Obtención de acetileno y propiedades de AlquinosReacciones de Hidrocarburos Aromáticos Nitración de

AcetanilidaDivina Barceló, Angie Pertuz, Dylan Vanegas.

Universidad del Atlántico.Departamento de Ingeniería Química.

Coordinación de Química.Palabras claves.

Se realizó dos prácticas de laboratorio en base al carburo de calcio y agua para la obtención de acetileno, un compuesto con fórmula semidesarrollada H−C ≡C−H , también reconocido como un hidrocarburo alifático con un triple enlace, en este compuesto se sometió a 3 pruebas tales como la inflamabilidad, reacción con Bromo (Br2/CCl4) y con permanganato de potasio (KMnO4), además se llevó a cabo una reacción de nitración que incluía el compuesto aromático acetanilida, el cual se estudió cada una de las reacciones presentes.

Introducción

Los compuestos que contienen triples enlaces carbono-carbono se denominan alquinos. Estos responden a la formula general CnH2n-2 cuando sólo tienen un triple enlace. Estos compuestos también se llaman acetilenos siguiendo el nombre del primer miembro de la serie, HC≡CH (Etino en la nomenclatura IUPAC). (Ver figura 1) .Al igual que el doble enlace, el triple enlace puede dar lugar a reacciones de adición. El enlace -C≡C- puede adicionar dos moles de un reactivo; eligiendo convenientemente las condiciones de reacción suele ser posible que la adición se detenga en la fase de doble enlace.

Una propiedad muy interesante de los alquinos terminales es su capacidad para ceder en forma de protón el átomo de hidrógeno unido al átomo de carbono del triple enlace. Los acetilenos mono sustituidos son por ello ácidos débiles. En lo que se refiere a su carácter ácido, el acetileno está situado entre el amoníaco y el agua.

La síntesis de alquinos puede implicar uno de dos procesos: la generación de un triple enlace entre dos átomos de carbono por reacciones de eliminación, o bien el aumento del tamaño de una moléculas que ya lo contiene.

Los compuestos aromáticos son aquellos derivados del benceno a que además de poseer enlaces π no presentan fácilmente reacciones de adición ya que sus

tres enlaces dobles se encuentran en resonancia, confiriéndole al sistema mucha estabilidad. Los

compuestos aromáticos reaccionan mediante mecanismos de sustitución electrofílica.La práctica Obtención de acetileno y propiedades de Alquinos se realizó con el objetivo de obtener acetileno a partir de Carburo de Calcio y agua e implementarlo a algunas de las pruebas en el laboratorio.

La práctica Reacciones de Hidrocarburos AromáticosNitración de Acetanilida se realizó con el objetivo estudiar y distinguir algunas reacciones características de hidrocarburos aromáticos.

Fig.1 Diagrama de Lewis del acetileno.

Metodología

En el primer laboratorio se armó un montaje como se muestra en la figura 2, en el cual, en el matraz se agregó 5 gramos de Carburo de calcio CaC2, seguido se conectó en la parte superior del matraz un embudo de adición que contenía agua, al tubo lateral del matraz se adhirió una manguera; completado el esquema de montaje se procedió a dejar caer gota a gota al CaC2.

Con la disponibilidad de 3 tubos de ensayo se adicionó a cada uno tres sustancias diferentes entre ellas un fósforo, Br2/CCl4 y KMnO4 y una solución amoniacal de hidróxido de cobre al tener estas 3 sustancias se le introdujo la manguera que transportaba el acetileno y se anotaron los distintos resultados registrados con respecto a la inflamabilidad, y las reacciones con los compuestos mencionados anteriormente.

En el segundo laboratorio se utilizó 3 tubos de ensayo, al primero se adicionó 0.1 g de Acido Benzoico (C7H6O2), al segundo 1mL de benceno (C6H6) y al tercero 1 mL de Tolueno (C7H8), después se agregó a cada uno solución de Br2/CCl4 cabe resaltar que los tubos que no presentaron decoloración a los 5 minutos se agregó una pequeña cantidad de lana de hierro, al cabo de 10 minutos no se observó alguna decoloración, por lo que se sometió a calentamiento en una temperatura de 50 ºC las muestras con ningun cambio. (Ver figura 3).

Luego se sometió un suave calentamiento en un Erlenmeyer 4.5 g de acetanilida en 5 mL de acido acético Glacial, seguido se dejó enfriar hasta que aparecieran cristales, a continuación se añadió lentamente gota a gota con un embudo, 6.5 mL de ácido sulfúrico concentrado frío (H2SO4), esta mezcla se llevó a enfriar; posteriormente se preparó una mezcla nitrante que contenía 2.5 mL de Ácido Nítrico (HNO3) y 3.5 mL de Ácido Sulfúrico (H2SO4) en un embudo de separación. La mezcla que se encontraba en una temperatura bajo 5 ºC se retiró y se le adicionó gota por gota la mezcla nitrante, inmediatamente se dejó que ocurriera la reaccion a temperatura ambiente en 30 minutos.

