Nitrace toluenu: reakční rovnice

Promluvme si o tom, jak se provádí nitrace toluenu. Získejte podobnou interakci obrovského množství polotovarů používaných při výrobě výbušnin, léčiv.

Důležitost nitrace

Benzenové deriváty ve formě aromatických nitrosloučenin se vyrábějí v moderním chemickém průmyslu. Nitrobenzen je polotovar v anilinu, parfému, farmaceutické výrobě. Je vynikajícím rozpouštědlem pro mnoho organických sloučenin, včetně dusitanu celulózy, čímž vzniká želatinová hmota. V ropném průmyslu se používá jako čistič mazacích olejů. Nitrací toluenu se získá benzidin, anilin, kyselina aminosalicylová, fenylendiamin.

Charakterizace nitrací

Nitrace je charakterizována zavedením skupiny NO2 do molekuly organické sloučeniny. V závislosti na výchozí látce probíhá tento proces radikálním, nukleofilním, elektrofilním mechanismem. Nitronium kationty, ionty a NO2 radikály působí jako aktivní částice. Nitrační reakce toluenu se týká substituce. U jiných organických látek je možná substituční nitrace, stejně jako připojení dvojitých vazeb.

Nitrace toluenu v molekule aromatického uhlovodíku se provádí za použití nitrační směsi (kyseliny sírové a kyseliny dusičné). Katalytické vlastnosti jsou ukázány kyselinou sírovou, která v tomto procesu působí jako činidlo pohlcující vodu.

Rovnice procesu

Nitrace toluenu zahrnuje nahrazení jednoho atomu vodíku nitroskupinou. Jak vypadá schéma procesního řízení?

Za účelem popisu nitrace toluenu může být reakční rovnice reprezentována v následující formě:

ArH + HONO2 + = Ar-N02 + H20

Umožňuje nám posoudit pouze obecný průběh interakce, ale neuvádí všechny vlastnosti tohoto procesu. Ve skutečnosti dochází k reakci mezi aromatickými uhlovodíky a produkty kyseliny dusičné.

Vzhledem k tomu, že ve výrobcích jsou molekuly vody, vede to k poklesu koncentrace kyseliny dusičné, takže se nitrát toluenu zpomaluje. Aby se předešlo takovému problému, tento proces se provádí při nízkých teplotách za použití přebytku kyseliny dusičné.

Kromě kyseliny sírové se používají i dehydratační činidla acetanhydrid, polyfosforečné kyseliny, fluorid boritý. Umožňují snížit spotřebu kyseliny dusičné, zvýšit účinnost interakce.

Nuance procesu

Nitrování toluenu bylo popsáno koncem devatenáctého století V. Markovnikovem. Podařilo se mu vytvořit vztah mezi přítomností v reakční směsi koncentrovaná kyselina sírová a rychlost procesu. V moderní výrobě nitrotoluenu se používá bezvodá kyselina dusičná, která se v některých přebytcích používá.

Navíc sulfonace a nitrace toluenu jsou spojeny s použitím dostupné složky odstraňující vodu z fluoridu boritého. Jeho zavedení do reakčního procesu umožňuje snížit náklady na získaný produkt, což zpřístupňuje nitraci toluenu. Rovnice probíhajícího procesu v obecné podobě je uvedena níže:

ArH + HN03 + BF3 = Ar-N02 + BF3 middot-H20

Po dokončení reakce se zavádí voda, čímž monohydrát fluoridu boritého tvoří dihydrát. Oddestiluje se ve vakuu, přidá se fluorid vápenatý a sloučenina se vrací do původní formy.

Specificita nitrace

Existují některé rysy tohoto procesu spojené s výběrem reagencií, reakčního substrátu. Zvažme některé jejich varianty podrobněji:

• 60-65% kyseliny dusičné ve směsi se 96% kyselinou sírovou;
• je směs 98% kyseliny dusičné a koncentrované kyseliny sírové vhodná pro nízko reaktivní organické látky;
• Dusičnan draselný nebo dusičnan amonný s koncentrovanou kyselinou sírovou je vynikající volbou pro výrobu polymerních nitrosloučenin.

Kinetika nitrátu

Aromatické uhlovodíky, interagující se směsí kyseliny sírové a kyseliny dusičné, jsou nitrovány iontovým mechanismem. V. Marknovnikov dokázal charakterizovat specifika této interakce. Proces probíhá v několika fázích. Nejprve se vytvoří kyselina dusitá, která se disociuje ve vodném roztoku. Nitronové ionty interagují s toluenem a vytvářejí nitrotoluen jako produkt. Když se do směsi přidávají molekuly vody, proces zpomaluje.

V rozpouštědlech s organickou povahou - nitromethan, acetonitril, sulfolan - vytváření tohoto kationtu umožňuje zvýšení rychlosti nitrace.

Výsledný nitronový kation je připojen k jádru aromatického toluenu, vzniká meziproduktová sloučenina. Dále se oddělí protón, což vede k tvorbě nitrotoluenu.

Pro podrobný popis probíhajícího procesu lze zvážit vznik komplexů "sigma" a "pi". Tvorba komplexu "sigma" je omezujícím stupněm interakce. Rychlost odezvy bude přímo záviset na rychlosti přidání kationtu nitronia na atom uhlíku v jádru aromatické sloučeniny. Štěpení protonu z toluenu je téměř okamžité.

Pouze v některých situacích může dojít k některým náhradním problémům spojeným s významným primárním kinetickým izotopovým účinkem. To je způsobeno zrychlením obráceného procesu za přítomnosti překážek různých druhů.

Při výběru koncentrované kyseliny sírové jako katalyzátoru a činidla odstraňujícího vodu je pozorován posun v rovnováze procesu směrem k tvorbě reakčních produktů.

Závěr

Nitrací toluenu vzniká nitrotoluen, který je cenným produktem chemického průmyslu. Tato látka je výbušná sloučenina, takže se tvrdí v trhacích pracích. Mezi environmentálními problémy spojenými s jeho průmyslovou výrobou je třeba poznamenat, že se používá významné množství koncentrované kyseliny sírové.

Aby se tento problém vypořádal, hledají chemici způsoby, jak snížit množství kyseliny sírové vzniklé po nitračním procesu. Například proces se provádí při nízkých teplotách s použitím snadno regenerovatelného média. Kyselina sírová má silné oxidační vlastnosti, které negativně ovlivňují koroze kovů, představuje zvýšené nebezpečí pro živé organismy. Pokud jsou dodržovány všechny bezpečnostní normy, je možné tyto problémy vyřešit, abychom získali vysoce kvalitní nitrosloučeniny.