Relatorio MetaNitrobenzoato de Metila

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE SANTA CRUZ – UESC
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS EXATAS E TECNOLOGICAS
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
PREPARAÇÃO, PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO 
M-NITROBENZOATO DE METILA
ILHÉUS – BA
JUNHO, 2016
IULE BIANK PAIRANA (201411322)
THALES SOUZA BOTELHO (201120280)
PREPARAÇÃO, PURIFICAÇÃO E CARACTERIZAÇÃO DO 
M-NITROBENZOATO DE METILA
	Trabalho apresentado para composição da nota prática da disciplina de Química Orgânica II do curso de Engenharia Química na Universidade Estadual de Santa Cruz.
	Prof. Doutor Reinaldo Gramacho
ILHÉUS – BA
JUNHO, 2016
RESUMO
A prática consiste na síntese do m-nitrobenzoato de metila a partir de 6,9 mL de benzoato de metila, 4 mL ácido nítrico, 4 mL ácido sufúlrico concentrado, metanol e gelo nas proporções adequadas. Após a obtenção do produto, o mesmo foi filtrado a vácuo e depois recristalizado, para ter certeza que o produto obtido era o m-nitrobenzoato de metila foi feito o teste para o ponto de fusão.
Palavras-chaves: benzoato de metila, nitração, m-nitrobenzoato, recristalização. 
1.	INTRODUÇÃO
O metilbenzoato ou benzoato de metila é um éster derivado de um ácido benzoico e metanol. O benzoato de metila, conforme a estrutura pode ser verificada na figura 1, é uma substância que se apresenta em estado líquido a temperatura ambiente, com ponto de fusão variando na ordem de 79ºC a 80ºC, ponto de fusão relativamente baixo característico de compostos orgânicos, apresentando um aspecto incolor e um aroma peculiar.
Figura 1
Em consonância com a figura 1, o benzeno dispor de uma estrutura muito estável, os seus elétrons π são ainda acessíveis à interferência com determinados reagentes. O benzeno, por exemplo, pode ser atacado por ácidos e outros reagentes eletrofílicos. Contudo, as reações tendem a prosseguir de forma a não ser destruída a aromaticidade. O resultado é um produto através de uma reação de substituição eletrofílica aromática.
A nitração é a introdução do nitro (NO2) em uma molécula orgânica. O grupo nitro pode atacar um carbono para formar um nitrocomposto. O sistema ácido sulfúrico/ácido nítrico, chamado de mistura sulfonítrica, é o reagente mais comum nesse tipo reação de substituição eletrofílica aromática.
A reação de nitração aromática fundamenta-se na substituição de um hidrogênio do anel aromático pelo NO2, proveniente do ácido nítrico, através dos seguintes mecanismos: 
 
