UNIVERSIDAD DEL VALLE DE MÉXICO LICENCIATURA EN QUÍMICO FARMACÉUTICO BIOTECNÓLOGO
MATERIA
CLAVE
Laboratorio de Química Orgánica II
562937 DURACI N APROXIMADA
PRACTICA No. 7 S NTESIS NTESIS DE LA p-NITROANILINA EN TRES ETAPAS: ETAPA 1: “SÍNTESIS DE LA ACETANILIDA ”
3 hr.
OBJETIVO DE LA PRÁCTICA El estudiante: Protegerá el grupo amino de una amina aromática mediante una reacción de acetilación para, posteriormente en una reacción de nitración, nitrar el anillo aromático de la amida aromática previamente protegida con el grupo acetilo (acetanilida) mediante una reacción de Sustitución Electrofílica Aromática.
Sintetizará la acetanilida a partir de la anilina empleando anhídrido acético como agente acetilante.
Aplicará técnicas de recristalización con mezclas binarias para la purificación del producto, la acetanilida. GENERALIDADES Las nitroanilinas son productos químicos intermediarios importantes en la
fabricación de colorantes. En esta serie de experimentos, se sintetizará p-nitroanilina (Figura 1) a través de una secuencia de varios pasos. H
H N
N
O
O
Fig. 1
La p-nitroanilina se utiliza en la síntesis del colorante azoico Para Red (paranitraniline red, Pigment Red 1, C.I. 12070), un colorante generado a través una reacción de diazotación.
El proceso implica el uso de ácido nitroso, HNO 2, para crear el ion nitrosonio, N=O +, que al reaccionar con la amina aromática, p-nitroanilina
da lugar a la sal de diazonio
correspondiente, el cloruro de 4-Nitrobencenodiazonio (Figura 2), un electrófilo débil que por copulación
reacciona con el -naftol (2-naftol), en una reacción de sustitución
electrofílica aromática, lo que da lugar al colorante a zoico, Para Red . NO2
H
H
N
N
Cl
N
O H
NaNO2 / HCl
N
-Naftol
+
N
0 °C
HCl
O H
N
O
N
O
O
p-Nitroanilina
O
Cloruro de 4-nitrobencenodiazonio
1-[(E)-(4-nitrofenil)diazenil]naftalen-2-ol ( Para Red )
Fig. 2 La secuencia sintética para preparar p-nitroanilina a partir de anilina, implica en un primer paso, la protección del grupo amino mediante la acetilación de la anilina para obtener acetanilida, (Figura 3) con el fin de evitar que el grupo amino “protegido” experimente reacciones indeseables durante la reacción de nitración que da lugar a la pnitroacetanilida.(Figura 4) O H
H
H
O
N
O
O
C
C
C N
C
+ Anilina (Una amina aromática 1°)
CH3
O
CH3
CH3
Anhídrido acético (Un anhídrido carboxílico)
OH
Acetanilida
Fig. 3
CH3
O H
O
C N
H CH3
C N
CH3
HNO3 / H 2SO4
N
Acetanilida
O
O
p-Nitroacetanilida
(4-Nitroacetanilida)
Fig. 4 La nitración aromática de acetanilida es una reacción muy exotérmica; los reactivos deben de adicionarse lentamente con agitación continua a una temperatura de entre 5 a 10 °C cuidadosamente controlada. La acetanilida se disuelve primero en ácido acético, calentando hasta disolución, la solución posteriormente se enfría y se le adiciona a continuación la emzcla sulfonítrica; sin embargo, aun enfriando, la temperatura de la solución se eleva casi a 40º C. Ambas, la solución de acetanilida y la mezcla sulfonítrica (una mezcla de HNO 3 y H2SO4) deben enfriarse a alrededor de 10º C antes de que la reacción inicie..
MECANISMO MECANISMO DE REACCION DE LA ACETILACIÓN El primer paso inicia con la protonación de uno de los grupos carbonílicos del anhídrido acético, por transferencia de un protón del ácido acético a uno de los grupos carbonilo del anhídrido acético, haciendo que el carbono del grupo carbonilo protonado se vuelva más electrofílico (Figura 5)
O CH3
C
O
O
C
O
CH3
+
CH3
C
O O
Ácido acético
Anhídrido acético
H
CH3
C
O O
C
H
CH3
O +
CH3
C
O
Anhídrido acético protonado Ion acetato (Ion ( E )-[1-(acetiloxi) etiliden]oxonio)
Fig. 5 En un segundo paso se produce la adición de la p-nitroanilina al anhídrido acético protonado, en esta etapa el nitrógeno, actúa como una base de Lewis nucleofílica que ataca al grupo carbonilo electrofílico protonado, formando un ion carbinolamonio Oacetilado intermediario (Figura 6).
