Dinitrobenceno-Practica 2 PDF

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Instituto Politécnico NacionalEscuela Superior de Ingeniería Química E Industrias ExtractivasDepartamento de Ingeniería Química IndustrialLaboratorio de Química de HidrocarburosAcademia de Química Orgánica y PolímerosQuímica de los HidrocarburosProfa. Apolonia Murillo VillagranaPractica N°‘’Dinitrac...

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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Química E Industrias Extractivas Departamento de Ingeniería Química Industrial Laboratorio de Química de Hidrocarburos Academia de Química Orgánica y Polímeros Química de los Hidrocarburos Profa. Apolonia Murillo Villagrana

Practica N°11 ‘’Dinitración’’

Alumno. Domínguez Fuentes Fabián Grupo: 2IM33 Fecha de Entrega: 14/Noviembre/2019

I.

Objetivos 1.

Implementación teórica: Definición, propiedades, características y clasificación. Establecer la importancia del estudio de los

2. 3.

4. 5.

6. 7. 8. 9.

10. 11. 12.

13. II.

alquenos en la química orgánica en función de su obtención (o síntesis) y su aplicación. Importancia del benceno en síntesis orgánica y sus aplicaciones, como en reacciones químicas. Establecer la importancia del método de síntesis del dinitrobenceno: Reducción catalítica del acetileno, usando otros reactivos para la reacción. Ejemplificar: el estudio de una reacción de formación catalítica para árenos. Ejemplificar: la aplicación del proceso de la reducción y el uso de los catalizadores cuya finalidad es reducir tiempos de reacción. Obtención de cristales. Conocer los tipos de reacciones que se realizan durante el desarrollo de la síntesis. Efectuar otras reacciones que impliquen reducciones de tipo específico de diferentes productos orgánicos. Establecer los parámetros de control e indicios de reacción y las operaciones unitarias que se realizan para la síntesis del producto. Hacer la identificación del producto obtenido mediante pruebas específicas como el IR. Manejar el equipo semi-micro, usado en esta práctica y en las demás. Implementación practica de todos los procesos que llevan a la realización de la práctica: Propuesta, desarrollo, ejecución, registro de las evidencias, resultados, análisis, discusión y conclusiones. Implementación Teórico-Práctico de la practica 11.

Alcances 1. Lograr los objetivos de la práctica. 2. Establecer los métodos de obtención del di-nitrobenceno y sus mecanismos. 3. Establecer los tipos de reacciones orgánicas que se llevan a cabo en la síntesis. 4. Concepto de reducción en química orgánica. 5. Establecer las principales propiedades del di-nitrobenceno y sus aplicaciones. 6. Hacer las implementaciones de los procesos a seguir teórico – práctico para la implementación de la práctica.

III.

Metas 1. Desarrollo de la práctica en base a la bitácora. 2. Hacer la investigación bibliográfica y desarrollar los puntos anteriores. 3. Resolver el cuestionario de la práctica. 4. Elaborar el diagrama de bloques del proceso a seguir en la síntesis del di-nitrobenceno. 5. Establecer los parámetros de control e indicios de reacción de la práctica. 6. Establecer el equipo básico fundamental para el desarrollo de la práctica.

Investigación Bibliográfica Nitración y Dinitración del Benceno El proceso de nitración es empleado para grupos nitro en airiáticos y aromáticos, ampliamente utilizados en la industria como materia prima y de consumo directo. Estos compuestos se consideran de gran importancia ya que tienen una amplia aplicación tanto en la industria química como en la farmacéutica. Los usos más importantes de los compuestos nitrados son en la síntesis de alcaloide anilinas, en las fabricaciones de colorantes, como disolventes en la industria del petróleo, explosivas, plastificantes y como intermediario de síntesis de reactivos químicos.

