Commented [C1]: Márgenes Papel Bond Formato A4 (210mm x 297mm) • arriba 2.5 cm • abajo 2.5 cm • izquierdo 3 cm • derecha 2.5 cm
Obtención de p-nitroacetanilida por nitración catalítica aromática Juan Llamocca Manco Manco (20151469B), Gustavo Pérez Contreras (20152646E), Jheyson Vela Pinedo(20061115G) Laboratorio de Química Orgánica II, PQ-322, FIP
[email protected],
[email protected],
[email protected] Realizado: Abril 09, 2018 Presentado: Abril 16, 2018
Commented [C2]: Encabezados iniciales Estos encabezados corresponden al inicio del artículo (Logo de la UNI, Título, Autores, E-mails, Resumen). Deben estar escritos en una sola columna. Estos estarán en el siguiente orden: • Título: centrado, tamaño de fuente 14, en negrita, mayúsculas, sin cursiva, sin subrayar. Después del título dejar una línea en blanco (tamaño 11). EL TÍTULO resume en una frase el propósito del
RESUMEN A continuación, se presenta un método de obtención de p-nitroacetanilida por medio de la nitración aromática de la acetanilida, empleando como catalizador al ácido sulfúrico, el cual permite que la reacción suceda de manera más rápida y a menores temperaturas. Se buscó obtener por lo menos un rendimiento de 80%, sin embargo, tras varios procesos de filtración al vacío, secado y lavado, hubo pérdidas de material obteniéndose así un rendimi ento de 11,25%. Habiendo finalizado la obtención de la p-nitroacetanilida, se procedió a obtener el rango de temperatura de fusión por medio del equipo Vernier Melt Station, teniendo como resultado el rango de 214.3 - 216.6 °C.
experimento. Calibri 14 negrita • Nombres de los autores (y código UNI): centrados, tamaño de
fuente 11, mayúsculas y minúsculas, en cursiva, sin subrayar. Los nombres de los autores deben estar separados por comas. • Nombres de la asignatura (como Laboratorio), código del curso y de la facultad: centrados, tamaño de fuente 11, mayúsculas y minúsculas, sin negrita, en cursiva, sin subrayar. • E-mails: centrados, tamaño de fuente 11, mayúsculas y minúsculas, sin negrita, sin cursiva, s in subrayar. Separados por comas. Después del o de los e-mails dejar una línea en blanco (tamaño 11) y separar mediante borde inferior.
Palabras clave: Sustitución electrofílica aromática; Acetanilida ; Nitración aromática; p-
Commented [C3]: Las palabras clave (keywords) son el principal
nitroacetanilida.
instrumento de una investigación. Son términos compuestos por una o más palabras. Son la forma en que un usuario escribe sus dudas en los buscadores con el fin de obtener respuestas y solucionar sus problemas. Minimo 3 palabras clave y máximo 5. Luego dejar una línea en blanco (tamaño 11) y separar mediante
1. INTRODUCCIÓN
borde inferior
Commented [C4]: Los informes de laboratorio se deben escribir
La asignatura de Química Orgánica debe terminar cuand o el alumno demuestra competencias mínimas en síntesis y en caracterización de compuestos. Para demostrar estas habilidades se escogió la síntesis de la p-nitroacetanilida. En este experimento, se preparó con anterioridad una muestra de acetanilida y se procedió a la obtención del compuesto previamente mencionado a partir de la síntesis que se muestra en el Esquema 1 a continuación:
1
usando la voz pasiva. El experimentador es idealmente un observador objetivo, y escribe sus informes como tal. Commented [C5]: Debe incluirse: el problema a tratar, lo
escrito por otros al respecto (el estado del arte, pero breve), la breve), la hipótesis y los objetivos.
Commented [C6]: Toda reacción o ecuación química con
estructuras debe realizarse con el software ChemSketch. Si no fuese posible puede incluirse la reacción a mano pero ESCANEADA o FOTOGRAFIADA E INSERTADA CONVENIENTEMENTE.
Esquema 1. Síntesis de la p-nitroacetanilida
Commented [C7]: Propósito del experimento. También incluya
el tipo de reacción si es el caso.
