Instituto de Química
Química Orgânica Experimental
CONJUNTO DE AULAS PRÁTICAS
Prof. Dr. Cláudio Viegas Jr.
Profa. Dra. Daniela Aparecida Chagas de Paula
Profa. Dra. Danielle Ferreira Dias
Profa. Dra. Marisi Gomes Soares
Dra. Marília I. Frazão Barbosa
UNIDADE 1: SEGURANÇA EM LABORATÓRIO
O laboratório químico é um lugar que oferece perigos em potencial, os quais podem ser divididos em três categorias:
- FOGO E EXPLOSÃO
- SUBSTÂNCIAS TÓXICAS E CORROSIVAS - VIDRARIA FRÁGIL
A melhor forma do usuário de um laboratório prevenir-se de acidentes reside em duas etapas fundamentais:
1. Reconhecer a existência do perigo
2. Conhecer as normas de segurança e ADOTÁ-LAS.
A seguir são apresentadas algumas destas normas de segurança. PROTEÇÃO INDIVIDUAL
• A utilização de um guarda-pó ou avental, de preferência de algodão, é OBRIGATÓRIA nas aulas práticas de química orgânica, pois confere proteção contra respingos de substâncias tóxicas e/ou corrosivas.
• Os olhos são especialmente susceptíveis a sofrerem danos por qualquer uma das classes de perigos acima citadas. O USO DE ÓCULOS DE PROTEÇÃO É RECOMENDADO, mesmo que nenhum experimento esteja sendo executado no momento.
• Todos devem se familiarizar com a localização e o modo de operação de chuveiros e equipamentos de lavagem de olhos. Estes últimos podem ser substituídos por uma mangueira de borracha adaptada à torneira de um tanque ou de uma pia, o que permite dirigir um jato d'água ao rosto.
• Nunca se deve trabalhar sozinho em um laboratório, pois em caso de acidente não haverá ninguém para ajudar ou socorrer.
PRECAUÇÕES CONTRA FOGO E EXPLOSÕES
• Sempre que possível, as chamas abertas devem ser evitadas. Se a utilização do bico de gás for necessária, os seguintes cuidados devem ser observados:
• Nunca esquecer solventes inflamáveis próximos à chama, mesmo em quantidades pequenas.
• Não transferir ou verter líquidos inflamáveis de um recipiente para outro nas proximidades da chama.
• O aquecimento de líquidos inflamáveis com o uso de chama direta deve ocorrer em recipientes providos de condensador de refluxo ou de destilação.
• Jamais aquecer solventes, inflamáveis ou não, em sistema fechado, pois o aumento da pressão interna, causado pelo aquecimento, pode levar à explosão da aparelhagem e à ignição de seu conteúdo.
• A destilação de líquidos inflamáveis altamente voláteis (especialmente de éter) deve ser feita com manta elétrica ou, na sua ausência, com água quente. A saída lateral de alívio da pressão deve ser conectada a um tubo longo que leve os vapores para longe da fonte de calor.
• Verificar a localização dos extintores de incêndio e informar-se sobre sua operação.
PRECAUÇÕES COM SUBSTÂNCIAS TÓXICAS E CORROSIVAS
• Não permitir que reagentes e solventes entrem em contato com a pele e, em caso de contaminação, lavar a parte afetada com água e sabão. Não utilizar nesta lavagem solventes orgânicos, tais como acetona ou álcool, pois estes somente irão aumentar a absorção do contaminante através da pele.
• A transferência de sólidos deve ser efetuada com o auxílio de espátulas, enquanto que líquidos devem ser transferidos com o auxílio de provetas ou de pipetas (JAMAIS FAZER SUCÇÃO COM A BOCA!).
• Não degustar nada no laboratório.
• Ao transferir ou manejar solventes voláteis ou substâncias que desprendem vapores tóxicos ou corrosivos, utilizar uma capela ou então um local bem ventilado. Nas reações onde ocorre desprendimento de vapores ou gases corrosivos, providenciar a instalação de um "trapp" eficiente.
• EVITAR A ASPIRAÇÃO DE VAPORES, pois muitos compostos são extremamente irritantes, quando não tóxicos.
• Cuidar para que um líquido, ao ser vertido do frasco que o contém, não escorra sobre o respectivo rótulo, danificando-o.
• Ácido sulfúrico concentrado deve ser vertido sobre a água e não o contrário.
PRECAUÇÕES RELATIVAS À VIDRARIA
• Regra básica: JAMAIS SUBMETER UMA PEÇA DE VIDRO A PRESSÕES OU TENSÕES DESNECESSÁRIAS. Esta regra aplica-se principalmente para a inserção de termômetros e tubos de vidro em rolhas ou em mangueiras de borracha. Nesses casos, a lubrificação com água ou glicerina muitas vezes facilita a inserção. Ao montar uma aparelhagem, deve-se estar atento para que os componentes desta não sejam submetidos a tensões excessivas, devidas a agarradores muito apertados. Em muitos laboratórios encontra-se generalizado o uso de vidrarias providas de juntas esmerilhadas
padrão que, a cada montagem devem ser devidamente lubrificadas com um pouco de graxa de silicone, para evitar o travamento.
REFERÊNCIAS
DEL PINO, J.C.; KRÜGER, V. Segurança no laboratório, Porto Alegre, SE- CECIRS, 1997. LARINI, L. Toxicologia, Ed. Manole Ltda, São Paulo, 1987.
Manual para atendimento de emergências com produtos perigosos. ABIQUIM, São Paulo,
1994.
MARQUES, J. A.; BORGES, C.P.F. Práticas de Química Orgânica, Editora Átomo: Campinas-SP, 2007.
