Subido por KAREN ALEJANDRA SOLANO RODRIGUEZ

NITRACIÓN DEL CLOROBENCENO

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UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN
PROYECTO CURRICULAR DE LICENCIATURA EN QUÍMICA
LABORATORIO DE QUÍMICA ORGÁNICA I
Grupo 6
Ruby G. Leon (20192150073)
Alejandra Solano (20191150088)
●
Objetivos
Conocer una reacción de sustitución electrofílica aromática y aplicar los conceptos de la sustitución al
desarrollo experimental de la nitración (clorobenceno, tolueno o xileno).
●
Aprender a controlar las condiciones experimentales y a utilizar las propiedades de los grupos orientadores
del anillo aromático para sintetizar un derivado.
●
Comprobar semejanzas y diferencias en las propiedades fisicoquímicas y de espectroscopia en la región
infrarroja de alcanos, alquenos y aromáticos
●
Caracterizar empleando diferentes ensayos cualitativos los grupos funcionales presentes en muestras de
hidrocarburos conocidas y desconocidas
Introducción
Las reacciones de sustitución son características de los compuestos aromáticos y se llevan a cabo con reactivos
electrofílicos. Este grupo de reacciones permite introducir una amplia variedad de grupos en el anillo aromático
y por tanto nos dan acceso a la síntesis de un gran número de compuestos aromáticos que no serían disponibles
de otra forma. Todas estas reacciones involucran el ataque del anillo bencénico sobre una especie deficiente en
densidad electrónica (electrófilo). Un ejemplo típico de estas reacciones es la obtención de nitrobenceno, en la
que el agente nitrante (ión nitronio) se prepara a partir de ácido sulfúrico y ácido nítrico concentrados.
1.1. Actividad
Escribir la reacción balanceada y mecanismo para la mononitración del clorobenceno, tolueno y xileno
Para proceder con la nitración del clorobenceno, tolueno y xileno, el mecanismo inicia con la formación de
ión nitronio donde , el ácido sulfúrico protona el grupo hidroxilo del ácido nítrico, haciendo que se desprenda
una molécula de agua y formando un ión nitronio.
El ion nitronio es atacado por el benceno , el electrófilo será el ion La pérdida de un protón por parte del
complejo sigma produce nitrobenceno.
Reacción de nitración del clorobenceno
Otros posibles productos de la nitración del clorobenceno
El tolueno reacciona 25 veces más rápido que el benceno encontrándose en las mismas condiciones
Productos posibles tras la nitración del tolueno
Productos posibles tras la nitración del Xileno
Materiales y reactivos
Materiales
Reactivos
Matraz de fondo plano, embudo de separación, tubos
de ensayo, termómetro, probeta graduada, vaso de
precipitado, embudo Buchner, agitador de vidrio,
pinzas, Erlenmeyer con desprendimiento lateral,
equipo destilación, erlenmeyer, espátula, agua
destilada, frasco lavador.
Ácido nítrico concentrado, ácido sulfúrico
concentrado, cloruro de calcio, etanol.
Aromáticos: Clorobenceno, tolueno, xileno
Tubos de ensayo, Pipetas de 1 y 5 mL, Espátula
Cloroformo (CHCl 3 ), Bromo en tetracloruro de
carbono, Acetona, Ciclohexano, Ciclohexeno,
Tricloruro de aluminio (AlCl 3 ), Ácido sulfúrico
concentrado, Permanganato de potasio (solución al 2
%), n-Heptano, Tolueno
Termómetro, Tubos para punto de ebullición,
Mechero, Varilla de vidrio, Gradilla para tubos de
ensayos, Papel aluminio, Refractómetro
1.2. Actividad
Buscar los riesgos y precauciones que se deben tener en cuenta en la práctica
Completar la siguiente tabla de propiedades de los reactivos
Estructura
química
Peso
molec
ular
(gr/m
ol)
Pf
(°C)
Pe
(°C)
Solubilida
d en agua
Densidad
(gr/ml)
Pka(*)
Benceno
78.11
5.5
80.1
1.79
0.8787
43
Tolueno
92..13
8
-95
111
0.47
0.8669
25
Clorobenc
eno
112.5
6
-45
131
0.05
1.11
o-Xileno
106.2
2
25.2
144
0.146
0.88
p-Xileno
106.1
68
13.2
138.35
Insoluble
0.861
Pictograma de
seguridad
m-Xileno
106.1
6
-48
139
Insoluble
0.86
HNO3
63.01
-42
83
1.1150
1.5129
-1.3
H2SO4
98.08
10
337
soluble
1.83
1.99
4. Marco teórico
Las características principales de los hidrocarburos saturados (alcanos y cicloalcanos) es su “inercia
química”, es decir, su escasa reactividad, mientras que los hidrocarburos insaturados (alquenos, alquinos) son
muy reactivos. Un lugar aparte merecen los hidrocarburos aromáticos, los cuales se caracterizan por tener un
sistema de dobles enlaces deslocalizados, cuya resonancia le imparte una estabilidad especial al anillo. Por
tanto, son considerados compuestos insaturados que no dan las típicas reacciones de adición y oxidación de
los alquenos.
