Ας μιλήσουμε για το πώς νιτρώνεται το τολουόλιο. Μια τεράστια ποσότητα ημικατεργασμένων προϊόντων που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή εκρηκτικών, φαρμακευτικών υλών λαμβάνεται από μια τέτοια αλληλεπίδραση.
Σημασία της νίτρωσης
Τα παράγωγα βενζολίου με τη μορφή αρωματικών νιτροενώσεων παράγονται στη σύγχρονη χημική βιομηχανία. Το νιτροβενζόλιο είναι ένα ενδιάμεσο προϊόν στην ανιλίνη, την αρωματοποιία, τη φαρμακευτική παραγωγή. Είναι ένας εξαιρετικός διαλύτης για πολλές οργανικές ενώσεις, συμπεριλαμβανομένης της νιτρώδους κυτταρίνης, σχηματίζοντας μια ζελατινώδη μάζα με αυτό. Στη βιομηχανία πετρελαίου, χρησιμοποιείται ως καθαριστικό λιπαντικών. Η νίτρωση του τολουολίου δίνει βενζιδίνη, ανιλίνη, αμινοσαλικυλικό οξύ, φαινυλενοδιαμίνη.
χαρακτηριστικό νίτρωσης
Νίτρωση χαρακτηρίζεται από την εισαγωγή της ομάδας NO2 στο μόριο μιας οργανικής ένωσης. Ανάλογα με την αρχική ουσία, αυτή η διαδικασία προχωρά σύμφωνα με έναν ριζικό, πυρηνόφιλο, ηλεκτρόφιλο μηχανισμό. Τα κατιόντα, τα ιόντα και οι ρίζες NO2 του νιτρονίου δρουν ως ενεργά σωματίδια. Η αντίδραση νίτρωσης του τολουολίου αναφέρεται σε υποκατάσταση. Για άλλες οργανικές ουσίεςείναι δυνατή η υποκατάσταση της νίτρωσης, καθώς και η προσθήκη μέσω διπλού δεσμού.
Νίτρωση του τολουολίου σε ένα μόριο αρωματικού υδρογονάνθρακα πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα μίγμα νιτροποίησης (θειικό και νιτρικό οξύ). Οι καταλυτικές ιδιότητες παρουσιάζονται από το θειικό οξύ, το οποίο δρα ως παράγοντας αφαίρεσης νερού σε αυτή τη διαδικασία.
Εξίσωση διαδικασίας
Νίτρωση του τολουολίου περιλαμβάνει την αντικατάσταση ενός ατόμου υδρογόνου με μια νίτρο ομάδα. Πώς μοιάζει το διάγραμμα διαδικασίας;
Για να περιγραφεί η νίτρωση του τολουολίου, η εξίσωση αντίδρασης μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Μας επιτρέπει να κρίνουμε μόνο τη γενική πορεία της αλληλεπίδρασης, αλλά δεν αποκαλύπτει όλα τα χαρακτηριστικά αυτής της διαδικασίας. Αυτό που στην πραγματικότητα συμβαίνει είναι μια αντίδραση μεταξύ αρωματικών υδρογονανθράκων και προϊόντων νιτρικού οξέος.
Δεδομένου ότι υπάρχουν μόρια νερού στα προϊόντα, αυτό οδηγεί σε μείωση της συγκέντρωσης του νιτρικού οξέος, επομένως η νίτρωση του τολουολίου επιβραδύνεται. Για να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα, αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε χαμηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιώντας νιτρικό οξύ σε περίσσεια.
Εκτός από το θειικό οξύ, ο οξικός ανυδρίτης, τα πολυφωσφορικά οξέα, το τριφθοριούχο βόριο χρησιμοποιούνται ως παράγοντες αφαίρεσης νερού. Καθιστούν δυνατή τη μείωση της κατανάλωσης νιτρικού οξέος, αυξάνουν την αποτελεσματικότητα της αλληλεπίδρασης.
Αποχρώσεις της διαδικασίας
Η νίτρωση του τολουολίου περιγράφηκε στα τέλη του δέκατου ένατου αιώνα από τον V. Μαρκόβνικοφ. Κατάφερε να δημιουργήσει μια σύνδεση μεταξύ της παρουσίας πυκνού θειικού οξέος στο μείγμα της αντίδρασης και του ρυθμού της διαδικασίας. Στη σύγχρονη παραγωγή νιτροτολουολίου, χρησιμοποιείται άνυδρο νιτρικό οξύ, που λαμβάνεται σε κάποια περίσσεια.
Επιπλέον, η σουλφόνωση και η νίτρωση του τολουολίου σχετίζεται με τη χρήση ενός διαθέσιμου συστατικού φθοριούχου βορίου που απομακρύνει το νερό. Η εισαγωγή του στη διαδικασία αντίδρασης καθιστά δυνατή τη μείωση του κόστους του προκύπτοντος προϊόντος, γεγονός που καθιστά διαθέσιμη τη νίτρωση του τολουολίου. Η εξίσωση της τρέχουσας διαδικασίας σε γενική μορφή παρουσιάζεται παρακάτω:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Μετά την ολοκλήρωση της αλληλεπίδρασης, εισάγεται νερό, λόγω του οποίου το μονοένυδρο φθοριούχο βόριο σχηματίζει ένα διένυδρο. Αποστάζεται σε κενό και στη συνέχεια προστίθεται φθοριούχο ασβέστιο, επιστρέφοντας την ένωση στην αρχική της μορφή.