La nitración del benceno no puede efectuarse sólo con ácido nítrico, se necesita “activar” el nítrico mediante ácido sulfúrico, más fuerte que él. Se piensa que en ésta reacción el electrófilo es el ion nitronio, NO2+, que se genera a partir del ácido nítrico por protonación y pérdida de agua. MECANISMO:

1) Activación del ácido nítrico por el ácido sulfúrico (formación del ion nitronio)

2) Ataque electrófilico sobre el ion nitronio

3) Abstracción del protón por parte de la base conjugada del ácido sulfúrico.

La nitración de anillos aromáticos es una reacción de particular importancia, debido a que los nitroarenos que se producen pueden reducirse con reactivos como hierro o cloruro estannoso para formar aninoarenos (anilina). Sustitución electrofilica aromática del benceno La reacción más importante de los compuestos aromáticos es la sustitución electrofílica aromática. Esto es, un electrófilo (E+) reacciona con un anillo aromático y sustituye uno de los hidrógenos. Mediante este tipo de reacción es posible anexar distintos sustituyentes al anillo aromático. Se le puede Halogenar (sustituir con halógeno: -F, -Cl, -I, -Br, -At), Nitrar (sustituir por un grupo nitro: -NO2), Sulfonar (sustituir por un grupo ácido sulfonico -SO3H), Alquilar (sustituir por un grupo alquilo: -R), etc. Todas estas reacciones pueden ser llevadas a cabo seleccionando los reactivos y condiciones apropiadas. Nitración Aromática:

Los anillos se pueden nitrar con una mezcla de ácido nítrico y ácido sulfúrico concentrados. Se piensa que el electrofílo es el ion nitronio, NO2+, que se genera del ácido nítrico, por protonacion y perdida de agua. Este ion genera un carbocatión intermediario, cuando este pierde un protón se genera el nitrobenceno como producto de sustitución. Este proceso es realmente importante para la industria de explosivos, pigmentos y farmacia. Nitrobenceno 2. Electrófilos orientadores orto, meta, para. En un benceno sustituido con un grupo dador de electrones, ya sea por efecto inductivo o resonante, una reacción de sustitución electrófila dará lugar principalmente a una mezcla de productos orto y para, siendo el producto meta minoritario. Los grupos dadores por inducción orientan a orto y para. Las formas señaladas con un * son particularmente estables. - Grupos dadores por inducción: Analizando el intermedio de reacción para los distintos ataques, (figura de la derecha), en el caso de las posiciones orto o para existe una forma resonante especialmente estable donde la carga positiva está situada adyacente al sustituyente dador de electrones, y por tanto resulta estabilizada. Así pues el ataque orto o para conduce a un intermedio más estable que el ataque en meta. La energía de activación de la primera etapa, la determinante de la velocidad, será menor en aquéllos y por tanto serán los productos que se formarán mayoritariamente dando una mezcla de los mismos. Los grupos dadores por resonancia orientan a orto y para. - Grupos dadores por resonancia: Al construir las formas resonantes para los distintos intermedios, (figura de la izquierda), la sustitución en orto y para está favorecida, ya que es posible formular una forma resonante más que para el ataque electrófilo en meta. Por tanto el intermedio de reacción es más estable cuando el sustituyente entra por la posición orto o para. Esto baja la energía del estado de transición de la primera etapa, que es la que controla la velocidad de la reacción. Así pues está favorecida una mezcla de productos orto y para, mientras que el producto meta será minoritario. - Halobencenos:

