SÍNTESIS Y PREPARACIÓN DEL HIDROCARBURO CICLOHEXENO A PARTIR DE

LA DESHIDRATACION DE CICLOHEXANOL

Dorys Conde, Emma Larraga, Kevin Espidea, Miguel Granados Laboratorio de Química Orgánica (Sección: Jueves-7am) – Escuela de Ingeniería Química

Universidad de Carabobo

Profesor: Javier Ravelo

Preparadora: Ana Gil

RESUMEN

El objetivo principal consiste en la obtención de un hidrocarburo, en este caso la obtención de un

alqueno, específicamente el ciclohexeno, utilizando para su preparación, ciclohexanol, el cual se

hizo reaccionar con un medio ácido (H3PO4), para luego aplicar calor a través de una manta de

calentamiento, regulada a través de un reóstato, así se aplico calor durante un determinado tiempo

en presencia de ácido fosfórico, para lograr la destilación del producto. El cloruro de sodio actuó

como separador de fases, esta promovió la separación de la fase acuosa con la fase orgánica, el

bicarbonato de sodio ayudo a la neutralización de las trazas de ácido que quedaron en solución y

por último se agrego sulfato de sodio anhidro para absorber el agua sobrenadante en dicha solución,

con lo cual se obtuvo ciclohexeno con un porcentaje de rendimiento de ( ) %

Palabras claves: alquenos, calor, destilación, solución, rendimiento.

INTRODUCCIÓN

En la obtención de un hidrocarburo son muchos

los métodos que pueden emplearse, uno de ellos

y de gran importancia es la deshidratación de

alcoholes. A partir de este se hace la síntesis de

ciclohexeno. Es importante resaltar el

rendimiento de la reacción ya que esta es

determinante a la hora de evaluar una

producción en cadena del mismo producto, sin

embargo es más sencillo realizar pruebas a

escala piloto con el fin de recolectar la mayor

cantidad de información posible de manera tal

de establecer reacciones de purificación con la

finalidad de elevar el porcentaje de rendimiento

de la reacción y así aumentar las posibilidades

de éxito en la obtención de dicho compuesto. Su

aplicación más importante es que se emplean

como materia prima en muchos procesos de la

industria química.

METODOLOGÍA

Para la obtención del ciclohexeno por

destilación fraccionada se utilizaron los

siguientes reactivos: (20,7 ± 0,5) mL de

ciclohexanol, perlas de ebullición, (5,0 ± 0,5)

mL de ácido fosfórico. Para la realización de la

práctica de deshidratación de alcoholes, se

utilizó un equipo de destilación fraccionada, el

cual está conformado por lo siguiente: una

manta de calentamiento, un reóstato, una

columna de rectificación, cabeza de destilación,

un termómetro, un refrigerante (agua) y un codo

de destilación.

La cantidad de ciclohexanol que se agregó para

realizar la síntesis era un líquido incoloro,

característica también del ácido fosfórico que se

utilizó. Una vez montado el equipo de

destilación fraccionada se agregaron ambas

sustancias en el matraz de destilación.

A medida que la temperatura de la manta iba

aumentando se observó que la misma comenzó

a ebullir. Una vez terminada la destilación se

recogió el producto de esta en un matraz y se

agregó en un embudo de separación, donde se le

añadió a la muestra obtenida cloruro de sodio

saturada, para separar la fase orgánica y acuosa,

se decantó y se desechó la fase acuosa, luego en

el mismo embudo se agregó una solución de

bicarbonato de sodio al 5%, y se repitió el

fenómeno anterior (separación de capas).

La fase orgánica se vertió en una Erlenmeyer y

se le añadió sulfato de sodio anhidro, luego que

los sólidos de dicho sulfato se depositaran en el

fondo del matraz, se procedió a filtrar la

muestra, se le midió el índice de refracción, y se

realizó la prueba de identificación

correspondiente, a 0,2 mL del compuesto que se

va analizar se le añaden 2mL de agua o etanol,

luego una solución de permanganato de potasio

al 2% gota a gota. Se desmontó el sistema de

destilación fraccionada y se limpió el lugar de

trabajo. Se midió presión y temperatura

ambiente.

