UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL Facultad de Ingeniería Química Carrera de Ingeniería Química Laboratorio de Química Orgánica, 411
Práctica #6 NITRACIÓN SIMPLE Integrantes: Abarca Francisco Alcívar Dalma Guevara Erick Herrera Leonela Rizzo Paúl
Curso: Cuarto Semestre “A”
ING. Marina Alvarado, MSc
Resumen
En el vigente informe realizaremos el procedo denominado nitración el cuál es un proceso químico general para la introducción de un grupo nitro en un compuesto químico mediante con compuestos
una reacción
química
aromáticos gracias
a
catalogada. un
La nitración
mecanismo
aromática sucede
de sustitución
electrofílica
aromática que incluye el ataque de un anillo bencénico rico en electrones por parte del ion
nitronio. Los anillos se pueden nitrar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados .Se piensa que el electrófilo es el ion nitronio, NO2+, que se genera del ácido nítrico, por protonación y perdida de agua. Palabras Claves
Nitración
Sustitución electrofílica
Anillo Bencénico
Ion Nitronio
Índice Objetivo General ................................................................................... Error! Bookmark not defined. Objetivos Específicos ............................................................................ Error! Bookmark not defined. Marco Teórico ..................................................................................................................................... 1 Materiales y Reactivos ........................................................................................................................ 8 Fichas de seguridad ............................................................................................................................. 9 Procedimiento ................................................................................................................................... 12 Datos ..................................................................................................... Error! Bookmark not defined. Cálculos ................................................................................................. Error! Bookmark not defined. Conclusiones ..................................................................................................................................... 14 Recomendaciones ............................................................................................................................. 17 Observaciones ................................................................................................................................... 17 Anexos ............................................................................................................................................... 17
Trabajos citados ................................................................................................................................ 17
Objetivos Generales y Específicos General:
Obtener nitrobencenos en el laboratorio por la técnica de nitración simple empleando reactivos como el ácido sulfúrico ácido nítrico y el benceno Específicos:
Trabajar responsablemente con un agente nitrante (laboratorio).
Efectuar con precisión la reacción que proporciona el agente electrofílico utilizado en la nitración.
Establecer los parámetros y condiciones adecuada para que se produzca la nitración. simple
Identificar el fundamento químico de la nitración aromática y los reactivos que van a formar parte para la obtención del Nitrobenceno.
Ensamblar correctamente el equipo para purificar líquidos.
Marco Teórico Compuesto aromático Compuesto aromático, cualquiera de una gran clase de compuestos químicos insaturados caracterizados por uno o más anillos planares de átomos unidos por enlaces covalentes de dos tipos diferentes. La estabilidad única de estos compuestos se
denomina
aromaticidad. Aunque
el
término aromático originalmente se refería al olor , hoy su uso en química está restringido a compuestos que tienen propiedades electrónicas, estructurales o químicas particulares. La aromaticidad resulta de arreglos de unión particulares que causan cierto π (pi)Electrones dentro de una molécula que se mantenga
1
fuertemente. La
aromaticidad
se
refleja
a
menudo
en
calores
de
combustión e hidrogenación más pequeños de lo esperado y se asocia con baja reactividad. El benceno (C 6 H 6) es el aromático más conocido compuesto y la matriz a la que numerosos
otros
compuestos
aromáticos
están
relacionados. Los
seis carbonos de benceno están unidos en un anillo, teniendo la geometría planar de un hexágono regular en el cual todas las distancias del enlace C-C son iguales. Los seis electrones π circulan en una región por encima y por debajo del plano del anillo, siendo cada electrón compartido por los seis carbonos, lo que maximiza la fuerza de atracción entre los núcleos (positivos) y los electrones (negativos). Igualmente importante es el número de electrones π que, según la teoría orbital molecular, debe ser igual a 4 n + 2, en el que n = 1, 2, 3, etc. Para el benceno con seis electrones π.