Finalmente se agregó en un balón la solución con 70 mL de agua con pedacitos de hielo para recoger el producto por medio de filtración al vacío.

Fig.2. Equipo para la Producción de Acetileno.

Fig.3. Esquema del Montaje Nitración de Acetanilida.

Resultados y Discusión Obtención de Acetileno y Propiedades De Alquino.

Una vez observado la simulación de la práctica, se procedió a completar los datos, tal cual como se reporta en la tabla 1.Sustancia Obtenida C2H2(g)

Tabla.1. Cambios ocurridos en la simulaciónInflamabilidad KMnO4 Br2/CCl4 Solución

Amoniacal de cobre

La llama fue bastante intensa y de tono oscuro amarillo, desprendiendo carbonilla.Se omitió un olor muy fuerte.

Cambio de color, de un morado a un marrón clarito con precipitado

Presentó un cambio de color, de uno rojo a un naranja oscuro.No se observó precipitado

Cambio de color, de azul intenso a un Marrón oscuro, en presencia de precipitado

La teoría dice que el acetileno, o etino al reaccionar libera una gran cantidad de energía en forma de calor, particularmente al quemarse se produce una llama amarilla liberando cenizas. El acetileno se obtiene por una reacción de carburo de calcio y agua, el gas formado en esta reacción tiene un olor desagradable, debido a la fosfina presente como impureza.La ecuación química para la obtención de acetileno es:

CaC2+H 2O→H−C≡C−H+Ca (OH )2

Inicialmente las sustancias utilizadas sin todavía ser alteradas presentaban su color respectivo, para el KMnO4 de color morado, el Br2/CCl4 color rojo y la solución amoniacal de Hidróxido de cobre Azul intenso. (Ver figura 4).

Fig.4. Sustancias y su respectivo color inicial.

Una vez adicionado el acetileno (gaseoso) se establecieron diferentes cambios respecto al color, respecto a las sustancias y también al contacto con el fósforo.

Fig.5. Cambios reportados a la adición de C2H2

Los resultados reportados mostraron, las diferentes reacciones ocurridas en presencia de acetileno, este compuesto es un gas inestable por la presentación del triple enlace y que emite un olor muy fuerte, además en la obtención reacciona exotérmicamente. Durante la prueba de inflamabilidad, la combustión liberó una gran cantidad de energía y la luz que emitió fue muy clara, cabe resaltar que el acetileno no presentó combustión completa debido a que la cantidad de oxígeno en el ambiente no fue suficiente para alcanzar una combustión completa. La reacción de acetileno es:

2C2H2 +3O2 4CO +2H2O

En la adición de acetileno en Br2/CCl4, el poco cambio de color se debió por la reacción de adición electrofilica, y se forma alquenodibromado.

H−C ≡C−H+Br2→CHBr=CHBr

A medida que se va añadiendo bromo este funciona como electrófilo y ataca al triple enlace del alquino, destruyéndolo y formando un alqueno, cuando se han destruido todas las moléculas de alquino, el bromo ataca el doble enlace del alqueno hasta formar un

alcano estable, la solución termina volviéndose incolora, esto indicó el punto final de la reacción.

CHBr=CHBr+Br2→CHBr2−CHB r2La adición de Acetileno en contacto con KMnO4 El permanganato es un muy buen oxidante. Así, entonces, lo que se observó en la práctica fue la oxidación del acetileno hasta ácido carboxílico

3C2H2 + 8MnO4- +8H+ → 3HCOOH +3CO2 +8MnO2 +4H2O

Se obtiene el ácido fórmico

La solución amoniacal de Hidróxido de cobre en presencia de C2H2 experimentó un cambio debido a la reacción propagada, se pudo notar que las sales de Cobre (Cu) reaccionan con alquinos terminales para obtener acetiluros de Cobre, estas reacciones ocurren debido a que el acetileno, al ser un alquino terminal, tiene niveles de acidez mucho más altos que otros hidrocarburos, esto porque sus orbitales híbridos sp tienen mucho carácter s, en comparación con alcanos y alquenos, por ende la longitud de enlace carbono se hace más corta y su fuerza electronegativa aumenta hacia el centro de la molécula lo que permite el desprendimiento de cargas positivas en forma de H+.

2C2H2 + Cu (OH) 2 + NH3 2HCOOH + CuO2+ H2O

Resultados Y Discusión

Reacciones de Hidrocarburos Aromáticos Nitración de Acetanilida.

Como se puede ver en la figura 6, Al agregar la solución de Br2/CCl4 a las muestras de ácido benzoico, tolueno y benceno se observó un cambio de coloración a los 5 minutos en el benceno y el ácido benzoico debido a la alta reactividad causada por la insaturación de los enlaces carbono-carbono (dobles enlaces en el anillo) y las propiedades ácidas de los mismos.

Fig.6.Variaciones de Soluciones.

Las soluciones que presentaron variación en el color fueron el C7H6O2 y C6H6, aun así se le agregó lana de hierro y se procedió a calentarlos en baños María por unos 10 minutos como se ve en la figura 7, y se observó cambio de color en todas las sustancias, siendo el ácido benzoico el que presentó mayor cambio de coloración (un color muy oscuro), seguido del benceno (rojo escarlata) y por último el tolueno con un cambio leve (un ámbar muy débil).

