Reden wir darüber, wie Toluol nitriert wird. Durch solche Wechselwirkungen entsteht eine riesige Menge an Halbfabrikaten, die bei der Herstellung von Sprengstoffen und Arzneimitteln verwendet werden.
Bedeutung der Nitrierung
Benzolderivate in Form von aromatischen Nitroverbindungen werden in der modernen chemischen Industrie hergestellt. Nitrobenzol ist ein Zwischenprodukt in der Anilin-, Parfümerie- und Pharmaproduktion. Es ist ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für viele organische Verbindungen, einschließlich Cellulosenitrit, und bildet damit eine gallertartige Masse. In der Erdölindustrie wird es als Schmiermittelreiniger verwendet. Die Nitrierung von Toluol ergibt Benzidin, Anilin, Aminosalicylsäure, Phenylendiamin.
Nitrierkennlinie
Die Nitrierung ist durch die Einführung der NO2-Gruppe in das Molekül einer organischen Verbindung gekennzeichnet. Je nach Ausgangssubstanz verläuft dieser Prozess nach einem radikalischen, nucleophilen, elektrophilen Mechanismus. Als aktive Partikel wirken Nitronium-Kationen, -Ionen und NO2-Radikale. Die Nitrierungsreaktion von Toluol bezieht sich auf die Substitution. Für andere organische Stoffeeine substitutionelle Nitrierung ist ebenso möglich wie eine Addition über eine Doppelbindung.
Die Nitrierung von Toluol in einem aromatischen Kohlenwasserstoffmolekül wird mit einem Nitriergemisch (Schwefel- und Salpetersäure) durchgeführt. Katalytische Eigenschaften besitzt Schwefelsäure, die in diesem Prozess als Wasserentferner wirkt.
Prozessgleichung
Die Nitrierung von Toluol beinh altet den Ersatz eines Wasserstoffatoms durch eine Nitrogruppe. Wie sieht das Prozessdiagramm aus?
Um die Nitrierung von Toluol zu beschreiben, kann die Reaktionsgleichung wie folgt dargestellt werden:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Es erlaubt uns nur, den allgemeinen Verlauf der Interaktion zu beurteilen, offenbart aber nicht alle Merkmale dieses Prozesses. Was tatsächlich passiert, ist eine Reaktion zwischen aromatischen Kohlenwasserstoffen und Salpetersäureprodukten.
Da Wassermoleküle in den Produkten enth alten sind, führt dies zu einer Verringerung der Salpetersäurekonzentration, sodass die Nitrierung von Toluol verlangsamt wird. Um dieses Problem zu vermeiden, wird dieser Prozess bei niedrigen Temperaturen unter Verwendung von Salpetersäure im Überschuss durchgeführt.
Als Wasserentferner werden neben Schwefelsäure Essigsäureanhydrid, Polyphosphorsäuren, Bortrifluorid eingesetzt. Sie ermöglichen es, den Verbrauch von Salpetersäure zu reduzieren, die Interaktionseffizienz zu erhöhen.
Nuancen des Prozesses
Die Nitrierung von Toluol wurde Ende des 19. Jahrhunderts von V. Markownikow. Es gelang ihm, einen Zusammenhang zwischen dem Vorhandensein von konzentrierter Schwefelsäure im Reaktionsgemisch und der Geschwindigkeit des Prozesses herzustellen. Bei der modernen Herstellung von Nitrotoluol wird wasserfreie Salpetersäure verwendet, die im Überschuss genommen wird.
