Fenoles y Polimeros

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  • FENOLES NomenclaturaLos fenoles son derivados hidroxilados de los compuestos aromticos. La nomenclatura de fenol es un nombre comn aceptado por la nomenclatura internacional IUPAC. Existen compuestos monohidroxilicos, es decir compuestos que contienen un grupo hidroxilo y compuestos polihidroxilicos, es decir compuestos con ms de un grupo hidroxilo.

  • Los compuestos sustituidos con un grupo hidroxilo se nombran como derivados del fenol y la numeracin del anillo comienza en el carbono sustituido con el grupo hidroxilo y contina en de tal forma que los sustituyentes tengan el nmero mas bajo posible. Por ejemplo:

  • Sin embargo, el compuesto III se nombra como un cido, porque el grupo carboxilo es superior al grupo hidroxilo en la nomenclatura IUPAC. Los derivados polihidroxilicos del benceno se pueden nombrar derivados 1,2 o 1,3 o 1,4-bencenodiol o 1,2,4-bencenotriol. Sin embargo se pueden utilizar nombres comunes por ser aceptados por IUPAC.

  • Los nombres en parntesis son nombres comunes aceptados por IUPAC.Los grupos carbonilo, acilo, sulfonilo al igual que el grupo carboxilo tienen preferencia en la nomenclatura IUPAC:

  • Sntesis- Un mtodo industrial de sntesis del fenol y sus derivados consiste en la fundicin del cido bencensulfnico con hidrxido de sodio o potasio, obtenindose el fenolato sdico o potsico, que por hidrlisis en medio acido nos da el fenol o su derivado:

  • Otro mtodo industrial de sntesis del fenol o sus derivados sustituidos es el proceso llamado `` Dow`` que consiste en el tratamiento del cloro benceno con hidrxido de sodio a temperatura y presin altas:

  • Hidrlisis de sales de diazonio, es un mtodo de sntesis utilizado en laboratorio y se realiza a partir de aminas:

  • Propiedades fsicas

    Los fenoles monohidroxilicos son compuestos slidos cristalinos que presenta un aroma fuerte y caracterstico. Se pueden destilar a la presin atmosfrica, son poco solubles en agua, pero solubles en alcoholes y teres. La densidad es mayor que la del agua. Los puntos de ebullicin y fusin son mayores que la de los arenos de peso molecular comparable, debido a la presencia del grupo hidroxilo, cual permita la formacin de puentes de hidrgeno.

  • Propiedades qumicas1. Acidez

    Los fenoles presentan una constante de ionizacin alrededor de 10-10 que significa que es menor que la de los cidos carboxlicos cuya constante Ka es alrededor de 10-5, pero mayor que la de los alcoholes, que tiene la constante Ka alrededor de 10-16. La explicacin de la acidez mayor comparada con los alcoholes consiste en que el equilibrio de la reaccin del fenol con agua es desplazado en el sentido derecho, debido a la estabilidad creciente del ion fenxido por efectos de conjugacin del ion fenxido con los electrones pi del anillo aromtico:

  • C6H5OH + H2O === C6H5O- + H3O+Los fenoles forman sales con hidrxido de sodio en solucin acuosa: H2O C6H5OH + NaOH ------- C6H5O- Na+ + H2O Fenxido de sodio Los fenxidos alcalinos se pueden transformar en teres al ser tratados con haluro de alquilo:

  • C6H5O- Na+ + CH3I -- C6H5-O-CH3 + NaI Grupo hidroxilo unido al anillo bencnico no se puede eterificar directamente por calentamiento con alcoholes en presencia de catalizadores cidos, as como ocurre con los alcoholes.Los steres de los fenoles se obtienen calentando los fenoles con cloruro de acilo:

  • C6H5OH + CH3COCl ---------- C6H5O-CO-CH3 + HCl Cloruro de acetilo Acetato de fenilo La presencia de una amina terciaria como la piridina acelera la reaccin.

  • 2. Sustitucin electroflica aromtica

    El grupo hidroxilo e incluso el ion fenxido son fuertemente activantes y orientadores orto para. Por lo tanto la monosustitucin electroflica requiere condiciones moderadas debido a que su alta reactividad favorece tanto la polisustitucin como la oxidacin.

