Transformación de Ácido Maleico a Ácido Fumárico

Profa. Apolonia Murillo Villagrana

Grupo 2IM09

Equipo 5

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS

Laboratorio de Química de los hidrocarburos

1.-OBJETIVOS

- Aplicar los conocimientos adquiridos para efectuar una reacción.

- Efectuar la hidrólisis e isomerización del anhídrido maleico (cis) a ácido fumárico (trans) por catálisis ácida.

-Comprobar la existencia de los isómeros geométricos mediante la obtención del ácido maléico (configuración cis) para transformar posteriormente parte de él en ácido fumárico (configuración trans), mediante la adición de HCl.

- Realizar pruebas físicas y químicas para confirmar la obtención de dichos isómeros.

-Realizar pruebas para comprobar la obtención de un hidrocarburo insaturado.

METAS

-Identificar el proceso de deshidratación y reflujo.

-Integrar los conocimientos adquiridos de la práctica en futuras situaciones laborales.

-Familiarizarse con el método de reflujo como proceso físico de separación y en este caso de deshidratación y obtención de cristales.

-Dominar el mecanismo de reacción de la isomerización

-Identificar y evidenciar los cambios que ocurren en las reacciones.

ALCANCES

- Distinguir los fenómenos físicos que ocurren durante la experimentación.

-Conocer los conceptos básicos de la estereoquímica.

-Hacer una buena investigación para tener referencias en la experimentación.

-Observar detenidamente los fenómenos de la experimentación.

-Analizar los resultados para comprobar que los objetivos se cumplieron.

PREPARACIÓN DE CICLOHEXENO

2.-Investigación bibliográfica

Los isómeros cis-trans tienen la misma cadena con las mismas funciones en las mismas posiciones, pero debido a que la molécula es rígida, cabe la posibilidad de que dos grupos funcionales estén más próximos en el espacio (cis) o más alejados (trans). La rigidez de la molécula se debe normalmente a la presencia de un doble enlace o un anillo.Cuando existen varios sustituyentes distintos, la nomenclatura cis-trans puede resultar ambigua. En estos casos se adopta la nomenclatura E-Z.

Los ácidos maléico (ácido cis-2-butenodióico) y fumárico (ácido trans-2-butenodióico) pueden obtenerse a partir del ácido malico (ácido 2-hidróxibutenodióico) ya que este se deshidrata en presencia de medio ácido, formándose el carbocatión intermediario. Cuando el proceso se realiza a baja temperatura, los grupos carboxilo (-COOH) se repelen mutuamente; en consecuencia el enlace covalente carbono-carbono (σ) gira de tal modo que al formarse el doble enlace estos grupos quedan ubicados en lados opuestos del enlace π (doble enlace) obteniéndose el ácido fumárico (isómero trans). Cuando la reacción se realiza a mayor temperatura, los grupos carboxilo pueden vencer la mutua repulsión y, al formarse el doble enlace, tales grupos quedan ubicados del mismo lado del enlace π, obteniéndose así el ácido maléico (isómero cis)

Los ácidos carboxílicos son compuestos orgánicos que contienen uno, dos o más grupos carboxilo (—COOH o —CO2H).El más simple es el ácido metanoico (ácido fórmico), y uno de los más familiares es el ácido etanoico (ácido acético), que en estado diluido e impuro forma parte del vinagre. Los ácidos carboxílicos con un único grupo carboxilo y, generalmente, de cadena lineal se denominan ácidos grasos; la cadena hidrocarbonada puede ser saturada o bien contener uno o más enlaces dobles. Muchos ácidos carboxílicos son esenciales en la química de los organismos vivos. Otros son productos químicos de gran importancia industrial.El nombre de los ácidos carboxílicos comienza con la palabra “ácido” seguida por el nombre del alcano básico terminado en “oico”. Para los ácidos alifáticos, el carbono uno corresponde al carbono carboxilo. Los ácidos más frecuentes se conocen por sus nombres comunes, por ejemplo:

-Ácido metanoico o fórmico, HCOOH; -Ácido etanoico o Ácido acético, CH3 - COOH;-Ácido propanoico o propiónico, CH3 - CH2 - COOH;-Ácido butanoico o butírico, CH3 - CH2 - CH2 - COOH.

