Porozmawiajmy o tym, jak toluen jest nitrowany. W wyniku takiej interakcji uzyskuje się ogromną ilość półproduktów wykorzystywanych do produkcji materiałów wybuchowych, farmaceutyków.
Znaczenie nitracji
Pochodne benzenu w postaci aromatycznych związków nitrowych są produkowane w nowoczesnym przemyśle chemicznym. Nitrobenzen jest półproduktem w produkcji anilinowej, perfumeryjnej, farmaceutycznej. Jest doskonałym rozpuszczalnikiem wielu związków organicznych, w tym azotynu celulozy, tworząc z nim galaretowatą masę. W przemyśle naftowym jest używany jako środek do czyszczenia smarów. W wyniku azotowania toluenu otrzymuje się benzydynę, anilinę, kwas aminosalicylowy, fenylenodiaminę.
Charakterystyka nitrowania
Nitration charakteryzuje się wprowadzeniem grupy NO2 do cząsteczki związku organicznego. W zależności od substancji wyjściowej proces ten przebiega zgodnie z mechanizmem rodnikowym, nukleofilowym, elektrofilowym. Kationy, jony i rodniki NO2 azotu działają jak cząstki aktywne. Reakcja nitrowania toluenu odnosi się do podstawienia. Dla innych substancji organicznychmożliwe jest nitrowanie substytucyjne, a także addycja przez podwójne wiązanie.
Nitrowanie toluenu w cząsteczce węglowodoru aromatycznego odbywa się przy użyciu mieszaniny nitrującej (kwas siarkowy i azotowy). Właściwości katalityczne wykazuje kwas siarkowy, który w tym procesie pełni funkcję środka odwadniającego.
Równanie procesu
Nitration toluenu polega na zastąpieniu jednego atomu wodoru grupą nitrową. Jak wygląda diagram procesu?
W celu opisania nitrowania toluenu, równanie reakcji można przedstawić w następujący sposób:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2O
Pozwala nam to ocenić jedynie ogólny przebieg interakcji, ale nie ujawnia wszystkich cech tego procesu. To, co faktycznie się dzieje, to reakcja między węglowodorami aromatycznymi a produktami kwasu azotowego.
Biorąc pod uwagę, że w produktach znajdują się cząsteczki wody, prowadzi to do zmniejszenia stężenia kwasu azotowego, a więc spowolnienia nitrowania toluenu. Aby uniknąć tego problemu, proces ten przeprowadza się w niskich temperaturach, przy użyciu nadmiaru kwasu azotowego.
Oprócz kwasu siarkowego, bezwodnika octowego, kwasów polifosforowych, trifluorku boru są stosowane jako środki do usuwania wody. Umożliwiają zmniejszenie zużycia kwasu azotowego, zwiększają efektywność oddziaływania.
Nuanse procesu
Nitracja toluenu została opisana pod koniec XIX wieku przez V. Markownikowa. Udało mu się ustalić związek między obecnością stężonego kwasu siarkowego w mieszaninie reakcyjnej a szybkością procesu. W nowoczesnej produkcji nitrotoluenu stosuje się bezwodny kwas azotowy, pobierany w pewnym nadmiarze.
Ponadto, sulfonowanie i nitrowanie toluenu jest związane z użyciem dostępnego składnika usuwającego wodę, jakim jest fluorek boru. Jego wprowadzenie do procesu reakcji pozwala na obniżenie kosztów produktu wynikowego, który umożliwia nitrowanie toluenu. Poniżej przedstawiono równanie bieżącego procesu w postaci ogólnej:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Po zakończeniu interakcji wprowadzana jest woda, dzięki czemu monohydrat fluorku boru tworzy dihydrat. Oddestylowuje się go w próżni, a następnie dodaje się fluorek wapnia, przywracając związek do jego pierwotnej postaci.
Szczegóły dotyczące nitracji
Istnieją pewne cechy tego procesu związane z wyborem odczynników, substratu reakcji. Rozważ niektóre z ich opcji bardziej szczegółowo:
- 60-65% kwas azotowy zmieszany z 96% kwasem siarkowym;
- mieszanina 98% kwasu azotowego i stężonego kwasu siarkowego jest odpowiednia dla słabo reaktywnych substancji organicznych;
- Azotan potasowy lub amonowy ze stężonym kwasem siarkowym to doskonały wybór do produkcji polimerowych związków nitrowych.
Kinetyka azotowania
Węglowodory aromatyczne oddziałujące z mieszaniną siarki ikwasy azotowe są nitrowane w mechanizmie jonowym. V. Markovnikov zdołał scharakteryzować specyfikę tej interakcji. Proces przebiega w kilku etapach. Najpierw powstaje kwas nitrosiarkowy, który w roztworze wodnym ulega dysocjacji. Jony azotowe reagują z toluenem, tworząc jako produkt nitrotoluen. Gdy do mieszanki dodawane są cząsteczki wody, proces ulega spowolnieniu.
W rozpuszczalnikach o charakterze organicznym - nitrometan, acetonitryl, sulfolan - tworzenie tego kationu pozwala na zwiększenie szybkości nitrowania.
Powstały kation nitronium jest przyłączony do rdzenia aromatycznego toluenu i powstaje związek pośredni. Następnie proton jest odłączany, co prowadzi do powstania nitrotoluenu.
Dla szczegółowego opisu zachodzącego procesu, możemy rozważyć tworzenie się kompleksów "sigma" i "pi". Tworzenie kompleksu „sigma” jest etapem ograniczającym oddziaływania. Szybkość reakcji będzie bezpośrednio związana z szybkością dodawania kationu nitroniowego do atomu węgla w jądrze związku aromatycznego. Eliminacja protonu z toluenu jest prawie natychmiastowa.
Tylko w niektórych sytuacjach mogą wystąpić problemy z substytucją związane ze znaczącym pierwotnym efektem kinetycznym izotopu. Wynika to z przyspieszenia procesu odwrotnego w obecności różnego rodzaju przeszkód.
Wybierając stężony kwas siarkowy jako katalizator i środek odwadniający, obserwuje się przesunięcie równowagi procesu w kierunku powstawania produktów reakcji.
Wniosek
Podczas nitrowania toluenu powstaje nitrotoluen, który jest cennym produktem przemysłu chemicznego. To właśnie ta substancja jest związkiem wybuchowym, dlatego jest poszukiwana w wybuchach. Wśród problemów środowiskowych związanych z jego produkcją przemysłową odnotowujemy użycie znacznej ilości stężonego kwasu siarkowego.
Aby poradzić sobie z tym problemem, chemicy szukają sposobów na zmniejszenie ilości odpadów kwasu siarkowego powstających w procesie nitrowania. Na przykład proces prowadzony jest w niskich temperaturach, stosuje się łatwo regenerujące się media. Kwas siarkowy ma silne właściwości utleniające, co negatywnie wpływa na korozję metali i stanowi zwiększone zagrożenie dla organizmów żywych. Jeśli przestrzegane są wszystkie normy bezpieczeństwa, problemy te można rozwiązać i uzyskać wysokiej jakości związki nitrowe.
