Puhutaanpa siitä, kuinka tolueeni nitrataan. Tällaisella vuorovaikutuksella saadaan v altava määrä puolivalmisteita, joita käytetään räjähteiden ja lääkkeiden valmistuksessa.
Nitraation merkitys
Bentseenijohdannaisia aromaattisten nitroyhdisteiden muodossa tuotetaan nykyaikaisessa kemianteollisuudessa. Nitrobentseeni on välituote aniliini-, hajuvesi- ja lääketuotannossa. Se on erinomainen liuotin monille orgaanisille yhdisteille, mukaan lukien selluloosanitriitille, muodostaen sen kanssa hyytelömäisen massan. Öljyteollisuudessa sitä käytetään voiteluaineen puhdistusaineena. Tolueenin nitraus tuottaa bentsidiiniä, aniliinia, aminosalisyylihappoa, fenyleenidiamiinia.
Nitraation ominaisuus
Nitraation tunnusomaista on NO2-ryhmän lisääminen orgaanisen yhdisteen molekyyliin. Lähtöaineesta riippuen tämä prosessi etenee radikaalin, nukleofiilisen, elektrofiilisen mekanismin mukaisesti. Nitroniumkationit, ionit ja NO2-radikaalit toimivat aktiivisina hiukkasina. Tolueenin nitrausreaktio viittaa substituutioon. Muille orgaanisille aineillekorvaava nitraus on mahdollista sekä lisäys kaksoissidoksen kautta.
Tolueenin nitraus aromaattisessa hiilivetymolekyylissä suoritetaan nitrausseoksella (rikki- ja typpihappo). Katalyyttisiä ominaisuuksia osoittaa rikkihappo, joka toimii tässä prosessissa vettä poistavana aineena.
Prosessiyhtälö
Tolueenin nitraation yhteydessä yksi vetyatomi korvataan nitroryhmällä. Miltä prosessikaavio näyttää?
Tolueenin nitraation kuvaamiseksi reaktioyhtälö voidaan esittää seuraavasti:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 + H2 O
Sen avulla voimme arvioida vain vuorovaikutuksen yleistä kulkua, mutta se ei paljasta kaikkia tämän prosessin ominaisuuksia. Itse asiassa tapahtuu aromaattisten hiilivetyjen ja typpihappotuotteiden välinen reaktio.
Koska tuotteissa on vesimolekyylejä, tämä johtaa typpihapon pitoisuuden laskuun, jolloin tolueenin nitrautuminen hidastuu. Tämän ongelman välttämiseksi tämä prosessi suoritetaan matalissa lämpötiloissa käyttämällä ylimäärin typpihappoa.
Vedenpoistoaineina käytetään rikkihapon lisäksi etikkahappoanhydridiä, polyfosforihappoja ja booritrifluoridia. Niiden avulla voidaan vähentää typpihapon kulutusta, lisätä vuorovaikutuksen tehokkuutta.
Prosessin vivahteet
Tolueenin nitraation kuvasi 1800-luvun lopulla V. Markovnikov. Hän onnistui saamaan yhteyden väkevän rikkihapon läsnäolon reaktioseoksessa ja prosessin nopeuden välillä. Nykyaikaisessa nitrotolueenin tuotannossa käytetään vedetöntä typpihappoa jonkin verran ylimääränä.
Lisäksi tolueenin sulfonoituminen ja nitraus liittyy saatavilla olevan boorifluoridin vettä poistavan komponentin käyttöön. Sen lisääminen reaktioprosessiin mahdollistaa saadun tuotteen kustannusten alentamisen, jolloin tolueenin nitraus on saatavilla. Nykyisen prosessin yhtälö yleisessä muodossa on esitetty alla:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Vuorovaikutuksen päättymisen jälkeen lisätään vettä, minkä seurauksena boorifluoridimonohydraatti muodostaa dihydraatin. Se tislataan pois tyhjössä, sitten lisätään kalsiumfluoridia, jolloin yhdiste palautetaan alkuperäiseen muotoonsa.
Nitraation tiedot
Tässä prosessissa on joitain piirteitä, jotka liittyvät reagenssien valintaan ja reaktiosubstraatin valintaan. Harkitse joitakin heidän vaihtoehtojaan yksityiskohtaisemmin:
- 60-65 % typpihappoa sekoitettuna 96 % rikkihappoon;
- 98 % typpihapon ja väkevän rikkihapon seos sopii hieman reaktiivisille orgaanisille aineille;
- kalium- tai ammoniumnitraatti väkevän rikkihapon kanssa on erinomainen valinta polymeeristen nitroyhdisteiden valmistukseen.
Nitraation kinetiikka
Aromaattiset hiilivedyt vuorovaikutuksessa rikki- ja rikkihapon seoksen kanssatyppihapot nitrataan ionimekanismilla. V. Markovnikov onnistui luonnehtimaan tämän vuorovaikutuksen erityispiirteitä. Prosessi etenee useissa vaiheissa. Ensin muodostuu nitrorikkihappoa, joka dissosioituu vesiliuoksessa. Nitronium-ionit reagoivat tolueenin kanssa muodostaen nitrotolueenia tuotteena. Kun seokseen lisätään vesimolekyylejä, prosessi hidastuu.
Orgaanisissa liuottimissa - nitrometaani, asetonitriili, sulfolaani - tämän kationin muodostumisen ansiosta voit lisätä nitrausnopeutta.
Muodoksena oleva nitroniumkationi kiinnittyy aromaattisen tolueenin ytimeen ja muodostuu välituoteyhdiste. Seuraavaksi protoni irtoaa, mikä johtaa nitrotolueenin muodostumiseen.
Jos haluat yksityiskohtaisen kuvauksen meneillään olevasta prosessista, voimme harkita "sigma"- ja "pi"-kompleksien muodostumista. "Sigma"-kompleksin muodostuminen on vuorovaikutuksen rajoittava vaihe. Reaktionopeus on suoraan verrannollinen nopeuteen, jolla nitroniumkationi lisätään aromaattisen yhdisteen ytimessä olevaan hiiliatomiin. Protoni poistuu tolueenista lähes välittömästi.
Vain joissakin tilanteissa merkittävään primaariseen kineettiseen isotooppivaikutukseen voi liittyä korvausongelmia. Tämä johtuu käänteisen prosessin kiihtymisestä erityyppisten esteiden läsnä ollessa.
Kun valitaan väkevä rikkihappo katalyyttiksi ja vedenpoistoaineeksi, havaitaan prosessin tasapainon siirtyminen kohti reaktiotuotteiden muodostumista.
Johtopäätös
Kun tolueenia nitrataan, muodostuu nitrotolueenia, joka on arvokas kemianteollisuuden tuote. Juuri tämä aine on räjähtävä yhdiste, joten sillä on kysyntää räjäytystyössä. Sen teolliseen tuotantoon liittyvien ympäristöongelmien joukossa on huomattava määrä väkevää rikkihappoa.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi kemistit etsivät tapoja vähentää nitrausprosessista syntyvää rikkihappojätettä. Esimerkiksi prosessi suoritetaan matalissa lämpötiloissa, käytetään helposti regeneroituvia väliaineita. Rikkihapolla on voimakkaita hapettavia ominaisuuksia, mikä vaikuttaa negatiivisesti metallien korroosioon ja aiheuttaa lisääntynyttä vaaraa eläville organismeille. Jos kaikkia turvallisuusstandardeja noudatetaan, nämä ongelmat voidaan ratkaista ja korkealaatuisia nitroyhdisteitä voidaan saada.
