¡Descarga Mecanismo de reacciones de sustitución electrofílica aromática: acetilación y nitración y más Ejercicios en PDF de Química Orgánica solo en Docsity!
Nombre: Morales Jimenez Magdalena Esther
UNIVERSIDAD CATÓLICA
BOLIVIANA “SAN PABLO”
FACULTAD DE INGENIERÍA
Carrera: Ingeniería Química
Materia
QMC-004 Laboratorio de Química
Orgánica
Fecha de
realización
Paralelo: 1 Horario 18:00 – 19:
Fecha de
entrega
LABORATORIO 2
OBTENCIÓN DE DERIVADOS DEL BENCENO
1. OBJETIVOS
a. OBJETIVO GENERAL
▪ Obtener derivados del benceno mediante reacciones específicas.
b. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
▪ Sintetizar acetanilina por medio de la acetilación de la anilina.
▪ Sintetizar p-nitroacetanilida mediante la nitración de la acetanilina.
▪ Determinar el mecanismo de reacción de las reacciones de sustitución electrofílicas realizadas.
▪ Calcular teóricamente la cantidad de producto obtenido de cada síntesis realizada analizando
estequiométricamente las reacciones ocurridas.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Inicialmente, la palabra “Aromático” era aplicada a sustancias que se caracterizaban por su agradable olor.
Actualmente, esta palabra describe al benceno, sus derivados y a aquellos compuestos que exhiben
propiedades químicas semejantes. (Whitten, 2014)
Existe la idea de que, si un compuesto es utilizado para producir un determinado producto químico, los
riesgos asociados con ella se mantienen, es decir, siguen siendo los mismos. El benceno presenta
propiedades cancerígenas, lo que hace pensar que sus derivados también cuenten con estas. Sin embargo,
esto no sucede ya que, cuando se hace reaccionar benceno para producir diferentes derivados, deja de ser
benceno, y, por lo tanto, las propiedades químicas de los derivados obtenidos suelen ser a menudo
completamente diferentes. (Diaz, 2017)
En este sentido, las reacciones más características del benceno y sus derivados son las de adición y
sustitución. Con relación a las reacciones de adición se tiene, por ejemplo, la adición de hidrógeno, cloro o
bromo formando ciclohexano, hexaclorociclohexano y hexabromociclohexano, respectivamente. (Sevilla,
- Las reacciones de sustitución pueden seguir tres caminos, electrofílico, nucleofílico y de radicales
libres, donde, el primer camino es el más común entre las reacciones aromáticas, las cuales se basan en la
polarización del núcleo bencénico de los compuestos que produce su capacidad de actuar como dadores de
electrones. (Rentería, 2014)
Sustitución electrofílica aromática
La estabilidad especial del sistema de electrones pi de los compuestos aromáticos disminuye la
susceptibilidad de que se lleve a cabo un ataque de los reactivos electrofílicos al compuesto aromático. Es
por esto que los electrófilos débiles que suelen reaccionar efectivamente con los alquenos no lo hacen con
los compuestos aromáticos en similares condiciones. Entonces, se considera factible aumentar el carácter
electrofílico de un reactivo potencial del mismo tipo al usar como catalizador un ácido de Lewis que
reacciona con la porción nucleofílica del reactivo, eliminando con él al par de electrones. La porción
electrofílica de la molécula queda sin el par de electrones usados en la unión con la porción nucleofílica de
la molécula y por ello, el carácter electrofílico es mayor que en la molécula original en la que no se utilizaba
un catalizador. (Oullete, 1973)
En este sentido, es necesario definir lo que es un ácido y base de Lewis. Un ácido de Lewis es toda especie
que puede aceptar en forma compartida un par de electrones, y una base de Lewis es toda especie que puede
compartir o donar uno o más pares de electrones no compartidos. (Whitten, 2014)
En todas las reacciones de sustitución electrofílica aromática, el tipo de catalizador y la temperatura
necesarias se encuentran en función de la reactividad del compuesto aromático. (Oullete, 1973)
Entonces, a continuación, se definirán dos de las reacciones de sustitución electrofílica aromática utilizadas
en la presente práctica: acetilación y nitración.
