Sustitución electrofílica aromática: Nitración del

bencenoReporte de la práctica V

Laboratorio de Química Aromática

Docentes:M en C. Isaac Espinosa Santana y Lic. en Q. Tzarina Salomon

Shehin

Alumno:Ibal Rodríguez Carlos Alexis

Cuarto Semestre Grupo: 4° B

Turno Matutino 4 de marzo de 2014

Universidad Autónoma de Nayarit Unidad Académica de Ciencias Químico Biológicas y Farmacéuticas

Sustitución electrofílica: nitración del benceno

Objetivo general

Obtener nitrobenceno derivado de la reacción de sustitución donde el benceno reacciona con ácido nítrico y emplean ácido sulfúrico como catalizador.

Objetivo particular

Emplear las condiciones adecuadas para la realización de este experimento.

Fundamentos y antecedentes

El ácido nítrico provoca una sustitución electrofílica. El benceno y varios de sus derivados sufren una nitración en su estructura en presencia de ácido sulfúrico como catalizador ácido. Además, existe la presencia de HONO2 actúa como base (derivado del ácido nítrico).

El ácido sulfúrico deshidrata al ácido nítrico formando un ión nitronio (NO2-). Este

ion nitronio es un potente electrófilo, y ataca a los electrones “pi” del benceno, formando un ion bencénico. La pérdida posterior de un protón del carbono que sostiene al grupo nitro da lugar al nitrobenceno.

El grupo nitro se une al anillo bencénico a través del átomo de hidrógeno cargado positivamente, con la carga negativa deslocalizada sobre ambos átomos de oxígeno. Es una reacción irreversible.

El producto de esta reacción es el Nitrobenceno, es un compuesto naranja, desprovista de propiedades colorantes porque sólo es cromógeno.

Material

1-probeta de 50mL. 1-Matraz de 250mL.1-probeta de 10mL. 1-termometro.

1-embudo se separación. 2-vasos de precipitados de 250mL.1-refrigerante (untas 24/40).

Reactivos

Nombre: Ácido sulfúricoFórmula: H2SO4 Masa atómica: 98.079 gr/mol P. de Ebullición: 337

°CP. de Fusión: 10 °C

Cantidad: Densidad: 1.84 gr/mol Peligrosidad3 0 3 R/H20

Propiedades físicas y químicas: Es un compuesto con estructura piramidal. Dependiendo de la disolución, estos hidrógenos se pueden disociar. En agua es un ácido fuerte, en su primera disociación. Se encuentra disponible comercialmente en gran número de concentraciones y grados de pureza variados.

Riesgos y toxicidad: Es bastante peligrosa por el calor que genera su empleo, es muy importante que el ácido concentrado sea añadido al agua (y noal revés) debido a su naturaleza volátil, provocando salpicaduras que pueden causar daños a la piel.

Nombre: Cloruro de calcioFórmula: CaCl2 Masa atómica: 110.98 g/mol P. Ebullición: 1935 °C P. Fusión: 772 °CCantidad: Densidad: 2.15 gr/mL Peligrosidad

1 0 1 S/RPropiedades físicas y químicas: Es un compuesto inorgánico e mineral. Puede dar una fuente de iones de calcio en una solución, porque varios compuestos con el calcio son insolubles. Es un sólido blanco que se encuentra en forma de sal quebradiza.

Riesgos y toxicidad: Es permeable a la piel, provocando gangrena, puede causar un edema conjuntival y destrucción de la córnea, provocando ceguera. Es muy estable a condiciones normales.

Nombre: Ácido nítricoFórmula: HNO3 Masa atómica: 63.03 gr/mol P. de Ebullición:-42 °C P. de Fusión:86 °CCantidad: Densidad: Peligrosidad

S/RPropiedades físicas y químicas: Es un líquido que varía en su tonalidad, es de olor sofocante. Es soluble en agua, genera calor, no es combustible, pero acelera la combustión de materiales combustibles y causar ignición. Es corrosivo de metales y tejidos. Se descompone con cierta facilidad, generando óxidos de nitrógeno.

