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257
OMe
O
H2SO4
HNO3 / 0 oCOMe
O
NO2
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA: SÍNTESIS DE 3-NITROBENZOATO DE METILO
OBJETIVOS
1. Identificar el electrófilo (E+) involucrado en la nitración de benzoato de metilo.
2. Saber cómo la presencia de un sustituyente (activante, desactivante) en el anillo afecta la rapidez de reacción.
3. Predecir la orientación (orto/para ó meta) de un electrófilo en un anillo de benceno substituido.
4. Escribir el mecanismo de nitración de benceno y de benzoato de metilo (mecanismo de sustitución aromática electrofílica).
5. Conocer la función de cada uno de los reactivos usados en cada una de las etapas experimentales y calcular el porcentaje de rendimiento de la reacción.
REACTIVOS
1. Ácido sulfúrico (H2SO4 conc.): 0.8 mL, d= 1.84 g/mL, P.M. = 98.08 g/mol
2. Ácido nítrico (HNO3 conc.): 0.2 mL, d= 1.4 g/mL, P.M.= 63.01 g/mol 3. Benzoato de metilo (PhCO2Me): 0.3 mL, pe= 198-99 oC, pf= 12 oC, d= 1.094
g/mL, P.M.= 136.15 g/mol 4. Metanol (MeOH): p: 64.3 oC, d= 0.791 g/mL, P.M.= 32.04 g/mol
258
PRECAUCIONES
Tanto el ácido sulfúrico concentrado como el ácido nítrico concentrado son ácidos fuertes que al contacto con la piel causan quemaduras serias al instante. En todo momento se debe evitar el contacto con la piel ó ropa. Cualquier derrame debe ser limpiado INMEDIATAMENTE. Para esto puede utilizar una solución acuosa de bicarbonato de sodio NaHCO3 (ac). Metanol es un compuesto tóxico. En todo momento se debe evitar el contacto con la piel ó ropa. Disponga de los materiales en los envases provistos y apropiados. INTRODUCCIÓN
La sustitución aromática electrofílica es una de las reacciones más comunes que pueden llevar a cabo los anillos aromáticos. En este tipo de reacción, un hidrógeno del anillo aromático es remplazado por un electrófilo (E+), de ahí el nombre de sustitución aromática electrofílica (figura 1).
E+
H E
+ H+
E = Electrófilo
Figura 1: Mecanismo de sustitución aromática electrofílica
En el caso de benceno, como todos los carbonos son equivalentes, un solo producto es obtenido. La formación de más de un solo producto es posible una vez el anillo aromático está sustituido. Sabemos que estos sustituyentes pueden afectar la reacción de sustitución aromática electrofílica de dos (2) formas:
a. rapidez de reacción
b. orientación del ataque por parte del electrófilo con respecto al sustituyente
259
Aquellos sustituyentes que hacen que el ataque del electrófilo sea más rápido al anillo sustituido que a benceno son conocidos como activadores y aquellos que hacen que la reacción sea más lenta se conocen como desactivadores. O sea, los términos activador y desactivador se refieren a la rapidez de reacción con respecto a benceno.
En cuanto a la orientación del ataque por parte del electrófilo, estos
sustituyentes se dividen en dos (2) grupos principales: aquellos que dirigen orto/para y aquellos que dirigen meta (figura 2).
Sorto orto
metameta
para S= sustituyente Figura 2: Localización de posiciones orto, meta y para en el anillo aromático
Basándose en estos dos (2) factores (rapidez de reacción y dirección de ataque) se puede concluir que los sustituyentes en anillos aromáticos pertenecen a uno de tres (3) grupos principales: VELOCIDAD ORIENTACION activador orto y para desactivador orto y para desactivador meta
Los grupos activadores se distinguen por que tienen por lo menos un par de electrones solitarios (oxígeno, nitrógeno) que pueden ser deslocalizados hacia el anillo por resonancia (activadores fuertes) ó por que son capaces de estabilizar cargas positivas que se formen en el anillo por inducción (activadores débiles como grupos alquilo y arilo). Si estudiamos el mecanismo de sustitución aromática electrofílica se puede ver por qué esto es así (figura 3).
