PRACTICA N 05 - PREPARACION DE O Y P-NITROFENOL

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PRÁCTICA N°05
PREPARACIÓN DE O Y P-NITROFENOL
1. INTRODUCCIÓN
Una de las reacciones únicas y de las más comunes que presentan los compuestos
aromáticos es la sustitución electrofílica aromática. Esta reacción característica de
todos los anillos aromáticos consiste en que un electrófilo (E+) reacciona con un anillo
aromático y ocurre la pérdida de uno de los hidrógenos de una carbocatión. (1)
Figura 1. Ejemplo de sustitución electrofílica aromática. (1)
A partir de sustituyentes simples podemos preparar diferentes compuestos aromáticos
sustituidos. Algunos de estos sustituyentes son -Cl, -Br, -I, -NO2, -SO3H, -OH, etc. (1)
Si se realiza una reacción en un anillo aromático ya sustituido pueden ocurrirle dos
efectos al sustituyente presente:
➢ Los sustituyentes afectan la reactividad del anillo aromático. Algunos activan el
anillo, y lo hacen más reactivo que el benceno, y viceversa.
➢ Los sustituyentes afectan la orientación de la reacción. Los productos posibles
(orto-, meta- y para-) se forman en cantidades diferentes. La naturaleza del
sustituyente presente altera la posición del segundo sustituyente. (1)
Nitrofenoles:
El o- y p-nitrofenol tienen propiedades químicas similares. Al momento de producir
una de estas sustancias generalmente se produce una pequeña cantidad de la otra.
Ambas sustancias se degradan en el agua y en la superficie del suelo, la degradación
tarda más a niveles más bajos del suelo y en aguas subterráneas. (2)
Por lo general, el o-nitrofenol es utilizado para producir tintes, colores para pinturas,
sustancias químicas para gomas y fungicidas. Por otro lado, el p-nitrofenol está
inmerso en producción de medicamentos, fungicidas y tintes, además, se usa para
oscurecer el cuero. (2)
2. OBJETIVOS
● Comprender las reacciones de nitración aromática.
● Desarrollar una técnica para preparar o y p nitrofenol.
● Valorar la importancia de los procesos de síntesis orgánica.
3. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales:
● Fenol
● ácido sulfúrico
● Ácido nítrico
● HCl
● Carbón activo
● Nitrato de sodio
● Balón de tres bocas
● Embudo de adición
● Sistema de reflujo
● Termómetro
● Sistema de destilación
● Embudos
● Sistema de filtración al vacío
Procedimiento
Cuidadosamente añadir 250 g (136 ml) de ácido sulfúrico concentrado en corriente
fina o al hilo y con constante agitación a 400 ml de agua que están en un balón de 1
litro de tres cuellos, y luego disolver 150 g de nitrato de sodio en el ácido diluido.
Enfriar en un baño de agua-hielo. Fundir 94 g de fenol con 20 ml de agua, y añadirlo
gota a gota desde un embudo de separación a la mezcla ácida con agitación vigorosa;
mantener la temperatura aproximadamente 20ºC. Continuar la agitación por 2 horas
adicionales después de que todo el fenol haya sido añadido. Remover el líquido madre
de la mezcla resinosa de nitrocompuestos. Fundir el residuo con 500 ml de agua,
agitar y dejar que el contenido se asiente. Remover el líquido madre y repetir los
lavados al menos 2 o 3 veces para asegurarse de remover los residuos ácidos. Destilar
usando la técnica de arrastre de vapor hasta que ya no destile el o-nitrofenol (punto de
fusión 46º C). Recolectar el destilado en agua helada, filtrar el residuo al vacío y
secarlo completamente. Dejar que el residuo en el balón enfríe durante 2 horas y luego
enfriar en baño de agua helada por uno 15 a 30 minutos. Filtrar el precipitado crudo
de p-nitrofenol y calentarlo con 1 litro de ácido clorhídrico al 2% junto con 5 g de
carbón activado (decolorante) por lo menos 10 minutos. Filtrar usando un embudo
caliente, dejar enfriar/cristalizar toda la noche. Se obtendrán cristales casi incoloros
como agujas, filtrar al vacío sus cristales de p-nitrofenol.
4. RESULTADOS
Figura 2. Solución de o y p nitrofenol brutos
(3)
En la primera obtención del producto, se puede observar una solución de color café oscuro, y
a simple vista, parece tener una consistencia espesa. Esto, ya que los dos compuestos de
estudio (orto y para nitrofenol) están mezclados junto a otras sustancias. Asimismo, su
consistencia se debe a que pasó previamente por una operación de decantación donde se
eliminó la parte acuosa.