El ácido cis-butenodioico o (Z)-ácido butenodioico o ácido maleico, es un compuesto orgánico que es un dicarboxílico (molécula con dos grupos carboxilo). Otros nombres con el que se le conoce a este ácido son el ácido malénico, el ácido maleinico y ácido toxilico.EL ácido maleico es el isómero cis del ácido -butenodioico, mientras que el ácido fumárico es el isómero trans.Las propiedades físicas de ácido maleico son muy diferentes a las del ácido fumárico. El ácido maleico es una molécula menos estable que el ácido fumárico. La diferencia en el calor de combustión es de 22,7 KJ/mol.El punto de fusión del ácido maleico está entre 131-139°C, también es mucho menor que la del ácido fumárico que es de 287°C. Ambas propiedades del ácido maleico puede explicarse en razón de la vinculación del hidrógeno intramolecular que tiene lugar a expensas de las interacciones moleculares.

Ácido fumárico, es el ácido trans-butenodioico, compuesto cristalino incoloro, de fórmula HO2CCH=CHCO2H, que sublima a unos 200 °C. Se encuentra en ciertos hongos y en algunas plantas, a diferencia de su isómero cis, el ácido maleico (cis-butenodioico), que no se produce de forma natural.Se obtiene por deshidratación del ácido málico y por isomerización del ácido maleico por distintos procedimientos (acción de la luz, calentamiento...).

3.-REACCIÓN GLOBALHidrolisis

Es una reacción química entre una molécula de agua y otra molécula, en la cual la molécula de agua se divide y sus átomos pasan a formar parte de otra especie química. Esta reacción es importante por el gran número de contextos en los que el agua actúa como disolvente.

El anhídrido maleico se hidroliza fácilmente dando el ácido maleico, configuración cis (Z), y este se transforma en ácido fumárico, su isómero geométrico trans (E), por calentamiento con ácido clorhídrico, ambos con propiedades físicas distintas.

5.-DESARROLLO DE LA PRÁCTICA

Colocar 3 g. de ácido maleico en un matraz de

125 ml. Disolver con 5 ml de H2O caliente. Agregar 2 ml de

HCl concentrado .Agregar las

perlas de ebullición y proceder al

calentamiento del matraz con el mechero.

Armar el sistema de

Reflujo.

Llevar a ebullición la mezcla por 40 min. Calentando a fuego directo.

6.-PARAMETROS DE CONTROL

Separar los cristales por filtración. Dejar secar y pesar.

Enfriar la mezcla en un baño de hielo

En esta práctica se controlan los siguientes parámetros para una realización adecuada.

-Tiempo-Velocidad-Temperatura-Volumen / concentración

9.-CUADRO

Formación de HalohidrinasC4H4O4

50mg Ac. Maléico

+ 1ml Br2/H2O

Δ/10min

Baño maría

El Ac. Maléico se disolvió parcialmente en el Br2/H2O

C4H4O4

50mg Ac. Fumárico

+ 1ml Br2/H2O Δ/10min

Baño maría

El Ac. Fumárico al entrar en contacto con el Br2/H2O, produjo cambios físicos y tampoco solubilizó.

Formación de glicoles HidroxidaciónC4H4O4

50mg Ac. Maléico

+ 1ml KMnO4

Δ/2min

Baño maría

El Ac. Maélico, siendo un polvo de color blanco al reaccionar con el KMnO4, se torna trasparente.

C4H4O4

50mg Ac. Fumárico

+ 1ml KMnO4

Δ/2min

Baño maría

El Ac. Fumaríco al entrar en contacto con el KMnO4 adquiere un color amaraillento.

RESULTADOS

Al agregar 3g de anhídrido maléico, en 5mL de agua tibia y 2 ml de HCl ocurre un proceso de hidrólisis, ya que los oxígenos se van a sentir más atraídos hacia las moléculas de agua, provocando así, la ruptura de los enlaces π en el grupo anhidrído y la obtención del ácido maleico, sin embargo, sigue teniendo una estructura cis, pero si se protona la molécula, provocará una repulsión entre los grupos carboxilo, adquiriendo una forma más estable (forma trans) el ácido fumárico.