Acetilación
La acetilación es una reacción química que describe la introducción de un grupo funcional del acetilo en un
compuso químicos. Este proceso da lugar a la formación de un grupo acetoxy, que implica la sustitución
de un grupo del acetilo por un grupo de hidrógeno activo. (Mandal, 2019)
En la presente práctica se realiza la acetilación a anilina, la cual es una molécula de benceno que cuenta
con un grupo amino (-NH2) que se encuentra unido a ella, es un aceite incoloro, pero puede oscurecerse
con la exposición a la luz, generalmente es utilizada para hacer tintes y productos farmacéuticos. (Diaz,
Ilustración 1 : Acetilación de aminas
Tabla 3.1: Materiales y reactivos
MATERIALES REACTIVOS
N NOMBRE N NOMBRE FÓRMULA
1 Probetas 1 Ácido acético glacial CH 3
COOH
2 Balón 2 Anhídrido acético C 4
H
6
O
3
3 Mechero 3 Anilina C 6
H
5
NH
2
4 Soporte universal 4 Ácido sulfúrico H 2
SO
4
5 Pinzas dos dedos 5 Ácido nítrico fumante HNO 3
(+NO
2
6 Cubetas 6 Agua destilada H 2
O
7 Vasos precipitados 7 Alcohol metílico CH 3
OH
8 Varilla de vidrio
9 Pizeta
10 Embudo Buchner
11 Matraz Erlenmeyer
12 Espátula
13 Papel filtro
14 Gotero
15 Hornilla
16 Embudo
17 Gradilla
En la Tabla 3.1: Materiales y Reactivos, se mencionan detalladamente los materiales y reactivos utilizados en el
procedimiento experimental. Se tienen cinco columnas, las primeras dos columnas se destinan a detallar los materiales
y las últimas tres a los reactivos. La primera columna corresponde al número de materiales. La segunda columna
indica el nombre de dicho material. La tercera columna corresponde al número de reactivos. La cuarta columna indica
el nombre del reactivo utilizado. Por último, la quinta columna indica la fórmula química de dicho reactivo.
Sobre la base de la utilización de los materiales y reactivos mencionados, se procede a detallar el
procedimiento experimental a partir de cuatro esquemas enumerados que explican cada uno de los
procedimientos realizados.
a este, dejando al carbón como carbocatión, entonces, el
oxígeno cargado negativamente se une con el carbocatión
formando un enlace doble, formando de esta manera
acetanilida. Al mismo tiempo, el oxígeno que se separó de
la molécula cargado negativamente) abstrae el hidrógeno
que se encontraba enlazado al nitrógeno y se forma el ácido
acético.
C 8
H 9
NO+H 2
SO 4
+HNO 3
→ (p)-C 8
H 8
N 2
O 3
+ (o)-C 8
H 8
N 2
O 3
Acetanilida+Ácido sulfúrico+Ácido nítrico → p-nitriacetanilida+o-nitroacetanilida
La acetanilida que se produce en la anterior reacción
mediante la acetilación de la anilina con anhídrido acético,
se nitra utilizando una mezcla nitrante que consiste en
ácido nítrico concentrado y ácido sulfúrico concentrado,
para así formar p-nitroacetanilida, el cual corresponde al
producto principal de la reacción. Además, se produce
como producto secundario o-nitroacetanilida. Para separar
ambos productos, se recristaliza el producto en etanol, de
tal manera que, siendo la o-nitroacetanilida soluble en
etanol, se separe la p-nitroacetanilida de manera sencilla
por medio de una filtración.
Esta reacción que se lleva a cabo se conoce como nitración
que corresponde a una sustitución electrofílica aromática,
en la cual, el ion nitronio generado por la reacción del ácido
nítrico y sulfúrico (por protonación y pérdida de agua), que,
al reaccionar con la acetanilina pierde un protón y se
generan los productos ya mencionados.
En la Tabla 4.1: Tabla de datos se tiene el registro que se realizó del desarrollo del procedimiento experimental. Se
tienen tres columnas. La primera columna corresponde al nombre de la prueba realizada. La segunda columna muestra
la captura de los resultados obtenidos. Por último, la tercera columna describe las observaciones realizadas en cada
prueba.