Figura 3. Obtención de o- nitrofenol puro
(3)
Después de una destilación por arrastre de vapor y una filtración, se logró separar el
compuesto de o-nitrofenol, obteniendose una sustancia sólida; debido a su caracter de
secado a temperatura ambiente; y de color amarillo.
Figura 4. Obtención de p- nitrofenol puro (3)
Se obtuvo el p- nitrofenol de un color aperlado y en forma de cristales, después de
distintas operaciones de purificación (calentado, filtración, tratamiento con carbón
activado y cristalización).
Cálculo del rendimiento
Figura 5. Comparación del punto de fusión experimental y teórico
(3)
5. DISCUSIÓN
A partir de los cálculos realizados, se puede identificar que experimentalmente no se
obtuvo la cantidad exacta de los valores teóricos. Según la Ec 1, para 9.3 g de fenol se
producen 13.75 g de orto y para-nitrofenol, sin embargo, en la práctica se obtuvieron
valores de 4.86 y 2.08 g, respectivamente. A simple vista, se puede observar que los
valores teóricos y prácticos se encuentran muy alejados entre sí, lo cual se pudo
corroborar con el cálculo del rendimiento porcentual de cada producto (Ec 3 y 4),
obteniéndose un 34.35 % para el o-nitrofenol y un 15.13% para el p-nitrofenol. Estos
bajos rendimientos, son consecuencia de las diferentes operaciones de purificación
que se realizaron. Asimismo, haciendo una comparación de la cantidad obtenida de
ambos compuestos, se puede determinar que el o-nitrofenol tuvo un mayor
rendimiento (mayor cantidad) a diferencia del p-nitrofenol, esto ocurre porque para la
obtención del o-nitrofenol se realizó menos cantidad de operaciones de purificación
(destilación por arrastre de vapor y filtración), en cambio, para obtener el p-nitrofenol
la cantidad de técnicas utilizadas fueron más; tal como se mencionó en la figura 4;
reduciendo así su cantidad de compuesto puro.
Con respecto a los valores de punto de fusión, los tomados experimentalmente fueron
de 44 y 112 para el o-nitrofenol y p-nitrofenol respectivamente. Como se observa en
la figura 5. Los valores experimentales son muy cercanos a los teóricos, lo que indica
que los compuestos obtenidos en la práctica se encuentran puros.
Por otro lado, la obtención de ambos compuesto se debe a que la nitración del fenol
en condiciones de ácido nítrico diluido produce una mezcla de dos isómeros;
asimismo, el grupo hidroxilo de la molécula fenol activa las posiciones orto- y para-
de su núcleo aromático, obteniéndose con facilidad una mezcla o-nitrofenol y
p-nitrofenol. Por el contrario, el uso de ácido nítrico más concentrado sería
contraproducente para la obtención de o y p-nitrofenol con buen rendimiento, en todo
caso, se obtendría 2,4,6-trinitrofenol o ácido pícrico. (4)
6. CONCLUSIONES
● Se comprendió las reacciones de nitración aromática, las cuales básicamente
dependen del HNO3 y H2SO4 para formar los grupos nitros.
● Se logró desarrollar una técnica para preparar o y p-nitrofenol, tras realizar un
tratamiento de fenol con ácido nítrico diluido a bajas temperaturas (20°C),
obteniéndose o y p-nitrofenol, el cual fue separado posteriormente mediante
destilación por arrastre de vapor.
● Se reconoció que el grupo -OH es un activante fuerte para o- y p- (se obtienen
dos isómeros), en condiciones de HNO3 diluido.
● Se valoró la importancia de los procesos de síntesis orgánica.
7. SUGERENCIAS
● Siempre añadir ácido sobre agua y no al revés, porque la reacción es bastante
exotérmica y puede ver algún tipo de reacción agresiva.
● Siempre tener a la mano un baño de agua de hielo para evitar alguna reacción
exotérmica.
● Manejar el fenol con mucho cuidado porque nos puede quemar la piel.
● Si no se consigue un buen punto de fusión se pasa a disolver O- nitrofenol en
etanol caliente, se va a reflujar y después se agrega gotas de agua caliente
hasta alcanzar turbiedad y finalmente se deja secar y pasamos afiltrar los
cristales amarillo brillante.