SHARP, J.T.; GOSNEY, Y.; ROWLEY, A.G. Practical Organic Chemistry, Chapman & Hall, Londres, 1989.
Equipamentos e vidrarias usuais em laboratório de Química
Orgânica
Parte 1 - Introdução às técnicas de laboratório
Unidade 2: Extração e Caracterização de Produtos Naturais porTécnicas de Destilação
OBJETIVOS
Demonstrar o isolamento de substâncias orgânicas de fontes naturais.
Demonstrar a extração de um óleo essencial por destilação com arraste a vapor. Demonstrar experimentalmente o uso da extração contínua (Soxhlet) para isolamento
de óleos fixos.
Análise cromatográfica do óleo essencial de cravo.
LEITURA RECOMENDADA: Extração de produtos naturais; óleos essenciais; destilação por arraste a vapor, extração em sistema Sohxlet.
INTRODUÇÃO
Desde a pré-história a humanidade tem demonstrado interesse por substâncias orgânicas extraídas de fontes naturais. Muitas substâncias usadas como medicamentos, pigmentos, venenos e perfumes foram, durante muito tempo, apenas isoladas de plantas ou animais. Só com o desenvolvimento da síntese orgânica no final do século 19, a humanidade conseguiu libertar-se dessa limitação. Mesmo assim, ainda hoje continua o interesse do químico orgânico pela descoberta de novas substâncias de origem natural (vegetal ou animal), que representem um desafio à síntese total ou elucidação molecular, face suas intrincadas arquiteturas.
O químico de produtos naturais atua, de modo geral, em quatro linhas básicas de pesquisas, às vezes, em duas ou mais concomitantemente:
Estudo sistemático da composição química de espécies pertencentes a determinadas famílias
Isolamento de fontes naturais de substâncias, com ação farmacológica ou fisiológica potencial, que possam ajudar no combate a doenças e pragas agrícolas.
Elucidação estrutural de novas moléculas, com uso intenso de técnicas espectrométricas.
Síntese e/ou transformações químicas de moléculas com ação fisiológica.
O Esquema 1 abaixo apresenta uma tentativa de definição das atividades desenvolvidas pelos químicos de produtos naturais e bioquímicos.
Substâncias Orgânicas Naturais - Química de Produtos Naturais
Químicos de Produtos Naturais Bioquímicos
Processos Metabólicos Secundários Processos Metabólicos Primários
Metabólitos Especializados Polímeros Naturais
Substâncias Orgânicas Micromoleculares
(Isolamento e Elucidação Estrutural)
Substâncias Orgânicas Macromoleculares: Proteínas Ácidos Nucléicos Polissacarídeos Ligninas Metabolismo Secundário (especializado)
Rota-Acetato-Malonato Rota Chiquimato (Metabolismo de aminoácidos aromáticos) Rota Mevalonato (isoprenóides) Policetídeos Alcalóides Lignóides Neolignóides Terpenóides Triterpenóides Esteróides Derivados Prenilados Flavonóides Xantanóides Terpenóides Alcalóides Flavanóides Xantanóides Antraquinóides Lignóides Neolignóides Cumarinóides Carotenóides Policetideos Glicosídeos e outros derivados naturais
Esquema 1. Aspectos biossintéticos da química de produtos naturais
A química de produtos naturais possui uma estreita relação de interdisciplinaridade com outras áreas do conhecimento, tais como: botânica, zoologia, biologia molecular, farmacologia, medicina humana e veterinária, entomologia, ecologia, etc. (Esquema 2).
SubstânciasOrgânicasNaturais(Micromoleculares) Biotecnologia (EngenhariaGenética) Sistemática Química EQvuoílmuçicãao EQcuoímloigciaa ABtiiovliódgaicdea (matIénrsiau-mproima) NpoavroasSMínotdeeselos Farmcologia Medicina Agroquímica SínteseTotal SínteseParcial Derivados Preparação deProdutos Úteis Vacinas ProduçãoAnimal Anticorpos Energia FixaçãoBiológica deNitrogênio CulturasdeCélulas eTecidosdePlantas NovasReações NovosReagentes
Esquema 2. Potencial de utilização e valor agregado a produtos naturais
Até meados do século passado o químico se valia das reações clássicas, que exigiam quantidades maciças de amostras, para estabelecer as estruturas moleculares, por vezes bastante complexas, de substâncias isoladas de fontes naturais. Atualmente, as técnicas utilizadas na elucidação estrutural dependem, quase que exclusivamente, de métodos espectrométricos. Tais métodos, geralmente não destrutivos, requerem amostras muito pequenas, o que, associado às novas metodologias de isolamento e purificação, expandiu em muito a capacidade do químico em descobrir novas moléculas interessantes, que ocorrem em diminutas quantidades nos organismos vivos.
EXTRAÇÃO DE ÓLEOS (FIXOS E VOLÁTEIS) A PARTIR DE MATERIAL BIOLÓGICO
Há uma diversidade de metodologias para a extração de substâncias orgânicas a partir de fontes naturais. Dependendo da natureza do material a extrair algumas técnicas são mais recomendadas que outras. Por exemplo, geralmente usamos a destilação por arraste de vapor d'água na extração de essências ou óleos voláteis. Para óleos (e gorduras) não voláteis (óleos fixos) a extração contínua por meio de solvente orgânico em extrator Soxhlet é a metodologia mais conveniente. Independente da técnica a ser usada na extração, o processo comum para a obtenção de produtos naturais a partir de fontes naturais envolve a escolha da fonte (material biológico, geralmente vegetais), a secagem do material, a trituração, a extração e a purificação do produto extraído.
