1. Universidad Central del Ecuador
Facultad de Ciencias Químicas
Química de Productos Naturales
Colorantes Naturales y Ácido
Carmínico
2. Historia y Clasificación
Desde los tiempos prehistóricos hasta la mitad del
siglo XIX, el teñido fue hecho con colorantes naturales.
La importancia de estos disminuyo cuando en 1856 el
inglés William Henry Perkin, en su intento de
sintetizar quinina, oxidó sulfato de anilina con
dicromato potásico y produjo el primer colorante
sintético: la mauveína, de color purpura.
Sin embargo en los años recientes se ha renovado el
interés en los colorantes naturales por recientes
limitaciones de algunos colorantes sintéticos como los
azoicos ―causantes de reacciones alérgicas y que dejan
residuos con posibles sustancias cancerígenas‖.
.
3. Como fuentes naturales de estos colorantes podemos
considerar las plantas superiores, las algas, los
hongos y líquenes, algunos insectos, así como
algunos organismos marinos invertebrados.
Los colorantes naturales pueden ser clasificados
según su naturaleza química en diversos grupos.
Algunos ejemplos de estructuras químicas de los
colorantes mencionados se dan a continuación.
6. Quinonas
Naftoquinona Antraquinona
El ácido carmínico está clasificado dentro de los colorantes
naturales quinónicos derivados del antraceno o
antraquinonas.
8. Colorantes naturales quinónicos
Los pigmentos naturales quinónicos con metabolitos
secundarios elaborados por las plantas superiores, los
líquenes, los hongos, los artrópodos y por algunos insectos
tintóreos.
Son dicetonas α,β – insaturadas que se encuentran en la
corteza y la raíz de las plantas superiores. Las características
de los pigmentos quinónicos es su color, éste va del amarillo,
pasando por el anaranjado, y el rojo, al negro.
Las quinonas están agrupadas en: benzoquinonas,
naftoquinonas antraquinonas y quinonas policondensadas.
Las antraquinonas constituyen el grupo más numeroso de los
pigmentos quinónicos, que se encuentran en diversos géneros
y especies de las familias de las: Rubiáceas, Pologonáceas,
Leguminosas, Liláceas, etc, y los insectos tintóreos de la
familia de los Cóccidos como el Dactylopius coccus costa la
―cochinilla‖ del cual se obtiene el ácido carmínico que se
utiliza para dar color a los alimentos, fármacos, cosméticos y
como un recurso para el teñido de lana mordentada.
9. Carotenoides
Los carotenoides son pigmentos orgánicos del grupo de
los isoprenoides que se encuentran de forma natural en
plantas y otrosorganismos fotosintéticos como algas,
algunas clases de hongos y bacterias. Se conoce la
existencia de más de 700 compuestos pertenecientes a este
grupo.
Los carotenoides son el grupo más representativo de
los tetraterpenos, compuestos que se caracterizan por una
estructura con 40 átomos de carbono, aunque no todos los
carotenoides se ajustan estrictamente a esta regla. Estos
átomos de carbono se encuentran ordenados formando
cadenas poliénicas conjugadas en ocasiones terminadas en
anillos de carbono. A los carotenoides que contienen
átomos de oxígeno se les conoce más específicamente
como xantofilas. Los restantes constituyen el grupo de los
llamados carotenos.
10. Flavonoides
La palabra flavonoide viene del latín "flavus", que significa
"amarillo". Son los pigmentos responsables del color otoñal
de las hojas y de muchas gamas del amarillo, naranja, rojo y
azul en flores. Se pueden encontrar en forma libre o unidas a
azúcares formando heterósidos. Las geninas son insolubles en
agua pero en forma de heterósido se vuelven hidrosolubles.
En el grupo flavonoides se incluyen todos los compuestos
fenólicos cuyo esqueleto está formado por quince carbonos,
distribuidos en tres anillos: dos anillos bencénicos de 6
carbonos (A y B), conectados mediante un anillo heterocíclico
C que puede ser pirano o pirona (si tiene un doble enlace en
la posición 4). En plantas se han descrito más de 5000
flavonoides naturales y en función de su estructura química
se han clasificado en 6 grupos.
11. Xantonas
Las xantonas son fitonutrientes muy poderosos que se
encuentran en algunos alimentos, por poner un ejemplo la
piel de la uva contiene 3 xantonas mientras que el mangostán
aporta al organismo 50 xantonas. Este fitonutriente tiene un
efecto regenerador de todo el organismo,es antiinflamatorio,
mejora el funcionamiento cardiovascular, es un antibiótico
natural y elimina los radicales libres causantes del
envejecimiento celular.
Mangostán
12. Indoles
La química del indol comienza a desarrollarse con el estudio
del colorante índigo.
El índigo se puede convertir en isatina y luego en el oxoindol.
En 1866 Adolf von Baeyer llevó a cabo la reducción del
oxoindol en el indol usando zinc en polvo.
En 1869, Baeyer propuso la siguiente fórmula para el indol
Ciertos derivados del indol fueron colorantes importantes
hasta finales del siglo XIX. En la década de 1930, se
intensificó el interés por el indol ya que el núcleo de este
anillo heterocíclico se encuentra presente en alcaloides
importantes, así como en la estructura del triptófano y en
las auxinas (hormonas vegetales).
