Practica N 4 - Preparacion de Nitrobenceno y Acido Picrico

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PRACTICA N°04
PREPARACIÓN DE NITROBENCENO Y ACIDO PICRICO
1. INTRODUCCIÓN
Los anillos aromáticos son una parte que se encuentran dentro de diferentes
compuestos orgánicos y son de vital importancia en la química de ácidos nucleicos y
de aminoácidos. La palabra aromático se utiliza para referirnos a compuestos
relacionados al benceno. Esta clase de compuestos se nombran sistemáticamente por
reglas IUPAC, pero también se utilizan varios nombres comunes. Los bencenos
disustituidos se nombran como derivados: orto (1,2), meta (1,3) y para (1,4). (1)
Según la teoría de enlace-valencia, el benceno es un híbrido resonante con dos
estructuras equivalentes; y de acuerdo a la teoría del orbital molecular, es una
molécula conjugada cíclica y plana con 6 electrones π. De acuerdo con la regla de
Erick Hückel, una molécula es aromática solo si posee 4n + 2 electrones π, donde n =
0, 1, 2, 3, etc. Si no tiene ese número de electrones π, se le considera como una
molécula anti aromática. (1)
También hay otros tipos de sustancias que pueden ser aromáticos, por ejemplo: los
iones ciclopentadienilo y cicloheptatrienilo; la piridina, pirimida, el pirrol e imidazol,
que son heterociclos que contienen nitrógeno. Además, existen compuestos
aromáticos policíclicos como el naftaleno, la quinolina, el indol, entre otros. (1)
Nitrobenceno:
Es un hidrocarburo aromático, aceitoso y color amarillo, tiene olor a almendra y emite
vapores tóxicos de óxidos de nitrógeno durante la combustión. Se suele utilizar en la
fabricación de anilina, aceites lubricantes, tintes, fármacos, pesticidas y caucho
sintético. (2)
Ácido Pícrico:
Es un sólido cristalino amarillo. Es utilizado como explosivo potente y oxidante fuerte
en los combustibles de cohetes, cerillas, técnicas de tratamiento del cuero, en los
métodos de grabado de metales, las baterías. También sirve como tinte para tejidos o
para tintar el vidrio. (3)
2. OBJETIVOS
● Aplicar la nomenclatura IUPAC para hidrocarburos aromáticos.
● Ejecutar un procedimiento para obtener nitrobenceno.
● Desarrollar una técnica para sintetizar el ácido pícrico.
3. MATERIALES Y MÉTODOS
Preparación del Nitrobenceno
Materiales
● 30 ml de Benceno
● 35 ml de Ácido nítrico cc
● 40 ml de Ácido sulfúrico cc
● Cloruro de Calcio (CaCl2)
● Probeta de 50 ml
● Beaker
● Bol
● Termómetro
● Pipeta
● Sistema de reflujo
● Balón de fondo redondo
● Pera de decantación
Procedimiento
En un recipiente de agua helada colocamos un beaker o balón de reacción y
añadimos 35 ml de HNO3 concentrado seguido de 40 ml de H2SO4. Luego, vamos
agregando los 30 ml de benceno poco a poco y dejamos la mezcla en el baño con
hielo aproximadamente unos 30 minutos. Después, pasamos la solución a un
equipo de reflujo, lo preparamos, y, en una baño maria (no mas de 60°C). lo
dejamos durante 50 minutos. Al terminar el tiempo estimado, colocamos el balón
con la mezcla dentro de un beaker con agua helada y dejamos enfriar.
Seguidamente añadimos agua destilada (300 ml aprox), lo que generará dos fases
en la solución debido a la mayor densidad del nitrobenceno con respecto al agua.
Para separar el producto, decantamos con ayuda de un embudo o pera de
decantación. Añadimos agua, agitamos y decantamos. Repetimos el procedimiento
para obtener el producto sin el sobrante. Para purificar el nitrobenceno,
procedemos con una destilación simple seguido de una adición de cloruro de calcio
al producto obtenido de la destilación para poder eliminar totalmente el agua.
Finalmente, realizamos una operación de filtración al vacío y conservamos la
solución en un pequeño recipiente.
Preparación del ácido pícrico.
