UNIVERSIDAD NACIONAL JORGE BASADRE GROHMANN FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA ACDEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA QUIMICA CURSO : SINTESIS ORGÁNICA PRÁCTICA DE LABORATORIO N° 7 NOMBRE DE LA PRÁCTICA : SINTESIS DE COLORANTES I-PARTE PROFESOR : MGR. RAUL PAREDES MEDINA ALUMNO : FRANK CODIGO : FECHA DE REALIZACION : 12-07-20 FECHA DE ENTREGA :
SINTESIS DE COLORANTES I-PARTE I. OBJETIVO: Sintetizar el Nitronaftaleno Sintetizar el amarillo de Martius II. PRINCIPIOS TEORICOS Los colorantes pueden ser definidos como sustancias que cuando son aplicadas a un substrato imparten color al mismo. Los colorantes son retenidos en el substrato por absorción, retención mecánica, o por enlace iónico covalente. Los colorantes son usados comúnmente en textiles, papel y piel. Muchos compuestos coloreados son también colorantes, es decir, se pueden emplear para teñir fibras textiles, naturales o sintéticas, otros se utilizan en diversas industrias o como indicadores para reacciones en el laboratorio. La clasificación que se hace de los colorantes se basa en su aplicación principal, la tinción de fibras textiles. Para un estudio inicial es preferible clasificarlos según su constitución química. Los colorantes pueden clasificarse en : 1. Colorantes azoicos, estos se preparan por diazotacion y copulación. A este grupo de colorantes azoicos pertenecen el anaranjado de metilo, utilizado como indicador, otros ejemplos son el amarillo de metilo, el rojo de metilo, el Sudán I y el Rojo Para. 2. Colorantes nitrados, entre estos están el amarillo de Martius, empleado para el teñido de lana. De éste se deriva el amarillo naftol S, otros ejemplos son el anaranjado de β-naftol, nitrobenceno, nitronaftaleno y el dinitrorresorcinol (colorante llamado verde solido o verde fijo). 3. Colorantes del trifenilmetano, estos colorantes pueden referirse a dos tipos: a) Colorantes de la fuchona, ejemplos: el tetrayodofenolftaleína, y la fluoresceína, b) Colorantes de la fuchonimina, se preparan la tinción con mordiente como: verde de malaquita con violeta de metilo. 4. Colorantes diversos, ejemplos: índigo o añil, azul de metileno, antocianinas y el colorante artificial en el vino. De los mencionados vamos a ocuparnos de los colorantes nitrados. La nitración de los compuestos aromáticos, ocurre en una reacción de sustitución electrofílica, en la que uno o más átomos de hidrógeno del núcleo aromático es sustituido por uno o más grupos nitro (-NO2), que se encarga de la nitración, el cual se forma de la reacción del ácido nítrico con el ácido sulfúrico, ambos ácidos concentrados. Los compuestos aromáticos mononitrados son en su mayoría sólidos, rara vez son líquidos, incoloros o ligeramente coloreados, volátiles de olor fuerte. Los polinitrados son todos sólidos, explosivos cuando se los calienta . Los mononitrados se reconocen por sus constantes físicas , como el punto de fusión o de ebullición . Un reconocimiento general, puede ser por la propiedad que tienen de reducirse a sus correspondientes aminas. Los compuestos aromáticos nitrados tienen puntos de ebullición elevados debido al carácter polar del grupo nitro, son insolubles en agua, solubles en solventes orgánicos como el alcohol y los éteres. El grupo nitro es un cromóforo débil (grupo
que potencialmente posee la cualidad color) en vista de que por la presencia de otros grupos puede desviar su banda de absorción hacia mayores longitudes de onda. La mayor aplicación de los compuestos aromáticos nitrados es en la industria de explosivos y en la industria de los colorantes. III. MATERIALES EQUIPOS Y REACTIVOS 3.1 Reactivos
Acido nítrico (c) Acido sulfúrico (c) Naftaleno Agua fría Hielo Solución diluida de carbonato de sodio Alfa-naftol
3.2 Materiales y equipos
Probeta de 10 ml Cocina eléctrica Vaso de precipitado Hielo Papel filtro Bomba de vacío Malla asbestada Embudo de buchner Tubos de ensayo pequeños Goteros Pisceta con agua destilada Varilla de vidrio Espátula Balanza electrónica Matraz de kitasato Luna de reloj Termómetro Equipo de baño María Mortero Pinza para tubos de ensayo
IV. PARTE EXPERIMENTAL
Síntesis del Nitronaftaleno
a) En un frasco de Erlenmeyer de 150 ml, puesto en un baño de hielo, mezclamos 4 ml de ácido nítrico con 4 ml de ácido sulfúrico , ambos concentrados. Esta mezcla es exotérmica por eso se utilizo baño de hielo.