As essências ou óleos essenciais são substâncias odoríferas, bastante voláteis à temperatura ambiente, encontrados em várias partes das plantas. Os óleos essenciais são normalmente encontrados em bolsas secretoras presentes nas partes vitais dos vegetais, tais como flores, folhas, sementes, caule, raiz e frutos. A qualidade do óleo essencial é variável
de um gênero a outro e/ou de uma espécie a outra, podendo-se encontrar vegetais que possuem essências quimicamente diferentes em várias de suas partes.
Praticamente todos os óleos voláteis são constituídos por misturas muito
complexas, cuja composição química varia muito. Representantes de quase todas as funções orgânicas comuns podem fazer parte de suas composições. Basicamente podemos agrupá-los em duas grandes classes, com base em sua origem biossintética: a) - derivados de terpenóides, formados via ácido mevalônico-acetato; e b) - compostos com anéis aromáticos, formados via ácido chiquímico-fenil propanóides. Alguns exemplos de substâncias comumente presentes em óleos essenciais são mostrados na Figura 1.
O O CHO O O CH3O CHO OH O OH Safrol
(óleo de sassafrás) Anetol(óleo de anis)
Cinamaldeído (óleo de canela) Linalol (óleo de alfazema) Limoneno (óleo de limão) Carvona (óleo de hortelã) Mentol (óleo de hortelã) Cânfora
(óleo de cânfora) Eucaliptol(óleo de eucalipto) Citral(óleo de capim-limão) α −Felandreno(óleo de eucalipto)
Figura 1. Alguns componentes químicos de óleos essenciais conhecidos.
Muitas plantas são usadas diretamente com fins medicinais ou aromatizantes. Porém, é mais conveniente, para fins de comercialização, isolar a substância volátil, responsável pela ação fisiológica [a vanilina (baunilha) e o óleo de cravo são exemplos]. O processo de extração de uma essência depende de uma série de fatores, tais como sua localização no vegetal, suas propriedades físico-químicas e finalidade a qual se destina. Os óleos essenciais são facilmente solúveis em álcool, clorofórmio, diclorometano, éter e outros solventes orgânicos, mas imiscíveis com água. Assim, é possível extraí-los diretamente com um solvente orgânico de baixo ponto de ebulição (por ex. pentano, e mais recentemente dióxido de carbono em estado supercrítico), ou pela técnica de destilação com arraste de vapor d'água, processo muito usado na indústria de perfumaria.
A extração com arraste de vapor é uma variante da destilação azeotrópica, que permite a separação de componentes voláteis imiscíveis, sem necessidade de temperaturas elevadas. Quando dois ou mais líquidos imiscíveis são aquecidos seus vapores se comportam como gases "ideais" e, portanto, obedecem a lei de Raoult (veja
Experimento 3). Se um dos líquidos é a água, a destilação se processa a uma temperatura inferior a 100ºC, por força da contribuição da pressão de vapor do(s) outro(s) líquido(s) (Figura 2, exemplificado com a mistura bromobenzeno-água).
P H2O bromobenzeno 760mm azeotropo H2O-bromobenzeno Tº 100º 156º 95º
Figura 2. Curvas de destilação da mistura bromobenzeno-água.
A composição do destilado depende do peso molecular dos componentes e de suas respectivas pressões de vapor à temperatura em que a mistura destila:
gA / gB = pºA x mA / pºB x mB
No caso da destilação da mistura bromobenzeno (A)-água (B), que se processa a 95ºC, temos:
pºA pressão de vapor do bromobenzeno a 95ºC 120 mm pºB pressão de vapor da água a 95ºC 640 mm m A massa molecular do bromobezeno 157
m B massa molecular da água 18
∴ g bromobenzeno / g água = (120 x 157) /( 640 x 18) = 1,64
Logo, cada 1,0 g de água destilada carreará 1,64 g de bromobenzeno. O processo é industrialmente muito atrativo devido ao baixo custo e ao peso molecular da água.
Em escala de laboratório, a operação é facilmente realizada em um sistema para destilação simples, munido de um funil de adição por meio do qual a água evaporada é constantemente reposta (Figura 3).
Figura 3. Aparelhagem para destilação por arraste de vapor.
Os óleos fixos são geralmente constituídos de componentes com alto peso molecular. Enquadram-se, na categoria, os lipídios de baixo ponto de fusão (azeite e outros óleos comestíveis). Quimicamente são classificados como ésteres de álcoois e ácidos graxos de cadeia longa (triglicerídeos ou triacilgliceróis, Figura 4). Gorduras e ceras pertencem à mesma categoria, mas possuem pontos de fusão mais elevados.
O O O O O O R' R'' R'''
Figura 4. Fórmula genérica de um triglicerídeo
A extração de óleo fixo (ou gorduras/ceras) de fonte natural sólida é mais convenientemente executada em um extrator Soxhlet (Figura 5). O sólido (devidamente moído) é colocado em um cartucho poroso na câmara do extrator e o solvente de extração adicionado ao balão. O solvente vaporizado e condensado na câmara do extrator dissolve o óleo (ou gordura) da amostra. Ao atingir o nível do sifão, a solução retornará ao balão e o processo repetido um número de vezes (extração contínua).
Figura 5. Esquema de um extrator Soxhlet.
Experimento 1: ISOLAMENTO, PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DA CAFEÍNA
OBJETIVOS: Aplicação das técnicas de isolamento por extração líquido-líquido, purificação e medida do ponto de fusão de compostos orgânicos, utilizando-se a cafeína como exemplo.
A cafeína (Figura 6) é um composto orgânico pertencente à classe das xantinas. É encontrada em vários produtos vegetais, tais como chá preto, café, pó de guaraná, entre outros. A cafeína é um estimulante do sistema nervoso central.
