Låt oss prata om hur toluen nitreras. En enorm mängd halvfabrikat som används vid tillverkning av sprängämnen, läkemedel erhålls genom sådan interaktion.
Vikten av nitrering
Bensenderivat i form av aromatiska nitroföreningar produceras i den moderna kemiska industrin. Nitrobensen är en mellanprodukt i anilin, parfymeri, läkemedelsproduktion. Det är ett utmärkt lösningsmedel för många organiska föreningar, inklusive cellulosanitrit, som bildar en gelatinös massa med det. Inom petroleumindustrin används det som smörjmedelsrengörare. Nitrering av toluen ger bensidin, anilin, aminosalicylsyra, fenylendiamin.
Nitreringsegenskap
Nitrering kännetecknas av införandet av NO2-gruppen i molekylen av en organisk förening. Beroende på utgångssubstansen fortsätter denna process enligt en radikal, nukleofil, elektrofil mekanism. Nitroniumkatjoner, -joner och NO2-radikaler fungerar som aktiva partiklar. Nitreringsreaktionen av toluen hänvisar till substitution. För andra organiska ämnensubstitutionsnitrering är möjlig, såväl som addition via en dubbelbindning.
Nitrering av toluen i en aromatisk kolvätemolekyl utförs med en nitreringsblandning (svavelsyra och salpetersyra). Katalytiska egenskaper uppvisas av svavelsyra, som fungerar som ett vattenavlägsnande medel i denna process.
Processekvation
Nitrering av toluen innebär att en väteatom ersätts med en nitrogrupp. Hur ser processdiagrammet ut?
För att beskriva nitreringen av toluen kan reaktionsekvationen representeras enligt följande:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Det tillåter oss att endast bedöma det allmänna förloppet av interaktion, men avslöjar inte alla funktioner i denna process. Vad som faktiskt händer är en reaktion mellan aromatiska kolväten och salpetersyraprodukter.
Med tanke på att det finns vattenmolekyler i produkterna leder detta till en minskning av koncentrationen av salpetersyra, så nitreringen av toluen saktar ner. För att undvika detta problem utförs denna process vid låga temperaturer, med överskott av salpetersyra.
Förutom svavelsyra används ättiksyraanhydrid, polyfosforsyror, bortrifluorid som vattenavlägsnande medel. De gör det möjligt att minska förbrukningen av salpetersyra, öka effektiviteten i interaktionen.
Nyanser i processen
Nitrering av toluen beskrevs i slutet av artonhundratalet av V. Markovnikov. Han lyckades fastställa ett samband mellan närvaron av koncentrerad svavelsyra i reaktionsblandningen och processens hastighet. Vid modern tillverkning av nitrotoluen används vattenfri salpetersyra som tas i visst överskott.
Dessutom är sulfonering och nitrering av toluen förknippad med användningen av en tillgänglig vattenavlägsnande komponent av borfluorid. Dess införande i reaktionsprocessen gör det möjligt att minska kostnaderna för den resulterande produkten, vilket gör nitreringen av toluen tillgänglig. Ekvationen för den nuvarande processen i allmän form presenteras nedan:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Efter avslutad interaktion införs vatten, på grund av vilket borfluoridmonohydrat bildar ett dihydrat. Den destilleras av i vakuum, sedan tillsätts kalciumfluorid, vilket återställer föreningen till sin ursprungliga form.
Nitreringsspecifikationer
Det finns några funktioner i denna process relaterade till valet av reagens, reaktionssubstrat. Överväg några av deras alternativ mer i detalj:
- 60-65% salpetersyra blandat med 96% svavelsyra;
- blandning av 98 % salpetersyra och koncentrerad svavelsyra är lämplig för lätt reaktiva organiska ämnen;
- kalium- eller ammoniumnitrat med koncentrerad svavelsyra är ett utmärkt val för framställning av polymera nitroföreningar.
Nitrationskinetik
Aromatiska kolväten som interagerar med en blandning av svavelsyra ochsalpetersyror nitreras genom jonmekanismen. V. Markovnikov lyckades karakterisera detaljerna i denna interaktion. Processen pågår i flera steg. Först bildas nitrosvavelsyra, som genomgår dissociation i en vattenlösning. Nitroniumjoner reagerar med toluen och bildar nitrotoluen som en produkt. När vattenmolekyler tillsätts till blandningen saktar processen ner.
I lösningsmedel med organisk natur - nitrometan, acetonitril, sulfolan - bildningen av denna katjon gör att du kan öka nitreringshastigheten.
Den resulterande nitroniumkatjonen fästs vid kärnan av aromatisk toluen och en mellanliggande förening bildas. Därefter lösgörs en proton, vilket leder till bildning av nitrotoluen.
För en detaljerad beskrivning av den pågående processen kan vi överväga bildandet av "sigma"- och "pi"-komplex. Bildandet av "sigma"-komplexet är det begränsande stadiet av interaktionen. Reaktionshastigheten kommer att vara direkt relaterad till hastigheten för tillsats av nitroniumkatjonen till kolatomen i kärnan av den aromatiska föreningen. Elimineringen av en proton från toluen sker nästan omedelbart.
Endast i vissa situationer kan det finnas några substitutionsproblem förknippade med en signifikant primär kinetisk isotopeffekt. Detta beror på accelerationen av den omvända processen i närvaro av olika typer av hinder.
När man väljer koncentrerad svavelsyra som katalysator och avvattningsmedel, observeras en förändring i processens jämvikt mot bildning av reaktionsprodukter.
Slutsats
När toluen nitreras bildas nitrotoluen, som är en värdefull produkt från den kemiska industrin. Det är detta ämne som är en explosiv förening, därför är det efterfrågat vid sprängning. Bland miljöproblemen i samband med dess industriella produktion noterar vi användningen av en betydande mängd koncentrerad svavelsyra.
För att hantera detta problem letar kemister efter sätt att minska svavelsyraavfallet som genereras från nitreringsprocessen. Till exempel utförs processen vid låga temperaturer, lätt regenererade medier används. Svavelsyra har starka oxiderande egenskaper, vilket negativt påverkar korrosion av metaller och utgör en ökad fara för levande organismer. Om alla säkerhetsstandarder följs kan dessa problem lösas och högkvalitativa nitroföreningar kan erhållas.