Los alcanos son compuestos no polares, por lo tanto, son solubles en compuestos no polares o escasamente
polares. Por otra parte, estos hidrocarburos saturados (alcanos y cicloalcanos) son insolubles en ácido sulfúrico
(H2SO4) concentrado y en soluciones acuosas de hidróxido de sodio (NaOH) al 10 % (p/v), y además,poseen
valores de densidad inferiores a la densidad del agua. Los hidrocarburos saturados arden en el aire con llama
poca luminosa (oxidación). La mezcla de alcano y oxígeno aparentemente no reacciona a temperatura ambiente,
pero en presencia de una chispa o llama que suministre la energía de activación ocurre la reacción de
combustión. Otra de las reacciones características de los alcanos se lleva a cabo bajo condiciones de luz
ultravioleta o altas temperaturas. Además, los hidrocarburos saturados sufren reacciones de sustitución por el
mecanismo de radicales libres para formar haloalcanos y haluros de hidrógeno. Por otro lado, las soluciones de
permanganato de potasio (KMnO4), ácido nítrico concentrado (HNO3) y ácido sulfúrico concentrado (H2SO4)
no producen una reacción visible a temperatura ambiente, pero cuando se aplica calor, se produce una mezcla
de productos de oxidación, en el caso de los compuestos hidrocarbonados cíclicos que rompen el anillo y forman
compuestos dicarboxílicos.
Los compuestos insaturados. La principal diferencia entre los alquenos y los alcanos radica en que los
primeros contienen insaturaciones; La mayor parte de sus propiedades físicas son casi iguales pero la reactividad
química es evidentemente diferente. Los puntos de ebullición de dichos alquenos suelen ser similares a la del
alcano correspondiente pero difieren significativamente en el punto de fusión, debido a que los alquenos pueden
presentar isomería cis-trans, diferencia que afecta sus propiedades fisicoquímicas. Así, se puede esperar que los
isómeros cis posean puntos de fusión inferiores a los de sus isómeros trans.
La reactividad de los alquenos se debe principalmente a que posee un doble enlace C=C, donde hay una
densidad electrónica superior a la de un enlace sencillo C-C. Dicho exceso confiere a los alquenos un carácter
nucleofílico y hace muy propenso al doble enlace a ataques con electrófilos. Por ende, los alquenos reaccionan
con halógenos (cloro, bromo, yodo), dando lugar a dihalogenuros vecinales. De hecho, la adición al bromo es
la base de un ensayo cualitativo útil que indica la presencia de un doble enlace o insaturación en una sustancia
orgánica. Otras de las reacciones características de los alquenos es la formación de halogenuros de alquilo, los
cuales pueden prepararse por adición de ácido clorhídrico o bromhídrico a los correspondientes alquenos; de
manera análoga la adición de agua a un alqueno en presencia de un catalizador ácido de lugar a un alcohol. Los
electrones de los enlaces pi (π) también son susceptibles de reaccionar con agentes oxidantes. Cuando un
alqueno se trata con solución diluida y neutra de permanganato de potasio (KMnO4) en frío produce un glicol
vecinal; la oxidación con solución concentrada y caliente origina ruptura a través del doble enlace oxidándose
cada carbono del doble enlace a un ácido carboxílico, si es un carbono terminal a CO2 y si es un carbono del
doble enlace unido a dos grupos alquilos se oxida a cetona.
Compuestos aromáticos. Los hidrocarburos aromáticos pueden ser mononucleares como el benceno y
polinucleares como el naftaleno. Los compuestos aromáticos cumplen la regla de Hückel (sistemas cíclicos y
planos que contengan (4n+2) electrones pi (π) conjugados, siendo n=0, 1, 2,…). Los hidrocarburos aromáticos
son insolubles en ácido sulfúrico concentrado (H2SO4) y frío y en solución acuosa de hidróxido de sodio
(NaOH) al 10 % (p/v); al tener pesos moleculares relativamente bajos, son menos densos que el agua. Las
reacciones más importantes de los hidrocarburos aromáticos y sus derivados son las de sustitución electrofílica,
generalmente catalizadas por ácidos de Lewis. El núcleo del benceno es muy resistente a la oxidación con
soluciones calientes de permanganato de potasio (KMnO 4 ) y ácido crómico, sin embargo, cuando hay grupos
alquilo presentes (metilo, etilo, etc.) con un átomo hidrógeno en el carbono bencílico, son oxidados a ácidos
carboxílicos. El núcleo de benceno por su naturaleza insaturada, de acuerdo a las condiciones puede reaccionar
por adición cuando se trata con nCl2 en presencia de luz o peróxido de benzoilo generando
hexaclorociclohexano.
