Clasificación de Compuestos Orgánicos por Solubilidad

“Clasificación de Compuestos Orgánicos por Solubilidad”

Marquez, Catalina

Olivares, Deliz

Laboratorio de Orgánica III, Departamento de Química

Universidad Tecnológica Metropolitana

Fundamentación Teórica

Cuando un compuesto (soluto) se diluye en un disolvente, las moléculas de aquel se separan y quedan rodeadas por las moléculas del disolvente (solvatación). En éste proceso las fuerzas de atracción intermoleculares entre las moléculas del soluto, son sobrepasadas, formándose nuevas interacciones moleculares más intensas entre las moléculas del soluto y las del disolvente; el balance de estos dos tipos de fuerzas de atracción determina si un soluto dado se disolverá en un determinado disolvente.

La solubilidad de una sustancia orgánica en diversos disolventes es un fundamento del método de análisis cualitativo orgánico desarrollado por Kamm, este método se basa en que una sustancia es más soluble en un disolvente cuando sus estructuras están íntimamente relacionadas, dentro de la solubilidad también existen reglas de peso molecular, ubicación en una serie homóloga y los disolventes que causan una reacción química como son los ácidos y las bases.

Independientemente de las causas de la disolución del compuesto que se investiga, se considera que hay disolución cuando 0,05g de la sustancia sólida o 0,1 ml de la sustancia líquida forman una fase homogénea a la temperatura ambiente con 3 ml de solvente

Factores que afectan la solubilidad: como la solubilidad de una sustancia en otra está determinada por el equilibrio de fuerzas intermoleculares entre el disolvente y el soluto, y la variación de entropía que acompaña a la solvatación, factores como la temperatura y la presión influyen en este equilibrio, cambiando así la solubilidad.

A menudo las características de solubilidad de un disolvente son fijadas por la polaridad de sus moléculas y las del soluto. En general, se dice que las moléculas semejantes disuelven a las semejantes por la similitud de sus estructuras y de sus fuerzas de interacción. Por ejemplo: la molécula no polar n-pentano, CH3 – CH2 –CH2 – CH2 - CH3 no se disolverá en un grado significativo en un disolvente polar como el agua, H2O.

La mayoría de los compuestos iónicos son solubles en agua, debido a la interacción ión – dipolo. Así, un ácido carboxílico, R-COOH, insoluble en agua, se puede transformar en una sal, R-COO-M, sódica o potásica, la cual es soluble en agua.

Análogamente, una amina, R –NH2, insoluble en agua se puede transformar en su sal de amonio, R-NH3 – X , soluble en agua. Por esta razón, la mayoría de los ácidos carboxílicos y de las aminas serán solubles en soluciones de hidróxido de sodio NaOH, al 10%, y de Ácido Clorhídrico HCl al 10% respectivamente.

Solubilidad en agua: Si la sustancia es soluble en agua, se puede deducir de ello la presencia de uno o mas grupos polares y/o que el compuesto tiene un peso molecular bajo. Si el producto es muy soluble en agua, es importante comprobar el pH de la solución con un papel indicador.

En general cuatro tipos de compuestos son solubles en agua, los electrolitos, los ácidos, las bases y los compuestos polares.

Los electrolitos, las especies iónicas se hidratan debido a las interacciones ión-dipolo entre las moléculas de agua y los iones.

El número de ácidos y bases que pueden ser ionizados por el agua es limitado, y la mayoría se disuelve por la formación de puentes de hidrógeno.

Las sustancias no iónicas no se disuelven en agua, a menos que sean capaces de formar puentes de hidrógeno; esto se logra cuando un átomo de hidrógeno se encuentra entre dos átomos fuertemente electronegativos, y para propósitos prácticos sólo el flúor, oxígeno y nitrógeno lo forman. Por consiguiente, los hidrocarburos, los derivados halogenados y los tioles son muy poco solubles en agua.

A medida que la cadena del compuesto se hace más larga, se hace menos soluble en agua. El agua es un solvente anfiprótico (puede aceptar o donar un protón, que sirven tanto como ácido y base de Bronsted-Lowry) y por lo tanto puede por ejemplo ionizar una amina dándole un protón o un ácido aceptando un protón del mismo. Estas reacciones se ilustran así:

Solubilidad en éter: En general las sustancias no polares y ligeramente polares se disuelven en éter. El que un compuesto polar sea o no soluble en éter, depende de la influencia de los grupos polares con respecto a la de los grupos no polares presentes. En general los compuestos que tengan un solo grupo polar por molécula se disolverán, a menos que sean altamente polares.

