UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD AUTONOMA JUAN MISAEL SARACHO
Facultad de Ciencias integradas de Villa Montes
INGENIERIA PETROQUIMICA NOMBRE: JORGE LUIS FERNANDEZ ZARATE DOCENTE: ING. CLAUDIA WINNIPEG
MATERIA: LABORATORIOS DE QUIMICA ORGANICA II
FECHA DE PRESENTACIÓN: 11/11/2015
VILLA MONTES-TARIJA-BOLIVIA MONTES-TARIJA-BOLIVIA
2015
COMPUESTOS AROMÁTICOS NITRACIÓN DEL BENCENO 1. OBJETIVOS.Obtener nitrobenceno a partir de benceno por reacción con una mezcla sulfonítrica Definir el concepto de sustitución electrofílica aromática. Desarrollar el mecanismo de la nitración del benceno Determinar el rendimiento de la reacción
2. MARCO TEÓRICO.El benceno es un líquido incoloro de olor característico que fue descubierto en 1825 por Faraday. Es muy inflamable, más ligero que el agua e insoluble en ella. Sus vapores son más densos que el aire. El benceno es una materia prima muy versátil. Puede utilizarse en una gran variedad de reacciones para generar intermediarios como anhídrido maleico (para obtener poliésteres); ciclohexano y a partir de él, ácido adípico (para la elaboración nylon-66 y otras poliamidas); anilina, la cual es muy utilizada en la fabricación de colorantes; derivados clorados utilizados en la industria de pesticidas; estireno, cumeno y otros intermediarios para la elaboración de detergentes, explosivos y fármacos, entre otros. Es buen disolvente de lacas, barnices, ceras, resinas, plásticos, hules y aceites. Por último, también es utilizado como aditivo de la gasolina. Sin embargo, debido a su gran toxicidad, en la actualidad, solo se utiliza cuando no existe un sustituto adecuado. El tolueno es uno de los disolventes que pueden utilizarse como alternativa. El benceno se obtiene del petróleo a través de procesos como: reformación catalítica, desalquilación, deshidrogenación y ciclación y aromatización de hidrocarburos parafínicos. El producto comercial puede contener tolueno, xilenos, disulfuro de carbono, tiofeno, piridina, acetonitrilo y picolinas como impurezas Nitración del benceno El benceno reacciona con la mezcla nitrico-sulfurico adicionando grupos nitro.
El electrófilo de esta reacción es el catión nitronio. NO2+. Las concentraciones de este catión en el ácido nítrico son muy bajas para nitrar el benceno, por ello es necesario añadir ácido sulfúrico.
3. MATERIALES.Tubos de ensayo Termómetro Pipetas Perilla de goma Vaso de precipitación Probeta Embudo de decantación Soporte universal Aro con pinza Hornilla eléctrica Benceno Ácido sulfúrico Ácido nítrico Agua destilada
4. PROCEDIMIENTO.Para empezar con ayuda de las pipetas y perillas de goma se introduce en diferentes tubos de ensayo 5 ml de ácido sulfúrico, 5 ml de ácido nítrico y 5 ml de benceno. Mezclamos el ácido sulfúrico con el ácido nítrico lentamente y agitando constantemente. Enfriamos la mezcla con ayuda de agua a chorro hasta que llegue a temperatura ambiente (controlar la temperatura constantemente con el termómetro) y después introducimos el benceno a la mezcla de 1 ml a 1 ml hasta completar los 5 ml de benceno. Colocamos el tubo de ensayo con la mezcla en un baño maría manteniendo la temperatura entre 50 y 60 ºC durante 20 minutos (agitando). Sacamos la mezcla reaccionante del baño maría y la colocamos en el embudo de decantación después se tapó el embudo de decantación dejándolo en reposo por aproximadamente 3 minutos hasta que se separe en dos fases separando y desechando la parte inferior después ingresamos 3 ml de agua destilada en el embudo de decantación agitando suavemente el embudo y después dejándolo en reposo hasta que se formen dos fases esta vez conservamos la capa inferior y desechamos la superior.