O CH3 H
N
C
O O
C
H
CH3
O CH3
C
O O
H
C
CH3 H N H
H
p-Nitroanilina
O O
N
O
N
O
Ion N -[1-(acetiloxi)-1-hidroxietil]-4-nitrobencenamonio (Ion carbinolamonio)
Fig. 6
En un tercer paso de equilibrio, se transfiere, por un lado un protón del nitrógeno del ion carbinolamonio a un ion acetato y por otro, un protón del ácido acético al oxígeno O-acetilado (Figura 7), dando lugar a un ion oxonio intermediario ( Ion acetil{1-hidroxi-1[(4-nitrofenil)amino]etil}oxonio)
O CH3 O CH3
C
C
O O
H
O
C
CH3 H N H O
O
CH3
O
H
C
C
O
CH3
Ion acetato
CH3
C
O O
H
C
CH3 H N H H
O O
C
CH3
Ácido acético
O
Ion acetato
Ácido acético O
N
O
O
N
O
Ion acetil{1-hidroxi-1-[(4-nitrofenil)amino]etil}oxonio
Fig. 7 En un cuarto paso, un par de electrones no enlazados del oxígeno del grupo hidroxilo en el ion oxonio carbinolamina, forman un enlace doble con el carbono, provocando la salida una molécula de ácido acético (el grupo saliente) en un paso de eliminación, dando lugar a la acetanilida protonada en el grupo carbonilo (Figura 8).
O CH3
C
H
O H
O
O
O
C
C
CH3 N H
N
CH3
O
O
H +
H
Ácido acético
O
O
Ion acetil{1-hidroxi-1-[(4-nitrofenil)amino]etil}oxonio
Fig. 8
N
N
C
H
CH3
O
Acetanilida (protonada en el grupo carbonilo)
En un quinto y último paso el grupo carbonilo protonado pierde un protón al ser atacado por el ion acetato, formándose la acetinilida y una molécula de ácido acético (Figura 9).
O H
O
N
N
C
O
H O CH3
C
O O CH3
H
Ion acetato
O
O
Acetanilida (protonada en el grupo carbonilo)
N
N
C
O
Acetanilida
Fig. 9
+ CH3
H
O
C
CH3
Ácido acético
DESARROLLO EXPERIMENTAL Etapa I. Reflujo. En un matraz bola de 250 mL coloque 12 mL de anilina (medir con pipeta graduada y propipeta), a continuación adicione en la campana de extracción, 12 mL de anhídrido acético [precaución: el anhídrido acético es muy irritante] y 10 mL de ácido acético glacial. Coloque una barra magnética en la mezcla de reacción, adapte un refrigerante al matraz en posición vertical (Figura 1) y caliente a reflujo la mezcla durante 15 minutos con la mantilla de calentamiento con reóstato. Etapa 2. Filtración. Enseguida, vierta la mezcla de reacción caliente, lentamente sobre 100 mL de agua helada contenida en un vaso de precipitados de 250 mL. Enfríe exteriormente el contenido del vaso en un cristalizador con un baño de hielo, luego filtre a vacío en un embudo Büchner y matraz Kitasato (Figura 2), lave el precipitado con pequeñas porciones de agua helada (en vaso de precipitados de 100 mL), hasta obtener un pH neutro en el agua de filtración. Deje secar la acetanilida sobre papel filtro al aire. Etapa 3. Rendimiento y caracterización. Una vez que el producto esté seco, pesar para calcular el rendimiento y determinar el punto de fusión en el aparato de Fisher-Johns (punto de fusión 113-115° C). NOTA: Conserve el producto para la segunda etapa a desarrollar en la siguiente práctica.