El
benceno
es
el
más
pequeño
de
los
hidrocarburos
aromáticos
orgánicos. Contiene enlaces sigma El grupo más grande de compuestos aromáticos son aquellos en los que uno o más de los hidrógenos de benceno se sustituyen por otro átomo o grupo, como en tolueno (C 6 H 5 CH 3)
y ácido
benzoico (C 6 H 5 CO 2 H). Compuestos
aromáticos policíclicos son conjuntos de anillos de benceno que comparten un lado, por ejemplo común, naftaleno (C 10 H 8). Los compuestos aromáticos heterocíclicos contienen al menos un átomo distinto del carbono dentro del anillo. Los ejemplos incluyen piridina (C 5 H 5 N), en el que uno de nitrógeno (N) 2
sustituye a un grupo CH, y purina (C 5 H 4N 4), en el que dos nitrógenos reemplazan dos grupos CH. Compuestos aromáticos heterocíclicos, tales como furano (C 4 H 4 O), tiofeno (C 4 H 4 S), y pirrol (C 4 H 4 NH), contienen anillos de cinco miembros en los que el oxígeno (O), azufre (S) , Y NH, respectivamente, reemplazan una unidad HC = CH. (Carey, 2017).
Estructura del benceno Aunque el benceno se conoce desde 1825, y sus propiedades físicas y químicas son mejor conocidas que la de cualquier otro compuesto orgánico, su estructura no pudo ser determinada de forma satisfactoria hasta 1931. El principal problema era debido no a la complejidad de la molécula en sí, sino que era consecuencia del limitado desarrollo de la teoría estructural alcanzado en aquella época. Como ya señalamos se conocía su fórmula molecular (C 6H6), pero el problema estaba en conocer cómo se disponían los átomos en la estructura. En 1858 Kekulé propuso que los átomos de carbono se podían unir entre sí para formar cadenas. Posteriormente en 1865 propuso para poder resolver el problema del benceno, que estas cadenas carbonadas a veces se pueden cerrar formando anillos. Para representar la estructura del benceno se habían propuesto las siguientes:
3
Todos estos intentos de representar la estructura del benceno representaban las distintas formas en que se trataba de reflejar la inercia química del benceno. Esta estructura III a su vez permitiría dos isómeros 1,2-dihalogenado, que serían:
Pero realmente sólo se conoce uno. Kekulé sugirió incorrectamente que existe un equilibrio rápido que convierte un isómero en el otro, en el caso del derivado dibromado
Para poder comprenderlo, hay que tener en cuenta que la estructura de Kekulé de dobles enlaces, los enlaces sencillos serían más largos que los dobles enlaces. Sin embargo, esto no es así, ya que experimentalmente se ha comprobado que los enlaces carbono-carbono en el benceno son todos iguales y que el anillo es plano. Entonces lo que sucede con las estructuras de Kekulé, las cuales solo difieren en la ubicación de los enlaces p, es que el benceno realmente es un híbrido de resonancia entre estas dos estructuras:
De tal manera que los electrones p están deslocalizados a lo largo de la estructura, y por tanto el orden de enlace carbono-carbono es aproximadamente 1.1/2. De acuerdo con esto los enlaces carbono-carbono son más cortos que los enlaces sencillos pero más largos que los dobles enlaces.
4
Por todo ello la estructura real del benceno no es ninguna de las de Kekulé sino la del híbrido de resonancia que se representa con un hexágono con un círculo, lo que sucede es que para una mejor comprensión del comportamiento y para poder explicar algunos mecanismos de reacción, haremos uso de las estructuras de Kekulé. Este planteamiento de resonancia por deslocalización permite explicar la mayoría de las propiedades del benceno y sus derivados en función de la estructura. De acuerdo con lo dicho, el benceno consiste en un anillo donde los seis átomos de carbono presentan una hibridación sp2, uniéndose a dos átomos de carbono adyacente y a un átomo de hidrógeno. De esta manera los enlaces carbonocarbono son todos iguales y los ángulos de enlace son exactamente de 120º. (textos cientificos.com, 2005)
Sustitución Electrófila Aromática El benceno actúa como nucleófilo, atacando a un número importante y variado de electrófilos.
