En esta experiencia de laboratorio,
vamos a obtener dos productos isómeros a partir del fenol.
El orto-nitrofenol y el para-nitrofenol.
Es fácil deducir un esquema de síntesis para estos productos
por simple nitración del fenol.
Como consecuencia de la nitración del fenol
obtenemos una mezcla de ambos isómeros.
El primer paso para preparar el experimento
consiste en buscar en la bibliografía
un procedimiento para llevar a cabo esta síntesis.
Como se trata de una síntesis sencilla y muy elemental,
es fácil encontrarla en manuales básicos
de Química Orgánica Experimental.
Leemos detenidamente el procedimiento experimental.
En él nos viene explicado en detalle el proceso que debemos seguir
y el material y los productos que vamos a necesitar
para provocar la reacción y obtener los compuestos.
La reacción debe llevarse a cabo en una vitrina
para evitar la posibilidad de inhalar cualquier producto tóxico.
En primer lugar hay que preparar el agente nitrante del fenol,
que según indica el procedimiento operatorio es ácido nítrico diluido.
Medimos en una probeta
la cantidad necesaria de ácido nítrico concentrado,
y se vierte en un vaso que contenga agua
para conseguir la dilución apropiada.
El ácido así diluido
se pasa a un matraz de fondo redondo de tres bocas,
que es donde va a ocurrir la reacción.
En una boca del matraz colocamos un refrigerante de reflujo.
En otra, un termómetro.
Y en la tercera, un embudo de adicción.
Como la reacción a de transcurrir con agitación,
utilizaremos una placa de agitación magnética,
por lo que introducimos en el matraz una pieza de agitación.
Medimos con una pipeta la cantidad necesaria de fenol,
que es el sustrato orgánico que va a sufrir la nitración,
y se transvasa al embudo de adicción.
A través del embudo
dejamos pasar lentamente unos 2 ml de fenol al matraz de reacción,
que contiene el ácido nítrico diluido.
Como podemos observar la disolución se ha oscurecido enseguida
y el matraz se ha calentado,
todo esto indica que la reacción se ha iniciado.
Debemos trabajar con cuidado,
ya que la temperatura no debe sobrepasar los 50º centígrados.
Se añade el fenol lentamente, agitando la mezcla de reacción
y controlando la temperatura del matraz.
Si fuese necesario, enfriamos con un baño de agua o de hielo.
Aunque hemos agregado todo el fenol continuamos agitando 5 minutos más
para asegurarnos de que la reacción ha terminado.
Enfriamos el matraz a temperatura ambiente,
sumergiéndolo en un baño de agua.
Una vez enfriado, se pasa la mezcla a un embudo de decantación.
Observamos que hay dos capas;
la superior, acuosa,
contiene disueltos los productos inorgánicos,
mientras que la capa inferior, orgánica,
contiene una mezcla de productos de reacción, orto y para-nitrofenol,
junto con otros productos secundarios
resultantes de la oxidación del fenol.
Decantamos la capa orgánica, que contiene los nitro-fenoles.
Para separar los dos productos isómeros que nos interesan,
según el método operatorio,
el mejor procedimiento consiste en separarlos por arrastre de vapor.
Esta técnica de purificación
permite separar sustancias miscibles con el agua de otras que no lo son,
y que además poseen cierto grado de volatilidad.
Este es el caso de los nitro-fenoles.
El orto-nitrofenol, representado en rojo,
va siendo arrastrado por el agua,
mientras que el para-nitrofenol, representado en verde,
queda en la disolución.
El comportamiento diferente de ambos isómeros
se debe a la posibilidad que tiene el para-nitrofenol
de formar enlaces de hidrogeno intermolecularmente.
Se calienta el agua,
para generar el vapor que va a parar al matraz
que contiene la mezcla de los dos nitro-fenoles.
El vapor va arrastrando el orto-nitrofenol.
Mediante un refrigerante condesamos el destilado
que se va recogiendo en un matraz colector.
Al principio se destilan gotas de agua con gran contenido orgánico,
lo que les da un aspecto blanquecino.
Se continua el arrastre hasta que las gotas salgan trasparentes,
lo que indica que ha sido arrastrado todo el orto-nitrofenol.
Como este compuesto es sólido a temperatura ambiente,
va solidificando en el matraz, e incluso en el mismo refrigerante.
Y se puede separar fácilmente por filtración en un embudo buchner.
El embudo, colocado en un kitasato, se conecta a la trompa de vacío,
y así, se consigue una filtración rápida.
Se recoge el producto con una espátula y se guarda en un desecador.
El para-nitrofenol ha quedado en el matraz de destilación
junto con otros productos secundarios,
por lo que habrá que aislarlo de esta mezcla y purificarlo.
Como el matraz se ha enfriado,
el para-nitrofenol se encuentra parcialmente disuelto.
Calentamos a ebullición para su total dilución.
A través de un filtro de pliegues,
pasamos la mezcla para filtrar las impurezas que no se hayan disuelto.
Al filtrado se añaden unos gramos de carbón activo para decolorar,
es decir, para eliminar, por absorción,
otras impurezas que permanezcan disueltas.
Se vuelve a llevar a ebullición, y se filtra de nuevo poco a poco,
recogiendo el filtrado en un vaso sumergido en un baño de hielo,
para favorecer la cristalización del producto.
A medida que va cayendo la disolución
agitamos con una varilla, para provocar aún más la cristalización.
Se va repitiendo este proceso en cada porción de filtrado
hasta que todo cristalice.
Finalmente los cristales se recogen, por filtración, en un buchner.
Estos cristales de para-nitrofenol
aún contienen cierto grado de impurezas,
se procede, por tanto, a efectuar una recristalización.
Elegimos tolueno como disolvente para recristalizar,
ya que el producto es insoluble en frío y soluble en caliente.
Disolvemos el producto en la mínima cantidad de tolueno en caliente.
Y filtramos para eliminar las impurezas que no se han disuelto.
Hemos obtenido los productos deseados,
pero el experimento no lo damos por terminado
hasta calcular el rendimiento y comprobar el grado de pureza.
Del orto-nitrofenol hemos obtenido 4,86 gramos.
Del para-nitrofenol tenemos 2,08 gramos.
En total tenemos 6,94 gramos.
Atendiendo a la estequiometría de la reacción
y sabiendo que hemos partido de 9,3 gramos de fenol,
es fácil calcular el rendimiento.
Para comprobar el grado de pureza
determinaremos los puntos de fusión respectivos,
para después compararlos con los indicados en la bibliografía.
Se introduce el compuesto en un capilar,
y se va calentando hasta ver que los productos empiezan a fundir.
Se anota el intervalo de temperatura,
desde el comienzo de la fusión hasta que ésta se haya completado.
Como podemos apreciar hay una gran aproximación
con los puntos de fusión que señala la bibliografía.