en la

asignación positiva o negativa de la presencia de halógenos en la misma, además para encontrar opciones

aceptables para elegir una estructura acorde a las características de la muestra problema.

Figura 6. Espectro IR de la muestra problema.

Debido a la banda pronunciada en 3185 cm-1

se puede inferir la presencia de un grupo amino dentro del

compuesto, la banda de alta intensidad presente en 1582 cm-1

muestra que dicha amina es una amida secundaria.

La intensidad de las bandas y la aparición de ligeros sobretonos debajo de los 2000 cm-1

permiten concluir que

tal amida es aromática. Se observan algunos picos de baja intensidad en la región entre los 2900 y 3000 Cm-1

estos picos son propios de las tensiones de los carbonos del CH3. Los sobretonos debajo de 2000 Cm-1

son

típicos de un anillo aromático trisustituido (1, 2, 4) esto lo podemos confirmar en la región de la huella dactilar

con la aparición de varios picos de mediana intensidad cercanos a 700 Cm-1

. El pico presente en 1680 Cm-1

confirma la presencia del grupo carbonilo alifático que permite afirmar la presencia de amida secundaria.

Las posibles estructuras de la muestra problema teniendo en cuenta el análisis del espectro IR y el punto de

fusión dado por el docente son:

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NH2

N+

O-

O

Br

NH CH3

O

4'-BromoacetanilideP-Nitroanilina4-bromo-2-cloro-acetanil ida

CH3

Cl Br

O

NH

Figura 7. Estructuras probables de la muestra problema.

La estructura que se eligió como muestra problema fue la No 1, 4-bromo-2-cloro-acetanilida, tiene la mejor

correspondencia al espectro IR y su punto de fusión es el más cercano y apropiado dentro del intervalo dado por

el docente.

La estructura No 3 se descartó debido a que no hay presencia de CH3 que es clara en el espectro IR tampoco un

grupo carbonilo.

La estructura No 2 se descartó debido a que su punto de fusión es muy (166°C) alto a pesar de tener una alta

correspondencia con el análisis del espectro IR.

CONCLUSIONES:

Es necesario acompañar las técnicas clásicas de análisis elemental de los compuestos orgánicos con

una técnica analítica de caracterización que amplié la visión de la molécula o sustancia que se está

analizando ya que, por ejemplo, en el análisis de la muestra problema el cloruro de plata es

altamente miscible en amoniaco por lo que este se disolvió primero y lo único que se observó fue el

precipitado que quedó del bromuro de plata por ello se cometió el error de obviar la presencia de

cloro en la muestra problema ya que es muy difícil observar la formación del precipitado de cloruro

de plata y diferenciarla del bromuro de plata, además que si se obtiene poca solubilidad del

precipitado las opciones se restringen a bromuro de plata, lo que permitió solucionar este conflicto

fue el uso del espectro IR dado por el docente.

Los ensayos de análisis elemental se basan en la obtención de algún producto representativo con

unas características particulares que permitan la clasificación de la sustancia, es por ello que se hace

tan importante la observación clara y detallada de lo que ocurrió dentro del reactor y el

conocimiento de la teoría de manera que al obtener por ejemplo el azul de Prusia en la reacción de

Lassaigne o las gotas de agua sobre las paredes del tubo de ensayo en la prueba de carbono e

hidrógeno la persona encargada del análisis se encuentre en capacidad de explicar no solo la

obtención sino también la clasificación de las sustancias.

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BIBLIOGRAFÍA

[1] LOZANO, L; ROMERO, A; URBINA, J. Manual prácticas del laboratorio I de química orgánica. Editorial

UIS. Colombia. 2013. Pág.20 - 28.

[2] SHRINER, R; HERMANN, C; MORRIL, T; FUSON, R; CURTIN, D. The systematic identification of

organic compounds. John wiley & sons, Inc. USA, 2004. Pág. 109 - 110.

[3] FRANCISCO, S. “Portal sao francisco”. República Federativa del Brasil.

http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/carbono-hidrogeno/8.php <14/06/14>

[4] SHRINER, R; HERMANN, C; MORRIL, T; FUSON, R; CURTIN, D. The systematic identification of

organic compounds. John wiley & sons, Inc. USA, 2004. Pág.57.

[5] OLIVAS, E; ALARCÓN, L. Manual de prácticas de Microbiología básica y Microbiología de alimentos.

Editorial UACJ. Mexico, 2004. Pág. 36.