Universidad Rafael Landívar Facultad de Ingeniería. Ingeniería Química Industrial. Laboratorio de Química Orgánica Il - Sección: 04. Catedrática: Ingeniera Anna Margarita Ríos Auxiliar: Estephany Mendoza Guatemala, 25 de septiembre de 2019. Christian Steven Rios Molina Carnet: 1006718 PRÁCTICA NO. 04 PARTE B “SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMÁTICA” ÍNDICE ABSTRACT ....................................................................................................................... 1 RESULTADOS .................................................................................................................. 2 DISCUSIÓN DE RESULTADOS........................................................................................ 3 CONCLUSIONES .............................................................................................................. 7 BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................................................ 8 ELECTRÓNICAS ........................................................................................................... 8 APÉNDICE ........................................................................................................................ 9 DIAGRAMA DE EQUIPO ............................................................................................... 9 DATOS ORIGINALES ................................................................................................. 11 DATOS TEÓRICOS ..................................................................................................... 11 DATOS CALCULADOS ............................................................................................... 11 MUESTRA DE CÁLCULO ........................................................................................... 11 ABSTRACT La práctica no. 04. Denominada “sustitución electrofílica aromática” llevada a cabo el día 18 de septiembre del 2019, tuvo como objetivo general sintetizar Llevar a cabo la sustitución electrofílica aromática de nitración de tolueno; además, tuvo como objetivos específicos, Determinar el compuesto a formar de la sustitución electrofílica en la nitración de tolueno. y por último, determinar el porcentaje de rendimiento y Pto de ebullición del compuesto formado. Los anillos se pueden nitrar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados. Este proceso es realmente importante para la industria de explosivos, pigmentos y farmacia. Además, el producto a sintetizar, el nitrotolueno tiene importantes usos en la industria como la fabricación de tinturas, caucho, substancias químicas para la agricultura, explosivas y otras sustancias químicas. Se inició realizando una mezcla, en un balón, con agua destilada, ácido nítrico y ácido sulfúrico, realizando dicho procedimiento en la campana y en baño de hielo. Posteriormente se agregó en porciones tolueno precaviendo no aumentar la temperatura superior a los 60°C, manteniendo el baño de hielo. Se procedió a armar el sistema de reflujo con una trampa con sulfato de sodio en la parte superior del tubo refrigerante, esta mezcla se refluyó durante 40 minutos a temperatura constante. Se procedió a enfriarlo a temperatura ambiente y se transfirió a una ampolla de decantación que contenía 25 mL de agua fría y se procedió a separar la fase acuosa de la orgánica, sin embargo, no se separaron las fases debido a las limitaciones de la nitración del tolueno. Se procedió la práctica en otra mesa de trabajo y se realizó una destilación simple a 110°C. Para finalizar la práctica, se secó el residuo con sulfato de sodio, se determinó el rendimiento del producto, obteniendo un 36.6 ± 1.13 % de nitrotolueno y su punto de ebullición mediante la determinación de una campanilla de Durham fue de 220 °C y la fórmula del compuesto formado debido al punto de ebullición fue de o-nitrotolueno. 