A pesar que los halógenos son desactivantes débiles orientan a orto y para. Esto es debido a los pares de electrones no enlazantes que poseen que pueden deslocalizarse por resonancia. Por tanto en los halobencenos el efecto inductivo domina en la reactividad y en cambio el efecto de la resonancia es el que predomina en la orientación, la regioselectividad, de la sustitución electrófila. Globalmente, si un grupo que dirige a orto o para es muy voluminoso, (impedimento estérico), el compuesto que se forme será mayoritariamente el para, ya que las posiciones orto estarán más impedidas (menos accesibles). En cambio si es poco voluminoso, el compuesto orto será estadísticamente favorecido, (2 posiciones orto por una para). Grupos que dirigen a meta Tanto los grupos aceptores por inducción como por resonancia orientan a meta. Esto es así porque al construir las formas resonantes del intermedio para los distintos ataques, (orto, meta o para), el ataque en meta evita que la carga positiva se sitúe en el carbono unido al grupo atrayente de electrones, que es una situación desfavorable. Los grupos aceptores orientan a meta. Las formas señaladas con un * son particularmente inestables. Así pues con sustituyentes desactivantes el ataque se produce preferentemente en meta ya que es el intermedio menos inestable, aunque la reacción sea desfavorable debido a que el anillo aromático está empobrecido electrónicamente, (la sustitución será más lenta que en el benceno). 3. Propiedades físicas y químicas del nitrobenceno y dinitrobenceno PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL NITROBENCENO * * * * * * * * * * *

Fórmula: PhNO2 = C6H5NO2 Masa molecular: 123,11 g/mol Punto de fusión: 5,7 °C Punto de ebullición: 210,85 °C Densidad: 1,19867 g/ml Punto de inflamación: 88 °C Densidad óptica: nD20 1,5513 - 1,5533 Nº CAS: 98-95-3 Solubilidad en agua: 1,9 g/l (20 °C); 2,1 g/l (25 °C) Umbral de percepción olfativa: 9,7 - 18,2 ppm Concentración máxima permitida en los lugares de trabajo: 1 ppm

PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS DEL DINITROBENCENO * Punto de ebullición: 300-303°C * Punto de fusión: 90°C * Densidad relativa (agua = 1): 1.6 * Solubilidad en agua: escasa * Presión de vapor, kPa a 20°C.<0.1 * Densidad relativa de vapor (aire = 1): 5.8 * Punto de inflamación: 149°C * Coeficiente de reparto octanol/agua como log Pow: 1.49 4. Técnicas de purificación del nitrobenceno y dinitrobenceno. En la destilación por arrastre con vapor de agua intervienen dos líquidos: el agua y la sustancia que se destila. Estos líquidos no suelen ser miscibles en todas las proporciones. En el caso límite, es decir, si los dos líquidos son totalmente insolubles el uno en el otro, la tensión de vapor de cada uno de ellos no estaría afectada por la presencia del otro. A la temperatura de ebullición de una mezcla de esta clase la suma de las tensiones de vapor de los dos compuestos debe ser igual a la altura barométrica (o sea a la presión atmosférica), puesto que suponemos que la mezcla está hirviendo. El punto de ebullición de esta mezcla será, pues, inferior al del compuesto de punto de ebullición más bajo, y bajo la misma presión, puesto que la presión parcial es forzosamente inferior a la presión total, que es igual a la altura barométrica. Se logra, pues, el mismo efecto que la destilación a presión reducida. El que una sustancia determinada destile o se arrastre más on menos de prisa en una corriente de vapor de agua, depende de la relación entre la tensión parcial y de la densidad de su vapor y las mismas constantes físicas del agua. Si denominamos P1 y P2 las presiones de vapor de la sustancia y del agua a la temperatura que hierve su mezcla, y D1 y D2 sus densidades de vapor, los pesos de sustancia y de agua que destilan estarán en la relación. Aplicaciones del Nitrobenceno Aproximadamente el 95% del nitrobenceno se utiliza para la producción de anilina, la cual es precursora del caucho sintético y en la elaboración de pesticidas , colorantes, explosivos y productos farmacéuticos. Aplicaciones especializadas El nitrobenceno es un compuesto de partida importante en la síntesis de diversos productos orgánicos, y aparte de la anilina, para sintetizar labenzidina, el trinitrobenceno, el ácido nitrobenzolsulfónico, la fucsina, la quinolina o fármacos como el acetoaminofeno. A veces se utiliza también como disolvente, por ejemplo de pinturas y otros materiales para enmascarar olores no placenteros, como