  • 2.1 HalogenacinTanto la bromacin como la cloracin del fenol en solventes polares no necesita catalizador:

  • Si la reaccin de bromacin tiene lugar en presencia del fenxido de sodio en lugar del fenol, se obtiene instantneamente un precipitado blanco, llamado 2,4,6-tribromofenol. Esta reaccin es cuantitativa y sirve para la dosificacin del fenol. En presencia de un solvente orgnico no polar se pueden obtener derivados monohalogenados del fenol.

  • NitracinLa reaccin de nitracin se efecta con cido ntrico diluido a bajas temperaturas:

  • Sulfonacin

  • Si se calienta a la temperatura de 100C la mezcla del cido orto- y para-hidroxisulfnico, el ismero orto se transforma en derivado para - hidroxisulfnico.

  • 2.4 NitrosacinEsta reaccin se realiza a bajas temperaturas debido a la inestabilidad del ion nitrosonio y se obtiene mas el ismero para, que a su vez se puede tautomerizar hasta una oxima

  • Alquilacin Esta reaccin se realiza entre el fenol y alqueno o alcohol en presencia del cido sulfrico o cido fluorhdrico,. que actan como catalizadores.

  • Acilacin de Friedel-Crafts Esta reaccin se realiza entre el fenol y cloruro de acilo en presencia del cloruro de aluminio, que acta como catalizador.

  • Reaccin de acoplamiento con sales de diazonioEl fenol puede dar una reaccin de acoplamiento con la sal de diazonio, cual acta como un electrfilo dbil:

  • Reaccin de carboxilacin del fenol (Kolbe - Schmitt) El fenxido sdico se calienta con dixido de carbono bajo presin y a 125C para dar salicilato sdico, que por hidrlisis en medio acido se produce el cido saliclico.

  • El cido saliclico a su vez puede reaccionar con anhdrido actico, obtenindose el cido o-acetilsaliclico (aspirina).

  • 11.4.4 Fenoplastos BaquelitaEl fenol se condensa con el formaldehdo en presencia de un lcali diluido y se obtiene una mezcla de alcoholes orto y para hidroxibenclicos.

  • Con un exceso de aldehdo, en el anillo aromtico entran dos o tres grupos hidroximetlicos:

  • Los alcoholes hidroxibenclicos en presencia de una base o el cido clorhdrico reacciona con otra molcula de fenol, produciendo dihidroxi-difenilmetano, que a su vez continua la reaccin de condensacin con otras molculas de fenol y formaldehdo produciendo al final un polmero reticulado llamado baquelita., que es una resina fenol-formaldehdo.

  • PolmerosUn polmero es una sustancia cuyas molculas forman cadenas largas, por lo comn de varios millares de tomos de longitud. La palabra polmeros significa muchas unidades. Los polmeros tienen ciertas caractersticas y difieren uno del otro por la naturaleza qumica y fsica de sus unidades repetitivas en las cadenas. En la actualidad el inters principal lo tiene los polmeros sintticos.

  • El trmino polmero engloba una extensa variedad de materiales tanto naturales como sintticos y se pueden incluir la celulosa, el almidn, las protenas, las pieles, el algodn, fibras sintticas basadas en polisteres y poliamidas, los plsticos, los cauchos, las pinturas, los adhesivos, etc.

  • Los polmeros en su mayora son sintticos y sus usos quiz mas que los materiales mas conocidos como la madera y los metales. La mayora de los polmeros se sintetiz debido a la demanda de productos con propiedades nuevas y mejoradas.

  • ClasificacinLos polmeros sintticos fabricados en la industria qumica son de cuatro tipos: plsticos, resinas, fibras y elastmeros.Los plsticos son polmeros que pueden fluir y moldearse a temperaturas relativamente altas y una cierta presin y sirven para la fabricacin de bolsas, botellas, material elctrico, aislantes elctricos o trmicos, objetos domsticos, imitacin de cueros para tapiceras, , piezas para coches, ruedas dentadas, mangueras, tubos, etc.

