Laten we het hebben over hoe tolueen wordt genitreerd. Een enorme hoeveelheid halffabrikaten die worden gebruikt bij de vervaardiging van explosieven, farmaceutische producten, wordt verkregen door een dergelijke interactie.
Belang van nitratie
Benzeenderivaten in de vorm van aromatische nitroverbindingen worden geproduceerd in de moderne chemische industrie. Nitrobenzeen is een tussenproduct in aniline, parfumerie, farmaceutische productie. Het is een uitstekend oplosmiddel voor veel organische verbindingen, waaronder cellulosenitriet, en vormt er een gelatineuze massa mee. In de aardolie-industrie wordt het gebruikt als smeermiddelreiniger. Nitratie van tolueen geeft benzidine, aniline, aminosalicylzuur, fenyleendiamine.
Nitratiekarakteristiek
Nitratie wordt gekenmerkt door de introductie van de NO2-groep in het molecuul van een organische verbinding. Afhankelijk van de uitgangsstof verloopt dit proces volgens een radicaal, nucleofiel, elektrofiel mechanisme. Nitroniumkationen, -ionen en NO2-radicalen werken als actieve deeltjes. De nitreringsreactie van tolueen verwijst naar substitutie. Voor andere organische stoffensubstitutie nitrering is mogelijk, evenals toevoeging via een dubbele binding.
Nitratie van tolueen in een aromatisch koolwaterstofmolecuul wordt uitgevoerd met behulp van een nitrerend mengsel (zwavel- en salpeterzuur). Katalytische eigenschappen worden vertoond door zwavelzuur, dat in dit proces als een waterverwijderend middel werkt.
Procesvergelijking
Nitratie van tolueen omvat de vervanging van één waterstofatoom door een nitrogroep. Hoe ziet het processchema eruit?
Om de nitrering van tolueen te beschrijven, kan de reactievergelijking als volgt worden weergegeven:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Het stelt ons in staat om alleen het algemene verloop van interactie te beoordelen, maar onthult niet alle kenmerken van dit proces. Wat er feitelijk gebeurt, is een reactie tussen aromatische koolwaterstoffen en salpeterzuurproducten.
Aangezien er watermoleculen in de producten zitten, leidt dit tot een afname van de concentratie van salpeterzuur, waardoor de nitrering van tolueen vertraagt. Om dit probleem te voorkomen, wordt dit proces bij lage temperaturen uitgevoerd, waarbij een overmaat salpeterzuur wordt gebruikt.
Naast zwavelzuur worden azijnzuuranhydride, polyfosforzuren en boortrifluoride gebruikt als waterverwijderende middelen. Ze maken het mogelijk om het verbruik van salpeterzuur te verminderen, de efficiëntie van interactie te verhogen.
Nuances van het proces
Nitratie van tolueen werd aan het einde van de negentiende eeuw beschreven door V. Markovnikov. Hij wist een verband te leggen tussen de aanwezigheid van geconcentreerd zwavelzuur in het reactiemengsel en de snelheid van het proces. Bij de moderne productie van nitrotolueen wordt watervrij salpeterzuur gebruikt, dat in een overmaat wordt ingenomen.
Bovendien wordt de sulfonering en nitrering van tolueen geassocieerd met het gebruik van een beschikbare waterverwijderende component van boorfluoride. De introductie ervan in het reactieproces maakt het mogelijk om de kosten van het resulterende product te verlagen, waardoor de nitrering van tolueen beschikbaar wordt. De vergelijking van het huidige proces in algemene vorm wordt hieronder weergegeven:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Na voltooiing van de interactie wordt water geïntroduceerd, waardoor boorfluoride-monohydraat een dihydraat vormt. Het wordt onder vacuüm afgedestilleerd en vervolgens wordt calciumfluoride toegevoegd, waardoor de verbinding in zijn oorspronkelijke vorm terugkeert.
Nitratiespecificaties
Er zijn enkele kenmerken van dit proces die verband houden met de keuze van reagentia, reactiesubstraat. Overweeg enkele van hun opties in meer detail:
- 60-65% salpeterzuur gemengd met 96% zwavelzuur;
- mengsel van 98% salpeterzuur en geconcentreerd zwavelzuur is geschikt voor licht reactieve organische stoffen;
- kalium- of ammoniumnitraat met geconcentreerd zwavelzuur is een uitstekende keuze voor de productie van polymere nitroverbindingen.
Nitratiekinetiek
Aromatische koolwaterstoffen in wisselwerking met een mengsel van zwavelzuur ensalpeterzuren worden genitreerd door het ionische mechanisme. V. Markovnikov slaagde erin de details van deze interactie te karakteriseren. Het proces verloopt in verschillende fasen. Eerst wordt nitrozwavelzuur gevormd, dat dissociatie ondergaat in een waterige oplossing. Nitroniumionen reageren met tolueen en vormen nitrotolueen als product. Wanneer watermoleculen aan het mengsel worden toegevoegd, vertraagt het proces.
In oplosmiddelen van organische aard - nitromethaan, acetonitril, sulfolaan - stelt de vorming van dit kation u in staat de nitreringssnelheid te verhogen.
Het resulterende nitroniumkation wordt gehecht aan de kern van aromatisch tolueen en er wordt een tussenverbinding gevormd. Vervolgens wordt een proton losgemaakt, wat leidt tot de vorming van nitrotolueen.
Voor een gedetailleerde beschrijving van het lopende proces kunnen we de vorming van "sigma"- en "pi"-complexen overwegen. De vorming van het "sigma" -complex is de beperkende fase van de interactie. De reactiesnelheid zal direct gerelateerd zijn aan de snelheid van toevoeging van het nitroniumkation aan het koolstofatoom in de kern van de aromatische verbinding. De eliminatie van een proton uit tolueen is bijna onmiddellijk.
Alleen in sommige situaties kunnen er substitutieproblemen optreden die verband houden met een significant primair kinetisch isotoopeffect. Dit komt door de versnelling van het omgekeerde proces in aanwezigheid van verschillende soorten obstakels.
Bij het kiezen van geconcentreerd zwavelzuur als katalysator en ontwateringsmiddel, wordt een verschuiving in het evenwicht van het proces naar de vorming van reactieproducten waargenomen.
Conclusie
Wanneer tolueen wordt genitreerd, wordt nitrotolueen gevormd, een waardevol product van de chemische industrie. Het is deze stof die een explosieve verbinding is, daarom is er veel vraag naar bij stralen. Onder de milieuproblemen die verband houden met de industriële productie, merken we het gebruik van een aanzienlijke hoeveelheid geconcentreerd zwavelzuur op.
Om dit probleem aan te pakken, zoeken scheikundigen naar manieren om het zwavelzuurafval dat vrijkomt bij het nitratieproces te verminderen. Het proces wordt bijvoorbeeld uitgevoerd bij lage temperaturen, er worden gemakkelijk geregenereerde media gebruikt. Zwavelzuur heeft sterk oxiderende eigenschappen, die de corrosie van metalen negatief beïnvloeden en een verhoogd gevaar vormen voor levende organismen. Als alle veiligheidsnormen in acht worden genomen, kunnen deze problemen worden aangepakt en kunnen nitroverbindingen van hoge kwaliteit worden verkregen.