Etapa 1. En la primera etapa de la reacción el electrófilo acepta un par de electrones porcedentes de la nube p del benceno, formándose un carbocatión estabilizado
por 5
resonancia.
El catión ciclohexadienilo [2] deslocaliza la carga positiva según las siguientes estructuras:
Etapa 2. En la segunda etapa el benceno recupera su aromaticidad por perdida de un protón. Es una etapa rápida conocida como rearomatización del anillo. (Fernández, s.f.)
6
Mecanismo de reaccion de la nitracion (organica1)
Nitración del Benceno El benceno reacciona con la mezcla nitrico-sulfurico adicionando grupos nitro.
El electrófilo de esta reacción es el catión nitronio. NO 2+. Las concentraciones de este catión en el ácido nitrico son muy bajas para nitrar el benceno, por ello es necesario añadir ácido sulfúrico.
7
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
(Fernández, s.f.)
Usos del nitrobenceno El nitrobenceno se emplea en la industria química como intermedio para la producción de anilina, bencidina y otros productos derivados de la anilina. El nitrobenceno se utiliza también para producir aceites lubricantes como aquellos usados en motores y en maquinarias. Una pequeña cantidad de nitrobenceno se usa en la fabricación de colorantes, medicamentos, pesticidas y goma sintética. (ecua red)
Materiales y Reactivos Reactivos
Materiales
8
-ácido Sulfúrico
-Matraz
-Ácido nítrico
-vaso precipitado
-benceno
-hielo -condensador de reflujo -decantador
Fichas de seguridad
9
10
11
Procedimiento 1. se realiza una mezcla nitrante con ácido Sulfúrico (H2SO4 y ácido Nítrico (HNO3) la cual produce una ionización de la siguiente manera:
En un matraz (N° 1) de base plana poner el 7,7 ml ácido sulfúrico concentrado, adicionar 4.96 ~5 ml de ácido nítrico poco a poco, agitando y enfriando en un baño de hielo. Hasta que este buen fría la mezcla. 2. Luego el matraz con la mezcla, Dejar calentar la mezcla a la temperatura ambiente 12
3. Agregar 5,68 ml de benceno. La temperatura de adición del benceno, se regula de forma que no exceda los 60 °C. Esta mezcla se hace reaccionar con el benceno (C6H6), en la cual ion nitronio, intenta desplazar de forma muy lenta un hidrogeno del benceno, este proceso ocurre con la ayuda del calor a temperaturas ya conocidas en el procedimiento, la reacción química expuesta anteriormente ocurre de la siguiente forma:
4. Agitar la mezcla durante 10 minutos 5. El matraz(N° 1), conectar al condensador de reflujo 6. El matraz(N° 1), tiene que estar en un baño María a 60 °C y calentar durante 30 minutos agitando con energía todo el tiempo. 7. Dejar enfriar la mezcla, verterla en un embudo de decantación con llave, desechar la capa inferior. 8. Lavar con agua destilada la capa superior (nitrobenceno) 9. Desecar con cloruro cálcico escoriforme, calentando en baño de agua hasta que se quede traslucido. Durante este proceso el producto obtenido de la reacción se separa, siendo siempre el nitrobenceno la capa superior de cada uno de los lavados, en donde se utiliza Carbonato de Sodio, agua y Cloruro de Calcio (como desecante y para neutralizar a pH=8) Durante todo ese tiempo el ion becenonio actúa con el ion sulfito para facilitar la entrada del ion nitronio y se produzca totalmente el desplazamiento del hidrogeno y obtener nitrobenceno
13
10. Finalmente se realiza un destilado sencillo para purificar. Destilar para purificar, recogiendo la fracción entre 206 °C y 211°C, el aire es suficiente refrigerante
11. Se obtendrá el nitrobenceno con una ligeramente amarillo a coloración verde transparente y algo viscoso. 12. Olor a almendras
Resultados
Datos:
Ac. Sulfúrico – 14g Benceno – 5g Ácido Nítrico – 7.5 g
Ac. Sulfúrico
Benceno
= /
= /
= 14/1.84 /
= 5/0.88/
= 7.60
= 5.68
= /
= /
= 14/98/
= 5/ 78/
= 0.0173
= 0.064
Ác. Nítrico = / = 7.5 /1.51/ = 4.96
14
= / = 7.5/63/ = 0.119
NitroBenceno – Cálculos Teóricos. Tabla 1. Reactivos utilizados.
