Experimentos catalíticos

De acuerdo a los objetivos de éste trabajo, los componentes del sistema de reacción son geraniol, peróxido de hidrógeno, un disolvente, un catalizador metálico del conjunto [Ti, V, Mo, W] y los productos esperados de la oxidación: 2,3 epoxigeraniol, 6,7 epoxigeraniol y diepoxigeraniol. Para el sistema acuoso, el disolvente es n-propanol y el oxidante es peróxido de hidrógeno acuoso al 33%, que además aporta agua. Para el no acuoso, el disolvente es acetato de etilo y el oxidante peróxido de hidrógeno al 10% en acetato de etilo.

3.4.1. Ensayo catalítico

En un experimento típico, se ponen en marcha cinco reactores que contienen 40 mL de la mezcla de reacción de un medio único, acuoso o no acuoso. Bajo agitación, las disoluciones tardan 40 minutos en estabilizarse a los 50ºC establecidos. Entonces, se toman muestras de 140 µL de cada reactor para, de inmediato, medir concentración de peróxido y de los componentes orgánicos. A continuación, se agrega el blanco de catalizador al primer reactor, y se marca su tiempo de reacción cero. Seis minutos después, se toma la muestra de reacción que corresponde a 0.1H y de nuevo se miden los componentes. Se continúa con la adición secuencial de los catalizadores a los restantes reactores, en orden de peso atómico: Ti, V, Mo y W, y la medida de la evolución de la reacción desde tiempo 0.1h, para cada uno de ellos. Al finalizar, han transcurrido dos horas y se reinicia la toma y análisis de muestras en la misma secuencia, hasta cuatro veces, para completar ocho horas de seguimiento de la reacción. En los casos en que sea necesario, se realizan medidas a 20h de reacción.

Conviene hacer notar, que la adición del catalizador, 200 µl si es líquido y menos de 1g si es sólido, no provoca variaciones apreciables de la temperatura de la mezcla. Asimismo, no se toman muestras a tiempo menor a seis minutos, en consideración a que la adición del catalizador altera la mezcla de reacción, y es necesario dar tiempo a que se establezca un nuevo equilibrio para obtener medidas reproducibles.

3.4.2. Preparación del peróxido de hidrógeno en acetato de etilo

La disolución de peróxido de hidrógeno al 10% en acetato de etilo, utilizada como oxidante para la reacción no acuosa, se prepara mediante extracción directa en un embudo de decantación. Se ponen 100 mL del acetato, y 100 mL de peróxido de hidrógeno al 50%, se agita, se permite la separación y se retira la fase acuosa, más pesada. La fase orgánica, se diluye con una nueva porción de 100 mL del acetato de etilo y se agregan 50g (exceso) de sulfato de sodio anhidro, para eliminar el agua excedente. Se deja actuar el desecante durante al menos 24 horas, se separa el sólido y se valora la concentración de peróxido en la disolución, para después ajustarla a la concentración final de consigna del 10%, mediante la adición de más acetato de etilo.

Para la determinación volumétrica de peróxido, se toman 100 µL de la disolución, se agregan sobre 5 mL de ácido sulfúrico 4M, y se valoran con permanganato de potasio 0.25N (Kholthoff, 1946). Como referencia, se utiliza peróxido de hidrógeno 33%, para el cual es necesario utilizar 33 mL de titulante.

3.4. Experimentos catalíticos

3.4.3. Métodos de análisis

Se presentan los métodos de análisis y los calibrados de la cromatografía de gases para la determinación de las concentraciones de geraniol y sus derivados, así como los de espectrofotometría para la determinación de concentración de peróxido de hidrógeno.

i) Cromatografía de gases

Los sustratos y productos de la reacción de oxidación parcial del geraniol se analizaron por cromatografía de gases, empleando un cromatógrafo Varian 3380 dotado con un inyector 1079, y un detector de ionización de llama (FID). El instrumento está dotado con un microprocesador que permite programar tiempos y temperaturas de inyección, y atenuar las señales entregadas por el detector en fracciones de 2n: 1, ½ , ¼, hasta 1/64.

