INFORME N°3
OBTENCIÓN DE NITROBENCENO Y m- DINITROBENCENO “
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1. INTRODUCCIÓN.Los nitrocompuestos aromáticos poseen gran importancia como materias, así como en la síntesis de preparados farmacéuticos. Esto se debe a que los hidrocarburos aromáticos y sus productos de sustitución se pueden nitrar en el núcleo con ácido nitroso concentrado. La mayor parte de los nitrocompuestos aromáticos son sustancias sólidas, incoloras o amarrillas, y solamente algunos hidrocarburos mono nitrados son líquidos a temperatura ambiente. En general, los aromáticos se nitran, en la práctica, por calentamiento suave con una mezcla de HNO3 (conc). Y H2SO4 (conc). Por calentamiento de benceno con HNO3 (conc) o mezcla nitrante resulta como producto principal el nitrobenceno con un rendimiento de 85% aprox. La nitración es una sustitución electrofílica. El agente n itrante es el ion nitronio, NO2+. El papel del ácido sulfúrico no consiste en la eliminación del agua, sino en la prolongación del ácido nítrico al ion nitro ácido HNO3- , que mediante separación de agua forma el ion nitronio. La incorporación de un segundo grupo nitro en el nitrobenceno requiere de mayores condiciones energéticas, puesto que el nitro es un sustituyente inhibidor del anillo. El ingreso del nuevo grupo será en posición meta.
2. OBJETIVOS.Sintetizar nitrobenceno a partir de benceno y asilar el producto obtenido por destilación simple. Obtener m-di nitrobenceno provocando una segunda nitración en el nitrobenceno.
3. MECANISMO DE REACCION.nitrobenceno
m-di nitrobenceno
4. MATERIALES.-
Pipetas graduadas de 1 ml y 5 ml. Varilla de vidrio Probetas graduadas de 50 ml Balones de 100 y 250 ml. Refrigerantes para destilación simple Pinzas de doble nuez Soportes universales Calentadores Matraces Erlenmeyer Cabezas de destilación, reductores y codos Espátula Vidrios de Reloj Termómetros de 0 – 100° y de 0 – 250° Balanza Analítica Frascos Lavadores Baño María Tubos de ensayo gruesos con pararrayos
5. REACTIVOS.REACTIVOS
CaCl2
Benceno
H2SO4(conc)
HNO3(conc)
6. PROCEDIMIENTO.Parte I.- Síntesis del Nitrobenceno.
7ml HNO3(conc)
7 ml H2SO4(conc)
6ml Benceno
nitrobenceno Preparar la mezcla nitrante, añadiendo cuidadosamente 7 ml de ácido sulfúrico concentrado a 7 ml de ácido nítrico concentrado contenido en un balón de 125 ml. Medir en una probeta 6 ml de benceno y añadir 1 ml del mismo a la mezcla nitrante.
Colocar sobre el matraz el tapón de goma provisto del pararrayos. Agitar el matraz con un movimiento rotatorio para mezclar bien los reactivos, apoyando la palma de la mano en su base para detectar la elevación de la temperatura. Si la temperatura se eleva a más de 60°C (límite de calor que soporta la piel), el matraz deberá enfriarse sumergiéndolo en una cápsula con agua fría, cuidando de no descender la temperatura por debajo de 50°C (si se quiere se puede comprobar introduciendo el termómetro en la mezcla). Tan pronto como la reacción provocada por la primera adición de benceno haya cesado, se añade una nueva porción de 1 ml y se vuelve a repetir la agitación y el control de la temperatura. Se repiten los pasos previos hasta completar la adición de todo el benceno medido inicialmente. Finalmente se agita toda la mezcla reaccionante durante 10 minutos. Si la temperatura desciende por debajo de los 50°C, se deberá calentar el matraz suavemente colocándolo sobre el calentador provisto de un amianto. Enfriar el matraz y pasar su contenido a una ampolla de separación. Dejar separar las dos capas y decantar la capa ácida. Lavar la capa de nitrobenceno dos veces con porciones de 75 ml de agua destilada. Transferir el nitrobenceno a un Erlenmeyer pequeño y agregarle 1 g de cloruro de calcio para eliminar el agua residual que contiene, dejándolo reposar durante 10 minutos. Destilar el nitrobenceno obtenido en un equipo de destilación simple, separando la fracción que destila en el intervalo de 195 y 210°C. Tener mucho cuidado de no destilar a sequedad porque puede ocurrir una reacción violenta por descomposición de trazas de m-di nitrobenceno formado como subproducto. Medir la cantidad de nitrobenceno obtenido y determinar su rendimiento. Parte II.- Obtención de m-di nitrobenceno.
