SÍNTESIS DE LA THORINA

Resumen:

La síntesis de la Thorina, un reactivo cromógeno de amplio uso para el análisis espectrofotométrico de varios elementos, se encara dentro el paradigma de la retrosíntesis, lo que origina más de once rutas de síntesis diferentes, de las cuales se informa de dos de ellas. Los rendimientos y la identificación inequívoca de la thorina por IR y RMN, demuestran que los diseños de síntesis efectuados son los más adecuados y los espectros señalan del grado de pureza óptimo alcanzado en los procesos de recristalización de la Thorina sintetizada.

 

 

 

El ácido 2-(3,6-disulfonato sódico-2-hidroxi-1-naftilazo) bencenarsónico, más conocido como thorín 1, thorina o simplemente torina, es ampliamente utilizado como reactivo cromógeno para el análisis espectrofotométrico de varios elemento, entre ellos el litio a 486 nm[1].

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Thorina

     

Las aplicaciones analíticas de la thorina, los parámetros de trabajo, sus limitaciones y perspectivas, son abordadas y explicadas con suficiente detalle, en las publicaciones especializadas de análisis químico como es el Analitical Chemistry. Un breve resumen, de los mismos, muestra las siguientes aplicaciones:

En medio ácido: se utiliza para la determinación cuantitativa de los elementos thorio (Th), zirconio (Zr), flúor (F), hafnio (Hf) y uranio (U).

En medio básico: Es utilizada la forma ácida disulfónica de la thorina, más conocida como Thorón, en la determinación cuantitativa del litio (Li).

En medio neutro: la thorina es utilizada como indicador para la determinación de iones sulfato (SO42- ) en soluciones acuosas.

La thorina también es utilizada para determinar el SO2 en el aire.

Problema de investigación.

Dada la demanda de este reactivo para diferentes determinaciones analíticas y particularmente para el análisis colorimétrico del litio en salmueras proveniente del Gran Salar de Uyuni y la poca oferta del mismo en el mercado nacional, surge la necesidad de sintetizar la thorina, a partir de materiales simples y asequibles en nuestro medio.

Con esta finalidad, las rutas de síntesis diseñadas, se lo encara desde el paradigma de la RETROSÍNTESIS, siendo aplicables los métodos de Las Hojas de Síntesis, Método de las desconexiones o del Sintón y el Método del Árbol  de Síntesis.

En relación a la síntesis de la thorina, existe en la literatura una descripción breve y resumida de la síntesis del thorón[2], de acuerdo a la dirección propuesta  por Kuznetsov, es decir, se indica que para la preparación del thorón, se requiere que el ácido o-aminofenilarsónico, diazocopule con la sal disódica del ácido 2-naptol-3,6-disulfónico (sal R) en medio ácido.

Diseño de síntesis para la Thorina.

El diseño se lo encara por el método de las desconexiones o del Sintón, que contempla dos etapas. La primera está relacionada con el análisis retrosintético y la segunda con la síntesis en dirección de lo que ocurre en el laboratorio, es decir a partir de los materiales de partida hasta arribar a la Molécula Objetivo (MOb).

a)   Elementos  estructurales y de reactividad a ser considerados, para el análisis retrosintético

La thorina es un compuesto típicamente azoico, por lo tanto un colorante. La preparación de estos compuestos comprenden generalmente dos reacciones fundamentales, que son: la diazoación y la diazocopulación (o simplemente copulación).

Por otro lado, todas las moléculas precursoras de copulación utilizadas para la formación de colorantes azoicos, poseen un carácter común, esto es: un átomo activo de hidrógeno ligado a un átomo de carbono.

Son de uso amplio como moléculas precursoras (sustratos) para la copulación, las siguientes: Compuestos que poseen hidroxilos fenólicos, como los fenoles y naftoles, Aminas aromáticas, Moléculas con grupo cetónico enolizables de carácter alifático y Moléculas heterocíclicas como el pirrol, indol, etc.

