Nitración aromática

Tiempo necesario: 5 horas.

Nitración de tolueno

1. Preparación del ácido nitrante

   Se añaden lentamente con agitación constante y enfriando con hielo 12,5 mL (228 mmol) de H₂SO₄ concentrado a 10,6 mL (153 mmol) de HNO₃ concentrado y enfriado en hielo, contenido en un matraz Erlenmeyer de boca ancha de 250 mL. Enfriar seguidamente el ácido nitrante hasta -5 °C, empleando un baño de hielo-sal.

2. Montaje de reacción

   El montaje de la reacción consta de un matraz o balón de tres bocas de 250 mL con una barra magnética para agitación, un pozo para termómetro y un embudo de adición con presión compensada. La boca restante del matraz se conecta a un adaptador esmerilado con salida para un tubo de goma como medio de salida de los posibles gases nitrosos. El tubo de goma se conecta a un frasco lavador de gases, que se conecta a su vez a otro que contiene 100 mL de disolución acuosa de NaOH.
   

3. Introducir en el matraz de reacción 9,21 g (10,6 mL, 100 mmol) de tolueno, recién destilado sobre sodio. Enfriar a -10 °C el tolueno en el matraz de reacción con una mezcla refrigerante hielo-sal. El ácido nitrante frio se añade al embudo de adición en pequeñas porciones (para evitar que se caliente) al montaje de la reacción y se adiciona lentamente gota a gota con enfriamiento para mantener la temperatura interior de la mezcla de reacción por debajo de 5 °C.

4. Se tarda aproximadamente. 1,5 horas en adicionar todo el ácido nitrante. Una vez terminada la adición, y manteniendo la mezcla de reacción en el baño de hielo, se deja que alcance lentamente la temperatura ambiente. El proceso de alcanzar la temperatura ambiente debe hacerse de forma muy lenta para evitar la formación de gases nitrosos. Una vez alcanzada la temperatura ambiente se mantiene la agitación de la mezcla de reacción durante otras dos horas.

5. Purificación

   Pasar la mezcla de reacción a un vaso de precipitados de 250 mL conteniendo 50 g de hielo. Pasar entonces la mezcla a un embudo de extracción, y extraer una vez con 40 mL de ciclohexano y dos veces más con 10 mL cada una.

6. Las fases orgánicas combinadas se lavan a continuación con 10 mL de agua, 10 mL de disolución acuosa saturada de NaHCO₃ y de nuevo con 10 mL de agua.

7. La fase orgánica se seca sobre Na₂SO₄ anhidro (cubrir el fondo del matraz Erlenmeyer en el que se encuentra), el desecante se elimina por filtración y el disolvente se elimina empleando el rotavapor. El producto de reacción se obtiene como un residuo aceitoso. Rendimiento de producto esperado: 10,1 g.

8. Purificar el producto crudo por destilación a 20 hPa (0.02 bar). El frasco receptor debe enfriarse. El producto deseado destila en un intervalo de 100–130 °C (20 hPa) proporcionando 8,50 g del producto amarillo como un líquido y un residuo de la destilación de 1,30 g.
9. Separación de productos

   El producto líquido de la destilación cristaliza a -20 °C. El material cristalino se aísla por filtración en un embudo Büchner enfriado y se recristaliza de unos pocos mL de metanol. Si es necesario, repetir la recristalización. Rendimiento: 1,80 g (13,1 mmol, 13%) de 4-nitrotolueno; pf 49 °C

10. Recristalizar el residuo sólido de la destilación con unos pocos mL de etanol. Recoger el producto cristalino por filtración con un embudo Büchner y secarlo en un desecador sobre gel de sílice. Rendimiento: 500 mg (2,75 mmol, 3%) de 2,4-dinitrotolueno; pf 69 °C