Στοιχεία νιτροποίησης
Υπάρχουν ορισμένα χαρακτηριστικά αυτής της διαδικασίας που σχετίζονται με την επιλογή των αντιδραστηρίων, του υποστρώματος αντίδρασης. Εξετάστε μερικές από τις επιλογές τους με περισσότερες λεπτομέρειες:
- 60-65% νιτρικό οξύ αναμεμειγμένο με 96% θειικό οξύ;
- μείγμα 98% νιτρικού οξέος και πυκνού θειικού οξέος είναι κατάλληλο για ελαφρώς αντιδραστικά οργανικά·
- νιτρικό κάλιο ή αμμώνιο με πυκνό θειικό οξύ είναι μια εξαιρετική επιλογή για την παραγωγή πολυμερών νιτροενώσεων.
Κινητικές νιτρώσεων
Αρωματικοί υδρογονάνθρακες που αλληλεπιδρούν με μείγμα θείου καιΤα νιτρικά οξέα νιτρώνονται με τον ιοντικό μηχανισμό. Ο V. Markovnikov κατάφερε να χαρακτηρίσει τις ιδιαιτερότητες αυτής της αλληλεπίδρασης. Η διαδικασία προχωρά σε διάφορα στάδια. Αρχικά, σχηματίζεται νιτροθειικό οξύ, το οποίο υφίσταται διάσταση σε υδατικό διάλυμα. Τα ιόντα νιτρονίου αντιδρούν με το τολουόλιο, σχηματίζοντας το νιτροτολουόλιο ως προϊόν. Όταν προστίθενται μόρια νερού στο μείγμα, η διαδικασία επιβραδύνεται.
Σε διαλύτες οργανικής φύσης -νιτρομεθάνιο, ακετονιτρίλιο, σουλφολάνιο - ο σχηματισμός αυτού του κατιόντος σάς επιτρέπει να αυξήσετε τον ρυθμό νίτρωσης.
Το προκύπτον κατιόν νιτρονίου συνδέεται με τον πυρήνα του αρωματικού τολουολίου και σχηματίζεται μια ενδιάμεση ένωση. Στη συνέχεια, ένα πρωτόνιο αποσπάται, οδηγώντας στο σχηματισμό νιτροτολουολίου.
Για μια λεπτομερή περιγραφή της συνεχιζόμενης διαδικασίας, μπορούμε να εξετάσουμε το σχηματισμό συμπλεγμάτων «σίγμα» και «πι». Ο σχηματισμός του συμπλέγματος «σίγμα» είναι το περιοριστικό στάδιο της αλληλεπίδρασης. Ο ρυθμός αντίδρασης θα σχετίζεται άμεσα με τον ρυθμό προσθήκης του κατιόντος νιτρονίου στο άτομο άνθρακα στον πυρήνα της αρωματικής ένωσης. Η αποβολή ενός πρωτονίου από το τολουόλιο είναι σχεδόν στιγμιαία.
Μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να υπάρχουν προβλήματα υποκατάστασης που σχετίζονται με ένα σημαντικό πρωτογενές φαινόμενο κινητικού ισοτόπου. Αυτό οφείλεται στην επιτάχυνση της αντίστροφης διαδικασίας παρουσία διαφόρων τύπων εμποδίων.
Όταν επιλέγουμε πυκνό θειικό οξύ ως καταλύτη και παράγοντα αφυδάτωσης, παρατηρείται μια μετατόπιση της ισορροπίας της διαδικασίας προς το σχηματισμό προϊόντων αντίδρασης.
Συμπέρασμα
Όταν το τολουόλιο νιτρώνεται, σχηματίζεται νιτροτολουόλιο, το οποίο είναι πολύτιμο προϊόν της χημικής βιομηχανίας. Είναι αυτή η ουσία που είναι μια εκρηκτική ένωση, επομένως είναι σε ζήτηση στην ανατίναξη. Μεταξύ των περιβαλλοντικών προβλημάτων που σχετίζονται με τη βιομηχανική παραγωγή του, σημειώνουμε τη χρήση σημαντικής ποσότητας συμπυκνωμένου θειικού οξέος.
Για να αντιμετωπίσουν αυτό το πρόβλημα, οι χημικοί αναζητούν τρόπους για να μειώσουν τα απόβλητα θειικού οξέος που παράγονται από τη διαδικασία νίτρωσης. Για παράδειγμα, η διαδικασία πραγματοποιείται σε χαμηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιούνται εύκολα αναγεννούμενα μέσα. Το θειικό οξύ έχει ισχυρές οξειδωτικές ιδιότητες, το οποίο επηρεάζει αρνητικά τη διάβρωση των μετάλλων και αποτελεί αυξημένο κίνδυνο για τους ζωντανούς οργανισμούς. Εάν τηρηθούν όλα τα πρότυπα ασφαλείας, αυτά τα προβλήματα μπορούν να αντιμετωπιστούν και μπορούν να ληφθούν νιτροενώσεις υψηλής ποιότητας.
