Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. Prática 03 Síntese da p-nitro-acetanilida O O H N H N CH3COOH H2SO4/HNO3 + -O N O Objetivos Didáticos: 1) Desenvolver os conceitos de reações de substituição eletrofílica aromática. 2) Discutir o mecanismo, dando ênfase à influência do substituinte no anel benzênico. _________________________________ INTRODUÇÃO____________________________ Os hidrocarbonetos aromáticos são conhecidos, em geral, como arenos. Um grupo arila é derivado de um areno pela remoção de um átomo de hidrogênio e o seu símbolo é Ar. Assim, os arenos são simbolizados por ArH, tal como os alcanos o são por RH. As reações mais características dos arenos benzenóides são as reações de substituição que ocorrem quando reagem com reagentes eletrofílicos. Estas reações são do tipo geral que aparece a seguir: ArH + E+ ArE + H+ ou H + E+ E + H+ Os eletrófilos são ou um íon positivo (E+) ou uma espécie deficiente de elétrons, com grande carga positiva parcial. Por exemplo, o benzeno pode ser bromado ao reagir com o bromo na presença de FeBr3. O bromo e o FeBr3 reagem para produzir íons bromo positivos, Br+. Estes íons bromo positivos atuam como eletrófilos e atacam o anel benzênico, substituindo um dos átomos de hidrogênio numa reação chamada substituição eletrofílica aromática. As substituições eletrofílicas aromáticas permitem a introdução direta de grande variedade de grupos no anel aromático e, por isto, abrem caminho para a síntese de muitos compostos Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas importantes. Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. As cinco substituições aromáticas são: halogenação, sulfonação, alquilação de Friedel-Crafts, acilação de Friedel-Crafts e, a que realizaremos neste experimento, nitração. O benzeno reage lentamente com o ácido nítrico concentrado para dar o nitrobenzeno. A reação é mais rápida se for feita pelo aquecimento do benzeno com mistura de ácido nítrico concentrado e ácido sulfúrico concentrado. H HNO3/H2SO4 NO2 + H3O+ + HSO4- O ácido sulfúrico concentrado aumenta a velocidade da reação graças ao aumento da concentração do eletrófilo, o íon nitrônio (NO2+). Se já há um substituinte no anel benzênico, um segundo eletrófilo só pode atacar em uma de três posições e uma mistura de compostos orto, meta e para dissubstituídos é obtida. Os antigos químicos descobriram que as orientações relativas dos substituintes nos produtos de reação não dependem qualitativamente da natureza do eletrófilo. Ao contrário, a orientação dos substituintes no produto depende do substituinte que está ligado ao anel antes da reação. O nitrobenzeno, por exemplo, dá sempre um produto de reação meta dissubstituído para a nitração, sulfonação, bromação, ou qualquer outra reação de substituição eletrofílica aromática. Como regra geral, se no anel já existe um grupo que é doador de elétrons, o próximo substituinte entrará nas posições orto e meta em relação ao primeiro substituinte. É importante salientar que não necessariamente as posições orto e para serão proporcionalmente igualmente substituídas, pois fatores estéricos contribuem para a seletividade. Se no anel, por outro lado, já existe um grupo que é retirador de elétrons, o próximo substituinte entrará nas posições meta em relação ao primeiro substituinte. Os motivos destas seletividades serão melhor entendidas na parte teórica da disciplina. _______________________________ EXPERIMENTO___________________________ 1a PARTE 1) A um béquer seco de 50mL, adicione aproximadamente 2,5g (anote todos os dígitos) de acetanilida seca e pulverizada. A seguir, adicione 3,0 mL de ácido acético glacial, e agite com um bastão de vidro para obter uma suspensão. Ácido Acético Acetanilida Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. 2) Adicione, sob agitação constante, 6,25mL de H2SO4 concentrado (a mistura tornar-se-á quente e límpida). H2SO4 (aq) Suspensão (acetanilida + ác. acético) 3) Resfrie a mistura reacional em banho de gelo triturado e sal até que a temperatura chegue a 0-2o C (A temperatura dever medida com o termômetro imerso na solução). 