Etapa 1: 
Figura 2
Nesta etapa, o acido nítrico aceita um próton do acido mais forte, o acido sulfúrico.
Etapa 2 :
Figura 3
Agora que está protonado, acido nítrico pode-se dissociar para formar um íon nitrônio. 
Etapa 3:
Figura 4
O íon nitrônio é o eletrófilo da nitração, ele reage com o benzoato de metila para a formação do m-nitrobenzoato de metila. [1]
Ao realizar reações químicas em laboratórios utilizando o benzoato de metila para a formação do m-nitrobenzoato de metila raramente verificará a ocorrência de um produto puro. Síncrono a isso, tais como subprodutos de reação, matérias-primas ou produtos de decomposição e oxidação podem acompanhar a amostra. Uma técnica muito utilizada na purificação de compostos orgânicos que estão no estado sólido à temperatura ambiente e a recristalização. Essa técnica se fundamenta na dissolução do sólido em um solvente quente e logo esfriar lentamente. Sob uma temperatura mais baixa, o material dissolvido tem menor solubilidade e leva a formação de cristais. O crescimento lento dos cristais, camada por camada, gera um produto puro e as impurezas ficam na retidas na solução. Quando o esfriamento é rápido, as impurezas são unidas ao precipitado, formando um produto impuro. A escolha do solvente é um fator crítico na recristalização sendo o ideal aquele que dissolve pouco a frio e muito a quente. Nem sempre a recristalização obterá um composto 100% puro; ela favorece a geração de um produto menos impuro e, pode ser repetida até se conseguir a pureza desejada. [2]
A determinação do ponto de fusão, temperatura crítica na qual uma substância passa do estado sólido para o líquido, ou ainda, temperatura em que os estados físicos sólido e líquido se encontram em equilíbrio, constitui um meio de uso rotineiro para caracterizar compostos orgânicos, para estabelecer critérios de pureza, bem como, para separá-los de suas eventuais misturas. 
Em geral, a passagem do estado sólido para o líquido de uma substância, é verificada dentro de um intervalo ou variação mínima de temperatura em cerca de 1°C. Já as misturas apresentam um maior intervalo de variação, que irá depender do número de componentes da mistura e suas proporções percentuais e/ou moleculares. [3] 
O ponto de fusão pode ser determinado em laboratório bastando apenas um tubo capilar, um termômetro e uma fonte de calor. A quantidade de calor cedida ao sistema deve ser suficiente para fundir a amostra em análise. [3]
2.	PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
	2.1	 Preparo da mistura sulfonítrica
Em um béquer de 50 mL colocou-se 4 mL de ácido sulfúrico concentrado. Transferiu o béquer para o banho de gelo e, com uma pipeta, adicionou-se gota a gota, 4 mL de ácido nítrico concentrado e reservou.
	2.2	 Preparação do m-nitrobenzoato de metila
	Em um béquer de 150 mL, adicionou-se 12 mL de ácido sulfúrico concentrado, transferiu-se o béquer para um banho de gelo e sal até a temperatura de 0 °C, e adicionou-se lentamente 6,9 mL de benzoato de metila. Manteve-se a temperatura de 0 °C ou abaixo e, com um conta gotas de plástico, adicionou-se gota a gota, a mistura sulfonítrica já preparada. Durante a adição, agitou-se a mistura continuadamente e manteve-se a temperatura abaixo de 15 °C. Após toda a mistura ter sido adicionada, deixou-se em repouso à temperatura ambiente por 15 minutos. Após 15 minutos, adicionou-se a mistura sobre 50 g de gelo picado em um béquer de 250 mL. Após o gelo ter fundido, isolou-se o produto por filtração a vácuo em um funil de Buchner e lavou-se com duas porções de 25 mL de água gelada e duas porções de metanol gelado.