5. RESULTADOS OBTENIDOS
Con relación a los resultados obtenidos en el desarrollo de la práctica, estos se detallan a continuación para
cada una de las síntesis realizadas.
p
nitroacetanilida
Síntesis de Acetanilida
La acetilación de la anilina dio como resultado la síntesis de la acetanilida, sobre la base de la reacción de
la anilina con anhídrido acético utilizando al ácido acético como catalizador, esta reacción se puede dividir
en las siguientes etapas.
En la primera etapa se da la protonación del grupo carbonilo del anhídrido acético. Como se mencionó
previamente, la reacción se lleva a cabo con el ácido acético como catalizador, entonces, en una etapa
inicial, este catalizador actúa con en anhídrido acético. Debido a la electronegatividad alta del oxígeno
frente al hidrógeno en la molécula de ácido acético, el oxígeno le quita el electrón de enlace al hidrógeno,
quedando el oxígeno con una carga negativa por tener un electrón de más, y, el hidrógeno, al tener una
carga positiva por perder su electrón, es abstraído por la carga negativa de los pares de electrones del
oxígeno del anhídrido acético, como se observa en la Ilustración 3.
De esta manera, se forman dos moléculas cargadas positiva y negativamente que actúan en diferentes etapas
de la reacción de acetilación. Donde, la molécula cargada positivamente actúa en la segunda y tercera etapa,
y la cargada negativamente actúa en la cuarta.
Ilustración 3 : Primera etapa de la acetilación de la anilina
En la segunda etapa sucede la adición del nucleófilo. Donde, el grupo - NH 2
de la amina, al tener un par de
electrones libres, se comporta como un nucleófilo, y el grupo acilo CH3CO- del anhídrido acético se
comporta como un electrófilo tras cargarse uno de sus carbonos positivamente luego de que el oxígeno
unido al carbono por doble enlace abstraiga el electrón del doble enlace. De tal manera que la carga negativa
del nitrógeno de la anilina atraiga a la carga positiva del carbono del anhídrido acético y se de la adición
del nucleófilo dejando al nitrógeno con carga positiva al tener cuatro enlaces, como se observa en la
Ilustración 4.
En la cuarta etapa sucede la pérdida de un protón. En esta etapa, reacciona la molécula formada en la
anterior etapa con el ácido acético desprotonado que se forma en la primera etapa. Entonces, inicialmente,
el oxígeno que se encuentra cargado positivamente en la molécula formada en la tercera etapa, al ser más
electronegativo que el hidrógeno al que se encuentra enlazado, quita el electrón de enlace a este
compensando su carga negativa y volviendo a tener sus dos pares de electrones. Mientras tanto, la carga
negativa del ácido acético desprotonado, en busca de estabilidad, abstrae al hidrógeno eliminado de la otra
molécula.
De este modo, ambas moléculas se encuentran sin cargas ni positiva ni negativa, de forma que ambas son
estables, correspondiendo estas al ácido acético y a la acetanilida.
Ilustración 6 : Cuarta etapa de la acetilación de la anilina
Entonces, sobre la base de estas cuatro etapas de la reacción de acetilación de la anilina se obtiene
experimentalmente en el simulador la acetanilida. Donde, para recoger el producto principal, que
corresponde a pequeños cristales de acetanilida, se realiza la respectiva filtración de la mezcla obtenida
separando así la parte sólida (los cristales de acetanilida) y la parte líquida (ácido acético) del producto.
En este sentido, se procede a calcular la cantidad de acetanilida producida sobre la base de la siguiente
ecuación química que resume la síntesis de la misma.
C
6
H
5
NH
2
+ C
4
H
6
O
3
→ C
8
H
9
NO + CH3COOH (1)
Inicialmente, se procede a determinar el reactivo limitante conociendo que se tienen 10 mL de anilina cuya
masa molar corresponde a 93.13 g/mol, con una densidad de 1.02 g/mL y %p/p igual a 100%, 10 mL de
anhídrido acético cuya masa molar es de 102.09 g/mol con una densidad de 1.083 g/mL y %p/p igual a 99%
y que la masa molar de la acetanilida es de 135.15 g/mol.