4) Adicione à solução, ainda imersa em banho de gelo, lentamente e com agitação constante, 2,3 mL (1,4 mL de HNO3 concentrado e 0,9 mL de H2SO4 concentrado) da mistura nitrante resfriada (mantida em um tudo de ensaio imerso no banho de gelo) já preparada pelo técnico do laboratório. IMPORTANTE!!!! A adição deve ser realizada lentamente para garantir que a temperatura reacional não ultrapasse 10o C. Solução Nitrante Resfriada T < 10 oC Banho de H2O e Gelo Solução (acetanilida + ác. acético + H2SO4) 5) Terminada a adição, deixe a mistura reacional em repouso a temperatura ambiente por 20 minutos. 6) A um béquer de 100 mL, adicione 25 g de gelo picado. Sobre o gelo, adicione a mistura reacional com agitação vigorosa com bastão de vidro. Haverá a precipitação do produto. H2SO4 (aq) + Ác. Acético (aq) p-Nitro-acetanilida (s) gelo Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. 7) Deixe em repouso por 5 minutos e filtre à vácuo. p-Nitro-acetanilida (s) H2SO4 (aq) + Ác. Acético (aq) p-Nitro-acetanilida + Impurezas Ácidas Vácuo Vácuo solução ácida 8) Lave o filtrado várias vezes com pequenas porções de água gelada até que o pH da água adicionada for igual ao pH da água recolhida no kitassato, isto é, até que o pH da água recolhida esteja entre 6-7 (600-800 mL), um indicativo que impurezas ácidas não mais estão presentes no sólido. H2O gelada p-Nitro-acetanilida p-Nitro-acetanilida + Impurezas + Impurezas Ácidas Vácuo Vácuo H2O (pH neutro) solução ácida 2a PARTE 9) Recristalize a p-nitroacetanilida impura obtida: 9.1) Dissolva o sólido (obtido na semana anterior) em álcool etílico (~30 ml) em ebulição (utilize uma placa de aquecimento para aquecer o álcool). Etanol Quente p-Nitro-Acetanilida Impura Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas 9.2) Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. Caso haja alguma impureza insolúvel, filtre a solução quente em um funil aquecido instantes antes com um bico de Bunsen, e recolha o filtrado em um béquer de 50mL. 9.3) Deixe em repouso até que a p-nitro-acetanilida recristalize. Solução Etanol Etanólica Cristais Puros p-Nitro-acetanilida 9.4) Filtre os cristais em funil de Büchner, lavando com pequena quantidade de álcool etílico gelado. Escorrer bem e secar ao ar ou em estufa a 100o C por 5 minutos. Etanol Gelado Cristais Puros Cristais Puros p-Nitro-acetanilida p-Nitro-acetanilida Vácuo Etanol 9.5) Vácuo Vácuo Etanol Pese o produto seco e calcule o rendido obtido na reação. Reação de confirmação Uma solução de sulfato ferroso amoniacal é obtida a partir da dissolução de sulfato de ferro (II) (FeSO4) em uma solução aquosa de amônia (NH4OH). Ao se adicionar ácido à esta solução, ocorre uma reação ácido-base que gera no meio moléculas de amônia (NH3) que complexam com os íons Fe2+ formando um composto de coordenação [Fe(NH3)6]2+ com coloração esverdeada. A adição de íons hidróxido (OH-) basifica o meio e permite que o grupo nitro se reduza com conseqüente oxidação dos íons Fe2+ para íons Fe3+. Os íons férricos (Fe3+) formam um composto de coordenação (complexo) com coloração castanho-avermelhado, evidenciando a oxidação dos íons ferroso. Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II Fundação Edson Queiroz Universidade de Fortaleza CCS - Ciências Farmacêuticas Prof. Dr. José Nunes da Silva Jr. 10) A um tubo de ensaio, misture alguns cristais do produto com 2mL de solução aquosa 5% de sulfato ferroso amoniacal recentemente preparada. 11) Adicione 1 gota de solução aquosa a 10% (v/v) de H2SO4 e 1mL de solução metanólica a 10% de KOH. 12) Feche (arrolhe) rapidamente o tubo e agite. A presença do nitroderivado é revelada pela oxidação dos íons ferroso (Fe2+) a férrico (Fe3+), verificada pela modificação de coloração do precipitado, que passa a vermelho-acastanhado no decorrer de 01 minuto. Tópicos para Estudo a. Solubilidade de compostos orgânicos. b. Recristalização. c. Estequiometria e cálculo de rendimento. d. Toxicidade dos reagentes. Informações Gerais acetanilida H2SO4 HNO3 p-nitroacetanilida o 113-115 -2 - 42 215 o p. e. ( C) 304 327 121 - d (g/mL) - - - - P.M. (g/mol) 135.7 98 63 180 cor incolor incolor incolor amarela p. f. ( C) ____________________________BIBLIOGRAFIA________________________ Allinger, N.L., Cava, M.P., Química Orgânica, 2a Ed., Guanabara Dois, Rio de Janeiro, 1978, p. 315. Solomons, T.W., Química Orgânica, vol. 1, 6a Ed., LTC, Rio de Janeiro, 1996, p. 718, 679. McMurry, Química Orgânica, vol. 1, LTC, Rio de Janeiro, 1997, p. 546. Roteiros das Práticas N307- Química Orgânica II