Síntese do 2,4-Dinitrotolueno

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<p>UNIVERSIDADE FEDERAL DE ALAGOAS - UFAL</p><p>INSTITUTO DE QUÍMICA E BIOTECNOLOGIA - IQB</p><p>CURSO DE BACHAREM EM QUÍMICA CIENTÍFICA E INDUSTRIAL</p><p>QUÍMICA ORGÂNICA EXPERIMENTAL II</p><p>PREPARAÇÃO DO 2,4-DINITROTOLUENO</p><p>ERIK A. B. GUEDES</p><p>Relatório referente ao experimento</p><p>com título de “preparação do 2,4-dinitrotolueno”,</p><p>com orientação da professora Drª Maria Cristina,</p><p>para requerimento avaliativo da disciplina de</p><p>Laboratório de Química Orgânica II.</p><p>Maceió - AL 2022</p><p>1</p><p>1. Introdução</p><p>A síntese do 2,4-dinitrotolueno, também conhecido como 2,4-DNT, é um processo</p><p>químico de significativa complexidade e importância industrial. Este composto químico, que</p><p>consiste em um derivado do tolueno com dois grupos nitro (NO2) nas posições 2 e 4 da</p><p>molécula, possui uma ampla gama de aplicações na indústria química, farmacêutica e</p><p>explosivos. Sua síntese envolve uma intricada série de reações químicas, requerendo precisão</p><p>e expertise química avançada (XU & JING, 2012).</p><p>O 2,4-DNT é um intermediário chave na síntese de corantes, produtos farmacêuticos e</p><p>explosivos, sendo utilizado na produção de compostos como o trinitrotolueno (TNT),</p><p>conhecido por sua aplicação militar. Além disso, é utilizado na síntese de produtos químicos</p><p>industriais e na fabricação de tintas e vernizes (ESMAEIL, & ANDREW, 2017).</p><p>A preparação do 2,4-DNT envolve uma série de reações químicas complexas.</p><p>Inicialmente, o tolueno, que é obtido a partir do petróleo bruto, é submetido à nitração, na</p><p>qual é um processo que o tolueno é tratado com uma mistura de ácido nítrico e ácido sulfúrico</p><p>sob condições controladas de temperatura e pressão (ULLAH et al., 2010). Durante esse</p><p>processo, ocorre a introdução dos grupos nitro (NO2) nas posições 2 e 4 do anel aromático do</p><p>tolueno, resultando no 2,4-dinitrotolueno, como observado na figura 1.</p><p>Figura 01: Mecanismo de reação.</p><p>Fonte: Autor, 2023.</p><p>2</p><p>A reação de nitração é altamente exotérmica e requer cuidados extremos de segurança</p><p>devido à sua tendência à explosão. Portanto, a manipulação adequada dos reagentes e a</p><p>regulagem precisa das condições de reação são essenciais para evitar acidentes.</p><p>A produção do 2,4-DNT enfrenta vários desafios, incluindo questões ambientais e de</p><p>segurança. A disposição inadequada de resíduos químicos resultantes da nitração pode causar</p><p>sérios impactos ambientais, incluindo a contaminação do solo e da água. Além disso, a</p><p>exposição a produtos químicos tóxicos durante o processo de fabricação representa riscos</p><p>significativos para os trabalhadores e a comunidade circundante.</p><p>O processo industrial de fabricação do 2,4-Dinitrotolueno (2,4-DNT) é um marco da</p><p>engenharia química moderna, na qual o composto, com suas aplicações que vão desde a</p><p>produção de explosivos até a fabricação de corantes, demanda um método de síntese</p><p>altamente especializado e rigorosamente controlado.