Experimento 05_Síntese de um corante

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EXPERIÊNCIA 05
PREPARAÇÃO DE UM CORANTE: ALARANJADO DE METILA
1 - INTRODUÇÃO
Na região de Blumenau a química está fortemente relacionada com a
Indústria Têxtil, desde a limpeza e tratamento da matéria-prima com agentes
químicos para branqueamento e uniformização do tecido cru até o uso de
corantes e pigmentos químicos para o tingimento e/ou estamparia dos
substratos têxteis durante o beneficiamento. O entendimento das reações
químicas presentes no beneficiamento (limpeza do tecido ou fibra, tingimento,
estamparia) é fundamental para o sucesso no desenvolvimento do um
produto final, que deve apresentar características específicas como
uniformidade de cor, maciez ao toque, entre outras.
Para o perfeito tingimento do tecido é essencial a combinação correta
de corante e do tipo de fibra têxtil, bem como da condição de banho de
tingimento. Para cada fibra têxtil há um corante específico que confere
uniformidade ao tecido tinto e solidez a lavagem. Por exemplo, o corante
básico apresenta maior solidez, afinidade e intensidade de cor para fibras
acrílicas. Já o tingimento de fibras celulósicas, como de algodão, é mais
eficiente com o corante reativo, pois este corante contém um grupo
eletrofílico capaz de formar uma ligação covalente com grupos hidroxila das
fibras celulósicas, tornando o tingimento mais estável (Esquema abaixo). A
fibra de poliéster, por não apresentar grupos polares não pode ser tingida por
mecanismos iônicos, com corantes hidrossolúveis. O processo de tingimento
com corante disperso é puramente físico.
Esquema: Comportamento da fibra celulósica em contato com corante
reativo.
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Corantes AZO são os maiores e mais importantes grupos de corantes
sintéticos. Eles são usados em roupas, alimentos e como pigmentos de
pinturas. São também empregados nas tintas para impressão colorida.
Os corantes Azo possuem a estrutura básica Ar-N=N-Ar1, onde Ar e
Ar1 designam grupos aromáticos quaisquer. A unidade contendo a ligação N=N- é chamada de grupo azo, um forte grupo cromóforo que confere cor
brilhante a estes compostos. Na formação da ligação azo, muitas
combinações de ArNH2 e Ar1NH2 (ou Ar1OH) podem ser utilizadas. Estas
possíveis combinações fornecem uma variedade de cores, como amarelos,
laranjas, vermelhos, marrons e azuis.
A produção de um corante azo envolve o tratamento de uma amina
aromática com ácido nitroso, fornecendo um íon diazônio (1) como
intermediário. Este processo chama-se diazotização.
Ar-NH2
+
HNO2
+
HCI
Ar-N N
1
+
CI-
+
2 H2O
O íon diazônio 1 é um intermediário deficiente de elétrons, sofrendo,
portanto, reações com espécies nucleofílicas. Os reagentes nucleofílicos
mais comuns para a preparação de corantes são aminas aromáticas e fenóis.
A reação entre sais de diazônio e nucleófilos é chamada de reação de
acoplamento azo:
H3C
N
CH3
H3C
CH3
CI
_
CI
+
N N Ar
N
_
H3C
N
CH3
B
H
N N Ar
N N Ar
CORANTE AZO
2 - METODOLOGIA
Neste experimento será preparado o corante metil orange (“alaranjado
de metila”, 6) a partir da reação de acoplamento azo entre ácido sufanílico 2
e N,N-dimetilanilina 4, em duas etapas, conforme descrito a seguir.
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1a etapa: Síntese do sal de diazônio derivado do ácido sulfanílico –
diazotização do ácido sulfanílico
A síntese do sal de diazônio 3 ocorre a partir da reação entre uma
amina aromática (no exemplo abaixo, sal derivado de ácido sulfanílico) 2 e o
íon nitroso conforme mecanismo reacional representado pelo Esquema 1,
onde a amina aromática (nucleófilo) ataca o íon nitroso (eletrófilo).
H
HN
H2N
H B
B
N
O
HN
N
H
O
BH
N
OH
N
+
N O
íon
nitroso
SO3H
SO3H
SO3H
2
N
N
H2O
N
N
SO3H
OH
N
H B
N
OH
H
+
SO3H
3
SO3H
SO3H
Esquema 1
O sal derivado de ácido sulfanílico pode ser obtido pelo tratamento do
ácido sulfanílico (4) com uma solução básica de carbonato de sódio. Este
procedimento deve ser realizado, porque o ácido sulfanílico é insolúvel em
ácido e, como a etapa de diazotização do ácido sulfanílico será realizado
neste meio, é preciso transformá-lo em uma espécie solúvel em ácido
(Esquema 2).
SO3-
SO3- Na+
Na2CO3
2
NH3+
2
CO2
2
NH2
4
2
Esquema 2
H2O
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O íon nitroso é formado in situ pela reação do NaNO2 (nitrito de sódio)
com HCl, cuja reação passa pelo intermediário ácido nitroso (Esquema 3).
N
O
N
H Cl
O
Na +
O
N
H Cl
OH
O
ácido
nitroso
OH
N O + H 2O
H
íon
nitroso
Esquema 3
2a etapa: Síntese do Alaranjado de Metila
Uma vez obtido o sal de diazônio derivado do ácido sulfanílico (3), este
reagirá com a N,N-dimetilanilina (5) via reação de acoplamento azo. O
primeiro produto obtido da reação de acoplamento é a forma ácida do metil
orange, que é vermelho brilhante, chamado heliantina (6). Entretanto, em
solução básica ocorre a desprotonação do nitrogênio da heliantina,
convertendo-a no sal de sódio laranja 7, chamado Metil Orange ou
Alaranjado de Metila (Esquema 4).