260
S
E+
orto
meta
para
S
S
SH
E
H+
SH
E
H+
H
E
H
+
E
H+
H
S
E
HH
+
S
E
HH
+
H E
+
H E
+
S
H E
+
1 2 3
4 5 6
7 8 9
:S
:S
H H H
S= sustituyente Figura 3: Deslocalización de cargas en el anillo durante el mecanismo de S.A.E. Cualquier sustituyente que pueda estabilizar la carga positiva que se forma en el anillo (ver estructuras de resonancia 3 y 8) ya sea por resonancia ó inducción favorecerá el ataque orto y para. Otra forma de ver esta situación es deslocalizando los electrones solitarios de un sustituyente S hacia el anillo aromático (10-13). Cuando examinamos las estructuras de resonancia (figura 4) que resultan podemos observar que las posiciones del anillo que mayor densidad electrónica van a tener serán las posiciones orto y la posición para. El electrófilo se dirigirá entonces a estas posiciones (14).
S S S S S+
10 11 12 13 14
Figura 4: Activación del anillo por parte de la deslocalización de electrones
261
O H
M e
l u g a r d e a t a q u e l u g a r d e a t a q u e
a c t i v a n t e f u e r t e
a c t i v a n t e d é b i l
Sustituyentes que poseen un grupo positivo o parcialmente positivo, que remueven (atraen) densidad electrónica del anillo (carbonilos, -CN, -SO3H, etc.) favorecen el ataque del electrófilo a la posición meta ya que en ninguna de las estructuras de resonancia resultantes se encuentra una carga positiva adyacente a otra parcialmente positiva (ver estructuras de resonancia 4-6, figura 5).
S
H E
+
δ+
cargas similares se repelen
HS= sustituyente
Figura 5: Repulsión de cargas similares
Aquellos grupos activantes que poseen pares de electrones solitarios son considerados activantes fuertes (-OH, NHR, etc.). Los grupos alquilo (R) y arilo (Ar) son considerados activantes débiles. Para determinar el lugar de ataque del electrófilo se aplican las siguientes reglas: REGLAS PARA PREDECIR LA ORIENTACIÓN DEL ATAQUE DE UN ELECTRÓFILO EN UN ANILLO DE BENCENO SUSTITUIDO
1. Activantes fuertes dominan a los activantes débiles.
262
E t
M e
l u g a r d e a t a q u e c o n r e s p e c t o a l E t l u g a r d e a t a q u e
c o n r e s p e c t o a l E t
a c t i v a n t e d é b i l
a c t i v a n t e d é b i l
l u g a r d e a t a q u e c o n r e s p e c t o a l M e
l u g a r d e a t a q u e c o n r e s p e c t o a l M e
Ejemplo:
OH
Me
OH
Me
NO2
HNO3
H2SO4
producto principal
Figura 6: Activante fuerte domina al débil
2. Si hay más de un activante de la misma categoría (fuerte ó débil) una mezcla de productos puede resultar. Si los sustituyentes en la misma categoría dirigen hacia la misma posición la formación de un producto mayoritario es favorecida. Si dirigen hacia posiciones distintas se obtiene una mezcla de productos (figura 7).
Ejemplo: Et
Me
Et
Me
NO2
HNO3
H2SO4+
Et
Me
NO2
Figura 7: Activantes en la misma categoría
263
E t
N O 2
l u g a r d e a t a q u e l u g a r d e a t a q u e
d e s a c t i v a n t e
a c t i v a n t e d é b i l
O E t
M e
H N O 3 H 2 S O 4
O E t
M e
N O 2
p o c a o n i n g u n a s u s t i t u c i ó n
s u s t i t u y e n t e s e s t á n m e t a e n t r e s í
a p r o x i m a d a m e n t e 0 %
3. Cualquier sustituyente que sea activante domina (figura 8) a cualquier desactivante. Cualquier desactivante que dirija o, p domina a cualquier desactivante dirija meta.
Ejemplo: Et
NO2
Et
NO2
NO2
HNO3
H2SO4
Figura 8: Activante domina a desactivante
4. En anillos con más de un sustituyente donde estos se encuentran meta el uno
al otro se encuentra que hay poca sustitución (ataque) por parte del electrófilo entre los sustituyentes (figura 9).
Figura 9: No hay reacción entre dos sustituyentes
264
Resumiendo el efecto de los sustituyentes en las reacciones de sustitución aromática electrofílica obtenemos la siguiente tabla:
TIPO ORIENTACIÓN EJEMPLO Activante orto/para -OH, -OR, -NHR,-R, -Ar
Desactivante orto/para -F, -Cl, -Br, -I Desactivante meta -CN, -SO3H, -COR, -NO2, -+NR3
En este experimento, el sustituyente es un grupo éster (grupo desactivante) y
por lo tanto dirigirá al electrófilo a la posición meta. El electrófilo presente en esta reacción es el ion nitronio (+NO2) generado al mezclar H2SO4 con HNO3 (figura 10).