Materiales
● 10 ml de Ácido Sulfúrico cc
● 8g de fenol
● 30 ml de Ácido nítrico cc
● 100 ml de agua destilada
● Matraz Erlenmeyer
● Probetas
● Beaker
● Equipo de filtración al vacío
Procedimiento
Introducimos los 8 gr de fenol en un matraz Erlenmeyer y le añadimos los 10 ml de
H2SO4 (medida previamente con una probeta). Movemos y llevamos la mezcla a
un baño maría por 30 minutos. Luego, traspasamos el matraz con la solución a un
beaker con agua helada y dejamos que se enfríe. Paralelamente, añadimos los 30
ml de HNO3 concentrado gota a gota y con sumo cuidado. Debemos tener mucha
precaución en este proceso ya que la reacción de ambos sustratos genera el
desprendimiento de algunos gases tóxicos. Una vez que ya no haya más gases
saliendo, llevamos nuestro sistema a un baño maría hirviendo por un tiempo de 1
hora y media. En el transcurso de podrán observar la formación de ciertos cristales.
Después del tiempo estimado, pasamos el matraz a un recipiente con agua helada y
añadimos 100 ml de agua destilada. Una vez enfriado, se debe ejecutar una
filtración al vacío para retener los sólidos formados (ácido pícrico). Finalmente
separamos el papel filtro; previamente pesado; y lo colocamos en un equipo
desecador dejándolo ahí hasta el día siguiente para posteriormente pesar nuestro
producto y hallar el rendimiento.
4. RESULTADOS
Preparación de nitrobenceno
Imagen 1. Obtención bruta y final del nitrobenceno
Se obtuvo un líquido cristalino amarillo claro a comparación del producto del
principio del experimento, donde el nitrobenceno tuvo un color amarillo más intenso.
Este cambio se debió a la operación de destilación a vacío que se le realizó al
compuesto para purificarlo. Asimismo, se pudo identificar una cantidad final obtenida
menor que la del principio (producto bruto) ya que esta estaba mezclado con agua
destilada y al final solo se obtuvo el nitrobenceno puro.
Preparación ácido pícrico
Imagen 2. Proceso de obtención del ácido pícrico.
La sustancia bruta obtenida al principio presentaba un color café oscuro que se
mantuvo durante cierto tiempo. Se pudo observar un desprendimiento de gases en la
solución al momento de agregarle más HNO3 pero no se pudo evaluar el olor de estos
gases porque eran tóxicos. Al final de este desprendimiento se pudo observar que la
solución cambiaba de color a amarillo y se empezó a ver la formación de cristales
amarillos, los cuales se pudieron apreciar de manera más notoria después de meterlo
al baño con hielo. Al final de las operaciones de purificación, se obtuvieron cristales
con un tono amarillo claro.
5. DISCUSIÓN
Nitrobenceno
Imagen 3. Reacción de obtención del nitrobenceno
Para la formación del nitrobenceno se requirió la fusión de el H2SO4 y HNO3 para la
formación del grupo nitro. Se sabe que solo el HNO3 y el benceno no reaccionan por
sí solos, pero al agregarle el H2SO4 se produce una activación del ácido nítrico lo que
comienza una serie de reacciones entre los compuestos. Esto sucede ya que, el ácido
sulfúrico al tener un pka menor que el ácido nítrico, -5 y -1 (Anexos - tabla 2)
respectivamente (Anexos), actúa como ácido y protona a la base (HNO3) dando como
resultado la formación de agua y en consecuencia, del ion nitronio (NO2+). Se conoce
que la reacción del ión nitronio con el benceno se considera electrofílica, la cual
consiste en el ataque de un electrófilo (deficiente en electrones) al anillo aromático
para dar la formación de un ion bencenonio (4). En este caso, el nitronio actúa como
electrófilo y termina uniéndose a un carbono del benceno rompiendo su doble enlace
y formar el nitrobenceno. Así, se puede decir que el ácido nítrico y el ácido sulfúrico
son compuestos indispensables para la formación del grupo nitro que posteriormente
generará la formación del nitrobenceno. (**5*)
El hecho de que el H2SO4 actúe como un ácido en vez que el HNO3 y permita esas
reacciones, se puede ver relacionada con su característica de ser un oxidante fuerte, es
decir, que siempre tiende a reducirse o a ganar electrones, Asimismo, podemos
recalcar su cualidad de ácido fuerte, que, aunque el HNO3 también sea considerado
así, los valores de pka terminan siendo el factor determinante, siendo que, a menor
pka, mayor acidez, por lo que el H2SO4 al tener menor pka entre los dos, termina
siendo el más ácido.
