Nitrobenceno

¿Qué es el nitrobenceno?

El nitrobenceno es un compuesto orgánico aromático formado por un anillo bencénico C₆H₅ – y un grupo nitro -NO₂. Su fórmula química es C₆H₅NO₂. Es un líquido aceitoso incoloro o amarillo pálido, con olor a almendras amargas o a pulimento para zapatos.

Es un compuesto muy útil en la industria química porque permite obtener una serie de sustancias químicas que poseen variados usos, ya que puede ser sometido a diversos tipos de reacciones.

Entre las reacciones químicas importantes están la nitración (que permite añadir más grupos  -NO₂ a la molécula) y la reducción (lo contrario de oxidación, pues se eliminan los dos átomos de oxígeno del grupo nitro -NO₂ y se sustituyen por hidrógenos).

Con el nitrobenceno se puede preparar, por ejemplo, anilina y para-acetaminofenol. Este último es el conocido acetaminofén, un antipirético (medicamento contra la fiebre) y analgésico suave (medicamento contra dolores leves).

El nitrobenceno debe manipularse con precaución pues es irritante y tóxico, puede causar un tipo de anemia, entre varios síntomas, y se cree que puede causar cáncer. Además, es dañino para el medio ambiente.

Estructura del nitrobenceno

El nitrobenceno C₆H₅NO₂ es una molécula plana formada por un anillo bencénico C₆H₅– al cual está unido un grupo nitro -NO₂. Su molécula es plana porque hay una interacción electrónica entre el grupo nitro -NO₂ y el anillo bencénico.

El grupo nitro -NO₂ tiende a atraer los electrones del anillo bencénico C₆H₅-.

Por ello, la molécula tiene un lado ligeramente más negativo (donde están los oxígenos del -NO₂) y un lado ligeramente más positivo (el anillo bencénico).

Nomenclatura del nitrobenceno

• Nitrobenceno.
• Nitrobencina.
• Nitrobenzol.
• Aceite o esencia de mirbano o de mirbana (en desuso).

Propiedades del nitrobenceno

• Estado físico. Líquido aceitoso incoloro a amarillo pálido.
• Peso molecular. 123,11 g/mol.
• Punto de fusión. 5,7 °C.
• Punto de ebullición. 211 °C.
• Punto de inflamación. 88 °C (método de copa cerrada).
• Temperatura de autoignición. 480 °C.
• Densidad. 1,2037 g/cm³ a 20 °C.
• Solubilidad. Poco soluble en agua: 0,19 g/100 g de agua a 20 °C. Completamente miscible con alcohol, benceno y éter dietílico.
• Propiedades químicas. El nitrobenceno es estable hasta aproximadamente unos 450 °C, temperatura en la que empieza a descomponerse formando (en ausencia de oxígeno) NO, NO₂, benceno, bifenilo, anilina, dibenzofurano y naftaleno. Entre las reacciones importantes se destacan la reducción, la nitración, la halogenación y la sulfonación. La nitración del nitrobenceno produce inicialmente meta-nitrobenceno y con un tiempo prolongado de reacción se obtiene el 1,3,5-nitrobenceno. Haciendo reaccionar bromo o cloro con nitrobenceno en presencia de un catalizador apropiado se obtiene el 3-bromo-nitrobenceno (meta-bromonitrobenceno) o el 3-cloro-nitrobenceno (meta-cloronitrobenceno). Un ejemplo de reducción es que al tratar con estaño (Sn) en ácido clorhídrico (HCl) los meta-halogenonitrobencenos se obtienen las meta-halogenoanilinas. La sulfonación del nitrobenceno se realiza con ácido sulfúrico fumante a 70-80 °C y el producto es ácido meta-nitrobencenosulfónico. Este se puede reducir con hierro y HCl para dar ácido metanílico.
• Formación de dímeros. En una solución de benceno C₆H₆ las moléculas de nitrobenceno se asocian entre sí formando dímeros o pares de moléculas. En estos pares una de las moléculas se encuentra en posición invertida respecto a la otra. La formación de dímeros de nitrobenceno con moléculas una en posición invertida respecto a la otra se debe posiblemente a que cada una de ellas tiene un lado con carga ligeramente más positiva y un lado opuesto con carga ligeramente más negativa. En el dímero el lado con carga ligeramente más positiva de una de las moléculas posiblemente se ubica cercano a la carga ligeramente negativa de la otra molécula, pues las cargas opuestas se atraen, y así ocurre con los otros dos lados.

• Otras propiedades. Presenta un olor similar a almendras o a pulimento para zapatos. Al bajar su temperatura solidifica en forma de cristales amarillo verdosos.

Obtención del nitrobenceno

Se obtiene tratando el benceno C₆H₆ con una mezcla de ácido nítrico HNO₃ y ácido sulfúrico H₂SO₄. El proceso se llama nitración e involucra la formación del ion nitronio NO₂⁺ gracias a la presencia del ácido sulfúrico H₂SO₄.

– Formación del ion nitronio NO₂⁺:

HNO₃ + 2 H₂SO₄ ⇔ H₃O⁺ + 2 HSO₄^– + NO₂⁺ (ion nitronio)

– El ion nitronio ataca al benceno:

C₆H₆ + NO₂⁺ → C₆H₆NO₂⁺

– Se forma el nitrobenceno:

C₆H₆NO₂⁺ + HSO₄^– → C₆H₅NO₂ + H₂SO₄

En resumen:

C₆H₆ + HNO₃ → C₆H₅NO₂ + H₂O

La reacción de nitración del benceno es muy exotérmica, es decir, se genera mucho calor, por lo que es muy peligrosa.

