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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduação em Farmácia Disciplina Química Orgânica Experimental ATIVIDADE 8: OBTENÇÃO DA p-NITRO-ACETANILIDA Deborah de Oliveira Moreira Clara Debrot Boechat Professor Gaspar Diaz Muñoz Belo Horizonte 06/2018 1 Introdução A p-nitro-acetanilida é um composto de fórmula molecular C6H4NHCOCH3NO2, massa molar 180,16 g/mol e ponto de fusão entre 212ºC e 215ºC. Ela pode ser obtida através da reação de acetanilida e com ácido nítrico e ácido sulfúrico, num mecanismo denominado Substituição Eletrofílica Aromática (Figura 1). Figura 1: Reação de nitração da acetanilida para formação da p-nitro-acetanilida Fonte: Adaptado de Ebah, 2010 Compostos aromáticos são muito estáveis devido á deslocalização dos elétrons π da molécula. Desta forma, estes eles reagem apenas por meio de reações de substituição, compreendidas por duas etapas: (1) uma molécula eletrofílica é atacada pela molécula nucleófila (composto aromático) e é gerado um intermediário catiônico denominado íon arênio; (2) ocorre a perda de um próton e restauração da aromaticidade da molécula. A presente prática demostra um exemplo de reação de nitração, onde um grupamento - NO2 é inserido na molécula da acetanilida. A formação do eletrófilo ocorre por meio da mistura de ácido nítrico com ácido sulfúrico, formando o íon nitrônio. O local onde esse íon é inserido no anel aromático é influenciado pelo substituinte -NHCOCH3, que por se tratar de um ativador moderado do anel benzênico orienta substituições na posição orto ou para. Como há impedimento estérico, a nitração para formação da nitroacetanilida ocorre em para. Ao final do experimento foi possível obter o composto p-nitro-acetanilida, que foi purificado por meio de filtração á vácuo. 2 Objetivos Objetivos gerais Compreender o mecanismo da substituição eletrofílica aromática. Discutir a influência do substituinte na reatividade e orientação da molécula frente a reações de substituição. Observar e executar técnicas de separação e purificação de compostos. Objetivos específicos Preparar a p-nitro-acetanilida a partir da acetanilida e do ácido nítrico. Separar composto final por meio de filtração á vácuo. 3 Montagem Figura 2- Montagem do Sistema de filtração á vácuo Fonte: Adaptado de Dia a dia da educação, 2017. Na figura 2 está a montagem do sistema de filtração á vácuo. Ele consiste de um kitassato acoplado a uma mangueira, que está acoplada a uma trompa de vácuo na torneira. Quando um jato de água passa pela trompa, a pressão aumenta, e força o retorno do ar. Com isso se produz vácuo. Acima do kitassato se coloca um funil de Bunchner com papel filtro, onde sua mistura a ser filtrada é derramada. 4 Parte Experimental Materiais: Erlenmeyers, provetas, termômetro, béquer, bastão de vidro, vidro relógio, espátula, bacia com gelo, suporte universal com garras e mufas, kitassato, funil de Bunchner, papel de filtro, trompas para vácuo. Regentes: 5 gramas de acetanilida, 6 mL de ácido acético glacial, 15 mL de ácido sulfúrico concentrado, 3 mL de ácido nítrico concentrado, gelo, Fosfato de Sódio dibásico aq 15%. Procedimento: Em um erlenmeyer foram colocados 5 gramas de acetanilida e adicionados 6 mL de ácido acético glacial. A mistura foi agitada, Em agitação constante, foram adicionados 13 mL de ácido sulfúrico concentrado. Durante a adição de ácido a temperatura do sistema aumento consideravelmente. A mistura foi resfriada até atingir a temperatura de 2ºC. Durante o resfriamento foi preparada uma solução com 3 mL de ácido nítrico concentrado e 2 mL de ácido sulfúrico concentrado, esta também foi resfriada. Na mistura contendo acetanilida foi colocada a solução com ácido sulfúrico e ácido nítrico, em um banho de gelo, mantendo a temperatura abaixo de 10ºC. Após adição, a mistura mudou sua coloração para amarelo. A mistura final foi deixada em repouso durante 60 minutos. Após 60 minutos, a mistura foi derramada em um béquer contendo 60 mL de gelo e água, e deixada em repouso por mais 10 minutos. A solução foi filtrada em funil de Bunchner, e os cristais transferidos para outro béquer. Os cristais foram misturados a uma solução de Fosfato de Sódio dibásico 15%, e refiltrados em funil de Bunchner. Lavou-se os cristais com 25 mL de água destilada gelada, e estes foram deixados no vácuo por alguns minutos para secagem. Um vidro relógio foi tarado em uma balança, e os cristais obtidos foram colocados sobre ele. Após secagem completa dos cristais, foi pesada a massa do produto sintetizado. 