N N N N O CH3 O H3C CH3 1 3 4 5 7 8 9
Figura 6. Estrutura da cafeína (1,3,7-trimetilxantina) PARTE 1: ISOLAMENTO DA CAFEÍNA
Adicione em torno de 15 g de chá preto, café ou erva-mate (Illex paraguaiensis) em um balão de fundo redondo de 500 mL. Coloque 200 mL de água destilada e 15 g de CaCO . Aqueça a solução usando uma manta de aquecimento ou banho de óleo por
aproximadamente 20 minutos e deixe a solução aquosa esfriar a temperatura ambiente. Em seguida, filtre o extrato obtido sobre algodão e funil comum (Cuidado para não deixar passar o material vegetal).
Adicione o filtrado a um funil de separação e faça três extrações com CHCl3 (20 mL
cada), agitando gentilmente para evitar a formação de emulsão. Caso ocorra a formação de emulsão (a separação de fases orgânica e aquosa fica difícil), adicione 10 mL de solução saturada de cloreto de sódio e separe as fases. Coloque as frações orgânicas combinadas num único erlenmeyer de 100 mL. Em seguida, secar a fase orgânica com MgSO4 anidro
(~2 g ou 2 ponta de espátula) e agitar, filtrando em seguida sob papel, coletando o filtrado em um balão de 125 mL (previamente pesado). Coloque em seguida o filtrado para evaporar o solvente no rota-evaporador até a secura (Figura 7). Faça uma pesagem por diferença para calcular a massa bruta obtida.
Determine o ponto de fusão do composto bruto.
Figura 7. Roto-evaporador QUESTÕES:
1. O que é uma xantina?
2. Quais outras xantinas são de ocorrência comum, como por exemplo no chocolate? 3. Por que se deve adicionar o carbonato de sódio para a extração?
4. Que características ácido-base possui a cafeína?
5. Após a extração com CHCl3, o que aconteceria se lavássemos a fase orgânica com uma
solução de HCl a 30%?
6. Qual o princípio de funcionamento do rota-evaporador?
7. Qual a grande vantagem oferecida pelo uso do evaporador rotatório?
PARTE 2: RECRISTALIZAÇÃO DA CAFEÍNA
OBJETIVOS: Introdução às técnicas de purificação de compostos orgânicos, especificamente a técnica de recristalização.
INTRODUÇÃO
A recristalização é uma técnica fundamental para purificação de compostos orgânicos e inorgânicos. O princípio básico fundamenta-se em solubilização a quente do sólido impuro, seguido de filtração para separação de partículas insolúveis, e posterior crescimento de cristais por resfriamento lento da solução. Desta forma busca-se a formação de cristais bem formados, com estrutura regular, uma vez que as propriedades de muitas substâncias variam em função da estrutura cristalina.
Neste caso, o composto deve ser pouco solúvel no solvente a mais baixa temperatura enquanto que impurezas devem ser solúveis.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL 1. Para um composto desconhecido
i) Inicie a recristalização com um teste de solubilidade a frio e a quente nos solventes disponíveis ou misturas de solventes sugeridas, utilizando tubos de ensaio e pequenas quantidades do analito.
A recristalização da cafeína obtida pode ser feita em tolueno/hexano 1:1 (pequena quantidade).
ii) Em um béquer de 250 mL, pese uma quantidade adequada de sólido (em torno de 1-2 g) e adicione o solvente em pequenos volumes até solubilização a quente, com quantidade mínima de solvente. Adicione carvão ativado (ponta de espátula) para adsorção de pigmentos e outras impurezas sob agitação. Filtre rapidamente em funil de cobre ou vidro previamente aquecidos para outro béquer de 50 ou 125 mL (tome extremo cuidado com o uso de solventes; aquecimento do funil deve ser feito longe de qualquer solvente armazenado). Após filtração, resfrie o recipiente em banho de gelo e coloque em repouso para crescimento de cristais. Filtre os cristais sob vácuo em um funil de Büchner, seque ao ar e, então, determine o ponto de fusão após recristalização e o rendimento na operação.
Ponto de fusão: 235-236 °°°°C Observação:
Na recristalização da cafeína, adicione gotas de éter de petróleo para acelerar a formação de cristais a frio (com turvação inicial da solução). Filtre a vácuo, usando algumas gotas de éter gelado para lavar os cristais.
OBS: Quando da filtração, em funil de cobre, apague a chama e desloque o funil para a bancada de filtração.
Questões:
1. Que fatores influenciam a formação de cristais de uma determinada substância em um solvente específico?
2. Como pode ser determinado, através de um método simples, o grau de pureza de um composto cristalino?
3. Quais os principais inconvenientes de se realizar uma recristalização a quente? 4. Que características devem ter um solvente ideal para um processo de
recristalização?
5. Qual a necessidade do composto a ser purificado ser insolúvel a frio no solvente de recristalização?
6. Por que as impurezas e o soluto devem ter comportamento de solubilidade opostos no meio de recristalização?
7. O que pode acontecer se o solvente tiver um ponto de ebulição acima do ponto de fusão do soluto?
8. Qual a função do carvão ativo?
9. Que características estruturais fazem do carvão ativo um bom agente adsorvente? 10. O que pode ser observado nas propriedades físicas e químicas de uma substância
cujas estruturas cristalinas estão distintas?
Unidade 2 – CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA
INTRODUÇÃO
Cromatografia é uma técnica utilizada para analisar, identificar ou separar os componentes de uma mistura. A cromatografia é definida como a separação de dois ou mais compostos diferentes por distribuição entre fases, uma estacionária e outra móvel.
