Practica N 4 - Preparacion de Nitrobenceno y Acido Picrico

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QUÍMICA ORGÁNICA
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
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.
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
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.
La reacción electrofílica entre 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 explicarel 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.
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.