H3C
N
CH3
-O
N N
3S
23
-O
3S
N N
HOAc
54
NaO3S
CH3
N H
CH3
H
N N
Alaranjado de Metila
6
7
CH3
N
CH3
NaOH
Esquema 4
-O
3S
N N
H
Heliantina
5
6
É interessante destacar que o metil orange possui aplicação também
como um indicador ácido-base. Em soluções com pH > 4,4, metil orange
existe como um íon negativo que fornece a coloração amarela à solução. Em
soluções com pH < 3,2, este íon é protonado para formar um íon dipolar de
coloração vermelha.
CH3
N
CH3
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3- PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
3.1 - DIAZOTIZAÇÃO DO ÁCIDO SULFANÍLICO:
Em um erlenmeyer de 125 mL dissolva 0,3 g de carbonato de sódio
anidro em 25 mL de água. Adicione 1,0 g de ácido sulfanílico a esta solução
e aqueça em banho-maria até a completa dissolução do material. Deixe a
solução atingir a temperatura ambiente e adicione 0,4 g de nitrito de sódio,
agitando a mistura até a completa dissolução. Resfrie a solução em banho de
gelo por 5-10 minutos, até que a temperatura fique abaixo de 0 oC. Em
seguida, adicione 1,25 mL de ácido clorídrico, mantendo uma agitação
manual. O sal de diazônio do ácido sulfanílico separa-se como um
precipitado branco finamente dividido. Mantenha esta suspensão em um
banho de gelo até ser utilizada.
3.2 - PREPARAÇÃO DO ALARANJADO DE METILA:
Misture em um béquer de 50 mL, 0,7 mL de N,N-dimetilanilina e 0,5
mL de ácido acético glacial. Com a ajuda de uma pipeta de Pasteur, adicione
esta solução à suspensão resfriada do ácido sulfanílico diazotizado
preparado previamente (item 3.1). Agite a mistura vigorosamente com um
bastão de vidro. Em poucos minutos um precipitado vermelho de heliantina
será formado. Mantenha esta mistura resfriada em banho de gelo por cerca
de 10 minutos.
Adicione 7,5 mL de hidróxido de sódio 10%. Faça isso lentamente,
com agitação, enquanto mantém a mistura resfriada em banho de gelo.
Verifique se a mistura está básica, com o auxílio de um papel de tornassol (é
possível verificar a basicidade pelo aparecimento da coloração alaranjada).
Se necessário, adicione mais base. Leve a solução básica à ebulição por 1015 minutos, para dissolver a maioria do metil orange recém formado. Em
seguida, adicione 2,5 g de cloreto de sódio e deixe a mistura atingir a
temperatura ambiente. A completa cristalização do produto pode ser induzida
por resfriamento da mistura reacional. Colete os sólidos formados por
filtração em funil de Buchner, lavando-os com água gelada.
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3.3 - RECRISTALIZAÇÃO:
Transfira o precipitado (juntamente com o papel filtro) para um béquer
de 125 mL, contendo cerca de 75 mL de água em ebulição. Mantenha a
mistura em ebulição branda por alguns minutos, agitando constantemente.
Nem todo o corante se dissolve, mas os sais contaminantes são dissolvidos.
Remova o papel filtro e deixe a mistura atingir a temperatura ambiente,
resfriando posteriormente em banho de gelo. Filtre a vácuo e lave com um
mínimo de água gelada. Deixe o produto secar, pese, calcule o rendimento e
faça o ponto de fusão.
3.4 - TESTE COMO INDICADOR DE pH:
Dissolva em um tubo de ensaio, uma pequena quantidade de metil
orange em água. Alternadamente, adicione algumas gotas de uma solução
de HCl diluído e algumas gotas de uma solução de NaOH diluído,
observando a mudança de cor no ponto de viragem (pH = 3,1: solução
vermelha; pH = 4,4: solução amarela).
5- QUESTIONÁRIO
1 - Por que a N,N-dimetilanilina acopla com o sal de diazônio na posição
para- do anel aromático?
2 - A reação de acoplamento do sal de diazônio é uma reação de substituição
eletrofílica aromática. Forneça o mecanismo para a síntese do corante metil
orange.
3 - Forneça a estrutura de outros corantes empregados industrialmente.
4 - Discuta seus resultados em termos de rendimento, pureza e teste de pH.
5 - Qual a função da solução de NaOH 10%?
6 - Qual a função da solução de NaCl?
VEJA TAMBÉM:
Guaratini, C. C. I.; Zanoni, M. V. B. Química Nova 2000, 23, 71.
SALEM, V.; MARCHI, A. de; MENEZES, F. G. de., O Beneficiamento Têxtil na
Prática. São Paulo: Golden Química do Brasil, 2005.
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AGUIAR NETO, Pedro Pita. Fibras têxteis. Rio de Janeiro: SENAI/CETIQT, 1996. V.
1.
RELATÓRIO 05
Ao longo do relatório adicione as seguintes informações:
- Escreva a equação química e dê o mecanismo da reação de síntese do
alaranjado de metila e explique cada etapa (nucleófilo, eletrófilo, ataque
nucleófilo, etc.).
- Qual a função do NaOH na síntese do corante e do NaCl na etapa de
purificação.
-Descreva sobre o método de purificação e sobre o grau de pureza do
corante. Compare o ponto de fusão experimental com o da literatura.
-Calcule o rendimento do corante purificado, indicando o reagente limitante.
Mostre os cálculos.