sintesis de p-nitroacetanilida, Guías, Proyectos, Investigaciones de Química Orgánica

¡Descarga sintesis de p-nitroacetanilida y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Química Orgánica solo en Docsity! Universidad Rafael Landívar Facultad de Ingeniería Ingeniería Química Laboratorio de Análisis Químico II, Sección 02 Catedrático: Salazar Vanegas, Max Roberto Auxiliar: Cesia Bolaños PRÁCTICA No.04 (PARTE A) “SÍNTESIS DE p-NITROACETANILIDA” Morales Ramos, Amada Valentina 1019922 Guatemala,09 de septiembre del 2023 1 INDICE I. INTRODUCCIÓN..................................................................................................................3 II. FUNDAMENTO TEÓRICO...................................................................................................4 1. GRUPO AMINO.............................................................................................................4 2. REACCIÓN DE SUSTITUCIÓN ELECTROFÍLICA AROMATICA..................................5 3. SUSTITUYENTES ACTIVANTES Y DESACTIVANTES................................................5 4. HIDROLISIS EN MEDIO ÁCIDO...................................................................................5 5. DISOLVENTES PROTICOS Y APROTICOS.................................................................6 6. SÍNTESIS DE P-NITROACETANILIDA.........................................................................6 7. SUBSPRODUCTOS DE LA SÍNTESIS DE P-NITROACETANILIDA.............................6 8. IMPORTANCIA DE LA P-NITROACETANILIDA EN LA INDUSTRIA............................6 9. FILTRACIÓN AL VACÍO................................................................................................7 10. CRISTALIZACIÓN.....................................................................................................7 III. TRANSFORMACIONES FISICOQUÍMICAS.....................................................................7 IV. SISTEMAS Y EQUIPOS A UTILIZAR...............................................................................8 V. OBJETIVOS.......................................................................................................................12 OBJETIVO GENERAL...........................................................................................................12 OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................................................................12 VI. METODOLOGÍA.............................................................................................................13 I. DIAGRAMAS DE FLUJO................................................................................................14 II. TABLAS SOBRE FICHAS DE SEGURIDAD...................................................................16 VII. REACCIONES Y MECANISMOS....................................................................................19 VIII. PREGUNTAS PRE-LABORATORIO...............................................................................23 IX. REFERENCIAS..............................................................................................................25 2  DESACTIVANTES Los sustituyentes desactivantes son aquellos que disminuyen la densidad electrónica del anillo, lo que hace que el anillo sea menos reactivo. Los sustituyentes desactivantes también se dividen en dos subgrupos: desactivantes débiles y desactivantes fuertes. Los desactivantes débiles son aquellos que disminuyen la densidad electrónica del anillo por efecto inductivo, como los halógenos (-F, -Cl, -Br, -I). Los desactivantes fuertes son aquellos que disminuyen la densidad electrónica del anillo por efecto resonante, como los grupos con enlaces múltiples sobre el átomo que