b) Trituramos con la ayuda de un mortero naftaleno y pesamos 5 g
c) Preparamos el equipo de baño María a temperatura entre 45 a 50 °C en introducimos en el baño el frasco que contiene la mezcla de ácidos , luego añadimos al frasco 5 g de polvo fino de naftaleno en pequeñas cantidades y de tiempo en tiempo con agitación vigorosa, cogiendo el frasco con la mano y manteniendo siempre dentro del baño. Se observo que la mezcla tomo un color naranja
d) Preparamos otro equipo de baño María a temperatura entre 55 a 60 °C, trasladamos el frasco a este baño y lo mantenimos por espacio de 30 minutos , agitamos de vez en cuando, hasta que el olor del naftaleno desapareció.
e) En un vaso de 200 ml pusimos agua fría (extraída del refrigerador) en un volumen de 60 ml , luego vertimos a este vaso el contenido del frasco Erlenmeyer, el nitronaftaleno se precipitó en el fondo. f) Separamos el líquido de los cristales con sumo cuidado por simple decantación . Luego añadimos al frasco 40 ml de agua destilada,, agitamos y hervimos por unos 20 minutos. g) Una vez pasado el tiempo procedimos a verterlo en un vaso de 400 ml que contenía 50 ml de agua fría, agitamos con sumo cuidado y observamos que los cristales de nuevo precipitan. h) Por último filtramos el nitronaftaleno en un embudo de Buchner adaptado a una bomba de vacío.
i) Dejamos secar los cristales a la intemperie y luego determinamos su punto de fusión.
Síntesis del Amarillo de Martius
Alfa-naftol
ácido 1-hidroxi-2,4-naftalendisulfónico
ácido 1-hidroxi-2,4-naftalendisulfónico
Amarillo de Martius 2,4-dinitro-α-naftol
a) Pesamos 1,019 g de alfa-naftol en un trozo de papel .
b) Pusimos el alfa-naftol en un tubo de ensayo mediano de boca ancha, añadimos 3 ml de ácido sulfúrico (c).
c) En otro tubo de ensayo mediano de boca ancha pusimos 3 ml de ácido nítrico (c) y vertimos a este tubo el contenido del primer tubo. Agitamos con sumo cuidado. Observamos que se desprendieron vapores de color amarillo.
d) Añadimos 8 ml de agua destilada , agitamos y observamos que precipita el 2;4dinitro-1-naftol.
e) Filtramos y lavamos con agua el precipitado , luego lo disolvemos con una solución diluida de carbonato de sodio , con lo que se formo el derivado sódico (Amarillo de Martius). V. CUESTIONARIO 1. Describa las características del nitronaftaleno obtenido , señalando el estado físico , color , olor solubilidad y punto de fusión obtenido, compare con el valor teórico COLORANTE
COLOR
OLOR
ESTADO FÍSICO
SOLUBILIDAD
PUNTO DE FUSION
Nitronaftaleno
Anaranjado
naftaleno
Sólido
soluble
61 °C Teorico 60 °C practico
2. Escriba el mecanismo de la nitración del naftaleno. ¿En qué posición de la estructura del naftaleno se realiza la nitración? ¿Cuál de los ácidos es el agente nitrante? ¿Porqué? + HO NO HHSO4 NO2 + + H2O + HSO42 El grupo nitro se carga ion positivamente en cuanto hemos ido añadiendo el acido sulfúrico (c) , el grupo nitro se está desprendiendo
la nitración del naftaleno indica claramente que la posición alfa es mas reactiva que la beta, lo cual es fácil de comprender, ya que la alfa está activada por el anillo bencénico contiguo
La posición en que se nitra el naftaleno es la posición alfa pues en esta parte de la estructura del compuesto es mas estable y fácil de que entre el grupo nitro. El acido que otorga el grupo nitro es el acido nítrico , el acido sulfúrico es el agente catalizador. 3. El nitronaftaleno obtenido, no es puro, pues es una mezcla de alfa-nitronaftaleno en la mayor parte y un poco de 1;5-dinitronaftaleno y naftaleno. Con esta información, escriba la reacción completa y diga ¿Cómo se podría obtener el derivado alfa al estado puro?
4. Escriba la reacción de preparación del Amarillo de Martius. ¿Químicamente cómo se llama?¿En qué posiciones han ingresado los grupos nitro en el alfanaftol?