Procedimiento experimental síntesis del clorobenceno
Colocar en el matraz de fondo plano de dos bocas 10 mL de HNO 3 concentrado y adaptar en una de las bocas
el embudo de adición con 10 mL de H2SO4 concentrado (realizar los cálculos para una mononitración). Colocar
el matraz en un baño de hielo e iniciar la adición del H 2SO4, poco a poco y con agitación constante. Mantener
la temperatura de la mezcla sulfonítrica entre 20-30°C. Al término de la adición sustituir el embudo de adición
por el termómetro. Retirar el baño de hielo y adicionar lentamente con agitación vigorosa 2.0 mL de
clorobenceno. Cuidar que la temperatura de la mezcla de reacción se mantenga entre 40- 50°C (si es necesario
enfriar exteriormente con un baño de hielo). Al finalizar la adición del clorobenceno, continuar la agitación
hasta que cese la reacción exotérmica y en este momento adaptar en la otra boca del matraz un refrigerante en
posición de reflujo en cuyo extremo superior se pone una trampa con CaCl 2 y un tubo de desprendimiento con
una manguera sumergida en agua. Calentar el matraz de reacción manteniendo la temperatura de la mezcla de
reacción a 80°C durante 30 minutos con agitación constante. Al cumplir el tiempo de calentamiento, enfriar la
mezcla de reacción y vaciar lentamente el contenido del matraz en un vaso de precipitado que contenga 50 g de
hielo. Agitar la mezcla vigorosamente y una vez formado el precipitado, filtrar al vacío. Lavar el producto con
100 mL de agua fría. Recristalizar en solución de etanol, pesar, calcular el rendimiento y determinar el punto
de fusión.
NOTAS
1. La mezcla de reacción debe ser agitada constantemente para así obtener el compuesto dinitrado. Si no se hace
de esta manera, se obtiene el compuesto mononitrado (líquido) en el caso del clorobenceno.
2. Al hacer la recristalización del producto, se debe agitar y raspar las paredes del vaso, colocado dentro del
hielo, para favorecer la constitución de la forma alotrópica alfa (p.f.= 53,4°C). Las formas beta y gama funden
a 43°C y 27°C respectivamente; en caso de no efectuar correctamente la recristalización, son contaminantes del
compuesto alfa. 3. El producto deberá guardarse en un lugar fresco, ya que el calor del ambiente será suficiente
para fundirlo
1.3. Actividad del estudiante:
Con ayuda de las guías y webgrafía del classroom
4.1.1. Dibujar un diagrama de flujo para la síntesis y separación del nitro derivado
Síntesis del clorobenceno
4.1.2.
Tabla de cálculos
Reactivo
Moles de
reactivo
en 2 mL
Moles de
HNO3
para una
mono
nitración
del
reactivo
Moles de
H2SO4
para una
mono
nitración
del
reactivo
gramos de
HNO3
para una
mono
nitración
del
reactivo
Gramos
de
H2SO4
para una
mono
nitración
del
reactivo
mL de
HNO3
para una
mono
nitración
del
reactivo
(98%)
mL de
H2SO4
para una
mono
nitración
del
reactivo
(98%)
Benceno
0.022
0.022
0.022
1,418
2,207
1,447
2,252
Tolueno
0,0190
0,0190
0,0190
1,186
1,846
1,210
1,883
Clorobenc
eno
0.0197
0.0197
0.0197
1,243
1,934
1,268
1,974
o-Xileno
0,016
0,016
0,016
1,027
1,598
1,048
1,631
p-Xileno
0,016
0,016
0,016
1,021
1,598
1,042
1,621
m-Xileno
0,016
0,016
0,016
1,021
1,598
1,042
1,621
4.1.2.
Tabla de productos
Reactivo
productomononitración
Peso
molecular
producto
Punto de
fusión.Producto
(°C)
Punto de
ebullición.Pro
ducto (°c)
Cantidad
producto
esperado (gr)
Benceno
Nitrobenceno
123.11
6
211
2.7084
Tolueno
Nitrotolueno
171.58
52
239
3.2600
Clorobenceno
1-cloro- 2Nitrobenceno
157.55
34
246
3.1037
o-Xileno
1,2-dimetil-4nitrobenceno
151.17
31.1
253.8
2.4187
p-Xileno
1,4-dimetil-2nitrobenceno
151.17
31.1
253.8
2.4187
m-Xileno
2,4-dimetil-1nitrobenceno
151.17
31.1
253.8
2.4187
Diagrama de flujo referente a las pruebas de solubilidad.
Índice de Refracción: los valores del índice de refracción son útiles para excluir determinados compuestos,entre
los que se consideran probables en la identificación de una sustancia desconocida; en el visor se lee hasta la
tercera cifra decimal, la cuarta se determina con aproximación.
Diagrama de flujo referente a la reactividad de hidrocarburos.
Referencias
Tomado y adaptado de: Bocanegra, F. Manual de Prácticas de Laboratorio de Química Orgánica. Unidades
Tecnológicas de Santander. Bucaramanga, 2012
Webgrafia
https://youtu.be/_gLgtHsTVX0
https://youtu.be/RmwchsrsZ_w
https://youtu.be/cC3OHyBYpMQ
Tomado y adaptado de: Lozano, L., Romero, A., Urbina, J. Manual de Prácticas de Laboratorio I de
Química Orgánica. Escuela de Química. Facultad de Ciencias. Universidad Industrial de Santander,
2013
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