se une al anillo (-CHO, -CO2H, SO3H, -NO2). (Fernández, 2009) 4. HIDROLISIS EN MEDIO ÁCIDO La hidrólisis es una reacción química en la que una molécula de agua se divide y se une a otra sustancia, rompiendo uno o más enlaces químicos. La hidrólisis puede ser catalizada por un ácido o una base, y se clasifica según el tipo de sustancia que se hidroliza. En la hidrólisis ácida, un ácido prótico cataliza la escisión de un enlace químico a través de una reacción de sustitución nucleófila, con la adición de agua. En la hidrólisis ácida de ésteres, los ésteres se hidrolizan en medios acuosos, bajo catálisis ácida, para rendir ácidos carboxílicos y alcoholes. (Santana, 2020) 5. DISOLVENTES PROTICOS Y APROTICOS Los disolventes proticos son aquellos que tienen un átomo de hidrógeno unido a un átomo altamente electronegativo, como el oxígeno o el nitrógeno. Estos disolventes tienen la capacidad de formar enlaces de hidrógeno con solutos que contienen grupos funcionales polares, como hidroxilos y aminas. Algunos ejemplos de disolventes proticos son el agua, el metanol y el ácido acético. (Cordova, 2019) Por otro lado, los disolventes aproticos son aquellos que no tienen un átomo de hidrógeno unido a un átomo altamente electronegativo. Estos disolventes no pueden formar enlaces de hidrógeno con solutos polares, pero pueden interactuar con ellos mediante fuerzas dipolo- dipolo y fuerzas de dispersión de London. Algunos ejemplos de disolventes aproticos son la acetona, el dimetilformamida y el tetrahidrofurano. (Cordova, 2019) 6. SÍNTESIS DE P-NITROACETANILIDA En la síntesis de la p-nitroacetanilida, se lleva a cabo una nitroación de la acetanilida con ácido nítrico y ácido sulfúrico, para obtener p-nitroacetanilida. En la segunda etapa, se realiza la hidrólisis ácida de la p-nitroacetanilida para obtener p-nitroanilina. La nitroación es una reacción química en la que un grupo nitro (-NO2) se introduce en una molécula orgánica. (Pérez, 2018) En este caso, el grupo nitro se introduce en la posición para del anillo aromático de la acetanilida. La reacción se lleva a cabo en presencia de ácido sulfúrico y ácido nítrico, que actúan como catalizadores. El ácido sulfúrico actúa como un ácido de Lewis, lo que significa que puede aceptar un par de electrones de un electrófilo. El ácido nítrico actúa como fuente de iones nitronio (NO2+), que es el electrófilo en esta reacción. El electrófilo ataca al anillo aromático de la acetanilida, formando un intermediario arenio. El intermediario arenio se protona para formar el producto final, p-nitroacetanilida. (Pérez, 2018) En la segunda etapa, se realiza la hidrólisis ácida de la p-nitroacetanilida para obtener p- nitroanilina. La hidrólisis es una reacción química en la que una molécula de agua se divide y se une a otra sustancia, rompiendo uno o más enlaces químicos. En este caso, la hidrólisis se lleva a cabo en presencia de un ácido fuerte, como el ácido clorhídrico. El ácido clorhídrico 5 cataliza la escisión del grupo acetamido (-NHCOCH3) del anillo aromático de la p- nitroacetanilida. El resultado es la formación de p-nitroanilina y ácido acético. (Pérez, 2018) 7. SUBSPRODUCTOS DE LA SÍNTESIS DE P-NITROACETANILIDA En la síntesis de la p-nitroacetanilida, se pueden formar algunos subproductos no deseados. Uno de los subproductos más comunes es la o-nitroacetanilida, que se forma cuando el grupo nitro (-NO2) se introduce en la posición orto del anillo aromático de la acetanilida en lugar de la posición para. La o-nitroacetanilida se forma debido a que el intermediario arenio puede reordenarse para formar una estructura más estable, que es la o-nitroacetanilida. (Pérez, 2018) Otro subproducto que se puede formar es la p-dinitroacetanilida, que