8. ACTIVIDADES
1) Realizar las siguientes reacciones
2) Identifique y describa las principales características de los reactivos y
productos finales (Hoja de seguridad).
a) Fenol (5)
● 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.
b) Ácido sulfúrico(6)
● 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) Nitrato de Sodio(7)
● Estado físico: sólido (polvo)
● Color: blanco
● Olor: inodoro
● pH (valor): 5,5 – 8 (agua: 50 g /l , 20 °C)
● Punto de fusión/punto de congelación: 308 °C
● Indicaciones de peligro: Puede ser corrosivo o irritación
cutánea, lesiones oculares, sensibilidad respiratoria.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados:
➔ En caso de ingestión: diarrea, vómitos, dolor
abdominal
➔ En caso de contacto con los ojos: Provoca irritación
ocular grave
➔ En caso de inhalación: tos, dificultades respiratorias
➔ En caso de contacto con la piel: eritema localizado,
efectos irritantes.
d) Ácido Clorhídrico (8)
● Estado físico: líquido (fluído)
● Color: incoloro
● Olor: inodoro
● pH (valor): (ácido)
● Punto inicial de ebullición e intervalo de ebullición: >85 °C
● Indicaciones de Peligro: Toxicidad aguda, corrosión o
irritación cutánea, lesiones oculares graves o irritación ocular,
sensibilización respiratoria o cutánea.
● Principales síntomas y efectos, agudos y retardados:
➔ En caso de contacto con los ojos: causa irritación de
ligera a moderada.
➔ En caso de inhalación: débilmente irritante
➔ En caso de contacto con la piel: causa irritación de
ligera a moderada.
e) Ácido nítrico (9)
● 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.
3) Proponga un mecanismo de reacción para la síntesis propuesta.
Mecanismo propuesto para la obtención de o y p-nitrofenol.
El hidroxibenceno o fenol, junto con el ácido trioxonítrico va reaccionar,
formando el fenol con un nitrógeno positivo unido a un oxígeno con doble
enlace y otro oxígeno negativo más agua. Un efecto de resonancia es la
sustracción o donación de electrones a través de un enlace π debido al traslape
de un orbital p en el sustituyente con un orbital p en el anillo aromático. Por
ejemplo, los sustituyentes nitro sustraen electrones del anillo aromático por
resonancia. Los electrones π fluyen de los anillos a los sustituyentes, dejando
una carga positiva en el anillo.
El fenol junto al ácido trioxonítrico al 20% menos el agua, se va formar o y p
nitrofenol.
4) Realice un flujograma para el proceso sintético.
9. REFERENCIAS
1) McMurry, J. (2018). Química orgánica (Novena ed.). México: Cengage
Learning.
2) Resumen de Salud Pública: Nitrofenoles (Nitrophenols) [Internet]. Cdc.gov.
2021 [citado el 2 de mayo de 2021]. Disponible en:
https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs50.html#:~:text=El%202%2Dnitrofen
ol%20se%20utiliza,usa%20para%20oscurecer%20el%20cuero
3)
4) Electrophilic Substitution Reactions of Phenols [Internet]. Byjus.com.
BYJU’S; 2017 [citado el 5 de mayo de 2021]. Disponible en:
https://byjus.com/chemistry/phenol-electrophilic-substitution/
5) Fenol. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el 24 de
abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/t3hm
6) Ácido sulfúrico. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado
el 24 de abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/tadqk
7) Nitrato de Sodio - Hoja de Seguridad [Internet]. Carlroth.com. 2021 [citado 5
May 2021].
https://www.carlroth.com/medias/SDB-A136-ES-ES.pdf?context=bWFzdGVy
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8) Ácido Clorhídrico - Hoja de seguridad [Internet]. Carlroth.com. 2017 [citado 5
May 2021].
https://www.carlroth.com/medias/SDB-K025-ES-ES.pdf?context=bWFzdGVy
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9) Ácido nítrico. Ficha de datos de seguridad [Internet]. Carlroth.com. [citado el
24 de abril de 2021]. Disponible en: https://n9.cl/0gybt
https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs50.html#:~:text=El%202%2Dnitrofenol%20se%20utiliza,usa%20para%20oscurecer%20el%20cuero
https://www.atsdr.cdc.gov/es/phs/es_phs50.html#:~:text=El%202%2Dnitrofenol%20se%20utiliza,usa%20para%20oscurecer%20el%20cuero
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https://byjus.com/chemistry/phenol-electrophilic-substitution/
https://n9.cl/t3hm
https://n9.cl/tadqk
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