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QUÍMICA ORGÁNICA 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) 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 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. 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. 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). 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 a filtrar los cristales amarillo brillante.
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