La oss snakke om hvordan toluen nitreres. En enorm mengde halvfabrikata som brukes til fremstilling av eksplosiver, legemidler oppnås ved slik interaksjon.
Betydningen av nitrering
Benzenderivater i form av aromatiske nitroforbindelser produseres i moderne kjemisk industri. Nitrobenzen er et mellomprodukt i anilin, parfyme, farmasøytisk produksjon. Det er et utmerket løsningsmiddel for mange organiske forbindelser, inkludert cellulosenitritt, og danner en gelatinøs masse med det. I petroleumsindustrien brukes det som smøremiddel. Nitrering av toluen gir benzidin, anilin, aminosalisylsyre, fenylendiamin.
Nitreringskarakteristikk
Nitrering er karakterisert ved innføring av NO2-gruppen i molekylet til en organisk forbindelse. Avhengig av utgangsstoffet, fortsetter denne prosessen i henhold til en radikal, nukleofil, elektrofil mekanisme. Nitroniumkationer, -ioner og NO2-radikaler fungerer som aktive partikler. Nitreringsreaksjonen av toluen refererer til substitusjon. For andre organiske stoffersubstitusjonsnitrering er mulig, samt addisjon via en dobbeltbinding.
Nitrering av toluen i et aromatisk hydrokarbonmolekyl utføres ved bruk av en nitreringsblanding (svovelsyre og salpetersyre). Katalytiske egenskaper vises av svovelsyre, som fungerer som et vannfjernende middel i denne prosessen.
Prosessligning
Nitrering av toluen innebærer erstatning av ett hydrogenatom med en nitrogruppe. Hvordan ser prosessdiagrammet ut?
For å beskrive nitreringen av toluen, kan reaksjonsligningen representeres som følger:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Det lar oss bare bedømme det generelle forløpet av interaksjon, men avslører ikke alle funksjonene i denne prosessen. Det som faktisk skjer er en reaksjon mellom aromatiske hydrokarboner og salpetersyreprodukter.
Gitt at det er vannmolekyler i produktene, fører dette til en reduksjon i konsentrasjonen av salpetersyre, slik at nitreringen av toluen bremses. For å unngå dette problemet, utføres denne prosessen ved lave temperaturer, med overskudd av salpetersyre.
I tillegg til svovelsyre, brukes eddiksyreanhydrid, polyfosforsyrer, bortrifluorid som vannfjernende midler. De gjør det mulig å redusere forbruket av salpetersyre, øke effektiviteten av interaksjonen.
Nyanser i prosessen
Nitrering av toluen ble beskrevet på slutten av det nittende århundre av V. Markovnikov. Han klarte å etablere en sammenheng mellom tilstedeværelsen av konsentrert svovelsyre i reaksjonsblandingen og prosessens hastighet. I moderne produksjon av nitrotoluen brukes vannfri salpetersyre, tatt i noe overskudd.
I tillegg er sulfonering og nitrering av toluen assosiert med bruken av en tilgjengelig vannfjernende komponent av borfluorid. Dens introduksjon i reaksjonsprosessen gjør det mulig å redusere kostnadene for det resulterende produktet, noe som gjør nitreringen av toluen tilgjengelig. Ligningen for gjeldende prosess i generell form er presentert nedenfor:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Etter at interaksjonen er fullført, introduseres vann, på grunn av hvilket borfluoridmonohydrat danner et dihydrat. Det destilleres av i et vakuum, deretter tilsettes kalsiumfluorid, som returnerer forbindelsen til sin opprinnelige form.
Nitreringsspesifikasjoner
Det er noen funksjoner ved denne prosessen knyttet til valg av reagenser, reaksjonssubstrat. Vurder noen av alternativene deres mer detaljert:
- 60-65% salpetersyre blandet med 96% svovelsyre;
- blanding av 98 % salpetersyre og konsentrert svovelsyre er egnet for lett reaktive organiske stoffer;
- kalium- eller ammoniumnitrat med konsentrert svovelsyre er et utmerket valg for produksjon av polymere nitroforbindelser.
Nitreringskinetikk
Aromatiske hydrokarboner som interagerer med en blanding av svovelsyre ogsalpetersyrer nitreres av den ioniske mekanismen. V. Markovnikov klarte å karakterisere detaljene i denne interaksjonen. Prosessen foregår i flere stadier. Først dannes nitrosvovelsyre, som gjennomgår dissosiasjon i en vandig løsning. Nitroniumioner reagerer med toluen, og danner nitrotoluen som et produkt. Når vannmolekyler tilsettes blandingen, bremses prosessen.
I løsemidler med organisk natur - nitrometan, acetonitril, sulfolan - dannelsen av denne kationen lar deg øke nitreringshastigheten.
Det resulterende nitroniumkation festes til kjernen av aromatisk toluen, og en mellomforbindelse dannes. Deretter løsnes et proton, noe som fører til dannelse av nitrotoluen.
For en detaljert beskrivelse av den pågående prosessen, kan vi vurdere dannelsen av "sigma"- og "pi"-komplekser. Dannelsen av "sigma"-komplekset er det begrensende stadiet av interaksjonen. Reaksjonshastigheten vil være direkte relatert til hastigheten for tilsetning av nitroniumkation til karbonatomet i kjernen til den aromatiske forbindelsen. Elimineringen av et proton fra toluen skjer nesten øyeblikkelig.
Bare i noen situasjoner kan det være noen substitusjonsproblemer forbundet med en signifikant primær kinetisk isotopeffekt. Dette skyldes akselerasjonen av den omvendte prosessen i nærvær av ulike typer hindringer.
Når man velger konsentrert svovelsyre som katalysator og avvanningsmiddel, observeres et skifte i prosessens likevekt mot dannelse av reaksjonsprodukter.
Konklusjon
Når toluen nitreres, dannes nitrotoluen, som er et verdifullt produkt fra kjemisk industri. Det er dette stoffet som er en eksplosiv forbindelse, derfor er det etterspurt ved sprengning. Blant miljøproblemene knyttet til industriell produksjon, merker vi bruken av en betydelig mengde konsentrert svovelsyre.
For å håndtere dette problemet, leter kjemikere etter måter å redusere svovelsyreavfallet som genereres fra nitreringsprosessen. For eksempel utføres prosessen ved lave temperaturer, lett regenererte medier brukes. Svovelsyre har sterke oksiderende egenskaper, som negativt påvirker korrosjon av metaller og utgjør en økt fare for levende organismer. Hvis alle sikkerhetsstandarder overholdes, kan disse problemene håndteres og nitroforbindelser av høy kvalitet kan oppnås.