En relación a la reacción de copulación, se debe tener en cuenta ciertos principios heurísticos, a saber:

·         Los fenoles se copulan más fácilmente que las aminas y los miembros de la serie del naftaleno más fácilmente que las del benceno.

·         Los sustituyentes con efecto inductivo negativo (-I), como los halógenos, grupos nitro, sulfa, carboxilo y carbonilo retardan la copulación.

·         Un grupo alquilo o alcoxi en posición orto o meta con respecto a un grupo amino estimula la copulación. Y si se hallan en las posiciones 2 y 5 con respecto al grupo amino, son copuladores especialmente buenos.

·         En la serie del benceno, la copulación ocurre ordinariamente en la posición para con respecto al grupo hidroxilo (-OH) o amino (-NH2). Si la posición para esta ocupada, el enlace ocurre en la posición orto.

·         En la serie del naftaleno, cuando el grupo hidroxilo amino está en la posición 2 (b), el reactivo se copula en la posición 1 (a). Si el grupo hidroxilo o amino está en la posición alfa, el enlace suele producirse en la posición 4; pero si la posición 3 o 6 están ocupados por un grupo sulfónico, la unión se efectúa en la posición beta.

·         Cuando existen dos posiciones posibles de copulación, la posición del enlace es decidida frecuentemente por el pH del medio: La copulación se produce en orto con el grupo amino cuando se realiza en medio ácido y en orto con el grupo hidroxilo cuando se realiza en medio básico.



[1] CHARLOT G. : Colorimetric Determination of Elements (principles and methods). 1964, pág. 284-

[2] Anal Chem.  1949, 21, 1239

a)   Retrosíntesis para la Thorina (MOb):

Basado en los elementos heurísticos anteriormente señalados, son varios los diseños de síntesis de la thorina, que responden al análisis retrosintético[1], propuesto. Que en esencia es una síntesis convergente, expresada por la diazocopulación de la sal disódica del ácido 2-naftol-3,6-disulfónico, conocido comúnmente como “sal R”, con el cloruro de ortodiazofenilarzónico en medio ácido

Se puede observar en el análisis retrosintético, que un intermediario clave o estratégico es la orto-nitroanilina, aspecto que conduce a materiales de partida simples como el benceno y naftaleno respectivamente.

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Fuente: Elaboración propia

La orto- nitroanilina,  puede ser sintetizada por diferentes procedimientos, con distintos niveles de complejidad y rendimientos. De las once alternativas investigadas experimentalmente, se señalan solo ocho en la roseta de retrosíntesis.

De la misma, se han seleccionado para la presente publicación, las alternativas de desconexión 3 y 4[2],  que a su vez originan dos rutas de síntesis convergentes.

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Roseta de Retrosíntesis para la orto - nitroanilina

b)   Síntesis de la “sal R”.

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c)   Síntesis del la thorina.

Ruta de Síntesis I: La estrategia toma en cuenta, la formación de orto–nitroanilina a partir del  reordenamiento nitroamínico de la nitranilina, en medio ácido.

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Ruta de Síntesis II. La estrategia pasa por la formación de orto–nitroanilina, por procesos de protección y desprotección de la posición para de la anilina.

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Resultados

Los experimentos desarrollados para cada etapa en las diferentes Rutas de Síntesis, han respondido a un diseño experimental factorial 22 que permitió investigar el efecto principal de los factores y la interacción entre los mismos[3], para optimizar las condiciones de trabajo.

ü Resultados experimentales de la preparación de la “sal R”.

Naftalenoβ-naftalensulfonato de sodioβ-Naftol     “sal R”

              r1 =   87.89 %                                              r2 = 86.55%                  r3 =75.23%

El rendimiento de la sulfonación del β–Naftol, es relativamente bajo, debido a que a la misma temperatura de sulfonación, también se forman otros productos como la sal de Schaeffer (2-naftol-6-sulfonato de sodio), y cantidades pequeñas de la sal sódica del ácido 2-naftol-6,8-disulfónico (ácido G), cuya sal de sodio es más soluble que la “sal R”, aspecto que se aprovecha en el proceso de recristalización de la “sal R”.