La nitración de aromáticos nos puede dar varios productos, como en este caso se busca obtener el mayor porcentaje de p-nitroacetanilida, no tendremos muchos incovenientes ya que este es más favorable debido al impedimento estérico que se pr esenta al formarse la forma orto [1]. El mecanismo de este proceso se muestra a continuación en el Esquema 2:
Commented [C8]: Esta reacción proviene de un libro, por lo
tanto debe colocarse la referencia bibliográfica correspondiente.
Commented [C9]: Asegúrese de incluir también el mecanismo
de la reacción en los laboratorios de síntesis
1)
2)
Commented [C10]: Las estructuras pueden ser dibujadas
Esquema 2. Mecanismo de la síntesis de p-nitroacetanilida
El mecanismo de reacción por el cual se lleva a cabo esta reacción es la sustitución electrofílica aromática donde el anillo bencénico sirve de fuente de electrones, actuando como base. Para el caso de la nitración se acepta generalmente el mecanismo planteado anteriormente, teniendo como base una mezcla de ácidos sulfúrico y nítrico. 2
claramente a mano si son muy difíciles. Esto le dará al estudiante una práctica más y también ayuda a prevenir errores. En este caso deben ser ESCANEADAS COVENIENTE MENTE para introducir las en el informe digital Commented [C11]: Si el diagrama, fiigura, esquema, tabla, etc.
pertenece a determinado autor, éste debe mencionarse en la referencia.
En primer lugar, el ácido nítrico reacciona con el ácido sulfúrico generando así el ion nitronio, el cual actúa como especie electrofílica que atacará al anillo bencénico. Esta reacción es un equilibrio ácidobase, en el que el ácido sulfúrico ac túa como ácido; y el ácido nítrico, como base. Posteriormente, debido a la insuficiencia de electrones del ion nitronio y puesto que en la nube π del anillo bencénico se encuentran disponibles, el ion se une a uno de los carbonos generando así un carbocatión. Finalmente, el ión HSO 4-, le quita un ión hidrógeno al carbocatión para dar el producto de sustitución. [8] La hipótesis de trabajo entonces es: “La síntesis de p-nitroacetanilida nos permitirá poner en práctica la teoría aprendida sobre nitración de aromáticos de las clases de Química Orgánica II ”. Asimismo, los objetivos de la práctica son: Objetivo general: Demostrar lo aprendido en Química Orgánica II, mediante una prueba de síntesis. Objetivo Específico: Sintetizar la acetanilida mediante una filtración al vacío con pruebas sencillas.
Commented [C12]: HIPÓTESIS: Suposición hecha a partir de
unos datos que sirve de base para iniciar una investigación o una argumentación. - debe tener carácter afirmativo. - debe ser bastante precisa. - debe evitar las ambigüedades. - debes incluir todos los elementos que vayas a considerar en la experimentación. -O debe estar redactada según la fórmula “Si,…, entonces…”. Básicamente debe incluir el supuesto teórico en la primera parte (Si,…) y el procedimiento general que se aplicará a partir de tal supuesto teórico (entonces, …).
Garantizando el 80% aceptable de recuperación de p-nitroacetanilida.
Commented [C13]: OBJETIVO: Son las metas que se persiguen al realizar la experimentación. Un objetivo general y un objetivo específico, normalmente se resumen en tres, cuatro o más dependiendo de los experimentos a realizarse.
2. DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN
Commented [C14]: Encabezados principales
Después de realizar todos los p rocesos para la obtención de p-nitroacetanilida se tomó una muestra en un capilar que se iba agitando poco a poco hasta que llegue a tope para luego ser utilizada y saber el punto de fusión se utilizó el equipo Vernier Melt Station, Model MLT – BTA, tal como se muestra en la figura 2. Con este resultado se hace la comparación en tabla 1, la cual salió con un valor aceptable dentro del rango.
3
• CALIBRI Negrita, 12 puntos • Mayúsculas, justificado a la izquierda. • No subrayar • No use cursivas. • Una línea en blanco (tamaño 11) arriba y abajo, excepto cuando el encabezado esté en la parte superior de la columna .