Solubilidad en hidróxido de sodio: Los compuestos que son insolubles en agua, pero que son capaces de donar un protón a una base diluida, pueden formar productos solubles en agua. Ejemplo: El ácido benzoico no es soluble en agua a temperatura ambiente, pero si se agita el ácido benzoico sólido con una solución diluida de hidróxido de sodio, el sólido se disuelve progresivamente. Esto se debe a que se ha transferido un protón del grupo carboxilo al ión hidroxilo. Esta reacción química produce agua y benzoato sódico, este posee un enlace iónico entre el oxigeno del carboxilato y el ión sodio, es una sal, y como la gran mayoría es soluble en agua.

Solubilidad en bicarbonato de sodio: El concepto de acidez es relativo, y un compuesto es ácido o básico en comparación con otro. Los ácidos orgánicos se consideran ácidos débiles, pero dentro de ellos se pueden comparar entre menos o más débiles en comparación con el ácido carbónico. La solubilidad en bicarbonato dice que la sustancia es un ácido relativamente fuerte.

Solubilidad en ácido clorhídrico diluido: La mayoría de las sustancias solubles en agua y solubles en ácido clorhídrico diluido tienen un átomo de nitrógeno básico. Las aminas alifáticas son mucho más básicas que las aromáticas, dos o más grupos arilos sobre el nitrógeno pueden cambiar las propiedades de la amina por extensión, haciéndolas insolubles en el ácido. Este mismo efecto se observa en moléculas como la difenilamina y la mayoría de las nitro y polihaloarilaminas.

El ejemplo más común de compuestos que pueden aceptar protones con facilidad y formar sales solubles en agua lo constituyen las aminas. Las aminas pertenecen a tres clases: primarias, secundarias y terciarias. En todas ellas encontramos un átomo de nitrógeno con un par de electrones no compartido que puede aceptar un protón procedente del medio ácido. Esta transferencia protónica conduce a una sal de amonio soluble en agua.

En la ecuación siguiente se ilustra el proceso:

Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado: Este ácido es un donador de protones muy efectivo, y es capaz de protonar hasta la base más débil. Tres tipos de compuestos son solubles en este ácido, los que contienen oxígeno excepto los diariléteres y los perfluoro, los alquenos y los alquinos, los hidrocarburos aromáticos que son fácilmente sulfonados tales como los isómeros meta di sustituidos, los trialcohil-sustituidos y los que tienen tres o más anillos aromáticos. Un compuesto que reaccione con el ácido sulfúrico concentrado, se considera soluble aunque el producto de la reacción sea insoluble.

Algunas veces al ensayar la solubilidad de un compuesto orgánico en ácido sulfúrico concentrado, el compuesto reacciona y se transforma en un producto insoluble. Por ejemplo, una olefina RCH=CHR; puede producir un polímero insoluble, y un alcohol, ROH, puede deshidratarse a una olefina, R–CH=CH-R, que a su vez se transforma en un polímero insoluble. Todos los compuestos que presentan este comportamiento se clasifican como solubles en el reactivo.

Los compuestos orgánicos se han clasificado en grupos bastantes definidos, según su solubilidad en diferentes disolventes; estos grupos son:

GRUPO S1: ácidos soluble en agua.

Compuestos monofuncionales de bajo peso molecular, tales como ácidos carboxílicos, fenoles, esteres, aldehídos, alcoholes, cetonas, aminas, anhídridos, nitrilos,lactonas (éster

cíclico)

GRUPO S2:

Contienen solamente: C,H y O: ácidos dibásicos y polibásicos, ácidos hidroxílicos,

polihidroxifenoles, polihidroxialcoholes.

Contienen metales: sales de ácidos y fenoles, compuestos metálicos varios.

Contienen Nitrógeno: sales aminadas de ácidos orgánicos, aminoacidos, sales de amonio,

amidas, aminoalcoholes, semicarbacidas (compuestos de hidracina, contaminante de alimentos),

urea.

Contienen Halógenos: ácidos halogenados, aldehídos o alcoholes halogenados, haluros de ácido.