3ml HNO3(conc)
3ml H2SO4(conc)
0.7ml nitrobenceno
m-dinitrobenceno
En un tubo de ensayo grueso, preparar una mezcla nitrante, añadiendo cuidadosamente 3 ml de ácido sulfúrico concentrado a 3 ml de ácido nítrico concentrado y luego 0,7 ml de nitrobenceno. Se observará que la adición genera un calentamiento del contenido del tubo. Se coloca dos trocitos de plato poroso, se tapa el tubo con firmeza con un tapón provisto de un pararrayos y se calienta cuidadosamente a la llama de un mechero hasta temperaturas cercanas a la ebullición de la mezcla. Se observará el desprendimiento de gases pardos de óxidos de nitrógeno. Se mantiene el contenido del tubo caliente pero sin hervir durante dos a tres minutos y luego se vierte en 75 ml de agua con trocitos de hielo contenida en un vaso de precipitación.
7. DATOS, CÁLCULOS Y RESULTADOS DE LA PRÁCTICA.2H2SO4
+
HNO3 → 2 HSO4-1 + NO2 + H2O
C6H6 + NO2 → C6H5 NO2 + H+
Benceno • • • •
P.M=78 g/mol densidad=0.88 g/ml volúmen = 6ml peso= 5.28 g
HNO3(conc) • • • •
H2SO4(conc)
P.M=63 g/mol densidad=1.40 g/ml volúmen (ml)= 7ml peso= 9.8 g
Hallamos n° de moles del benceno: Densidad = 0.88 g/ml 1 = 0.88 × 6 × 78 = 0.0677
• • • •
P.M=98 g7mol densidad=1.84 g/ml volúmen (ml)= 7ml peso= 12.88 g
Hallamos el volumen teórico. P.M= 123 g/mol Densidad de C6H5 NO2= 1,2 g/ml 1 = 0.0677 × × 123 1,2 = 6.94
Hallamos el rendimiento: ú á 4 = × 100 → = × 100 ú ó 6,94 = 57.64%
8. OBSERVACIONES Y ANEXOS.Se prepara la mezcla del nitrante con mucho cuidado, porque estamos trabajando con ácidos que al mezclarlos no sabemos cuál pueda ser su reacción, también se la debe realizar en el orden que nos indica el procedimiento, debido a que si no lo hacemos en ese orden, podrimos estar elaborando otro producto y no así el que deseamos obtener.
Al momento en el que la reacción comience a calentarse debemos medir que no este no sea mayor que 60 o menor que 50, si esto llegara a pasar en caso que caliente mucho, usar baña María, en caso que la reacción no esté muy caliente, se lo llevara a un calentador eléctrico, para así poder llegar a la temperatura deseada.
Se pudo sentir que la reacción que producimos fue exotérmica, al tocar el balón se pudo sentir el calor y desprendía un cierto olor a almendras, se podía notar que esa una mezcla un tanto grasosas ya que las paredes del recipiente se encontraban así, tiene un color un tanto amarillento.
En el momento que la reacción empiece a desprender olores inmediatamente se lo debe llevar bajo campana para no contaminar el ambiente donde estamos trabajando, se lo debe agitan bien, para que así desprenda por completo el gas, si no se lo agita completamente al momento de separar la mezcla no habrá un producto que se mezcle y va a seguir reaccionando.
Una que se tenga la mezcla que no desprenda gases, se la pasa a una ampolla de separación, para realizar dos lavados, para así tener un producto más puro, el producto que nosotros, deseamos obtener se forma en la parte superior de la ampolla, esto no quiere decir que el primer líquido que bota no nos sirve para elaborar la práctica, ya que es agua y otras sustancias más.
Luego de realizar los dos lavados correspondientes, se debe armar un equipo de destilación, este paso se lo realiza para eliminar el agua que podría haber quedado de la separación en la ampolla, en esta parte se le debe agregar CaCl2 y plato porosa a la mezcla para ayudar a un mejor a la mezcla a su rápida destilación, y para que salgan menos impurezas en el destilado.
Al momento de armar el equipo de destilación, se debe colocar vaselina en la uniones del vidrio para así evitar que haya un escape o también para evitar que haya que los vidrio se peguen entre sí, la mezclas empezó a destilarse a las 50°C.