Con relación al volumen necesario de anhídrido acético para gastar 10 mL de anilina bajo las condiciones
propuestas se tiene.
10 mL (an imp. ) ×
- 02 g
an imp.
1 mL
an imp.
×
100 g
an p
100g
an imp.
×
102 .09g
anh p.
93 .3g
an p.
×
100 g
anh imp
99g
anh p.
×
1 mL (anh imp)
1 .083g (anh imp. )
= 10. 409 mL (anh imp. )
Se tiene entonces que para gastar completamente ese volumen de anilina se necesitan 10.409 mL de
anhídrido acético impuro, es decir, sacado del frasco comercial. Ya que no se cuenta con este volumen de
dicho reactivo, se deduce que la anilina no corresponde al reactivo limitante. Para confirmar que el
anhídrido acético es el reactivo limitante se realiza el mismo análisis para este reactivo, buscando el
volumen de anilina necesario para consumir completamente los 10 mL de anhídrido acético que se tienen.
10 mL
anh imp.
×
- 083 g (anh imp. )
1 mL (anh imp. )
×
99 g (anh p)
100g (anh imp. )
×
93 .3g (an p. )
102 .09g(anh p. )
×
100 g (an imp)
100g (an p. )
×
1 mL
an imp
1 .02g
an imp.
= 9. 606 mL (an imp. )
De esta manera, se determina que el volumen necesario para consumir completamente los 10 mL de
anhídrido acético se necesitan 9.606 mL de anilina que corresponde a un volumen menor del que se cuenta
de este reactivo. Por lo tanto, el reactivo limitante corresponde al anhídrido acético y el reactivo en exceso
a la anilina.
Entonces, se calculó ahora la cantidad de acetanilida producida a partir del reactivo limitante, del anhídrido
acético de la siguiente manera.
10 mL (anh imp. ) ×
- 083 g (anh imp. )
1 mL
anh imp.
×
99 g (anh p)
100g
anh imp.
×
137 .17g (acet p. )
102 .09g
anh p.
= 14 .406g(acet p. )
Produciendo entonces, de manera teórica, 14.406 gramos de acetanilida aplicando la acetilación a la anilina.
Síntesis de p-Nitroacetanilida
El proceso de nitración de la acetanilida dio como resultado la síntesis de p-Nitroacetanilida., sobre la base
de la reacción de la acetanilida con el ion nitronio con la utilización de una mezcla de ácido nítrico con
ácido sulfúrico (mezcla nitrante) como catalizadora de la reacción. Donde, la acetanilida utilizada es la
producida en la reacción de acetilación de la anilina.
En este sentido, la reacción se lleva a cabo sobre la base de las siguientes etapas.
En la primera etapa se forma el electrófilo, es decir, el ion nitronio, sucediendo la reacción entre el ácido
nítrico y el ácido sulfúrico de la mezcla nitrante. En esta, el oxígeno del ácido sulfúrico, al ser más
electronegativo que el hidrógeno al que está enlazado, quita el electrón del enlace del hidrógeno, quedando
el oxígeno cargando negativamente al tener un electrón de más y el hidrógeno se carga positivamente al
perder su electrón. Entonces, la carga negativa del oxígeno del ácido nítrico que cuenta con sus pares de
electrones, abstrae el protón eliminado del ácido sulfúrico, de tal manera que se protona el ácido nítrico
quedando este oxígeno con una carga positiva al tener tres enlaces simples.
En la tercera etapa , continuando con la sustitución electrofílica aromática, sucede la formación de un
complejo sigma, en el cual el anillo bencénico intenta estabilizarse realizando un movimiento de electrones
que produce al mismo tiempo el movimiento de sus dobles enlaces incluyendo el movimiento electrónico
al nitrógeno, dando como resultado un complejo sigma con la carga positiva en la posición 5 del anillo
bencénico, tal como se muestra en la Ilustración 9.
