Уравнение на реакцията на нитриране на толуен

Нека да поговорим за това как се извършва нитрирането на толуен. Чрез такова взаимодействие се получават огромен брой полуфабрикати, използвани в производството на експлозиви и фармацевтични продукти.

Значение на нитрирането

В съвременната химическа промишленост се произвеждат бензолови производни под формата на ароматни нитросъединения. 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 промишленост се използва като почистващо средство за смазка. При нитриране на толуен се получават бензидин, анилин, аминосалицилова киселина, фенилендиамин.

Характеристика на нитриране

Нитрирането се характеризира с въвеждането на NO2 група в молекула на органично 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 вещества е възможно заместващо нитриране, както и добавяне при двойна връзка.

Нитрирането на толуен в ароматна въглеводородна молекула се извършва с помощта на нитруваща смес (сярна и азотна киселина). Сярната киселина проявява каталитични свойства, действайки в този процес като средство за отстраняване на вода.

Уравнение на процеса

Нитрирането на толуен включва заместването на един водороден атом с нитро група. Как изглежда диаграмата на процеса?

За да се опише нитрирането на толуен, уравнението на реакцията може да бъдеприсъства в следната форма:

ArH + HONO2+ = Ar-NO2 + H2O

Тя ни позволява да преценим само общия ход на взаимодействието, но не разкрива всички характеристики на този процес. Всъщност протича реакция между ароматните въглеводороди и продуктите на азотната киселина.

Като се има предвид, че в продуктите има водни молекули, това води до намаляване на концентрацията на азотна киселина, така че нитрирането на толуен се забавя. За да се избегне този проблем, този процес се извършва при ниски температури, като се използва азотна киселина в излишък.

В допълнение към сярната киселина, оцетният анхидрид, полифосфорните киселини и 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.

Процесни нюанси

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 толуен е свързано с използването на наличния компонент за отстраняване на вода от борен флуорид. Въвеждането му в реакционния процес позволява да се намали цената на получения продукт, което прави достъпно нитрирането на толуен. Уравнението на протичащия процес в общ вид е представено по-долу:

ArH + HNO3 + BF3 = Ar-NO2 + BF3 H2 O

След завършване на реакцията се въвежда вода, при което монохидратът на борния флуорид образува дихидрат. Дестилира се във вакуум, след което се добавя калциев флуорид, връщайки съединението в първоначалната му форма.

Специфика на нитриране

Яжтенякои 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 нитриране

Ароматните въглеводороди, взаимодействащи със смес от сярна и азотна киселина, се нитрират по йонния механизъм. В. Марковников успя да характеризира спецификата на това взаимодействие. Процесът протича на няколко етапа. Първо се образува нитросярна киселина, която претърпява дисоциация във воден разтвор. Нитрониевите 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 се свързва с ядрото на ароматен толуен и се образува междинно съединение. След това се получава отделяне на протони, което води до образуването на нитротолуен.

За подробно описание на протичащия процес можем да разгледаме образуването на комплекси "сигма" и "пи". 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 някоиситуации може да има някои проблеми със заместването, свързани със значителен първичен кинетичен изотопен ефект. Това се дължи на ускоряването на обратния процес при наличието на различни видове препятствия.

Когато се избере концентрирана сярна киселина като катализатор и средство за отстраняване на водата, се наблюдава изместване на равновесието на процеса към образуване на реакционни продукти.

Заключение

При нитриране на толуен се образува нитротолуен, който е ценен продукт на химическата промишленост. Това вещество е експлозивно съединение, поради което е търсено при взривяване. Сред екологичните проблеми, свързани с промишленото му 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, произведени след процеса на нитриране. Например, процесът се извършва при ниски температури, използват се лесно регенерируеми среди. Сярната киселина има силни окислителни свойства, което влияе отрицателно върху корозията на металите и представлява повишена опасност за живите организми. Ако се спазват всички стандарти за безопасност, тези проблеми могат да бъдат решени и могат да се получат висококачествени нитро съединения.