grupo de fisicoquÍmica orgÁnica. trabajo de grado como requisito para optar el titulo de químico...

ESTUDIO CINÉTICO DE LA DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DEL N-CARBETOXI-4-PIPERIDONA

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICA

MONTERIA -2013

2013

GRUPO DE FISICOQUÍMICA ORGÁNICA

GRUPO DE FISICOQUÍMICA ORGÁNICALÍNEA DE CINÉTICA Y BIOCOMBUSTIBLES

JOHN CHARLES GELIS LÓPEZ

Trabajo de grado como requisito para optar el titulo de Químico


DirectoraJENNIFER JUDITH LAFONT MENDOZA

MSc. En Ciencias Químicas

UNIVERSIDAD DE CÓRDOBAFACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS

DEPARTAMENTO DE QUÍMICAMONTERIA 2013

ESTUDIO CINÉTICO DE LA DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA DEL N-CARBETOXI-4-PIPERIDONA

GRUPO DE FISICOQUÍMICA ORGÁNICA 3

INTRODUCCIÓN

CINÉTICA QUÍMICA

Velocidades de reacción

Mecanismos de reacción

En 1850, Wilhelmy ejecutó el primer estudio de cinética de tipo

cuantitativo siguiendo la velocidad de hidrólisis (reacción de

inversión) de sacarosa a glucosa y fructosa.


INTRODUCCIÓN

Gennaro, A.R., Remington Farmacia; Ed. Panamericana, 20a ed. 2003.

Realizar el estudio cinético de la termólisis del N-carbetoxi-4-

piperidona mediante el uso de un reactor químico, con el fin de

obtener los parámetros termodinámicos y cinéticos que lleven a

proponer un mecanismo de reacción.

GRUPO DE FISICOQUÍMICA ORGÁNICA5

OBJETIVO GENERAL

Efectuar la termólisis del compuesto N-carbetoxi-4-piperidona en un rango de temperatura de

473,15 K-533,15 K.

Calcular las constantes de velocidad (k) para cada temperatura a partir de los valores de las

áreas y tiempos de reacción.

Calcular los valores de Ea, A, ΔG≠, ΔH≠, ΔS≠, utilizando las ecuaciones de Arrhenius y Eyring.

Identificar los productos de reacción mediante técnicas cromatográficas y espectroscópicas.

Proponer un mecanismo de reacción acorde con los datos cinéticos y termodinámicos

obtenidos.


OBJETIVOS ESPECÍFICOS

TEORÍA RELACIONADA


La piperidina es un compuesto orgánico

de carácter heterocíclico; su estructura

posee seis miembros con un átomo de

nitrógeno al interior del anillo

Fig. 1 Estructura de la piperidina

El “esqueleto” de la piperidina o alguno de sus derivados constituyen el

núcleo principal de diversa cantidad de fármacos y medicamentos con

actividad biológica.


TEORÍA RELACIONADA

N N

O

Fentanilo

N

O

O

Alfaprodina

Fig.2 Fármacos derivados de la piperidina

Metilfenidato

Afzal W., Valtz A., Coquelet C., Richon D.; J.Chem. Termodynamics, (40), 47-53, 2008.

El compuesto N-carbetoxi-4-piperidona es un éster unido a un ciclo piperidínico,

con un grupo cetónico en la posición 4 del anillo


9

TEORÍA RELACIONADA

Fig. 3 Estructura del N-carbetoxi-4-piperidona

(N-Carbethoxy-4-Piperidone)-Chemicalland21:

http://www.chemicalland21.com/lifescience/phar/N-CARBETHOXY-4-PIPERIDONE.htm

El compuesto actúa como intermediario de fármacos biológicamente activos, como

es el caso del lubeluzol.


TEORÍA RELACIONADA

F

F

O

OH

N

N

N

S

• García Pelayo C., Química Farmacéutica; Editorial Universidad de Barcelona, Vol. 1, 2010.• Gandolfo C., Sandercock P., Conti M; Editorial John Wiley & Sons, Ltd. 2010.