componente de lubricantes o como aditivo en explosivos. También en pulidores de zapatos y pisos, vendajes de piel, Antiguamente se utilizaba también redestilado con el nombre de "Aceite de mirbana" en formulaciones de perfumes baratos para jabones. Hoy estas aplicaciones están prohibidas debido a la elevada toxicidad y el peligro que supone para el medio ambiente. Un significativo mercado comercial para el nitrobenceno es su uso en la producción del analgésico paracetamol (también conocido como acetaminofén) (Mannsville 1991). El nitrobenceno es usado también en celdas de Kerr, debido a que tiene una inusualmente grande constante de Kerr. Mencione los usos más importantes del dinitrobenceno: Los usos más importantes de los compuestos nitrados son en la síntesis de alcaloides, anilinas, en la fabricación de colorantes, como disolventes en la industria del petróleo, explosivas, plastificantes, plásticas y como intermediarios de síntesis de reactivos químicos.

Mecanismo de Reacción

Desarrollo de la práctica

 

Colocar en el matraz balón 12 ml de HNO3 Poner el matraz en baño de hielo.



Agregar 12 ml de H2SO4 gota a gota controlando la temperatura (T= 20 o 25 °C) a T < 25°C



Adicionar por las paredes, con agitación constante por un tiempo t = 5 a 10 min.

 



Agitando constantemente por 5 a 10 min. Gota a gota. Se adapta el refrigerante a un matraz y se monta el equipo para calentar el matraz a baño maría.

Se sintetiza el dinitrobenceno a la temperatura de ebullición del baño maría por un tiempo de 30 minutos.





El producto es sólido.





Agregar 10 ml de Nitrobenceno controlando la temperatura (T = 30 a 40 °C) < 40 °C.

Se transfiere a un vaso de precipitado que contiene 50 ml de agua helada y se deja sumergido en un baño maría de hielo.





Después de terminar de agregar todo el H2SO4, agitar por 1 minuto la mezcla sulfonitrica.

Se filtra y se lava con agua fría el mdinitrobenceno.

Esperar que solidifique en el hielo.

2SO

Temperatura (°C)

Tiempo (min)

13

0

16

3:00

14

3:30

16

4:20

ratura

Reacción

18

5:20

Comenzó a calentarse

22

6:20

20

7:30

Solo faltaba por añadir 2 ml de H2SO4

18

9:00

Se acabó el H2SO4

15

10:00

Termino la adición del H2SO4 y se continúo agitando por 1 minuto y tuvo una temperatura final de 15 °C

Adición gota a gota de 10 ml de nitrobenceno controlando la temperatura. Con agitación de 5 a 10 minutos. Temperatura (°C)

Tiempo (min)

Reacción

12

1:00

Comenzó a desprender gas

14

2:00

Cambio de color a gris/café

11

3.00

9

4:00

Desprendió fuerte olor

9

6:00

14

8:00

6

9:00

9

10:00

Se notaron 2 fases la superior de color rojo y la inferior de gris.

Al final de la adición se notaron 2 fases la superior de color rojo/naranja y la inferior de color rosa/claro. Temperatura final de 9°C

Se adaptó el refrigerante al matraz y se montó el equipo para calentar el matraz en baño maría. Síntesis del dinitrobenceno a la temperatura de ebullición del agua en baño maría. Tiempo de 30 minutos. Temperatura (°C)

Tiempo (min)

Reacción

20

0

Comenzó en el matraz con 2 fases, al inicio comenzó a cambia de color y tomo un color naranja.

28

5:00

31

10:00

37

15:00

40

20:00

45

25:00

50

30:00

60

38:00

85

45:00

Posteriormente la mezcla de color naranja/café, la pasamos a un vaso con 50 ml de H2O helada. Se tornó de color verde limón en el matraz aun quedo resto de la solución, se le añadió agua helada y se notaron los cristales.