13. Colorantes antraquinónicos.
Quimica de los colorantes antraquinónicos
Las antraquinonas constituyen el grupo más numeroso de las
quinonas naturales y son la base y fuente de una importante
cantidad de colorantes. Son compuestos aromáticos
polihidroxilados más o menos metilados y cuando hay
sustituyentes en la posición c-2 ó en c-3, estado de oxidación
del átomo de carbono puede variar y ser –CH3-CH2OH, -
CHO, -COOH o formar grupos más complejos.
Cuanto mayor es el número de grupos sustituyentes
donadores de electrones, más fuerte y profundo será el color.
La sustitución en la posición α- da más color que en la
posición β- debido a la interacción de un par de electrones no
compartidos del grupo auxocromo quinónico.
14. Las antraquinonas altamente oxigenadas se encuentran en los
insectos tintóreos de la familia de los cóccidos, que producen
los ácidos antraquinontetrahidroximetilcarboxílicos, como
son los ácidos kermésico y carmínico.
Las antraquinonas naturales se encuentran libres y al estado
de combinaciones glicosídicas.
Los glicósidos son una clase amplia y muy importante de
derivados de carbohidratos, caracterizados por la sustitución
del grupo hidroxilo anomérico por algún otro sustituyente.
Los azúcares den forma de acetales se denominan glicósidos y
pueden ser: O-glicósidos, N-glicósidos, S –glicósidos, según el
átomo unido al carbono anomérico.
El compuesto que reacciona con el
carbohidrato(monosacárido) recibe el nombre de aglicona.
Cuando la aglicona es otro monosacárido, el glicósido
resultante recibe el nombre de holósido; si es un compuesto
diferente, heterósido.
15. Un aglicón es el grupo que va enlazado al átomo de carbono
anomérico de un glicósido.
Los O-glicósidos tienen un grupo alcoxi – OR en lugar del –
OH en el carbono anomérico. Estructuralmente son acetales
mixtos.
La preparación de glicósidos en el laboratorio se realiza por
reacción de un carbohidrato con un alcohol en presencia de
un catalizador ácido.
Hidrólisis del enlace glicosídico.
En condiciones neutras o básicas, los glicósidos son
configuracionalmente estables. La conversión del grupo
hidroxilo anomérico en función éter (hemiacetal-acetal) evita
su reversión a la forma de cadena abierta en medios neutros o
básicos. Se hidrolizan fácilmente por los ácidos minerales en
disolución acuosa y en caliente y por tanto la formación de
acetal se puede revertir y el glicósido se puede hidrolizar al
azúcar libre y a la aglicona. Puesto que los glicósidos no
poseen ningún grupo aldehído latente, no reducen la solución
de fehling.
16. Extracción y análisis de antraquinonas
Extracción de compuestos naturales
Los compuestos producidos por los seres vivos se encuentran
formando parte de un complejo natural organizado que
contiene una variedad de productos entre ellos los pigmentos
quinónicos, con estructuras y propiedades diversas. Para la
obtención de las benzoquinonas, naftoquinonas y
antraquinonas, se requiere que la muestra materia de estudio
sea sometida a un proceso de técnicas de extracción,
aislamiento y purificación para concluir con su
caracterización.
Extracción de antraquinonas
En general, para la extracción de antraquinonas se emplea
metanol o acetona caliente.
Si las antraquinonas están al estado de glicósidos, la
extracción se realiza, en caliente, con agua o con soluciones
alcalinas, utilizando extracción continua en söxleth, que
necesita cantidades mínimas de solvente con un máximo de
rendimiento y recuperación del mismo.
17. Los procedimientos para el aislamiento de estas sustancias
dependen del tipo de núcleo de interés, es decir si se desea
obtener las agliconas, los glicósidos, las formas reducidas, las
formas oxidadas, etc. Para aislar efectivamente las agliconas,
la muestra vegetal se extrae con solventes poco polares como
el éter etílico o benceno. Los compuestos glicosídicos se
extraen ya sea con etanol, agua o mezclas de etanol-agua.
Cuando se desee extraer las formas reducidas, debe tenerse
precaución especial, ya que la sola presencia del oxígeno del
aire produce la oxidación, en este sentido es aconsejable
trabajar en atmósfera de nitrógeno. El proceso de oxidación
es también bastante rápido en soluciones alcalinas, y en estas
condiciones se forman diantronas, poliantronas y por
supuesto antraquinonas.
Luego de la extracción, los extractos de glicósido deben
concentrarse bajo presión reducida para obtener los cristales
crudos. Estos cristales pueden purificarse por
recristalizaciones sucesivas en mezclas acetona-agua.
18. Los O-glicosidos se hidrolizan fácilmente al calentarlos con
ácido acético o clorhídrico alcohólico diluido( por ejemplo al
5%). La hidrólisis ocurre en una hora calentando a 70°C.
Las mezclas de compuestos antracénicos pueden separarse
por métodos cromatográficos como HPLC de fase reversa,
utilizando un copolímero de estireno-divinilbenceno, el cual
se produce buenos resultados, especialmente para glicósidos ,
y para separar por grupos de compuestos.
La cromatografía es capa fina con sílica gel G y varios
eluyentes, ha sido una técnica muy útil especialmente en la
valoración de drogas vegetales con compuestos antracénicos.