Acido Pícrico
Imagen 4. Reacción de obtención del ácido pícrico
La reacción electrofílicaentre el fenol y los iones nitronio cumplen con el mismo
mecanismo que en la reacción para la obtención de nitrobenceno, y como antes, se
basan en la interacción del H2SO4 como ácido y HNO3 como base para la obtención
del grupo nitro. Asimismo, también se puede explicar el color café que se apreciaba al
inicio de la reacción cuando se adicionó ácido sulfúrico al fenol, el cual indicaba la
unión de ambos compuesto, tal y como se ve en la siguiente imagen:
(6)
Sin embargo, podemos encontrar ciertas variantes en esta reacción; en primer lugar,
identificamos al fenol, que en concepto, sería la unión de un benceno con un grupo
hidroxilo. Según autores y de acuerdo a los conceptos básicos de las reacciones
electrofílicas de aromáticos, cuando un anillo posee un sustituyente, su capacidad
reactiva puede verse afectada, siendo que, algunos sustituyentes pueden hacerlo más o
menos reactivo (1). De esta forma, basándonos en la tabla 2 (Anexos) se puede
identificar que el sustituyente OH- presenta una reactividad mayor que a cualquier
otro, esto indicaría que existe una mayor facilidad para que otros sustituyentes
reaccionen con el anillo aromático y se adicionen a él. En este caso, observamos que
en la reacción lograron unirse tres grupos nitro al fenol.
Como segunda variante, se distingue que los grupos nitro se posicionan de manera
meta y para con respecto al grupo oxidrilo, pero no se aprecia una posición meta. Esto
se debería a la propiedad del OH- en la nitración del fenol para formar carbocationes
intermediarios más estables en las direcciones meta y para de acuerdo a la cantidad de
formas resonantes que pueden presentar, las cuales, son mayores a las que se producen
en una posición meta, volviéndolo menos inestable.
Por otro lado, al comparar ambos experimentos se puede decir que, debido a las
propiedades del anillo aromático utilizado, se pudo apreciar la magnitud de
reactividad de cada uno mediante las distintas características cualitativas que se
mencionaron en los resultados, En el experimento 1 no se apreciaron muchos cambios
con el producto ya que durante casi todo el proceso mantuvo un color constante
(amarillo) y no hubieron reacciones tan resaltantes como en el experimento 2, donde
se pudo distuinguir varios cambios de color e incluso el desprendimiento de gases
tóxicos, esto probablemente por el grupo fenol y sus propiedades reactivas
mencionadas anteriormente.
6. CONCLUSIONES
- Se aplicó la nomenclatura IUPAC para hidrocarburos aromáticos en sus dos
formas; tanto asignando el nombre, como dibujando su estructura.
- Se ejecutó un procedimiento para obtener nitrobenceno a través del HNO3 y
H2SO4 los cuales fueron fundamentales para la formación del grupo nitro.
- Se desarrolló una técnica para la síntesis del ácido pícrico, así como los
diferentes cuidados a tomar en cuenta debido a su inestabilidad.
7. SUGERENCIAS
Nitrobenceno
- Tener cuidado en su preparación para no tener como resultado una
sustitución meta; es decir, no solo solo tener el nitrobenceno, sino también
obtener como resultado el 1,2 dinitrobenceno.
- Al momento de añadir el benceno este se tiene que agregar lentamente y en
pequeñas cantidades.
- Es muy importante controlar la temperatura de la sustancia y evitar la
elevación por arriba de los 60º.
Ácido pícrico
- Se debe tener cuidado con la mezcla y al usar las cantidades adecuadas ya que
pueden generar algún tipo de sal o picratos que son muy inestables y pueden
ser explosivos.
- Procurar realizar el procedimiento para dar calor con el método de baño maría,
ya que la reacción no puede encontrarse en estado directo con el calor, porque
tiene alta capacidad explosiva. asimismo, evitar que alrededor del experimento
haya alguna fuente de calor cercana.
- Es muy importante trabajar en cámara de extracción o un ambiente ventilado
debido al desprendimiento de gases tóxicos.
8. ACTIVIDADES
1) De los nombres IUPAC de los siguientes compuestos:(GRECIA)
m - bromoclorobenceno
1 - bromo - 3 - cloro benceno
2 metil butil - benceno
p - bromoanilina
2,5 diclorotolueno 1 - etil - 2,4 - dinitro benceno 1,2,3,5 - tetrametil benceno
2) Dibuje las estructuras correspondientes a los siguientes nombres IUPAC:
(GRECIA)
i. p-Bromo Clorobenceno
ii. m-Cloroanilina
iii. p-Bromotolueno
iv. 1-Cloro-3,5-dimetilbenceno
3) Identifique y describa las principales características de los reactivos y
productos finales (Hoja de seguridad).
a) Ácido nítrico (7)
● Estado físico: Líquido.
