Нека поговорим за това как толуенът се нитрира. Чрез такова взаимодействие се получава огромно количество полуготови продукти, използвани в производството на експлозиви, фармацевтични продукти.
Значение на нитрирането
Производни на бензол под формата на ароматни нитросъединения се произвеждат в съвременната химическа индустрия. Нитробензенът е междинен продукт в анилин, парфюмерия, фармацевтично производство. Той е отличен разтворител за много органични съединения, включително целулозен нитрит, образувайки с него желатинова маса. В петролната индустрия се използва като почистващо средство за смазочни материали. Нитрирането на толуен дава бензидин, анилин, аминосалицилова киселина, фенилендиамин.
Характеристика на азотиране
Нитрирането се характеризира с въвеждането на NO2 групата в молекулата на органичното съединение. В зависимост от изходното вещество този процес протича по радикален, нуклеофилен, електрофилен механизъм. Нитрониеви катиони, йони и NO2 радикали действат като активни частици. Реакцията на нитриране на толуен се отнася до заместване. За други органични веществавъзможно е заместващо нитриране, както и добавяне чрез двойна връзка.
Нитрирането на толуен в ароматна въглеводородна молекула се извършва с помощта на нитрираща смес (сярна и азотна киселини). Каталитичните свойства се проявяват от сярната киселина, която действа като средство за отстраняване на водата в този процес.
Уравнение на процеса
Нитрирането на толуен включва замяната на един водороден атом с нитрогрупа. Как изглежда диаграмата на процеса?
За да се опише нитрирането на толуен, уравнението на реакцията може да бъде представено, както следва:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Позволява ни да преценим само общия ход на взаимодействието, но не разкрива всички характеристики на този процес. Това, което всъщност се случва, е реакция между ароматни въглеводороди и продукти от азотна киселина.
Като се има предвид, че в продуктите има водни молекули, това води до намаляване на концентрацията на азотна киселина, така че нитрирането на толуена се забавя. За да се избегне този проблем, този процес се извършва при ниски температури, като се използва в излишък азотна киселина.
В допълнение към сярната киселина, оцетният анхидрид, полифосфорните киселини, борният трифлуорид се използват като средства за отстраняване на водата. Те позволяват да се намали консумацията на азотна киселина, да се увеличи ефективността на взаимодействието.
Нюанси на процеса
Нитрирането на толуен е описано в края на деветнадесети век от В. Марковников. Той успява да установи връзка между наличието на концентрирана сярна киселина в реакционната смес и скоростта на процеса. В съвременното производство на нитротолуен се използва безводна азотна киселина, взета в известен излишък.
В допълнение, сулфонирането и нитрирането на толуена е свързано с използването на наличен водоотстраняващ компонент на борен флуорид. Въвеждането му в реакционния процес позволява да се намали цената на получения продукт, което прави достъпно нитрирането на толуена. Уравнението на текущия процес в общ вид е представено по-долу:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
След завършване на взаимодействието се въвежда вода, поради което борният флуорид монохидрат образува дихидрат. Дестилира се във вакуум, след което се добавя калциев флуорид, връщайки съединението в първоначалната му форма.
Специфика на азотиране
Има някои характеристики на този процес, свързани с избора на реагенти, реакционен субстрат. Разгледайте някои от техните опции по-подробно:
- 60-65% азотна киселина, смесена с 96% сярна киселина;
- смес от 98% азотна киселина и концентрирана сярна киселина е подходяща за слабо реактивни органични вещества;
- калиев или амониев нитрат с концентрирана сярна киселина е отличен избор за производството на полимерни нитро съединения.
Кинетика на азотиране
Ароматни въглеводороди, взаимодействащи със смес от сярни иазотните киселини се нитрират по йонния механизъм. В. Марковников успя да характеризира спецификата на това взаимодействие. Процесът протича на няколко етапа. Първо се образува нитрозярна киселина, която претърпява дисоциация във воден разтвор. Нитрониеви йони реагират с толуен, образувайки нитротолуен като продукт. Когато към сместа се добавят водни молекули, процесът се забавя.
В разтворители с органична природа - нитрометан, ацетонитрил, сулфолан - образуването на този катион ви позволява да увеличите скоростта на нитриране.
Полученият нитрониев катион е прикрепен към сърцевината на ароматния толуен и се образува междинно съединение. След това се отделя протон, което води до образуването на нитротолуен.
За подробно описание на протичащия процес можем да разгледаме образуването на "сигма" и "пи" комплекси. Образуването на комплекса "сигма" е ограничаващият етап на взаимодействието. Скоростта на реакцията ще бъде пряко свързана със скоростта на добавяне на нитрониевия катион към въглеродния атом в ядрото на ароматното съединение. Елиминирането на протон от толуен е почти мигновено.
Само в някои ситуации може да има проблеми със заместването, свързани със значителен първичен кинетичен изотопен ефект. Това се дължи на ускоряването на обратния процес при наличието на различни видове препятствия.
При избора на концентрирана сярна киселина като катализатор и обезводняващ агент се наблюдава изместване на равновесието на процеса към образуване на реакционни продукти.
Заключение
При нитриран толуен се образува нитротолуен, който е ценен продукт на химическата индустрия. Именно това вещество е експлозивно съединение, поради което е търсено при взривяване. Сред екологичните проблеми, свързани с неговото промишлено производство, отбелязваме използването на значително количество концентрирана сярна киселина.
За да се справят с този проблем, химиците търсят начини за намаляване на отпадъците от сярна киселина, генерирани от процеса на нитриране. Например, процесът се извършва при ниски температури, използва се лесно регенерирана среда. Сярната киселина има силни окислителни свойства, което влияе негативно върху корозията на металите и представлява повишена опасност за живите организми. Ако се спазват всички стандарти за безопасност, тези проблеми могат да бъдат преодолени и могат да се получат висококачествени нитро съединения.