Aquí es importante mencionar que se obtienen buenas
separaciones de las antraquinonas con placas de sílica gel
preparadas en una suspensión de 28 g de sílica gel GF en 72
ml de solución de ácido tartárico al 3.75% acuoso; y eluyendo
con la mezcla cloroformo-metanol.
19. Las antraquinonas se pueden detectar sobre las placas
cromatográficas por revelado con luz ultravioleta al rociar las
placas con KOH al 10% metanólicos, los colores amarillos y
pardos originales cambian a rojos, violetas, verdes o
púrpuras. Los valores Rf de algunas antraquinonas se
presentan:
Identificación
Identificación de quinonas conocidas se establece por sus
constantes físicas, su comportamiento cromatográfico
comparado con un patrón, y mediante métodos químicos y
espectroscópicos. Para establecer la estructura de quinonas
desconocidas, además de los métodos mencionados es
necesaria la preparación de derivados de diferente tipo y el
empleo de reacciones de síntesis y elucidación estructural
apoyada en la espectroscopia.
20. Ensayos preliminares
Los ensayos preliminares comprenden solubilidad en soluciones de
bicarbonato de sodio, de carbonato de sodio e hidróxido de sodio;
las reacciones de color en las soluciones alcalinas de acetato de
magnesio, la reacción de Borntráger y reacciones especiales.
Los ensayos preliminares dan una información general del
compuesto quinónico que debe ser caracterizado mediante
procedimientos más específicos.
21. a)Ensayo de Bornträger
Las antraquinonas y sus formas reducidas, pueden
reconocerse en muestras vegetales, al ser tratadas con la
solución de hidróxido amónico forman complejos de color
rojo cereza, a través del denominado Ensayo de Bornträger.
En este ensayo, una porción del material vegetal se pone en
ebullición con una solución de KOH acuoso diluido, durante
varios minutos. Este tratamiento no solo hidroliza los
glicósidos antracénicos, sino que también oxida las antronas
y antranoles hasta antraquinonas. La solución alcalina se deja
enfriar, se acidifica y se extrae con benceno. Cuando la fase
bencénica se separa y se pone en contacto con una solución
acuosa diluida de un álcali, la fase bencénica pierde su color
amarillo, y la fase acuosa se torna de color rojo si la muestra
contiene antraquinonas. El ensayo no es específico para Ias
antraquinonas ya que las naftoquinonas también dan
coloraciones rojas.
22. Si la muestra contiene antraquinonas parcialmente reducidas,
la solución original no se torna roja inmediatamente después
de hacerla alcalina, pero se torna de color amarillo con una
fluorescencia verdosa, y poco a poco se va tornando roja, a
medida que ocurra la oxidación. Si se desea, la oxidación
puede acelerarse añadiendo un poco de peróxido de
hidrógeno acuoso al 3%. La reacción colorimétrica puede
utilizarse también como base para la valoración cuantitativa
de estas sustancias en diferentes muestras. Es posible
también reconocer con la ayuda de un espectrofotómetro
ultravioleta si la muestra contiene formas reducidas u
oxidadas, ya que las primeras absorben alrededor de 360
nanómetros, mientras las segundas absorben alrededor de
440 nanómetros, Por otro lado, las 1,4-
dihidroxiantraquinonas pueden reconocerse porque al
disolverlas en solución de ácido acético presentan
fluorescencia.
23. b) Ensayo con Acetato d Magnesio alcohólico
Al tratar las soluciones que contienen antraquinonas puras
con una solución de acetato de magnesio en alcohol, se
producen coloraciones características dependiendo del
patrón de hidroxilación de la sustancia. Las sustancias m-
hidroxiladas producen color amarillo naranja, las p-
hidroxiladas color púrpura, y las o-hidroxiIadas producen
coloraciones violeta.
c) Ensayo de Reducción moderada
En-sayo de reduedón drástica
Las antraquinonas se reducen fácilmente en presencia de un
metal y un ácido mineral, perdiendo su coloración original;
pero al dejar expuesto al aire of producto de reducción, este
se oidda por el oxjgeno del aire y reaparece la coloración
original.
24. d) Ensayo de reducción drástica
Las antraquinonas pueden reducirse drásticamente hasta
antraceno por destilación en seco con cinc en polvo. Este
tratamiento convierte los compuestos tipo antrona o
antraquinona en antraceno, el cual es destilado y se puede
identificar por su punto de fusión (216°C). Por su parte las 2-
metilantronas y 2-metilantraquinonas forman 2-
metilantraceno (P.F. 245°C), y pueden distinguirse fácilmente
de las naftoquinonas, las cuales producen naftaleno (P.F.
80°C).
e) Oxidación del Ácido Carmínico
La posición correcta del grupo carboxilo en la molécula del
ácido carmínico ha sido confirmada por Bhatia-
Venkataraman (Bathia S.B. y Venkataraman, 1965) por
síntesis del ácido 5-metoxi-toluen-2,3,6 tricarboxílico, el cual
tratado con diazometano fue transformado en el éster
trimetílico; este último compuesto es idéntico con el producto
de la metilación del ácido fenólico obtenido por la oxidación
controlada del ácido carmínico.