A mistura é adsorvida em uma fase fixa, e uma fase móvel "lava" continuamente a mistura adsorvida. Pela escolha apropriada da fase fixa e da fase móvel, além de outras variáveis, pode-se fazer com que os componentes da mistura sejam arrastados ordenadamente. Aqueles que interagem pouco com a fase fixa são arrastados facilmente e, aqueles com maior interação, ficam mais retidos.
Os componentes da mistura adsorvem-se com as partículas de sólido devido à interação de diversas forças intermoleculares. O composto terá uma maior ou menor
adsorção, dependendo das forças de interação, que variam na seguinte ordem: formação de sais > coordenação > pontes de hidrogênio > dipolo-dipolo > Van der Waals.
Dependendo da natureza das duas fases envolvidas têm-se diversos tipos de cromatografia:
- sólido-líquido (coluna, camada fina, papel); - líquido-líquido;
- gás-líquido.
METODOLOGIA
Nesta prática serão apresentadas as técnicas básicas para o desenvolvimento de cromatografia em camada delgada.
Na cromatografia em camada delgada (CCD) serão analisados e identificados os componentes coloridos extraídos de extratos vegetais como a cafeína, e de folhas verdes (clorofila A e B) e os da cenoura (β-caroteno), assim como os componentes de uma droga analgésica, comparando-os com padrões.
CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA:
A cromatografia em camada fina (ou delgada) é uma técnica simples, barata e muito importante para a separação rápida e análise qualitativa de pequenas quantidades de material. Ela é usada para determinar a pureza do composto, identificar componentes em uma mistura comparando-os com padrões; acompanhar o curso de uma reação pelo aparecimento dos produtos e desaparecimento dos reagentes e ainda para isolar componentes puros de uma mistura.
Na cromatografia de camada delgada a fase líquida ascende por uma camada fina do adsorvente estendida sobre um suporte. O suporte mais típico é uma placa de vidro (outros materiais podem ser usados).
Sobre a placa espalha-se uma camada fina de adsorvente suspenso em água (ou outro solvente) e deixa-se secar. A placa coberta e seca chama-se "placa de camada fina ou delgada". Quando a placa de camada fina é colocada verticalmente em um recipiente fechado (cuba cromatográfica, Figura 1) que contém uma pequena quantidade de solvente, este eluirá pela camada do adsorvente por ação capilar.
Figura 1- Cromatografia em camada delgada.
A amostra é colocada na parte inferior da placa, através de aplicações sucessivas de uma solução da amostra com um pequeno capilar. Deve-se formar uma pequena mancha circular. À medida que o solvente sobe pela placa, a amostra é compartilhada entre a fase líquida móvel e a fase sólida estacionária. Durante este processo, os diversos componentes da mistura são separados. Como na cromatografia de coluna, as substâncias menos polares avançam mais rapidamente que as substâncias mais polares. Esta diferença na velocidade resultará em uma separação dos componentes da amostra. Quando estiverem presentes várias substâncias, cada uma se comportará segundo suas propriedades de solubilidade e adsorção, dependendo dos grupos funcionais presentes na sua estrutura.
Depois que o solvente ascendeu pela placa, esta é retirada da cuba e seca até que esteja livre do solvente. Cada mancha corresponde a um componente separado na mistura original. Se os componentes são substâncias coloridas, as diversas manchas serão claramente visíveis. Contudo, é bastante comum que as manchas sejam invisíveis porque correspondem a compostos incolores. Para a visualização deve-se "revelar a placa". Um método bastante comum é o uso de vapores de iodo, que reage com muitos compostos orgânicos formando complexos de cor café ou amarela. Outros reagentes para visualização são: nitrato de prata (para derivados halogenados), 2,4-dinitrofenilidrazina (para cetonas e aldeídos), verde de bromocresol (para ácidos), ninhidrina (para aminoácidos), etc.
Um parâmetro freqüentemente usado em cromatografia é o "índice de retenção" de um composto (Rf). Na cromatografia de camada fina, o Rf é função do tipo de suporte (fase fixa) empregado e do eluente. Ele é definido como a razão entre a distância percorrida pela mancha do componente e a distância percorrida pelo eluente.
Portanto:
Rf = dc / ds
Onde:
dc = distância percorrida pelo componentes da mistura. ds = distância percorrida pelo eluente.
Quando as condições de medida forem completamente especificadas, o valor de Rf é constante para qualquer composto dado e correspondente a uma propriedade física. Este valor deve apenas ser tomado como guia, já que existem vários compostos com o mesmo Rf.
Sob uma série de condições estabelecidas para a cromatografia de camada fina, um determinado composto percorrerá sempre uma distância fixa relativa à distância percorrida pelo solvente. Estas condições são:
1- sistema de solvente utilizado; 2- adsorvente usado;
3- espessura da camada de adsorvente; 4- quantidade relativa de material.
Experimento 2: CROMATOGRAFIA EM CAMADA DELGADA
1. Preparação das placas cromatográficas: Prepare 4 placas para cromatografia em camada fina a partir de lâminas de vidro. Agite com um bastão de vidro uma suspensão espessa de sílica em tetracloreto de carbono ou diclorometano em um béquer de 250 mL. Quando a pasta resultante estiver homogênea mergulhe na mistura as duas placas juntas, face a face, por um a dois segundos, retire-as e deixe-as secar ao ar.