Reactivos
Peso molecular g/mol
Benceno C6H6 Ácido Nítrico HNO3 Ácido Sulfúrico H2SO4
Densidad Conc. % g/ml
Punto de ebullición °C
Cant. utilizada Gramos
ml
Moles Usado Teórico
78
0.88
99.5
80
5
63
1.51
79
73
7.4
4.96
0.12
-
98
1.84
98
337
14
7.60
0.14
-
4.96 ∗
1 78
∗
1 1
= 7.85 = / = 7.88/123/ = 0.063
15
∗
5.68 0.064
123 1
R. L
Calculo del producto final (Colorante). % = ( / ó) ∗ 100 % = (5.1/7.85) ∗ 100 = 64.96%
Calculo del error absoluto.
= ( ) − () = 7.86 − 5.1 = 2.76
=
Calculo del error relativo.
∗ 100 =
2.76 7.86
∗ 100 = 35.11
Calculo Prácticos.
= / = 5.1/123/ = 0.041
Tabla 2. Producto Final (Nitrobenceno). Compuestos
Peso Molecular
Densidad
Rendimiento Teórico
Nitrobenceno C6H5NO2
123.06 g/mol
1.2 g/ml
%
Moles
Gramos
mL
0.063
7.88
6.57
Práctico
0.041
5.1
64.96
5.1
Conclusiones Esta reacción química consiste en la formación del ion nitronio que se forma por el efecto del ácido sulfúrico sobre el ácido nítrico donde las condiciones de 16
temperatura fueron determinantes para llevar a cabo la nitración del benceno. No hubo solubilidad del nitrobenceno ya que este solo es soluble en compuestos no polares. El nitrobenceno es más denso que la mezcla sulfonítrica por eso se observó en la parte superior. Las condiciones de temperatura fueron determinantes para llevar a cabo la nitración del Benceno. Debido a que el Ácido sulfúrico y el Ácido nítrico son compuestos polares y el nitrobenceno es no polar, no hubo solubilidad del nitrobenceno ya que éste sólo es soluble en compuestos no polares.
Recomendaciones La producción del nitrobenceno es uno de los procesos más peligrosos realizados en la industria química debido a gran exotermicidad de la reacción. Realizar un destilado sencillo para purificar. Tomar bien el tiempo de 30 minutos para el baño maría. Calcular adecuadamente los respectivos valores para el rendimiento general.
Observaciones En el resultado final del producto terminado como lo es el nitrobenceno se obtuvo 5,1 ml del mismo , se lo observó que presenta una apariencia ligeramente amarilla cristalina viscosa después de haber sido separado del agua que lo contenía , presenta un olor característico a almendras.
Anexos
Trabajos citados Carey,
F. A. (2017). Encyclopædia Britannica . https://www.britannica.com/science/aromatic-compound
Obtenido
Fernández, G. (s.f.). Obtenido quimica organica . http://www.quimicaorganica.org/benceno/276-sustitucion-electrofilaaromatica.html
de de
organica1. (s.f.). Obtenido de http://organica1.org/1405/colmar.pdf textos
cientificos.com .
(17 de septiembre de 2005). Obtenido https://www.textoscientificos.com/quimica/benceno/estructura 17
de
Cuestionario 1.- ¿A qué tipo de reacción pertenece la nitración del benceno? La reacción es de sustitución electrofílica aromática (nitración).
2.- ¿Las reacciones del benceno son iguales que la de los alquenos? No son iguales, ya que los hidrocarburos alifáticos (alquenos) reaccionan principalmente por adición y sustitución por radicales libres. En cambio, los hidrocarburos aromáticos se caracterizan por su tendencia a la sustitución electrofílica.