Rendimiento total:  R sal R  = (r1*r2*r3)*100

= (0.8789*0.8655*0.7523)*100 = (0.5723)*100 = 57.23 %  

üResultados experimentales para la Ruta de Síntesis I.

El proceso que parte del benceno hasta arribar al cloruro de orto - diazofenilarzónico  (Cl-o-DFA), consta de ocho etapas y alcanza un rendimiento de RCl-o-DFA = 23.39%.

En cambio la reacción en medio ácido, del cloruro de orto - diazofenilarzónico con la “sal R”, preparadas según los esquemas anteriormente señalados, para obtener la THORINA, presenta un rendimiento de 85.46 %.

En base a estos resultados experimentales, el rendimiento total (QTSI) de la Síntesis I, con un límite de confianza del 95% es:

QTSI =  [(57.23 %  +  23.39%)/2]*85.46 =  34.45%

El costo intrínseco de producción para la thorina, en la ruta de Síntesis I es de 0.81 $us/g

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üResultados experimentales para la Ruta de Síntesis II.

En esta nueva alternativa de síntesis, el benceno se transforma en cloruro de orto- diazofenilarzónico en nueve etapas, con un rendimiento RCl-o-DFA = 28.04%.

La reacción de esta sal, cloruro de orto – diazofenilarzónico, con la ·sal R” en medio ácido, como se indicó anteriormente, alcanza un rendimiento de 85.46%., por lo cual el rendimiento total de la Ruta de Síntesis II (QTSII), es de 36.44%.

El costo intrínseco de producción de thorina, según esta ruta de síntesis es de 1.17 $us/g 

Conclusiones

Las diferentes rutas de síntesis propuestas y experimentadas, tienen la virtud de demostrar, que la síntesis orgánica, corazón de la química orgánica, es una disciplina eminentemente predictiva, y es una herramienta pedagógica de alto valor,

El análisis retrosintético, expresado por la metodología de las desconexiones en el plano del diseño y el uso de los diseños experimentales factoriales utilizados en la práctica, son una combinación poderosa, para encarar trabajos de síntesis orgánica de niveles de profundidad considerables.

La reproducibilidad del análisis de litio en soluciones acuosas en medio básico, la estabilidad del complejo litio–thorina, el porcentaje de Na y As presentes en la molécula, así como los espectros IR y RMN del producto obtenido, demuestran el alto grado de pureza de la thorina sintetizada.

BIBLIOGRAFÍA

01.  ALDRICH. Catalog Handbook of Fine Chemical. Ed. Aldrich Chemical Company Inc. 1994 – 1995.

02.  CAICEO A. F. Diseño Experimental. S. ed. S.f.

03.  CHARLOT G. Colorimetric Determination of Elements (principles and methods) Ed. Elsever Publishing Company, 1964

04.  DOMÍNGUEZ X. A. Química Orgánica Experimental. Ed. Limusa S.A. 1982

05.  GOULD E.S. Mecanismo y Estructuras en Química Orgánica. Ed. Kapeluz . 1967

06.  KIRK Y VARIOS. Enciclopedia de Tecnología Química. Ed. Hispano – Americana, 19959

07.  MILLER J. C. Estadística para Química Analítica. Ed. Addison – Wesley Iberoamericana, S.A. Segunda Edición 1993.

08.  THOMASON P.F. Anal Chem 28 (1956)

09.  WARREN S. Diseño de Síntesis Orgánica (Introducción al método del Sintón). Ed. Alhambra, 1983.

Wilbert Rivera Muñoz .  Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.



[1] COREY E.J.  Premio Nobel de Química 1966. Creador  del  Paradigma de la Retrosíntesis.

[2] RIVERA W. La Heurística de la Thorina. 1997. U.A.T.F.

[3] CAICEO A. F. Diseño Experimental.  1989, pág. 39.

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