	2.3	 Purificação do produto
	Recristalizou-se o produto utilizando-se 30 mL da mistura etanol/água (2:1), usando-se a técnica de recristalização já conhecida.
	2.4	 Caracterização do produto
	Secou-se o produto recristalizando-o em estufa a 60°C por 1 hora e determinou-se o ponto de fusão.
3.	RESULTADOS E DISCUSSÃO
A nitração do nitrobenzoato de metila é um exemplo de substituição aromática eletrofilica em que um próton no anel aromático é substituído por um grupo nitro em conformidade com o mecanismo já descrito na introdução e que pode ser resumido a: 
Etapas 1 e 2: 2 H2SO4 + HNO3 → 2 HSO4- + NO2+ + H3O+
Etapa 3: C6H5CO2CH3 + NO2+ + H2O → C6H5CO2CH3NO2 + H3O+
Ao realizar a adição da mistura sulfonitrica, na etapa 1, foi-se necessário que a temperatura do sistema estivesse em 0°C, uma vez que se essa temperatura fosse ultrapassada poderia ocorrer a formação de um produto indesejado. Ao adicionamos gota a gota a mistura sulfonítrica tivemos que manter a temperatura inferior a 15ºC, pois se ultrapassasse essa temperatura provavelmente ocorreria uma sulfunação ou dinitração. Ressalta-se que o ácido sulfúrico utilizado na reação com ácido nítrico é concentrado uma vez que este aumenta a velocidade da reação através do aumento da concentração do eletrófilo, o íon nitônio, NO2+, conforme mostrado na etapa 1.
A posição da substituição pelo grupo nitro se dá na posição meta, que representa as posições 3 em relação ao substituinte que orienta. Esse o radical que existe ligado ao benzeno, um éster (CO2CH3), é um grupo desativador moderado, uma vez que existe um átomo de carbono de carga parcial positiva ligado diretamente ao benzeno, que dificulta a reação desativando o anel aromático e orienta a entrada do segundo grupo para a posição meta. 
Assim, a entrada de outro grupo desativador em orto é instável devidoà presença de cargas positivas em átomos adjacentes, de acordo com a figura 5.
Figura 5
A entrada do íon nitrônio na posição meta é preferencial porque os intermediários dos ataques em meta são menos instáveis que o ataque em orto e para devido à presença de cargas positivas em átomos que não são adjacentes, de acordo com a figura 6.
Figura 6
A mesma linha de raciocínio pode ser utilizada para entender a instabilidade ao ataque para.
A energia livre de ativação para a substituição na posição meta do nitrobenzoato de metila é menor do que o ataque na posição orto ou para. Assim, a substituição ocorre mais rapidamente na posição meta que a substituição que ocorre na posição orto e para.
	Dispondo dos conhecimentos para que se perceba que em laboratório ocorreu a formação de um produto m-nitrobenzoato de metila, temos os resultados laboratoriais dispostos nas tabelas 1 e 2 abaixo.	
Tabela 1: Constantes físicas dos compostos
	Reagentes e Produtos
	M. M.
g/mol
	P. F. (ºC)
	P. E. (ºC)
	Densidade
g/mL
	Aspectos físicos
	C6H5CO2CH3
	136
	199,6
	-15
	1,094
	líquido
	H2SO4
	98
	337
	10
	1,84
	líquido
	HNO3
	63
	83
	-42
	1,51
	líquido
	m-nitrobenzoato de metila
	181
	
