Chimica organica in fiala: gli esteri della frutta
Chimica
Classi: 2° biennio
-
Strumentazione di base
Esperimento
1 h
Min. 3
persone
Nessuna
Riassunto / Abstract
La sintesi di un estere a partire da un acido carbossilico e da un alcool è una delle reazioni classiche della Chimica Organica (Esterificazione di Fisher). La reazione però è lenta e richiede un prolungato riscaldamento a ricadere. Utilizzando piccole bottigliette di vetro con tappo dotato di guarnizione in teflon (fiale o vials) e un semplice bagnomaria, si elimina la necessità di apparecchiature costose, si risparmia nell’uso dei reagenti e soprattutto si accorciano i tempi di lavoro. L’esperimento richiede un tempo-laboratorio di circa 1 ora e la semplicità delle procedure rende possibile l’esecuzione dell’attività da parte degli stessi studenti, anche se non particolarmente esperti nelle tecniche di laboratorio chimico.
Scheda sintetica delle attività
Realizzazione della sintesi diretta di un estere per reazione acido-catalizzata tra un acido carbossilico (acido acetico) e un alcool (alcol isoamilico).
Risorse necessarie
Reagenti chimici e Materiali
alcool isoamilico (3-metil-1-butanolo);
acido acetico glaciale;
$H_2SO_4$;
$H_2O$;
$Na_2CO_3$ al 10%;
bagnomaria;
piastra elettrica con retina spargifiamme;
becher da 400 ml;
filo di rame lungo circa 25 cm;
1 fiala da reazione da 4 mL con tappo a vite (figura 1);
bagno di ghiaccio;
becher da 100 ml;
ghiaccio tritato;
cilindro da 10 mL;
1 provetta;
micropipetta usa e getta (figura 1).
Figura 1: fiala con tappo a vite e micropipette
Prerequisiti necessari
Saper usare la strumentazione di base del laboratorio di chimica;
possedere le conoscenze di base relative alla solubilità delle sostanze;
possedere le conoscenze di base sui catalizzatori;
conoscere il concetto di equilibrio chimico e di reversibilità degli equilibri;
possedere le conoscenze di base su acidi carbossilici, alcoli ed esteri.
Obiettivi di apprendimento
Comprendere i principi base dei meccanismi di reazione in chimica organica (concetto di nucleofilo ed elettrofilo);
comprendere le reazioni di sostituzione nucleofila dei composti acilici;
riconoscere le differenti proprietà di acidi, alcoli ed esteri;
acquisire la consapevolezza della varietà di sostanze chimiche prodotte nel mondo naturale e riconoscerne il ruolo, la complessità e la varietà;
acquisire la consapevolezza della molteplicità di composti che si possono ottenere per sintesi e del loro uso in prodotti comuni (Everyday Chemistry).
Dotazioni di sicurezza
Indossare sempre occhiali protettivi, guanti e camice.
L’acido acetico è corrosivo per la pelle ed i tessuti, è moderatamente tossico per ingestione (DL50 3310 mg/kg) ed ha un moderato rischio di infiammabilità.
L’alcool isoamilico è infiammabile, i vapori sono moderatamente tossici (DL50 1870 mg/kg) ed irritanti e va dispensato sotto cappa aspirante.
L’acido solforico è altamente corrosivo per la pelle e gli occhi; se si vuole far operare direttamente gli studenti, si suggerisce di dispensarne una piccola quantità in una provetta posta sotto la cappa aspirante e di vigilare sul loro operato.
Smaltimento dei rifiuti: le soluzioni acquose residue e le acque di lavaggio possono essere smaltite versandole nel lavandino con un eccesso di acqua. Il prodotto, l’isoamilacetato, va smaltito tra nel contenitore dei rifiuti organici non alogenati. Non permettere agli studenti di portarsi a casa il prodotto: esso non è puro e un uso improprio è sempre potenzialmente pericoloso.
Svolgimento
Introduzione
Gli acidi carbossilici sono molto diversi dagli acidi inorganici. Una importante differenza è la grande varietà di reazioni a cui essi possono essere sottoposti per formare nuove classi di composti organici. Come gli acidi inorganici anche gli acidi carbossilici reagiscono con le basi con produzione di sali, ma essi reagiscono anche con gli alcoli con formazione di esteri.
