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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE FEIRA DE SANTANA LICENCIATURA EM QUÍMICA DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS QUIMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL II ANA CAROLINE ALMEIDA MARQUES REAÇÃO DE OXIDAÇÃO DO CICLOEXANOL PARA SÍNTESE DA CICLOEXANONA FEIRA DE SANTANA 2025 INTRODUÇÃO A oxidação de álcoois é uma reação essencial na química orgânica, utilizada para transformar grupos hidroxila em compostos carbonílicos. O tipo de produto obtido depende da estrutura do álcool de partida e do agente oxidante utilizado. Os álcoois secundários, como o cicloexanol, sofrem oxidação para formar cetonas, sem a possibilidade de oxidação adicional em condições comuns. Neste experimento, será realizada a oxidação do cicloexanol, um álcool secundário cíclico, para obtenção da cicloexanona, utilizando hipoclorito de sódio (NaOCl) como agente oxidante em meio ácido. O ácido acético glacial atua como catalisador, e a reação é conduzida sob controle de temperatura entre 40–45 °C para garantir um bom rendimento e evitar reações secundárias. Esse processo é uma alternativa mais segura e ambientalmente amigável em relação ao uso de agentes oxidantes tradicionais, como o dicromato de potássio, e permite observar na prática uma transformação clássica da química orgânica. OBJETIVO • Preparar a cicloexanona a partir da oxidação do cicloexanol. • Propor o mecanismo da reação. MATERIAIS Material Quantidade Capacidade (mL) Balão de fundo redondo 01 500 Agitador magnético com aquecimento 01 ------------------- Manta de aquecimento com regulador 01 ------------------ Termômetro 01 Condensador de tubo reto com cabeça de destilação 01 Mangueiras Funil de separação 02 250 ou 500 Erlenmeyer 02 250 ou 500 Funil de vidro 01 Banho de gelo Vidro de relógio 01 Espátula 01 Proveta 02 25 / 100 Balança analítica digital 01 REAGENTES E FISPQ Substância Fórmula Química Riscos / Observações Ponto de Fusão (°C) Função no Experimento Ácido etanoico glacial C₂H₄O₂ Vapores irritam vias respiratórias; líquido causa queimaduras 16,6 Acidifica o meio, favorecendo a protonação do cicloexanol para facilitar a oxidação Bissulfito de sódio NaHSO₃ / Na₂S₂O₃ Irritante à pele e olhos; nocivo por ingestão ~150 (decompõe) Quebra emulsão formada após oxidação, facilitando separação da fase orgânica Cloreto de sódio NaCl Leve desconforto por contato cutâneo 801 Quebra emulsão final, promovendo separação da cicloexanona da fase aquosa Cicloexanol C₆H₁₂O Pode causar lesões dérmicas e oculares; tóxico se ingerido 23,9 Reagente principal: álcool secundário que será oxidado para formar cicloexanona Hipoclorito de sódio NaClO Danos digestivos por ingestão; tosse e sufocamento por inalação; corrosivo à pele/olhos ~-6 (solução aquosa) Agente oxidante: transforma cicloexanol em cicloexanona Hidróxido de sódio NaOH / H₂O Provoca queimaduras severas; perigoso se ingerido 318 (NaOH) Neutraliza o meio ácido após oxidação, estabilizando o produto Sulfato de sódio anidro Na₂SO₄ Irritação ocular; espirros por inalação; lesões digestivas por ingestão 884 Agente secante: remove traços de água da fase orgânica, purificando a cicloexanona PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Figura 1: Fluxograma detalhado de procedimento experimental Em um frasco Erlenmeyer de 250 mL, adicione 8,0 mL de cicloexanol juntamente com 4,0 mL de ácido acético glacial. Em paralelo, transfira para um funil de adição 130 mL de uma solução de hipoclorito de sódio a 0,74 M (equivalente à água sanitária comercial). Inicie a adição lenta e controlada da solução de hipoclorito sobre a mistura de cicloexanol e ácido acético, ao longo de 20 a 25 minutos. Regule a velocidade de adição de modo que a temperatura da reação permaneça entre 40 °C e 45 °C, utilizando um termômetro imerso diretamente na mistura para monitoramento. Caso a temperatura ultrapasse 45 °C, utilize um banho de gelo com água para resfriar; no entanto, evite que a temperatura caia abaixo de 40 °C, pois isso pode comprometer o rendimento da reação. Durante a adição, agite ocasionalmente para garantir uma boa homogeneização. Após completar a adição do hipoclorito, deixe a mistura em repouso por cerca de 