Figura 10: Mecanismo formación ión nitronio
El ácido sulfúrico ayuda a disolver el benzoato de metilo al protonarlo (figura 11).
OMe
O
H2SO4
: :
OMe
O+
OMe
OH
+HSO4
-HSO4
- H
Figura 11: Protonación del carbonilo por parte del ácido sulfúrico
265
Una vez el electrófilo es generado, el mecanismo es el mismo observado para cualquier reacción de este tipo (sustitución aromática electrofílica, figura 12).
OMe
O
+NO2OMe
O
H NO2
H+
B:
-H+ OMe
O
NO2
+ H+
Figura 12: Sustitución aromática electrofílica
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Transfiera a un tubo de ensayo pequeño ó a un tubo de reacción 0.6 mL de ácido sulfúrico concentrado (CORROSIVO). Coloque el tubo en un baño de hielo. Luego de 2 ó 3 minutos del H2SO4 estar a esta temperatura añada 0.3 mL (d = 1.09, 0.33 g, P. M. = 136.15) de benzoato de metilo asegurándose de mantener la temperatura de la mezcla a 0 oC. En otro tubo de ensayo pequeño ó tubo de reacción prepare, a 0 oC (baño de hielo), una mezcla nitrante añadiendo 0.2 mL de H2SO4 concentrado seguido por la adición (gota a gota) de 0.2 mL de HNO3 concentrado (CORROSIVO). Esta mezcla de ácidos debe ser mantenida a 0 oC por alrededor de 10 minutos. Luego de este tiempo, añada esta mezcla de ácidos (gota a gota) utilizando una pipeta ó gotero a la mezcla original de H2SO4 concentrado y benzoato de metilo. Todo esto debe ser llevado a cabo cerca de 0 oC para minimizar la formación de productos secundarios. Evite que la temperatura de la reacción suba de los 15 oC. Tape el tubo de reacción con un septum (septa). Mezcle (agite) con cuidado la solución resultante hasta que se produzca una fase homogénea. En esta etapa de la síntesis una buena agitación es necesaria.
Luego de terminar la adición de la mezcla nitrante, permita que el tubo de reacción llegue a temperatura ambiente. Una vez llegue a esta temperatura, espere alrededor de 15-20 minutos y vierta la mezcla de reacción en un vaso de precipitado (beaker) pequeño que contenga cerca de 2.5 g de hielo picado. Luego que el hielo se derrita, filtre al vacío el sólido obtenido.
266
Lave el producto con agua fría (2 porciones de 10 mL cada una) seguido por lavado con metanol frío (2 porciones de 5.0 mL cada una). El sólido obtenido (3-nitrobenzoato de metilo, P. M. = 181.15, mp = 78 - 80 oC, bp = 279 oC) se puede recristalizar utilizando una cantidad mínima de metanol. Se debe tener cuidado de no calentar mucho el producto que se va a recristalizar por que el punto de ebullición de metanol (65 oC) está cerca del punto de fusión del producto obtenido. El proceso de recristalización puede ser mejorado si se añaden unas gotas de agua a la solución del producto saturado mientras se calienta. Luego que el producto cristalice completamente, fíltrelo por succión y permita que este se seque hasta el próximo periodo de laboratorio. Determine entonces el porcentaje de rendimiento, la apariencia y el punto de fusión del producto. El rendimiento teórico del producto crudo es de 0.43 g aproximadamente.
