Nitracion de benzoato de metilo

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Universidad Simón Bolívar

Departamento de Química

Laboratorio de Química Orgánica para IQ, QM-2487

NITRACIÓN DE BENZOATO DE METILO

Andrea Landeo, 13-10724

Resumen

 La nitración es un proceso químico general para la introducción de un grupo nitro en un compuesto químico mediante una reacción química. El objetivo principal de esta práctica fue realizar la nitración del Benzoato de Metilo a través de un mecanismo de sustitución electrofílica aromática. Se realizó la nitración con ácido sulfúrico como catalizador y nitrato de potasio. El producto obtenido se filtró para luego recristalizarlo en etanol caliente y por último se dejó secar. Una vez seco, se calculó su punto de fusión del recristalizado mediante el uso de capilares. La siguiente parte consistió en realizar una prueba por cromatografía en TLC, en la que se colocó en una placa el producto sintetizado en la reacción, el recristalizado, y una porción de las aguas madres. Se utilizó como fase móvil una mezcla de hexano/acetato de etilo 9:1. Los resultados obtenidos fueron que el punto de fusión del recristalizado fue de (70-78) ± 1ºC. Con la prueba de cromatografía por TLC se determinó que el producto obtenido poseía constantes de Rf del benzoato de metilo (0,49 ± 0,04), del recristalizado (0,23 ± 0,03) y (0,33±0,03), y la aguas madres un Rf de (0,23 ± 0,03) y (0,33±0,03). Además se calculó el rendimiento de la reacción y se obtuvo un valor del 76% .Con estos resultados se determinó que la reacción llevada a cabo, tuvo pérdidas de muestra en las aguas madres y que se tuvo presencia de un compuesto desconocido.

Introducción

La nitración es el proceso por el cual se efectúa la unión del grupo nitro a un átomo de carbono, la introducción de un grupo nitro en el anillo aromático por acción del ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrados constituye un ejemplo de sustitución aromática electrofílica, el grupo metoxicarbonilo desactiva el anillo y dirige la sustitución en la posición meta [1].

En esta práctica se llevará a cabo la nitración del benzoato de metilo mediante un mecanismo de sustitución electrofílica por el grupo benceno. Para el benceno, la reacción con ácido nítrico concentrado en caliente da el nitrobenceno. Esta reacción así planteada es muy peligrosa, por lo que se prefiere realizar un procedimiento más seguro en donde se usa una mezcla de HNO3 y ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico es catalizador, permitiendo así que la reacción suceda más rápido y a temperaturas más bajas.  

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Figura 1. Estructura molecular del Benzoato de Metilo

El ácido sulfúrico reacciona con el ácido nítrico para formar el ión nitronio, un poderoso electrófilo.

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Figura 2. Mecanismo de reacción para la formación del electrófilo ión nitronio.

 El ión nitronio reacciona con el benceno para formar el complejo sigma. La pérdida de un protón del complejo sigma da el nitro benceno [2].

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 Figura 3. Mecanismo de reacción de la nitración del benzoato de metilo.

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Figura 4. m-nitrobenzoato de metilo, producto mayoritario esperado de la reacción.        

Posteriormente, se realizará una cromatografía de capa fina TLC, para poder determinar si el producto obtenido es el esperado. La cromatografía en capa fina es una técnica cromatográfica que utiliza una placa inmersa verticalmente, esta placa consiste en una fase estacionaria polar adherida a una superficie sólida, la fase estacionaria está compuesta por una lámina de plástico con una capa delgada de gel de sílice (placa TLC), mientras que, la fase móvil está compuesta por el eluyente, el cual asciende a través de la placa TLC por capilaridad. En este proceso se coloca una pequeña cantidad de la muestra en la parte inferior de esta placa, la cual se introduce en una cubeta cromatográfica, de tal forma que solo la parte inferior de la placa quede sumergida en el eluyente.

El desplazamiento alcanzado por cada componente de la mezcla y por el patrón sembrados se puede medir a través del factor de retención “Rf”, la cual se mide en las cromatografías de placa fina, este se define matemáticamente de la siguiente manera (3):

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Ecuación 1. Factor de retención

Procedimiento experimental

Materiales

Ácido sulfúrico concentrado

Benzoato de metilo

Nitrato de Potasio

Etanol y agua destilada

Placa TLC

Mezcla Hexano-acetato de etilo 9:1

Cilindro graduado 10 ml

Pipeta graduada 10 ml

Balanza

Erlenmeyer 125 ml

Procedimiento experimental

Se colocó en un Erlenmeyer de 125 ml, 3,6 ± 0,1ml de ácido sulfúrico y se enfrió en un baño de agua-hielo durante 10 minutos. Luego se agregó 0,5 ± 0,1 ml de benzoato de metilo (ρ=1,09 g/ml) al Erlenmeyer y se dejó enfriar la solución en el baño agua-hielo por otros 10 minutos más (Figura 5)