Outra metodologia para a confecção das cromatoplacas utiliza um aparelho que facilita o preparo. Este aparelho contém um espalhador com valor determinado de sílica a ser depositada de modo que pode-se preparar placas de cromatografia em camada delgada com diferentes diferenças de espessura; as mais finas com 0,25 mm de sílica ou menos espessas, chegando até 1,0 mm. Prepara-se uma suspensão aquosa de sílica-gel própria para cromatografia em camada fina, e com o auxílio de um espalhador, quantidade determinada dessa suspensão é acrescida à superfície das placas de vidro dispostas no aparelho. Em seguida, as placas cobertas com sílica são colocadas em estufa aquecida a 100oC e deixadas por 30 min para secagem e ativação da sílica.
2. Avaliação do sistema de solvente e da pureza de uma amostra: Com um capilar, semeie uma aplicação de cafeína pura. Coloque então a placa em uma cuba cromatográfica contendo um sistema dos sistemas eluentes: acetato de etila/hexano (ou éter de petróleo) 4:6, acetato de etila/hexano 3:7, acetato de etila/hexano ou tolueno/acetona 1:1. O nível de eluente deve estar abaixo do nível da mancha na placa. Após a eluição, visualizar em câmara de iodo e marcar a mancha na placa. Repetir a operação para os demais sistemas de eluição e comparar os resultados, assinalando o melhor sistema de solventes.
3. Análise dos componentes de um analgésico: Pegue três tubos de ensaio. No primeiro, coloque o comprimido da amostra. No segundo, coloque ácido acetilsalicílico e no terceiro tubo coloque a cafeína. Nos 3 tubos, coloque 2,5 mL de metanol, macere o sólido e agite cada tubo por 3-5 minutos. Em seguida, filtre e despreze o sólido. Com a ajuda de um tubo capilar, aplique a uma distância de 1,0 cm uma da outra as três soluções metanólicas em duas placas cromatográficas distintas. Dependendo da concentração desta solução, duas ou três aplicações serão suficientes.
Prepare a seguir dois sistemas de eluentes: i) acetona/ clorofórmio 1:1 e ii) tolueno/ clorofórmio/ ácido acético glacial/ metanol 12:5:1,8:0,1. Prepare duas cubas cromatográficas, uma para cada sistema de eluentes. Coloque cada placa cromatográfica dentro de uma cuba. Após a eluição, retire as placas da cuba. Deixe-as secar. Após a secagem, coloque-as em uma atmosfera de iodo para revelar as manchas. Em 1-3 minutos, aparecerão manchas amareladas sobre as placas. Remova então as placas de dentro da cuba de iodo, contornando cada mancha com o tubo capilar. Calcule o Rf.
Questões:
1. Cite os principais tipos de forças que fazem com que os componentes de uma mistura sejam adsorvidos pelas partículas do sólido:
2. Cite as características do solvente para eluir ou arrastar os compostos adsorvidos na placa cromatográfica.
3. Fale sobre o princípio básico que envolve a técnica de cromatografia. 4. Por que se deve colocar papel filtro na parede da cuba cromatográfica?
5. Se os componentes da mistura, após a corrida cromatográfica, apresentam manchas incolores, qual o processo empregado para visualizar estas manchas na placa cromatográfica?
6. O que é e como é calculado o Rf ?
8. Qual a importância da espessura da camada de adsorvente no resultado da eluição?
9. Considerando as características ácido/base da sílica gel comum, qual o resultado esperado de uma análise por CCD em sílica gel de um composto nitrogenado comparado com um álcool?
10. Qual a utilidade do uso de padrões puros numa análise comparativa por CCD?
Experimento 3: ISOLAMENTO DO EUGENOL E ACETILEUGENOL
DO CRAVO-DA-ÍNDIA
OBJETIVO: Isolamento de óleos essenciais de tecidos vegetais (especiarias) por destilação com arraste de vapor (eugenol).
O cravo-da-Índia contém entre 14% a 20% p/p de óleo essencial, cujo principal constituinte é o eugenol. Em menores quantidades, estão presentes também o acetileugenol e o sesquiterpeno cariofileno (Figura 1).
CH3O
RO
R = H eugenol
R = OAc acetato de eugenila cariofileno
Figura 1. Componentes do óleo essencial do cravo da Índia. DESTILAÇÃO POR ARRASTE A VAPOR
A destilação por arraste a vapor d'água é um método muito útil, geralmente usado para separar pastas e alguns isômeros quando outros métodos de separação, tais como a destilação normal ou a extração, falham. É usada para purificar substâncias que se decompõem a temperaturas elevadas e para a separação de compostos voláteis de uma mistura de outros não voláteis.
Características para que uma substância orgânica possa ser separada/ purificada por este processo:
a) ser insolúvel ou pouco solúvel em água;
b) não sofrer alteração/decomposição pelo vapor d'água aquecido; c) possuir apreciável pressão de vapor (> 5 mmHg a 100oC).
A operação envolve a co-destilação da substância a purificar com a água e a vantagem desta técnica é que o produto desejado irá destilar a uma temperatura inferior a 100ºC.
Figura 2. Sistemas mais comuns para extração por arraste a vapor PROCEDIMENTO
Nota: para simplificação, o sistema mostrado na Figura 2 foi ligeiramente modificado, conforme indicado na Figura 3.
água
água
Figura 3. Sistema de destilação simplificado para ser utilizado na extração do óleo de cravo
1ª Parte: Extração do óleo de cravo.