Cuando obtuvimos el destilado, se pudo observar que se formaron dos precipitados, y nuevamente se tuvo que volver a separar en la ampolla, esto sucedió debido que al momento de llevar la mezcla al destilado, se tuvo que colocar agua, y esto fue lo que nos hizo la formación de dos precipitados, y así se pudo obtener nitrobenceno.
Luego de separar por última vez la muestra se la pasaba a un tubo de ensayo, y se lo ponía a calentar con un mechero, esta muestra se le debía agregar nuevamente ácido sulfúrico y acido nitroso, esta parte de la práctica fue para la obtención de m- di nitrobencenco.
Para finalizar con la práctica, al momento mezclar el ácido sulfúrico, acido nitroso y el nitro benceno, se pudo sentir que había hubo una pequeña reacción exotérmica, ya que el tubo de ensayo se calentó ligeramente, cuando lo llevamos a calentar al mechero se debía calentar con un para rayos, para que así los gases no se expandan por todo el ambiente, se pudo observar como la mezcla se formó de un color pardo, y este color es señal de que si obtuvimos el m- di nitrobenceno.
9. CUESTIONARIO.1) ¿A qué tipo de reacción pertenece la nitración del benceno? La nitración aromática sucede con compuestos aromáticos gracias a un mecanismo de sustitución electrófila aromática que incluye el ataque de un anillo bencénico rico en electrones por parte del ion nitronio. El benceno resulta nitrado gracias al reflujo de ácido sulfúrico concentrado y ácido nítrico concentrado a 50 °C. 2) ¿Las reacciones del benceno son iguales que la de los alquenos? El benceno, al igual que un alqueno, tiene nubes electrónicas por arriba y por debajo del plano molecular que forman los enlaces sigma. Aunque los electrones pi del benceno forman parte de un sistema aromático estable pue de atacar a un electrófilo fuerte y generar un carbocation que está relativamente establecido por deslocalización de la carga positiva. 3) ¿Por qué es necesario el ácido sulfúrico en la reacción de la nitración? El ácido sulfúrico se lo utiliza como reflujo para el benceno. 4) ¿Cuál es la razón por lo que es necesario agregar un desecante al producto antes de destilarlo? El decantante, se lo utiliza como un proceso de neutralización, además se lo utiliza para que se realice una mejor separación 5) ¿Explique porque después de que se termina la reacción es necesario efectuar una destilación del producto? Si es necesario efectuar una destilación, para que así se pueda eliminar residuos de agua que contengan, también para recoger la fracción obtenida de benceno que no alcanzo a nitrarse, y no interfiera en nuestro producto para luego sacar rendimiento 6) ¿Explique porque es indispensable controlar la temperatura de destilación del nitrobenceno? Para evitar que el producto reaccione a temperaturas superiores, y pase de nitrobenceno a una descomposición, debido a que su punto de ebullición de este es de 210°C. 7) ¿Qué características físicas presenta el producto terminado? Es un líquido completamente incoloro, presenta u n olor similar a las almendras
8) Anote las constantes físicas de productos y reactivos REACTIVOS Benceno • • • • •
P.M=78 g/mol densidad=0.88 g/ml punto de ebullicion= 80.1 °C punto de fusion= 5.5°C líquido incoloro un poco amarillento, mas ligero que el agua y de olor fuerte. Es unsoluble en agua, pero muy soluble en compuestos organicos co mo el etanol y éter.
H2SO4(conc) • • • • •
P.M=98 g7mol densidad=1.84 g/ml punto de ebullicion= 337 °C punto de fusion= 10°C es un líquido corrosivo, mas denso que el agua incoloro a temperatura y presion normales. Tiene un olor irritante y penetrante, actua c omo catalizador debido a que genera reacciones endógenas, generando calor.
HNO3(conc) • • • • •
P.M=63 g/mol densidad=1.40 g/ml punto de ebullicion= 42 °C punto de fusion= 86°C Se en cuentra en forma líquida, es incolo ra tiene un olor solocante desprende NO2 en forma gaseosa y es toxico.
PRODUCTOS P.M=123 g/mol densidad=1.20 g/ml punto de ebullicion= 210.9 °C punto de fusion= 5.7°C Es ligeramente amarillento, con un olor a almendras. Es empleado como disovente para reactivos electrofílicos. Su reduccion genera junto con hierro y HCl una amina aromatica.