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Figura 5. Solución en baño de hielo-agua

Posteriormente se pesaron 0,560±0,001 g de nitrato de potasio y se agregó lentamente a la solución enfriada agitándolo con una varilla de vidrio hasta que se disolviera por completo. Esta mezcla se mantuvo en el baño de agua-hielo por 10 minutos. Después de haber transcurrido ese tiempo, se sacó la mezcla del baño de agua-hielo hasta que alcanzó la temperatura ambiente y luego se le agregó hielo triturado.

Se procedió a filtrar la mezcla con el embudo Buchner y se lavó la muestra con agua destilada fría. Una vez filtrado se conservó el remanente para la cromatografía (Figura 6)

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Figura 6. Montaje del embudo Buchner para la filtración al vacío

Una vez obtenido el sólido que se obtuvo de la síntesis luego de su filtración, se realizó el proceso de recristalización con etanol (al 96%) caliente. Por último, se dejó que el etanol se evaporara hasta que quede el recristalizado puro, sin embargo, el excedente de etanol se retiró cuidadosamente con una pipeta Pasteur, con la finalidad de no realizar el proceso de filtración y así evitar pérdidas de muestra.

Siguiendo el protocolo clásico para realizar una cromatografía TLC se procede a sembrar las muestras del producto recristalizado, aguas madres y benzoato de metilo con unos capilares muy finos en las placas de TLC (Figura 7).  Se identificaron en la placa como:

B=benzoato de metilo

N=producto recristalizado

AM=aguas madres

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Figura 7. Montaje para realizar una cromatografía TLC

Una vez finalizada la cromatografía, se expuso la placa de TLC a una luz ultravioleta y se marcaron con un lápiz de grafito las marcas que se pudieron observar. El solvente utilizado fue una solución de hexano-acetato de etilo 9:1.

Por último, se dejó secar bien la muestra para poder medir su punto de fusión, en el fusiómetro de la figura 8.

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Figura 8. a)Fusiómetro utilizado para la medición del punto de fusión; b)Vista del interior del fusiómetro.

Observaciones experimentales

Al agregar el nitrato de potasio a la solución enfriada, se observó un cambio de incoloro a un color turbio de aspecto aceitoso y se percibió un olor a mentol (Figura 9).

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Figura 9. Cambio de aspecto en la mezcla.

Cuando se añadió el hielo triturado a la solución se observó la formación de pequeños cristales color blanco y, además se percibió un aumento de temperatura (Figura 10).

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Figura 10. Formación de sólidos color blanco.

Luego de que se filtró con el embudo Buchner se logró observar los sólidos blancos formados. (Figura 11).

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Figura 11. Vista de los cristales blancos formados en el embudo Buchner.

Cuando se agregó el etanol caliente al sólido en el beaker para recristalizar hasta disolverse, se observó una solución líquida de aspecto turbio y un suave color amarillo (Figura12).

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Figura 12. (a) Sólidos blancos antes de agregar etanol caliente; (b) Solución resultante después de agregar el etanol caliente.

Luego de que se evaporó y se retiró el exceso de etanol cuidadosamente con una pipeta Pasteur, se logró observar la formación de pequeños cristales blancos en el beaker (Figura 13),

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Figura 13. Formación del recristalizado.

Finalmente, para observar los resultados de la cromatografía, se utilizó una lámpara de luz UV, la cual permitió observar las manchas que se muestran en la figura 14.

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Figura 14. Resultados de la cromatografía.

Resultados y discusión

Como la reacción de nitración del benzoato de metilo es una reacción altamente exotérmica, el uso del baño con agua-hielo fue importante en esta práctica. Una vez que se agregó el nitrato de potasio a la solución de ácido sulfúrico y benzoato de metilo, se observó el cambio de aspecto de dicha solución como se observa en la figura 9. Luego de haber agregado el hielo triturado, se visualizó la formación de pequeños cristales de color blanco (figura 10), que corresponde al m-nitrobenzoato de metilo. La formación de este producto se da debido a que el grupo sustituyente del benceno, que es un éster, es un grupo meta director. Esto quiere decir que estos grupos también llamados desactivantes “roban” carga del benceno por medio de un efecto resonante y promueven la sustitución de este con orientación meta (4) (figura 3).

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