Se agregó al matraz una mezcla de ácido maleico y ácido clorhídrico, propiciando que se disolviera la mezcla, era incoloro e inoloro, pero al comenzar a calentar, su color fue blanco y comenzaron a verse bubujas, así que para no perder producto se disminuyó la cantidad de calor proporcionada a la reacción, al realizar la cristalización en un baño de hielos, se observaron cristales blancos y finos.

PRUEBAS DE INSATURACIÓN

Para el caso de la prueba de saturación de los grupos carboxilos en ambos ácidos en presencia de bromo para el caso del ácido maleico este sufrió una decoloración y se pudo observar solido en el fondo de la solución esto debido a que el ácido reacciono con el bromo el cual por sustitución vía radical provoco la rotación de uno de los grupos COOH formándose así el ácido fumárico el cual es insoluble en agua. Para el caso de ácido fumárico esto no sufrió cambio alguno ya que la reacción no es reversible es decir no es posible o al menos por este método regresarlo a ácido maleico.

La prueba con permanganato de potasio con cada uno de los ácidos provocó que este se oxidara pasando de un color morado a uno café en ambos casos y volviéndose la solución más viscosa además de que esta se adhiriera a las paredes del tubo debido a formación de enantiómeros dos para el caso del ácido fumárico y solo uno para el ácido maleico esto según la literatura y que además estos enantiómeros formados son el ácido tartárico.

10-COSTO-BENEFICIO

La relación costo- beneficio de la obtención de ácido Fumárico por medio del reflujo del ácido Maleico, es muy viable, está en un punto intermedio en cuanto a costos, es importante destacar que hay que prestar más atención y cuidados ya que es un proceso muy delicado, pues puede empezar a cristalizarse dentro del matraz y sería difícil la extracción.

11.- USOS Y APLICACIONES

El ácido fumárico se utiliza para fabricar pinturas, barnices y resinas sintéticas.El ácido fumárico es un ácido orgánico presente en muchas frutas y vegetales. El origen del ácido fumárico es natural y es un elemento importante en el metabolismo de las células de los seres vivos.

El ácido fumárico tiene aplicaciones en la industria alimenticia en productos como:-Provee acidez, evita el apelmazamiento de polvos y se disuelve fácilmente.

-Regula el pH, forma geles más fuertes con agentes gelificantes, incrementa la vida útil del producto por su baja higroscopicidad.

-Provee acidez, reduce el uso de conservadores sintéticos en combinación con el ácido cítrico y regula el pH.

-Realce de sabor y liberación lenta de ácido.

-Se utiliza como coagulante en la elaboración de quesos y como antioxidante en combinación con otros aditivos.

-Retarda la oxidación en productos cárnicos procesados y conserva el color

12.-CUESTONARIO

En una isomería cis/trans, ¿Cuál de los isómeros es más estable y por qué razón?

Generalmente los isómeros trans son los más estables en comparación que los cis, puesto que los grupos que se encuentran a los carbonos de doble enlace se encuentran más separados unos de otros.

¿A qué se le llama isomería geométrica?

La isomería cis-trans o geométrica es debida a la rotación restringida entorno a un enlace carbono-carbono.

En esta práctica ¿Cómo actúa el ácido clorhídrico (HCl)?

Actúa como un catalizador ya que acelera la reacción.

¿Por qué razones es conveniente vigilar el reflujo cuando aparecen los cristales en el seno de la reacción?

Debido a que pueden proyectarse por el calor y la presión generada, provocando accidentes, también para determinar el progreso de la formación de los cristales. Puede que la aparición de cristales sea por efecto de pérdida del disolvente, si se pierde una cantidad considerable de disolvente puede ocurrir la cristalización de la muestra lo cual indicaría que el sistema de condensación no funciona de forma adecuada, por tanto es recomendable que se revise el reflujo.

Describa el mecanismo de reacción de la transformación de ácido maleico a fumárico.Un mecanismo para explicar esta transposición es el siguiente:Si se parte del anhídrido maleico (más comercial), ocurre primero una hidrólisis al protonarse un oxígeno y entrar una molécula de agua en el carbono del grupo carboxilo, formándose el ácido correspondiente (ácido maleico. cis).EI ácido maleico se protona, lo que provoca un corrimiento de electrones desde la doble ligadura, lo que deja una ligadura sencilla, con lo cual se gira inmediatamente, debido a la repulsión entre los grupos carboxilo, adquiriendo ahora la forma trans, más estable.

