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Reacciones de nitración Nitración de benceno y de nitrobenceno
PRÁCTICA Reacciones de nitración Nitración de benceno y de nitrobenceno
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OBJETIVOS Conocer una reacción de sustitución electrofílica aromática y aplicar los conceptos de la sustitución al desarrollo experimental de la nitración del benceno. Controlar las condiciones experimentales que favorecen la monosustitución y utilizar las propiedades de los grupos orientadores a la posición meta del anillo aromático para sintetizar un derivado disustituído.
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REACCIÓN nitrobenceno
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m-dinitrobenceno
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MATERIAL
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SUSTANCIAS
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INFORMACION Éstas reacciones son ejemplos clásicos de sustituciones electrofílicas aromáticas, donde el electrófilo es el ión nitronio, NO2+. Al controlar las condiciones experimentales se favorece la monosustitución y al utilizar las propiedades de los grupos orientadores a la posición meta del anillo aromático se favorece la disustitución.
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PROCEDIMIENTO a) Nitrobenceno
Coloque en el matraz pera de dos bocas 12 ml de HNO3 concentrado y adapte en una de las bocas el embudo de separación con 15 ml de H2SO4 concentrado. Sumerja el matraz en un baño de hielo e inicie la adición del H2SO4 , poco a poco y con agitación constante. Mantenga la temperatura de la mezcla sulfonítrica entre °C. Al término de la adición sustituya el embudo de separación por el portatermómetro con termómetro. Retire el baño de hielo y adicione lentamente con agitación vigorosa 10 ml de benceno. Cuide que la temperatura de la reacción se mantenga entre 40-50°C (si es necesario enfríe exteriormente con un baño de hielo).
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Al finalizar la adición del benceno continúe la agitación hastaq ue cese la reacción exotérmica y en este momento adapte a una delas bocas del matraz pera, un portatermómetro con termómetro y enl a otra un refrigerante de agua en posición de reflujo. Sumerja el matraz en un baño de agua caliente y mantenga la temperatura de la mezcla de reacción a 60°C durante minutos; es conveniente que durante el calentamiento e mantenga la agitación, para asegurar el contacto entre las dos fases inmiscibles. Al cumplir el tiempo de calentamiento, retire el baño de agua caliente y cambie por uno de agua-hielo. Cuando la temperatura dela mezcla de reacción (ahora en dos fases, la fase superiorcorresponde al nitrobenceno y la fase inferior a la mezcla sulfonítrica residual) sea de 20-30°C, transfiérala al embudo de separación y deseche la fase inferior. Lave el nitrobenceno dos veces con 15 ml de agua fría y después con una solución de hidróxido de sodio al 10% hasta pH = 7 y finalmente lave una vez con agua. Vierta el nitrobenceno en un matraz Erlenmeyer y séquelo con sulfato de sodio anhidro y transfiéralo por decantación a una bola de destilación de 25 ml.
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Adapte el matraz bola al equipo necesario para destilar el nitrobenceno. Utilice refrigerante de aire. El nitrobenceno tiene un p. eb. de °C/760 mm Hg. Colecte la fracción que destila entre °C. Mida el volumen y calcule el rendimiento.
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b) m-dinitrobenceno Prepare la mezcla sulfonítrica como se indica en el método anterior. Mantenga la temperatura de la mezcla sulfonítrica entre 20-30°C y adicione lentamente con agitación 5 ml de benceno. Adapte el matraz pera que contiene la mezcla de reacción en la siguiente forma: adapte en una de las bocas el portatermómetro y en la otra un refrigerante para agua en posición de reflujo.
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Sumerja el matraz en un baño de agua caliente a 90-92°C por 45 minutos manteniendo la agitación constante. Transcurrido el tiempo de reacción, vierta lentamente (con agitación vigorosa) la mezcla de reacción en aproximadamente 150g de hielo. Colecte el m-dinitrobenceno crudo en un embudo Büchner y recristalice de etanol. Separe el sólido recristalizado por filtración al vacío, seque, pese el producto y calcule el rendimiento. El m-dinitrobenceno tiene un p.f.=89.5°C.
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Notas 1. El termómetro debe estar en contacto con la mezcla de reacción. 2. Agregue el benceno a la mezcla sulfonítrica en porciones de 1-2 mL. 3. Debido a que el benceno es poco soluble en la mezcla sulfonítrica se requiere agitación vigorosa. De ésta depende el éxito de la reacción. 4. Investigue las densidades del nitrobenceno y del agua, antes de eliminar cualquiera de las fases. 5. En caso de que al final de los lavados del nitrobenceno con solución de NaOH al 10% éste quedará básico, lave con agua hasta pH=7. 6. Caliente a baño maría hasta que aclare el nitrobenceno. Elimine el sulfato de sodio o cloruro de calcio anhidro por decantación o filtración. 7. Precaución. No destile hasta sequedad, debido a que pueden existir algunos productos de polinitración que sean explosivos. 8. El éxito del experimento depende de la agitación.
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ANTECEDENTES 1. Sustitución electrofílica aromática: nitración.
2. Reactividad del benceno en la sustitución electrofílica aromática. 3. Mecanismo de reacción. 4. Condiciones experimentales necesarias para realizar la nitración. 5. Variación en las condiciones experimentales en una nitración y sus consecuencias. 6. Ejemplos de agentes nitrantes. 7. Influencia de la concentración de los agentes nitrantes y la temperatura en una reacción de nitración. 8. Cálculo del rendimiento de la reacción. 9. Propiedades físicas, químicas y toxicidad de reactivos y productos.
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CUESTIONARIO 1. Explique La formación del nitronio a partir de la mezcla sulfonítrica. 2. ¿Cuál será el orden de velocidad de reacción en la mononitración de benceno, tolueno y clorobenceno? 3. ¿Por qué es importante controlar la temperatura de la mezcla de reacción? 4. ¿Qué sucedería si se eleva la temperatura de reacción a 120°C? 5. ¿Cómo se detiene la reacción? 6. ¿Cuál es el tratamiento adecuado para eliminar la solución acuosa de los lavados?
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