25. Caracterización
Espectroscopía ultravioleta-visible
La principal aplicación de la espectroscopia ultravioleta-visible,
la cual depende de transiciones entre niveles de energía
electrónica, consiste en identificar sistemas de electrones π
conjugados. La energía requerida para promover un electrón de
un estado electrónico al siguiente se encuentra en el intervalo
ultravioleta y visible del espectro electromagnético y está
favorecida por la resonancia La región visible corresponde a
400-800 nm, la luz ultravioleta 200-400 nm;
26. Sirve como "huella dactilar" de un compuesto para demostrar su
identidad o estructura molecular. Las antraquinonas en general
presentan en solución etanólica hasta cuatro bandas de absorción
entre 220 y 290 nm. (I=9000-3000), otra entre 300 y 350 nm.
(i=3000-6000), y otra entre 400 y 500 nm. (i---2000-9000). La
presencia de grupos hidroxilos en posiciones 1, 4, 5 y 8 del núcleo
antraquinónico, puede detectarse en el espectro IR, ya que al
añadir cloruro de aluminio en solución metanólica a la solución
alcohólica de la antraquinona, se observa un notable
desplazamiento batocrómico del espectro, el cual se mantiene aún
después de añadir un ácido mineral. El desplazamiento
batocrómico es debido a la formación de un quelato estable tal
como se ilustra
27. Aplicaciones
Las propiedades laxantes de algunas plantas superiores,
están relacionadas con su contenido de antraquinonas a-
hidroxiladas. Muchas antraquinonas se presentan como C-
y 0-glicósidos, especialmente en las plantas del género
Rubia (Rubiáceas), las cuales se han utilizado para teñir
tejidos de algodón en combinaciones con sales metálicas
(de aluminio dan coloraciones rojas, de hierro, negras y de
cromo, violeta-marrón). Las antraquinonas altamente
oxigenadas se encuentran en los insectos, que son
utilizadas comercialmente en preparaciones cosméticas y
en la industria alimenticia y textil.
Algunos ejemplos de antraquinonas utilizadas en la
industria son:
-Alizarina: colorante tipo mordiente que adquiere
diferentes coloraciones por la formación de complejos con
los iones metálicos. Se la utiliza para colorear quesos,
cuajar la leche, indicador ácido-base y reactivo analítico.
28. • Áloe-Emodina: antiséptico, antiasmático, cicatrizante,
laxante, etc. Se usa para la preparación de cosméticos
humectantes, bebidas rehidratantes.
• Reina: antirreumático, laxante, ayuda a combatir la
fragilidad capilar, teñido de lana mordentada con sulfato de
aluminio, etc.
• Purpurina: con los metales forma complejos "lacas"
coloreados. Se utiliza en histología para la identificación de
calcio en las células. En medio alcalino se oxida y da ácido
ftálico. Tiñe de rojo escarlata la lana mordentada con
aluminio.
• Ácido kermésico: producto metabólico de la hembra
Kermococcis illicis (Cóccidos). Por acción del calor pierde
anhídrido carbónico. Teñido de cuero, teñido de le lana y
seda.
29. Acido carmínico
Propiedades químicas
El ácido carmínico o ácido antraquinón-7-glucopiranósil-
3,5,6,8-tetrahidroxi-l-metil-2-carboxílico, de fórmula
C22H20013, y peso molecular 492.4 g/mol, cristaliza en
prismas rojos, además se lo clasifica como un colorante
orgánico natural. El ácido carmínico se halla hasta 22% en los
huevos de las hembras adultas de los insectos Dactylopius
coccus costa (Cóccidos), conocido con el nombre de
"cochinilla", cuyo hospedero natural es la penca de la "tuna"
Opuntia ficus (Cactaceae). (Gibaja, 1998, pág. 117)
En 1962 Overeen y Van der Kerk, demostraron que la
posición del grupo carboxílico en el ácido carmínico ocupa la
posición C-2. En 1984 Schmiitt y sus colaboradores
reportaron los espectros de RMN de 1H y 13C que confirman
la estructura y la confirmación del resto de la glucosa del
ácido carmínico como se muestra.
30. El grupo carboxilo —COOH y los cuatro grupos —OH
fenólicos, de las posiciones C-3, C-5, C-6 y C-8
desprotonables, contribuyen a los cambios de color y de pH
del ácido carmínico; anaranjado a pH=3.0, rojo a pH=5.5 y
púrpura a pH=7.0.
Mediante hidrólisis, el enlace glucosídico se rompe para dar
paso a la formación de la estructura del ácido propiamente
dicho:
31. Comportamiento químico del ácido cannínico: El ácido
carmínico es estable a la luz, a los tratamientos
térmicos y a la
El color de la solución del ácido carmínico, no es
estable a los cambios de pH.
Con solución 1N de ácido sulfúrico sometido a 1000 C
durante cuatro horas no presenta degradación por
hidrólisis ni presencia de azúcares. El ácido carmínico
es estable al dióxido de azufre, no se decolora.
32. • El ácido carminico reacciona con los iones metálicos,
formando complejos coloreados. (Tabla 3)
El ácido carrnínico con el aluminio-calcio forma el
complejo, ácido carmínico-aluminio-ácido carmínico-
calcio, de color rojo intenso denominado "carmín de
cochinilla".
33. Propiedades físicas
Es un polvo pardo rojizo oscuro o rojo brillante, que
descompone a los 136 ° C.
El ácido carmínico es soluble en agua y en ácido sulfúrico
diluido, alcohol y bases. Insoluble en los hidrocarburos y
aceites comestibles.
Aplicación del ácido carmínico y sus derivados en la
industria.