Montar um aparato para destilação simples (Figura 3), usando um balão de 250 mL. Colocar 5,0 g de botões de cravo-da-Índia (preferivelmente pulverizados) no balão de destilação e adicionar 150 mL de água. Aquecer suavemente o balão em banho de areia, ou manta de aquecimento, sob agitação magnética ou com pérolas de ebulição, até que sejam recolhidos cerca de 100 mL do destilado em um erlenmeyer de 125 mL. Transferir o destilado para um funil de separação e extrair duas vezes com 10 mL de diclorometano. Desprezar a fase aquosa. Secar o extrato orgânico combinado com sulfato de sódio ou magnésio anidro, filtrar para um balão previamente pesado e evaporar o solvente em rotavapor. Pesar o óleo residual e calcular seu rendimento percentual em relação à quantidade original de cravo utilizada. Reservar uma alíquota para análises cromatográficas.
Questões
1. Em que categoria geral de produtos naturais se enquadram as essências?
2. Consulte nos catálogos (Index Merk, Handbooks, etc.) o ponto de ebulição do eugenol. 3. Baseado no peso original de cravo, calcular a porcentagem de recuperação do eugenol,
considerando que as impurezas presentes no extrato são insignificantes.
4. Comente sobre a eficiência da montagem alternativa utilizada no processo de extração do eugenol, comparando com um extrator Soxhlet.
5. Por que a destilação por arraste de vapor é preferida à destilação simples quando se trata de óleos essenciais?
6. Por que um sistema heterogêneo, como água e óleo essencial, destila a uma temperatura abaixo de 100oC?
7. Os constituintes de um óleo essencial particular podem ser separados por destilação fracionada a pressão reduzida, cristalização ou cromatografia. Supondo que, com óleo essencial de cravo, nenhum dos procedimentos acima citados poderia ser adotado para separar os seus componentes (eugenol e acetato de eugenila). Nesse caso, proponha um fluxograma e equações mostrando como o eugenol pode ser separado (quimicamente!!!) do seu derivado acetilado.
8. Em um laboratório efetuou-se a nitração do fenol, obtendo-se os isômeros o-nitrofenol (A) e p-nitrofenol (B). Os dois isômeros obtidos foram separados utilizando-se aparelhagem mostrada na Figura 13.
O mecanismo escolhido para efetuar a separação baseia-se na destilação
(a) por arraste a vapor do componente A, pois A é mais volátil que B, por apresentar ligação hidrogênio intramolecular.
(b) por arraste a vapor do componente B, pois B é menos solúvel que A, por apresentar menor momento de dipolo.
(c) fracionada, onde o componente A é recolhido puro, pois apresenta menor ponto de ebulição que B.
(d) fracionada, onde o componente B é recolhido puro, pois apresenta menor solubilidade em água.
2ª Parte: Análise cromatográfica do óleo essencial de cravo.
OBJETIVO: Examinar a constituição do óleo essencial de cravo por cromatografia em camada delgada.
PROCEDIMENTO
1. Aplica-se em pontos separados, através de tubos capilares, uma gotinha das soluções de eugenol (padrão) e do óleo de cravo recém-extraído em uma mesma placa de cromatografia, separados por cerca de 0,5 cm da borda inferior da placa e mantendo-se cerca de 0,5 cm de distância entre os pontos de aplicação.
2. Antes da revelação com iodo, verifica-se a placa sob lâmpada UV. Marca-se o contorno das manchas das substâncias UV-ativas, cuidadosamente, com o auxílio de uma lapiseira.
3. Para revelação definitiva, insere-se a placa em um recipiente cilíndrico e seco de tamanho adequado contendo um pouco de iodo sólido e coberto com um vidro de relógio. Espera-se o surgimento de manchas na placa.
4. Registrar as distâncias percorridas pela frente do solvente e pelos componentes de cada amostra analisada (eugenol e do óleo de cravo recém-extraído).
QUESTÕES
1. Com base no experimento realizado, apresente um desenho do seu cromatograma (revelado sob luz UV e vapor de iodo).
2. Determinar os Rf de todos os componentes das soluções analisadas.
3. Suponha que você precisa emitir parecer técnico em relação ao extrato obtido. Você poderia inferir no seu parecer que inequivocamente o mesmo contenho eugenol? Você pode inferir que seu extrato também contém acetato de eugenila e cariofileno? Ou nenhum deles? Ou outros constituintes? Explique.
4. Com base nos Rf dos componentes de sua amostra e considerando aspectos estruturais
dos constituintes do óleo do cravo, você poderia fazer uma correspondência entre as manchas observadas e os componentes do óleo do cravo?
5. Observe o aspecto da sua cromatoplaca quando revelada sob luz UV e no vapor de iodo. Diga quantos componentes foram detectados em cada caso. Considerando os aspectos estruturais dos constituintes do óleo do cravo, você avalia como coerente os resultados da comparação? Explique.
3ª parte: Extração ácido-base para separação dos constituintes do
óleo de cravo.
O eugenol e acetileugenol (Figura 4), podem ser separados entre si, considerando que o eugenol é um fenol e, por isso, possui características ácidas (reage com base forte). Em uma extração ácido-base as espécies são convertidas separadamente em sais, os quais são solúveis em água, podendo dessa forma ser isolados dos meios orgânicos.
Figura 4. Estruturas do eugenol e acetileugenol. PROCEDIMENTO
Transferir para funil de separação de capacidade adequada, 100 mL da suspensão de óleo de cravo da índia. Extrair a suspensão com duas porções de 25 mL de clorofórmio, isto é, adicionar 25 mL de clorofórmio, agitar, deixar separar as fases, recolher a fração orgânica, acrescentar mais 25 mL de clorofórmio à fase aquosa, repetindo o procedimento. Reunir os extratos clorofórmicos submetê-los a novas extrações conforme o Esquema 1, apresentado a seguir.
Prestar muita atenção para não trocar as fases e fazer a segunda extração na fase correta.
