Practica 4 Nitración Nitración de benceno
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Javier Sánchez Ruiz Michel Ramírez Diego Delgado Espinosa Profesor Miguel Ángel Aguilar Fecha de realización: 7 de febrero de 2014 Fecha de entrega: 14 de febrero de 2014
Introducción
El nitrobenceno es una sustancia química industrial. Es un líquido amarillo aceitoso, de olor parecido a almendras. Es poco soluble en agua y la mayor parte se evaporará al aire. Es producido en grandes cantidades para uso en la industria. La mayor parte del nitrobenceno producido en EE. UU. es usado para manufacturar otra sustancia química llamada anilina. El nitrobenceno también es usado para producir aceites lubricantes como aquellos usados en motores y en maquinarias. Una pequeña cantidad de nitrobenceno es usada en la manufactura de colorantes, medicamentos, pesticidas y goma sintética. La nitración es un procedimiento que consiste en la sustitución de un hidrógeno por un grupo nitro generado por la mezcla nitrante que se forma en el medio de reacción. La nitración de los compuestos aromáticos sigue un mecanismo de sustitución electrofílica aromática. Una sustitución electrofílica aromática es aquella que principia por el ataque al anillo aromático de un electrófilo (especie con deficiencia electrónica) para dar a la formación de un ión bencenonio. Marco Teórico
En la nitración del benceno la ruptura del enlace C-H se puede seguir por comparación de las velocidades de nitración del benceno, ya que se ha hallado experimentalmente que los enlaces C-D se atacan y se rompen más lentamente que los correspondientes enlaces C-H. Por lo anterior, si la ruptura del enlace C-H se produjera en la etapa determinante de velocidad en la nitración del benceno, podría esperarse que el benceno deuterado sufriera una nitración más lenta que el benceno. De otro lado, si la ruptura del enlace C-H no se produce en la etapa lenta cabría esperar que no hubiera diferencia en las velocidades de nitración de ambos compuestos. En realidad se encuentra experimentalmente que ambos compuestos experimentan la nitración a la misma velocidad, por lo que la ruptura del enlace C-H no interviene en la etapa determinante de la velocidad y el mecanismo concertado debe descartarse. El hecho de que no se observen diferencias en la velocidad entre el compuesto normal y el deuterado también desecha un posible tercer mecanismo: un proceso en dos etapas con el mismo intermedio pero con una primera etapa (formación de enlace) rápida y una segunda etapa (rompimiento de enlace) lenta.
Imagen 1: etapa rápida y lenta de la nitracion
Se encuentra finalmente, que de los tres posibles mecanismos (probablemente se puedan plantear más) que cumplen con la ley de velocidad, se han podido descartar dos con base en los resultados del experimento del efecto de un isótopo.
Sin embargo, esto no significa que se haya demostrado que la nitración transcurra según el mecanismo seleccionado. Lo que quiere decir es que este camino está de acuerdo con los datos experimentales, y por lo tanto puede usarse como hipótesis de trabajo hasta que aparezcan otros datos que exijan su modificación o su exclusión. Mecanismo de reacción:
1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)
2) Ataque electrófilico sobre el ion nitronio
3) Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.