Ilustración 9 : Tercera etapa de la nitración de la acetanilida
En la cuarta etapa, terminando con la sustitución electrofílica aromática, sucede la pérdida del protón que
deriva en la formación de la p-nitroacetanilida. En esta etapa, se trata el complejo sigma anterior con agua,
la cual abstrae el protón que es eliminado de la molécula aromática cuando el carbono, al ser más
electronegativo que el hidrógeno se queda con sus electrones de enlace en búsqueda de estabilidad al tener
una carga positiva, entonces, el electrón que se quita al hidrógeno forma un doble enlace en la misma
posición de tal manera que se estabiliza la molécula que corresponde a la p-nitroacetanilida y se forma
además el ion hidronio cargado positivamente, tal cual se observa en la Ilustración 10.
Ilustración 10 : Cuarta etapa de la nitración de la acetanilida
Entonces, sobre la base de estas cuatro etapas de la nitración de la acetanilida, se sintetiza la p-
nitroacetanilida en forma de cristales. De alguna manera, generalmente se forma también o-nitroacetanilida,
la cual se separa del producto principal (cristales de p-nitroacetanilida) por medio de su dilución en alcohol
metílico.
A continuación, se procede a determinar teóricamente la cantidad de p-Nitroacetanilida obtenida en la
presente síntesis sobre la base de la siguiente ecuación química que resume la reacción llevada a cabo.
C
8
H
9
NO + H
2
SO
4
+ HNO
3
→ C
8
H
8
N
2
O
3
+ HSO
4
-
+ H
3
O
+
Debido a que no se cuentan con datos sobre la concentración ni cantidad usada tanto del ácido sulfúrico
como del nítrico, se supone que la acetanilida corresponde al reactivo limitante. Por lo tanto, se procede a
determinar la cantidad de p-Nitroacetanilida obtenida a partir de los 5 g de acetanilida participantes en la
síntesis para que esta masa sea consumida completamente, además se supone 100% de pureza en el reactivo
utilizado, sabiendo que la masa molar de la p-nitroacetanilida es de 180.16 g/mol.
5 g
acet imp
×
100 g (acet p. )
100 g (acet imp. )
×
16 g (p − nit p. )
17 g (acet p. )
= 6. 567 g (p − nit p. )
Teniendo entonces, que, para el consumo total de 5 gramos de acetanilida en la síntesis de p-Nitroacetanilida
se obtienen 6.567 g de esta última.
6. CONCLUSIONES
Sobre la base de los resultados obtenidos en la presente práctica, se determina el cumplimiento de los
objetivos planteados bajo los siguientes criterios.
Se logró obtener derivados bencénicos mediante reacciones de sustitución electrofílica aromática, siendo
estas, reacciones de acetilación y de nitración.
En este sentido, se obtuvo de manera experimental acetanilida y p-Nitroacetanilida por medio de la
acetilación de anilina y la nitración de acetanilida, respectivamente. Determinando de esta manera de
eficiencia de ambas reacciones (nitración y acetilación) al obtener exitosamente derivados bencénicos.
De esta manera de logra determinar el mecanismo desarrollado de cada una de las reacciones de síntesis de
los derivados bencénicos analizando el movimiento electrónico y atómico de las moléculas participantes en
las reacciones.
Finalmente, se calcula teóricamente la cantidad de producto obtenido de ambas síntesis realizadas,
determinando que se obtuvo 14.406 gramos de acetanilida y 6.567 gramos de p-Nitroacetanilida, logrando
analizar estequiométrica y teóricamente las reacciones que se llevaron a cabo.
Concluyendo de esta manera en que la obtención de derivados del benceno es posible por medio de
reacciones específicas en determinadas condiciones tato químicas como físicas, como ser reactividad y
solubilidad respectivamente.
cuenta de este reactivo. Por lo tanto, el reactivo limitante corresponde al anhídrido acético y el reactivo
en exceso a la anilina.
- Determine de forma teórica la cantidad máxima de acetanilida que obtendrá
usando los reactivos de partida.
Entonces, se calculó ahora la cantidad de acetanilida producida a partir del reactivo limitante, del
anhídrido acético de la siguiente manera.
10 mL
anh imp.