Außerdem ist die Sulfonierung und Nitrierung von Toluol mit der Verwendung einer verfügbaren wasserentfernenden Komponente von Borfluorid verbunden. Seine Einführung in den Reaktionsprozess ermöglicht es, die Kosten des resultierenden Produkts zu reduzieren, was die Nitrierung von Toluol verfügbar macht. Die Gleichung des aktuellen Prozesses in allgemeiner Form ist unten dargestellt:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Nach Abschluss der Wechselwirkung wird Wasser eingebracht, wodurch Borfluorid-Monohydrat ein Dihydrat bildet. Es wird im Vakuum abdestilliert, dann wird Calciumfluorid hinzugefügt, wodurch die Verbindung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
Nitrationsspezifika
Es gibt einige Merkmale dieses Prozesses, die sich auf die Wahl der Reagenzien und des Reaktionssubstrats beziehen. Betrachten Sie einige ihrer Optionen genauer:
- 60-65%ige Salpetersäure gemischt mit 96%iger Schwefelsäure;
- Mischung aus 98%iger Salpetersäure und konzentrierter Schwefelsäure ist geeignet für leicht reaktive organische Stoffe;
- Kalium- oder Ammoniumnitrat mit konzentrierter Schwefelsäure ist eine ausgezeichnete Wahl für die Herstellung von polymeren Nitroverbindungen.
Nitrierkinetik
Aromatische Kohlenwasserstoffe in Wechselwirkung mit einer Mischung aus Schwefelsäure undSalpetersäuren werden nach dem ionischen Mechanismus nitriert. V. Markovnikov gelang es, die Besonderheiten dieser Interaktion zu charakterisieren. Der Prozess läuft in mehreren Stufen ab. Zunächst entsteht Nitroschwefelsäure, die in wässriger Lösung dissoziiert. Nitroniumionen reagieren mit Toluol unter Bildung von Nitrotoluol als Produkt. Wenn der Mischung Wassermoleküle hinzugefügt werden, verlangsamt sich der Prozess.
In Lösungsmitteln organischer Natur - Nitromethan, Acetonitril, Sulfolan - ermöglicht die Bildung dieses Kations die Erhöhung der Nitrierungsgeschwindigkeit.
Das resultierende Nitroniumkation wird an den Kern des aromatischen Toluols gebunden, und es entsteht eine Zwischenverbindung. Als nächstes wird ein Proton abgesp alten, was zur Bildung von Nitrotoluol führt.
Für eine detaillierte Beschreibung des laufenden Prozesses können wir die Bildung von "Sigma"- und "Pi"-Komplexen betrachten. Die Bildung des "Sigma"-Komplexes ist das begrenzende Stadium der Wechselwirkung. Die Reaktionsgeschwindigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Additionsgeschwindigkeit des Nitroniumkations an das Kohlenstoffatom im Kern der aromatischen Verbindung. Die Eliminierung eines Protons aus Toluol erfolgt fast augenblicklich.
Nur in einigen Situationen können Substitutionsprobleme auftreten, die mit einem signifikanten primären kinetischen Isotopeneffekt verbunden sind. Dies liegt an der Beschleunigung des Umkehrvorgangs bei Vorhandensein verschiedener Arten von Hindernissen.
Bei der Wahl von konzentrierter Schwefelsäure als Katalysator und Entwässerungsmittel ist eine Verschiebung des Gleichgewichts des Prozesses hin zur Bildung von Reaktionsprodukten zu beobachten.
Schlussfolgerung
Bei der Nitrierung von Toluol entsteht Nitrotoluol, ein wertvolles Produkt der chemischen Industrie. Diese Substanz ist eine explosive Verbindung und daher beim Sprengen gefragt. Unter den Umweltproblemen, die mit der industriellen Produktion verbunden sind, stellen wir die Verwendung einer erheblichen Menge konzentrierter Schwefelsäure fest.
Um dieses Problem zu lösen, suchen Chemiker nach Möglichkeiten, die beim Nitrierungsprozess anfallende Schwefelsäure zu reduzieren. Beispielsweise wird der Prozess bei niedrigen Temperaturen durchgeführt, es werden leicht regenerierbare Medien verwendet. Schwefelsäure hat stark oxidierende Eigenschaften, was die Korrosion von Metallen negativ beeinflusst und eine erhöhte Gefahr für lebende Organismen darstellt. Wenn alle Sicherheitsstandards eingeh alten werden, können diese Probleme behoben und hochwertige Nitroverbindungen erh alten werden.
