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• Daniel Maldonado

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Síntesis de amarillo de Martius Feria B.; Maldonado D.; Reascos J.; Velez P.; Zambrano M. LABORATORIO DE QUIMICA ORGANICA II Grupo 5 Escuela Politécnica Nacional, Facultad de Ingeniería Química y Agroindustria Quito, Ecuador e-mail: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Resumen: La práctica realizada tuvo como objetivo la obtención de amarillo de Martius, por medio de una reacción de sustitución electrofílica aromática. Se dio por iniciada la práctica al sulfonar el ácido 1-Naftol, mediante la adición de ácido sulfúrico, una vez obtenido el ácido naftil-1-hidroxi2,4-disulfónico se comenzó el proceso de nitración por adición de ácido nítrico concentrado hasta obtener 2,4dinitro-1-naftol, se adicionó hidróxido de amonio concentrado y se obtuvo amarillo de Martius. El rendimiento de amarrillo de Martius obtenido fue de 24,62% y se obtuvo un costo de $968,86 / Kg Palabras clave: Amarillo de Martius,colorante, sustitución electrofílica, nitración, sulfonación. Abstract: The study made had as objective the obtaining of yellow of Martius, by means of a reaction of replacement electrofílica aromatic. Is gave by initiated the practice to the sulfonar the acid 1-naphthol, by the addition of acid Manager, a time retrieved the acid naftil-1-Hydroxy-2, 4disulfonico is began the process of nitration by addition of acid nitric concentrate to get 2, 4-dinitro-1-naphthol, is added hydroxide of ammonium concentrate and is obtained yellow of Martius. Retrieved Martius yellow performance was 24 62% and obtained a cost of $968,89 / Kg Keywords: Yellow of Martius, colorant, replacement electrophilic, nitration, sulfonation.. 1. MATERIALES Y METODOLOGÍA Se colocaron 0.5 g de 1–naftol en un balón de 250 mL, luego se adiciono 1 mL de ácido sulfúrico poco a poco y se agitó constantemente para que no se carbonice el 1–naftol. Se agitó constantemente hasta obtener una solución de color rojo transparente, luego se calentó en baño maría durante 5 minutos y se dejó enfriar hasta temperatura ambiente, se agregaron 3 mL de agua destilada hasta que se obtuvo una solución transparente. Se enfrió el balón en baño de hielo 1

hasta 10 °C y se adicionaron 0.4 mL de ácido nítrico concentrado gota a gota, se midió la temperatura al agitar para evitar que sobrepase los 15 °C y una vez que se adicionó todo el ácido se esperó que llegue a temperatura ambiente. Una vez alcanzada la temperatura ambiente se calentó en el baño maría hasta los 50 °C, se agitó constantemente y se mantuvo así por 10 minutos, posteriormente se agregó 4 mL de agua destilada y se obtuvo una pasta homogénea. Se filtró al vacío y se lavó con agua el sólido obtenido. Se colocó el sólido en un vaso de precipitación de 100 mL y se añadieron 16 mL de agua tibia, y 3 mL de hidróxido de amonio concentrado, luego se calentó en baño maría para disolver el sólido, una vez disuelto se filtró la mezcla con papel filtro y al filtrado se le adicionó 1 g de cloruro de amonio, se agitó y se enfrió en baño de hielo. Finalmente se filtró al vacío y se obtuvo amarillo de Martius, se lo lavó con 6 mL de una solución de cloruro de amonio al 2%.

2. TABLAS DE DATOS Y DIAGRAMAS A continuación se presentan las propiedades de los reactivos utilizados, estas se encuentran detalladas de las Tabla 1-7. Tabla 1. Propiedades del 1-naftol Propiedad Peso molecular [g/mol]

Magnitud 144,17

Densidad [g/cm3]

1,10

Punto de fusión [°C] Punto de ebullición [°C]

95 279

(Mijares, 2001, p. 16) Tabla 2. Propiedades físicas del Ácido Sulfúrico. Propiedad Magnitud Peso molecular[g/mol] 98,08 Punto de fusión [°C] 10 Punto de ebullición 337 [°C] Densidad [g/cm3] 1,8 (Chang, 2008, p. 195) Tabla 3. Propiedades físicas del Ácido Nítrico. Propiedad Magnitud Peso molecular[g/mol] 63,01 Punto de fusión [°C] -42 Punto de ebullición 83 [°C] Densidad [g/cm3] 1,51 (Cueva, 2001, p. 150) Tabla 4. Propiedades físicas del Hidróxido de Amonio. Propiedad

Magnitud

Tabla 10. Pesos del papel filtro con y sin amarillo de Martius

Peso molecular[g/mol] 35,05 Punto de fusión [°C] -58 Punto de ebullición 38 [°C] Densidad [g/cm3] 0,88 (Armendáriz, 1998, p. 195) Tabla 5. Propiedades del Cloruro de Amonio Propiedades Peso molecular[g/mol]

Magnitud 53,49

Densidad [g/cm3]

0,0015

Punto de fusión [°C] (Chang, 2008, p. 98)