SUBSTANCIAS, MATERIAL Y EQUIPO Material Mantilla de calentamiento Matraz bola 250 mL Refrigerante con mangueras Vasos de precipitados 250 mL Pipetas de 10 mL Soporte universal mi Pinzas de 3 dedos con nuez Cristalizador Hielo Vidrio de reloj Sustancias Anhídrido acético Ácido acético glacial Anilina Na2CO3 HCl conc. H2O destilada
1 1 1
arra magn ca
Embudo Büchner c/alargadera Matraz Kitasato de 250 mi con manguera 2 Piseta con Agua 2 Espátula 3 Vaso de pp de 250 mL 1 Papel filtro 1 Punto de fusión csp Propipeta 1 Cantidad csp csp csp csp csp csp
1 1 1 1 1 4 1 1 1
CUESTIONARIO A RESOLVER ANTES DE LA PRÁCTICA 1. Esquematice la reacción general a realizar. 2. ¿Cuáles son los objetivos generales y particulares de la práctica? 3. Proponga y trace paso a paso el mecanismo de reacción de la síntesis de la acetanilida. (Tomando en cuenta conceptos como: tipos de reacciones orgánicas, tipos de ruptura y formación de enlaces, características de las reacciones polares y por radicales libres, características de: nucleófilos y electrófilos, de bases y ácidos de Lewis. Uso de flechas curvas en mecanismos de reacciones polares (repasar las reglas), diagramas de energía, energía de activación, estados de transición, intermediarios,
G de reacción, reacciones endergónicas y exergónicas, endotérmicas y
exotérmicas).
4. Revise la estequiometría de la reacción a realizar, una vez verificado lo anterior, emplee la ecuación balanceada y calcule el rendimiento teórico en número de moles y en gramos del producto de acuerdo a la cantidad molar y en gramos de cada uno de los reactivos utilizados en esta práctica. (esto, con el fin de comparar el rendimiento teórico con el rendimiento experimental). 5. Los residuos de la reacción contienen ácido acético y anhídrido acético. ¿Qué es necesario hacer antes de desecharlos por el drenaje? 6. Indique que técnicas de trabajo en el laboratorio de química orgánica se van a utilizar en esta práctica. 7. Dibuje el diagrama ecológico en el que se describa el manejo, neutralización y disposición de todos los residuos químicos obtenidos en cada paso de la síntesis de la acetanilida. 8. Mediante estructuras de resonancia (complejo sigma) indique porqué el grupo amino protonado de la anilina (ion anilonio) es un grupo desactivante y orientador meta en una reacción de Sustitución Electrofílica Aromática. 9. ¿Por qué causa no se emplea una alta concentración de ácido acético al preparar la acetanilida y también, por qué motivo no es deseable una baja concentración del mismo? 10. El método preferido para la síntesis de la acetanilida es usar el anhídrido acético como reactivo, siendo el método que se utiliza en esta práctica, pero las aminés pueden ser acetiladas de vanas formas. Mencione qué otro reactivo se puede usar para la acetilación de la anilina. 11. Consultando la bibliografía, haga una lista de las propiedades fisicoquímicas, el uso y
precauciones que se deben tener con los reactivos que se utilizaron en la práctica. 12. ¿Qué uso medicinal tiene la acetanilida?
INDICACIONES PARA EL MANEJO DE LOS RESIDUOS DE LA PRÁCTICA
D2: Recuperar para utilizar en la siguiente etapa de la síntesis. D3: Residuos a neutralizar hasta pH = 7 con carbonato de sodio y desechar por la tarja.
BIBLIOGRAFÍA
Vogel, Arthur Israel.”Vogel's Textbook of Practical Organic Chemistry”, 5th ed./rev.
by Brian S. Furniss [et al.], Longman Scientific & Technical, Great Bretain, 1989
McMurry John “Química Orgánica” International Thomson Editores, Septíma
edición México, 2009.
Wingrove A.S. “Química Orgánica” Editorial Harla, México, 1994. Wade L.G. “Química Orgánica” Editor ial Prentice Hall, México, 1993.
Streitwieser, Andrew y Clayton H., Heath Cock, Introduction to Organic Chemistry, McMillan Publishing, República de Singapur, 1992. Brewster, R.Q., Vanderwerf, C.A. y McEwen, W.E., Curso práctico de química orgánica, 2a. ed., Alhambra, España, 1970, pp. 215-217. Cremlyn, R.J.W. y Still, R.H., Named and miscellaneous Reactions in Practical Organic Chemistry, Heinemann Educational Books, Londres, Inglaterra, 1976. Morrison, R.T. y Boyd, R.N., Organic Chemistry, Prentice-Hall, EU, 1992, pp. 241242, 309, 902, 910. Solomons, T.W. Graham, Fundamentals of Organic Chemistry, John Wiley and Sons, EU, 1994, pp. 413-414, 867. Bruice, Paula Yurkanis, Organic Chemistry, Prentice-Hall, EU, 1995, pp. 426, 891 .