  • Las macromolculas de plsticos son lineales, con monmeros que se repiten en una forma ordenada, como por ejemplo el polietileno, policloruro de vinilo, poliuretanos, etc. Las resinas son polmeros que no son moldeables en su estado final. Sus molculas no son lineales son reticulares porque la polimerizacin ocurre en varios direcciones.

  • La baquelita es una resina fenol-formaldehdo que se prepara en dos fase. En primera fase se obtiene un producto de polimerizacin de bajo peso molecular., que no tiene mucha resistencia mecnica pero resiste al calor y es un buen aislante elctrico y se puede sintetizar en medio acido o bsico.

  • En el procedimiento bsico se mezcla fenol y formaldehdo en proporcin 1:1 donde el formaldehdo est en una solucin bsica de 40% de hidrxido de sodio. Se calienta la mezcla de los tres componentes hasta que comienza la reaccin, despus de lo cual se enfra para evitar una reaccin muy violenta. El lquido viscoso obtenido se separa del agua bajo vaco a 80C, obtenindose por enfriamiento una masa vidriosa, amarilla o de color oscura, fcil de pulverizar. Esta resina llamada baquelita A, se funde a 70 -100C y es soluble en acetona. Al calentarse por unos cuantos minutos a una temperatura alta de 150C, la resina se solidifica, transformndose irreversiblemente en el producto final llamado baquelita

  • C. Esta no se funde por calentamiento ( a temperatura mayor de 300C, se carboniza sin que se funde y no se disuelve en ningn solvente). Existe tambin la baquelita B que no es completamente soluble pero es termoplstico. Prcticamente la baquelita A finamente pulverizada con materiales de rellenos como el aserrn, asbesto, sulfato de bario y colorantes se puede conservar. Al ser comprimidos en moldes precalentados se obtienen los productos finales como ruedas dentadas materiales aislantes elctricos, etc.

  • En el procedimiento con catalizador de cido sulfrico en baja proporcin se obtiene una resina llamada Novolaca soluble y moldeable pero no se endurece por calentamiento y se puede utilizar en la fabricacin de barnices y pinturas.

  • Las fibras sintticas son polmeros lineales que tienen propiedades para hilarse formndose haces de molculas largas, paralelas, con intensas fuerzas intermoleculares que le dan resistencia.El nylon es una fibra de poliamida. Por ejemplo en el caso del nylon 6,6 se obtiene por luna reaccin de polimerizacin por condensacin a partir del acido adipico con 1,6.hexanodiamina. El calentamiento se hace a la temperatura de 220C y se obtienen macromolculas filiformes de tipo siguiente:

  • Nylon 6,6El peso molecular puede llegar hasta 15000. La masa fundida se hila y la fibra obtenida se estira por mtodos mecnicos hasta obtener macromolculas filiformes. Entre los grupo CO y NH de las cadenas paralelas vecinas se establecen puentes de hidrogeno semejantes a la fibras de protenas naturales como la seda. Debido a estos puentes, las fibras de nylon obtienen una resistencia mecnica muy grande.

  • El polister mas conocido es el polietielentereftalato (PET) que se obtiene por la reaccin de polimerizacin por condensacin entre tereftalato de dimetil con etilenglicol.Las macromolculas filiformes obtenidas tiene un peso aproximado de 13000 y por su estiramiento se obtienen fibras resistente que reemplaza la lana, tambin se utilizan para la obtencin de envases y botellas transparentes, siendo competidores de los envases de vidrio para envasar agua, gaseosas. Sin embargo no se pueden utilizar en el envasado de las cervezas Otro uso del PET es en la fabricacin de filmes de fotografas, cintas magnticas de audio y vdeo o disco magntico.

  • Los elastmeros o cauchos son materiales elsticos que se estiran con poca tensin y recuperan su tamao original al cesar sta. Permiten alargamientos grandes, pero no resisten tanto a la compresin. La elasticidad es opuesta a la cristalinidad de los polmeros y sta es mayor cuando las molculas son uniformes y se pueden empaquetar mejor. Los cauchos se clasifican como naturales y sintticos y los ltimos se subdividen de acuerdo con su tipo qumico o su uso, por ejemplo, resilientes, pirorretardadores, resistentes a los aceites, etc.