La nitración de anillos aromáticos es una reacción de particular importancia, debido a que los nitroarenos que se producen pueden reducirse con reactivos como hierro o cloruro para formar aninoarenos (anilina). Los usos más importantes de los compuestos nitrados son en la síntesis de alcaloides, anilinas, en la fabricación de colorantes, como disolventes en la industria del petróleo, explosivas, plastificantes, plásticas y como intermediarios de síntesis de reactivos químicos Propiedades químicas y físicas del nitrobenceno
Fórmula: PhNO2 = C6H5NO2 Masa molecular: 123,11 g/mol Punto de fusión: 5,7 °C Punto de ebullición: 210,85 °C Densidad: 1,19867 g/ml Punto de inflamación: 88 °C Solubilidad en agua: 1,9 g/l (20 °C); 2,1 g/l (25 °C)
Técnicas de purificación del nitrobenceno
En la destilación por arrastre con vapor de agua intervienen dos líquidos: el agua y la sustancia que se destila. Estos líquidos no suelen ser miscibles en todas las proporciones. En el caso límite, es decir, si los dos líquidos son totalmente insolubles el uno en el otro, la tensión de vapor de cada uno de ellos no estaría afectada por la presencia del otro. A la temperatura de ebullición de una mezcla de esta clase la suma de las tensiones de vapor de los dos compuestos debe ser igual a la presión atmosférica, puesto que suponemos que la mezcla está hirviendo. El punto de ebullición de esta mezcla será, pues, inferior al del compuesto de punto de ebullición más bajo, y bajo la misma presión, puesto que la presión parcial es forzosamente inferior a la presión total, que es igual a la altura barométrica. Se logra, pues, el mismo efecto que la destilación a presión reducida. El que una sustancia determinada destile o se arrastre más o menos de prisa en una corriente de vapor de agua, depende de la relación entre la tensión parcial y de la densidad de su vapor y las mismas constantes físicas del agua
Objetivos
1. Conocer una reacción de sustitución electrofílica aromática y aprender a aplicar los conceptos de la sustitución al desarrollo experimental de la nitración de benceno. 2. Aprender a controlar las condiciones experimentales que favorecen la monosustitución y a utilizar las propiedades de los grupos orientadores a la posición meta del anillo aromático para sintetizar un derivado disustituido. 3. Aprender el procedimiento experimental de la nitración de benceno 4. Aprender a agilizar una destilación con el uso de rotavapor Método Experimental MATERIALES
Matraz de bola de 2 bocas de 100 ml 2 matraces de 50ml Refrigerante con mangueras Colector 3 pinzas con nuez Matraz Erlenmeyer de 50ml y de 125ml Barra magnética 2 probetas graduadas de 25 ml Termómetro 1 porta termoemtro Espátula Mantilla Agitador magnético Embudo de separación Soporte universal 1 agitador de vidrio
SUSTANCIAS O REACTIVOS
Ácido nítrico concentrado 12 ml Benceno 10 ml Sulfato de sodio anhidro 5 g Cloruro de sodio 2 g Ácido sulfúrico concentrado 15 ml Hidróxido de sodio 5 g Cloruro de calcio anhidro 5 g
1 vidrio de reloj 1 T de destilación 1 recipiente de peltre Embudo de filtración rápida Rotavapor
Desarrollo Experimental
En esta práctica del curso de la materia de Química Orgánica 2 vamos analizar, observar y experimentar con un proceso muy conocido en el ámbito químico que es la nitración del benceno, como en toda practica se necesita de todo nuestra con concentración para realizar y desarrollar la practica con el menor numero de errores posibles, además de los peligros que podemos ocasionar con cualquier distracción ya que durante el proceso vamos a trabajar con sustancias o reactivos que pueden ocasionarnos un problema a la salud, por esto es necesario utilizar lentes, guantes y bata por el uso de ácidos en especial del nítrico que tiene un alto nivel de toxicidad y peligro a la salud, por eso es muy importante tener en cuenta los dispositivos de seguridad vistos en el Laboratorio de Orgánica de la Universidad Anáhuac. Para un mayor rendimiento y eficiencia en los resultados es necesario seguir algunas aclaraciones para los cálculos y las mediciones sean adecuadas. Cuando estemos haciendo uso del termómetro para medir la temperatura en la adición de acido sulfúrico es necesario que el bulbo del termómetro esté en contacto con la solución para una buena medición de temperatura. Al momento de adicionar el benceno a la mezcla sulfonica es necesario hacerlo lentamente porque genera una reacción exotérmica y es recomendable ir añadiendo en porciones de 1- 2 ml y con una agitación vigorosa debido a que el benceno es poco soluble en la mezcla sulfonítrica, de esta agitación depende la nitración. Cuando se llegue al paso del embudo de separación es necesario hacer una investigación previa de la densidad del nitrobenceno y el agua para saber que fase se debe eliminar, en caso que después de los lavados con hidróxido de sodio continúe básico, lavar con agua fría destilada para alcanzar un pH de 7. Cuando se esté haciendo el reflujo es necesario una agitación vigorosa para asegurar el contacto entre las dos capas inmiscibles y precaución no debemos destilar hasta que este completamente seco nuestro producto debido a que pueden existir algunos productos de polinitracion que sean explosivos. En caso de querer acelerar la destilación hacer uso del rotavapor que genera una destilación al vacío. Procedimiento
1. Colocar en el matraz balón de dos bocas 12 ml de HNO3 concentrado más una barra magnética. 2. Adaptar en una de las bocas el embudo de separación con 15 ml de H2SO4 concentrado. 3. Sumerja el matraz en un baño de hielo e inicie la adición de H2SO4 conc., poco a poco y con agitación 4. Mantenga la temperatura de la mezcla sulfonítrica entre 20°- 30°C. 5. Al término de la adición, coloque un porta termómetro con el termómetro 6. Retire el baño de hielo y adicione lentamente con agitación vigorosa 10 ml de benceno.