×
- 083 g (anh imp. )
1 mL (anh imp. )
×
99 g (anh p)
100g (anh imp. )
×
137 .17g (acet p. )
102 .09g(anh p. )
= 14 .406g(acet p. )
- Calcule el rendimiento de la acetanilida obtenido en la práctica de
laboratorio.
Teniendo un valor real de acetanilida obtenida de 1.25 gramos de los cristales, y un valor real de 14.
gramos, se calcula el rendimiento de la siguiente manera.
n =
m
real
m
teórica
× 100%
n =
× 100% = 8 .861%
Se determina de esta manera un rendimiento de la acetilación de 8.861%.
- Indique la función de cada uno de los reactivos utilizados en la síntesis de la
p-nitroacetanilida.
Los reactivos utilizados en la síntesis de la p-nitroacetanilida son la acetanilida, el ácido sulfúrico y el ácido
nítrico. Donde, el ácido nítrico y el ácido sulfúrico reaccionan para formar el ion nitronio el cual cumple la
función de electrófilo al tener una carga positiva y buscar un electrón para estabilizarse. En este sentido, la
acetanilida cumple la función de nucleófilo al cargarse negativamente y así unirse al electrófilo, que tras
varios movimientos electrónicos y su respectiva desprotonación forma a la p-Nitracetanilida.
d. Señale la diferencia que existe entre la filtración por gravedad y la filtración al vacío.
Indique además la utilidad de estas técnicas en simulador.
La filtración es el procedimiento por el cual se realiza la separación de un sólido que se encuentra en
suspensión líquida. En este sentido, se tienen la filtración por gravedad y filtración al vacío. Donde, la
filtración por gravedad se utiliza cuando es de interés conservar un líquido que se quiere separar del sólido,
entonces, el sólido que no representa interés, se retiene en el papel filtro y se recupera la disolución. Por
otro lado, la filtración al vacío es empleada para separar un sólido suspendido en un disolvente cuando lo
que se desea de la mezcla es el sólido.
En el simulador se utilizan estas técnicas para separar el producto deseado en las diferentes etapas de la
reacción, como por ejemplo la separación de la fase líquida en las precipitaciones obtenidas, o al final de
ambas síntesis, en las que se separan los cristales de la fase líquida del producto.
e. La p-nitroacetanilida es importante en la industria.
- Considerando la hoja de seguridad de este compuesto orgánico, ¿cómo
manipularía a los cristales que se obtuvieron en este laboratorio?
Sobre la base de la información proporcionada por la hoja de seguridad de dicho compuesto orgánico, se
tiene una alta toxicidad oral, cutánea y por inhalación, además de presentar riesgo ambiental para el medio
acuático.
En este sentido, se debe evitar el riesgo mencionado con el uso de una bata de laboratorio que evite el
contacto con partes vitales del cuerpo, además de gafas, guantes y máscara de protección. De preferencia,
no tener contacto directo con el compuesto, es decir, manipularlo con instrumentaría de laboratorio
debidamente aseado, como ser una espátula o cucharilla, pero no con las manos a pesar de llevar guantes
de protección.
De la misma manera, se debe tener precaución con la eliminación del compuesto, debido a su riesgo
ambiental, buscando neutralizarlo antes de desecharlo u otro método de eliminar o disminuir su riesgo.
- ¿Cuáles son las aplicaciones de la p-nitroacetanilida en la industria química y
farmacéutica?
En la industria química, la p-nitroacetanilida se utiliza como intermediario para la síntesis de una variedad
de colorantes y textiles o como colorantes en la industria alimenticia, entre otros.
En la industria farmacéutica, generalmente se lo utiliza como analgésico debido a sus propiedades como
amina.
También se emplea en disolventes, explosivos, perfumes, materiales colorantes, especialmente
amarillos, y como materia prima de síntesis muy importante para preparar colorantes azoicos.
8. BIBLIOGRAFÍA
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Mandal, A. (2019). ¿Qué es acetilación? Obtenido de News Medical LIfe Sciences: https://www.news-
medical.net/health/What-is-Acetylation-(Spanish).aspx
Oullete, R. (1973). Introducción a la Química Orgánica. En R. Oullete, Introducción a la Química
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