Riesgos y toxicidad: Genera riesgos de explosión debido a que es un fuerte oxidante. Reacciona explosivamente con polvos metálicos, carburos, sulfuros de hidrógeno, alcohol y carbón. Con agua y vapor genera calor, humos corrosivos y venenosos. Es un peligroso irritante, causa quemaduras y ulceración en tejidos.

Nombre: BencenoFórmula: C6H6 Masa atómica: 78.11 gr/mol P Ebullición: 80.1 °C P. Fusión: 5.5 °CCantidad: Densidad: 876.50 gr/mol Peligrosidad

S/RPropiedades físicas y químicas: Es un hidrocarburo aromático, que mantiene su estructura debido a los 3 dobles enlaces que contiene en si, haciendo está molécula dinámica, y esto la hace ser volátil. El ácido nítrico reacciona con el benceno, permitiendo que se generen derivados nitración por sustitución, tal como se emplea en este experimento.

Riesgos y toxicidad: Respirar niveles altos, causa la muerte, también somnolencia, mareo, aceleración del latido cardíaco. Su ingestión causa vómito, irritación gastrointestinal, convulsiones. En sangre, produce efectos nocivos en la médula ósea, provocando disminución de hematíes, derivando anemia. Genera también hemorragias, daños al sistema inmuniratio e inmunodepresión.

Nombre: Hidróxido de sodioFórmula: NaOH Masa atómica: 39.99 gr/mol P Ebullición: 1390 °C P Fusión: 318 °CCantidad: Solución al 5%

Densidad: 2.1 gr/mL Peligrosidad3 0 1 R/H20

Propiedades físicas y químicas: Es un sólido blanco, no tiene olor, absorbe la humedad del aire. Es una sustancia manufacturada. Cuando pasa a disolverse en agua o se neutraliza con un ácido, libera una calor capaz de encender materiales combustibles.

Riesgos y toxicidad: Es muy corrosivo. No es inflamable, pero si se encuentra en contacto con materiales combustibles, puede causar explosiones. Es un irritante ocular y de tejidos. Su inhalación de polvo o neblina provoca irritación o daño en el tracto respiratorio. Es necesario equipo especial debido a su toxicidad.

Procedimiento

La mezcla nitrante se prepara añadiendo gradualmente en pequeñas porciones 20mL de ácido sulfúrico concentrado (D=1.84) a 17.5mL de acido nítrico concentrado (D=1.42), previamente preparado en un matraz de 250mL, la mezcla sulfonítrica obtenida se enfría por inmersión del matraz en agua hasta 20 o 30°C, con una probeta se miden 15mL (19.5g, 0.250M) de benceno y se añaden al

matraz porciones 2 a 3mL agitando fuertemente con un movimiento rotatorio para mezclar bien los reactivos, apoyando el matraz en la palma de la mano se observara una elevación de la temperatura, si la temperatura se eleva a más de 60°C,, el matraz deberá enfriarse sumergiéndose en un recipiente con agua fría.

Se le pone un refrigerante con recirculación de agua al matraz y se agita toda la mezcla reaccionante a 60°C en baño María continuamente durante 30 minutos.

Si la temperatura desciende por debajo de 50°-60°C, el matraz debe calentarse suavemente con una llama pequeña o introduciéndolo en un recipiente con agua caliente. Después de este período de agitación se enfría el matraz y su contenido se pasa s un embudo se separación.Se decanta la capa ácida y la del nitrobenceno se lava 2 veces con 2 porciones de 20.0mL de agua.

Mientras se prepara el aparato para destilación, el nitrobenceno se deja secar durante 15 minutos sobre 2-3g de cloruro de cálcico, el nitrobenceno se destila utilizando un matraz de destilación pequeño y un refrigerante de aire, la primera fracción del destilado consiste en benceno inalterado y posiblemente un poco de agua se desecha. Se recoge la fracción que hierve entre 200°-215°C, cuando deje de destilar en este rango de temperaturas se suspende el calentamiento porque a temperaturas superiores destila el m-dinitrobenceno que se formó en la reacción (pequeña proporción), puede descomponerse violentamente a temperaturas elevadas, el punto de ebullición normal del nitrobenceno es de 210°C, rendimiento 15-20g.