TABLA 1. Punto de Fusión de p-nitroacetanilida. [8]
3. PARTE EXPERIMENTAL
Commented [C15]: En la descripción experimental, se asume
Se añadió en un vaso de precipitado 1 g de acetanilida y 4 mL de ácido sulfúrico concentrado, luego se agitó hasta la disolución completa de la acetanilida. Después de esto, se enfrió la solución en un baño de hielo hasta que la temperatura alcance los 20°C, una vez que la temperatura alcanzó los 20°C se procedió a añadir, gota a gota, 10 gotas de ácido nítrico, para esto se ayudó de una pipeta y se echó cada gota dejando un intervalo de 1 min por gota, agitando en todo momento la solución y cuidando que la temperatura de esta se encuentre en un intervalo de 10-15 °C. Se siguió con el reposo de la solución a temperatura ambiente durante 15 min, luego se armó un equipo de filtración al vacío y mediante un papel de filtro se filtró la solución hasta que el residuo quede incoloro, terminado el proceso, con la ayuda de una espátula, se pasó el precipitado totalmente seco a un vaso de precipitado, a este precipitado se le añadió 30 mL de etanol al 95% p reviamente calentado hasta ebullición, se agitó hasta la disolución completa del precipitado y se dejó reposar a temperatura ambiente hasta la formación de cristales. Luego se armó nuevamente un equipo de filtración al vacío y se procedió a filtrar hasta que el papel de filtro este totalmente seco. Todo este proceso se muestra en el Diagrama 1. Después de la obtención del filtrado, este se pasa a una estufa durante 10 min para que quede totalmente anhidro, esto se muestra en la Figura 1, se prosiguió con la medición de su temperatura de fusión mediante un Vernier Melt Station, Figura 2.
4
que el lector está instruido en las técnicas de la química orgánica. Tenga en cuenta las cantidades reales que se utilizan, no necesariamente las cantidades que figuran en la guía de laboratorio
Diagrama de Flujo del experimento A continuación, el Diagrama 1 muestra las princ ipales operaciones realizadas durante el experimento.
10 gotas de HNO 3
Reposo a Temperatura ambiente por 15 min Agitar hasta disolución
diagrama de las principales operaciones realizadas durante la actividad. Este diagrama debe realizarse obligatoriamente con el software ChemSketch o similares. Commented [C17]: Subencabezados • Calibri Negrita, 11 puntos • Mayúsculas y minúsculas • No subrayar • No use cursivas. • Justificado en el m argen derecho. • Una línea en blanco (tamaño 11) arriba y abajo, excepto cuando el encabezado esté en la parte superior de la columna.
1 g de acetanilida 4 mL de H2SO4
Commented [C16]: La parte experimental debe incluir un
Baño en hielo Filtracion al vacío 30 mL de EtOH caliente al 95% Filtrado
Enfriamiento hasta formación de cristales
Filtracion al vacío
Diagrama 1. Diagrama de flujo de la s íntesis de la para-nitroacetanilida
Figura 1. Secado del precipitado
5
Figura 2. Obtención de la temperatura de fusión mediante un Vernier Melt Station
4. RESULTADOS Masa del producto: 0,15 g Rendimiento: 11.25 % Temperatura de Fusión: 214.3 - 216.6 °C Datos y Cálculos
Commented [C18]: Presente los cálculos. Los cálculos deben
En las medidas deben respetarse el s istema internacional de unidades. Note que mililitro se denota por mL y no ml; gramo se denota por g y no gr.
presentarse adecuadamente. Mejor si se usa el editor de ecuaciones. Asegúrese de mostrar todos sus cálculos. Como calcular el rendimiento teórico de un compuesto se muestra en Pavía, p. 562 y ss 4 ª ed.
Un ejemplo de cálculo obligatorio cuando se realizan síntesis en el rendimiento de reacción. Debe comenzar con una tabla de los reactivos utilizados, por ejemplo: Tabla 2. Cantidades iniciales de los reactivos empleados
Commented [C19]: Las tablas, figuras y gráficos siempre deben
llevar número, título y una descripción o leyenda. Nunca coloque una tabla, gráfico o figura sin haberla referenciado en el texto, primero se debe referenciar la tabla y luego si esquematizarla en el texto. Esto también aplica para las figuras y gráficas Las tablas, figuras y gráficas deben ser claras, didácticas, así mismo, en las tablas cada columna debe tener sus respectivas unidades.