Gli esteri organici sono ampiamente distribuiti in natura sotto forma di cere, olii, aromi e fragranze. Molti degli olii vegetali alimentari (ad esempio l’olio di mais, di soia, e di oliva) sono costituiti da miscele di triesteri del glicerolo (trigliceridi).
In natura si trovano anche esteri con basso peso molecolare che sono responsabili di molte delle fragranze e dei piacevoli profumi della frutta e dei fiori. Molti esteri organici sono anche prodotti per sintesi e usati come aromi artificiali, profumi e polimeri. Per esempio il n-pentil acetato ha odore di ananas e l’isoamilacetato ha odore di banana matura. Questi esteri possono essere aggiunti a drink aromatizzati alla frutta, a caramelle o ad un profumatore per ambienti per aromatizzare l’aria. Il poliestere è un altro estere usato come fibra sintetica per fabbricare tessuti, tappeti e bottiglie.
In questo esperimento, l’alcool isoamilico (3-metil-1-butanolo) reagisce con l’acido acetico per formare isoamil acetato e acqua. Questo tipo di reazione, dove un alcool viene fatto reagire con un acido, è la più importante via di preparazione di esteri ed è chiamata esterificazione di Fisher. L’esterificazione di Fisher è una reazione di equilibrio, perché ciascun passaggio è reversibile. Se si è in presenza di un eccesso di acqua l’equilibrio si sposterà indietro verso l’acido e l’alcool, in presenza di un eccesso di alcol, invece, l'equilibrio si sposterà verso la formazione dell'estere. In alcune procedure, l’acqua viene rimossa dalla reazione per spostare ulteriormente l’equilibrio verso i prodotti. La reazione procede attraverso diversi passaggi, come descritto nello schema di figura 2. Figura 2: meccanismo della reazione di esterificazione diretta
Il primo passaggio è la protonazione dell’ossigeno carbonilico, resa possibile dalla presenza dell’acido solforico (catalisi acida). Ciò aumenta l’elettrofilicità del carbonio carbonilico e quindi la sua reattività nei confronti dei nucleofili.
Il passaggio cruciale per la reazione è il secondo. L’alcool agisce da nucleofilo e attacca il carbonio carbonilico, con formazione di un nuovo legame C−O e formazione di uno ione ossonio. Il carbonio passa da ibridazione sp2 a ibridazione sp3 e l’intermedio assume una conformazione tetraedrica.
Lo ione ossonio perde facilmente un protone dando un complesso attivato (terzo passaggio), ma altrettanto facilmente il complesso attivato lo può riacquistare. Nel quarto passaggio la protonazione di uno dei due gruppi ossidrile del complesso attivato dà un nuovo ione ossonio. Si tratta in sostanza di una serie di equilibri acido-base chiamati prototropia perché il risultato finale è lo spostamento di un protone da un gruppo all'altro dell'intermedio tetracoordinato.
Infine si ha l’eliminazione di una molecola d’acqua (quinto passaggio) e la successiva deprotonazione conduce alla formazione dell’estere (sesto passaggio).
Nel complesso il processo consiste in una addizione nucleofila seguita da una reazione di eliminazione e viene spesso chiamato sostituzione nucleofila acilica (sostituzione del gruppo $−OH$ di un acido carbossilico con un altro gruppo, in questo caso un alcol $-OR$).
Procedura
Allestimento
Preparare un bagnomaria su una piastra elettrica versando 300 mL di acqua in un becher da 400 mL.
Operando sotto cappa aspirante, versare nella fiala di reazione 1,2 mL di alcool isoamilico e 2,5 mL di acido acetico glaciale. Prestare attenzione alle dosi.
Aggiungere 2 gocce di acido solforico concentrato.
Chiudere bene la fiala (assicurarsi che il tappo sia ben stretto) e miscelare i reagenti capovolgendola più volte. Assicurare come un cappio al collo della fiala il filo di rame, lasciandone un pezzo sufficientemente lungo che servirà da maniglia.