Blbliografía1. Weininger, S.J. et Stermitz, F.R. (1988). Química orgánica. Editorial reverté:

España. Págs. 588.590. 2. Angiolani, A. (1939). Introducción la química industrial: fundamentos

químicos y tecnológicos con 150 figuras. Editorial Andrés Bello: Chile. Págs. 659-662.

Sykes, P. (1985). Mecanismos de reacción en química orgánica. Editorial Reverté: España Págs. 132-138Observaciones

Al inicio de esta práctica, se añadió en un matraz de Erlenmeyer 20 ml de ácido sulfúrico concentrado y 17.5 ml de ácido nítrico concentrado, esta mezcla se agito dentro del matraz con movimientos circulares vigorosamente, a esta mezcla se le agrego 15 mL de benceno en porciones mientras se continuaba agitando el matraz con la mezcla, esto produjo un aumento de la temperatura en las paredes del matraz, el cual fue colocado en un sistema de recirculación, donde se colocó el compuesto a baño María, cuidando

que la temperatura no rebasara los 60 ºC y agitando el compuesto al mismo tiempo.

Tiempo después se pudo observar un cambio en la coloración de los compuestos, apareciendo una fase color blanco, en el compuesto de color amarillo-naranja, tiempo después, pasados 10 minutos el interior del matraz se tornó de un color café, una vez culminados los 30 minutos, se retiró el matraz del sistema de reflujo pudiendo visualizar dos fases, la primera se encontró en la parte superior y tenía una coloración naranja-café separadas por una franja semiturbia transparente de la parte inferior de color amarillo, este compuesto pasó a enfriarse en una tarja con agua apareciendo una coloración amarilla después de enfriarlo este proceso se presento junto con la presencia de gases.

El compuesto se pasó a un embudo de separación, donde se pudieron apreciar 4 fases, se procedió a eliminar la primera fase (considerando la cuenta de abajo hacia arriba), posteriormente, se agregó agua y se agito fuertemente los residuos, conservando 2 fases, una con coloración amarilla, la cual se encontraba al fondo del embudo y la otra de coloración turbia amarillenta en la parte superior, una vez se eliminó la

fase inferior del embudo, se procedió a lavar con agua de nuevo, adquiriendo otra vez 2 fases pero esta vez ambas fases tenían una coloración más clara, se eliminó la fase inferior y la fase superior se pasó a una bureta graduada, donde se obtuvo 6.5 ml, después este líquido de paso a un vaso de precipitado, el cual contenía 2.5 g de cloruro de calcio, se agito y después de unos momentos se destilo el líquido en una probeta graduada obteniendo 5.5 ml.

Resultados

Una vez se colocó el colocaron el HNO3 y el H2SO4 se comenzó a producir un aumento de temperatura en las paredes del matraz debido a que esta es una reacción exotérmica, es decir produce energía, esta reacción se colocó junto con

el benceno con el objetivo de nitrarlo, para eso la temperatura del baño María se mantuvo a 60 ºC, ya que a una temperatura menor la reacción no tendría la fuerza necesaria para suceder, por el contrario, a mayor temperatura se podría crear un nitrobenceno polisustituido, es decir, el benceno se habría nitrado más de una ocasión.

Una vez el compuesto dentro del matraz se comenzó a calentar, se comenzó a producir un gas color café que lleno al matraz, este gas era NO2, que se forma de la reacción entre H2SO4 y HNO3, el cual, por ser un gas, intento elevarse, sin embargo, el gas, al pasar por el compuesto de reflujo, se enfrió pasando a estado líquido, lo que lo hizo regresar al matraz y por ende interaccionar con el compuesto deseado (el benceno).