5. CÁLCULOS Y RESULTADOS.a. En base al volumen de nitrobenceno obtenido y otros datos que se consideren necesarios, calcular el rendimiento obtenido en la practica + + ( ) ( ) +
Peso molecular (gr/mol) Densidad (gr/ml) Pureza (%) Volumen (ml) Masa (gr)
C6H6 78
HNO3 63
H2SO4 98
C6H5NO2 123
0.88
1.40
1.82
1.2
97 5
97 5
97 5
1.6
4.268
6.79
8.827
1.92
=
∗ ∗
100% 0.88 ∗ 5 ∗ 97 = = 4.268 100 1.40 ∗ 5 ∗ 97 = = 6.79 100% 1.82 ∗ 5 ∗ 97 = = 8.827 100% = ∗ = 1.2 ∗ 1.6 = 1.92
Reactivo limitante (RL): Benceno () =
∗
4.268 ∗ 123 ( ) = = 6.7303 78 ( ) = 1.92 % = ∗ 100% 1.92 % = ∗ 100% = 28.5277 % 6.7303
b. Describir el mecanismo de la reacción paso a paso Mecanismo para la nitración del benceno:
Etapa 1. Ataque del benceno al catión nitronio
Etapa 2. Recuperación de la aromaticidad por pérdida de un protón
6. CUESTIONARIO.1) Indique algunas propiedades del nitrobenceno RECONOCIMIENTO FISICO: OLOR: ALMENDRAS AMARGAS COLOR: AMARILLO CRISTALINO DENSIDAD: 1.2 g/ml SOLUBILIDAD: ES SOLUBLE EN ALCOHOL RECONOCIMIENTO QUIMICO BROMO: NO REACCIONA KMnO4: NO REACCIONA
2) ¿Qué función cumple el H2SO4 en la reacción de nitración del benceno? El H2SO4 funciona como catalizador en la reacción de nitración del benceno 3) Indique el mecanismo de la reacción de nitración de benceno El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico generando el ion nitronio (+NO2), que es el electrófilo de la reacción de sustitución electrofílica aromática.
El ion nitronio reacciona con el benceno formando el complejo sigma, que a continuación, pierde un protón para dar lugar al nitrobenceno.
4) ¿Porque se invierten las faces al añadir agua? Esto se debe a que la densidad del nitrobenceno es mayor a la del agua por lo que el nitrobenceno reposa en la parte inferior 5) Porque el nitrobenceno tiene un punto de ebullición más elevado del que se esperaría de acuerdo a su peso molecular Eso es debido a que en la mezcla que se reacciona además del ácido nítrico y benceno que son los reaccionantes del nitrobenceno también se tiene ácido sulfúrico aumentando el punto de ebullición. 6) En la reacción de nitración del benceno es importante el control de la temperatura Indique ¿Qué sucedería si la temperatura sobrepasa a los 60 ºC? Al sobrepasar los 60 ºC el compuesto no llegaría a reaccionar en nitrobenceno y si aumenta demasiado la temperatura puede generar ruptura en el tubo de ensayo.
7. CONCLUSIONES.el nitrobenceno se obtiene a través del ion nitronio que se forma por el efecto del ácido sulfúrico sobre el ácido nítrico. Se formó nitrobenceno pero en una pequeña cantidad debido al exceso de reactivo que reacciono en estado gaseoso durante la preparación el cual se perdió.
8. RECOMENDACIONES.Evitar hacer contacto con el compuesto pues puede ocasionar quemaduras. Usar pipetas diferentes para cada reactivo ya que el usar una sola puede ocasionar contaminación y por lo tanto una diferencia en la reacción. Al agitar el embudo de decantación controlar que el sistema de reflujo tenga una posición hacia arriba y no agitar muy fuerte porque puede ocasionar perdidas.
OBTENCIÓN DEL m-DI NITROBENCENO 1. OBJETIVO.Obtener el m-di nitrobenceno a través del tratamiento con ácido nítrico de una mezcla de nitrobenceno. Determinar el rendimiento de la reacción.
2. MARCO TEÓRICO.La reacción que se lleva a cabo es una Sustitución Electrofílica Aromática. Estas reacciones se llevan a cabo en dos etapas. En la primera, se forma un carbocatión. Estas reacciones son catalizadas con un ácido de Lewis. El carbocatión es muy inestable, debido a la carga sobre la molécula. Pero se estabiliza por medio de resonancia. En la segunda etapa, la base conjugada del ácido, arranca el H+ del C que había sufrido el ataque del electrófilo, y los electrones que compartía el átomo de hidrógeno vuelven al sistema π recuperándose la aromaticidad.
El grupo – NO2, es un grupo desactivante. Estos, son los que cuya presencia disminuyen la reactividad y la velocidad de reacción, del anillo aromático frente a la SEA respecto a cuándo ese grupo está ausente. Por lo tanto la introducción de un grupo desactivante en un compuesto aromático no sustituido hará más difícil, una segunda sustitución. La disminución de la velocidad de reacción se debe a que estos grupos desestabilizan al intermediario. Esto es así debido a que son grupos que retiran densidad electrónica del sistema aromático, ya sea por efecto inductivo o por efecto resonante. En el caso de una molécula de benceno con un único sustituyente, por ejemplo, nitrobenceno, existen tres posiciones donde puede producirse la sustitución electrofílica:
Dependiendo del sustituyente presente en la molécula de benceno, la SEA se orientará en alguna de las tres posiciones. Si el sustituyente es dador de electrones, la reacción dará una mezcla de productos orto y para. En cambio, si el grupo es aceptor de electrones, orientan a meta.