1 RESULTADOS RESULTADOS CUANTITATIVOS Tabla No. 01: Datos obtenidos de la práctica Característica Punto de ebullición Valor 220 °C Fuente: Propia Tabla No. 02: Rendimiento obtenido de las síntesis Característica Rendimiento de nitrotolueno Valor 36.6 ± 1.13 % Fuente: Propia. Tabla No. 03: Porcentaje de humedad en muestra húmeda Característica Porcentaje de humedad Valor 18.6 ± 3.13 % Fuente: Propia. RESULTADOS CUALITATIVOS Tabla No. 04: Observaciones de la práctica Descripción Mezclar agua, solución de ácido nítrico, sulfúrico y tolueno. Refluir la mezcla durante 40 minutos Trasvasar a ampolla de decantación Destilar la mezcla a 110 °C Observaciones La solución sube de termperatura debido a que es una reacción exotérmica. La reacción se lleva a cabo y se vuelve color amarillenta Separación de fase orgánica (café) y fase acuosa (amarilla) El producto se vuelve amarillo-rojizo oscuro Fuente: Propia. REACCIÓN Y MECANISMO DE REACCIÓN 2 Fuente: Wade (2017) 3 DISCUSIÓN DE RESULTADOS En la práctica se tuvo que sintetizar 2-octanona, realizando una oxidación de alcoholes. Wade (2017) explica que las cetonas y aldehídos con frecuencia se preparan oxidando alcoholes. Cuando tenemos que preparar un compuesto carbonílico, podemos usar un reactivo de Grignard para sintetizar un alcohol con la estructura correcta y oxidarlo al producto final. NaOCl Fuente: Wade (2017) Wade (2017) explica que el ácido nítrico tiene un grupo hidroxilo que se puede protonar y que salga como agua, en forma parecida a la deshidratación de un alcohol. El ion nitronio reacciona con el tolueno para formar nitrotolueno en las posiciones orto y para: Fuente: Wade (2017) Según Carey (2014) Un grupo metilo es un sustituyente activante porque estabiliza, en mayor grado que el hidrógeno, el intermediario carbocatiónico que se forma en el paso determinante de la reacción. El metilo es un grupo donador de electrones y activa todos los carbonos de anillo disponibles hacia la sustitución electrofílica, En pequeña medida, el grupo metilo obstaculiza estéricamente a las posiciones orto, haciendo la sustitución ligeramente más lenta en un solo carbono orto que en un carbono para. En la práctica se procedió realizar una disolución de agua, ácido nítrico y ácido sulfúrico en un balón, a esté se añadió en pequeñas porciones el tolueno controlando que la temperatura no aumentara superior a los 60°C. Esto debido a que el tolueno está clasificado como un compuesto orgánico volátil, con una presión de vapor de 3.8 kPa según Merck (2018), permitiendo que conforme aumenta la temperatura, más pérdida de sustrato durante la adición pueda existir. En el balón donde se introdujo agua, debido a que según Damiano, A. (2004) el aumento de agua disminuye la concentración del ion nitronio hasta concentraciones molares del 50 4 %, esto con el objetivo de disminuir la concentración del ion para que la reacción se llevara a cabo de forma más controlada, evitando la formación de productos polinitrados. Posteriormente, se colocó el balón con la mezcla en el equipo de reflujo, procurando mantener la temperatura a 50°C, con agitación constante, esto debido a que la Universidad Complutense de Madrid (2015) explica que aquellas reacciones que son demasiado lentas, o no progresan a temperatura ambiente, requieren calefacción; en este caso, la reacción entre la mezcla sulfonítrica y el tolueno no debe exceder la temperatura dada debido a que Cuper (1952) explica que el aumento de la temperatura produce un aumento en el grado de nitración, por ende un aumento de productos polinitrados indeseados, además de un aumento en la actividad oxidante del ácido nítrico, disminuyendo el rendimiento. Además