5 Resultados e Discussão Para preparação da p-nitro-acetanilida a partir da acetanilida foi realizada uma reação de nitração, onde um grupamento -NO2 é adicionado por meio de Substituição Eletrofílica Aromática. Primeiramente é necessária a preparação do eletrófilo- íon nitrônio, a partir de ácido sulfúrico e ácido nítrico. O mecanismo para a preparação do eletrófilo é representado na Figura 3. O par de elétrons extras da hidroxila do ácido nítrico ataca o próton do ácido sulfúrico. A seguir o par de elétrons de um dos oxigênios forma uma ligação dupla, e promove a saída de uma molécula de água e formação do íon nitrônio. Por se tratar de uma reação exotérmica, a misturas dos ácidos foi feita em banho de gelo a fim de se evitar a perda de reagentes por meio de vapores. Figura 3: Mecanismo de formação do eletrófilo para nitração. Fonte: Síntese da p-nitro-acetanilida, UFSJ, 2010. A mistura de ácidos contendo o íon nitrônio foi adicionada á acetanilida para a reação de nitração. A dupla ligação do anel aromático ataca o átomo de nitrogênio com carga negativa do nucleófilo se estabelecendo a ligação química, rompendo a aromaticidade da molécula. Neste momento é formado o íon arênio, uma molécula estabilizada por meio de ressonância (Figura 5). O HSO4 - formado na reação para obtenção do eletrófilo ataca e retira o hidrogênio, reformando a dupla ligação e estabelecendo novamente a aromaticidade, formando a p-nitro-acetanilida e regenerando ácido sulfúrico. (Figura 4). 6 Figura 4: Mecanismo de nitração da acetanilida e formação da p-nitro-acetanilida Fonte: Preparação da p-nitroacetanilida a partir da preparação da acetanilida, 2017. Figura 5: Estruturas de ressonância do íon arênio. Fonte: Síntese da p-nitro-acetanilida, UFSJ, 2010. Um aspecto importante a ser observado nessa reação é a orientação da ligação do grupo –NO2. O anel aromático quando ligado a um substituinte pode ser ativado por grupos doadores de elétrons e facilitar o mecanismo de substituição eletrofílica, e ainda orientar a posição onde o grupo será inserido. Como o –NHCOCH3 é um ativador moderado (grupamento com alta densidade eletrônica, que apresenta ressonância cruzada), ele direcionará a inserção do grupo nitro nas posições orto ou para. Porém trata-se de um grupo 7 volumoso que oferece impedimento estérico, então favorece que o grupamento –NO2 se insira na posição para. Foram utilizadas as massas molares dos compostos (Tabela 1) para calcular o rendimento teórico da reação (Tabela 2). Considerando que foram utilizadas 5 gramas de acetanilida, e que a estequiometria da reação tem proporção 1:1 entre o reagente e o produto, o rendimento teórico da reação seria de 6,67 gramas de p- nitro-acetanilida. Tabela 1: Massas molares dos compostos Compostos Massa Molar Acetanilida (C6H5NH(COCH3)) 135,17 g/mol p- nitro-acetanilida (CH₃CONHC₆H₄(NO₂)) 180,16 g/mol Fonte: Adaptado de SDS Merck. Tabela 2: Massas e número de mols de reagentes e produtos envolvidos na reação. Reagentes Produtos Compostos Massa(g) nº mmols (g/mL) Massa(g) nº mmols (g/mL) Acetanilida 5,0 37,0 -- -- p- nitro-acetanilida -- -- 6,67 37,0 Fonte: Elaborado pelo autor. Após a secagem completa do produto obtido após filtração á vácuo, os cristais foram pesados e a massa obtida foi de 6,04 gramas. Utilizando os valores teóricos e reais, foi calculado e rendimento da reação: 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝒓𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒐𝒃𝒕𝒊𝒅𝒐 𝒓𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 𝒕𝒆ó𝒓𝒊𝒄𝒐 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝟔, 𝟎𝟒 𝟔, 𝟔𝟕 𝒙 𝟏𝟎𝟎 𝑹𝒆𝒏𝒅𝒊𝒎𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝟗𝟎, 𝟓𝟓% 8 Conclusão A síntese da p-nitro-acetanilida a partir da acetanilida ocorre por meio de mecanismo de Substituição Eletrofílica Aromática, onde um grupamento –NO2 é adicionado no anel benzênico com formação de um intermediário iônico, denominado íon arênio, que após a retirada de um próton é retomada a aromaticidade da molécula. Por fim, foi utilizada a filtragem á vácuo para separação dos cristais síntetizados. Foi obtida uma massa de 6,04 gramas de p- nitro-acetanilida, com um rendimento de 90,55% muito satisfatório quando levamos em conta as diversas etapas do processo. 9 Referências bibliográficas Bondrani, P. B.. Reações de Substituição Eletrofílica em Aromáticos. 2015. Disponível em: < http://nuquiocat.quimica.blumenau.ufsc.br/files/2015/08/Rea%C3%A7%C3%B5es-de- Substitui%C3%A7%C3%A3o-Eletrof%C3%ADlica-em-Arom%C3%A1ticos.pdf>. Acesso em: 24/06/2018. Moreira I. C.. p-nitro-acetanilida. UFF, 2010. Disponível em: < http:// http://www.ebah.com.br/content/ABAAABWL0AL/p-nitroacetanilida>. Acesso em: 24/06/2018. SOLOMONS, T. W.; FRYHLE, C. B. Química Orgânica. 8ª Ed. Vol. 2. Rio de Janeiro: LTC, 2006. UFMG. Apostila de Química Orgânica Experimental para Farmácia 2017. pág. 44 e 45. UNIFOR. Roteiro de práticas- Síntese da p-nitro-acetanilida. Disponível em: < https:// http://hp.unifor.br/disciplinas/n307/pratica_03_sintese_da_p_nitro_acetanilida.pdf>. Acesso em: 23/06/2018. VOGEL, A. I. Química Orgânica, Vol 3. Livro técnico S.A., Rio de Janeiro, 1997.
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