SÍNTESIS Y BROMACIÓN DE LA ACETANILIDA Daniela Restrepo Torijano a, Juan Camilo Ospina Alzate b. a.
[email protected]. b.
[email protected]. Departamento de Química, Universidad del Valle, AA. 25360, Cali, Colombia. Fecha de la práctica: 21-10-2016 Fecha de entrega: 31-10-2010
RESUMEN: Se Realizó la síntesis de la acetanilida a partir de anilina, utilizando anhídrido acético y acetato de sodio para la acetilación del grupo amino del anillo aromático. Para eliminar posibles impurezas presentes en la anilina se hizo un tratamiento previo con carbón activado, posteriormente se cristalizó el producto y se obtuvo un sólido blanco, del cual se midió el punto de fusión experimental, dando un resultado de 113.5-114.5 °C. Finalmente, se obtuvo el p-bromoacetanilida a partir de la acetanilida obtenida anteriormente y una solución de bromo – ácido ácido acético en constante agitación. La solución obtenida se cristalizó en agua hielo, y los cristales formados se recristalizaron en 2 mL de Etanol al 95%, obteniendo así un punto de fusión experimental de 163.5 – 167.5. 167.5. También se caracterizó los compuestos formados por espectros IR y espectroscopia de masas, masas, las bandas y fragmentaciones obtenidas respectivamente, mostraron una similit ud entre sí, evidenciando así la correcta síntesis de los compuestos formados. PALABRAS CLAVE:
Acetanilida, Bromación, Acetlicación, Sustitución Electrofílica Aromática.
1. Resultados: Síntesis de la acetanilida mediante acetilación de la anilina. El esquema general de la reacción se muestra a continuación.
Para calcular el porcentaje de rendimiento de la síntesis, se debe conocer cuál es el reactivo limitante de la reacción
Reactivo limite. Anilina
0.30 × × ×
Esquema 1. Reacción general para la síntesis de la acetanilida.
Las cantidades utilizadas de cada reactivo se encuentran registradas en la Tabla 1. Tabla 1. Datos experimentales para la síntesis de la acetanilida. Sustancia Anilina Anhídrido acético
Cantidad 0.3 0.45
1.0217
1 1
93.13 1
1 = 3.291 × 10−
Anhídrido acético. 0.45 × × ×
1.08
1 1
102.1 1
1 = 4.760 × 10− Por lo tanto el reactivo límite es la anilina
Rendimiento experimental para la síntesis de la p bromoacetanilida, se halló con la diferencia del peso del papel filtro solo (0.7087 g) y el papel filtro más el compuesto (1.270 g). Ahora con las moles de anilina obtenidas se encuentra el rendimiento teórico y finalmente el porcentaje de rendimiento de la reacción. Rendimiento teórico: 0.643 g de Acetanilida Rendimiento experimental: 0.5628 g
ó
0.0666 g El rendimiento teórico se determina como sigue.
Reactivo limite.
El rendimiento de la síntesis se calcula con la siguiente expresión.
% =
Rendimiento experimental para la síntesis de la p bromoacetanilida, se halló con la diferencia del peso del papel filtro solo (0.3374 g) y el papel filtro más el compuesto (0.4040 g).
×
Acetanilida.
0.1018 ×
100 . ( 1) ×
Tabla 2. Valores teórico y experimental del punto de fusión para la acetanilida.
Punto de fusión ℃ Teórico Experimental
̅ = 113 1141 ̅ = 113.5 113.5 – 114.5 ̅ = 114.0
135.17 1
1 = 7.5312 × 10−
% = 87.53% La Tabla 2 muestra los valores teóricos y experimentales del punto de fusión para la acetanilida.
1
Bromo.
12 ≅ 0.6 ln 33.3 3.119 × × 1 00 ln 1 1 1 × × 159.8 1 = 3.90 × 10− De lo anterior se concluye que el reactivo límite es la acetanilida.
Bromación de la acetanilida.
Ahora con las moles de acetanilida obtenidas se encuentra el rendimiento teórico y finalmente el porcentaje de rendimiento de la reacción.
La reacción general se muestra en el Esquema 2.
Rendimiento teórico 7.5312 × 10− 214.07 × 1 = . Esquema 2. Reacción general para la síntesis de la p-bromoacetanilida.