Ao final das extrações, destilar os produtos no evaporador rotatório estimando as quantidades de eugenol e acetileugenol presentes no cravo da índia utilizado. Em seguida, redissolver cada um dos produtos em alguns mL de clorofórmio e transferir para os frascos de armazenamento correspondentes.
Esquema 1. Extração ácido-base para separação do eugenol e acetileugenol do óleo de cravo-da-índia.
4ª Parte: Caracterização dos produtos obtidos
Análise por CCD: Avaliar a eficiência da extração ácido-base por cromatografia em camada delgada aplicando, nas placas de sílica ativada, pontos do eugenol e do acetileugenol obtidos, dissolvidos em clorofórmio, bem como do óleo de cravo original. Como eluente utilizar uma mistura de clorofórmio e metanol. Se forem utilizadas placas com indicador fluorescente, revelar sob luz UV. Caso contrário, revelar em câmara de iodo.
QUESTÕES
1) Enumere as vantagens de uma destilação por arraste a vapor.
2) A 50ºC a pressão de vapor da água é de 93 mmHg e do bromobenzeno é de 17 mmHg. Calcule a composição do destilado obtido por arraste a vapor do bromobenzeno à pressão de 110 mmHg.
3) Qual o objetivo de se realizar duas extrações sucessivas em cada etapa?
4) Equacione a reação química observada quando a solução de NaOH é adicionada à mistura de eugenol e acetileugenol e explique por que este processo permite a separação dos dois compostos.
5) Sugira uma maneira de separar uma mistura de ácido pícrico, anilina e naftaleno.
Experimento 4: BIOMASSA EM AULA PRÁTICA DE QUÍMICA
ORGÂNICA VERDE: CRAVO-DA-ÍNDIA COMO FONTE SIMULTÂNEA
DE ÓLEO ESSENCIAL E DE FURFURAL
OBJETIVO: Utilizar o resíduo sólido final, produzido na extração do óleo essencial de cravo da índia, para a extração e isolamento do furfural.
O furfural (Figura 1) é uma substância química importante, utilizada em diversos processos industriais, como intermediário (Figura 1) na manufatura de nylon, lubrificantes, adesivos, solventes, plásticos e na indústria de petróleo, onde é usado como solvente extrator em seu refinamento. O processo comum para a produção de furfural é pela digestão de biomassa. Nesta prática será utilizada a biomassa do cravo da índia proveniente da aula de extração do óleo essencial, realizada nas práticas anteriores. Desta forma, da mesma matéria-prima conseguimos isolar dois produtos diferentes: eugenol e furfural.
Figura 1: Óleo essencial (eugenol) e furfural podem ser obtidos da mesma amostra de cravo-da-índia.
A hidrólise ácida de hemiceluloses, as quais são encontradas em plantas e materiais residuais, também pode ser usada na produção de furfural, como indicado na Figura 2.
Figura 2: Obtenção do furfural a partir da hidrólise de hemicelulose.
A principal vantagem do furfural como matéria-prima, é que suas fontes são renováveis. Os resíduos agrícolas, tais como sabugo de milho, bagaço de cana-de-açúcar, casca de arroz e farelo de trigo, gerados em grandes quantidades no Brasil, são as principais fontes utilizadas para a obtenção do furfural, uma vez que são ricas em hemicelulose e estão regularmente disponíveis em grandes quantidades. O bagaço de cana-de-açúcar e sabugos de milho são os dois materiais mais comumente utilizados para a produção de furfural (contendo 25 e 35% de pentosanas, respectivamente), sendo responsáveis por mais de 98% de todo o furfural produzido.
PROCEDIMENTO
Lavar o resíduo produzido na aula de obtenção do óleo do cravo-da-índia por cinco vezes com 30 mL de água destilada e adicionar 50 mL de solução de HCl 4 mol L-1. Deixar a
mistura fechada, em repouso, à temperatura ambiente por 30 min. Após este período, conectar ao balão um adaptador de Claisen e um condensador de tubo reto e aquecer a mistura até iniciar a destilação simples. Quando forem recolhidos 20 e 70 mL de líquido destilado, adicionar, pelo adaptador de Claisen, 50 mL de água destilada. Alternativamente, a reposição de água ao balão de destilação pode ser feita à medida que ocorre a destilação, através de um funil de adição com água previamente conectado ao adaptador de Claisen. Interromper a destilação quando 100 mL de líquido forem destilados. Submeter o líquido recolhido à extração com éter etílico ou diclorometano, empregando três extrações de 30 mL do solvente selecionado. Secar a fase orgânica com sulfato de magnésio anidro, filtrar e eliminar o solvente em evaporador rotatório. Recolher e pesar o resíduo obtido. Caracterizar o furfural e preparar como derivado a 2,4-dinitrofenil-hidrazona e caracterizar (PFLit. 229 °C).
Figura 3: Representação esquemática da preparação dos intermediários químicos eugenol e furfural.
QUESTÕES:
1) Quais foram as técnicas envolvidas durante o experimento de isolamento do Furfural?
2) Qual a importância da utilização de biomassa como material de partida?
3) Qual a aplicação do furfural e seus derivados nas indústrias química, farmacêutica e cosmética?
Referências Bibliográficas
CUNHA, S.; LUSTOSA, D.M.; CONCEIÇÃO; N.D.; FASCIO, M.; MAGALHÃES, V.
Biomassa em aula prática de química orgânica verde: cravo-da-índia como fonte simultânea de óleo essencial e de furfural. Química Nova, 35, 638-641, 2012.
RIBEIRO, P.R.; CARVALHO, J.R.M.; GERIS, R.; QUEIROZ, V.; FASCIO, M. Furfural – da biomassa ao laboratório de química orgânica. Química. Nova, 35, 1046-1051, 2012.
