Pogovorimo se o tem, kako je toluen nitriran. S takšno interakcijo dobimo ogromno polizdelkov, ki se uporabljajo pri proizvodnji eksplozivov, farmacevtskih izdelkov.
Pomen nitriranja
Derivati benzena v obliki aromatskih nitro spojin se proizvajajo v sodobni kemični industriji. Nitrobenzen je vmesni produkt v anilinski, parfumerijski, farmacevtski proizvodnji. Je odlično topilo za številne organske spojine, vključno s celuloznim nitritom, ki z njim tvori želatinasto maso. V naftni industriji se uporablja kot čistilo za mazivo. Nitriranje toluena daje benzidin, anilin, aminosalicilno kislino, fenilendiamin.
Značilnost nitriranja
Nitracija je značilna po vnosu skupine NO2 v molekulo organske spojine. Odvisno od izhodne snovi ta proces poteka po radikalnem, nukleofilnem, elektrofilnem mehanizmu. Nitronijevi kationi, ioni in radikali NO2 delujejo kot aktivni delci. Reakcija nitriranja toluena se nanaša na substitucijo. Za druge organske snovimožna je substitucijska nitracija, pa tudi dodajanje preko dvojne vezi.
Nitriranje toluena v molekuli aromatskih ogljikovodikov se izvaja z uporabo nitracijske mešanice (žveplove in dušikove kisline). Katalitične lastnosti kaže žveplova kislina, ki v tem procesu deluje kot sredstvo za odstranjevanje vode.
Procesna enačba
Nitriranje toluena vključuje zamenjavo enega vodikovega atoma z nitro skupino. Kako izgleda diagram procesa?
Za opis nitriranja toluena lahko reakcijsko enačbo predstavimo na naslednji način:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Omogoča presojo le splošnega poteka interakcije, vendar ne razkriva vseh značilnosti tega procesa. Dejansko se dogaja reakcija med aromatičnimi ogljikovodiki in produkti dušikove kisline.
Glede na to, da so v izdelkih molekule vode, to vodi do zmanjšanja koncentracije dušikove kisline, zato se nitriranje toluena upočasni. Da bi se izognili tej težavi, se ta postopek izvaja pri nizkih temperaturah z uporabo presežka dušikove kisline.
Poleg žveplove kisline se kot sredstva za odstranjevanje vode uporabljajo anhidrid ocetne kisline, polifosforne kisline, borov trifluorid. Omogočajo zmanjšanje porabe dušikove kisline, povečajo učinkovitost interakcije.
Nianse postopka
Nitriranje toluena je ob koncu devetnajstega stoletja opisal V. Markovnikov. Uspelo mu je vzpostaviti povezavo med prisotnostjo koncentrirane žveplove kisline v reakcijski zmesi in hitrostjo procesa. V sodobni proizvodnji nitrotoluena se uporablja brezvodna dušikova kislina, vzeta v presežku.
Poleg tega sta sulfoniranje in nitriranje toluena povezana z uporabo razpoložljive komponente borovega fluorida, ki odstranjuje vodo. Njegova uvedba v reakcijski proces omogoča znižanje stroškov nastalega produkta, zaradi česar je na voljo nitriranje toluena. Spodaj je predstavljena enačba trenutnega procesa v splošni obliki:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Po zaključku interakcije se uvede voda, zaradi katere borov fluorid monohidrat tvori dihidrat. Oddestilira se v vakuumu, nato se doda kalcijev fluorid, s čimer se spojina vrne v prvotno obliko.
specifičnosti nitriranja
Obstaja nekaj značilnosti tega postopka, povezanih z izbiro reagentov, reakcijskega substrata. Razmislite o nekaterih njihovih možnostih podrobneje:
- 60-65% dušikove kisline, mešane z 96% žveplove kisline;
- mešanica 98% dušikove kisline in koncentrirane žveplove kisline je primerna za rahlo reaktivne organske snovi;
- kalijev ali amonijev nitrat s koncentrirano žveplovo kislino je odlična izbira za proizvodnjo polimernih nitro spojin.
kinetika nitriranja
Aromatski ogljikovodiki v interakciji z mešanico žveplove indušikove kisline se nitrirajo po ionskem mehanizmu. V. Markovnikov je uspel opisati posebnosti te interakcije. Postopek poteka v več fazah. Najprej nastane dušikova žveplova kislina, ki je podvržena disociaciji v vodni raztopini. Nitronijevi ioni reagirajo s toluenom in tvorijo nitrotoluen kot produkt. Ko mešanici dodamo molekule vode, se proces upočasni.
V topilih z organsko naravo - nitrometan, acetonitril, sulfolan - tvorba tega kationa vam omogoča, da povečate stopnjo nitriranja.
Nastali nitronijev kation je vezan na jedro aromatičnega toluena in nastane vmesna spojina. Nato se proton loči, kar vodi do tvorbe nitrotoluena.
Za podroben opis tekočega procesa lahko razmislimo o tvorbi "sigma" in "pi" kompleksov. Oblikovanje kompleksa "sigma" je omejujoča stopnja interakcije. Hitrost reakcije bo neposredno povezana s hitrostjo dodajanja nitronijevega kationa ogljikovemu atomu v jedru aromatske spojine. Odstranitev protona iz toluena je skoraj v trenutku.
Samo v nekaterih situacijah lahko pride do kakršnih koli težav pri zamenjavi, povezanih s pomembnim primarnim kinetičnim izotopskim učinkom. To je posledica pospeševanja obratnega procesa ob prisotnosti različnih vrst ovir.
Pri izbiri koncentrirane žveplove kisline kot katalizatorja in sredstva za odvodnjavanje opazimo premik v ravnotežju procesa v smeri tvorbe reakcijskih produktov.
Sklep
Pri nitriranju toluena nastane nitrotoluen, ki je dragocen proizvod kemične industrije. Prav ta snov je eksplozivna spojina, zato je povpraševanje po njej pri razstreljevanju. Med okoljskimi težavami, povezanimi z njegovo industrijsko proizvodnjo, omenjamo uporabo znatne količine koncentrirane žveplove kisline.
Za reševanje te težave kemiki iščejo načine za zmanjšanje odpadkov žveplove kisline, ki nastanejo pri nitriranju. Na primer, postopek se izvaja pri nizkih temperaturah, uporabljajo se lahko regenerirani mediji. Žveplova kislina ima močne oksidativne lastnosti, kar negativno vpliva na korozijo kovin in predstavlja povečano nevarnost za žive organizme. Če se upoštevajo vsi varnostni standardi, je mogoče te težave rešiti in pridobiti visokokakovostne nitro spojine.