El carmín A-SG (ácido carmínico) es un producto con una
pureza de hasta 99%. Se ofrece en dos presentaciones: polvo,
con una pureza de hasta 99%; y líquido, con una pureza de
hasta 5 %.
34. Actualmente este colorante ha tomado una gran importancia
debido a sus múltiples usos en la industria textil,
farmacéutica, alimenticia y cosmética. Esto como resultado
de las restricciones globales en el uso de colorantes
artificiales, sobre todo en la industria alimenticia y otros
productos de consumo.
El ácido carmínico es el agente colorante casi puro de 90% a
95%. Su demanda es muy limitada. Se utiliza en algunos
alimentos especialmente en Japón para colorear el sustituto
de carne de cangrejo (surimi). Otros productos que utilizan la
cochinilla y sus derivados son los dulces, goma de mascar,
gelatinas y mermeladas; sopas y salsas; productos de la
panificación; bebidas alcohólicas con bajo pH que requieren
tonos rojos o naranjas, aperitivos y jugos, etc.
35. Del total de la producción de cochinilla, en la industria
alimenticia se utiliza el 75%; en la industria cosmética se
utiliza 15%, para los productos que se aplican a la zona de
boca y ojos como sombras lápices de labios y también para
rubores; el 10% restante se reparte entre la industria
farmacéutica: en jarabes, enjuagues bucales, ungüentos,
cubiertas de tabletas, cápsulas, etc., y en la industria textil: en
el teñido de telas para prendas de vestir, ropa de cama y
alfombras. Ambos ramos utilizan principalmente la laca
(eximport, 2007). Los derivados del ácido carmínico tienen
aplicaciones muy variadas como colorear aceites y grasas
comestibles, bebidas alcohólicas, bebidas cítricas y alimentos
ácidos, conservas de frutas cítricas, yogures, cremas
pasteleras, etc.
36. Método de extracción Extracción Söxleth
La extracción Söxleth ha sido, y en muchos casos, continúa
siendo, el método estándar de extracción de muestras
sólidas más utilizado desde su diseño en el siglo pasado.
Actualmente, es el principal método de referencia con el
que se comparan otros métodos de extracción. Además de
muchos métodos de la EPA (U.S. Environmental
Protection Agency) y de la FDA (Food and Drugs
Administration) utilizan esta técnica clásica como método
oficial para la extracción continua de sólidos.
En este procedimiento la muestra sólida finamente
pulverizada se coloca en un cartucho de material poroso
que se sitúa en la cámara del extractor Sóxleth. Se calienta
el disolvente extractante, situado en el matraz, se
condensan sus vapores que caen, gota a gota, sobre el
cartucho que contiene la muestra, extrayendo los analitos
solubles.
37. Cuando el nivel del disolvente condensado en la cámara
alcanza la parte superior del sifón lateral, el disolvente, con
los analitos disueltos, asciende por el sifón y retorna al
matraz de ebullición. Este proceso se repite hasta que se
completa la extracción de los analitos de la muestra y se
concentran en el disolvente.
La extracción con Sóxleth presenta las siguientes ventajas:
> La muestra está en contacto repetidas veces con porciones
frescas de disolvente.
> La extracción se realiza con el disolvente caliente, así se
favorece la solubilidad de los analitos.
> No es necesaria la filtración después de la extracción. > La
metodología empleada es muy simple. > Se obtienen
excelentes recuperaciones, existiendo gran variedad de
métodos oficiales cuya etapa de preparación de muestra se
basa en la extracción con Sóxleth.
38. Por otra parte, las desventajas más significativas de este
método de extracción son:
> El tiempo requerido para la extracción normalmente está
entre 6-24 horas.
> La cantidad de disolvente orgánico (50-300 ml)
> La descomposición térmica de los analitos termolábiles, ya
que la temperatura del disolvente orgánico está próxima a su
punto de ebullición.
> No es posible la agitación del sistema, la cual podría
acelerar el proceso de
extracción.
> Es necesaria una etapa final de evaporación del disolvente
para la concentración de los analitos.
> Esta técnica no es fácilmente automatizable.
39. Métodos de análisis
Los métodos de análisis de ácido carmínico, tanto para su
identificación como caracterización, factibles de realizar en
las condiciones del laboratorio, abarcan los físicos, químicos y
espectroscópicos.
Métodos Físicos; Determinaciones preliminares
Punto de Fusión: Muchos compuestos orgánicos son
sólidos a la temperatura ambiente como consecuencia de las
fuerzas intermoleculares que sujetan a las moléculas a una
red cristalina. La magnitud y naturaleza de estas fuerzas
determinan las diferencias en los puntos de fusión. En
general, cuando las fuerzas que sujetan el cristal son muy
grandes, el punto de fusión tenderá a ser elevado y viceversa.
El punto de fusión de un sólido es la temperatura a la cual las
fases sólida y líquida coexisten en el equilibrio y es
característico de cada sustancia en particular.
40. La fusión observada para un sólido puro, ocurre
generalmente en un intervalo de 1 a 2 °C en general, cuanto
más pura es la sustancia, más estrecho será el intervalo de
fusión. La presencia de una impureza produce un descenso
del punto de fusión. Las impurezas corrientes son: (1) el
disolvente del que se ha cristalizado la sustancia, (2) el
material de partida que todavía contamina el producto, (3)
subproductos formados en la preparación de la sustancia y
(4) agua, tanto del disolvente como de la atmósfera.