	78-80
	
	sólido
	Metanol
	32,04
	65
	-98
	0,79
	líquido
	Etanol
	46,06
	78
	-114
	0,79
	líquido
Tabela 2: Valores usados e calculados para a realização do experimento. 
	Reagentes e produtos
	Massa molar
	Massa usada
	Proporção
	
	
	G
	mols
	teórica
	prática
	C6H5CO2CH3
	136
	7,55
	0,056
	1
	1
	H2SO4
	98
	22,8
	0,225
	1
	4,01
	HNO3
	63
	8,89
	0,095
	1
	1,70
	m-O2NC6H4CO2CH3
	181
	-
	-
	1
	-
Através dos seguintes cálculos foi-se possível obter alguns dados contidos na tabela 2. Tais cálculos foram possíveis com o auxílio de dados contidos na tabela 1.
Cálculos para obtenção da massa e numero de mols do C6H5CO2CH3.
d = 1,094 g/cm3			m = ?			v = 6,9 mL
d = m/V m = d.V m = 1,094 ∙ 6,9 = 7,55 g
n = m/MM n = 7,55mL/136g mol-1 n = 0,056 mol
Cálculos para obtenção da massa e numero de mols do H2SO4.
d = 1,84 g/cm3			m = ?			v = 12 mL
d = m/V m = d.V m = 1, 84 ∙ 12 = 22,08 g
n = m/MM n = 22,08g/98g mol-1n = 0,225 mol
Cálculos para obtenção da massa e numero de mols do HNO3
d = 1,51 g/cm3			m = ?			v = 4 mL
d = m/V m = d.V m = 1, 51 ∙ 4 = 6,04 g
n = m/MM n = 6,04g/63g mol-1n = 0,095 mol
As proporções teórica observadas foram na ordem de 1 para 1, já as proporções usadas, que obtivemos através do agente limitante que é o benzoato de metila, os cálculos são expressos logo a seguir.
Proporções usadas do C6H5CO2CH3 (PC6H5CO2CH3)
PC6H5CO2CH3 = 0,056 mol/0,056 mol
PC6H5CO2CH3 = 1
Proporções usadas do H2SO4 (PH2SO4)
PH2SO4 = 0,255 mol/0,056 mol
PH2SO4 = 4,01
Proporções usadas do HNO3 (PHNO3)
PHNO3 = 0,095 mol/0,056 mol
PHNO3 = 1,70
Já sabendo que o reagente limitante nessa reação e o benzoato de metila foi realizado o calculo de rendimento teórico do m-nitobenzoato de metila.
Rendimento teórico do m-nitrobenzoato de metila foi:
1 mol-------181g
0, 056---------X
X = 10,14 g
Ao realizarmos o calculo do rendimento experimental realizada obtivemos um erro que pode ser observado através do calculo utilizando a massa inicial da placa de petri e a massa final (contendo o sólido) o calculo e expresso a seguir.
Calculo rendimento experimental.
Massa inicial = 27, 5701 g
Massa final (contendo o solido) = 33,043 g
	A massa do m-nitrobenzoato de metila é dada pela operação: Massa final (contendo o sólido) – massa inicial. Logo, a massa do m-nitrobenzoato de metila é de 5,4729g. E o rendimento foi de 53,97%, de acordo com a operação de proporção abaixo: 	10,14g-----100%
		5,4729g-------X
		X= 53,97%
Para garantir que o produto encontrado na prática foi o m-nitrobenzoato de metila, oi feito o teste através da determinação do ponto de fusão do composto. Através dos dados do ponto de fusão observado em pratica e do ponto de fusão apresentado pela literatura tem-se, abaixo a tabela 3, na qual ocorre uma comparação entre os pontos de fusão dos produtos orto, meta e para do nitrobenzoato de metila.
Tabela 3: Pontos de Fusão dos compostos o-, m-, p- do nitrobenzoato de metila.
	
Nome do composto
	
Estrutura
	
Ponto de Fusão
	
m-nitrobenzoato de metila
	
	
79 – 80 ºC
	
p-nitrobenzoato de metila
	
	
94 – 95 ºC
	
o-nitrobezoato de metila
	
	
104 – 106ºC
Através do ponto de fusão obtido na pratica que foi na faixa de 77ºC a 78ºC, pode-se confirmar a formação do m-nitrobenzoato de metila. Essa caracterização divergindo na faixa de 1ºC a 3ºC pode indicar a presença de erros, por exemplo, a falta de calibração do termômetro que pode interferir na aferição do ponto de fusão.
4. 	CONCLUSÃO	
	Esse experimento comprovou que a formação de um produto que foi orientado a ser um meta, ou seja, com um grupo orientador desativador é a menos desfavorecida quando já se tem outro grupo desativador ligado a estrutura benzênica, uma vez que o íon arênio formado é a que apresenta, nesse ataque, a estrutura de ressonância menos instável. Assim, espera-se que o produto tenha sido formado, mesmo não tendo todas as evidências que comprovariam a formação do m-nitrobenzoato de metila como a exatidão do ponto de fusão da prática em consonância com o encontrado na literatura. É imprescindível que se controle a temperatura do sistema, pois esse descuidado pode acarretar na formação de outros produtos devido à energia de ativação. O rendimento da reação é aceitável, uma vez que ocorreu no desenvolvimento do processo perda de massa tal como a aderência do material aos recipientes.
	
REFERÊNCIAS 
[1] SOLOMONS, T. W. Graham. Química orgânica. Volume 2, 10º ed., Rio de Janeiro: LTC Ed. 20011.
[2] Recristalização disponível em: <www.pucrs.br/química> Acesso em 30 de maio de 2016.
 [3] MCMURRY, John. Química Orgânica. Volume. 1 / John McMurry; tradução técnica Ana Flavia Nogueira e Izilda Aparecida Bagatin. São Paulo: Pioneira Thomson Learning, 2005.
VOGUEL, A. I. Química Orgânica: Analise Orgânica Qualitativa. v. 3, 3. ed., Rio de Janeiro: ao Livro Técnico S. A., 1971. 1251.