13.-INTERPRETACIÓN DE LOS ESPECTROS

De acuerdo con los resultados que se obtuvieron a partir de la transformación del ácido maleico al ácido fumarico y con las pruebas que se hicieron (prueba con solución de bromo y prueba con solución de permanganato de potasio) nos podemos dar cuenta y comprender la isomería cis-trans ya que aunque se tienen dos isómeros aparentemente iguales nos podemos dar cuenta que cuando cambian de posición las moléculas (de cis a trans) las propiedades de ambos isómeros son totalmente diferentes una diferencia de

estos dos isómeros es que el ácido fumárico es más estable que el ácido maleico. La transformación de ácido maleico a ácido fumárico se llevó a cabo gracias a la ruptura parcial del doble enlace al agregar le al ácido maleico el catalizador (ácido clorhídrico).

El ácido maleico (un compuesto cis), se convierte en el correspondiente isómero trans, el ácido fumárico, mediante el uso de un catalizador ácido. Hecho que se comprobó en la práctica realizada.

Al hacer las pruebas de insaturación nos dimos cuenta que efectivamente se obtuvo ácido fumárico:

Pruebas con solución de Bromo en Agua (Formación de halohidrinas)

Ácido Maleico: Se adicionó en un tubo de ensayo 5 mg de ácido Maleico y se le agregó 1 ml de solución acuosa de bromo al 1%, al agregar esto se observó una ligera degradación de color en la solución.Ácido Fumárico: Se adicionó en un tubo de ensayo 5 mg de ácido Fumárico y se le agregó 1 ml de solución acuosa de bromo al 1%, al agregar la solución no se observó ningún cambio de color.

Pruebas con Solución de Permanganato de Potasio (Hidroxilación).

Ácido Maleico: Se adicionó en un tubo de ensayo 5 mg de ácido Maleico y se le agregó 1 ml de solución acuosa de permanganato de potasio, al agregarle la solución paso de un color morado oscuro a un café oscuro (se oxidó la solución), observándose también que la solución se hizo más viscosa (adhiriéndose a las pareces del tubo).

Ácido Fumárico: Se adiciono en un tubo de ensayo 5 mg de ácido Fumárico y se le agrego 1 ml de solución acuosa de permanganato de potasio, al agregarle la solución paso de un color morado oscuro a un café oscuro (se oxidó la solución), observándose también que la solución se hizo más viscosa (adhiriéndose a las pareces del tubo).

14.-CONCLUSIONES

Como conclusión se comprobó que el ácido butanodioico tiene las formas cis es el ácido maleico, mientras que el ácido (E)-butenoioico es el ácido fumárico. Por lo tanto el ácido maleico y fumárico son estereoisomeros (diasteromeros), es decir que tienen los mismos sustituyentes pero con diferente orientación. Para obtener el ácido fumárico, calentamos el ácido maleico utilizando como catalizador el ácido clorhídrico, finalmente estos dos ácidos por ser isómeros geométricos presentan propiedades diferentes, como lo son su punto de fusión, solubilidad y la diferencia en los momentos dipolares.

En la práctica se efectuó la hidrólisis e isomerización del anhídrido maleico el cual se encontraba en posición (cis) a ácido fumarico que se encontraba en posición (trans).En conclusión,el ácido fumárico es termodinámicamente más estable que el ácido maleico, la estabilidad relativa está relacionada con la estereoquímica alrededor del doble enlace C=C,

Al llevar a cabo las pruebas de instauración, el ácido maleico no se disolvió, mientras que el ácido fumárico se disolvió completamente.

15.-OBSERVACIONES

-El ácido maleico es soluble en agua, mientras que el ácido fumárico no lo es.

-El ácido fumárico Es soluble en agua caliente, éter y alcohol.

-Tener mucho cuidado al final de la recirculación por que los cristales se empiezan a pegar en las paredes.

-El aparato para realizar esta práctica debe estar destapado para permitir la recirculación

16.-BIBLIOGRAFIA

- Química, Raymond Chang, Editorial Mc Graw Hill, novena edición, capítulo 24, pág. 1010-1014.

- Carey Francis, Química Orgánica, Mc Graw Hill, México (2006) pp. 191-197.

-R.T Morrison y R.N. Boyd. 1992. Química orgánica, 5a ed. México, Adisson-Wesley Iberoamérica.

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