Laboratorio de Química Orgánica 2

Práctica # 5

Nitración del Benzoato de metilo

Alumno: Andrés Espinoza E.

1. Objetivo

Preparar la nitración del benzoato de metilo por medio de una sustitución

electrofilica aromática.

2. Marco Teórico

¿En qué consiste la nitración?

Consiste en la entrada de un ion nitronío (NO2 +), el cual es un electrófilo muy

poderoso, en una especie química mediante reacción. El benceno reacciona

con ácido nítrico concentrado y caliente para formar el nitrobenceno. Esta

reacción es lenta y peligrosa, porque una mezcla caliente de ácido nítrico en

presencia de un material oxidable podría explotar. Un procedimiento más

seguro es usar una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico

es un catalizador y permite que la nitración se efectue más rápidamente y a

menores temperaturas.

¿Qué es la sustitución electrofilica aromática?

Los compuestos aromáticos experimentan muchas reacciones, pero la más

importante es la sustitución electrofilica aromática que consiste en la

sustitución de un protón perteneciente al anillo aromático (H+) por un

electrófilo (E+). Este tipo de reacciones incluye sustituciones por una gran

variedad de reactivos electrofilicos. Permite introducir grupos funcionales de

forma directa al anillo aromático, la sustitución electrofilica aromática es el

método más importante para llevar a cabo la síntesis de los compuestos

aromáticos sustituidos. (Wade, 2011)

3. Equipos, materiales y reactivos

Reactivos utilizados:

Benzoato de metilo 2g

H2 SO4 CONCENTRADO (98%) 5.5 ml

HNO3 concentrado 2.2 ml 60%

Etanol 10 ml.

Equipo de practica:

Matraz de 50 ml

Imán para agitación

2 pipetas de 10 ml

1 pera

Pipeta Pasteur

Agitador de vidrio

Equipo para baño de hielo:

Vaso de precipitado de 500 ml

Vaso de precipitado de 100 ml

Hielo

Termómetro

Equipo de filtrado:

Papel filtro

Embudo de vidrio

Matraz de 100 ml

Agua destilada fría.

4. Procedimiento

a) Pesar el benzoato de metilo obtenido en la práctica anterior en un matraz

de 50 ml provisto de imán.

b) En un baño de hielo y con agitación, agregar 4 ml de H2 SO4 durante 1

minuto.

c) En un vaso de precipitados de 100 ml y en baño de hielo, se mezclan con

cuidado 1.5 ml de H2 SO4 concentrado y 2.2 ml de HNO3 concentrado.

d) Con pipeta Pasteur y con agitación magnética, añadir la mezcla

sulfonitrica preparada sobre la disolución sulfúrica del ester, rodeada de

baño de hielo. Tiempo de adición 20-25 minutos (De este modo, la

temperatura no excede de 5-10 oC y se evita una indeseable polinitracion,

así como peligrosas proyecciones por una reacción muy violenta).

e) Retirar el baño de hielo y proseguir la agitación a temperatura ambiente

durante 15 minutos.

f) Verter el contenido del matraz sobre un vaso de precipitación de 100 ml

que contenga hielo hasta no más de su mitad. Agitar con varilla de vidrio

hasta fusión del hielo y formación de un precipitado granular casi blanco.

g) Proceder a filtrar en un embudo con placa filtrante y lavar muy bien con

agua muy fría.

h) Secar ligeramente en placa y purificar por cristalización en etanol.

5. Reacciones involucradas

Mecanismo: a) Generación del ion nitronío

b) El ion nitronío se agrega al anillo bencénico formando un carbocatión. La base conjugada remueve al protón del carbocatión para regenerar el anillo bencénico, así como el catalizador. Así queda formado el compuesto m-nitrobenzoato de metilo.

6. Tabla de resultados

Cantidad de reactivos

Masa

(g)

Volumen

(ml)

función

C6H5COOCH3 2 - sustrato

H2SO4 - 4 catalizador

H2SO4 - 1.5 sustrato

HNO3 - 2.2 sustrato

Cantidad de producto

Producto Masa

(g)

Pto

Fusión (I)

en oC

Pto

Fusión (F)

