Hajde da razgovaramo o tome kako je toluen nitriran. Takvom interakcijom dobija se ogromna količina poluproizvoda koji se koriste u proizvodnji eksploziva, farmaceutskih proizvoda.
Važnost nitriranja
Derivati benzena u obliku aromatičnih nitro jedinjenja proizvode se u modernoj hemijskoj industriji. Nitrobenzen je međuproizvod u anilinskoj, parfimerijskoj, farmaceutskoj proizvodnji. Odličan je rastvarač za mnoga organska jedinjenja, uključujući celulozni nitrit, formirajući sa njim želatinastu masu. U naftnoj industriji koristi se kao sredstvo za čišćenje maziva. Nitracija toluena daje benzidin, anilin, aminosalicilnu kiselinu, fenilendiamin.
Karakteristika nitracije
Nitracija se karakteriše uvođenjem NO2 grupe u molekul organskog jedinjenja. U zavisnosti od polazne supstance, ovaj proces se odvija po radikalnom, nukleofilnom, elektrofilnom mehanizmu. Nitronijum kationi, joni i NO2 radikali deluju kao aktivne čestice. Reakcija nitriranja toluena odnosi se na supstituciju. Za druge organske supstancemoguća je supstitucijska nitracija, kao i dodavanje preko dvostruke veze.
Nitracija toluena u molekulu aromatičnog ugljovodonika vrši se primenom smeše za nitriranje (sumporna i azotna kiselina). Katalitička svojstva pokazuje sumporna kiselina, koja u ovom procesu djeluje kao sredstvo za uklanjanje vode.
Procesna jednačina
Nitracija toluena uključuje zamjenu jednog atoma vodika sa nitro grupom. Kako izgleda dijagram procesa?
Da bi se opisala nitracija toluena, jednačina reakcije se može predstaviti na sljedeći način:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Omogućava nam da prosudimo samo opšti tok interakcije, ali ne otkriva sve karakteristike ovog procesa. Ono što se zapravo događa je reakcija između aromatičnih ugljovodonika i produkata dušične kiseline.
S obzirom da se u proizvodima nalaze molekuli vode, to dovodi do smanjenja koncentracije azotne kiseline, pa se nitracija toluena usporava. Da bi se izbjegao ovaj problem, ovaj proces se izvodi na niskim temperaturama, uz korištenje viška dušične kiseline.
Pored sumporne kiseline, anhidrid sirćetne kiseline, polifosforne kiseline, bor trifluorid se koriste kao sredstva za uklanjanje vode. Oni omogućavaju smanjenje potrošnje dušične kiseline, povećavaju efikasnost interakcije.
Njanse procesa
Nitraciju toluena opisao je krajem devetnaestog veka V. Markovnikov. Uspio je uspostaviti vezu između prisustva koncentrovane sumporne kiseline u reakcijskoj smjesi i brzine procesa. U savremenoj proizvodnji nitrotoluena koristi se bezvodna azotna kiselina, koja se uzima u višku.
Pored toga, sulfoniranje i nitriranje toluena je povezano sa upotrebom dostupne komponente bor-fluorida koja uklanja vodu. Njegovo uvođenje u proces reakcije omogućava smanjenje cijene dobivenog proizvoda, što čini dostupnom nitraciju toluena. Jednačina trenutnog procesa u opštem obliku je predstavljena u nastavku:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Nakon završetka interakcije, uvodi se voda, zbog čega bor-fluorid monohidrat formira dihidrat. Destilira se u vakuumu, zatim se dodaje kalcijum fluorid, vraćajući jedinjenje u prvobitni oblik.
Specifičnosti nitriranja
Postoje neke karakteristike ovog procesa vezane za izbor reagensa, reakcijskog supstrata. Razmotrite neke od njihovih opcija detaljnije:
- 60-65% dušične kiseline pomiješane sa 96% sumporne kiseline;
- mješavina 98% dušične kiseline i koncentrovane sumporne kiseline pogodna je za slabo reaktivne organske tvari;
- kalij ili amonijum nitrat sa koncentrovanom sumpornom kiselinom je odličan izbor za proizvodnju polimernih nitro jedinjenja.
kinetika nitracije
Aromatični ugljovodonici u interakciji sa mešavinom sumpornih idušične kiseline se nitriraju ionskim mehanizmom. V. Markovnikov je uspeo da okarakteriše specifičnosti ove interakcije. Proces se odvija u nekoliko faza. Prvo nastaje nitrosulfurna kiselina, koja se podvrgava disocijaciji u vodenom rastvoru. Joni nitronijuma reaguju sa toluenom, formirajući nitrotoluen kao proizvod. Kada se u smjesu dodaju molekuli vode, proces se usporava.
U rastvaračima organske prirode - nitrometan, acetonitril, sulfolan - formiranje ovog kationa omogućava vam da povećate stopu nitriranja.
Rezultirajući nitronijum kation je vezan za jezgro aromatičnog toluena, i formira se međuspoj. Zatim se proton odvaja, što dovodi do stvaranja nitrotoluena.
Za detaljan opis procesa koji je u toku, možemo razmotriti formiranje "sigma" i "pi" kompleksa. Formiranje "sigma" kompleksa je ograničavajući stupanj interakcije. Brzina reakcije će biti direktno povezana sa brzinom dodavanja nitronijum kationa na atom ugljika u jezgri aromatičnog jedinjenja. Eliminacija protona iz toluena je skoro trenutna.
Samo u nekim situacijama može doći do bilo kakvih problema sa zamjenom povezanih sa značajnim primarnim kinetičkim izotopskim efektom. To je zbog ubrzanja obrnutog procesa u prisustvu raznih vrsta prepreka.
Prilikom odabira koncentrovane sumporne kiseline kao katalizatora i sredstva za odvodnjavanje, uočava se pomak u ravnoteži procesa u pravcu stvaranja produkta reakcije.
Zaključak
Kada se toluen nitrira, nastaje nitrotoluen, koji je vrijedan proizvod hemijske industrije. Upravo je ova supstanca eksplozivno jedinjenje, stoga je tražena u miniranju. Među ekološkim problemima povezanim s njegovom industrijskom proizvodnjom, ističemo upotrebu značajne količine koncentrirane sumporne kiseline.
Da bi se pozabavili ovim problemom, hemičari 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 visokokvalitetna nitro jedinjenja.