en la síntesis de para-nitroacetanilida
Compuesto HNO3
Compuesto Acetanilida
Cantidad utilizada (mL) 0.5
Cantidad utilizada (g) 1
6
Para calcular el rendimiento de la reacción, deberá calcularse, si es necesario, el reactivo límite. Por ejemplo, en la síntesis de la para-nitroacetanilida se han empleado 1 g de acetanilida y 0,5 m L de ácido nítrico, este último líquido y la acetanilida en estado de agregación sólido, los cuales reaccionan según lo indicado en el Esquema 3, obteniendo 0.15 del producto principal:
NHCOCH3 + HNO3
H2SO4
NHCOCH3
O2N
Esquema 3. Reacción de formación de la para-nitroacetanilida
Los moles de ácido nítrico se determinan de la sigui ente forma:
Commented [C20]: La palabra MOLES es de género masculino
Teniendo en cuenta que la densidad de la solución de ácido nítrico es 1.51 g/mL, se tiene que las moles de esta solución quedan: acido = 0.5 ×
3
acido = 11.98× 10
1.51
×
1
Commented [C21]: Para los cálculos y ecuaciones en general
utilizar l herramienta ecuaciones de WORD.
63.01
Los moles de cloruro de acetanilida (n ac) se determinan de la siguiente forma: Teniendo en cuenta que la ma sa molar de la acetanilida es de 135.17 g/mol, se tiene que las moles de este solido quedan:
= 1 ×
1 135.17
= 7.398 × 10−
De esta forma, se tiene que el reactivo límite es la acetanilida, con masa molar 180.16g/mol, por lo que la cantidad teórica de para-nitroacetanilida, sería: = 7.398 × 10− ×
1 1
×
180.16 1
= 1.3328 ó
Así, se tiene que el porcentaje de rendimiento en la obtención de para-nitroacetanilida por medio de la reacción en presencia de catalizador acido, entre acetanilida y ácido nítrico es: 7
% =
% =
() ó() 0.15 1.3328
× 100
× 100 = 11.25 %
De esa manera se calculó el rendimiento de la reacción. 5. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Commented [C22]: Al interpretar los datos A FONDO,
La reacción de ácido nítrico con la acetanilida en medio ácido, produjo 0,15 g de p-nitroacetanilida, este es el valor experimental, si lo comparamos con el valor teórico que es 1.3328 g nos daremos cuenta que la diferencia es muy grande esto se d ebe principalmente a parte de la solución perdida en los distintos métodos utilizados. Según la Tabla 1, el punto de fusión de la p-nitroacetanilida es 216°C, mientras que se obtuvo un rango de temperatura de 214,3°C – 216,6°C el cual es bastante amplio, indicándonos qu e la sustancia analizada no es totalmente pura, es decir que contiene restos de la forma orto. Sin embargo el valor teórico pertenece al rango de temperatura obtenido.
proporcio na el significado de cada uno de sus datos, y se establece lo que se puede concluir de estos datos. La discusión es la parte esencial del informe, no se trata de repetir los resultados obtenidos, si no de analizarlos, compararlos con otros reportados en la literatura o con las predicciones teóricas. Se recomienda ser críticos cuando los resultados no soy muy buenos indicando que causas se le atribuyen y que mejoras pudieron hacerse. Su discusión debe estar fundamentada y apoyada en los conocimientos propios que usted posee en química orgánica o de la química en general. Usted puede hacer uso de libros, artículos o revistas de carácter científico únicamente para soportar su discusión. Así mismo , debe citar todas las fuentes que use. Recuerde que, si incluye mecanismos de reacción, estos se consideran como esquemas.
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Commented [C23]: Las conclusiones se escriben en tiempo
En este experimento, se demostró que la p-ni troacetanilida podría ser producida a partir de acetanilida con ácido nítrico mediante medio acido en presencia de ácido sulfúrico obteniéndose un rendimiento global del 11.25%.
Como mínimo se requieren 3 conclusiones y máximo 5 y no deben numerarse. Adicionalmente, se pueden incluir recomendaciones que emanen del trabajo realizado. No se consideran como conclusiones extractos copiados de libros o internet .
presente.