Contienen Azufre: ácidos sulfonicos, mercaptanos (del latin mercurius captans “capturado por

mercurio”, es un compuesto sulfurado), ácidos sulfinicos

Contienen Nitrógeno y Halogeno: sales de amina de ácidos halogenados.

Contienen Nitrógeno y Azufre: ácido amino disulfinicos, ácido ciano-sulfonicos, ácido nitro-

sulfonicos bisulfatos de bases débiles

GRUPO A1: ácidos fuertes

Contiene C,H y O: ácidos y anhidridos (generalmente de 10 carbonos o menos y

forman soluciones coloidales jabonosas)

Contiene Nitrógeno: aminoacidos, nitracidos, cianoacidos, acidos carboxilicos con N

heterociclicos, polinitro fenoles

Contiene Halógenos: haloacidos, poli-halo-fenoles

Contiene Azufre: ácidos sulfonicos, ácidos sulfinicos.

Contiene Nitrógeno y Azufre: ácidos aminosulfonicos, nitrotiofenoles, sulfato de bases débiles.

Contiene Azufre y Halógenos: sulfonamidas

GRUPO A2: ácidos débiles

Contiene C,H y O: ácidos (de alto peso molecular y forman jabones), anhidridos,

fenoles sin sustitución, esteres de ácidos fenolicos, enoles.

Contiene Nitrógeno: aminoacidos, nitrofenoles, amidas, aminofenoles,compuestos anfoteros,

cianofenoles, imidas, N-monoalquilaminas aromaticas, hidroxilaminas N-sustituidas, oximas,

nitroparafinas, hidrocarburos trinitoaromaticos, ureidos.

Contiene helogenos: helofenoles

Contiene Azufre: mercaptanos (tioles), tiofenoles

Contiene Nitrógeno y Halógenos: hidrocarburos aromaticos polinitrohalogenados, fenoles

sustituidos.

Contiene Nitrógeno y Azufre: amino sulfonamidas, ácidos amino sulfonicos, aminotiofenoles,

sulfonamidas, tioamidas

GRUPO B: Compuesto básicos

Aminas alifáticas de alto peso molecular. Aminas aromáticas, excepto aquellas con más de un anillo aromático, o con un anillo aromático con sustituyentes atractores de electrones. Hidracinas y oximas de alto peso molecular,compuestos anfoteros como aminotiofenoles, aminosulfonamidas

GRUPO N: Hidrocarburos no saturados, alquenos y alquinos. Muchos compuestos débilmente básicos y de alto peso molecular, tales como aldehídos, cetonas, esteres, anhídridos, alcoholes, éteres o acetales.

Algunos hidrocarburos aromáticos muy alquilados. Nitrocompuestos ( terciarios). Nitroso, azo, hidrazo y otros compuestos intermedios de la reducción de nitrocompuestos. Nitrilos. Sulfonamidas de aminas secundarias. Sulfonas. Otros compuestos que contienen azufre.

GRUPO I: Compuestos neutros

Hidrocarburos alifaticos aciclicos y cicloalcanos; La mayoria de los hidrocarburos aromaticos; Derivados halogenados,Éteres diarílicos.

GRUPO M: Contiene Nitrógeno: anilidas y toluididas, amidas, nitroarilaminas,

nitrohidrocarburos, aminofenoles, azo, hidrazo y azoxi compuestos, di y triarilaminas,

dinitrofenilhidracinas, nitratos nitrilos

Contiene Azufre: mercaptanos, N-dialquilsulfonamidas, sulfatos, sulfonatos, sulfuros,

disulfuros, sulfonas, tioesteres, derivados de la tiourea

ESQUEMA DE CLASIFICACIÓN DE SOLUBILIDAD

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

En este laboratorio comprobaremos la solubilidad de algunos compuestos orgánicos en distintos disolventes, para luego clasificarlos en los grupos correspondientes, para esto, nos guiaremos con el esquema de solubilidad ya propuesto.

Se añaden en tubos de ensayos 0.1 mL ( 2 a 3 gotas) o 0.05 g (punta de espátula), según corresponda el estado del patrón ( sólido o liquido).

Despues se agregan 3 mL de agua y se observa si es soluble o no, luego se prueba con el siguiente reactivo (siguiendo esquema de solubilidad)

Se observa el resultado y se define en algún grupo según su solubilidad

Objetivo