% =
0.0666
0.1612 = . %
× 100
Finalmente, se caracterizó el compuesto final por espectroscopía de masas:
La Tabla 3 muestra los valores teóricos y experimentales del punto de fusión para la p bromoacetanilida. Tabla 3. Valores teórico y experimental del punto de fusión para la p-bromoacetanilida.
Figura 2. Espectro de masas de pbromoacetanilida
Punto de fusión ℃ Teórico
̅ = 164 1672
Experimental
163.5 – 167.1 ̅ = 165.3
Finalmente se caracterizó el producto y su precursor por medio de espectroscopia IR, como se muestra a continuación:
100
Acetanilida
2. ANÁLISIS DE RESULTADOS: Los derivados de ácidos carboxílicos son compuestos con grupos funcionales que se pueden transformar en ácidos carboxílicos mediante una hidrolisis ácida o básica. Los derivados más importantes son los esteres, las amidas y los nitrilos. Los haluros de ácido y los anhídridos también están incluidos en este grupo, a pesar de que se suele pensar en ellos como formas activadas de los ácidos debido a que en un haluro de ácido, el átomo del halógeno activa el grupo carbonilo y actúa como grupo saliente y en un anhídrido, el grupo carboxilo realiza estas dos funciones:
c
ai
90
80
s
m
tai
n
3300
1673
70
ar
n %
T 60
756
696
p-BromoAcetanilida 3300 1679
50
823
40 3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
-1
No. de Onda (cm )
Los derivados de ácidos carboxílicos , del mismo modo que los otros compuestos con carbonilo, tienen arreglo plano de sus enlaces en este grupo funcional. Así, que todos son más o menos iguales a la hora de ser atacados por un nucleófilo, ya que solo difieren en la capacidad que posee el átomo o grupo funcional unido al grupo carbonilo para estabilizar al mismo por donación de electrones:
Figura 1. Espectros IR de Acetanilida y pbromoacetanilida
Por tanto la liberación de electrones por parte del sustituyente X no solo estabiliza al grupo carbonilo, también disminuye su carácter positivo y hace que sea menos electrófilo, es decir, el orden de reactividad de los derivados de los ácidos carboxílicos ante la
sustitución nucleofílica en grupo acilo se puede explicar sobre a partir de las propiedades de donación de electrones del sustituyente “X”, ya que mientras mayor sea la fuerza con la que X dona electrones, la rapidez de la reacción implicada será menor 3. Aprovechando estas propiedades de reactividad de los derivados de acidos, es posible obtener los derivados de ácido menos reactivos a partir de los más reactivos al ser tratados con nucleófilos adecuados. Tal es el caso de síntesis de la acetilación de anilina, en la cual da lugar a una amina secundaria, cuyo proceso consiste en un mecanismo de cuatro etapas 4.
La segunda etapa consiste en la desprotonación del compuesto obtenido en la purificación de anilina por tratamiento con acetato de sodio (AcNa) así:
En la tercera etapa del proceso se basa en adición nucleofílica de la anilina al grupo carbonilo del anhídrido acético formado el intermediario tetraédrico el cual expulsa un grupo aceto del anhídrido original:
Los compuestos anhídridos de ácido se caracterizan por tener un grupo carbonilo bastante estabilizado por donación de electrones, comparado con un grupo carbonilo de un haluro de acilo. En la primera etapa se realiza la purificación de la solución acuosa de anilina con HCl concentrado formándose el cloruro de anilinio. +
NH3 Cl
NH2
-
Finalmente, el ión acetato formando extrae un protón de la amina, formando así un compuesto más estable:
[HCl] H2O Figura 3. Reacción de anilina con HCl .
El producto obtenido al estar en presencia de carbón activado genera la eliminación impurezas del medio, lo que se evidenció con el cambio de la coloración inicial de la solución (amarilla) a incolora, obteniéndose así el clorhidrato de anilina. Lo anterior es posible gracias a que el carbón activado tiene la capacidad de adsorber impurezas del medio, debido a que los átomos de carbono que forman un sólido al que llamamos “carbón”, se ligan entre sí mediante uniones de tipo covalente. Cada átomo comparte un electrón con otros cuatro átomos de carbono. Los átomos que no están en la superficie, distribuyen sus cuatro uniones en todas las direcciones. Pero los átomos superficiales, aunque están enlazados con otros cuatro, se ven obligados a hacerlo en menor espacio, y queda en ellos una pérdida de fuerza de enlace. Esta pérdida . es el que provoca que una molécula del fluido que rodea al carbón se enlace con este, y ocurra así la purificación del medio.