7. Al finalizar la adición del benceno continúe la agitación hasta que cese la reacción exotérmica 8. Adaptar a la boca principal del matraz balón un refrigerante de agua en posición de reflujo. 9. Adapte la canasta conectada a un regulador de calentamiento y esta canasta al matraz balón de dos bocas. 10. Calentar hasta alcanzar la temperatura de 60°C por 40 minutos. 11. Posteriormente retire el matraz balón del calentamiento, deje enfriar y colóquelo en un baño de agua con hielo hasta tener una temperatura de 20°C 12. Transferir al embudo de separación y deseche la fase inferior. 13. Lave el nitrobenceno dos veces con 15 ml de agua fría y después con solución de NaOH al 10% (10 ml cada vez), hasta pH 7 (5) y final 14. lave una vez mas con agua fría destilada. 15. Seque el nitrobenceno húmedo en un matraz Erlenmeyer de 50 ml con sulfato de sodio o cloruro de calcio anhídro y transfiéralo por decantación a una bola de destilación de 25 ml. 16. Adapte al matraz bola el equipo necesario para destilar el nitrobenceno, utilice el refrigerante de aire. 17. Colecte la fracción que destila 18. Medir el volumen obtenido 19. Calcular el rendimiento. 20. Hacer comentarios y anotaciones 21. Entregar el material completo y limpio. Fotografías Diagramas Cuestionario Resultados Conclusiones y Comentarios
En esta cuarta práctica de orgánica pudimos completar satisfactoriamente los objetivos, en esta etapa de la carrera y hemos adquirido conocimientos experimentales a través de la experiencia, además nos sirve para reforzar nuestros conocimientos teóricos. Cada vez las prácticas se están viendo más complejas debido a que los resultados que obtenemos son productos que pueden ser vendidos o utilizados en un futuro y que tienen mucha participación en la industria química, aquellos que llevan una síntesis. Los conocimientos que hemos adquirido y que utilizamos en esta práctica es la separación de fases, separación de residuos, filtración, destilación, preparación de reactivos, uso de rotavapor y algo importante que esta implícito es el reconocimiento de sustancias nocivas a la salud como el acido nítrico . Poco a poco se ve una ganancia de aptitudes y herramientas que nos van a servir en un futuro. Podemos también concluir que el nitrobenceno se obtiene a través del ion nitronio que se forma por el efecto del ácido sulfúrico sobre el acido nítrico. El benceno se obtiene a partir de un acido mas una alcohol y a pesar de esto en la solubilidad del nitrobenceno observamos que no hay formación de fases mezclándola con el alcohol.
Llegamos a la conclusión que el proceso de nitración para grupos en alifáticos y aromáticos es ampliamente utilizados en la industria como materia prima y e consumo directo de esta manera la obtención de nuevo conocimiento para el manejo de esta clase de compuestos es grato e importante Bibliografía
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