  • El caucho natural es poliisopreno: Donde n = 500-5000Tiene excelentes propiedades de resiliencia y baja histresis. Este caucho, siendo de baja histresis se usa en las paredes neumticos de automvil, donde la baja absorcin de energa evita el calentamiento cuando se flexiona las paredes. Por otro lado se usan cauchos de alta histresis para los neumticos en contacto con el suelo donde

  • propiedades de baja resiliencia y de absorcin de energa reducen el rebote y de esta manera ayudan a que se adhiera la llanta a la carretera. Los cauchos sintticos mas conocidos son el caucho butadienestirnico es un copolmero de estireno y butadieno. Las proporciones de estireno y butadieno varan con diferentes propsitos, en general 23 % de estireno y 77% de butadieno. Este es un caucho de alta histresis y se utiliza en la parte en contacto con el suelo de las llantas de automvil.

  • El caucho cloroprnico ms conocido como los neoprenos que fabrica DuPont. Su estructura es la siguiente:La presencia del cloro los hace autoextinguibles, lo que justifica su uso en bandas transportadoras de minas de carbn. Tiene una resiliencia moderada y alguna resistencia a los aceites. El caucho nitrlico es un copolmero de acrilonitrilo y butadieno. Es el que mas resiste a los aceites. Su estructura es:

  • Para transformar los cauchos en productos de mayor resistencia mecnica y mas ms constante a temperaturas altas y bajas, se le hace reaccionar con el azufre segn el proceso de vulcanizacin. Al calentar caucho con azufre se producen enlaces cruzados. La estructura reticular mejora las propiedades del caucho ya que aumenta la resistencia mecnica, eleva la temperatura de reblandecimiento y mejora la elasticidad porque al cesar la fuerza de estiramiento o compresin, los enlaces cruzados hacen recuperar la longitud inicial y las piezas de caucho no se deforman. En la vulcanizacin se utilizan proporciones bajas de azufre (
  • Otros aditivos que usan son ZnO y cido esterico, que mejoran la accin de los aceleradores y su miscibilidad con el caucho, antioxidantes, para cortar el envejecimiento por oxidacin de los dobles enlaces; negro de humo para aumentar la resistencia a la abrasin y rellenos inertes para abaratar los costes. La mezcla de crep, azufre y los dems ingredientes se hace en potentes amasadoras de cilindros o de palas que ablandan el producto y dan una mezcla homognea; la vulcanizacin se hace en moldes a 200C.

  • Problemas propuestos y solucionados.11.7.1 - Complete las siguientes reacciones, indique el tipo de reaccin y nombre los productos finales: CO2, NaOH CH3CH2Cl a) Fenol --------------- A ----------- B + C T,P altas 1)NaOH HNO32,4-dinitroclorobenceno ---------- D -------- E b)H3O+ H2SO4 HNO3, Fe/HCl NaNO2, HCl, 0C Resorcinol c) Catecol ----- F ------- G ------------------ H -------------- J H2SO4

  • 1) NaOH CH3COCl d) p-nitroclorobenceno -------- L ----------- M + N 2) H3O+, Solucin: a) Primer paso es una reaccin de Kolbe, seguido por una reaccin de eterificacin.

  • b) Primer paso es una reaccin de sustitucin nucleofilica aromtica, seguido por una reaccin de S.E.A.

  • c) Los pasos de las reacciones son los siguientes: -Sustitucin electroflica aromtica, seguido por reduccin del grupo nitro y por ltimo una reaccin de acoplamiento entre un derivado fenlico y una sal de diazonio.

  • d) Primer paso es una reaccin de sustitucin nucleoflica aromtica, seguido por una reaccin de esterificacin del grupo hidroxilo.

  • 11.7.2.- Sintetice el compuesto 3-bromo-4-metil-fenol a partir del tolueno. Solucin: Los pasos de las reacciones se indican a continuacin:

  • Cap. XII. Quinonas, colorantes ftalenicos. Sntesis. Colorantes naturales.