Fig. 4 Estructura del Lubeluzol

Velocidad de reacción: la velocidad de reacción (r) se define como la variación de la

concentración de un reactivo o producto en una reacción química, en función del

tiempo:


TEORÍA RELACIONADA

aA + bB + … eE + fF + …

dt

Fd

dt

Ed

dt

Bd

dt

Adr (1)

Levine I., Fisicoquímica, Editorial Mc Graw Hill, Vol. II. 5a ed. 2004

Ecuaciones cinéticas: La expresión matemática que indica como varía la velocidad de

reacción con respecto a la concentración de los reactivos es denominada ecuación o ley

de velocidad:


TEORÍA RELACIONADA

(2)



TEORÍA RELACIONADA

TEORÍA DE LAS COLISIONES TEORÍA DEL ESTADO DE TRANSICIÓN

13

• Costa J. M., Diccionario de química física; Ediciones Díaz de Santos, 2005.• Eyring, H.; J. The activated complex in chemical reactions, Journal of Chemical Physics. 3, 107, 1935 • M. G. Evans, M Polanyi, Transactions of the Faraday Society., 31, 875-894, 1935


TEORÍA RELACIONADA

Reyes A.,Chuchani G. Revista Ingeniería UC, (16), N. 3,14 – 21,2009

Fig. 5 Descomposicón térmica de ésteres

Sea la reacción general A P(descomposición o isomerización)


TEORÍA RELACIONADA


Fig. 6 Mecanisno de Lindeman

METODO QUÍMICOS

Medición de la concentración en función del tiempo

METODO FÍSICOS

Medición propiedad física del sistema reactivo continuamente (conductividad, actividad óptica, presión)


TEORÍA RELACIONADA


METODOLOGÍA

DESCRIPCIÓN DE REACTIVOS

N-carbetoxi-4-piperidonamarca Alfa Aesar pureza del 98%

densidad a 25 C de 1,135g/mL

EtanolMerck

pureza del 99,9 % densidad a 25 C de 0,789 g/mL

METODOLOGÍA


AGILENT 6890N

Detector selectivo de masas Agilent 5973N

Inyector Agilent 7683N

Columna DB-Wax 0,25mm x 30m longitud nominal x 0,25μm espesor de la película (Polietilenglicol)

• Espitia A., Lafont J.; Información Tecnológica. 24(6), 15-23, (2013).• Lafont, M., Páez, M., y Alvis, A.; Información Tecnológica. 20 (5), 41-42, (2009).

Fig. 7 Cromatógrafo de gases acoplado a masas


METODOLOGÍA

Cilindro recubierto de asbesto Sensor de temperatura Controlador: Barber-Colman, el cual es un control

tipo PID (Proporcional-integral-derivativo). ± 1 K

• Espitia A., Lafont J.; Información Tecnológica. 24(6), 15-23, (2013).• Lafont, M., Páez, M., y Alvis, A.; Información Tecnológica. 20 (5), 41-42,

(2009).

Fig. 8 Mini reactor químico


METODOLOGÍA

Determinación de la pureza del reactivo mediante CG/MS

(98 %)

Inyección del reactivo en los capilares

Sellamiento de los capilares


(2009).


METODOLOGÍA

Encendido del equipo

Programación de la temperatura

Introducción de los capilares en el equipo


Fig. 9 Proceso de termólisis


METODOLOGÍA

Detenimiento de la reacción mediante

baño de hielo

Retirada de capilares


(2009).


METODOLOGÍA

Fig. 10 Beakers con etanol

Se purgaron 6 beakers de 250 mL cada uno con

etanol

Luego se depositaron en cada uno 5 mL de

etanol, y se sellaron con papel aluminio

Fraccionamiento manual de capilares


(2009).


METODOLOGÍA

Inyección de muestras en

CG/MS

Adición de los fragmentos de

capilares en etanol


Fig. 11 Cromatógrafo de gases-masa


METODOLOGÍA

TRATAMIENTO DE DATOS Y CALCULOS DE LAS CONSTANTES DE VELOCIDAD

kteaa 0)( x

ktt 0lnln

𝑦=𝑏−𝑚𝑥

ktt e 0

(3)

(4)

RTEaAek /

RTAk aE

- lnln

(5)

(7)

Laidler, K.J. y J.H. Meiser; Fisicoquímica, 1a Edición 353-366. Compañia editorial continental S.A., Mexico (1998)

(6)


METODOLOGÍA

RT -E H a

ST- HG

1

K

hA ln R S

B

T

(8)

(9) (10)

CALCULO DE PARAMETROS DE ACTIVACIÓN

Laidler, K.J. y J.H. Meiser; Fisicoquímica, 1a Edición 353-366. Compañia editorial continental S.A., Mexico (1998)


RESULTADOS Y ANÁLISIS

Fig.12 Cromatograma del compuesto N-carbetoxi-4-piperidona sin termolizar



m/z=171

N

O

ON+

N

N

IDENTIFICACIÓN DEL REACTIVO


RESULTADOS Y ANÁLISISCROMATOGRAMA DEL AVANCE DEL 80 % DE LA TERMÓLISIS DEL N-CARBETOXI-4-PIPERIDONA



Fig. 13 Avance de la reacción a 473,15 K Fig. 14 Avance de la reacción a 533,15 K



m/z=143

O N

O

O N

N+

N

N

Ácido 4-oxopipecolínico



Espectro de masas del 4-oxopiperidina

m/z=99NO

N

N+

N

N

4-oxopiperidina

Temperatura(K) Muestra Tiempo

(min)