se forma cuando se produce una segunda nitroación en la posición para del anillo aromático de la p-nitroacetanilida. La p-dinitroacetanilida es un compuesto cristalino amarillo que tiene un punto de fusión de 240- 242°C. (Pérez, 2018) 8. IMPORTANCIA DE LA P-NITROACETANILIDA EN LA INDUSTRIA La p-nitroacetanilida es un compuesto orgánico que se utiliza en la industria para la síntesis de otros compuestos orgánicos, como la p-nitroanilina y el ácido p-aminobenzoico . La p- nitroanilina se utiliza en la producción de colorantes, productos farmacéuticos y pesticidas. El ácido p-aminobenzoico se utiliza en la producción de productos farmacéuticos, como anestésicos locales y protectores solares. (Ordoñez, 2020) 9. FILTRACIÓN AL VACÍO La filtración al vacío se usa para eliminar contaminantes de líquidos y gases, y se puede usar para purificar el aire y el agua. El proceso funciona mediante el uso de vacío para extraer el líquido o gas contaminado a través de un filtro, que separa y elimina los contaminantes cuando lo que se quiere recuperar es el sólido. (Vacuum, 2022) 10. CRISTALIZACIÓN La cristalización es un método de separación en el que se produce la formación de un sólido (cristal o precipitado). Los cristales se forman a partir de una disolución cuando se evapora el disolvente. También se forman a partir de un fundido cuando se enfría el líquido, y a partir de un vapor invisible y cálido cuando éste entra en contacto con una superficie más fría. El sólido formado puede llegar a ser muy puro, por lo que la cristalización también se emplea a nivel industrial como proceso de purificación. (IUCR, 2001) 6 III. TRANSFORMACIONES FISICOQUÍMICAS Tabla No.01 Cambios fisicoquímicos de la práctica. PROCEDIMIENTO TIPO DE CAMBIO FISICO/QUIMICO/FISICOQUIMICO  Acetanilida +ácido acético en estufa eléctrica Cambio físico, debido a que se disuelve la acetanilida por medio del calor provocado por la estufa eléctrica.  Ácido nítrico + ácido sulfúrico Cambio químico, ya que el ácido sulfúrico permite que la reacción se acelere y se lleve a cabo en menores temperaturas, provocando la reacción de sustitución electrofílica aromática creando un ion nitronio.  Cristalización de la p-nitroacetanilida. Es un cambio físico-químico, ya que, mediante el tiempo que la solución se enfrié y con la agitación, comenzara a formar cristales, lo que significa que es un cambio físico. Fuente: (Elaboración propia con base en el manual de Química Orgánica II, 2023) 7 Sistema de filtración por succión o al vacío, diagrama y consideraciones. SISTEMA DE FILTRACIÓN POR SUCCIÓN O AL VACÍO Figura No.03-Fuente: (Novachem, 2020) CONSIDERACIONES DEL EQUIPO Funcionamiento: La solución se coloca en un recipiente con un papel de filtro colocado encima. Luego, el contenedor se coloca en una bomba de vacío que succiona el aire del contenedor, creando un vacío. Este vacío extrae las impurezas de la solución y las deposita en el papel filtro. Consideraciones antes del uso:  No seque con tela, ya que esto deja fibras o pelusas en las superficies.  Antes y después de su uso se debe de lavar la cristalería.  Asegurarse de realizar un correcto lavado para asegurar los resultados.  Revisar que todas las partes del sistema se encuentren completas. Consideraciones de operación:  Colocar la unidad sobre una superficie plana.  Verificar que la cristalería esté lavada y seca previamente a su uso.  