Wat is nitrobenzeen? Dit is een organische verbinding die een aromatische kern is en een daaraan gehechte nitrogroep. Qua uiterlijk zijn het, afhankelijk van de temperatuur, felgele kristallen of een olieachtige vloeistof. Heeft een amandelgeur. Giftig.
Structuurformule van nitrobenzeen
De nitrogroep is een zeer sterke acceptor voor elektronendichtheid. Daarom heeft het nitrobenzeenmolecuul een negatief inductief en negatief mesomere effect. De nitrogroep trekt vrij sterk de elektronendichtheid van de aromatische kern aan en deactiveert deze. Elektrofiele reagentia worden niet langer zo sterk door de kern aangetrokken en daarom is nitrobenzeen niet zo actief betrokken bij dergelijke reacties. Om direct een andere nitrogroep aan nitrobenzeen toe te voegen, zijn zeer zware omstandigheden nodig, veel strenger dan bij de synthese van mononitrobenzeen. Hetzelfde geldt voor halogenen, sulfogroepen, enz.
Uit de structuurformule van nitrobenzeen blijkt dat de ene binding van stikstof met zuurstof enkelvoudig is en de andere dubbel. Maar vanwege het mesomere effect zijn ze allebei equivalent en hebben ze dezelfde lengte van 0,123 nm.
Nitrobenzeen verkrijgen in de industrie
Nitrobenzeen is een belangrijk tussenproduct bij de synthese van veel stoffen. Daarom wordt het op industriële schaal geproduceerd. De belangrijkste manier om nitrobenzeen te verkrijgen is de nitrering van benzeen. Meestal wordt hiervoor een nitrerend mengsel (een mengsel van geconcentreerd zwavelzuur en salpeterzuur) gebruikt. De reactie wordt gedurende 45 minuten bij een temperatuur van ongeveer 50°C uitgevoerd. De opbrengst aan nitrobenzeen is 98%. Daarom wordt deze methode vooral in de industrie toegepast. Voor de implementatie zijn er speciale installaties van zowel periodieke als continue typen. In 1995 bedroeg de productie van nitrobenzeen in de VS 748.000 ton per jaar.
Nitratie van benzeen kan ook eenvoudig worden uitgevoerd met geconcentreerd salpeterzuur, maar in dit geval zal de opbrengst van het product lager zijn.
Nitrobenzeen verkrijgen in het laboratorium
Er is een andere manier om aan nitrobenzeen te komen. Als grondstof wordt hier aniline (aminobenzeen) gebruikt, dat wordt geoxideerd met peroxyverbindingen. Hierdoor wordt de aminogroep vervangen door een nitrogroep. Maar tijdens deze reactie worden verschillende bijproducten gevormd, wat een effectief gebruik van deze methode in de industrie verhindert. Bovendien wordt nitrobenzeen vooral gebruikt voor de synthese van aniline, dus het heeft geen zin om aniline te gebruiken voor de productie van nitrobenzeen.
Fysieke eigenschappen
Bij kamertemperatuur is nitrobenzeen een kleurloze olieachtige vloeistof met een bittere amandelgeur. Bij een temperatuur van 5,8 °C is hetverhardt tot gele kristallen. Nitrobenzeen kookt bij 211°C en ontsteekt spontaan bij 482 °C. Deze stof is, bijna zoals elke aromatische verbinding, onoplosbaar in water, maar is zeer goed oplosbaar in organische verbindingen, vooral in benzeen. Het kan ook met stoom worden gedestilleerd.
Elektrofiele substitutie
Voor nitrobenzeen, zoals voor elk areen, zijn reacties van elektrofiele substitutie in de kern kenmerkend, hoewel ze enigszins moeilijk zijn in vergelijking met benzeen vanwege de invloed van de nitrogroep. Dinitrobenzeen kan dus worden verkregen uit nitrobenzeen door verdere nitrering met een mengsel van salpeterzuur en zwavelzuur bij verhoogde temperatuur. Het resulterende product zal voornamelijk (93%) bestaan uit metadinitrobenzeen. Het is zelfs mogelijk om trinitrobenzeen op een directe manier te verkrijgen. Maar hiervoor zijn nog strengere voorwaarden nodig, evenals boortrifluoride.
Op dezelfde manier kan nitrobenzeen worden gesulfoneerd. Gebruik hiervoor een zeer sterk zwavelmiddel - oleum (oplossing van zwaveloxide VI in zwavelzuur). De temperatuur van het reactiemengsel moet minimaal 80 °C zijn. Een andere elektrofiele substitutiereactie is directe halogenering. Sterke Lewis-zuren (aluminiumchloride, boortrifluoride, enz.) en verhoogde temperaturen worden gebruikt als katalysatoren.
Nucleofiele substitutie
Zoals uit de structuurformule blijkt, kan nitrobenzeen reageren met sterke elektronendonorverbindingen. Dit ismogelijk door de invloed van de nitrogroep. Een voorbeeld van een dergelijke reactie is de interactie met geconcentreerde of vaste hydroxiden van alkalimetalen. Maar deze reactie vormt geen natriumnitrobenzeen. De chemische formule van nitrobenzeen suggereert eerder de toevoeging van een hydroxylgroep aan de kern, d.w.z. de vorming van nitrofenol. Maar dit gebeurt alleen onder tamelijk zware omstandigheden.