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Nitrobenceno
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m- di nitrobenceno
• •
P.M= 168. g/mol densidad= 1.31 g/cm 3 a 68.0 °F punto de ebullicion= 606.0 °F a 760.0 mm Hg punto de fusion= 244.4 °F Son agentes oxidantes fuertes, explosivos y muy poco solubles en agua
9) ¿Mencione otras reacciones de sustitución electrofílica que presenta el benceno? Se puede introducir en el anillo aromático muchos sustituyentes diferentes por reacciones electrofílicas de sustitución. Si seleccionamos los reactivos adecuados es posible halogenar el anillo aromático (F, Cl, Br, I), sulfonarlo (ácido sulfúnico -SO3H), alquilarlo (grupo alquilo -R), o acilarlo (grupo acilo -COR) 10) ¿Anote la toxicidad y precauciones de reactivos? El ácido sulfúrico es bastante peligroso por el calor que emplea, es muy importante que acido sea añadido al agua (y no al revés) debido a su naturaleza volátil, provocando salpicaduras que pueden dañar la piel. El cloruro de calcio, es permeable a la piel, provocando gangrena, es muy estable en condiciones normales. El ácido nítrico genera riesgos de explosión, debido a que es un fuerte oxidante. Reaccionar explosivamente con polvos metálicos, carburos, sulfuros de hidrogeno, alcohol y carbón. Con agua y vapor generan calor, humos corrosivos y venenosos. Es un peligro irritante, causa quemaduras y ulceración en tejidos. El benceno si se respira niveles altos puede causar indisposición 11) ¿En qué consiste el método de Víctor Meyer para la preparación de nitro alcanos? ¿Se podría adaptar este método para la preparación Del nitrobenceno o Del fenilnitrometano? Este método si se puede utilizar, ya que el grupo nitro puede reemplazar a otros átomos o grupos de átomos, la reacción de Víctor Meyer es un ejemplo típico, donde un átomo halógeno (especialmente bromo o iodo) es reemplazado por un grupo nitro usando nitrito de plata (o nitrito de sodio). 12) Formular un importante antibiótico que posee un grupo nitro unido a un anillo aromático. Los Nitroimidazoles y los Nitrofuranos son dos grupos de quimioterápicos de origen sintético que tienen efecto antibacteriano y/o antiparasitario por degradación del ADN. Ambos grupos tienen cierta similitud estructural y en ambos la reducción d el grupo nitro ( NO2) parece ser necesaria para que se produzca el efecto bactericida o parasiticida. Las drogas de ambos grupos pueden clasificarse tomando en cuenta simultáneamente su estructura química y el grupo terapéutico al que pertenecen:
13) Formular algunas reacciones que sirvan para distinguir los nitrocompuestos aromáticos de los alifáticos. Los nitros compuestos alifáticos se sintetizan por: Nitración en fase gaseosa de alcanos
Reacción SN2 de nitrito sobre halogenuros de alquilo
Nitración electrofílica de aniones enolato
Oxidación de aminas con per ácidos
Los nitrocompuestos aromáticos son sintetizados por medio de la reacción de sustitución electrofílica aromática (SEA) con iones NO 2 + como electrófilos
14) Formular explosivos de importancia que sean fundamen talmente poli nitrocompuestos aromáticos. El acido píprico explota en estado seco, se utiliza como explosico es toxico.
El trinitrotolueno (TNT) es un hidrocarburo aromático cristalino de color amarillo pálido que se funde a 81 °C. Es un compuesto químico explosivo y parte de varias mezclas explosivas, por ejemplo el amatol, que se obtiene mezclando TNT con nitrato de amonio. Se prepara por la nitración de tolueno (C6H5CH3); tiene fórmula química C6H2(NO2)3CH3.
10. CONCLUSIONES.El nitro benceno en insoluble en ácidos concentrados debido a la igualdad de polaridad. El nitrobenceno es más denso que la mezcla sulfonítrica por eso se lo observo en la parte superior al momento se separar. Las condiciones de temperatura fueron importantes para llevar a cabo la elaboración del nitrobenceno.
11. BIBLIOGRAFIA.Organic Chemistry”. R. T. Morrison, R. K. Boyd. 7ª Edición. Editorial: Prentice Hall, New Jersey, 1997. Organic Chemistry”. T. W. G. Solomons, C. B. Fryhle. 7ª Edición. Editorial: John Wiley & Sons, New York, 1999. https://es.wikipedia.org/wiki/Nitrobenceno http://es.slideshare.net/vegabner/nitracin-del-benceno