Tiempo (s) lnλt

473,15

1 60 3600 16,77

2 120 7200 16,56

3 180 10800 16,39

4 240 14400 16,23

5 300 18000 16,04

6 340 20400 15,90

493,15

1 45 2700 16,50

2 90 5400 16,18

3 135 8100 15,79

4 180 10800 15,54

5 225 13500 15,21

6 270 16200 15,01



33

Tabla 1: Datos cinéticos para N-carbetoxi-4-piperidona

Temperatura (K) Muestra Tiempo

(min)

Tiempo (s) lnλt

513,15

1 30 1800 16,40

2 60 3600 14,94

3 90 5400 13,36

4 120 7200 12,00

5 150 9000 10,67

6 180 10800 9,00

533,15

1 10 600 15,40

2 20 1200 13,60

3 30 1800 12,06

4 40 2400 10,48

5 50 3000 8,91

6 60 3600 7,33


RESULTADOS Y ANÁLISISTabla 2: Datos cinéticos para N-carbetoxi-4-piperidona



2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 2200015.4

15.6

15.8

16

16.2

16.4

16.6

16.8

17

f(x) = − 5.04108527131783E-05 x + 16.9399279069768R² = 0.998442905199613

t (s)

lnλ

tCÁLCULOS PARA DETERMINAR CONSTANTES DE VELOCIDAD Y GRÁFICO DE ARRHENIUS



2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 1800014

14.5

15

15.5

16

16.5

17

f(x) = − 0.000102328042328042 x + 16.752R² = 0.991752795999427

t (s)

lnλ

t

CÁLCULOS PARA DETERMINAR CONSTANTES DE VELOCIDAD Y GRÁFICO DE ARRHENIUS



0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

f(x) = − 0.000812236806759973 x + 17.8452533766773R² = 0.999091745070276

t (s)

lnλ

t




0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 40000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

f(x) = − 0.00266660986499465 x + 16.8964134201419R² = 0.999490364250096

t (s)

lnλ

t


Temperatura(K) 1/T k lnk

473,15 0,002113495 5,06E-05 -9,8921

493,15 0,002022778 1,34E-04 -8,9204

513,15 0,001948748 7,99E-04 -7,1310

533,15 0,001875644 2,70E-03 -5,914



Tabla 3:valores de las constantes de velocidad para el 4-oxo-1-piperidincarboxilato de etilo

0.00185 0.0019 0.00195 0.002 0.00205 0.0021 0.00215

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

f(x) = − 17310.8912623819 x + 26.5061062892754R² = 0.984559008958355

1/T

lnk



GRAFICO DE ARRHENIUS PARA EL N-CARBETOXI-4-PIPERIDONA

Parámetro Valores

T(K) 493,15

Ea(kJ/mol) 143,924

A(s-1) 3,25 x 1011

∆S≠(J/mol.K) -37,01

∆H≠(kJ/mol) 139,82

∆G≠(kJ/mol) 158,07



Tabla 4: Parámetros termodinámicos del N-carbetoxi-4-piperidona



Mecanismo de reacción propuesto para la descomposición térmica del compuesto estudiado

• Lafont, J; Ensuncho, A; Chuchani, G; Journal of Physical Organic Chemistry, 16, 84-88 (2003).• Reyes A.,Chuchani G. Revista Ingeniería UC, (16), N. 3,14 – 21,2009

• Lafont, M., Páez, M., y Alvis, A.; Información Tecnológica. 20 (5), 41-42, (2009).• Espitia A., Lafont J.; Información Tecnológica. 24(6), 15-23, (2013).

Estado de transición de seis miembros, semipolar y concertado, reorganización después del estado de transición

Los resultados de la descomposición térmica (termólisis) del N-carbetoxi-4-piperidona en el rango

de 473,15 K-533,15 K. expresados en términos de áreas permitieron determinar que la reacción

sigue una cinética de primer orden.

Los valores de las constantes de velocidad calculados mostraron una relación de

proporcionalidad directa con la temperatura, por lo que a medida que la temperatura aumenta

también lo hace la velocidad de reacción.


CONCLUSIONES

Se obtuvo el valor de la energía de activación y del factor pre-exponencial mediante la

ecuación de Arrhenius, para posteriormente obtenerse los valores de los parámetros

termodinámicos de activación, ΔG≠, ΔH≠, ΔS≠, los cuales describen a la reacción como no

espontánea (endergónica), endotérmica, y en la cual hay una gran disminución de los grados

de libertad del estado de transición con respecto a los reactivos.


