Poďme sa rozprávať o tom, ako sa toluén nitruje. Takouto interakciou sa získava obrovské množstvo polotovarov používaných pri výrobe výbušnín, liečiv.
Význam nitrácie
Benzénové deriváty vo forme aromatických nitrozlúčenín sa vyrábajú v modernom chemickom priemysle. Nitrobenzén je medziprodukt v anilíne, parfumérii, farmaceutickej výrobe. Je výborným rozpúšťadlom pre mnohé organické zlúčeniny, vrátane dusitanu celulózy, pričom s ním vytvára želatínovú hmotu. V ropnom priemysle sa používa ako čistič mazív. Nitráciou toluénu vzniká benzidín, anilín, kyselina aminosalicylová, fenyléndiamín.
Nitračná charakteristika
Nitrácia je charakterizovaná zavedením skupiny NO2 do molekuly organickej zlúčeniny. V závislosti od východiskovej látky tento proces prebieha podľa radikálového, nukleofilného, elektrofilného mechanizmu. Ako aktívne častice pôsobia nitróniové katióny, ióny a radikály NO2. Nitračná reakcia toluénu sa týka substitúcie. Pre ostatné organické látkyje možná substitučná nitrácia, ako aj adícia cez dvojitú väzbu.
Nitrácia toluénu v molekule aromatického uhľovodíka sa uskutočňuje pomocou nitračnej zmesi (kyseliny sírovej a dusičnej). Katalytické vlastnosti vykazuje kyselina sírová, ktorá v tomto procese pôsobí ako činidlo odstraňujúce vodu.
Rovnica spracovania
Nitrácia toluénu zahŕňa nahradenie jedného atómu vodíka nitroskupinou. Ako vyzerá procesný diagram?
Na opísanie nitrácie toluénu možno reakčnú rovnicu znázorniť takto:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Umožňuje nám posúdiť iba všeobecný priebeh interakcie, ale neodhaľuje všetky vlastnosti tohto procesu. V skutočnosti sa deje reakcia medzi aromatickými uhľovodíkmi a produktmi kyseliny dusičnej.
Vzhľadom na to, že v produktoch sú molekuly vody, vedie to k zníženiu koncentrácie kyseliny dusičnej, takže nitrácia toluénu sa spomaľuje. Aby sa predišlo tomuto problému, tento proces sa vykonáva pri nízkych teplotách s použitím nadbytku kyseliny dusičnej.
Okrem kyseliny sírovej sa ako činidlá odstraňujúce vodu používajú acetanhydrid, kyseliny polyfosforečné, fluorid boritý. Umožňujú znížiť spotrebu kyseliny dusičnej, zvýšiť efektivitu interakcie.
Nuansy procesu
Nitráciu toluénu opísal na konci devätnásteho storočia V. Markovnikov. Podarilo sa mu zistiť súvislosť medzi prítomnosťou koncentrovanej kyseliny sírovej v reakčnej zmesi a rýchlosťou procesu. Pri modernej výrobe nitrotoluénu sa používa bezvodá kyselina dusičná, prijatá v určitom nadbytku.
Okrem toho je sulfonácia a nitrácia toluénu spojená s použitím dostupnej zložky fluoridu boritého, ktorá odstraňuje vodu. Jeho zavedenie do reakčného procesu umožňuje znížiť náklady na výsledný produkt, čo sprístupňuje nitráciu toluénu. Rovnica súčasného procesu vo všeobecnej forme je uvedená nižšie:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Po dokončení interakcie sa zavedie voda, vďaka čomu monohydrát fluoridu boritého tvorí dihydrát. Vo vákuu sa oddestiluje, potom sa pridá fluorid vápenatý, čím sa zlúčenina vráti do pôvodnej formy.
Špecifiká nitrácie
Tento proces má niektoré vlastnosti súvisiace s výberom činidiel, reakčného substrátu. Zvážte niektoré z ich možností podrobnejšie:
- 60-65% kyselina dusičná zmiešaná s 96% kyselinou sírovou;
- zmes 98% kyseliny dusičnej a koncentrovanej kyseliny sírovej je vhodná pre mierne reaktívne organické látky;
- dusičnan draselný alebo amónny s koncentrovanou kyselinou sírovou je vynikajúcou voľbou na výrobu polymérnych nitrozlúčenín.
Nitračná kinetika
Aromatické uhľovodíky interagujúce so zmesou síry akyseliny dusičné sú nitrované iónovým mechanizmom. V. Markovnikovovi sa podarilo charakterizovať špecifiká tejto interakcie. Proces prebieha v niekoľkých etapách. Najprv sa vytvorí kyselina nitrosírová, ktorá podlieha disociácii vo vodnom roztoku. Nitróniové ióny reagujú s toluénom za vzniku nitrotoluénu ako produktu. Keď sa do zmesi pridajú molekuly vody, proces sa spomalí.
V rozpúšťadlách s organickou povahou - nitrometán, acetonitril, sulfolán - tvorba tohto katiónu umožňuje zvýšiť rýchlosť nitrácie.
Výsledný nitróniový katión je pripojený k jadru aromatického toluénu a vzniká medziproduktová zlúčenina. Potom sa oddelí protón, čo vedie k vytvoreniu nitrotoluénu.
Pre podrobný popis prebiehajúceho procesu môžeme zvážiť tvorbu komplexov „sigma“a „pi“. Tvorba komplexu "sigma" je limitujúcim štádiom interakcie. Reakčná rýchlosť bude priamo závisieť od rýchlosti adície nitróniového katiónu na atóm uhlíka v jadre aromatickej zlúčeniny. Eliminácia protónu z toluénu je takmer okamžitá.
Len v niektorých situáciách môžu nastať nejaké substitučné problémy spojené s významným primárnym kinetickým izotopovým efektom. Je to spôsobené zrýchlením spätného procesu v prítomnosti rôznych typov prekážok.
Pri výbere koncentrovanej kyseliny sírovej ako katalyzátora a odvodňovacieho činidla sa pozoruje posun v rovnováhe procesu smerom k tvorbe reakčných produktov.
Záver
Keď sa toluén nitruje, vzniká nitrotoluén, ktorý je cenným produktom chemického priemyslu. Práve táto látka je výbušnou zlúčeninou, preto je pri trhacích prácach žiadaná. Medzi environmentálne problémy spojené s jeho priemyselnou výrobou patrí používanie značného množstva koncentrovanej kyseliny sírovej.
Na riešenie tohto problému chemici hľadajú spôsoby, ako znížiť množstvo odpadu kyseliny sírovej, ktorý vzniká pri procese nitrácie. Proces sa napríklad uskutočňuje pri nízkych teplotách, používajú sa ľahko regenerovateľné médiá. Kyselina sírová má silné oxidačné vlastnosti, čo negatívne ovplyvňuje koróziu kovov a predstavuje zvýšené nebezpečenstvo pre živé organizmy. Ak sú dodržané všetky bezpečnostné normy, tieto problémy je možné riešiť a získať vysokokvalitné nitrozlúčeniny.