la Universidad Complutense de Madrid (2015) explica que la mezcla de reacción debe agitarse desde el principio, tanto para evitar que el líquido hierva a saltos formando grandes burbujas de vapor en su superficie, como para garantizar la máxima homogeneidad posible. Posteriormente, se dejó enfriar la solución a temperatura ambiente, y se procedió a trasvasar a una ampolla de decantación en la que se pudieron observar la separación de dos fases, la fase orgánica y la fase acuosa; la fase orgánica situada en la parte inferior de la ampolla debido a que el nitrotolueno (1.16 g/cm3) es más denso que el agua según Merck (2018). Se separó la fase acuosa y se procedió a realizarle un lavado para reiterar la extracción. Seguidamente se procedió a realizar una destilación simple a una temperatura aproximada de 112°C, esto para separar el tolueno que no reaccionó, con un punto de ebullición de 110,6°C según Merck (2017) para posteriormente secar el producto obtenido con sulfato de sodio, debido a que según Merck (2017) este tiene una gran capacidad deshidratante debido a que forma una sal heptahidratada. Posteriormente se realizó una determinación de puntode ebullición mediante una campanilla durham. Según Dean (1985) el punto de ebullición es la temperatura a la cual un líquido cambia a la fase gaseosa y se caracteriza por la formación de burbujas de vapor dentro del líquido, Se utiliza un tubo capilar para determinar el punto de ebullición (sellado por un extremo) y se coloca dentro de un microtubo de ensayo que contenga el líquido, cuidando que el extremo abierto esté hacia abajo en contacto con el líquido y fijarlo con una banda de hule a un termómetro. Se coloca un tubo de Thiele en un soporte universal, sostenido por una pinza de tres dedos. Se llena, hasta la altura del brazo, con un líquido estable a altas temperaturas Iniciar el calentamiento lentamente, permitiendo que la temperatura se eleve, hasta observar que del capilar empiezan a salir burbujas de aire. En la práctica se utilizó glicerina para determinar el punto de ebullición debido a que esta presenta un punto de ebullición de 290°C, debido a que los puntos de ebullición de las sustancias a determinar eran 238 - 239 °C para el p-nitrotolueno y 212 – 215 °C para él onitrotolueno. Por este procedimiento se determinó un punto de ebullición de 220 °C por lo que se determinó que el producto sintetizado en mayor proporción fue o-nitrotolueno. La nitración del tolueno presenta varias limitaciones, debido a la volatilidad del tolueno a temperaturas cercanas a las del ambiente, además, la importancia de mantener una agitación constante y la necesidad de mantener la temperatura durante la reacción para evitar la oxidación del ácido nítrico y la formación de productos polinitrados que pueden 5 afectar completa o parcialmente la síntesis del nitrotolueno, por lo que se obtuvo un rendimiento de 36.6 ± 1.13 %. 6 CONCLUSIONES 1. Se determinó un rendimiento porcentual de 36.6 ± 1.13 %, al sintetizar nitrotolueno, a partir de la nitración del tolueno mediante un proceso a semi microescala. 2. Se concluyó que la identidad del producto sintetizado es o-nitrotolueno debido a que el punto de ebullición determinado del producto sintetizado fue de 220 °C. 3. Se concluyó que el procedimiento para la nitración del tolueno tiene limitaciones importantes como la temperatura de reacción y la volatilidad del tolueno, para obtener un rendimiento adecuado. 