  • QUINONASPor oxidacin de los polifenoles orto y para hidroxibenceno se obtienen quinonas.Por ejemplo:

  • Los agentes de oxidacin ms comunes son el bicromato de potasio en presencia del cido sulfrico. La reduccin de las quinonas en hidroquinonas se realizan mediante reactivos con tetrahidruro de borosodio ( NaBH4) y cloruro de estao (SnCl2).

  • Esta propiedad redox de las quinonas es importante para el funcionamiento de las clulas vivas, donde compuestos llamados ubiquinonas actan como agentes oxidantes bioqumicos para mediar en los procesos de transferencia de los electrones que participan en la produccin de energa. Las ubiquinonas, llamadas tambin Coenzimas Q son componentes de las clulas de todos los organismos aerobios, desde la bacteria ms simple hasta los humanos. Su estructura es la siguiente:

  • La funcin de las ubiquinonas dentro de las clulas es mediar el proceso de respiracin en que se transporta a los electrones del agente reductor biolgico al oxigeno molecular.La hidroquinona es materia prima para colorantes. Por su poder reductor se utiliza en fotografa en blanco y negro como revelador; reduce el bromuro de plata activado por la luz, en plata metlica que ennegrece el negativo.

  • Las Quinonas son compuestos coloreados cuya coloracin puede variar desde el amarillo hasta rojo, verde, azul o negro. Las quinonas se subdividen a su vez en benzoquinonas, naftoquinonas, antraquinonas y quinonas isoprenoides y son utilizados en industria de colorantes y tienen propiedades tintreas. Se utilizan como colorantes para mordientes, siendo la mas conocida la alizarina, que posee la propiedad poligentica, es decir da diferentes colores con distintos mordientes. As por ejemplo con un mordiente de aluminio da color rojo claro, de cromo da color violeta parduzco, de hierro ferroso da color violeta negrusco.

  • .En la naturaleza se encuentran muchas quinonas tanto en las plantas como en los animales. El carmn ( cido carmnico) se extrae de la cochinilla que parasita las chumberas:

  • La juglona se encuentra en la corteza carnosa de las nueces. Tie la piel.

  • COLORANTES FTALEINICOSLos colorantes ftalenicos se obtiene por la reaccin de condensacin entre el anhdrido ftlico con varios tipos de fenoles.Fenolftalena se prepara por la condensacin entre el anhdrido ftlico y el fenol en presencia del cido sulfrico o cloruro de zinc a 120C:

  • Fenoftalena forma cristales incoloros, insolubles en agua y solubles en alcohol. En presencia de bases alcalinas en pH de 8,4 el color vira hacia rojo-violeta, porque la estructura lactnica se transforma en estructura quinnica. El grupo carbonlico, y carboxilato dan color a la fenolftalena.

  • La Fenolftalena se usa como purgante y como indicador acido base.Otras ftalenas que se usan como indicadores son el timolftalena, cresolftalena y naftoltalena que se obtiene por la condensacin del anhdrido ftlico con el cresol, timol y el alfa-naftol respectivamente. En el caso del timolftalena el intervalo de viraje del pH es de 9,3 -10,5, el color en medio cido es incoloro y en medio bsico es azul. En el caso de la naftoftalena, el intervalo de viraje es de 7,8 -9,0 y el cambio del color es de rojo pardusco hasta azul-verde.

  • Fluorescena se obtiene por la condensacin del anhdrido ftlico con el resorcinol en presencia del cloruro de zinc a 200C. En forma lactnica la fluorescena tiene un color amarillo, mientras en medio bsico tiene color amarillo- rojo con fluorescencia verde intenso. Esta propiedad hace que se use en la determinacin de los cursos de los ros subterrneos.

  • - Naftoltaleina se obtiene por la condensacin del anhdrido ftlico con el Naftol en presencia del cido sulfrico y calor ( 200C) o en presencia del cloruro de zinc y calor:

  • Alizarina, se obtiene por la condensacin del anhdrido ftlico con pirocatecol en presencia de cido sulfrico y calor.A diferencia de las dems reacciones de condensacin en esta reaccin participa una molcula de anhdrido y una molcula de pirocatecol. Este colorantes es un colorante quinnico.