Una vez se obtuvo un compuesto de varias fases, se procedió a realizar lavados con agua, debido a que en el embudo de separación aparecieron H2SO4 y agua, y ya que todos estos compuestos pueden unirse al agua, se le agrega con el fin de eliminarlos, también durante ese proceso se pudo observar parte del benceno que no reacciono, al final se eliminó el agua mediante un compuesto higroscópico, cloruro de calcio, y se obtuvo 5.5 ml de nitrobenceno.

Para calcular la cantidad de nitrobenceno obtenido, primero se debe determinar la cantidad de moles del reactivo limitante, ya que este es quien dará la cantidad de moles obtenidos del compuesto final.

+ HNO3 + H2SO4 + H2SO4

19.5 g17.5 ml

20 ml

En este caso se tendrá que obtener el mol de los productos mediante la siguiente fórmula:

n= masapesomolecular

Al no obtener la masa de los reactivos, se tendrá que obtener a partir de esta fórmula:

m=( v )(ρ)

mHNO3=(17.5ml )( 1.51gml )=26.425 g mH2 SO4

=(20ml )(1.8 gml )=36 gUna vez hecho esto se obtiene los moles de cada reactivo:

nHNO3=26.425 g63.01 g/mol

=0.4193molnH 2SO4= 36 g98.08 g /mol

=0.3670mol

nBenceno=19.5 g

78.1121 g/mol=0.2496mol

Entonces tomaremos al benceno como nuestro reactivo limitante, ya que, al tener menor número de moles, el benceno no podrá formar más moles de los que se le permite la concentración.

+ HNO3 + H2SO4 +H2SO4

0.2496 moles

0.4193 moles

0.3670 moles

0.2496 moles

Entonces, podemos obtener la cantidad de nitrobenceno teórico, formado, mediante la siguiente fórmula:

n= masapesomolecular

m=(0.2496mol )(123.06 gmol )=30.7157g denitrobenceno teórico

Debido a que el compuesto obtenido se encontraba en fase liquida, debemos proceder a determinar la cantidad de volumen obtenido, esto se determina mediante la siguiente formula.

v= masadensidad

v=30.7157 g1.20g /ml

=25.59mldenitrobenceno teórico

Una vez obtenida la cantidad de espécimen obtenido, procedemos a obtener el rendimiento obtenido, mediante una regla de tres, con base en los rendimientos teórico y real obtenidos durante esta práctica.

% rendimiento=( 25.59ml5.5ml )( 100%x )= (5.5ml )(100% )25.59ml

= 21.49%

Conclusión El objetivo de esta práctica era obtener la mayor cantidad de nitrobenceno, producido a partir de benceno y el NO2, sin embargo, no podemos tener la certeza de que el compuesto obtenido era en realidad nitrobenceno, ya que, dentro del compuesto final pudieron encontrarse moléculas de di o tri nitrobenceno, además de tener factores en contra, como que estos compuestos pueden ser muy explosivos, lo que dificultaría su obtención por medio de destilación, además, durante el proceso de separación, se presentó benceno que no pudo reaccionar con el compuesto, sin embargo, podemos afirmar que parte de ese compuesto final es nitrobenceno, ya que, durante el reflujo, se siguió meticulosamente que la temperatura no excediera, ni bajara de los 60 ºC, indispensables para la formación del compuesto deseado.

Como futuros químicos, debemos de entender el cómo funciona la materia para así poder modificarla y encontrar productos deseados por nosotros y por otras personas, gracias a esta práctica ahora entendemos el fundamento y sabemos cómo preparar elementos como el nitrobenceno.

Cuestionario1. ¿A qué tipo de reacción pertenece la nitración del benceno?

R= Es una reacción de sustitución electrófila aromática, en donde hay un ataque al nuestro anillo que fue el benceno rico en electrones por parte del ión nitronio procedente del ácido nítrico (HNO3).

2. ¿Las reacciones del benceno son iguales que la de los alquenos?