338

Tabla 6. Propiedades del Amarillo de Martius Propiedades Peso molecular[g/mol]

Magnitud 234,16

Densidad [g/cm3]

-

Punto de fusión [°C] (Mijares, 2001, p. 38)

Peso (g) 2,2267

Papel filtro con amarillo de Martius

2,4228

La Tabla 11 presentada a continuación, especifica el costo de comercialización los reactivos utilizados y el costo de obtención de yodoformo. Tabla 11. Precio de los reactivos Reactivo/Producto Costo 1-naftol $37,50 / kg Ácido sulfúrico $3,00 / L Ácido nítrico $35,00/ L Hidróxido de amonio $45,00/L Cloruro de amonio $85,00/ kg Amarillo de Martius $0,18/ kg (Smith, 2016)

144 3. CÁLCULOS

Tabla 7. Propiedades del agua

Calculo de la masa de amarillo de Martius obtenido

Propiedades Peso molecular[g/mol]

Magnitud 18

Densidad [g/cm3]

1

Punto de fusión [°C] Punto de ebullición [°C]

0 100

(Chang, 2008, p. 116) A continuación se presentan las cantidades de reactivos utilizados para producir yodoformo Tabla 9. Cantidad de reactivos utilizados Reactivo 1-naftol Ácido sulfúrico Ácido nítrico Hidróxido de amonio Cloruro de amonio

Material Papel filtro

Cantidad 0,4931 1 mL 0.4 mL 3 mL 1,0092 g

En esta tabla se ubican los pesos del papel filtro antes de filtrar la solución con yodoformo y después de filtrar

Para calcular la masa experimental de amarillo de Martius se saca la diferencia entre la masa del papel filtro con amarillo de Martius y la masa del papel filtro sin amarillo de Martius.

masa del amarillo de Martius=masa del papel filtro con ama masa del amarillo de Martius=2,4228 g−2,2267 g masa experimental=0,1961 Calculo del reactivo limitante Para calcular el reactivo limitante del proceso se calcula el reactivo limitante en cada reacción que se realiza para obtener el amarillo de Martius 1.

Reacción de sulfonación +¿

−¿ , H 3 O C10 H 8 O7 S 2 →

¿

HS O 4 C10 H 8 O+2 SO 3 ¿ Se calcula las moles de los reactivos

1mol =0,0034 mol 1 mol C6 H 5 ( NH 4 ) O5 N 2 144,17 g masateorica =0,0034 mol C 10 H 8 O× × 1 mol C10 H 8 O 1,8 g 80 g SO 3 1 mol SO 3 mol SO 3=1 ml H 2 SO 4 × × × =0,0184 mol 1 ml 98 g 80 g ¿ 0,796 gC 6 H 5 ( NH 4 ) O5 N 2 mol C 10 H 8 O=0,4931 g ×

Reactivo limitante

Cálculo del rendimiento de la reacción

2 mol SO 3 mol SO 3=0,0034 mol C 10 H 8 O× =0,0068 mol SO 3 masa experimental 1 mol C 10 H 8 O Rendimiento= ×100 masa teorica El reactivo limitante es el 1- naftol 0,196 g Rendimiento= ×100=24,62 0,7961 2. Reacción de nitración C10 H 8 O7 S 2 +2 HNO 3 →C 10 H 6 O5 N 2+ 2 H 2 SO 4 Se calcula las moles de los reactivos

Calculo del costo experimental de amarillo de Martius Se calcula el costo para cada reactivo comerciales de la tabla 8

con los costos

1 mol C10 H 8 O7 S 2 $ 37,5 =0,0034 mol× 0,4931 g 1 naftol =$ 0,018 naftol 1 mol C 10 H 8 O 1000 g 1 Naftol 1,5019 g 1 mol $3 mol HN O3 =0,4 [ mL ] HNO3 × × =0,00951mol ml H 2 S O4 × =$ 0,003 H 2 S O4 1 ml 63 g 1000 ml H 2 S O 4 $ 35 Reactivo limitante: 1 ml H N O3 × =$ 0,035 H 2 S O 4 1000 ml 2 mol HNO3 mol HNO 3=0,0034 mol C10 H 8 O 7 S 2 × =0,007 mol HNO$ 45 =$ 0,045 H 2 S O 4 1 mol C 10 H 8 O7 S12 ml NH 4 OH × 3 1000 ml $ 85 El reactivo limitante es el ácido naftil 1-hidroxi 2,41,0093 g NH 4 Cl × =$ 0,086 NH 4 Cl 1000 g NH 4 Cl disulfónico mol C 10 H 8 O7 S2=0,0034 mol C10 H 8 O ×

3.