● Color: Incoloro-Amarillo claro.
● Olor: Picante.
● Solubilidad en agua: Miscible en cualquier proporción.
● Indicaciones de peligro: Puede ser corrosivo para los metales,
Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares
graves, Tóxico en caso de inhalación.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados: Irritación,
Corrosión, Tos, Ahogos, Perforación de estómago, Edema
pulmonar, Peligro de ceguera, Metahemoglobinemia.
b) Ácido sulfúrico (8)
● Estado físico: Líquido.
● Color: Incoloro.
● Olor: Inodoro.
● Solubilidad en agua: Soluble miscible en cualquier proporción.
● Indicaciones de peligro: Puede ser corrosivo para los metales,
Provoca quemaduras graves en la piel y lesiones oculares
graves.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados: En caso
de inhalación: Tos, dolor, ahogo y dificultades respiratorias,
Efectos irritantes; En caso de ingestión: Trastornos
gastrointestinales, Vómitos, Corrosión, Perforación de
estómago; Después de contacto con la piel: Provoca
quemaduras graves, Causa heridas difíciles de sanar; En caso
de contacto con los ojos: Riesgo de lesiones oculares graves,
Peligro de ceguera.
c) Benceno (9)
● Estado físico: Líquido.
● Color: Incoloro.
● Olor: Característico como gasolina.
● Solubilidad en agua: 1,88 g/l a 23,5 °C.
● Indicaciones de peligro: Líquido y vapores muy inflamables,
Puede ser mortal en caso de ingestión y penetración en las vías
respiratorias, Provoca irritación cutánea, Provoca irritación
ocular grave, Puede provocar defectos genéticos, Puede
provocar cáncer, Provoca daños en los órganos tras
exposiciones prolongadas o repetidas.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados: En caso
de contacto con los ojos: Irritación, Oedema conjuntival
(quemosis); Después de contacto con la piel: Eritema
localizado; En caso de ingestión: Malestar general, Vómitos,
Peligro de aspiración; En caso de inhalación: Agitación, Tos,
dolor, ahogo y dificultades respiratorias; Pueden producirse
cefaleas y mareos; Efecto de envenenamiento en el sistema
nervioso central puede causar convulsiones, dificultad al
respirar y desmayo.
d) Cloruro de calcio (10)
● Estado físico: Sólido.
● Color: Blanco.
● Olor: Inodoro.
● Solubilidad en agua: 745 g/l a 20 °C.
● Indicaciones de peligro: Provoca irritación ocular grave.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados: Irritación.
e) Fenol (11)
● Estado físico: Sólido.
● Color: Incoloro.
● Olor: Característico dulce y alquitranado.
● Solubilidad en agua: - 84 g/l a 20 °C.
● Indicaciones de peligro: Tóxico en caso de ingestión, contacto
con la piel o inhalación, Provoca quemaduras graves en la piel
y lesiones oculares graves, Se sospecha que provoca defectos
genéticos, Puede provocar daños en los órganos tras
exposiciones prolongadas o repetidas, Tóxico para los
organismos acuáticos, con efectos nocivos duraderos.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados: Irritación,
Corrosión, Mareos, Vértigo, Cefalea, Ahogos, Colapso
circulatorio, Pérdida de conciencia, Perforación de estómago,
Peligro de ceguera.
4) Proponga un mecanismo de reacción para las síntesis
propuestas.(explicar)
Nitrobenceno
● Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)
● Ataque electrófilico sobre el ion nitronio
● Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.(12)
Ácido pícrico
En cuanto al mecanismo de reacción en medio ácido, se da la activación del ácido nítrico por
el ácido sulfúrico, donde se forma el ión nitronio, el cual es el iónque hace un ataque
electrofílico al anillo aromático, y se produce la sustitución del hidrógeno por el ion nitronio
en la posición para , luego en la posición orto y por último de nuevo en la posición orto
produciendo así ácido pícrico.(13)
5) Realice un flujograma para el proceso sintético.(xiomara)
6) ¿Qué es un nomograma?
El nomograma, ábaco o nomografo es una representación gráfica de cálculo,
un diagrama bidimensional, que permite mostrar la diferencia entre cualquier
número de variables, así como también permite realizar con rapidez cálculos
numéricos aproximados. (14)
En su concepción más general, el nomograma representa simultáneamente el
conjunto de las ecuaciones que definen determinado problema y el rango total
de sus soluciones.