PARÁMETROS DE CONTROL DE LA PRÁCTICA •

Temperatura. No tiene una influencia directa sobre la orientación de los grupos -NO2, sin embargo, influye notablemente en la pureza del producto de reacción. Al elevar la temperatura se aumenta el grado de nitración. Cuando se han de nitrar compuestos fácilmente oxidabas, es muy importante mantener la temperatura lo suficientemente baja para evitar oxidaciones. En los compuestos aromáticos la temperatura interviene en la oxidación del nitrógeno.

•

Agitación. La reacción de nitración puede verificarse en fase ácida como en fase orgánica. Por emulsión puede conseguirse que cada fase esté siempre saturada de la otra y, en estas condiciones, la velocidad de reacción en cada fase es constante, aunque en la fase ácida es varias veces mayor que en la fase orgánica. La velocidad de reacción decrece rápidamente cuando la superficie de contacto entre las fases se reduce.

•

•

Solubilidad. Este factor nos indica la solubilidad de los nitroderivados en el ácido sulfúrico. A medida que aumenta la temperatura crece la solubilidad; ésta disminuye con la dilución del ácido. Puesto que los nitroderivados se disuelven mejor en el ácido sulfúrico más concentrado, empleando mezclas sulfonítricas con gran concentración de H2S04 se podrá llegar antes a un determinado grado de nitración. Datos térmicos referentes a la preparación y empleo de los nitroderivados.

La reacción esencial en la nitración se desarrolla con un gran desprendimiento de calor. El calor de nitración disminuye a medida que aumenta el número de grupos nitro introducido. El calor de formación tiende a un máximo para el segundo o tercer miembro de la serie, y luego disminuye. Cuanto más próximos están los grupos nitro en el anillo del benceno, mayor es la tensión intermolecular y más bajo el calor de formación.

CUADRO DE COMPARACIÓN Propiedades fisicoquímicas

HNO3

H2SO4

nitrobenceno

Edo. Físico y color

Liquido viscoso amarillento

Líquido aceitoso incoloro

Liquido aceitoso amarillento

Peso molecular

63,01 g/mol

98,08 g/mol

123,1094 g/mol

Punto de fusión

231 K (-42

)

283 K (10

Densidad 1512,9 kg/m3; 1,5129 g/cm3 Punto de ebullición

356 K (83

)

)

278,85 K (6

1840 kg/m3 1,83 g/cm3

610 K (337

)

1199 kg/m3 1,199 g/cm3

)

484 K (211

)

COSTOS Y BENEFICIOS En esta práctica el costo fue mínimo, ya que el material nos lo proporcionaron al igual que los reactivos. Solo compramos 1 bolsa de hielo por todo el grupo. Material 1 matraz de balón de 250 ml 1 probetas 1 termómetro 1 refrigerante 1 parrilla eléctrica 3 vasos de precipitado 2 pinza de tres dedos 2 pinza de nuez 1 embudo 1 espátula 1 agitador 1 balde para agua 1 bomba por dos equipos H2SO4 HNO3 Nitrobenceno BENEFICIOS El nitrobenceno es un compuesto de partida importante en la síntesis de diversos productos orgánicos, y aparte de la anilina, para sintetizar la benzidina, el trinitrobenceno, el ácido nitrobenzolsulfónico, la fucsina, la quinolina o fármacos como el acetoaminofeno. El dinitrobenceno se utiliza en la síntesis de productos orgánicos, fabricación de tintes, componente de explosivos, plastificante, etc. USOS Y APLICACIÓNES

Síntesis de productos orgánicos, fabricación de tintes, componente de explosivos, plastificante, etc. Son agentes oxidantes fuertes, explosivos y muy poco solubles en agua.

CUESTIONARIO Propiedades físicas

Reactivos HNO3

Edo. Físico y color

Peso molecular

Liquido viscoso amarillento 63,01 g/mol

Punto de fusión

231 K (-42

Solubilidad

toxicidad

Pr...