</p><p>Seu processo na indústria se inicia com a obtenção do tolueno, geralmente derivado de</p><p>fontes petroquímicas, que é então submetido a uma série de reações químicas complexas. A</p><p>etapa crítica desse processo é a nitração do tolueno, na qual os grupos nitro (NO2) são</p><p>introduzidos nas posições 2 e 4 do anel aromático. Essa etapa requer condições rigorosamente</p><p>monitoradas, devido ao alto risco de explosão envolvido na manipulação de ácido nítrico e</p><p>ácido sulfúrico concentrados. Além disso, a recuperação e o tratamento dos subprodutos</p><p>químicos, juntamente com a gestão responsável de resíduos, são aspectos cruciais para</p><p>minimizar os impactos ambientais adversos associados a esse processo industrial. O contínuo</p><p>avanço tecnológico na busca por métodos de produção mais seguros, eficientes e sustentáveis</p><p>continua sendo um desafio constante na indústria química moderna, à medida que a demanda</p><p>por produtos derivados do 2,4-DNT continua a crescer em diversas aplicações industriais</p><p>(Cho, Lee, & Oh, 2008). Seu processo pode ser observado na figura 02.</p><p>3</p><p>Figura 01: Processo industrial.</p><p>Fonte: Autor, 2023.</p><p>2. Objetivo</p><p>Explorar a Síntese do 2,4-Dinitrotolueno por Meio de Reações de Substituição</p><p>Eletrofílica Aromática como uma Abordagem Pedagógica para Ampliar o Compreendimento</p><p>da Formação de Anéis Benzênicos Substituídos.</p><p>3. Parte Experimental</p><p>A tabela abaixo corresponde aos materiais e quantidades utilizadas para o experimento</p><p>de saponificação feito em microescala.</p><p>ITENS QUANTIDADES</p><p>Ácido nítrico 10 mL</p><p>Ácido sulfúrico concentrado 10 mL</p><p>Tolueno 2 mL</p><p>Balão de fundo redondo de capacidade 50 1</p><p>4</p><p>Tanque de Nitração</p><p>1</p><p>Tanque de</p><p>lavagem</p><p>Separador</p><p>Separador</p><p>Reservatório</p><p>Reservatório (para</p><p>reutilização do processo)</p><p>Tanque de</p><p>Nitração 2</p><p>Tanques de</p><p>desacidificação,</p><p>lavagem e purificação</p><p>mL (junta 14/20)</p><p>Funil de placa porosa 1</p><p>Condensador de refluxo 1</p><p>Kitassato de 125 mL 1</p><p>Proveta de 10 mL (2 unidades) 2</p><p>Béquer de 125 mL 1</p><p>Cuba de vidro 1</p><p>Barra de agitação magnética 1</p><p>Bomba de vácuo 1</p><p>Aquecedor/agitador magnético 1</p><p>Suporte Universal 1</p><p>Frasco com tampa 1</p><p>4. Procedimentos</p><p>Em um balão de uma boca de 50 mL, equipado com uma barra de agitação e um</p><p>condensador de refluxo, foram adicionados 10 mL de ácido nítrico concentrado. Em seguida,</p><p>adicionou-se lentamente sob agitação magnética e resfriamento 10 mL de ácido sulfúrico</p><p>concentrado. Além disso, utilizou-se um banho de gelo para manter os ácidos frios.</p><p>Em seguida, mantendo a mistura sob resfriamento, adicionou-se lentamente 2 mL de</p><p>tolueno. Iniciou o aquecimento da mistura reacional gradualmente até atingir a temperatura de</p><p>85 °C. Esperou-se a mistura reagir a essa temperatura por 15 minutos.</p><p>Após esse período, foi resfriado novamente a mistura, despejando em 100 mL de água</p><p>destilada gelada contida em um béquer, em seguida foi filtrado o material sólido à pressão</p><p>reduzida em um funil de placa porosa, assegurando-se de lavar bem o material sólido para</p><p>remover traços de ácido residual. Por fim, o material foi transferido para um vidro relógio</p><p>previamente pesado e coloque-o em um dessecador à vácuo. Deixe-o no dessecador por uma</p><p>semana para garantir a completa secagem. Após esse período, o rendimento reacional pode ser</p><p>calculado.