Usos del nitrobenceno

• En la obtención de anilina y acetaminofén. El nitrobenceno se utiliza principalmente para sintetizar anilina C₆H₅NH₂, que es un compuesto muy utilizado para elaborar pesticidas, gomas, colorantes, explosivos y medicamentos. La obtención de anilina ocurre mediante la reducción del nitrobenceno en medio ácido en presencia de hierro o estaño, la cual se realiza según los siguientes pasos: Nitrobenceno → Nitrosobenceno → Fenilhidroxilamina → Anilina           C₆H₅NO₂ → C₆H₅NO → C₆H₅NHOH → C₆H₅NH₂. Dependiendo de las condiciones, el proceso se puede detener en uno de los pasos intermedios, por ejemplo, en la fenilhidroxilamina. Partiendo de la fenilhidroxilamina en medio fuertemente ácido se puede preparar para-aminofenol: Fenilhdroxilamina → p-Aminofenol         C₆H₅NHOH → HOC₆H₄NH₂. Este último se trata con anhídrido acético para obtener paracetamol (acetaminofén), un conocido antipirético y analgésico suave para tratar la fiebre y dolores. Otra forma de obtener la anilina es mediante la reducción del nitrobenceno con monóxido de carbono (CO) en medio acuoso en presencia de partículas muy pequeñas (nanopartículas) de paladio (Pd) como catalizador. C₆H₅–NO₂ + 3 CO + H₂O → C₆H₅–NH₂ + 3 CO₂

• En la obtención de otros compuestos químicos. El nitrobenceno es el punto de partida para obtener una gran variedad de compuestos usados como colorantes, pesticidas, medicamentos y cosméticos. Por ejemplo, permite obtener el 1,3-dinitrobenceno, que por cloración (adición de cloro) y reducción (eliminación de los átomos de oxígeno) genera 3-cloroanilina. Esta se usa como intermediario para pesticidas, colorantes y medicinas. El nitrobenceno se utilizaba para preparar bencidina, un colorante. Además el nitrobenceno sirve para preparar quinolina, azobenceno, ácido metanilico, dinitrobenceno, isocianatos o piroxilina, entre muchos otros compuestos.
• En varias aplicaciones. El nitrobenceno se emplea o se ha empleado como:
  • Solvente de extracción para la purificación de aceites lubricantes usados en maquinarias.
  • Solvente para éteres de celulosa.
  • Ingrediente de mezclas para pulir metales.
  • En jabones.
  • En mezclas para pulir zapatos.
  • Conservante de pinturas en spray.
  • Componente de mezclas para pulido de pisos.
  • Sustituto de esencia de almendras.
  • En la industria de los perfumes.
  • En la producción de goma sintética.
  • Solvente en diversos procesos.

Riesgos del nitrobenceno

El nitrobenceno es tóxico por inhalación, ingestión y absorción a través de la piel.

Irrita la piel, los ojos y el tracto respiratorio. Puede causar un tipo de anemia llamada metahemoglobinemia, que consiste en la reducción de la capacidad de los glóbulos rojos de liberar oxígeno en los tejidos y genera fatiga.

Además, el nitrobenceno causa disnea, mareo, visión trastornada, falta de aliento, colapso y muerte. También daña el hígado, bazo, riñones y sistema nervioso central.

Se cree que puede ser un mutágeno y posiblemente causante de cáncer en humanos, pues lo ha causado en animales.

Adicionalmente, no debería ser desechado en el ambiente. Su toxicidad hacia animales, plantas y microorganismos hace que sea muy dañino para los ecosistemas. La toxicidad hacia los microorganismos disminuye su biodegradabilidad.

Tratamientos para eliminar el nitrobenceno del ambiente

La contaminación del ambiente con nitrobenceno puede ocurrir a través de los desechos de las diversas industrias que lo emplean, como por ejemplo, la industria de los colorantes o de los explosivos.

El nitrobenceno es un contaminante altamente tóxico y difícil de descomponer bajo condiciones naturales, por esta razón puede causar contaminación severa de aguas potables y sistemas de irrigación de sembradíos.

Por su alta estabilidad y toxicidad hacia los microorganismos, muchas veces es seleccionado como modelo en estudios de tratamiento de aguas servidas.

Se están investigando diversas formas de eliminar al nitrobenceno de agua contaminada. Una de ellas es a través de la degradación fotocatalítica, esto es, utilizando luz solar como acelerador de la reacción de degradación en presencia de dióxido de titanio TiO₂.

También se han probado con éxito métodos de microelectrólisis con un catalizador de hierro (Fe) y cobre (Cu) en cerámica. La microelectrólisis permite descomponer el nitrobenceno mediante una corriente eléctrica.

Referencias

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2. Morrison, R.T., Boyd, R.N. Organic Chemistry. 6th Edition. Prentice-Hall.
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5. Windholz, M. et al. (editors) The Merck Index. An Encyclopedia of Chemicals, Drugs, and Biologicals. Tenth Edition. Merck & CO., Inc.