Een soortgelijke reactie treedt op met organomagnesiumverbindingen. Het koolwaterstofradicaal is op de ortho- of parapositie aan de nitrogroep aan de kern bevestigd. Een nevenproces in dit geval is de reductie van de nitrogroep tot de aminogroep. Nucleofiele substitutiereacties zijn gemakkelijker als er meerdere nitrogroepen zijn, omdat ze de elektronendichtheid van de kern nog sterker zullen aantrekken.
Herstelreactie
Zoals je weet, kunnen nitroverbindingen worden gereduceerd tot aminen. Nitrobenzeen is geen uitzondering, waarvan de formule de mogelijkheid van deze reactie suggereert. Het wordt vaak gebruikt in de industrie voor de synthese van aniline.
Maar nitrobenzeen kan veel andere herstelproducten opleveren. Meestal wordt reductie met atomaire waterstof gebruikt op het moment van afgifte, d.w.z. er wordt een zuur-metaalreactie in het reactiemengsel uitgevoerd en de vrijgekomen waterstof reageert met nitrobenzeen. Gewoonlijk produceert deze interactie aniline.
Als nitrobenzeen wordt behandeld met zinkstof in een ammoniumchloride-oplossing, is het reactieproduct N-fenylhydroxylamine. Deze verbinding kan vrij eenvoudig op de standaard manier worden gereduceerd tot aniline, of terug geoxideerd tot nitrobenzeen met een sterk oxidatiemiddel.
Reductie kan ook in de gasfase worden uitgevoerd met moleculaire waterstof in aanwezigheid van platina, palladium of nikkel. In dit geval wordt ook aniline verkregen, maar er is een mogelijkheid tot reductie van de benzeenring zelf, wat vaak ongewenst is. Soms wordt ook een katalysator zoals Raney-nikkel gebruikt. Het is poreus nikkel, verzadigd met waterstof en bevat 15% aluminium.
Wanneer nitrobenzeen wordt gereduceerd door kalium- of natriumalcoholaten, wordt azoxybenzeen gevormd. Als je sterkere reductiemiddelen gebruikt in een alkalische omgeving, krijg je azobenzeen. Deze reactie is ook heel belangrijk, omdat sommige kleurstoffen met zijn hulp worden gesynthetiseerd. Azobenzeen kan worden onderworpen aan verdere reductie in een alkalisch medium om hydrazobenzeen te vormen.
Aanvankelijk werd de reductie van nitrobenzeen uitgevoerd met ammoniumsulfide. Deze methode werd in 1842 voorgesteld door N. N. Zinin, dus de reactie draagt zijn naam. Maar momenteel wordt het in de praktijk zelden gebruikt vanwege de lage opbrengst.
Toepassing
Nitrobenzeen zelf wordt zeer zelden gebruikt, alleen als een selectief oplosmiddel (bijvoorbeeld voor cellulose-ethers) of een mild oxidatiemiddel. Het wordt soms toegevoegd aan metaalpolijstoplossingen.
Bijna alle geproduceerde nitrobenzeen wordt gebruikt voor de synthese van andere nuttige stoffen (bijvoorbeeld aniline), die op hun beurtgebruikt voor de synthese van medicijnen, kleurstoffen, polymeren, explosieven, enz.
Gevaar
Vanwege zijn fysische en chemische eigenschappen is nitrobenzeen een zeer gevaarlijke verbinding. Het heeft een gezondheidsrisiconiveau drie van de vier onder NFPA 704. Behalve dat het wordt ingeademd of via de slijmvliezen, wordt het ook door de huid opgenomen. Wanneer vergiftigd door een grote concentratie nitrobenzeen, kan een persoon het bewustzijn verliezen en sterven. Bij lage concentraties zijn symptomen van vergiftiging onder meer malaise, duizeligheid, oorsuizen, misselijkheid en braken. Een kenmerk van nitrobenzeenvergiftiging is het hoge infectiepercentage. Symptomen verschijnen zeer snel: reflexen zijn verstoord, het bloed wordt donkerbruin door de vorming van methemoglobine erin. Soms kan er uitslag op de huid zijn. De concentratie die voldoende is voor toediening is erg laag, hoewel er geen exacte gegevens zijn over de dodelijke dosis. In gespecialiseerde literatuur wordt vaak informatie gevonden dat 1-2 druppels nitrobenzeen voldoende is om een persoon te doden.
Behandeling
In geval van nitrobenzeenvergiftiging moet het slachtoffer onmiddellijk uit het giftige gebied worden verwijderd en verontreinigde kleding worden verwijderd. Het lichaam wordt gewassen met warm zeepsop om nitrobenzeen van de huid te verwijderen. Elke 15 minuten wordt het slachtoffer ingeademd met carbogen. Voor milde vergiftiging moet cystamine, pyridoxine of liponzuur worden ingenomen. In meer ernstige gevallen wordt intraveneuze methyleenblauw of chromosmon aanbevolen. Bijvergiftiging met nitrobeznol via de mond, is het noodzakelijk om onmiddellijk braken op te wekken en de maag met warm water te spoelen. Het is gecontra-indiceerd om vet in te nemen, inclusief melk.
