Lad os tale om, hvordan toluen nitreres. En enorm mængde halvfabrikata, der anvendes til fremstilling af sprængstoffer, lægemidler opnås ved en sådan interaktion.
Betydningen af nitrering
Benzenderivater i form af aromatiske nitroforbindelser fremstilles i den moderne kemiske industri. Nitrobenzen er et mellemprodukt i anilin, parfumeri, farmaceutisk produktion. Det er et fremragende opløsningsmiddel til mange organiske forbindelser, herunder cellulosenitrit, der danner en gelatinøs masse med det. I petroleumsindustrien bruges det som smøremiddel. Nitrering af toluen giver benzidin, anilin, aminosalicylsyre, phenylendiamin.
Nitrationskarakteristik
Nitrering er karakteriseret ved indførelsen af NO2-gruppen i molekylet af en organisk forbindelse. Afhængigt af udgangsstoffet forløber denne proces ifølge en radikal, nukleofil, elektrofil mekanisme. Nitroniumkationer, -ioner og NO2-radikaler virker som aktive partikler. Nitreringsreaktionen af toluen refererer til substitution. For andre organiske stofferSubstitutionel nitrering er mulig, såvel som addition via en dobbeltbinding.
Nitrering af toluen i et aromatisk carbonhydridmolekyle udføres under anvendelse af en nitreringsblanding (svovlsyre og salpetersyre). Katalytiske egenskaber udvises af svovlsyre, som virker som et vandfjernende middel i denne proces.
Procesligning
Nitrering af toluen involverer udskiftning af et brintatom med en nitrogruppe. Hvordan ser procesdiagrammet ud?
For at beskrive nitreringen af toluen kan reaktionsligningen repræsenteres som følger:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Det giver os kun mulighed for at bedømme det generelle forløb af interaktion, men afslører ikke alle funktionerne i denne proces. Det, der faktisk sker, er en reaktion mellem aromatiske kulbrinter og salpetersyreprodukter.
I betragtning af at der er vandmolekyler i produkterne, fører dette til et fald i koncentrationen af salpetersyre, så nitreringen af toluen bremses. For at undgå dette problem udføres denne proces ved lave temperaturer, hvor der bruges overskud af salpetersyre.
Ud over svovlsyre anvendes eddikesyreanhydrid, polyphosphorsyrer, bortrifluorid som vandfjernende midler. De gør det muligt at reducere forbruget af salpetersyre, øge effektiviteten af interaktionen.
Nuancer i processen
Nitrering af toluen blev beskrevet i slutningen af det nittende århundrede af V. Markovnikov. Det lykkedes ham at etablere en sammenhæng mellem tilstedeværelsen af koncentreret svovlsyre i reaktionsblandingen og processens hastighed. Ved moderne produktion af nitrotoluen anvendes vandfri salpetersyre, taget i et vist overskud.
Desuden er sulfonering og nitrering af toluen forbundet med brugen af en tilgængelig vand-fjernende komponent af borfluorid. Dens introduktion i reaktionsprocessen gør det muligt at reducere omkostningerne ved det resulterende produkt, hvilket gør nitreringen af toluen tilgængelig. Ligningen for den nuværende proces i generel form er præsenteret nedenfor:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Efter afslutning af interaktionen indføres vand, på grund af hvilket borfluoridmonohydrat danner et dihydrat. Det afdestilleres i et vakuum, hvorefter calciumfluorid tilsættes, hvilket bringer forbindelsen tilbage til sin oprindelige form.
Nitreringsspecifikationer
Der er nogle funktioner ved denne proces relateret til valget af reagenser, reaktionssubstrat. Overvej nogle af deres muligheder mere detaljeret:
- 60-65% salpetersyre blandet med 96% svovlsyre;
- blanding af 98% salpetersyre og koncentreret svovlsyre er velegnet til let reaktive organiske stoffer;
- kalium- eller ammoniumnitrat med koncentreret svovlsyre er et glimrende valg til fremstilling af polymere nitroforbindelser.
Nitrationskinetik
Aromatiske kulbrinter, der interagerer med en blanding af svovl ogsalpetersyrer nitreres af den ioniske mekanisme. V. Markovnikov formåede at karakterisere detaljerne i denne interaktion. Processen forløber i flere faser. Først dannes nitrosvovlsyre, som undergår dissociation i en vandig opløsning. Nitroniumioner reagerer med toluen og danner nitrotoluen som et produkt. Når vandmolekyler tilsættes blandingen, bliver processen langsommere.
I opløsningsmidler med organisk natur - nitromethan, acetonitril, sulfolan - giver dannelsen af denne kation dig mulighed for at øge nitreringshastigheden.
Den resulterende nitroniumkation fæstnes til kernen af aromatisk toluen, og der dannes en mellemforbindelse. Derefter løsnes en proton, hvilket fører til dannelsen af nitrotoluen.
For en detaljeret beskrivelse af den igangværende proces kan vi overveje dannelsen af "sigma"- og "pi"-komplekser. Dannelsen af "sigma"-komplekset er det begrænsende stadie af interaktionen. Reaktionshastigheden vil være direkte relateret til hastigheden for tilsætning af nitroniumkationen til carbonatomet i kernen af den aromatiske forbindelse. Elimineringen af en proton fra toluen er næsten øjeblikkelig.
Kun i nogle situationer kan der være substitutionsproblemer forbundet med en signifikant primær kinetisk isotopeffekt. Dette skyldes accelerationen af den omvendte proces ved tilstedeværelsen af forskellige typer forhindringer.
Når man vælger koncentreret svovlsyre som katalysator og afvandingsmiddel, observeres et skift i processens ligevægt mod dannelse af reaktionsprodukter.
Konklusion
Når toluen nitreres, dannes der nitrotoluen, som er et værdifuldt produkt fra den kemiske industri. Det er dette stof, der er en eksplosiv forbindelse, derfor er det efterspurgt i sprængning. Blandt de miljøproblemer, der er forbundet med dets industrielle produktion, bemærker vi brugen af en betydelig mængde koncentreret svovlsyre.
For at håndtere dette problem leder kemikere efter måder at reducere svovlsyreaffaldet, der genereres fra nitreringsprocessen. For eksempel udføres processen ved lave temperaturer, let regenererede medier anvendes. Svovlsyre har stærke oxiderende egenskaber, som negativt påvirker korrosion af metaller og udgør en øget fare for levende organismer. Hvis alle sikkerhedsstandarder overholdes, kan disse problemer løses, og nitroforbindelser af høj kvalitet kan opnås.