CONCLUSIONES

Con base en los distintos productos identificados mediante técnicas cromatográficas y

espectroscópicas, en conjunto con los parámetros de activación determinados se propone un

mecanismo de reacción que involucra un estado de transición cíclico de 6 miembros, de carácter

semipolar y concertado. La reacción química consta de una sola etapa, en la cual el reactivo se

descompone para formar ácido 4-oxo-pipecolínico y eteno; dicho ácido a altas temperaturas sufre un

proceso de descarboxilación generando los productos finales de 4-oxopiperidina, y dióxido de

carbono.


CONCLUSIONES

A la Universidad de Córdoba por ser el centro de mi formación académica y permitirme usar sus

instalaciones y equipos para llevar a cabo la parte experimental de este trabajo.

A los jurados por tomarse el tiempo de leer y evaluar este trabajo de manera objetiva.

Agradecimientos especiales a mi directora, la Msc. Jennifer Lafont Mendoza, quién de forma muy amable

me acogió en su grupo de Cinética y Biocombustible y me orientó de manera correcta y eficaz en el

desarrollo de este trabajo.

A los químicos Andrea Espitia, Juan Sánchez y Siday Marrugo por su colaboración y apoyo logístico en el

transcurso de este trabajo.

A mis compañeros del grupo de Biocombustibles y Cinética Química Martha, Lily, Katherine, LuiFer,

Humberto, Jorge, Ana Lorena, Kelly,Jesu, Efraín, el profe Luis Carlos por el apoyo..

Finalmente un agradecimiento muy especial a mi compañero Adalberto Vargas por acompañarme en esta

lucha en pro de la cienciaGRUPO DE FISICOQUÍMICA ORGÁNICA 46

AGRADECIMIENTOS


ALFONSO R. GENNARO, “Remington Farmacia” 20a edición. Ed Panamericana 2003.

DONALD VOET, JUDITH G. VOET, Bioquímica. Ed. Omega 1993.

CASTELLAN GILBERT W., “Fisicoquímica” 2a edición. Ed Pearson.

THEOPHIL EICHER, SIEGFRED HAUPTMANN, “The Chemistry of Heterocycles” Second

Edition. Ed. Willey, United Kingdom, 2003.

Hall, H.K., J. Am. Chem. Soc., 1957, 79, 5441.

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2- and 4-piperidones, J. Chem. Eng. 51, (2006) 1556.

CAMPOS GARCÍA PELAYO, “Química Farmacéutica” Tomo 1. Universidad de Barcelona 2010.

Carlo Gandolfo, Peter AG Sandercock, Massimo Conti; Lubeluzole for acute isquemic stroke.

Published by John Wiley & Sons, Ltd. 2010.

Culmsee C, Junker V, Wolz P, Semkova I, Krieglstein J. Lubeluzole protects hippocampal

neurons from excitotoxicity in vitro and reduces brain damage caused by ischemia. European

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Jennifer Lafont, Adolfo Ensuncho, Rosa M. Dominguez, Alexandra Rotinov, Armando

Erize, Jairo Quijano and Gabriel Chuchani; Mechanism of elimination of amino acid

derivatives in the gas phase. Pyrolysis kinetics of ethyl picolinate, ethyl-1-methylpicolinate

and picolinic acid. J.Phys. Org. Chem. 2003; 16: 84-88.


BIBLIOGRAFÍA


GRACIAS!“Un experto es una persona que ha cometido todos los errores que se pueden cometer en un determinado campo”. Niels Bohr


Tiempo de vida media (t1/2) Ecuación de velocidad integrada Orden

A0 /2k 0

1

2

3

n


2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

t (s)

Área

tiempo área

2675,85 6627562,22

3543,19 3313781,11

4411,77 1656890,55

5279,01 828445,28

6146,43 414222,64

7013,77 207111,32

8409,88 103555,66

8748,44 51777,83

9615,77 25888,91


Descripción del compuesto

Se obtiene por reacción de N-metilpiperidin-4-ona con cloroformiato de etilo:

TEORÍA RELACIONADA

N

O

Adición/Eliminación

ClCOOEt

N

O

O

O

Cl

Descripción del compuesto


TEORÍA RELACIONADA

PROPIEDAD VALOR Y/O ATRIBUTO

Color Incoloro

Punto de ebullición 147-151 C

Fórmula molecular C8H13NO3

Peso molecular 171 g/mol

Estabilidad Estable a temperatura ambiente

Solubilidad 500 g/L a 20 C


N m/z=70

grupo de fisicoquÍmica orgÁnica. trabajo de grado como requisito para optar el titulo de químico...

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