</p><p>5</p><p>5. Resultados e Discussão</p><p>Na síntese do 2,4-Dinitrotolueno (DNT), a determinação do rendimento é um aspecto</p><p>crítico que avalia a eficiência do processo. Conforme os procedimentos mencionados, a massa</p><p>obtida do DNT foi de 7,404 g. Este valor, em relação à massa teórica máxima esperada,</p><p>considerando a quantidade de tolueno utilizada como reagente de partida.</p><p>Primeiramente, é essencial considerar que a massa teórica máxima do DNT pode ser</p><p>calculada com base na estequiometria da reação química, conforme a equação balanceada</p><p>previamente mencionada. De acordo com essa equação, a relação estequiométrica entre o</p><p>tolueno e o DNT é de 1:1. Isso significa que, teoricamente, a massa do DNT obtida deve ser</p><p>igual à massa do tolueno utilizado, desde que todas as condições reacionais sejam ideais e que</p><p>a conversão seja completa.</p><p>A massa molar do tolueno (C H ) é de aproximadamente 92,14 g/mol, o que nos permite₇ ₈</p><p>calcular a massa teórica máxima do DNT esperada:</p><p>Massa teórica máxima do DNT = Massa do tolueno utilizado / Relação estequiométrica</p><p>Massa teórica máxima do DNT = (10 mL x 0,87 g/mL) / 92,14 g/mol = 0,087 g</p><p>Dessa forma, temos:</p><p>1 mol de tolueno  1 mol de 2,3-dinitrotolueno</p><p>0,089 mol  X</p><p>X = 0,0189  0,0189 = m/ 189,134 = 3,44g</p><p>Massa obtida no experimento = 2,411</p><p>100% --- 3,44</p><p>X --- 2,414  X= 241/3,44 = 70,67%</p><p>É importante ressaltar que o rendimento da síntese do DNT foi de 7,404 gramas em relação à</p><p>massa teórica máxima esperada de 0,087 gramas. Esse rendimento de mais de 80% sugere</p><p>que, de alguma forma, houve uma significativa concentração ou acumulação de DNT durante</p><p>o processo, ou que os cálculos iniciais podem conter erros.</p><p>6</p><p>A</p><p>análise do rendimento na síntese química é crucial para avaliar a eficiência do processo e</p><p>identificar áreas onde melhorias podem ser feitas. Neste caso, é importante investigar as</p><p>razões por trás do rendimento excepcionalmente alto e considerar ajustes no procedimento</p><p>experimental para obter resultados mais consistentes e previsíveis.</p><p>Já perfil físico-químico, o DNT é uma substância sólida à temperatura ambiente, com</p><p>ponto de fusão em torno de 69 °C. Apresenta uma solubilidade moderada em solventes</p><p>orgânicos e é praticamente insolúvel em água. Sua estabilidade térmica e química é um fator</p><p>crucial para sua utilidade na fabricação de explosivos, onde atua como precursor.</p><p>Além disso, o DNT é uma substância altamente tóxica e carcinogênica, representando</p><p>riscos significativos à saúde humana e ao meio ambiente. Seu descarte inadequado pode</p><p>resultar na contaminação do solo e da água, com impactos adversos em ecossistemas naturais</p><p>e na saúde de comunidades próximas a áreas industriais. Além disso, a exposição ocupacional</p><p>ao DNT pode causar sérios problemas de saúde, incluindo danos ao sistema nervoso e ao</p><p>fígado, por isso o perfil físico-químico se torna importante, tanto para parte industrial, quando</p><p>para o manuseio e comercialização do produto, observados na tabela 1.