  • Alizarina forma cristales rojo-anaranjados, con el punto de fusin de 290C. Es insoluble en agua y solubles en disolventes orgnicos comunes. En solucin acuosa alcalina se disuelve formando un color rojo prpura.Alizarina al mezclarse con mordiente de aluminio da una coloracin rojo vivo, con mordientes de cromo violeta- bruno, con mordientes de estao violeta rojo y con mordientes ferrosos negro-violeta.

  • Quinizarina, se obtiene por la condensacin del anhdrido ftlico con hidroquinona en presencia de cido sulfrico y calor.Al igual que la alizarina en la condensacin participa una molcula de anhdrido y una molcula de hidroquinona. Este colorantes es un colorante quinnico:

  • Colorantes naturalesLos colorantes naturales se conocen desde tiempos antiguos y se han utilizado en teido de las fibras de lana, algodn o seda.12.3,1 Los carotenos estn muy extendidos en la naturaleza. Los primeros se obtuvieron de la zanahoria. Se encuentra en las hojas , en frutos( tomate, pimiento, naranjas, melocotones, etc), flores (pistilos de azafrn) tejidos animales (yema de huevo, caparazn de langostas .Los carotenoides son derivados oxigenados de los hidrocarburos carotenos.

  • Los carotenoides son derivados oxigenados de los hidrocarburos carotenos.Los carotenos ms comunes son el -caroteno, -caroteno y -caroteno y licopeno, cuyas estructuras son las siguientes:

  • El licopeno tiene una estructura lineal, mientras que los alfa y beta carotenos tienen estructuras bicclicas y el gama caroteno estructura monocclica.El licopeno se extrae del tomate y cristaliza en agujas de color rojo vivo. Los alfa, beta y gama carotenos tiene tonalidades de naranjas, de los cuales el mas abundante es el beta caroteno.12.3.2 Los carotenoides son derivados oxigenados de los carotenos y existen en la naturaleza en forma de alcoholes, aldehdos y cetonas, cidos o steres.

  • Por ejemplo el criptoxantina es una xantofila monohidroxilada derivada del beta caroteno de estructura:

  • Se encuentra en la papaya, maz, naranja, hojas, etc.12.3.3 Las antocianinas se encuentran en las flores y frutos. En los ptalos de las flores se encuentran mas de una antocianina y sus colores varan desde rojos hasta azules.Las antocianinas son glucsidos cuyas geninas, llamadas antocianidinas, son derivados del 2-fenilbenzopirilio (flavilio):

  • Existen tres tipos importantes de antocianidinas que difieren en el nmero y la posicin de los sustituyentes de hidroxilo. Por ejemplo el cloruro de pelargonidina derivado que contiene cuatro grupos hidroxlicos situados en la posicin 3,5,7 y 4`:

  • Las antocianinas son solubles en agua e insolubles en ter, benceno o cloroformo, siendo compuestos inicos. Para aislar el pigmento se extrae del material vegetal con una solucin alcohlica y cida; por adicin de ter al extracto se precipita el cloruro de antocianina.

  • Un derivado de la antocianina es la pelargonina, colorante que se encuentra en las flores de geranio:

  • El achiote es el nombre comn para la especie Bixa orellana L., pequeo arbusto indgena de la zona subtropical andina y latinoamericana.; su fruto contiene una capsula cuya semilla contiene un colorante rojizo llamado bixina que se usa en industria textil y en la cermica y como repelente de insectos. En el Per se cultiva en las zonas de Amazonas, Cuzco.

  • La bixina es un ster monometlico del cido 6,6`-diapo-, -carotenoide, de frmula molecular C25H30O4, insoluble en agua, ligeramente soluble en aceite y de color naranja a prpura.La norbixina ( C24H28O4) es un ismero de la bixina. Sus estructuras son las siguientes:

  • La bixina se utiliza para coloracin amarillenta de la mantequilla, queso, cakes, galletas, cereales., en general para alimentos.La betarraga, Beta vulgaris L., ha sido cultivada por cientos de aos en climas templadas. Su raz es una fuente excelente de color debido a su contenido de pigmentos rojos (betacianina) y pigmentos amarillos (betaxantinas). En el Per se cultiva en Lima y Junn. El color rojo de la betarraga se debe a la betanina roja y ala vulgaxantinas, amarilla: