Razgovarajmo o tome kako je toluen nitriran. Takvom interakcijom dobiva se ogromna količina poluproizvoda koji se koriste u proizvodnji eksploziva, farmaceutskih proizvoda.
Važnost nitriranja
Derivati benzena u obliku aromatskih nitro spojeva proizvode se u modernoj kemijskoj industriji. Nitrobenzen je međuproizvod u anilinskoj, parfumerijskoj, farmaceutskoj proizvodnji. Izvrsno je otapalo za mnoge organske spojeve, uključujući celulozni nitrit, tvoreći s njim želatinoznu masu. U naftnoj industriji koristi se kao sredstvo za čišćenje maziva. Nitracija toluena daje benzidin, anilin, aminosalicilnu kiselinu, fenilendiamin.
Karakteristika nitracije
Nitracija je karakterizirana uvođenjem NO2 skupine u molekulu organskog spoja. Ovisno o početnoj tvari, ovaj proces se odvija po radikalnom, nukleofilnom, elektrofilnom mehanizmu. Nitronijevi kationi, ioni i NO2 radikali djeluju kao aktivne čestice. Reakcija nitracije toluena odnosi se na supstituciju. Za ostale organske tvarimoguća je supstitucijska nitracija, kao i dodavanje putem dvostruke veze.
Nitriranje toluena u molekuli aromatskog ugljikovodika provodi se pomoću smjese za nitriranje (sumporna i dušična kiselina). Katalitička svojstva pokazuje sumporna kiselina, koja u ovom procesu djeluje kao sredstvo za uklanjanje vode.
Procesna jednadžba
Nitracija toluena uključuje zamjenu jednog atoma vodika s nitro grupom. Kako izgleda dijagram procesa?
Da bi se opisala nitracija toluena, jednadžba reakcije može se predstaviti na sljedeći način:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Omogućuje nam da prosudimo samo opći tijek interakcije, ali ne otkriva sve značajke ovog procesa. Ono što se zapravo događa je reakcija između aromatskih ugljikovodika i produkata dušične kiseline.
S obzirom da se u proizvodima nalaze molekule vode, to dovodi do smanjenja koncentracije dušične kiseline, pa se nitriranje toluena usporava. Kako bi se izbjegao ovaj problem, ovaj se proces provodi na niskim temperaturama, uz korištenje viška dušične kiseline.
Pored sumporne kiseline, anhidrid octene kiseline, polifosforne kiseline, bor trifluorid se koriste kao sredstva za uklanjanje vode. Omogućuju smanjenje potrošnje dušične kiseline, povećavaju učinkovitost interakcije.
Nijanse procesa
Nitriranje toluena opisao je krajem devetnaestog stoljeća V. Markovnikov. Uspio je uspostaviti vezu između prisutnosti koncentrirane sumporne kiseline u reakcijskoj smjesi i brzine procesa. U suvremenoj proizvodnji nitrotoluena koristi se bezvodna dušična kiselina, uzeta u malom višku.
Osim toga, sulfoniranje i nitriranje toluena povezano je s korištenjem dostupne komponente borovog fluorida za uklanjanje vode. Njegovo uvođenje u reakcijski proces omogućuje smanjenje cijene dobivenog proizvoda, što čini dostupnom nitriranje toluena. Jednadžba trenutnog procesa u općem obliku prikazana je u nastavku:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Nakon završetka interakcije uvodi se voda, zbog čega bor-fluorid monohidrat stvara dihidrat. Destilira se u vakuumu, zatim se dodaje kalcijev fluorid, vraćajući spoj u izvorni oblik.
Specifičnosti nitriranja
Postoje neke značajke ovog procesa vezane za izbor reagensa, reakcijskog supstrata. Razmotrite neke od njihovih opcija detaljnije:
- 60-65% dušične kiseline pomiješane s 96% sumporne kiseline;
- mješavina 98% dušične kiseline i koncentrirane sumporne kiseline prikladna je za slabo reaktivne organske tvari;
- kalijev ili amonijev nitrat s koncentriranom sumpornom kiselinom izvrstan je izbor za proizvodnju polimernih nitro spojeva.
kinetika nitracije
Aromatski ugljikovodici u interakciji sa mješavinom sumpornih idušične kiseline se nitriraju ionskim mehanizmom. V. Markovnikov uspio je okarakterizirati specifičnosti ove interakcije. Proces se odvija u nekoliko faza. Najprije nastaje nitrosulfurna kiselina, koja se disocijacija u vodenoj otopini. Nitronijevi ioni reagiraju s toluenom, stvarajući nitrotoluen kao produkt. Kada se smjesi dodaju molekule vode, proces se usporava.
U otapalima organske prirode - nitrometan, acetonitril, sulfolan - stvaranje ovog kationa omogućuje vam povećanje stope nitracije.
Rezultirajući nitronijev kation je vezan za jezgru aromatskog toluena i nastaje međuspoj. Zatim se proton odvaja, što dovodi do stvaranja nitrotoluena.
Za detaljan opis procesa u tijeku, možemo razmotriti formiranje "sigma" i "pi" kompleksa. Formiranje "sigma" kompleksa je ograničavajući stupanj interakcije. Brzina reakcije bit će izravno povezana sa brzinom dodavanja nitronijevog kationa na ugljikov atom u jezgri aromatskog spoja. Eliminacija protona iz toluena je gotovo trenutačna.
Samo u nekim situacijama mogu postojati problemi zamjene povezanih sa značajnim primarnim kinetičkim izotopskim učinkom. To je zbog ubrzanja obrnutog procesa u prisutnosti raznih vrsta prepreka.
Kada se odabire koncentrirana sumporna kiselina kao katalizator i sredstvo za odvodnjavanje, uočava se pomak u ravnoteži procesa prema stvaranju produkta reakcije.
Zaključak
Kada se toluen nitrira, nastaje nitrotoluen, koji je vrijedan proizvod kemijske industrije. Upravo je ta tvar eksplozivni spoj, stoga je tražena u miniranju. Među ekološkim problemima povezanim s njegovom industrijskom proizvodnjom, bilježimo korištenje značajne količine koncentrirane sumporne kiseline.
Kako bi se nosili s ovim problemom, kemičari traže načine da smanje otpad sumporne kiseline koji nastaje procesom nitriranja. Na primjer, proces se provodi na niskim temperaturama, koriste se lako regenerirani mediji. Sumporna kiselina ima jaka oksidirajuća svojstva, što negativno utječe na koroziju metala i predstavlja povećanu opasnost za žive organizme. Ako se poštuju svi sigurnosni standardi, ovi problemi se mogu riješiti i dobiti visokokvalitetni nitro spojevi.