7 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS BIBLIOGRÁFICAS - Galagovsky, Lydia. (2002). Química Orgánica: Fundamentos Teórico-Prácticos para el Laboratorio. (5a Ed). Argentina: Editorial Universitaria de Buenos Aires. p. 19 – p. 35. Wade, L. (2011). Química Orgánica Vol. 2. (7ª Ed.). México: Pearson Education p. 896. Carey, F. & Giuliano, R. (2017) Química Orgánica (9ª Ed). México: Mc Graw Hill. p.459 – p.460. ELECTRÓNICAS - - - Ing Rios, M., & Lic Montoya, R. (2019). MANUAL DE LABORATORIO QUÍMICA ORGÁNICA II. Recuperado el 9 de Septiembre de 2019, de https://moodle2.url.edu.gt/moodle2019/pluginfile.php/372219/mod_resource/conten t/1/Manual%20de%20Laboratorio%20Qu%C3%ADmica%20Org%C3%A1nica%20I I%20-%202019-VoBo.pdf?forcedownload=1 Cuper, O. (1952) Universidad de Buenos Aires. [En red] Recuperado el 14/09/19. Disponible en: https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n0708 _Cuper.pdf SDBS. (2019) p-nitroatoluene. [En red] Recuperado el 24/09/19. Disponible en: https://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi Universidad de Granada (2002) Tabla de espectroscopía. [En red] Recuperado el 14/09/19. Disponible en: https://www.ugr.es/~quiored/lab/tablas_espec/ir.htm Universidad Complutense de Madrid (2015) prácticas de química orgánica I. [En red] Recuperado el 14/09/19. Disponible en: https://www.ucm.es/data/cont/docs/410-2014-10-07-guion-practicasquimica%20organica-segundo-grado_2014-15.pdf Daminao, A. (2004) Nitracion. [En red] Recuperado el 24/09/19. Disponible en: http://materias.fi.uba.ar/7218/Nitracion.pdf Merck (2017). Tolueno. [En red] Recuperado el 12/09/19. Disponible en: http://www.merckmillipore.com/GT/es/product/msds/MDA_CHEM-108327 Merck (2017). Nitrotolueno. [En red] Recuperado el 12/09/19. Disponible en: http://www.merckmillipore.com/GT/es/product/msds/MDA_CHEM-108327 8 APÉNDICE ESPECTROSCOPIA IR Fuente: SDBS (2019) En el espectroscopia se pueden observar: Tipo de vibracíon C-H (Aromático) C=C (Aromático) NO2 (Aromático) C-H d (mono) C-H d (orto) (Aromático) Fuente: Universidad de Granada (2002) Número de onda 3020-3000 1600-1475 1550-1490 y 1355-1315 770-730 y 715-685 770-735 De acuerdo a la tabla anterior y los espectros, se tiene que en el IR obtenido están presentes las absorbancias de los enlaces del nitrotolueno, C-H (3000), C=C (1550), NO2 (1500) y C-H (mono) (770) y C-H (orto) (740), las otras bandas se deben a modos vibracionales de mayor complejidad originada por ángulos de enlace y ángulos diedros. 9 DIAGRAMA DE EQUIPO Figura No. 01: Diagrama de equipo de reflujo Trampa de sulfato de sodio Condensador enchaquetado Balón 25 mL Fuente: Propia. Figura No. 02: Diagrama de equipo de filtración al vacío. Condensador enchaquetado Cabeza de Hickman Vial cónico Fuente: Galagovsky (2002). 10 DATOS ORIGINALES Tabla No. 05: Cantidad de tolueno utilizada Compuesto Tolueno Valor 3.2 ± 0.05 mL Fuente: Propia. Tabla No. 06: Datos obtenidos de la práctica Característica Punto de ebullición Masa antes de secado Masa después de secado Valor 220 °C 2.26 ± 0.05 g 1.84 ± 0.05 g Fuente: Propia. DATOS TEÓRICOS Tabla No. 07. Datos teóricos del nitrotolueno. Característica Punto de ebullición p-nitrotolueno Punto de ebullición o-nitrotolueno Rendimiento teórico Valor 238 - 239 °C 212 – 215 °C 4.76 ± 0.07 g Fuente: Propia. DATOS CALCULADOS Tabla No. 08: Rendimiento obtenido de las síntesis Característica Rendimiento de nitrotolueno Valor 36.6 ± 1.13 % Fuente: Propia. Tabla No. 09: Porcentaje de humedad en muestra húmeda Característica Porcentaje de humedad Valor 18.6 ± 3.13 % Fuente: Propia. MUESTRA DE CÁLCULO Tabla No. 10: Factores de retención Cálculo Fórmula R% = (Vr/Vt)*100% Donde: Rendimiento (R%) Vr = Valor real Vt = Valor teórico Fuente: Propia. Ejemplo p-nitroacetanilida: R% = (0.83 g/2.33 g)*100% R% = 35.6 % ANALISIS DE ERROR ERROR ABSOLUTO Y PORCENTUAL No aplica. 11 PROPAGACIÓN DE ERROR 1. Rendimiento R = rendimiento VReal = Valor real VTeorico = Valor teórico 𝑉𝑅𝑒𝑎𝑙 ∗ 100% 𝑉𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 0.83 ± 0.07 𝑔 𝑅= ∗ 100% = 35.6 ± 3.19 % 2.33 ± 0.07 𝑔 𝑅= 12