R= El benceno comparte la similitud de que tiene nubes electrónicas pi arriba y debajo del plano molecular que forman enlaces sigma. Aunque los electrones pi del benceno forman parte de un sistema aromático estable, pueden atacar a un electrófilo fuerte y generar un carbocatión que está relativamente estabilizado por deslocalización de la carga positiva. Los bencenos son más estables que los alquenos.

3. ¿Por qué es necesario el H2SO4 en la reacción de la nitración? R= El ácido sulfúrico se utiliza como reflujo para el benceno y el ácido nítrico en una temperatura mayor de 60 °C, es decir, actúa como catalizador. Después de la reacción el compuesto vuelve a ser regenerado.

4. ¿Cuál es la razón por lo que es necesario agregar un desecante (Na2SO4 o CaCl2) al producto antes de destilarlo?

R= Son empleamos para el proceso de neutralización hasta obtener un pH de 8.

5. ¿Explique porque después de que se termina la reacción es necesario efectuar una destilación del producto?

R= Para recoger la fracción obtenida de benceno que no alcanzó a nitrarse, agua y que no interfiera con nuestro producto para después sacar su rendimiento.

6. ¿Explique porque es indispensable controlar la temperatura de destilación del nitrobenceno?

R= Para evitar que nuestro producto reaccione a temperaturas superiores y pase a dinitrobenceno o descomponerse ya que su punto de ebullición es de 210 °C.

7. ¿Qué características físicas presenta el producto terminado?R= Presentaba un olor parecido a las almendras, se obtuvo en forma líquida con una tonalidad verde transparente y algo viscoso.

8. ¿Anote las constantes físicas de productos y reactivos?Reactivos

Benceno Masa atómica: 78.11 gr/mol

P Ebullición: 80.1 °C

P. Fusión: 5.5 °C

Densidad: 876.50 gr/ml Es su forma habitual es un líquido incoloro o amarillento, más ligero que el agua y de olor fuerte. Es insoluble en agua, pero muy soluble en disolventes orgánicos como etanol y éter.

Fórmula: Ácido nítrico

Masa atómica: 63.03 gr/mol

P. de Ebullición:-42 °C

P. de Fusión:86 °C

Densidad: 1.51 gr/mL Se encuentra de forma líquida en forma incolora o amarilla, de olor sofocante, como en la reacción de esta práctica, desprende NO2 disuelto en forma gaseosa como un gas rojizo y tóxico.

Fórmula: Ácido sulfúrico

Masa atómica: 98.079 gr/mol

P. de Ebullición: 337 °C

P. de Fusión: 10 °C

Densidad: 1.84 gr/ml Es un líquido corrosivo, más denso que el agua, incoloro a temperatura y presión normales. Tiene un olor irritante y penetrante, actúa como catalizador debido a que genera reacciones endógenas, generando calor.

ProductosFórmula: Nitrito (NO2

-)Masa atómica: 46 gr/mol

Se forma por oxidación de aminas y amoniacos, por reducción del nitrato en condiciones anaeróbicas.

Fórmula: Nitrobenceno

Masa atómica: 123.06 gr/mol

P. de Ebullición: 210.9 °C

P. de Fusión: 5.7 °C

Densidad: 1.20 gr/mlEs ligeramente amarillento con olor a almendras. Es empleado como disolvente para reactivos electrofílicos. Su reducción genera junto con fierro y HCl una amina aromática.

9. ¿Mencione otras reacciones de sustitución electrofílica que presenta el benceno?

R= Se pueden introducir en el anillo aromático muchos sustituyentes diferentes por reacciones electrofílicas de sustitución. Si seleccionamos los reactivos apropiados, es posible Halogenar el anillo aromático ( F, Cl, Br, I), Sulfonarlo (ácido sulfónico: -SO3H), Alquilarlo (grupo alquilo –R), o Acilarlo (grupo acilo –COR).