Aunque las impurezas bajan el punto de fusión, algunas
veces la presencia de una impureza no sólo amplía el
intervalo de fusión sino que a la vez lo eleva.
Hay que tomar en cuenta, que algunas sustancias se
descomponen en sus puntos de fusión, como es el caso del
ácido carmínico. Esto se debe con frecuencia a una
reacción química que tiene lugar al calentar el compuesto o
al hecho de que el material es inestable con relación a sus
diversos componentes al elevarse la temperatura.
41. Clasificación mediante solventes: Para la identificación
de compuestos orgánicos, es factible clasificarlos mediante su
solubilidad en tres clases de solventes: ácidos, bases y
sustancias neutras. Se utilizan generalmente seis pruebas de
solubilidad. Las designaciones de la clasificación de un
compuesto se hacen mediante observación de la solubilidad
del compuesto orgánico en agua destilada, hidróxido de sodio
acuoso, bicarbonato de sodio acuoso, ácido clorhídrico
acuoso, éter y ácido sulfúrico concentrado.
Solubilidad en Agua destilada: Una sustancia orgánica
soluble en agua se espera que tenga uno o más grupos polares
y/o peso molecular bajo. El ácido carmínico es poco soluble
en agua a pesar de la presencia en su estructura de grupos
polares como —OH y —COOH, pues su peso molecular es
elevado y contiene grupos aromáticos. Es importante, cuando
una sustancia es fácilmente soluble en agua verificar su pH,
esto nos ayudará a confirmar la presencia de grupos ácidos.
42. Solubilidad en bases acuosas:
Si un material soluble en agua es soluble en una solución
de hidróxido de sodio al 5% o 10%, se debe a la formación
de una nueva sustancia, mediante una reacción, como
ocurriría con compuestos con grupo carboxílico (ácido
débil) que daría paso junto con el hidróxido (base fuerte) a
una reacción ácido-base para la formación de una sal y
agua. Así esperaríamos que ocurra con el ácido carmínico
por la presencia en su estructura de un grupo carboxilo.
También se debe probar la solubilidad del compuesto
orgánico en bicarbonato de sodio acuoso. Este reactivo
reaccionará con ácidos (ácidos carboxílicos) desprendiendo
CO2 del ión bicarbonato.
Solubilidad en ácido sulfúrico concentrado;
Compuestos neutros:
Si un compuesto orgánico no es soluble en ácidos diluidos
ni bases, se lo considera como neutro. Generalmente estos
son los alcoholes, aldehídos y cetonas, ésteres, etc.
43. Por tanto es factible identificarlas por su solubilidad en
ácido sulfúrico que se da por una reacción entre estas
substancias con el ácido concentrado.
44. Color: En los compuestos puros, el color es casi siempre el
resultado de la conjugación. Los hidrocarburos saturados
son siempre incoloros o blancos. Sin embargo, a medida
que aumenta la conjugación, los colores pasan por una
transición de amarillo a anaranjado, rojo y azul.
La coloración del ácido cannínico en soluciones acuosas
varía con los cambios de pH: naranja (a pH menor a 4.8);
rojo-naranja (entre pH 4.8 a 6.2); violeta a pH mayor a
6.2).
Olor: El olor de una sustancia depende primordialmente
de dos factores; (1) de la volatilidad de la sustancia y (2) de
la forma de la molécula. Una sustancia debe ser lo
suficientemente volátil para que el olor alcance la nariz del
observador. La volatilidad de una sustancia se determina
por la forma de la molécula, el peso molecular y la
presencia de grupos funcionales.
45. Ensayo a la llama: las sustancias orgánicas, casi sin
excepción, arden. Las sustancias inorgánicas, casi sin
excepción, no arden. Si el material arde limpiamente con una
llama azul sin humo, puede suponerse que la relación
carbono/hidrógeno será generalmente baja, y que
probablemente la sustancia contiene oxígeno que activa la
combustión de la misma. Si la relación carbono/hidrógeno
está cercana a 1, como en el benceno, el compuesto arderá
con una llama fuliginosa indicativa de combustión
incompleta. Los compuestos aromáticos arden generalmente
con una llama fuliginosa amarilla. Además, puede quedar
ceniza o residuo. La presencia de ceniza es también
característica de combustión incompleta o de un elemento
inorgánico.
46. Métodos Químicos
Una vez analizada la muestra según las pruebas anteriores y
conociendo así sus características físicas y grupo de
solubilidad, se dispone de la orientación necesaria para
iniciar el análisis de grupos funcionales. Los métodos
químicos de análisis de compuestos orgánicos, dependen por
tanto de la reactividad esperada para los grupos funcionales
presentes en la molécula. Para el ácido carmínico se realizan
pruebas de identificación de antraquinonas pues es el grupo
que le confiere su reactividad particular. Para caracterizarlo
se calcula el equivalente de neutralización, por la presencia
del grupo carboxílico (ácido).
Con estos antecedentes, se utilizarán las siguientes
reacciones:
I. Ensayo de Bornträger
2. Equivalente de Neutralización (E.N): La determinación del
peso molecular de un compuesto orgánico es de gran valor
para conocer su composición y estructura.
