Mariola Kaźmierczak Imię i nazwisko osoby wykonującej doświadczenie
24.11, 1 i 8.12. 2014
Data wykonania ćwiczenia

1. Numer i tytuł ćwiczenia

III.a.6. Synteza 4-nitroacetanilidu

1. Schemat reakcji

1. Mechanizm reakcji

Powyższa reakcja przedstawia mechanizm substytucji elektrofilowej do pierścienia aromatycznego.

W pierwszym etapie generuje się czynnik elektrofilowy – jon nitroniowy (na skutek protonowania hydroksylowego atomu tlenu w cząsteczce kwasu azotowego przez kwas siarkowy następuje odejście cząsteczki wody i wytworzenie właściwego czynnika elektrofilowego).

Poszukujący elektronów jon nitroniowy znajduje je w pierścieniu aromatycznym acetanilidu i przyłącza się do jednego z atomów węgla z wytworzeniem karbokationu, który jest stabilizowany przez 4 struktury rezonansowe, z których jedna wykazuje szczególną trwałość. Cząsteczka może się przyłączyć w pozycji orto lub para z równym prawdopodobieństwem, jednakże przy pozycji orto występuje znaczne zatłoczenie steryczne. Ponadto, właśnie w celu skierowania podstawienia w pozycję para, zastosowano niską temperaturę reakcji.

W kolejnym etapie następuje oderwanie protonu przez zasadowy jon HSO₄^-, co prowadzi do utworzenia właściwego produktu substytucji i odtworzenia cząsteczki kwasu.

1. Opis w punktach kolejnych etapów syntezy

1. W wysokiej zlewce na 100 ml sporządzono mieszaninę kwasów: 12,5 ml stężonego kwasu siarkowego(VI) i 2,4 ml lodowatego kwasu octowego, którą umieszczono na chwilę w łaźni lodowej, by uzyskała temperaturę pokojową.

2. Zlewkę razem z łaźnią umieszczono na mieszadle magnetycznym i wprowadzono 3,2 g sproszkowanego, suchego acetanilidu.

3. Zawartość ochłodzono w łaźni lodowej do 0°C (do lodu dodano NaCl).

4. Przygotowano mieszaninę nitrującą: 1,6 ml stężonego kwasu azotowego(V) zmieszano z 1,5 ml stężonego kwasu siarkowego(VI) – zlewkę z mieszaniną umieszczono w łaźni lodowej.

5. Za pomocą pipetki Pasteura wkraplano mieszaninę małymi porcjami (temperatura reakcji nie przekraczała 7°C), intensywnie przy tym mieszając zawartość zlewki.

6. Po zakończeniu wkraplania odstawiono łaźnię lodową i zlewkę pozostawiono na 1,5 godziny, by mieszanina uzyskała temperaturę pokojową. W tym czasie przygotowano 3% roztwór NaHCO₃.

7. Po osiągnięciu przez mieszaninę temperatury pokojowej, wlano ją do zlewki zawierającej 60 ml wody z lodem; zlewkę, w której znajdowała się mieszanina, przemyto kryształkami lodu i dołączono do całości i wystudzono.

8. Wydzielony jasnokremowy osad przesączono na lejku Buchnera (rozcierając i przemywając zimną wodą).

9. Przeniesiono do zlewki zawierającej 20 ml NaHCO₃ i dokładnie roztarto – dodano jeszcze niewielką ilość stałego wodorowęglanu sodu, by zalkalizować osad.

10. Osad ponownie odsączono, przemyto kilkukrotnie małymi porcjami wody, dokładnie odciśnięto i pozostawiono do następnej pracowni do wysuszenia.

11. Po wysuszeniu rekrystalizowano z etanolu.

12. Na kolejnej pracowni związek zważono i zmierzono temperaturę topnienia. Ilość związku i jego czystość były wystarczające, by można go było użyć do następnej syntezy.

1. Porównanie zmierzonej temperatury topnienia z wartością podaną w przepisie

Literaturowa: T_top = 214°C

Zmierzona: T_top = 215,3°C

Temperatura topnienia otrzymanego związku różni się o 1,3 stopnia od wartości literaturowej; może to być skutkiem niewielkiego zanieczyszczenia.

1. Obliczenie wydajności reakcji

Wydajność teoretyczna:

m = 3,2 g m = x g

M = 135,08 g/mol M = 181,08 g

3,2 g -------------------- x g

135,08 g/mol ---------------181,08 g/mol

$$x = \ \frac{3,2\ \times 181,08}{135,08} = 4,29\ g$$

Wydajność rzeczywista:

4,29 g ------------------ 100%

2,82 g ------------------- W %

$$W = \ \frac{2,82\ \times 100}{4,29} = 65,73\ \%$$

1. Komentarz

Otrzymano produkt z dość wysoką, niemalże 66-procentową wydajnością. Podczas przeprowadzania syntezy, nie przekroczono zalecanej temperatury 7°C, dlatego też nie powinno być strat związku na tym etapie. Straty mogły się z kolei pojawić przy krystalizacji związku – konieczne było użycie dużej ilości rozpuszczalnika, jako że związek ten bardzo trudno się rozpuszczał. Niewielkie ubytki nastąpiły przy przenoszeniu osadu ze zlewki na sączek, a następnie z sączka na szalkę Petriego.

Po wysuszeniu otrzymano kremowy osad, którego temperatura topnienia była nieco wyższa od temperatury podanej w przepisie; mogło to świadczyć o niedużej obecności jakichś zanieczyszczeń (asystent nie zalecił sączenia roztworu po krystalizacji przez sączek fałdowany – jako że był klarowny – w celu zminimalizowania strat produktu). Zatem zanieczyszczenie to niekoniecznie musiało być pochodzenia organicznego.

Czystość związku (po konsultacji z asystentem) uznano za wystarczającą i użyto go do następnego etapu syntezy.