10.¿Calcule el rendimiento obtenido?R=Entonces, podemos obtener la cantidad de nitrobenceno teórico procedente del reactivo limitante que fue el benceno en moles formado (ver resultados), mediante la siguiente fórmula:

n= masapesomolecular

m=(0.2496mol )(123.06 gmol )=30.7157g denitrobenceno teórico

Debido a que el compuesto obtenido se encontraba en fase liquida, debemos proceder a determinar la cantidad de volumen obtenido, esto se determina mediante la siguiente formula.

v= masadensidad

v=30.7157 g1.20g /ml

=25.59mldenitrobenceno teórico

Una vez obtenida la cantidad de espécimen obtenido, procedemos a obtener el rendimiento obtenido, mediante una regla de tres, con base en los rendimientos teórico y real obtenidos durante esta práctica.

% rendimiento=( 25.59ml5.5ml )( 100%x )= (5.5ml )(100% )25.59ml

= 21.49%

11.¿Anote la toxicidad y precauciones de reactivos?R=

El ácido sulfúrico es bastante peligroso por el calor que genera su empleo, es muy importante que el ácido concentrado sea añadido al agua (y no al revés) debido a su naturaleza volátil, provocando salpicaduras que pueden causar daños a la piel.

El cloruro de calcio es permeable a la piel, provocando gangrena, puede causar un edema conjuntival y destrucción de la córnea, provocando ceguera, es recomendable usar protección como guantes de látex. Es muy estable a condiciones normales.

El ácido nítrico genera riesgos de explosión debido a que es un fuerte oxidante. Reacciona explosivamente con polvos metálicos, carburos, sulfuros de hidrógeno, alcohol y carbón. Con agua y vapor genera calor, humos corrosivos y venenosos. Es un peligroso irritante, causa quemaduras y ulceración en tejidos. Es importante usar mascarilla de carbón activado y gafas para evitar el contacto con sus gases tóxicos.

El benceno si se respira a niveles altos causa la muerte, también somnolencia, mareo, aceleración del latido cardíaco. Su ingestión causa vómito, irritación gastrointestinal, convulsiones. En sangre, produce efectos nocivos en la médula ósea, provocando disminución de hematíes, derivando anemia. Genera también hemorragias, daños al sistema inmunitario e inmunodepresión. Es importante el uso de mascarilla y guantes para su manejo.

El hidróxido de sodio es muy corrosivo. No es inflamable, pero si se encuentra en contacto con materiales combustibles, puede causar explosiones, hay que considerar alejarlo de este tipo de compuestos. Es un irritante ocular y de tejidos. Su inhalación de polvo o neblina provoca irritación o daño en el tracto respiratorio. Es necesario equipo especial debido a su toxicidad. . Es importante el uso de mascarilla, gafas y guantes para su manejo.

Diagrama de flujo

Añadir pequeñas porciones de H2SO4

en porciones de 20 mL conc. A 17.5 mL de HNO3 concentrado, que se prepara en un matraz de 250 mL. Esta pasa a enfriarse por inmersión del matraz en agua entre 20.30 °C.

Se añade un refrigerante (a recirculación con agua) al matraz y se agita toda esta mezcla a 60°C en baño María por 30 minutos.

Mida 15 mL (19.5 gr, 0.25 M) de benceno y se añaden a este matraz 2 a 3 mL, agite fuertemente para mezclar, esto provocará que haya un aumento de temperatura, si se eleva a más de 60°C, enfríe en un recipiente en agua fría.

Si desciende entre 50.60 °C, caliente el matraz con llama pequeña o en agua caliente, después pase a enfriar y pase su contenido por un embudo, decantando la capa ácida y la de nitrobenceno, se lava 2 veces con 2 porciones de 20 mL de agua.

Deje a secar el nitrobenceno por 15 minutos sobre 2-3 gr de CaCl2. Pase a destilar usando un matraz de destilación chico y un refrigerante de aire. Se recoge la primera fracción que hierve entre 200-250 °C, cuando deje de destilar en este rango de temperaturas, suspenda el calentamiento debido a que puede descomponer el compuesto formado. Su rendimiento es entre 15-20 gr.