Beszéljünk a toluol nitrálásáról. A robbanóanyagok és gyógyszerek gyártásához felhasznált félkész termékek hatalmas mennyisége ilyen kölcsönhatás útján keletkezik.
A nitrálás jelentősége
A benzolszármazékokat aromás nitrovegyületek formájában állítják elő a modern vegyiparban. A nitrobenzol egy köztes termék az anilin-, illatszer- és gyógyszergyártásban. Kiváló oldószere számos szerves vegyületnek, így a cellulóz-nitritnek is, kocsonyás masszát képezve vele. A kőolajiparban kenőanyag-tisztítóként használják. A toluol nitrálása benzidint, anilint, aminoszalicilsavat, fenilén-diamint eredményez.
Nitrációs jellemzők
A nitrálást az NO2 csoport bejuttatása jellemzi egy szerves vegyület molekulájába. A kiindulási anyagtól függően ez a folyamat radikális, nukleofil, elektrofil mechanizmus szerint megy végbe. A nitrónium kationok, ionok és NO2 gyökök aktív részecskékként működnek. A toluol nitrálási reakciója helyettesítésre utal. Egyéb szerves anyagokhozlehetséges helyettesítő nitrálás, valamint kettős kötésen keresztül történő addíció.
A toluol nitrálását aromás szénhidrogénmolekulában nitráló keverékkel (kénsav és salétromsav) végezzük. A kénsav katalitikus tulajdonságait mutatja, amely vízeltávolító szerként működik ebben a folyamatban.
Feldolgozási egyenlet
A toluol nitrálása magában foglalja egy hidrogénatom nitrocsoporttal való helyettesítését. Hogyan néz ki a folyamatábra?
A toluol nitrálásának leírásához a reakcióegyenlet a következőképpen ábrázolható:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Csak az interakció általános menetének megítélését teszi lehetővé, de nem fedi fel ennek a folyamatnak az összes jellemzőjét. Valójában az aromás szénhidrogének és a salétromsavtermékek reakciója történik.
Tekintettel arra, hogy a termékekben vízmolekulák vannak, ez a salétromsav koncentrációjának csökkenéséhez vezet, így a toluol nitrálódása lelassul. A probléma elkerülése érdekében ezt az eljárást alacsony hőmérsékleten, feleslegben lévő salétromsav felhasználásával hajtják végre.
A kénsav mellett ecetsavanhidridet, polifoszforsavat és bór-trifluoridot használnak vízeltávolító szerként. Lehetővé teszik a salétromsav-fogyasztás csökkentését, a kölcsönhatás hatékonyságának növelését.
A folyamat árnyalatai
A toluol nitrálását a 19. század végén írta le V. Markovnyikov. Sikerült kapcsolatot teremtenie a reakcióelegyben lévő tömény kénsav jelenléte és a folyamat sebessége között. A modern nitrotoluolgyártás során vízmentes salétromsavat használnak feleslegben.
Ezen túlmenően a toluol szulfonálása és nitrálása egy elérhető vízeltávolító komponens, a bór-fluorid használatához kapcsolódik. Bevezetése a reakciófolyamatba lehetővé teszi a keletkező termék költségének csökkentését, ami lehetővé teszi a toluol nitrálását. Az aktuális folyamat egyenlete általános formában az alábbiakban látható:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
A kölcsönhatás befejeződése után vizet vezetnek be, aminek következtében a bór-fluorid-monohidrát dihidrátot képez. Vákuumban ledesztilláljuk, majd kalcium-fluoridot adunk hozzá, így a vegyület visszanyeri eredeti formáját.
Nitrálási jellemzők
Ennek a folyamatnak van néhány jellemzője a reagensek és a reakciószubsztrát kiválasztásával kapcsolatban. Fontolja meg néhány lehetőségüket részletesebben:
- 60-65%-os salétromsav 96%-os kénsavval keverve;
- 98%-os salétromsav és tömény kénsav keveréke alkalmas enyhén reaktív szerves anyagokhoz;
- a tömény kénsavval ellátott kálium- vagy ammónium-nitrát kiváló választás polimer nitrovegyületek előállításához.
Nitrációs kinetika
Aromás szénhidrogének, amelyek kölcsönhatásba lépnek kén- és kénsav keverékévela salétromsavak ionos mechanizmussal nitrálódnak. V. Markovnikovnak sikerült jellemeznie ennek a kölcsönhatásnak a sajátosságait. A folyamat több szakaszban zajlik. Először nitro-kénsav képződik, amely vizes oldatban disszociál. A nitróniumionok reakcióba lépnek a toluollal, és termékként nitrotoluolt képeznek. Ha vízmolekulákat adunk a keverékhez, a folyamat lelassul.
Szerves természetű oldószerekben - nitro-metán, acetonitril, szulfolán - ennek a kationnak a képződése lehetővé teszi a nitrálás sebességének növelését.
A kapott nitrónium-kation az aromás toluol magjához kapcsolódik, és közbenső vegyület képződik. Ezután egy proton leválik, ami nitrotoluol képződéséhez vezet.
A folyamatban lévő folyamat részletes leírásához figyelembe vehetjük a „szigma” és „pi” komplexek kialakulását. A „szigma” komplex kialakulása a kölcsönhatás korlátozó szakasza. A reakció sebessége közvetlenül függ a nitrónium-kationnak az aromás vegyület magjában lévő szénatomhoz való hozzáadásának sebességétől. A proton eltávolítása a toluolból szinte azonnali.
Csak bizonyos helyzetekben adódhatnak szubsztitúciós problémák egy jelentős elsődleges kinetikus izotóphatáshoz. Ennek oka a fordított folyamat felgyorsulása különböző típusú akadályok jelenlétében.
A tömény kénsavat választva katalizátorként és víztelenítő szerként, a folyamat egyensúlyának eltolódása figyelhető meg a reakciótermékek képződése felé.
Következtetés
A toluol nitrálásakor nitrotoluol képződik, amely a vegyipar értékes terméke. Ez az anyag robbanásveszélyes vegyület, ezért igény van rá a robbantásban. Az ipari termeléssel kapcsolatos környezeti problémák közül kiemeljük a jelentős mennyiségű tömény kénsav használatát.
A probléma megoldására a vegyészek keresik a módokat a nitrálási folyamat során keletkező kénsavhulladék csökkentésére. Például az eljárást alacsony hőmérsékleten hajtják végre, könnyen regenerálható közeget használnak. A kénsav erős oxidáló tulajdonságokkal rendelkezik, ami negatívan befolyásolja a fémek korrózióját és fokozott veszélyt jelent az élő szervezetekre. Ha minden biztonsági előírást betartanak, ezek a problémák megoldhatók, és kiváló minőségű nitrovegyületek állíthatók elő.