Formación de la sal de amonio

costo total de reactivos=0,018+ 0,35+0,045+0,086+ 0.003 costo total de reactivos=$ 0,19 C 10 H 6 O5 N 2 + NH 4 OH → C 6 H 5 ( NH 4 )O 5 N 2 + H 2 O Costo de amarillo de Martius

Se calcula las moles de los reactivos

Costo total de reactivos 0,88 g 1 mol ¿ × =0,0753 mol Cantidad de amarillo de Martius obtenido 1 mL 35,05 g 1 mol C 10 H 6 O 5 N 2 $ 0,19 mol C 10 H 6 O5 N 2=0,0034 mol C10 H 8 O7 S 2 × =0,0034 mol delamarillo de Martius= 1 mol C 10 HCosto O S 8 7 2 0,1961 g amarillo de Martiu mol NH 4 OH =3 mol ×

Reactivo limitante

$ 968,8 esperimental del amarillo de Martius= 1 mol C10 H 6 O5 NCosto 2 kg amarillo de mol NH 4 OH =0,0753 [ mol ] NH 4 OH × =0,0753 mol C10 H 6 O5 N 2 1 mol NH 4 OH

El reactivo limitante es el 2,4-dinitro 1-naftol El reactivo limitante del proceso es el 1- naftol

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Tabla 12. Resultados

Calculo de la masa de amarillo de Martius teórica

Masa de yodoformo obtenida

0,1961

% Rendimiento Costo de amarillo de Martius

24,62 % $968,89/ Kg

Se obtuvieron 0.1961 g del colorante amarillo de Martius con un rendimiento de la reacción de 24,62% , el cual es bajo para la cantidad que se debía obtener estequiométricamente la cual era 0,796 g, el rendimiento pudo verse afectado por una sulfonación errónea; en su investigación Ceballos, Mejia y Chejne (2010) varios compuestos al ser sensibles a una nitración directa se los sulfonan con ácido sulfúrico en exceso, de esta manera se logra sulfonar la mayor cantidad de reactivo, el ácido sulfúrico que se usó en la sulfonación del 1naftol no estaba en exceso por lo que la sulfonación no pudo darse con éxito, una ineficiente nitración pudo disminuir en mayor cantidad el rendimiento de la reacción ya que según Damiano (2004) la nitración depende directamente de la temperatura, la cual a un valor más elevado y al exponer la muestra un mayor tiempo(1hora-2horas) a la especie nitrante aumenta el rendimiento de la reacción, la eficiencia de la nitración puede aumentar al añadir ácido sulfúrico en exceso ya que favorece la formación de la especie nitrante (nitronio NO2+), en la nitración debió añadirse más ácido sulfúrico porque lo que se añadió en la primera parte tenía como objetivo la sulfonación del 1-naftol y al no estar en exceso se podría asegurar que se consumió en su mayoría el ácido por lo que en la nitración pudo no estar presente el ácido sulfúrico, sumado que lo que no se logró sulfonar de 1– naftol se pudo degradar al añadirle el ácido nítrico y como consecuencia se reduce la eficiencia, la nitración solo se llevó a cabo por 10 minutos que es poco tiempo en comparación con lo que se recomienda nitrar por lo que afecta aún más el rendimiento de la reacción. El costo para producir amarillo de Martius en el laboratorio fue de 968,89$ por cada kilogramo obtenido de amarillo de Martius el cual es un valor alto en comparación con el valor comercial que es de 0,18$ por cada Kg de colorante con lo cual se demuestra que no es tan viable este método de síntesis de colorante por la pérdida tanto económica como de reactivos que presenta. 5. CONCLUSIONES   

La masa obtenida de obtenida de amarillo de Martius fue de 0,1961 g El rendimiento de la reacción fue de 24,62% El costo de obtener amarillo de Martius en el laboratorio fue de $968,89/Kg 6. RECOMENDACIONES



Se puede emplear bióxido de nitrógeno o nitratos alcalinos con ácido sulfúrico (u otro ácido fuerte) para el proceso de nitración ya que con estos se mejora la eficiencia.



Se puede usar ácido acético o anhídrido acético ya que son algunas de las combinaciones que con ácido nítrico forman mezclas que son altamente efectivas para facilitar el proceso de nitración. 7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] Armendáriz, F. (1998). Química pura y elemental. (7ma. Ed.). Barcelona, España: Fuencana (Julio, 2016) [2] Ceballos,C. Mejia, J. y Chejne, F.(2010). Recuperación de energía en un proceso de sulfonación. (1ra. ed). p180. México DF, México: McGrawHill/Interamericana. (Julio, 2016) [3] Chang, R (2008). Química. (8va. Ed.). México: McGrawHill/Interamericana (Julio, 2016) [4] Cueva, H. y Solange, G. (2001). Química Fundamental. (4ta. Ed.). Buenos Aires, Argentina: Reverté. (Julio, 2016) [5] Damiano, A. (2004). Nitración. (1ra ed).p5. Madrid, España: Reverté. (Julio, 2016) [6] Mijares, L. y Vanegas, M. (2001). La Química básica y aplicada. (2da. Ed.), Barcelona, España: Reverté. (Julio, 2016) [7] Smith, J. (2016). Sigma Aldrich. Recuperado de: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search? term=Martius+Yellow&interface=Product %20Name&N=0+&mode=mode %20matchpartialmax&lang=en®ion=EC&focus= productN=0%20220003048%20219853286%202198 53107 (Julio, 2016)