15 a 20 minutos, com agitação esporádica. Em seguida, incorpore 3 mL de uma solução saturada de bissulfito de sódio, misture bem e transfira o conteúdo para um balão de fundo redondo (compartilhado entre as duplas para a etapa de destilação). Depois da adição do bissulfito, acrescente aproximadamente 75 mL de uma solução de hidróxido de sódio 6 M ao balão. Realize a destilação por arraste a vapor e colete cerca de 250 mL do destilado em um Erlenmeyer de 500 mL. Ao destilado obtido, adicione 3 g de cloreto de sódio e dissolva completamente. Transfira essa solução para um funil de separação (250 ou 500 mL) e proceda à separação das fases. A fase orgânica deve ser seca com sulfato de sódio anidro, filtrada para um frasco previamente tarado, e então é possível determinar a massa final do produto e calcular o rendimento da reação RESULTADOS E DISCUSSÃO O mecanismo de oxidação do ciclo-hexanol para ciclo-hexanona é um processo químico que transforma um álcool secundário em uma cetona. A reação começa quando o hipoclorito de sódio (NaClO) reage com um ácido (como o ácido acético) para formar o ácido hipocloroso (HClO), que é o agente oxidante real da reação. Figura 2: Reação do Ácido Acético Glacial + Hipoclorito de sódio, formando Ácido Hipocloroso Na primeira etapa da reação, o ciclo-hexanol entra em contato com o ácido acético glacial. O par de elétrons livres do oxigênio do álcool age como uma base, atacando o hidrogênio do grupo carboxila do ácido acético. Essa interação protona o ciclo-hexanol, formando um íon oxônio. A protonação torna o grupo hidroxila (OH) em um bom grupo de saída (H2O+). Figura 3: Mecanismo da reação de oxidação do cicloexanol para cicloexanona Com a adição do hipoclorito de sódio (NaClO), que atua como uma fonte de cloro, o verdadeiro agente oxidante, o ácido hipocloroso (HClO), é formado no meio ácido. O oxigênio do ciclo-hexanol protonado ataca o átomo de cloro do ácido hipocloroso, expulsando uma molécula de água. Este ataque nucleofílico resulta na formação de um intermediário clorado. Após a reação, adiciona-se o bissulfito de sódio (NaHSO3) para eliminar qualquer excesso de oxidante, garantindo que a reação de oxidação não continue. Na terceira etapa, o intermediário clorado sofre uma eliminação. Um par de elétrons da ligação entre o hidrogênio e o carbono do anel se move para formar uma dupla ligação com o oxigênio. Ao mesmo tempo, a ligação entre o oxigênio e o cloro é rompida, liberando um íon cloreto. Essa sequência de eventos leva à formação da ciclo-hexanona, que é o produto de oxidação desejado. Para neutralizar o ácido clorídrico (HCl) formado como subproduto e qualquer acidez residual, é adicionado hidróxido de sódio (NaOH). Durante a execução do experimento, a reação foi inicialmente conduzida sem aquecimento, o que resultou em uma temperatura de aproximadamente 35 °C no meio reacional. Esse desvio do protocolo pode ter comprometido o rendimento, já que a oxidação do cicloexanol exige temperaturas entre 40 °C e 45 °C para ocorrer de forma eficiente. Após a correção, a temperatura foi mantida dentro da faixa recomendada, sem necessidade de resfriamento com banho de gelo. A adição da solução de hipoclorito de sódio foi realizada de forma lenta e controlada, ao longo de pelo menos 20 minutos, conforme indicado no roteiro. Durante essa etapa, observou-se que amistura apresentava coloração esbranquiçada, com aspecto leitoso, especialmente durante o aquecimento. Essa aparência é típica de sistemas de reação heterogêneos, onde há formação de emulsões ou dispersões entre os reagentes orgânicos e aquosos. Para a destilação por arraste a vapor, foram reunidos 250 mL de produto bruto de cada uma das quatro equipes presentes no laboratório, totalizando 1 L de solução em um balão volumétrico. A destilação foi iniciada, mas devido à sua longa duração, não foi possível concluí-la integralmente dentro do tempo disponível. Ainda assim, foi possível obter uma amostra significativa para análise. Em seguida, foi adicionada uma solução de hidróxido de sódio (NaOH) 6 M ao balão de fundo redondo, antes da destilação por arraste a vapor. Essa etapa tem como finalidade alcalinizar o meio, favorecendo a liberação da cicloexanona em sua forma neutra e volátil. O