Al producto final obtenido se le realizó la determinación del punto de fusión, dónde se determinó que este funde a 114.0 ±0.1 °C, cuyo valor que al ser comparado con el reportado en la literatura, testifica la eficiente formación de la acetanilida, debido a que la diferencia ente dichos valores no es significativa. Por otro lado para la bromación de la acetanilida, fue necesario tener en cuenta que la reactividad de un anillo aromática se ve afectada con la presencia de sustituyentes, y que a su vez el grupo arilo afecta la gra reactividad que posee el grupo amino unido a un anillo aromático. Lo anterior es debido a la deslocalización electrónica que reduce la. basicidad y el carácter nucleofílico del nitrógeno de una arilamina y que a su vez aumenta la densidad electrónica en el anillo aromático y hace que las arilaminas sean extremadamente reactivas frente a la sustitución electrofílica aromática. A continuación se da a conocer la deslocalización de los electrones del grupo amino en
el sistema aromático como grupo activador, mostrando así sus orientaciones de sustitución 3.
Lo anterior se traduce en que las arilaminas son directores orto y para, así como grupos activadores extremadamente poderosos. Es por esto que las reacciones de halogenación de arilaminas y derivados se producen con rapidez, sin necesidad de un catalizador y si se utiliza un exceso de reactivo, todas las posiciones orto y para, respecto al grupo amino, que estén sin sustituir serán ocupadas por el halógeno respectivo. Es por esta razón que para obtener un producto monosustituido se hace necesario realizar una protección del grupo amino, la cual consiste en realizar una acilación del mismo, lo cual convierte al grupo ariamino en un grupo acilamino, una amida menos reactiva. Este descenso en la reactividad es debido a que la atracción electrónica por parte del grupo carbonilo genera que el nitrógeno de un amida sea una fuente de electrones mucho más deficiente que el nitrógeno de una amina, es decir, las amidas son mucho menos básicas y menos nucleófilos que las aminas y por tanto hacen que los electrones esten menos disponibles para ser compartidos con el anillo aromático, aunque todavía sigue prevaleciendo su orientación orto y para. Sin embargo al realizar la bromación de la acetanilida fue necesario primero activar las cargas parciales del bromo molecular por medio de una mezcla de la solución de bromo con ácido acético, esta activación es generada por los pares libres del oxígeno del grupo carboxilato, los cuales interaccionan con la molécula de bromo distorsionando su densidad electrónica, permitiendo así que se formen las cargas parciales que permiten que el bromo reaccione con el anillo aromático por medio de una reacción de sustitución electrofílica aromática, así:
En el anterior mecanismo se puede observar que una vez activado el bromo molecular y estar en presencia de la solución de la acetanilida, el sistema aromático ataca al Br que posee una carga parcial positiva, dándose la sustitución en la posición para, posteriormente el ion bromuro produce la eliminación del hidrógeno del carbono 4, recuperándose así la aromaticidad. Esta reaccion no ocurre en la posición orto, debido a que el grupo amido es un grupo muy voluminoso, lo cual impide que el anillo aromático ataque al bromo activado correctamente, causando un gran impedimento estérico. Una vez recuperado el sistema aromático, se adicionó bisulfito de sodio (NaHSO3) con el fin de reducir el Br 2, en exceso presente aún en la solución, para obtener los cristales del producto requerido. Finalmente se realiza una recristalización en 2 mL de Etanol, para asegurarse de que el producto esté libre de impurezas. Posteriormente, se determinó el punto de fusión del compuesto sintetizado, el cual se presentó en la Tabla No.3, se pudo determinar que el rango obtenido concuerda con el rango teoríco, confirmando así la correcta síntesis del compuesto requerido, y la no presencia de impurezas. Al respecto del porcentaje de rendimiento obtenido es posible argumentar que las pérdidas en este, están asociadas en gran parte con el proceso de recristalización del compuesto, ya que en al de momento de recuperar por filtración los cristales obtenidos, no fue posible extraer todo el producto generado del vaso de precipitado, debido a que parte del producto se fijó a las paredes del mismo dificultando así su recuperación. Finalmente, se caracterizó los compuestos sintetizados mediante espectroscopía IR, la cual mostró para la acetanilida una banda en 3300 cm -1, lo cual confirma la presencia de un enlace N-H, una banda en 1673 cm 1 , evidenciando así la presencia de un enlace carbonilo desplazada a una menor frecuencia que la referencia 1715, debido a efectos resonantes del grupo NH 2 que
provoca que la fuerza del enlace carbonilo se vea debilitada. También se observa dos bandas en 756 y 696 cm-1, evidenciando así la presencia de un anillo aromático monosustituido. Para el compuesto p-bromoacetanilida, se observa la conservación de la vibración de tensión del N-H y del grupo carbonilo, pero posee una sola banda en 823 cm1, evidenciando así la presencia ahora de un anillo aromático 1,4-disustituido. 5
