Pojďme si promluvit o tom, jak se toluen nitruje. Takovou interakcí se získává obrovské množství polotovarů používaných při výrobě výbušnin, léčiv.
Význam nitrace
Benzenové deriváty ve formě aromatických nitrosloučenin se vyrábí v moderním chemickém průmyslu. Nitrobenzen je meziprodukt v anilinu, parfumerii, farmaceutické výrobě. Je vynikajícím rozpouštědlem pro mnoho organických sloučenin, včetně dusitanu celulózy, tvořící s ním želatinovou hmotu. V ropném průmyslu se používá jako čistič maziv. Nitrací toluenu se získá benzidin, anilin, kyselina aminosalicylová, fenylendiamin.
Nitrační charakteristika
Nitrace je charakterizována zavedením skupiny NO2 do molekuly organické sloučeniny. V závislosti na výchozí látce tento proces probíhá podle radikálního, nukleofilního, elektrofilního mechanismu. Nitroniové kationty, ionty a radikály NO2 působí jako aktivní částice. Nitrační reakce toluenu se týká substituce. Pro ostatní organické látkyje možná substituční nitrace, stejně jako adice přes dvojnou vazbu.
Nitrace toluenu v molekule aromatického uhlovodíku se provádí pomocí nitrační směsi (kyseliny sírové a dusičné). Katalytické vlastnosti vykazuje kyselina sírová, která v tomto procesu působí jako činidlo odstraňující vodu.
Procesní rovnice
Nitrace toluenu zahrnuje nahrazení jednoho atomu vodíku nitroskupinou. Jak vypadá procesní diagram?
Za účelem popisu nitrace toluenu lze reakční rovnici znázornit následovně:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Umožňuje nám posuzovat pouze obecný průběh interakce, ale neodhaluje všechny rysy tohoto procesu. To, co se ve skutečnosti děje, je reakce mezi aromatickými uhlovodíky a produkty kyseliny dusičné.
Vzhledem k tomu, že v produktech jsou molekuly vody, vede to ke snížení koncentrace kyseliny dusičné, takže se zpomaluje nitrace toluenu. Aby se tomuto problému předešlo, tento proces se provádí při nízkých teplotách s použitím nadbytku kyseliny dusičné.
Kromě kyseliny sírové se jako činidla odstraňující vodu používají acetanhydrid, kyseliny polyfosforečné a fluorid boritý. Umožňují snížit spotřebu kyseliny dusičné, zvýšit efektivitu interakce.
Nuance procesu
Nitrace toluenu byla popsána na konci devatenáctého století V. Markovnikov. Podařilo se mu vytvořit souvislost mezi přítomností koncentrované kyseliny sírové v reakční směsi a rychlostí procesu. Při moderní výrobě nitrotoluenu se používá bezvodá kyselina dusičná v určitém přebytku.
Kromě toho je sulfonace a nitrace toluenu spojena s použitím dostupné složky fluoridu boritého, která odstraňuje vodu. Jeho zavedení do reakčního procesu umožňuje snížit cenu výsledného produktu, což zpřístupňuje nitraci toluenu. Rovnice aktuálního procesu v obecné podobě je uvedena níže:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Po dokončení interakce je zavedena voda, díky které fluorid boritý monohydrát tvoří dihydrát. Ve vakuu se oddestiluje, poté se přidá fluorid vápenatý, čímž se sloučenina vrátí do původní formy.
Specifika nitrace
Tento proces má některé rysy související s výběrem činidel, reakčního substrátu. Zvažte některé z jejich možností podrobněji:
- 60-65% kyselina dusičná smíchaná s 96% kyselinou sírovou;
- směs 98% kyseliny dusičné a koncentrované kyseliny sírové je vhodná pro mírně reaktivní organické látky;
- dusičnan draselný nebo amonný s koncentrovanou kyselinou sírovou je vynikající volbou pro výrobu polymerních nitrosloučenin.
Kinetika nitrace
Aromatické uhlovodíky interagující se směsí síry akyseliny dusičné jsou nitrovány iontovým mechanismem. V. Markovnikovovi se podařilo charakterizovat specifika této interakce. Proces probíhá v několika fázích. Nejprve se vytvoří kyselina nitrosírová, která podléhá disociaci ve vodném roztoku. Nitroniové ionty reagují s toluenem za vzniku nitrotoluenu jako produktu. Když se do směsi přidají molekuly vody, proces se zpomalí.
V rozpouštědlech organické povahy - nitromethan, acetonitril, sulfolan - tvorba tohoto kationtu umožňuje zvýšit rychlost nitrace.
Výsledný nitroniový kationt je připojen k jádru aromatického toluenu a vzniká meziproduktová sloučenina. Dále se oddělí proton, což vede k vytvoření nitrotoluenu.
Pro podrobný popis probíhajícího procesu můžeme uvažovat o tvorbě komplexů "sigma" a "pi". Tvorba komplexu "sigma" je limitující fází interakce. Reakční rychlost bude přímo souviset s rychlostí adice nitroniového kationtu na atom uhlíku v jádru aromatické sloučeniny. Eliminace protonu z toluenu je téměř okamžitá.
Pouze v některých situacích mohou nastat nějaké substituční problémy spojené s významným primárním kinetickým izotopovým efektem. To je způsobeno zrychlením zpětného procesu v přítomnosti různých typů překážek.
Při výběru koncentrované kyseliny sírové jako katalyzátoru a odvodňovacího činidla je pozorován posun v rovnováze procesu směrem k tvorbě reakčních produktů.
Závěr
Při nitraci toluenu vzniká nitrotoluen, který je cenným produktem chemického průmyslu. Právě tato látka je výbušnou směsí, proto je při trhacích pracích žádaná. Mezi ekologické problémy spojené s její průmyslovou výrobou zaznamenáváme používání značného množství koncentrované kyseliny sírové.
Chemici hledají způsoby, jak se vypořádat s tímto problémem, jak snížit množství odpadu kyseliny sírové, který vzniká při nitračním procesu. Proces se například provádí při nízkých teplotách, používají se snadno regenerovatelná média. Kyselina sírová má silné oxidační vlastnosti, což negativně ovlivňuje korozi kovů a představuje zvýšené nebezpečí pro živé organismy. Pokud jsou dodrženy všechny bezpečnostní normy, lze tyto problémy řešit a získat vysoce kvalitní nitrosloučeniny.