3.- ¿Por qué es necesario el H2SO4 en la reacción de la nitración? Porque el ácido sulfúrico actúa como catalizador, permitiendo que la reacción se lleve a cabo más rápidamente y a menores temperaturas. Se ha demostrado que éste se deshidrata al ácido nítrico formándose el ion nitronio O=N=O.
4.- ¿Cuál es la razón por la que es necesario agregar (Na 2SO4 O CaCl2) al producto antes de destilarlo? Muchos líquidos cuando se destilan en presencia de agua, reaccionan con ésta (se hidrolizan) con el agua (se arrastran) a temperaturas bastante distantes de su punto de ebullición. 18
Por estas razones el paso final antes de la eliminación de un líquido es la eliminación del agua que lleva consigo mediante algún proceso de secado.
5.- ¿Explique por qué después de que se termine la reacción es necesario efectuar una destilación del producto? Es necesaria la destilación, puesto que en la reacción no sólo se obtiene Nitrobenceno, sino que también se obtiene una pequeña cantidad de mnitrobenceno , por lo que es necesario la separación para obtener al final el nitrobenceno , es decir la finalidad de la destilación en la práctica es la purificación del producto.
6.- ¿Explique por qué es indispensable controlar la temperatura de destilación del nitrobenceno? Al elevar la temperatura se aumenta el grado de nitración. En los compuestos aromáticos la temperatura interviene en la en la oxidación del nitrógeno. Cuando se destila se debe tener cuidado que el matraz no llegue a secarse, dicho residuo contiene m-dinitrobenceno que puede descomponerse si se calienta por encima del punto de ebullición del nitrobenceno.
7.- ¿Qué características físicas presenta el producto terminado? El nitrobenceno se obtendrá con una coloración ligeramente amarillo a verde transparente y algo viscoso, con un agradable olor a almendras.
8.- ¿Mencione otras reacciones de sustituciones electrofílicas que presenta el benceno?
Halogenación
Alquilación de anillos aromáticos
Sulfonación
9.- ¿Calcule el rendimiento obtenido? Se puede obtener la cantidad de nitrobenceno teórico procedente del reactivo limitante que fue el benceno en moles formado (ver resultados), mediante la siguiente fórmula: =
El compuesto que se obtendrá se encontraba en fase liquida, debemos proceder a determinar la cantidad de volumen obtenido, esto se determina mediante la siguiente formula. 19
=
El % de rendimiento obtenido, mediante una regla de tres, con base en los rendimientos teórico y real obtenidos durante esta práctica.
10.- ¿Anote la toxicidad y precauciones de todos los reactivos utilizados? NaOH Ingestión: Puede causar daños graves y permanentes al sistema gastrointestinal.
Inhalación: Irritación con pequeñas exposiciones, pueden ser dañinos o mortal en altas dosis.
Piel: Irritaciones leves hasta ulceras graves. Cloruro de calcio Inhalación: Material granular, no plantea un peligro de inhalación significativa, pero la inhalación de polvo puede causar irritación de las vías respiratorias, con síntomas de tos y dificultad para respirar.
Ojos: Abrasión mecánica, o más grave quemaduras por el calor y la irritación por la hidrólisis del cloruro.
Piel: Sólidos pueden causar una ligera irritación en la piel seca. Benceno Inhalación: Irrita los ojos y las mucosas de nariz y tráquea. Ojos: Tanto como en forma líquida o vapor los irrita. Piel: Se absorbe a través de ella y lo irrita. Ingestión: Extremadamente tóxico. Ácido Nítrico Inhalación: Sensación de quemazón, tos, dificultad respiratoria. Piel: Quemaduras cutáneas graves, dolor, decoloración amarilla. Ojos: Enrojecimiento, dolor, quemaduras. Ingestión: Dolor de garganta, dolor abdominal. Ácido Sulfúrico Inhalación: Puede ocasionar inflamación crónica del tracto respiratorio. Ingestión: Vómito, náuseas y produce severas quemaduras en la boca, 20
garganta y tracto digestivo.
Ojos: Produce daños irreversibles que pueden llegar a la pérdida de la vista.
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