Parunāsim par to, kā toluols tiek nitrēts. Šādas mijiedarbības rezultātā tiek iegūts milzīgs daudzums pusfabrikātu, ko izmanto sprāgstvielu un farmaceitisko līdzekļu ražošanā.
Nitrēšanas nozīme
Benzola atvasinājumi aromātisku nitro savienojumu veidā tiek ražoti mūsdienu ķīmiskajā rūpniecībā. Nitrobenzols ir starpprodukts anilīna, parfimērijas un farmācijas ražošanā. Tas ir lielisks šķīdinātājs daudziem organiskiem savienojumiem, tai skaitā celulozes nitrītam, veidojot ar to želatīna masu. Naftas rūpniecībā to izmanto kā smērvielu tīrīšanas līdzekli. Nitrējot toluolu, iegūst benzidīnu, anilīnu, aminosalicilskābi, fenilēndiamīnu.
Nitrācijas raksturlielums
Nitrēšanu raksturo NO2 grupas ievadīšana organiskā savienojuma molekulā. Atkarībā no izejvielas šis process notiek pēc radikālas, nukleofīlas, elektrofīlas mehānisma. Nitronija katjoni, joni un NO2 radikāļi darbojas kā aktīvās daļiņas. Toluola nitrēšanas reakcija attiecas uz aizvietošanu. Citām organiskām vielāmir iespējama aizvietojošā nitrēšana, kā arī pievienošana ar dubultsaiti.
Toluola nitrēšana aromātiskā ogļūdeņraža molekulā tiek veikta, izmantojot nitrēšanas maisījumu (sērskābi un slāpekļskābi). Sērskābei piemīt katalītiskās īpašības, kas šajā procesā darbojas kā ūdens atdalīšanas līdzeklis.
Apstrādāšanas vienādojums
Toluola nitrēšana ietver viena ūdeņraža atoma aizstāšanu ar nitrogrupu. Kā izskatās procesa diagramma?
Lai aprakstītu toluola nitrēšanu, reakcijas vienādojumu var attēlot šādi:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Tas ļauj spriest tikai par vispārējo mijiedarbības gaitu, bet neatklāj visas šī procesa iezīmes. Faktiski notiek reakcija starp aromātiskajiem ogļūdeņražiem un slāpekļskābes produktiem.
Ņemot vērā, ka produktos ir ūdens molekulas, tas noved pie slāpekļskābes koncentrācijas samazināšanās, tāpēc toluola nitrēšana palēninās. Lai izvairītos no šīs problēmas, šo procesu veic zemā temperatūrā, liekot slāpekļskābi.
Papildus sērskābei kā ūdeni atdalošus līdzekļus izmanto etiķskābes anhidrīdu, polifosforskābes, bora trifluorīdu. Tie ļauj samazināt slāpekļskābes patēriņu, palielināt mijiedarbības efektivitāti.
Procesa nianses
Toluola nitrēšanu deviņpadsmitā gadsimta beigās aprakstīja V. Markovņikovs. Viņam izdevās izveidot saikni starp koncentrētas sērskābes klātbūtni reakcijas maisījumā un procesa ātrumu. Mūsdienu nitrotoluola ražošanā tiek izmantota bezūdens slāpekļskābe, kas uzņemta nedaudz pārpalikumā.
Turklāt toluola sulfonēšana un nitrēšana ir saistīta ar pieejamā bora fluorīda, kas atdala ūdeni, izmantošanu. Tā ievadīšana reakcijas procesā ļauj samazināt iegūtā produkta izmaksas, kas padara toluola nitrēšanu pieejamu. Pašreizējā procesa vienādojums vispārīgā formā ir parādīts zemāk:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Pēc mijiedarbības pabeigšanas tiek ievadīts ūdens, kura dēļ bora fluorīda monohidrāts veido dihidrātu. To destilē vakuumā, pēc tam pievieno kalcija fluorīdu, atgriežot savienojumu sākotnējā formā.
Nitrācijas specifika
Šam procesam ir dažas iezīmes, kas saistītas ar reaģentu, reakcijas substrāta izvēli. Apsveriet dažas viņu iespējas sīkāk:
- 60-65% slāpekļskābes, kas sajaukta ar 96% sērskābi;
- 98% slāpekļskābes un koncentrētas sērskābes maisījums ir piemērots nedaudz reaģējošām organiskām vielām;
- kālija vai amonija nitrāts ar koncentrētu sērskābi ir lieliska izvēle polimēru nitro savienojumu ražošanai.
Nitrācijas kinētika
Aromātiskie ogļūdeņraži, kas mijiedarbojas ar sērskābes unslāpekļskābes tiek nitrētas ar jonu mehānismu. V. Markovņikovam izdevās raksturot šīs mijiedarbības specifiku. Process notiek vairākos posmos. Pirmkārt, veidojas nitrosērskābe, kas ūdens šķīdumā tiek disociēta. Nitronija joni reaģē ar toluolu, veidojot nitrotoluolu kā produktu. Ja maisījumam pievieno ūdens molekulas, process palēninās.
Šīdinātājos ar organisku dabu - nitrometānā, acetonitrilā, sulfolānā - šī katjona veidošanās ļauj palielināt nitrēšanas ātrumu.
Iegūtais nitronija katjons tiek pievienots aromātiskā toluola kodolam, un veidojas starpprodukta savienojums. Pēc tam tiek atdalīts protons, kā rezultātā veidojas nitrotoluols.
Lai iegūtu detalizētu notiekošā procesa aprakstu, mēs varam apsvērt "sigma" un "pi" kompleksu veidošanos. "Sigmas" kompleksa veidošanās ir mijiedarbības ierobežojošais posms. Reakcijas ātrums būs tieši saistīts ar nitronija katjona pievienošanas ātrumu aromātiskā savienojuma kodolā esošajam oglekļa atomam. Protons tiek izvadīts no toluola gandrīz acumirklī.
Tikai dažās situācijās var rasties aizstāšanas problēmas, kas saistītas ar nozīmīgu primāro kinētisko izotopu efektu. Tas ir saistīts ar apgrieztā procesa paātrināšanu dažādu veidu šķēršļu klātbūtnē.
Izvēloties koncentrētu sērskābi kā katalizatoru un atūdeņošanas līdzekli, tiek novērota procesa līdzsvara maiņa uz reakcijas produktu veidošanos.
Secinājums
Kad toluols tiek nitrēts, veidojas nitrotoluols, kas ir vērtīgs ķīmiskās rūpniecības produkts. Tieši šī viela ir sprādzienbīstams savienojums, tāpēc tā ir pieprasīta spridzināšanas darbos. Starp vides problēmām, kas saistītas ar rūpniecisko ražošanu, mēs atzīmējam ievērojama daudzuma koncentrētas sērskābes izmantošanu.
Lai risinātu šo problēmu, ķīmiķi meklē veidus, kā samazināt sērskābes atkritumus, kas rodas nitrēšanas procesā. Piemēram, process tiek veikts zemā temperatūrā, tiek izmantotas viegli reģenerējamas barotnes. Sērskābei piemīt spēcīgas oksidējošas īpašības, kas negatīvi ietekmē metālu koroziju un rada paaugstinātu bīstamību dzīviem organismiem. Ja tiek ievēroti visi drošības standarti, šīs problēmas var tikt galā un iegūt augstas kvalitātes nitro savienojumus.