267
INFORMACIÓN ESPECTROSCÓPICA
Espectro IR de benzoato de metilo
TABLA DE INFRAROJO BENZOATO DE METILO
GRUPO FUNCIONAL FRECUENCIA (cm-1) INF. ADICIONAL
268
Espectro IR de 3-nitrobenzoato de metilo
TABLA DE INFRAROJO 3-NITROBENZOATO DE METILO
GRUPO FUNCIONAL FRECUENCIA (cm-1) INF. ADICIONAL
269
RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.00.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
6.5
7.0
7.5
8.0
3.88
7.597.607.617.627.63
8.008.028.22
8.23
O
O CH3
NO2
1H RMN de 3-nitrobenzoato de metilo
180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 500
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
51.99127.25129.53
135.21
148.26165.16
O
O
CH3
NO2
13C RMN de 3-nitrobenzoato de metilo
270
180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 400
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
51.39
51.7952.19
52.59
127.05127.45
129.33129.73
135.01135.41
148.26165.16
O
O
CH3
NO2
“Off-resonance decoupled” 13C RMN de 3-nitrobenzoato de metilo
TABLA PARA INTERPRETACIÓN 1H RMN
COMPUESTO: 3-NITROBENZOATO DE METILO
DESPLAZAMIENTO QUÍMICO
MULTIPLICIDAD INTEGRACIÓN GRUPO
8.23 – 7.59 3.88
TABLA PARA INTERPRETACIÓN 13C RMN
“Off-resonance decoupled” COMPUESTO: 3-NITROBENZOATO DE METILO
DESPLAZAMIENTO QUÍMICO
MULTIPLICIDAD GRUPO COMENTARIO
166.15 148.26 135.21 132.50 129.53 127.25 124.75 51.99
271
OMe
O
H2SO4
HNO3 / 0 oCOMe
O
NO2
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA: SÍNTESIS DE 3-NITROBENZOATO DE METILO
Pre-laboratorio Nombre: ____________________________________ Fecha: __________ Sección: __________ 1. ¿Por qué es importante el mantener la temperatura cerca de 0 oC al principio de
la reacción? 2. ¿Cuál es la doble función que tiene el H2SO4 concentrado en este experimento?
3. ¿Cuál es la reacción para la formación del electrófilo de hoy?
272
4. Indique el (los) producto(s) principal(es) que se espera(n) obtener en las siguientes reacciones.
a.
NH2
Br2
NaHCO3 (aq)
b.
N
Br2
H CO
CH3
FeBr3
c.
Me
CN
Cl2AlCl3
d.
NO2
Br2FeBr3NO2
e.
Me
HNO3
Et H2SO4
273
OMe
O
H2SO4
HNO3 / 0 oCOMe
O
NO2
SUSTITUCIÓN AROMÁTICA ELECTROFÍLICA: SÍNTESIS DE 3-NITROBENZOATO DE METILO
Informe de laboratorio Nombre: ____________________________________ Fecha: __________ Sección: __________ Resultados Experimentales
1. Masa de benzoato de metilo: ___________________
2. Volumen de benzoato de metilo: ___________________
3. Masa de 3-nitrobenzoato de metilo: ___________________
4. Rendimiento teórico de 3-nitrobenzoato de metilo: ___________________
5. % de rendimiento de 3-nitrobenzoato de metilo: ___________________
6. Punto de fusión teórico de 3-nitrobenzoato de metilo: ___________________
7. Punto de fusión experimental de 3-nitrobenzoato de metilo: _____________
8. Apariencia de 3-nitrobenzoato de metilo: ___________________
274
Preguntas Finales 1. Utilizando las tablas provistas, indique cuales son los picos más importantes del
espectro de IR que esperaría observar para benzoato de metilo y 3-nitrobenzoato de metilo.
2. Utilizando la tabla provista, identifique y asigne los picos del espectro de 1H
RMN y de 13C RMN de 3-nitrobenzoato de metilo. 3. Si se cambia el solvente de MeOH a H2O en la recristalización, ¿cuál sería el
problema que se podría presentar? 4. En la síntesis de 3-bromonitrobenceno a partir de benceno, ¿hará diferencia
cual sustituyente se coloque primero en el anillo? Explique. 5. ¿Por qué se obtiene el producto meta, y no el orto/para en la reacción qué se
llevo a cabo? Explique en detalle utilizando estructuras de resonancia.
275
6. ¿Cuáles son las impurezas más probables se puedan encontrar en el producto? ¿Cómo afectarán el punto de fusión? ¿Cómo afectarán el rendimiento? ¿Cómo se puede reducir su presencia en el producto final?
7. Si se utiliza exceso del electrófilo (NO2
+), ¿cómo se puede afectar el rendimiento del producto deseado? ¿Qué producto secundario se podría formar?
8. En caso de que ocurriese una polinitración (más de un grupo nitro reaccionara
con el anillo) en el anillo aromático, ¿sería más fácil poner el primer grupo nitro que el segundo o el segundo grupo nitro más fácil que el primero? Explique.
276
Conclusión. En el espacio provisto a continuación discuta los aspectos más importantes encontrados en el presente experimento (no menos de 500 palabras)