Al ser un nomograma la representación gráfica de una ecuación de varias
variables, esta debe constar de tantos elementos gráficos como variables tenga
la ecuación. Estos elementos pueden ser puntos o líneas, rectas o curvas, según
los casos. El nomograma se realizará teniendo los valores de todas las
variables menos una, el de esta última puede encontrarse por medio de algún
recurso geométrico inmediato (que, generalmente es el trazado de otra línea
que pasa por ese punto).
Asimismo, los nomogramas se han utilizado en una amplia gama de
aplicaciones; teniendo como ejemplo su aplicación en la química, siendo
empleado para estimar la presión externa a la que un compuesto químico tiene
determinado punto de ebullición y para obtener el punto de un compuesto
químico a cierta presión externa. (15)
9. REFERENCIAS
1. McMurry, J. (2018). Química orgánica (Novena ed.). México: Cengage Learning
2. U.S. National Library of Medicine. (2019). Nitrobenzene. Recuperado de:
pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
3. Prevor ES. (2015) Ácido pícrico: Entender el riesgo de productos químicos
específicos. Recuperado de:
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vo%20potente,o%20para%20tintar%20el%20vidrio.
4. Sanchez Ruiz J, Ramirez M, Delgado Espinoza D. Nitración de benceno [Internet].
México Norte; 2014. Available from:
https://es.scribd.com/embeds/207139374/content?start_page=1&view_mode=scroll&
access_key=key-DXFMtVntRav5tlToCCWR
5.Química Orgánica Industrial [Internet]. Uva.es. [citado el 26 de abril de
2021]. Disponible en: https://www.eii.uva.es/organica/qoi/tema-09.php (***)
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de 2021]. Disponible en: https://www.youtube.com/watch?v=T33_rOP8g3M
7. Ácido nítrico. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el 24 de
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https://www.prevor.com/es/acido-picrico/#:~:text=Se%20utiliza%20como%20explosivo%20potente,o%20para%20tintar%20el%20vidrio
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8. Ácido sulfúrico. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el 24
de abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/tadqk
9. Benceno. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el 24 de
abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/rpd78
10. Cloruro de calcio. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el
24 de abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/vyv5
11. Fenol. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el 24 de abril
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12.Scribd. En: Cool Tech Tools for Lower Tech Teachers: 20 Tactics for Every
Classroom. 2590 Conejo Spectrum, Thousand Oaks California 91320 United States:
Corwin Press; 2014. p. 152–8. Disponible en:
https://es.scribd.com/embeds/207139374/content?start_page=1&view_mode=scroll&
access_key=key-DXFMtVntRav5tlToCCWR
13.Laboratorio Obtención Del Ácido Pícrico [Internet]. Scribd.com. [citado el 26 de
abril de 2021]. Disponible en:
https://es.scribd.com/doc/171180572/LABORATORIO-OBTENCION-DEL-ACIDO-
PICRICO
14. REAL ACADEMIA ESPAÑOLA: Diccionario de la lengua española, 23ª. ed.,
[versión 23.4 en línea]. Disponible en: https://dle.rae.es/nomograma
15. Rivarola FM. Nomograma (Nomograms) [Internet]. Com.ar. [citado el 24 de abril
de 2021]. Disponible en:
http://www.microgestion.com.ar/index.php/mg-developers/articulos/5-nomograma
16.Apendice_F_pKa.doc. [citado el 26 de abril de 2021]. Disponible en:
http://apendice_F_pKa.doc
10. ANEXOS
https://n9.cl/tadqk
https://n9.cl/rpd78
https://n9.cl/vyv5
https://n9.cl/t3hm
https://es.scribd.com/embeds/207139374/content?start_page=1&view_mode=scroll&access_key=key-DXFMtVntRav5tlToCCWR
https://es.scribd.com/embeds/207139374/content?start_page=1&view_mode=scroll&access_key=key-DXFMtVntRav5tlToCCWR
https://es.scribd.com/doc/171180572/LABORATORIO-OBTENCION-DEL-ACIDO-PICRICO
https://es.scribd.com/doc/171180572/LABORATORIO-OBTENCION-DEL-ACIDO-PICRICO
https://dle.rae.es/nomograma
http://www.microgestion.com.ar/index.php/mg-developers/articulos/5-nomograma
http://apendice_f_pka.doc
Imagen 5. Efecto de reactividad de los sustituyentes (1)
Tabla 2 : Constantes de acidez (16)