3. Solución al cuestionario: 1. ¿Cómo obtendría en el laboratorio la fenacetina?
(aspirina). Escriba la ecuación y consulte las condiciones .
6. ¿Por qué se obtiene únicamente el isómero para y no el orto y el meta? Esta pregunta fue contestada en la sección de análisis de resultados
7. Escriba el procedimiento para obtener la pCon la siguiente reacción:
bromoanilina a partir de la bromoacetanilida. La hidrólisis en medio ácido permite regenerar el grupo amino como sigue:
2. Porque en la síntesis del acetaminofén no se obtiene el éster correspondiente al producto de acetilación del grupo hidroxilo. Porque en el aromático el grupo amino es más nucleofílico que el grupo hidroxilo, por lo cual el ataque nucleofílico al carbono del carbonilo deficiente en electrones del anhídrido acético se da a través del grupo amino.
8. ¿Cómo obtendría el orto y el para-bromofenol? Empleando un solvente de baja polaridad tal como, cloroformo, tetracloruro de carbono o sulfuro de carbono, se pueden obtener compuestos monobromados en la halogenación del fenol. 6
3. Escriba el mecanismo de acetilación de la anilina. Resuelto en la discusión
4. ¿Cómo prepararía la p-acetil anilina? Explique con ecuaciones
9. Formule las ecuaciones que muestre: a. ¿Cómo la p-bromoanilina se puede preparar a partir de bromobenceno?
5. La acetilación se utiliza para obtener otro analgésico de uso muy frecuente, el ácido acetilsalicílico
Los derivados halogenados del benceno tienen un efecto doble sobre el anillo aromático, primero dado su electronegatividad sustrae densidad electrónica por
enlace sencillo y además poseen pares de electrones libres que pueden ser cedidos a través de enlace pi. 7
[3] Weininger, S. J.; Carey, F. R. Química Orgánica; Revertré: Barcelona, 1988. [4] y [6] Wade, L. G.; Jr. Química Orgánica (Volumen II); López Ballesteros, G., Ed.; Séptima ed.; Pearson Educación: Mexico D.F., 2012; pp. 737, 751, 764, 880 – 882.
En la reacción anterior el producto principal se produce en l posición para y el compuesto en orto se produce en menor proporción.
b. ¿Cómo la m-bromoanilina se puede preparar a partir de nitrobenceno? Dado que el grupo nitro es orientador meta, la reacción puede darse como sigue.
4. Conclusiones: La menor basicidad de las amidas se puede utilizar como ventaja en las sustituciones electrofílica aromáticas. El uso de nucleófilos adecuados tales como la anilina, es el paso más importante en la síntesis de derivados de ácidos carboxílicos de menor reactividad. Las posiciones de los nuevos sustituyentes en un compuesto aromático están determinadas por los grupo funcionales presentes inicialmente en mismo.
5. Bibliografía: [1] Geissman, T. A. Principios de Química Orgánica; Segunda.; Reverté S.A: Barcelona, España, 1974; p. 18. [2] Pavia, D.; Lampman, G.; Kriz, G.; Engel, R. A Small Scale Approach to Organic Laboratory Techniques; Cengage Learning, 2010; p. 335.
[5] y [7] Morrison, R. T.; Boyd, R. I. Química orgánica; Quinta.; Pearson: Mexico D.F., 1998; p. 996.