3. MATERIALES.Tubos de ensayo Gradilla Pipetas Vaso precipitado Matraz Erlenmeyer Papel filtro Embudo Nitrobenceno Ácido sulfúrico Ácido nítrico Agua fría
4. PROCEDIMIENTO.
Para empezar se pone 50 ml de agua y 25 ml de hielo en un vaso de precipitad. Con ayuda de las pipetas se introduce 3 ml de ácido sulfúrico en un tubo de ensayo y 3 ml de ácido nítrico en otro tubo de ensayo. Se mezclan estos dos reactivos vaciando el tubo de ensayo con ácido sulfúrico dentro del tubo de ensayo con ácido nítrico y se agita controlando con el termómetro la temperatura que debe estar a temperatura ambiente, en caso de que la temperatura suba mucho se enfría en agua a chorro. Al compuesto se le introduce los 1.6 ml de nitrobenceno que se obtuvo del anterior laboratorio y se lo agita. Se lleva la mezcla a calentamiento en baño maría agitando constantemente hasta que se aproxime a su punto de ebullición.
Se agita por 3 minutos más y se verte el compuesto en 75 ml de agua fría que ya estaba en el vaso de precipitado. Se pesa el papel filtro y después se lo pone en un embudo el cual se deposita sobre el matraz Erlenmeyer Se vierte el compuesto del vaso de precipitado al matraz Erlenmeyer por el papel filtro recogiendo la mezcla sólida que queda en el papel filtro la cual es el m-di nitrobenceno obtenido.
5. CÁLCULOS Y RESULTADOS.a. En base al volumen de m-di nitrobenceno obtenido y otros datos que se consideren necesarios, calcular el rendimiento obtenido en la practica ( ) + + ( ) ( ) +
Peso molecular (gr/mol) Densidad (gr/ml) Pureza (%) Volumen (ml) Masa (gr)
C6H5NO2 123
HNO3 63
H2SO4 98
C6H4(NO2)2 168.1
1.2
1.40
1.82
1.6
1.6
97 3
97 3
1.92
4.074
5.2962
=
0.03
∗ ∗
100% 1.40 ∗ 3 ∗ 97 = = 4.074 100% 1.82 ∗ 3 ∗ 97 = = 5.2962 100% = ∗ = 1.2 ∗ 1.6 = 1.92 CH(NO) = CH(NO) − CH(NO) = 0.56 − 0.53 = 0.03
Reactivo limitante (RL): Nitrobenceno ( ) =
∗ ()
1.92 ∗ 168.1 () = = 2.624 123 () = 0.03
% = % =
0.03
∗ 100%
∗ 100% = 11.4329 % 2.624
b. Describir el mecanismo de la reacción paso a paso 1. 2.
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5.
6. CUESTIONARIO.1) Cuál es la principal diferencia entre los compuestos mono sustituidos y di sustituidos. La principal diferencia es que los compuestos mono sustituidos son anillos aromáticos que tienen en uno de sus carbonos alguno de los grupos sustituyentes cualquiera (CL, Br, NO2, CH3 etc.) y los di sustituidos tienen 2 de estos grupos sustituyentes. 2) Explicar el mecanismo para la obtención del m-di nitrobenceno. El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico generando el ion nitronio (+NO2), que es el electrófilo de la reacción de sustitución electrofílica aromática.
El ion nitronio reacciona con el nitrobenceno formando un complejo sigma y finalmente se separa el hidrogeno sobrante y se genera el di nitrobenceno
3) Indique algunas propiedades del di nitrobenceno El di nitrobenceno es un agente oxidante fuerte, explosivo y muy poco soluble en agua. Se lo usa para la síntesis de productos orgánicos, fabricación de tintes, componente de explosivos, plastificante, etc. 4) ¿Qué función cumple el en la reacción de nitración del benceno? El no actúa en ningún momento en la reacción de nitración del benceno 5) Indique el mecanismo para la reacción de di nitración del benceno 1.
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6) ¿Porque el di nitrobenceno tiene un punto de ebullición más elevado del que se esperaría de acuerdo a el peso molecular? Esto es debido a que en la reacción del di nitrobenceno también se genera agua la cual tiene puentes de hidrogeno el cual requiere de una mayor temperatura para alcanzar su punto de ebullición. 7) En la reacción de nitración del benceno es importante el control de la temperatura indique ¿a cuánto debe llegar la temperatura máxima? En la reacción de nitración del benceno la temperatura no debe pasar de los 60 ºC ni disminuir de los 50 ºC debido a que el aumento o disminución de ese rango detendría la reacción. 8) ¿la obtención del di nitrobenceno se efectuara a mayor o menor velocidad que la nitración del benceno?
La obtención del di nitrobenceno se efectúa a menor velocidad que la nitración del benceno porque se debe esperar su punto de ebullición para terminar la reacción en cambio en la nitración del benceno se da un tiempo fijo de reacción en calor.
7. CONCLUSIONES.
Se logró formar m-di nitrobenceno a partir del nitrobenceno Se calculó el porcentaje de rendimiento en la reacción exitosamente
8. RECOMENDACIONES.
Al agitar el tubo de ensayo en el calentamiento se debe evitar golpear el tubo de ensayo con el vaso de precipitado o el contacto con el termómetro solidosolido ya que puede causar ruptura en el tubo de ensayo y pérdida de reactivo.