ambiente básico também evita reações secundárias com resíduos ácidos, contribuindo para uma destilação mais eficiente e segura. A presença de NaOH é essencial para que o produto seja separado por arraste a vapor em temperatura mais baixa, preservando sua estrutura química. Após a coleta do destilado, foram adicionados 3 g de cloreto de sódio (NaCl) à solução. O NaCl tem como função aumentar a força iônica da fase aquosa, promovendo o chamado efeito “salting out”. Esse fenômeno reduz a solubilidade do composto orgânico na água, favorecendo sua migração para a fase orgânica durante a separação no funil. Com isso, a recuperação do produto é otimizada, minimizando perdas por dissolução na fase aquosa. Figura 4: Separação da fase aquosa e orgânica, após a destilação. Os dados obtidos foram os seguintes: • Massa do frasco vazio: 15,8164 g • Massa do frasco com produto: 33,3835 g • Massa do produto obtido: 33,3835 g − 15,8164 g = 17,5671 g Cálculo do Rendimento Para calcular o rendimento da reação, é necessário comparar a massa real de produto obtido com a massa teórica máxima possível, baseada na quantidade de reagente utilizado, neste caso, o cicloexanol. Cada equipe utilizou 8,0 mL de cicloexanol, cuja densidade é aproximadamente 0,962 g/mL. Assim, a massa de cicloexanol por equipe foi: Como foram utilizadas amostras de 4 equipes, a massa total de cicloexanol empregada foi: Assumindo que todo o cicloexanol foi convertido em cicloexanona, o rendimento teórico seria igual a essa massa, pois a reação é de oxidação simples e a diferença de massa molar entre os compostos é pequena. A massa de produto obtido foi determinada pela diferença entre o frasco cheio e o frasco vazio: Com esses dados, o rendimento percentual é calculado pela fórmula: Substituindo os valores: CONCLUSÃO O rendimento obtido na reação foi de aproximadamente 57,04%, valor considerado abaixo do esperado para esse tipo de oxidação. Esse resultado pode ser atribuído a diversos fatores observados durante a execução do experimento. Um dos principais foi o início da reação em temperatura inadequada, cerca de 35 °C, abaixo da faixa ideal de 40– 45 °C recomendada para a oxidação eficiente do cicloexanol. Como a formação da cicloexanona depende diretamente da ativação do agente oxidante em meio ácido e aquecido, esse atraso no aquecimento pode ter comprometido a conversão total do reagente. Embora a temperatura tenha sido corrigida posteriormente e mantida dentro dos limites adequados, a fase inicial mais fria provavelmente reduziu a taxa de reação e, consequentemente, o rendimento final. Outro fator relevante foi a destilação incompleta. Como o processo foi realizado com o produto combinado de quatro equipes, totalizando 1 litro de solução, o tempo necessário para concluir a destilação por arraste a vapor foi maior do que o disponível em laboratório. Isso impediu a coleta total do produto, o que também contribuiu para a redução do rendimento. Apesar disso, a massa obtida foi significativa e permitiu a análise quantitativa. A coloração esbranquiçada e levemente leitosa observada durante a adição lenta do hipoclorito de sódio, ao longo de pelo menos 20 minutos, indica a formação de uma mistura heterogênea, possivelmente com emulsões entre as fases orgânica e aquosa. Essa característica pode dificultar a separação eficiente dos componentes e interferir na recuperação do produto. Portanto, o rendimento obtido reflete não apenas a eficiência química da reação, mas também as condições operacionais e o tempo disponível para execução. Com ajustes no controle térmico desde o início e maior tempo para destilação, é provável que o rendimento fosse superior. Ainda assim, os dados obtidos são coerentes com os desafios enfrentados e demonstram a importância de seguir rigorosamente os parâmetros experimentais para garantir resultados mais próximos do ideal. REFERÊNCIAS SYKES, Peter. Guia de mecanismos da química orgânica. Rio de Janeiro: [São Paulo]: Ao Livro Técnico, Editora da Universidade de São Paulo, 1969. 302 p. SOLOMONS, T. W. Graham; FRYHLE, Craig B. Química orgânica 1. 8. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2005. v.1 BRUICE, P. Y. Química Orgânica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006. Vol. 1 e 2.