en oC

m-

nitrobenzoato

de metilo

1.476 76 79

Porcentaje de rendimiento del producto

𝑃𝑀C6H5COOCH3 = 136.1 𝑔

𝑃𝑀𝐶6𝐻4𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻3𝑁𝑂2 = 181 𝑔

𝑚𝑎𝑠𝑎𝑡𝑒𝑜 = 2 𝑔 C6H5COOCH3 ×181 𝑔 𝐶6𝐻4𝐶𝑂𝑂𝐶𝐻3𝑁𝑂2

136.1 𝑔 C6H5COOCH3= 2.660 𝑔

%𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =1.476

2.660× 100% = 55.49%

Porcentaje de error del punto de fusión

Valores teóricos

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 78𝑜𝐶

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 80𝑜𝐶

𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 79𝑜 𝐶

Valores prácticos

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 = 76𝑜𝐶

𝑃𝑢𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 79𝑜𝐶

𝑃𝑟𝑜𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 = 77.5𝑜 𝐶

%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = |𝑉𝑡𝑒𝑜 − 𝑉𝑒𝑥𝑝

𝑉𝑡𝑒𝑜

| × 100%

%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = |79 − 77.5

79| × 100%

%𝑒𝑟𝑟𝑜𝑟 = 1.89%

7. Análisis de resultados

La masa obtenida fue de 1.476 g de m-nitrobenzoato de metilo con un

rendimiento del 55.48%. Nuestro grupo tuvo mucho cuidado al momento

extraer los 2 g de benzoato de metilo ya que el frasco que lo contenía

también presentaba otras impurezas que podían afectar en la cantidad de

producto final obtenido.

Un motivo por el que no se obtuvo mucha cantidad de producto, es el

hecho de que la agitación de las disoluciones que preparamos fue manual

en todo momento y eso hizo que las reacciones avanzaran más lento.

Para obtener el grado de pureza del producto final tuvimos que armar el

equipo para medir su punto de fusión, como sabemos el punto de fusión

presenta un rango pequeño hasta que la muestra se haya fusionado por

completo. El punto de fusión promedio (exp) fue 77.5 oC y el porcentaje de

error frente al valor teórico fue 66.32%. Creemos que si hubo filtración de

impurezas en el proceso ya que el punto de fusión nos salió más bajo.

7. Observaciones El producto obtenido de la precipitación (m-nitrobenzoato de metilo)

tiene un color blanquinoso muy pálido y un olor muy característico como

el del benzoato de metilo.

La reacción entre ácido sulfúrico y ácido nítrico es muy exotérmica por

ello tuvimos que realizarla en baño de hielo.

8. Recomendaciones

Es necesario que tanto la disolución sulfúrica del ester como la disolución

acida para formar el ion nitronío se mantengan a una temperatura en o

inferior a los 10 o C.

Cuidar que el ácido nítrico y sulfúrico no caigan sobre la piel del

estudiante y en caso de que esto ocurra lavar el área afectada con

abundante agua por 10 minutos aproximadamente.

Manejar los ácidos con guantes y en una vitrina.

9. Conclusiones

Se realizó una sustitución electrofilica aromática donde hubo la

introducción de un grupo nitro en el anillo aromático del ester por acción

de los ácidos sulfúrico y nítrico.

Pude observar de acuerdo al mecanismo que investigue que el anillo

aromático se comporta como un anillo de alqueno; donde existe densidad

de carga en el enlace pi y por este motivo sufre una adición electrofilica y

que mejor electrófilo que el NO2 para ingresar al anillo. La única

diferencia que encontré fue que el anillo bencénico entra en resonancia

formando 3 intermediarios y solo se vuelve a estabilizar el anillo cuando

sufre la eliminación de un protón, el cual va a parar al catalizador.

10. Bibliografía

Gokel, H. D. (1985). Química orgánica experimental. Barcelona: Editorial Reverté

S.A.

Wade, L. (2011). Quimica organica (Vol. 2). Mexico: PEARSON EDUCACION.

11. Preguntas

a) ¿Por qué se obtiene el producto de sustitución meta como

producto mayoritario?

Porque el grupo carbometoxi dirige la sustitución aromática

preferentemente a aquellas posiciones meta.

b) ¿El ion nitronío como se lo obtiene?

Se lo obtiene de la reacción exotérmica entre el ácido sulfúrico y acido

nítrico.

c) ¿En qué consiste la sustitución electrofilica aromática?

Consiste en la sustitución de un protón perteneciente al anillo aromático

(H+) por un electrófilo (E+).

d) ¿Por qué es necesario mantener la temperatura entre 5-10 oC al

añadir la mezcla sulfonitrica?

Por qué podría darse una polinitracion e inclusive una reacción explosiva

en el peor de los casos.

e) ¿En el anillo de benceno al formar el grupo nitro que posición

se orienta más meta, piro u orto y que pasa con estos

compuestos en estas tres posiciones?

Se orienta más en la posición meta luego en piro y finalmente en orto

f) Que es una reacción xantoproteica y quien la puede producir en

la nitración del benzoato de metilo?

Es una sustitución electrofilica aromática que se utiliza para determinar la

cantidad soluble en una disolución.

g) ¿Cuándo se produce una polinitracion?

Cuando las temperaturas son un poco mayores a 15 oC

h) Para que se utiliza el etanol en la nitración del benzoato de

metilo?

El etanol remueve impurezas no deseadas.

12) Anexos

Fig 1. Mezcla sulfonitrica

Fig.2 Preparando la mezcla sulfonitrica en la vitrina