48. Las unidades SI de frecuencia son el recíproco de segundos
(s-1) que reciben el nombre de hertz y el símbolo Hz. La
constante de proporcionalidad h se llama constante de
Planck y tiene el valor:
h = 6.63 x10-34/. s
La radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz
(c=3.0 x 108 m/s), que es igual al producto de su frecuencia
y y su longitud de onda λ:
c= vλ
El intervalo de energías fotónicas se llama espectro
electromagnético y se muestra a continuación.La luz visible
ocupa una región muy pequeña del espectro
electromagnético. En la figura se observan las siguientes
relaciones:
1. La frecuencia es inversamente proporcional a la longitud
de onda.
2. La energía es directamente proporcional a la frecuencia.
49. Las energías fotónicas particulares absorbidas por una
molécula dependen de la estructura molecular y son
medidas con instrumentos llamados
espectrofotómetros.
50. Las energías fotónicas particulares absorbidas por una
molécula dependen de la estructura molecular y son
medidas con instrumentos llamados espectrofotómetros.
Estados de energía cuantizados
El requisito más importante para que un fotón sea
absorbido por una molécula es que la energía del fotón sea
igual a la diferencia de energía entre dos estados, como
estados de espín nuclear, dos estados vibratorios o dos
estados electrónicos, que en física se conoce como
resonancia. En la espectroscopia de ultravioleta-visible,
son dos estados electrónicos diferentes. Solo ciertas
energías son posibles para los estados electrónicos que se
dice que están cuantizados. Las moléculas se encuentran
más en el estado de menor energía El que en el de mayor
energía E2. La excitación de una molécula de un estados de
menor energía a uno de mayor energía requiere la adición
de un incremento de energía ΔE.
51. Por tanto, cuando la radiación electromagnética incide
sobre una molécula, sólo la frecuencia cuya energía
correspondiente es igual a ΔE es absorbida.
Los espectrofotómetros están diseñados para medir la
absorción de radiación electromagnética por una muestra,
así la relación entre la frecuencia y la absorción se traza
gráficamente como un espectro.
Espectroscopia Ultravioleta-Visible
Región espectral
La frecuencia de las ondas que corresponde a la frecuencia
del movimiento de los enlaces de la molécula en el
ultravioleta (UV) corresponde a longitudes de onda más
cortas y a energías mucho más altas que las del infrarrojo.
La región UV se encuentra en un intervalo de frecuencia
justo encima del visible: ultra quiere decir más allá y
violeta es la frecuencia más alta del visible. Las longitudes
de onda de la región UV se suelen expresar en nanómetros
(1nm= 10-9 m).
52. Los espectrofotómetros de UV suelen operar entre 200 y 400
nm, que corresponde a la energía de un fotón de 70 a 140
kcal/mol. Estos espectrofotómetros con frecuencia abarcan la
región del visible y se denominan espectrofotómetros UV-
visible. Las energías UV-visible corresponden a transiciones
electrónicas: energía que se necesita para excitar un electrón
desde un orbital molecular a otro.
Se muestran algunos espectros de UV de varios compuestos
aromáticos y del β-caroteno, en donde se observa que para la
mayoría de espectros UV la absorción es bastante ancha y con
frecuencia se habla de ella como una "banda" en lugar de
cómo un "pico".
La Tabla 6 muestra algunas absorciones espectrales UV-
visible de algunos compuestos con enlaces π.
53.
54.
55. Luz ultravioleta y transiciones electrónicas
Las longitudes de onda de la luz UV absorbidas por una
molécula se determinan por las diferencias de energía
electrónicas entre los orbitales de la molécula. Los enlaces σ
(sigma) son muy estables y sus electrones generalmente no
son afectados por radiaciones con longitudes de onda
superiores a 200 nm.
56. Los enlaces π (pi) tienen electrones que pueden ser excitados
más fácilmente y promovidos a orbitales de energía más altos.
Los sistemas conjugados normalmente tienen orbitales
vacantes de baja energía, por lo que las transiciones
electrónicas hacia estos orbitales dan lugar a absorciones
características en la región UV.
El etileno, por ejemplo, tiene dos orbitales π: el orbital
enlazante (π, el HOMO) y el orbital antienlazante (π*, el
LUMO). En el estado fundamental hay dos electrones en el
orbital enlazante y ninguno en el orbital antienlazante. Un
fotón con la cantidad de energía adecuada puede excitar a un
electrón desde el orbital enlazante (π) al orbital antienlazante
(π*). Esta transicion de un orbital enlazante a un
antienlazante se conoce como transición π--π*.
57. La mayoría de los espectrofotómetros UV no pueden detectar
esa absorción, pero sí de sistemas conjugados como el del
butadieno, así que la espectroscopia Uv-visible tiene su
mayor importancia para el estudio de moléculas con enlaces π
conjugados.
La longitud de onda en un máximo de absorción se conoce
como la λmax de la banda. Además de la λmax las bandas de
UV-visible se caracterizan por su absorbancia (A), la cual
sirve para medir la radiación que es absorbida cuando pasa a
través de la muestra. Para corregir los efectos de la
concentración y la longitud de la trayectoria, la absorbancia
se convierte en absortividad molar (ε) dividiéndola entre la
concentración de la muestra c y la longitud de la trayectoria l
en centímetros.
