Să vorbim despre cum este nitrat toluenul. O cantitate imensă de semifabricate utilizate la fabricarea explozivilor, a produselor farmaceutice este obținută printr-o astfel de interacțiune.
Importanța nitrației
Derivații de benzen sub formă de compuși nitro aromatici sunt produși în industria chimică modernă. Nitrobenzenul este un produs intermediar în producția de anilină, parfumerie, farmaceutică. Este un solvent excelent pentru mulți compuși organici, inclusiv nitritul de celuloză, formând o masă gelatinoasă cu acesta. În industria petrolului, este folosit ca lubrifiant de curățare. Nitrarea toluenului dă benzidină, anilină, acid aminosalicilic, fenilendiamină.
Caracteristică de nitrare
Nitrarea este caracterizată prin introducerea grupării NO2 în molecula unui compus organic. În funcție de substanța inițială, acest proces se desfășoară după un mecanism radical, nucleofil, electrofil. Cationii de nitroniu, ionii și radicalii NO2 acționează ca particule active. Reacția de nitrare a toluenului se referă la substituție. Pentru alte substanțe organiceNitrarea substituțională este posibilă, precum și adăugarea printr-o legătură dublă.
Nitrarea toluenului într-o moleculă de hidrocarbură aromatică se realizează folosind un amestec de nitrare (acizi sulfuric și azot). Proprietățile catalitice sunt prezentate de acidul sulfuric, care acționează ca un agent de eliminare a apei în acest proces.
Ecuația procesului
Nitrarea toluenului implică înlocuirea unui atom de hidrogen cu o grupare nitro. Cum arată diagrama procesului?
Pentru a descrie nitrarea toluenului, ecuația reacției poate fi reprezentată după cum urmează:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Ne permite să judecăm doar cursul general al interacțiunii, dar nu dezvăluie toate caracteristicile acestui proces. Ceea ce se întâmplă de fapt este o reacție între hidrocarburile aromatice și produșii acidului azotic.
Având în vedere că în produse există molecule de apă, acest lucru duce la o scădere a concentrației de acid azotic, astfel încât nitrarea toluenului încetinește. Pentru a evita această problemă, acest proces se efectuează la temperaturi scăzute, folosind acid azotic în exces.
În plus față de acidul sulfuric, ca agenți de îndepărtare a apei se folosesc anhidrida acetică, acizi polifosforici, trifluorura de bor. Ele fac posibilă reducerea consumului de acid azotic, creșterea eficienței interacțiunii.
Nuanțe ale procesului
Nitrarea toluenului a fost descrisă la sfârșitul secolului al XIX-lea de V. Markovnikov. El a reușit să stabilească o legătură între prezența acidului sulfuric concentrat în amestecul de reacție și viteza procesului. În producția modernă de nitrotoluen, se folosește acid azotic anhidru, luat în exces.
În plus, sulfonarea și nitrarea toluenului este asociată cu utilizarea unei componente disponibile de eliminare a apei a fluorurii de bor. Introducerea sa în procesul de reacție face posibilă reducerea costului produsului rezultat, ceea ce face disponibilă nitrarea toluenului. Ecuația procesului curent în formă generală este prezentată mai jos:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
După finalizarea interacțiunii, se introduce apă, din cauza căreia fluorura de bor monohidrat formează un dihidrat. Este distilat în vid, apoi se adaugă fluorură de calciu, revenind compusul la forma sa originală.
Specificații privind nitrarea
Există câteva caracteristici ale acestui proces legate de alegerea reactivilor, a substratului de reacție. Luați în considerare câteva dintre opțiunile lor mai detaliat:
- 60-65% acid azotic amestecat cu 96% acid sulfuric;
- amestec de acid azotic 98% și acid sulfuric concentrat este potrivit pentru substanțele organice ușor reactive;
- nitrat de potasiu sau de amoniu cu acid sulfuric concentrat este o alegere excelentă pentru producerea de compuși nitro polimerici.
Cinetica nitrației
Hidrocarburi aromatice care interacționează cu un amestec de sulfuric șiacizii azotici sunt nitrați prin mecanismul ionic. V. Markovnikov a reușit să caracterizeze specificul acestei interacțiuni. Procesul decurge în mai multe etape. În primul rând, se formează acidul nitrosulfuric, care suferă disociere într-o soluție apoasă. Ionii de nitroniu reacţionează cu toluenul, formând nitrotoluen ca produs. Când se adaugă molecule de apă în amestec, procesul încetinește.
În solvenți cu natură organică - nitrometan, acetonitril, sulfolan - formarea acestui cation vă permite să creșteți viteza de nitrare.
Cationul de nitroniu rezultat este atașat la miezul toluenului aromatic și se formează un compus intermediar. Apoi, un proton este detașat, ceea ce duce la formarea nitrotoluenului.
Pentru o descriere detaliată a procesului în curs, putem lua în considerare formarea complexelor „sigma” și „pi”. Formarea complexului „sigma” este etapa limitativă a interacțiunii. Viteza de reacție va fi direct legată de viteza de adăugare a cationului nitroniu la atomul de carbon din nucleul compusului aromatic. Eliminarea unui proton din toluen este aproape instantanee.
Numai în unele situații pot exista probleme de substituție asociate cu un efect de izotop cinetic primar semnificativ. Acest lucru se datorează accelerării procesului invers în prezența diferitelor tipuri de obstacole.
La alegerea acidului sulfuric concentrat ca catalizator și agent de deshidratare, se observă o schimbare a echilibrului procesului spre formarea produșilor de reacție.
Concluzie
Când toluenul este nitrat, se formează nitrotoluen, care este un produs valoros al industriei chimice. Această substanță este un compus exploziv, prin urmare este solicitată în explozie. Printre problemele de mediu asociate cu producția sa industrială, remarcăm utilizarea unei cantități semnificative de acid sulfuric concentrat.
Pentru a face față acestei probleme, chimiștii caută modalități de a reduce deșeurile de acid sulfuric generate de procesul de nitrare. De exemplu, procesul se desfășoară la temperaturi scăzute, se folosesc medii ușor de regenerat. Acidul sulfuric are proprietăți oxidante puternice, care afectează negativ coroziunea metalelor și prezintă un pericol crescut pentru organismele vii. Dacă sunt respectate toate standardele de siguranță, aceste probleme pot fi rezolvate și se pot obține compuși nitro de în altă calitate.