</p><p>Tabela 1: Características físico-químicas dos reagentes</p><p>Substância Fórmula</p><p>Química</p><p>Massa</p><p>Molecular</p><p>(g/mol)</p><p>Ponto de</p><p>Fusão (°C)</p><p>Ponto de</p><p>Ebulição</p><p>(°C)</p><p>Densidade</p><p>(g/cm³)</p><p>Ácido Nítrico</p><p>Concentrado</p><p>HNO₃ 63,01 -42,0 83,0 1,50</p><p>Ácido</p><p>Sulfúrico</p><p>Concentrado</p><p>H SO₂ ₄ 98,08 10,3 337,0 1,84</p><p>Tolueno C H₇ ₈ 92,14 -93,0 110,6 0,87</p><p>2,4-</p><p>Dinitrotoluen</p><p>o</p><p>C H N O₇ ₆ ₂</p><p>₄</p><p>182,13 69,0 300,0 1,57</p><p>7</p><p>Fonte: Autor 2023.</p><p>6. Conclusão</p><p>Neste estudo, foi apresentado a síntese do 2,4-dinitrotolueno utilizando reações de</p><p>substituição eletrofílica aromática na qual foram observados os detalhes das reações</p><p>são fundamentais para entender a formação de compostos complexos.</p><p>Além disso, essa experiência em microescala faz compreender a importância e</p><p>noção sobre a importância da segurança e da responsabilidade ambiental na química e</p><p>na indústria. A natureza explosiva do dinitrotolueno destaca a necessidade de</p><p>cuidados extremos no manuseio, e a contaminação ambiental é um desafio que não</p><p>pode ser ignorado.</p><p>Por fim, seu rendimento e processos se tornaram uma prática importante, assim</p><p>como todo os dados físico-químicos que são utilizados como normas de segurança de</p><p>desdobramento no processo industrial.</p><p>8</p><p>7 Referências</p><p>ARTURO, A. M., MOHAMED, T., ESMAEIL, S., & ANDREW, S. B. Degradation</p><p>of the dinitrotoluene isomers 2,4- and 2,6-DNT: Appraising the role of microorganisms.</p><p>In A. A. Naser (Ed.), Enhancing cleanup of environmental pollutants (pp. 5–20). New York:</p><p>Springer 2017.</p><p>BOULEKRAS & NADIA. Chimie Organique Expérimentale. OPU. 2010.</p><p>DONALD L. PAVIA; GARY M. LAMPMAN; GEORGE S. KRIZ; RANDALL G.</p><p>ENGEL. Química Orgânica Experimental, Técnicas de Escala Pequena. 2ª ed., Bookman,</p><p>2009.</p><p>ENGEL, R.G.; KRIZ, G. S.; LAMPMAN, G.M.; PAVIA, D.L. Química Orgânica</p><p>Experimental. Tradução da 3ª ed. Norte-americana, São Paulo, Cengage Learning, 2012.</p><p>MACHADO, C. Estudos Físico-químicos do Solvatocromismo e Halocromismo.</p><p>Centro de Ciências Físicas e Matemáticas, Universidade Federal de Santa Catarina,</p><p>Florianópolis, 1997.</p><p>OSEKOKHUNE E.O. et al. Aerobic degradation of 2,4-dinitrotoluene: Effect of</p><p>raw organic wastes and nitrogen fortification. Journal of Environmental Quality (John</p><p>Wiley & Sons, Ltd), vol. 49, p. 835-846, 2020.</p><p>ULLAH, H., SHAH, A. A., HASAN, F., & HAMEED, A. Biodegradation of</p><p>trinitrotoluene by immobilized Bacillus sp. YRE1. Pakistan Journal of Botany, 42(5), 2015.</p><p>VOGEL, A. I., TATCHELL, A. R., FURNIS, B. S., HANNAFORD, A. J., SMITH, P.</p><p>W. G. VOGEL´S Textbook of Practical Organic Chemistry, 5ª ed., Prentice Hall, 1996.</p><p>XU, J., & JING, N. Effects of 2,4-dinitrotoluene exposure on enzyme activity,</p><p>energy reserves and condition factors in common carp (Cyprinus carpio).Jornal de Mate</p><p>Perigoso-rials,203–204, 299–307, 2012.</p><p>9</p><p>1. Introdução</p><p>2. Objetivo</p><p>3. Parte Experimental</p><p>4. Procedimentos</p><p>5. Resultados e Discussão</p><p>6. Conclusão</p><p>7 Referências</p>