RESULTADOS Y DISCUSIONES

Primordialmente, para obtener el alqueno a

partir del alcohol, se calienta el alcohol en

presencia de ácido fosfórico como catalizador y

para agilizar el procedimiento agregamos

perlitas de ebullición a una temperatura

moderada a través de una destilación

fraccionada. La destilación se lleva a cabo a una

temperatura superior a la de ebullición del

ciclohexeno, pero inferior a la de ebullición del

Ciclohexanol y del agua para evitar reacciones

colaterales, siendo ésta última temperatura una

de las más importantes a cuidar en la práctica

debido a que es la más cercana a la temperatura

del Ciclohexeno. Esto siempre será posible

porque el ciclohexeno tiene una temperatura de

ebullición inferior más baja a la del

ciclohexanol siendo ésta 83 ºC vs 161 ºC, del

cual parte dicho alqueno y a la del agua

(Te=100ºC).

El ácido fosfórico utilizado en la reacción sirve

como intermediario o catalizador, ya que el

protón que suministra al comienzo de la

reacción es recuperado en el paso final. Es

preferible utilizar ácido fosfórico que ácido

sulfúrico, porque este último al calentarse por

encima 30°C desprende vapores de dióxido de

azufre los cuales son nocivos para la salud. [3]

Al mezclar los volúmenes de ciclohexanol y

ácido fosfórico en el matraz de destilación y

calentar en el equipo con una columna de

fraccionamiento, se observa que la mezcla

contenida en el balón se torna turbia, esto es

debido a la producción de agua en la reacción.

Al continuar el calentamiento se observa que la

solución de reactantes se va coloreando marrón

el cuál puede deberse a formación de

remanentes y/o compuestos órgano-fosforados

los cuales son compuestos orgánicos

degradables que contienen enlaces fosforo-

carbón, utilizados principalmente en el control

de plagas, provenientes de reacciones

colaterales las cuales no se pueden evitar y que

no afectan a la formación de mi alqueno; el agua

y el ciclohexeno formado destilan juntos por el

principio de la destilación por arrastre en

corriente de vapor, y el ciclohexanol, de punto

de ebullición más alto, que podría volatilizarse

refluye al matraz. [1].

La reacción global (1) es representativa del

proceso. [1]

(1)

Aquí puede observarse que un aumento en la

concentración de agua desplaza el equilibrio

hacia la formación del alcohol y que la

extracción del alqueno por destilación desplaza

el equilibrio hacia su formación. La reacción de

deshidratación consta en realidad de dos pasos,

aunque en la mezcla de reacción estos tienen

lugar en rápida sucesión. El primero es la

protonación del grupo hidroxilo por acción del

ácido fosfórico, que conduce a una molécula

con un grupo saliente adecuado. Luego se

pierde una molécula de agua y, al menos

transitoriamente, se forma un carbocatión. La

pérdida de agua es un proceso de equilibrio, es

decir, el agua puede volver a reaccionar con el

carbocatión y regenerar el alcohol. Si en lugar

de ello el carbocatión pierde un protón, se forma

el alqueno. La secuencia de pasos se

esquematiza de la siguiente manera (Figura 1).

[1]

Paso 1: Protonación del grupo hidroxilo.

Paso 2: Formación del carbocatión.

Paso 3: Abstracción del Hα Acídico.

Figura 1. Mecanismo de reacción de la síntesis del

ciclohexeno a partir de ciclohexanol.

La formación del alqueno implica un equilibrio

con el agua; para propiciar el desplazamiento de

este equilibrio hacia la formación de productos,

debe eliminarse alguno de la mezcla de

reacción. Es aquí donde aparece el proceso de

destilación, a partir del cual se elimina el

ciclohexeno formado de la mezcla de reacción.

Sin embargo, con la destilación fraccionada

todavía se arrastra vapor de agua con el

destilado, por lo que se hace necesario realizar

un lavado del mismo. Es por ello que en el

Erlenmeyer donde se recolectó se observan dos

fases, una acuosa y una orgánica. Además,

también se verificó la existencia de una pequeña

cantidad de agua que se mezcló con la fase

orgánica lo cual produjo que la capa orgánica se

tornara nuevamente turbia. Para lograr separar

un poco más las fases, se le añadió a la mezcla

una solución saturada de NaCl. El NaCl es un

sólido iónico soluble en agua e insoluble en la

fase orgánica lo que hace que aumente la

densidad del agua y de esa forma se separe aún

más las fases. Como el agua es más densa se

retira por la parte inferior del decantador y se

desecha, dicha mezcla era incolora. Por la parte

superior se tiene entonces el alqueno libre de

una cantidad considerable de agua. Para

completar en mayor grado la purificación, se

lava el producto orgánico con bicarbonato de

sodio (NaHCO3) para retirar el catalizador

(H3PO4) presente en la solución de Ciclohexeno

que no fueron eliminados con el agua, mediante

una reacción de neutralización. Se observó un

desprendimiento de un vapor blanco debido a la

liberación de dióxido de carbono CO2, según la

reacción (2), además se observó de nuevo la

separación de las fases. [2]

(2)

Por último al comparar el índice de refracción

experimental para la muestra igual a (1,443 ±

0,001) Adim con el teórico arroja una

desviación del (1,6359 ± 0,0004) % respecto al

valor teórico para el ciclohexeno puro, lo cual

refleja que el producto obtenido es

considerablemente puro, que son despreciables

las trazas de impurezas y que el proceso de

purificación fue eficiente por tal motivo no fue

necesario realizar una destilación simple.