58. Se compara las energías de los Orbitales moleculares (OM) del
etileno y el 1,3-butadieno. Los orbitales enlazantes y
antienlazantes del etileno están mucho más distantes que el
orbital ocupado más alto (HOMO, 2) y el orbital desocupado
más bajo (LUMO, 3) del butadieno. Esta diferencia en la
energfa de absorción se puede detectar con un espectrómetro
ultravioleta-visible.
59. Parámetros que influyen en la absorción:
La diferencia de energía HOMO-LUMO y, en consecuencia, la
longitud de onda máxima λmáx para la transición π- π* varía
con los sustituyentes en los enlaces dobles. Los datos de la
Tabla ilustran dos efectos de los sustituyentes: aumento de
sustituyentes metilo en el enlace doble y extensión de la
conjugación. Ambos causan desplazamiento de λmax a
longitudes de onda más largas, pero el efecto de conjugación
es el más grande de los dos. Con base en datos recolectados
para muchos dienos, se ha encontrado que cada sustituyente
metilo en los enlaces dobles causa un desplazamiento de
alrededor de 5 nm mientras que la extensión de la
conjugación causa un desplazamiento de alrededor de 36 nm
por cada enlace doble adicional.
60. Muchos compuestos como el licopeno son coloridos
debido a que su diferencia de energía HOMO-LUMO
es lo bastante pequeña corno para que λmax, aparezca
en el intervalo visible del espectro. Sin embargo, todo
lo que se requiere para que un compuesto sea colorido
es que posea alguna absorción en el intervalo visible.
61. Un segundo tipo de absorción que es importante en el análisis
por UV-visible de compuestos orgánicos es la transición n —
π* del grupo carbonilo (C=0). Uno de los electrones sin
compartir en un orbital del oxígeno es excitado a un orbital
de antienlace del grupo carbonilo. La n en la transición n--->
π* identifica al electrón como uno de los electrones no
enlazados del oxígeno. Esta transición da origen a picos de
absorción relativamente débiles (εmáx< 100) en la región de
270 a 300 nm.
La unidad estructural asociada con una transición electrónica
en la espectroscopia de UV-visible se llama cromóforo), que
son grupos funcionales que contienen dobles o triples
enlaces, dobles enlaces conjugados, etc. (ej. Alquenos,
alquinos, carbonilo, etc.).
62. Otros grupos que contribuyen a las características de
absorción de una molécula orgánica son los auxocromos. Un
auxocromo es un grupo funcional que por sí mismo no
absorbe luz pero que presenta la capacidad de modificar la
absorción del cromóforo al que está unido. Suelen ser
sustituyentes con pares de electrones sin compartir (Oxígeno,
halógenos, azufre y nitrógeno).
Efectos sobre el espectro de absorción:
Efecto hipsocrómico: desplazamiento a menores
longitudes de onda, es decir, mayor frecuencia.
Efecto batocrómico: desplazamiento a mayores longitudes
de onda, es decir, menor frecuencia.
Efecto hipercrómico: desplazamiento a mayor intensidad.
Efecto hipocrómico: desplazamiento a menor intensidad.
63. Obtención de un espectro de ultravioleta
Para medir el espectro de ultravioleta (o UV-visible) de un
compuesto, la muestra se disuelve en un solvente (con
frecuencia etanol) que no absorba por encima de 200 nm.
La muestra disuelta se coloca en una celda de cuarzo y
parte de solvente se coloca en una celda de referencia. El
haz de referencia pasa a través de la celda de referencia
para compensar cualquier absorción de luz debida a la
celda y al solvente.
El espectrofotómetro tiene una fuente que emite todas las
frecuencias de luz UV (por encima de 200 nm). La luz pasa
a través de un monocromador, que utiliza una red de
difracción o un prisma para dispersar la luz
descomponiéndola en un amplio espectro y seleccionar una
longitud de onda. Esta única longitud de onda se divide en
dos haces, un haz pasa a través de la celda de muestra y el
otro a través de la celda de referencia (disolvente). El
detector mide constantemente la relación de intensidad
entre el haz de referencia (Ir) y el haz de la muestra (Is).
64. Mientras el espectrofotómetro explora las longitudes de onda
en la región UV, un registrador hace el gráfico (espectro) de la
absorbancia de la muestra en función de la longitud de onda.
La absorbancia, A, de la muestra a una longitud de onda
determinada viene dada por la ley de Lambert-Beer:
Donde:
c = concentración de la muestra.
l = espacio que recorre la luz a través de la celda, en
centímetros.
ε = absorción molar de la muestra.
65. El espectro de UV-visible tiende a mostrar picos y valles
amplios. Los datos espectrales más característicos de una
muestra son los siguientes:
1.- La longitud de onda(s) de máxima absorbancia,
denominada λmax
2.- El valor de la absorción molar ε de cada máximo.
La información espectral se da en forma de valor o valores de
λmax junto con la absorción molar para cada valor de λmax.
Análisis UV-visible del ácido carmínico:
En la estructura del ácido carmínico, existen en total 9
enlaces dobles y conjugados, es decir 18 e en el orbital π en
estado basal o fundamental, que bajo la influencia de una
radiación electromagnética con energía adecuada,
66. podrían excitarse y ocupar orbitales antienlazantes π*).
Además contiene heteroátomos con electrones
desapareados que ocupan orbitales n (grupo carbonilo
C=0), por lo que la transición más adecuada para este
compuesto, por motivos energéticos, es la transición
n--π*, que da el espectro con la mayor absorción con una
longitud de onda de 494nm.