La realización de esta experiencia de síntesis de la p-nitroacetanilida nos ayudó a mejorar las diferentes técnicas utilizadas en este proceso, como la filtración, secado y medición de la temperatura de fusionó Se recomienda, para evitar pérdidas, un uso correcto de las diferentes técnicas, especialmente en la filtración al vacío, esto debido a que en la filtración se da la perdida de grand es cantidades de filtrado, así podremos evitar pérdidas y podremos obtener un mejor rendimiento en la síntesis del pnitroacetanilida. Se recomienda también una correcta medición de temperatura, esto deberá mantenerse en un rango de 10-20 °C, tendremos que ayudarnos de un baño en hielo debido a que las diferentes reacciones son muy exotérmicas, además si la temperatura excede dicho rango, se obtendrá distintos productos.
7. CUESTIONARIO
Commented [C24]: Al final se presentará el cuestionario o las
cuestiones adicionales que el profesor crea conveniente presentar
1. ¿Cuál es el mecanismo de la reacción estudiada?
8
El mecanismo de reacción que gobierna esta síntesis es la sustitución electrofílica aromática S EAr. Mismo que se ha presentado anteriormente en el Esquema 2. 2. Una vez obtenido el precipitado crudo de p-nitroacetanilida, este es exprimido para secarlo lo mejor posible. Inmediatamente es disuelto en alcohol ardiente. ¿Cuál es la razón fundamental por la cual es disuelto en alcohol?
Como se mencionó en la parte introductoria, cuando se procede a la nitración de la acetanilida, se obtienen dos productos: la forma orto (color amarillo) y la forma para (color blanco) de la nitroacetanilida. Como nosotros deseamos obtener solo la forma para, al precipitado obtenido (onitroacetanilida y p-nitroacetanilida) se le agrega alcohol que disuelve a la forma orto, mas no a la forma para. 3. Prediga que pasaría durante la recristalización de p-nitroacetanilida en 95% de etanol si todo el material ácido no hubiese sido neutralizado previamente. Utilice una ecuación en su respuesta.
Esquema 4. Formación de p-nitroacetanilida y o-nitroacetanilida. 4. La p-nitroacetanilida es aproximadamente 10000 veces menos básica que la anilina. Explique esta diferencia en basicidad. Use estructuras.
Existen diversos factores que disminuyen la basicidad d e una amina: por ejemplo, el incremento de los impedimentos estéricos dificultando la protonación y la solvatación del catión resultante. Otro factor que influye es la disponibilidad de pares libres del átomo de nitrógeno para reaccionar con un ácido. Las formas resonantes de las aminas, hacen que la carga negativa se estabilice haciendo que disminuya su basicidad. Mientras más estructuras resonantes tenga el compuesto, menor será su basicidad. [9]
9
Esquema 5. Estructuras resonantes de la anilina. [9]
Esquema 6. Algunas estructuras resonantes de la p-nitroacetanilida.
Como podemos observar en el Esquema 5 y 6, la p-nitroacetanilida tiene más estructuras resonantes que la anilina, lo cual estabiliza mejor la carga negativa, haciendo que tenga un mayor carácter básico que la anilina.
8. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
Commented [C25]: Las REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS se
insertan automáticamente por WORD y deben insertarse al final del informe.
[1] J. Gorziynski. , Organic Chemistry, 2 ed., New York: McGraw-Hill, 2008, p. 1164. [2] D. Pavia, G. Lampman, G. Kriz y R. Engel, Introduction to Organic Laboratory Techniques, A Microscale Approach, California: Brooks/Cole - Pacific Grove, 1999. [3] B. Yurkanis, Organic Chemistry, New Jersey: Prentice Halls, 2004. [4] SDBS, «Spectral Database for Organic Compounds SDBS,» [En línea]. Available: http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi. [Último acceso: 5 marzo 2018].
10
[5] Brooks y Cole, Introduction to Organic Laboratory Techniques, A Microscale Approach, California: Pacific Grove, 1999, p. 377. [6] R. Silverstein, Identificación Espectrométrica de c ompuestos orgánicos, México: Editorial Diana, 1980. [7] C. Timaná de La Fl or, Química Orgánica II - Guía de Laboratorio, Lima: UNI-FIP-Timaná, 2001. [8] R. T. Morrison y R. N. Boyd, Química Orgánica, México: Addison Wesley, 1998. [9] Organic Chemistry, Struc ture and Reactivity, Barcelona: Editorial Reverté, 2000.
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