Mecanismo de reacción:
En el alfa-naftol , el grupo hidroxilo facilita la sustitución en el anillo a que esta unido y la sustitución tiene lugar en las posiciones orto y para , 2 y 4 . Debido a que los fenoles son sensibles a los agentes oxidantes ya que el acido nítrico es un oxidante enérgico . Es mejor llegar al derivado dinitrado introduciendo primero los grupos sulfonicos, que son fácilmente sustituidos por grupos nitro. 5. Mencione los usos del nitronaftaleno y del amarillo de Martius. El Nitronaftaleno es un colorante con grupos cromoforos. Se lo utiliza para teñir tejidos, clasificándose colorante directo debido a que es un colorante que se aplica directamente a la fibra en disolución acuosa caliente. El amarillo de Martius es un colorante con grupos cromóforos. Se utiliza para teñir tejidos, clasificándose como colorante directo debido a que es un colorante
que se aplica directamente a la fibra en disolución acuosa caliente. Si el tejido a teñir posee grupos polares la incorporación de un colorante con un grupo amino o uno fuertemente ácido facilitará la fijación del mismo. El amarillo de Martius fue usado en cierto tiempo como colorante para alimentos , pero se ha descubierto , que es peligroso. También se comprobó accidentalmente que posee propiedades antipolilla, por lo que se lo emplea como colorante para este fin. El amarillo de Martius , un colorante antipolilla para lana ( 1 g de colorante tiñe 200 g de lana ) fue descubierto en 1868 por KARL ALEXANDER VON MARTIUS La mayor aplicación de los compuestos aromaticos nitrados es en la industria de explosivos y en la industria de colorantes. VI. CONCLUSION Se logró sintetizar el colorante nitronaftaleno por las reacciones de acido nítrico y acido sulfúrico junto con el naftaleno a las debidas condiciones , que a temperatura ambiente (18 °C) fue solido de color anaranjado, de olor característico ( a naftaleno), cuyo punto de fusión es 61 ° C. Se llegó a la conclusión que obtener colorantes es un procedimiento factible pero a la vez se tiene que tener mucho cuidado ya que trabajamos con ácidos inorgánicos que son fuertes. Las variables más importantes en cada una de las reacciones efectuadas es la temperatura debido a que lo largo del experimento se estuvo calentando o enfriando dependiendo de la reacción ya sea porque una reacción era demasiado exotérmica o simplemente porque era necesario para llevarse a cabo la reacción. En esta práctica se realizo la nitración indirecta del 1-naftol a través de la reacción de sulfonación de este compuesto, que ocurre a través de una sustitución electrofílica aromática, y la posterior nitración al adicionar gota a gota ácido nítrico para obtener un compuesto dinitrado (2,4dinitro-1-naftol), esta sustitución del grupo sulfónico por el catión nitro fue posible debido a que la sulfonación es un proceso reversible. El grupo nitro – NO2 cuando está en una molécula tiende a conferirle color amarillo. La mayor parte de los nitro-colorantes son derivados del fenol, y el grupo fenol actúa como grupo de “anclaje”
Se logró sintetizar el colorante amarillo de Martius que se preparó cuando el α-naftol se trató con ácido sulfúrico concentrado obteniéndose el ácido 1hidroxi-2,4-naftalendisulfónico. Después este ácido por tratamiento con ácido nítrico produce el amarillo de Martius (2,4-dinitro-α-naftol) Esta sustitución es posible en virtud de que la reacción de sulfonación es un proceso reversible, de modo que el nitro catión en un momento dado puede sustituir al grupo sulfónico. El grupo hidroxilo, por mesomérico, aumenta la densidad electrónica del anillo aromático al cual se encuentra unido, de tal forma que esto incrementa su reactividad frente a un electrófilo, de ahí que la sustitución sea en el anillo aromático.
La reacción de sulfonación y nitración de un anillo aromático ocurre a través de una sustitución electrofílica aromática. Debido a que el HNO3 es un oxidante fuerte , es recomendable hacer primero una sulfonación para evitar la destrucción de mi compuesto, además de que el cambio de grupo sulfónico a nitro ocurre con gran facilidad. Cuando el anillo aromático ya esta sustituido con un grupo como -CH3 u -OH se obtiene un efecto activante, ya que estos grupos son capaces de donar densidad electrónica, por tanto se incrementa la reactividad del anillo frente al electrófilo, de ahí que la sustitución sea en el anillo aromático, específicamente en las posiciones orto y para, las estructuras orgánicas que tienden a originar color son denominadas cromóforos, el amarillo Martius es un colorante directo, es decir, que se aplica directamente a la fibra en disolución acuosa caliente. Si el tejido a teñir posee grupos polares, tales como los presentes en las fibras polipeptídicas, la fijación de este colorante se facilitará debido a que contiene el grupo amino.
VII. BIBLIOGRAFÍA o
o
Guía de práctica de la boratorio “Síntesis de Colorantes I-Parte” proporcionada por el Mgr.Raul Paredes Medina. Química orgánica experimental H. Dupont Durst,George W. Gokel