Fig.7. Color a Calentamiento.

Luego se pasó a la fase de Nitración de Acetanilida, en la cual se aprovechó que mediante la mezcla de ácido sulfúrico con ácido nítrico se obtuvo el ion nitronio (NO2)- el cual es el agente nitrante. Luego se dejó a temperatura ambiente durante 30 minutos, y se observó cambios en la reacción, como se puede ver se

obtuvo una sustancia oscura con un color tendiendo a ser verde como se ve en la figura 7.

Fig.7. Nitración de un compuesto Aromático

Transcurridos los 30 minutos, se vertió el producto a una mezcla de agua y hielo picado la cual fue puesta en papel de filtro lista para ser extraída por filtración al vacío, donde la sustancia requerida (Acetanilida nitrada o Nitroacetanilida) reposó sobre el papel notándose como un precipitado de color amarillo (ver Figura 8).

Fig.8. Filtración al Vacío.

La nitración se originó tratando los compuestos aromáticos con una mezcla de ácido nítrico (HNO3) y sulfúrico (H2SO4) concentrados. El agente nitrante es el ion nitronio cargado positivamente (NO2)+, el cual se forma según la siguiente reacción:

La nitración aromática, se lleva a cabo por un mecanismo de sustitución electrófila aromática que incluye el ataque de un anillo bencénico rico en electrones por parte del ion nitronio. El ácido sulfúrico es regenerado y por tanto actúa como catalizador.

C7H6O2 C7H8 C6H6

El mecanismo de la nitración de la acetanilida es que un ion nitronio de la mezcla es el que efectúa el ataque electrolítico en el núcleo aromático.

Preguntas

1. Escriba las ecuaciones para cada una de las reacciones efectuadas en esta práctica.

El mecanismo de la sustitución electrófilo aromática: Halogenación nitración y sulfonación

Tolueno + Br2

Benceno + Br2

Ácido benzoico + Br2

2. Con base en la pregunta anterior completa la siguiente ecuación (-20ºC, en CCl4):

HC≡CC H2CH=CH 2+Br2→HBrC=CBrC H2CH=C H2

3. Escriba en detalle el mecanismo de sustitución electrofílica para obtener nitroacetanilida.

Para poder comenzar lo la reacción, primero se obtiene el agente nitrante que es el ión nitronio (NO3

+) mezclando ácido sulfúrico con ácido nítrico, que generan los iones nitronio, bisulfato y H+:

HNO3+2H2SO4 (NO2)+ + 2(HSO4)- + 3H+

Después se aprovecha dicho agente nitrante para mezclarlo con acetanilida, pasando a ser nitroacetanilida junto con el ácido sulfúrico que se recupera debido a su capacidad catalítica en la reacción.

4. Los fenoles son generalmente mucho menos ácidos (pKa 8-10) que los ácidos carboxílicos (pKa 5), pero el ácido pícrico (2,4,6-trinitro fenol) ) (pKa 0.25) es tan ácido como el ácido trifluoracético. Explique esta característica.

Debido a la estabilidad que presenta base conjugada de estos mismos, para el caso del ácido trifluoracético, este se ve influenciado por el efecto inductivo, al tener un grupo sustituyente más electronegativo atrae mayor densidad de carga, al igual que ácido pícrico por su elemento electronegativo.

5. ¿Cómo se obtiene etileno en el laboratorio? Si el etileno se sometiera a los experimentos realizados en esta práctica. ¿cuál sería su comportamiento? Explique con ecuaciones.

Puede obtenerse en laboratorios de Química Orgánica mediante la oxidación de Alcoholes.El etileno se produce por medio de deshidratación del Etano con un alcohol:

CH3CH2OH H+ / calor CH2=CH2 + H2O

Sometido el etileno a los experimentos realizados sus reacciones serían: Br2/CCl4

OH CH2=CH2 + Br2 CCl4 CH2-CH2

Br

Con KMno4:

CH2=CH2 + KMnO4 CH2-CH2

OH OH

1. La síntesis industrial moderna del acetileno se realiza por craqueo térmico del metano. explique este proceso.

El craqueo:Es un proceso químico por el cual se quiebran moléculas de un compuesto produciendo así compuestos más simples; en este proceso, los hidrocarburos gaseosos o líquidos livianos son calentados, mediante hornos, hasta 750–950 °C. Esta alta temperatura produce el rompimiento de enlaces, así que la formación de etileno se ve acompañada de la creación de otros productos secundarios no deseados, que son separados posteriormente por destilación o absorción.

Conclusión

Bibliografía

1. Seyhan Ege; Barcelona 2000 Química orgánica: estructura y reactividad, Volume 2, Editorial Reberté S.A,

2. Química Orgánica Experimental 1. Manual de laboratorio. Universidad del Atlántico Facultad de Ciencias Básicas.

3. Chang, R (1998). Boiling range. In: Chemistry, 6th Ed. McGraw Hill, New York.