Comprobar que las partes que conforman el sistema estén seguras y no se muevan de posición. Fuente: (Elaboración propia con base en el manual de Química Orgánica II, 2023) Tabla No. 05 10 Kitasato Pinza 3 dedos Pie universal Embudo Buchner con tapón Manguera de vacío Papel filtro Bomba de vacío Sistema de aparato de determinación de punto de fusión, diagrama y consideraciones. APARATO DE DETERMINACIÓN DE PUNTO DE FUSIÓN Figura No.04-Fuente: (UNAM, 2017) CONSIDERACIONES DEL EQUIPO Funcionamiento: La muestra se coloca en un cubreobjetos en la depresión de la placa metálica. La temperatura se regula por medio de un regulador de potencia y la fusión del compuesto se observa con la ayuda de una lente de aumento (lupa) iluminada. Consideraciones antes del uso:  Asegurarse de que la muestra esté completamente seca.  Reportar todas las observaciones que se aprecien durante la determinación, si cambia de color, si se descompone, si funde en un intervalo de temperaturas, etc.  Hacer una primera medición de la temperatura de fusión del compuesto con un calentamiento rápido, para conocer el punto de fusión aproximado.  Realizar una segunda medición con un calentamiento lento, cuando se esté aproximando al punto de fusión determinado (en el caso de que el punto de fusión sea elevado). Consideraciones de operación:  Colocar la unidad sobre una superficie plana.  Nunca inserte un termómetro de temperatura ambiente en un Aparato de punto de fusión caliente.  No caliente Aparato de punto de fusión más allá de la temperatura superior del termómetro.  No deje el Aparato de punto de fusión encendido si no lo está utilizando. Fuente: (Elaboración propia con base en el manual de Química Orgánica II, 2023) V. OBJETIVOS 11 OBJETIVO GENERAL Obtener la p-nitroacetanilida, por medio de una reacción de sustitución electrofílica aromática, empleando los métodos de filtración al vacío y recristalización, con el fin de obtener el porcentaje de rendimiento del producto cristalizado con un error menor al 10%. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Determinar el porcentaje de rendimiento de la p-nitroacetanilida cristalizada, a partir de los calculos previamente realizados, logrando obtener un error menor al 10%. 2. Aplicar la técnica de filtración al vacío y recristalización, para obtener una muestra pura y cristalina sin ningún tipo de impureza presente en ella. 3. Definir el punto de fusión de la p-nitroacetanilida cristalina, con el fin de indicar la pureza y calidad del producto, a través del aparato de determinación del punto de fusión. 12 Fuente: Elaboración propia con base en el manual del laboratorio (QUÍMICA ORGÁNICA II, 2023) 15 II. TABLAS SOBRE FICHAS DE SEGURIDAD Tabla No. 08 Propiedades fisicoquímicas de los reactivos y productos de la práctica. Sustancia Fórmul a Masa molar (g/mol) Apariencia Densidad Solubilida d Punto de Fusión (1atm) Punto de Ebullición (1atm) Estructura Agua destilada H2O 18.02 Liquido incoloro e inodoro. 1.0 g /cm³ a 20 °C Soluble en cualquier sustancia polar. 0 °C a 1 atm 100 °C p- nitroacetan ilida C8H8N2 O3 180.16 Sólido de color amarillo con leve olor a amoníaco. 1.45 g/cm³ a 20 °C 2g/L a 20°C 215-217°C 332°C Ácido clorhídrico concentrad o HCl 36.46 Líquido amarillo claro con olor a picante. 1.16 g /cm³ a 20 °C 82.3 g/L a 20 °C -50 °C >80 °C Anhídrido acético C4H6O3 102.1 Líquido incoloro con olor acre. 1.08 g/cm³ a 20 °C 120g/L a 20°C -73°C 139.5 °C Acetato de sodio trihidratado CH₃CO ONa * 3 H₂O 136.08 Sólido incoloro con olor levemente a acético. 1.42 g/cm³ a 20 °C 613 g/L a 20 °C 58 °C NA Acetanilida C8H9NO 135.2 Sólido cristalino blanquecino inoloro. 1.121 a 20 °C 5 g/L agua a 20 °C 113-115 °C 304 °C Fuentes: (Carl Roth, 2015), (Carl Roth, 2016), (Merck, 2020), (Carl Roth, 2022), (Merck, 2023). 