El equipo fue programado para las siguientes condiciones:

Inyector 1079, flujo dividido a 1:33, sin programación específica, a 250ºC.

Columna capilar Tracsil, de 60 m de longitud, diámetro interno 0.32 mm y relleno de polaridad media derivado del polietilenglicol.

Flujo de gas portador, helio: 2 ml/min Temperatura inicial del horno: 150ºC

Rampa de calentamiento: 25ºC/min, hasta 250ºC. (tiempo: 4min) Temperatura final 250ºC, por 11 minutos. (tiempo total 15 min)

Detector FID a 250ºC, con atenuación 1/32 para los primeros 5 minutos del tiempo de retención cromatográfico y 1/8, para los 10 minutos finales.

Las señales son recibidas, procesadas, integradas y pueden visualizarse en el ordenador por medio del programa Star 5 de Varian, de manera que, después del calibrado, registra directamente los resultados finales de cada determinación.

Los calibrados se realizan atendiendo a las características de las mezclas de reacción. Se miden los picos, que representan más del 1% del área del pico del geraniol en su concentración inicial, en las mezclas de reacción. Para mantener constante la concentración del disolvente, con el fin de utilizarle como referencia, los calibrados se realizan por concentraciones de geraniol y producto, cuya suma equivale a la concentración inicial de geraniol C0. Las ecuaciones de calibrado son, para el geraniol, Y=2550/C/Co, (R2=0.994);

para el 2,3 epoxigeraniol Y=2119/C/Co, (R2=0.995) y para el diepóxigeraniol Y=1899/C/Co,

(R2_{=0.993). De esta manera, los factores de respuesta respecto de la del geraniol fueron, 0.838}

ii ) Análisis espectrofotométrico de peróxido de hidrógeno.

Dado que el método de iodometría redox (Sanz, 2002) resulta costoso y lento para hacer un seguimiento punto a punto de la concentración de peróxido de hidrógeno remanente, se desarrolló un método espectrofotométrico adaptado del propuesto en la bibliografía para medida de peróxidos en gases de chimenea (NIOSH, 2000).

De acuerdo con este método, la reacción del peróxido de hidrógeno con una disolución de sulfato de titanilo produce un complejo amarillo que absorbe energía a 410 nm, y cuyo intervalo lineal para la determinación varía entre 6 y 120 µg de peróxido.

Para preparar la disolución de sulfato de titanilo en ácido sulfúrico, bajo agitación continua, se agregan 5.5 ml de una disolución comercial de sulfato de titanilo al 15% en ácido sulfúrico 70%, sobre 18 ml de ácido sulfúrico 96%. Cuando la disolución se ha enfriado hasta temperatura ambiente, se agregan 4g de sulfato de amonio que se han de disolver totalmente. A continuación, también bajo agitación continua, se agrega lentamente la disolución preparada sobre 50 ml de agua. Una vez se enfríe hasta la temperatura ambiente, se completa hasta un volumen de 100 ml. Es indispensable trabajar en vitrina de protección y utilizar la protección adecuada.

Para obtener la curva de calibrado, se preparan pares de tubos de ensayo calibrados a 10 ml, uno de ellos con 3 ml de n-propanol y el otro con 3 ml de agua. Sobre el primero, con una micropipeta, se agregan 180 µl de la muestra de un patrón de peróxido de hidrógeno 1.25M (concentración idéntica a la propia de las mezclas de reacción), se afora hasta 10 ml con agua y se agita. De allí se toman 180µl de muestra que se agregan al tubo con agua, y se vuelve a aforar hasta 10 ml. Se obtiene una disolución coloreada patrón de concentración relativa 1, esto es concentración inicial de peróxido en los sistemas de reacción. Los demás patrones de la curva de calibrado se preparan por la adición de cantidades menores de patrón al primero de los tubos, por ejemplo 144, 108, 72, 36 y 0 µl, para concentraciones relativas de 0.8, 0.6, 0.4, 0.2 y 0, respectivamente. La ecuación de calibrado es Y = 232 C (R2 = 0.994).