Usando il filo di rame, porre la fiala sigillata nel bagnomaria, controllando che dal tappo non fuoriescano bolle e che sia completamente immersa, senza però toccare il fondo del becher. Nel caso di fuoriuscita di bolle, tirare fuori la fiala, lasciarla raffreddare e stringere meglio il tappo (figura 3)
Figura 3
6. Scaldare la fiala nel bagnomaria per 30 minuti. 7. Nel frattempo preparare un becher con ghiaccio e porvi una provetta con 8 mL di acqua distillata, servirà al punto 11. 8. Rimuovere la fiala dal bagnomaria e lasciarla raffreddare per un minuto sul bancone. 9. Porre la fiala nel becher con ghiaccio per 3 minuti.
Isolamento del prodotto 10. Con molta attenzione svitare il tappo della fiala. La fiala può essere sotto pressione e può schizzare del liquido. Fare tutto con guanti e occhiali protettivi, sotto supervisione dell'insegnante. 11. Versare il contenuto della fiala di reazione nella provetta contenente l’acqua ghiacciata (figura 4, sinistra) Agitare delicatamente per disciogliere i reagenti in eccesso. Sciacquare la fiala di reazione con acqua, buttando l’acqua di lavaggio nel lavandino. Usando una micropipetta, trasferire lo strato organico superiore, contenente l’estere prodotto, nella fiala di reazione lavata. 12. Lavare l’estere grezzo prodotto due volte con 2 mL di soluzione di carbonato di sodio al 10% ed una volta con 2 mL di acqua distillata. Aggiungere la soluzione di carbonato di sodio lentamente per prevenire che la miscela schizzi fuori in seguito all’effervescenza dovuto alla formazione di CO2 per reazione con l'acido acetico.
Figura 4
13. Usando la micropipetta rimuovere il più possibile dalla fiala lo strato acquoso inferiore (figura 4, destra).
Purificazione e controllo
Non è necessario purificare il prodotto: la presenza dell’estere è verificata dal suo caratteristico e piacevole odore di banana matura. L’alcool isoamilico ha odore di medicinale, mentre l’acido acetico ha odore di aceto. Entrambi i materiali di partenza sono molto solubili in acqua, mentre il prodotto finale della reazione non lo è.
Smaltimento
Le soluzioni acquose residue e le acque di lavaggio possono essere smaltite rovesciandole nel lavandino con un eccesso di acqua. Il prodotto va smaltito nel contenitore dei rifiuti organici.
Suggerimenti
Ci sono molti esteri profumati. La combinazione di acidi e alcoli differenti produce altri esteri che hanno odori familiari; in tabella 1 sono riportati alcuni esempi
Tabella 1: aroma prodotto da alcuni esteri
In tabella 2 sono riportate le caratteristiche chimico fisiche di alcuni esteri.
Tabella 2: caratteristiche chimico fisiche di alcuni esteri
Si può essere tentati di far produrre agli studenti altri tipi di esteri, ma bisogna essere consapevoli che l’acido valerianico e l’acido butirrico, che sono usati per preparare esteri con aromi assai piacevoli, hanno di per sé stessi un odore orribile e se ne sconsiglia l’uso a scopo didattico.
Questa attività di laboratorio può essere svolta in un tempo di 50 minuti. Sono possibili rese di prodotto grezzo tra il 60 % e il 70%. La resa aumenta scaldando la miscela di reazione nel bagnomaria per almeno 30 minuti, tempi inferiori o temperatura troppo bassa possono dare risultati non soddisfacenti. Usare acido acetico glaciale fresco e alcool isoamilico anidro. L’acqua eventualmente presente sposterà la reazione di equilibrio verso i reagenti e abbasserà significativamente la quantità di estere prodotto. Dosare con estrema attenzione i reagenti ed operare con vetreria perfettamente asciutta.
Note e storia
Questa attività pratica offre diversi spunti di discussione su quanti prodotti comunemente usati sono aromatizzati con esteri artificiali e permette di sensibilizzare gli studenti alla lettura delle etichette dei prodotti commerciali per abituarli ad un consumo consapevole.
Bibliografia
Tom J. Russo, Mark W. Meszaros, “Vial Organic”, Flinn Scientific Inc.;
Hart, L.E. Craine, “Laboratorio di Chimica Organica”, Zanichelli;
Hart, C. Hadad, L.E. Craine, D. Hart “Chimica Organica”, Zanichelli;
Syches, “Guida ai meccanismi delle reazioni organiche”, Giunti;
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