16 Tabla No. 09 Toxicidad, antídotos y formas de desecho de los reactivos y productos de la práctica. Nombre de la sustancia Dosis Letal Toxicidades Antídoto Reactividad Formas de Desecho y manejo de derrame Pictograma Agua destilada Rata: vía oral 90ml/kg Humanos 8.10 litros por día. Sustancia clasificada como no toxica en ninguno de sus componentes Ingestión en exceso: tomar una dosis pequeña de diurético. ND Mediante tuberías. No se necesita(n) pictograma(s ) p- nitroacetan ilida Rata: Vía oral LD50 750 mg/kg Ingestión: Muy toxico en caso de ingestión. Inhalación: Provoca irritación en las vías respiratorias. Contacto con la piel: Puede ocasionar irritación cutánea. Contacto con los ojos: Provoca irritación ocular grave. En caso de ingestión: Beber agua como máximo 2 vasos y consultar con un médico. En caso de inhalación: Proporcionar aire fresco. En caso de contacto con la piel: Aclararse la piel con agua o ducharse. En caso de contacto con los ojos: Aclarar inmediatamente con abundante agua y consultar con un oftalmólogo. Válido en general para sustancias y mezclas orgánicas combustibles: en caso de esparcimiento fino, en estado arremolinado, debe contarse en general con peligro de explosión. Los residuos deben eliminarse de acuerdo con normativas locales y nación a originales. No los mezcle con otros residuos. Maneje los recipientes sucios como el propio producto. Ácido clorhídrico concentrad o Rata: Oral LD50 10.470 mg/kg Ingestión: peligro de perforación del esófago y del estómago. Inhalación: tos, ahogos, edema pulmonar. Contacto con la piel: quemaduras graves. Contacto con los ojos: lesiones oculares graves. En caso de ingestión: Lavar la boca inmediatamente y beber abundante agua. En caso de inhalación: Proporcionar aire freso y en caso de malestar consultar con un médico. En caso de contacto con la piel: Lavar inmediatamente con abundante agua y llamar al médico. En caso de contacto con los ojos: aclarar con bastante agua y dejar abiertos los ojos durante 10 o 15 minutos Corrosivo para los metales. Eliminar el producto y su recipiente como residuos peligrosos. Eliminar el contenido/el recipiente de conformidad con la normativa local, regional, nacional o internacional. Anhídrido acético Rata: Oral LD50 630 mg/kg Inhalación LD50 Ingestión: Existe peligro de una perforación del esófago y del estómago. Inhalación: Puede llegar a irritarse las En caso de ingestión: Lavar la boca inmediatamente y beber abundante agua. En caso de inhalación: Llamar al médico inmediatamente y si es No se conoce reacciones peligrosas bajo condiciones de uso normal. Eliminar el producto y su recipiente como residuos peligrosos. Eliminar el 17 Fuente: (Montes, 2018) Mecanismo de reacción No. 02: Nitración de la acetanilida para obtener p- nitroacetanilida. Paso 1: Formación de ion nitronio Paso 2: Sustitución electrofílica aromática en posición de la acetanilida. 20 o + 0=N=0 ——> H N=0 acelanilida + o o o JU A J SN Sy H.OH + HAMA > + y o 0 4 H N=0 ac NA ) o Y, O p-nitroacetanilida Fuente: (Montes, 2018) 21 VIII. PREGUNTAS PRE-LABORATORIO 1. Represente con una ecuación la hidrólisis ácida de la acetanilida, ilustrando el mecanismo. Figura No.05 Mecanismo de hidrólisis ácida de la acetanilida. Fuente: (Paz,2020) 2. Represente con estructuras todos los subproductos que se pueden formar e indique que los condujo a su formación. Los productos no deseados se forman en la síntesis de p-nitroacetanilida debido a que la reacción de nitración no es selectiva y puede introducir el grupo nitro en otras posiciones del anillo bencénico, además de la posición para. Esto da lugar a la formación de o-nitroacetanilida, y m-nitroacetanilida, que son isómeros de la p- nitroacetanilida. Para evitar o minimizar la formación de estos subproductos, se deben controlar las condiciones de reacción, como la temperatura, la concentración y el tiempo. (DeQuímica, 2023) Figura No.06 Estructura de o-nitroacetanilida. Fuente: (Manual de Química Orgánica II, 2023) 22 PASO 1 PASO 2 PASO 3 PASO 4 PASO 5