Durante la síntesis del ciclohexeno se observa

que las temperaturas al inicio y final de la

destilación se encuentran dentro de los límites

buscados ya que el punto de ebullición del

ciclohexeno es (83,0 ± 0,5) ºC, mientras que el

del ciclohexanol es a (161,1 ± 0,5) ºC, lo que

nos indica que el compuesto obtenido en la

destilación fraccionada es el ciclohexeno y

agua, con trazas de los demás, arrastrados

quizás por los vapores. Se obtuvo un

rendimiento del (31,1 ± 0,6) % en la producción

de ciclohexeno partir de ciclohexanol, este valor

se puede haber afectado por pequeñas trazas de

compuestos no deseados, la temperatura del

sistema o la presión ambiente. La prueba

realizada para la identificación del ciclohexeno

fue la de Test de Bayer o prueba de

Permanganato (KMnO4 en H2O). Al añadir la

solución de Permanganato de potásio en agua se

observa que la solución se coloró marrón el cual

indica la presencia efectivamente de

ciclohexeno, según la reacción (3). [2]

3 C6H10 + 2 KMnO4+4 H2O 3 C6H10(OH)2 +

2 MnO4 (s) + 2 KOH (3)

CONCLUSIONES

1. El producto obtenido es el ciclohexeno a

partir de la deshidratación del ciclohexanol.

2. El índice de refracción corregido es (1,443

± 0,004) Adim.

3. El porcentaje de desviación del indice de

refracción con respecto al valor teórico es

(1,636 ± 0,005) %.

4. El rendimiento de la reacción de

ciclohexeno es (31,1 ± 0,6) %.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1] WADE, JR. (2004). Química Orgánica. 5ª

Edición. Editorial Pearson-Prentice Hall.

Madrid. Páginas: 300-301.

[2] Universidad del Valle de México, Campus

Chapultepec. (2007). “Preparación de

ciclohexeno”. Disponible en:

http://es.scribd.com/doc/14352986/7-

PREPARACION-DE-CICLOHEXENO.

[3] WHITTEN, D. (2008). Química. 8ª Edición.

Editorial Cengage. Madrid. Páginas: 519-520.

CÁLCULOS TÍPICOS

1. Cálculo del índice de refracción corregido para el ciclohexeno.

Donde:

: índice de refracción corregido, (Adim.)

: índice de refracción leído, (Adim.)

: temperatura leída en el refractómetro, (ºC)

: temperatura de referencia, (25 ºC)

Sustituyendo los valores se obtiene:

Cálculo del error:

Aplicando el criterio de propagación de errores se obtiene lo siguiente:

Donde:

: error asociado al cálculo de la variable estipulada (Adim.)

Ya que la temperatura de referencia es un valor reportado en la bibliografía, su error se considera cero.

Sustituyendo los valores correspondientes se obtiene:

Finalmente el índice de refracción corregido es:

2. Cálculo del porcentaje de desviación entre el índice de refracción teórico y experimental.

Donde:

: porcentaje de desviación, (%)

: índice de refracción teórico, (Adim.)

Sustituyendo los valores se obtiene:

Cálculo del error:

Aplicando el criterio de propagación de errores se obtiene lo siguiente:

Ya que el valor del índice de refracción teórico es un valor bibliográfico, su error es cero. Por consiguiente:

Finalmente:

3. Cálculo del rendimiento de la reacción.

Donde:

: masa de la fiola con el destilado final, (g)

: masa de la fiola vacía, (g)

: peso molecular del ciclohexeno, (g/gmol)

: masa teórica del ciclohexeno, (g)

La masa teórica se obtiene a partir de la estequiometria de la reacción, siendo la masa teórica 16,3754 g. Sustituyendo

en la ecuación anterior:

Cálculo del error:

El error asociado se obtiene por propagación de errores, tomando en cuenta el error asociado a las mismas.

Ya que el error asociado a la masa teórica es cero, el cálculo se reduce a lo siguiente:

Finalmente: