Sustitución Electrofílica Aromática

Introducción
Los anillos aromáticos son compuestos que presentan características únicas. Una de estas particularidades es que reaccionan mediante sustituciones electrofílicas aromáticas, el anillo aromático se comporta como nucleófilo, y puede atacar ciertos electrófilos fuertes. El bromobenceno es un compuesto que presenta este tipo de reacción y es capaz de atacar electrófilos como el ionnitronio, ya que posee sustituyentes especiales que aumentan su reactividad nucleofílica.
A continuación se estudiará la síntesis de nitración del bromobenceno con el propósito de indagar el mecanismo de reacción, la orientación por la cual se unen los sustituyentes en el anillo y analizar los factores que influyen en la reactividad del anillo aromático.
Resultados y observaciones

Figura I.Reacción de formación de la mezcla nitrante para la generación del electrófilo.

Figura II. Posibles productos a formar durante la nitración de bromobenceno.
Figura III. Mecanismo de la reacción sustitución electrofílica aromática en la nitración del bromobenceno para la formación del producto favorecido, el p-nitrobromobenceno.

Cuadro I. Síntesis del producto principal a partir debromobenceno
NombreCompuesto | Bromobenceno | Ácido nítrico | Ácido sulfúrico | | Producto mono-sustituido |
Fórmula Molecular | C6H5Br | HNO3 | H2SO4 | | C8H4NO2Br |
Masa Molar (g/mol) | 157.02 | 63.012 | 98.08 | | 202 |
Densidad (g/mL) | 1.469 | 1.5 | 1.8 | | 1.489 |
Volumen (mL) | 1 | 2 | 2 | | 1.27 |
Peso (g) | 1.47 | 3.0 | 3.6 | | 1.890 |
Moles | 0.00936 | 0. 0476 | 0.0367 | |0.00936 |
Estequiometría | 1 | 1 | 1 | | 1 |

Cálculos

* Gramos de bromobenceno: (1.0ml) x (1.469g/ml) =1.469 g
* Gramos de HNO3: (2.0ml) x (1.5g/ml) = 3.0 g
* Gramos de H2SO4: (2.0ml) x (1.8g/ml) = 3.6 g

* Moles de bromobenceno: (1.469g)/(157.02g/mol) = 0.0093555 moles
* Moles de HNO3: (3.0g)/(63.012 g/mol) = 0.0476 moles
* Moles de H2SO4: (3.6g)/(98.08 g/mol) =0.0367 moles

El reactivo limitante de la síntesis mostrada es el bromobenceno, pues presenta el menor número de moles. Existe una relación estequiométrica de 1:1, pero hay un exceso de moles de ion nitronio formado, el cual a su vez depende de la cantidad de H2SO4 que es el reactivo limitante en su formación. Por tal razón, el número de moles del reactivo limitante, bromobenceno, es igual alnúmero de moles del producto teóricos.

Gramos teóricos = Gramos Reactivo Limitante x Masa Molar Producto
Masa Molar Reactivo Limitante
Gramos teóricos = (1.469 g) bromobenceno x (202)
(157.02)
Gramos teóricos del producto mono-sustituido = 1.890g

Cuadro III. Datos del producto obtenido

Producto | Punto de fusión (°C) | Peso vidrio reloj(g) | Peso vidrio+ producto (g) | Peso producto (g) | Rendimiento (%) |
Cristalizado | 97-102.2 | 34.58 | 36.41 | 1.83 | 96.8 |
Recristalizado | 120.1-130.1 | 34.58 | 35.33 | 0.75 | 39.7 |

Cálculos de la masa del producto

El peso del producto obtenido se puede determinar por diferencia de masas:
Cristalizado: (Masa producto + vidrio) – (Masa vidrio) =(36.41g) – (34.58 g) = 1.83 gproducto
Recristalizado: (Masa producto + vidrio) – (Masa vidrio) =(36.41g) – (34.58 g) = 1.83 g producto

Cálculo del % de rendimiento obtenido

% Rendimiento = Gramos Experimentales x 100 %
Gramos Teóricos

% Rendimiento cristalizado = (1.83 g) x 100% = 96.8 %
(1.86 g)
% Rendimientorecristalizado = (0.75 g) x 100% = 39.7 %
(1.86 g)

Interpretación de los espectros

Cuadro IV. Espectro 1H-RMN del p-nitrobromobenceno, con CDCl3 como solvente.

Posición (ppm) | Tipo de Multiplete Observado | Interpretación, Tipo de Hidrógeno | Integración(tamaño relativo) |
8.1 | Doblete | Anillo aromático | 8 |
7.7 |...