Hãy nói về cách toluen được nitrat hóa. Một lượng lớn bán thành phẩm được sử dụng trong sản xuất thuốc nổ, dược phẩm thu được bằng cách tương tác như vậy.
Tầm quan trọng của nitrat hóa
Dẫn xuất benzen ở dạng hợp chất nitro thơm được sản xuất trong công nghiệp hóa chất hiện đại. Nitrobenzene là một sản phẩm trung gian trong sản xuất anilin, nước hoa, dược phẩm. Nó là một dung môi tuyệt vời cho nhiều hợp chất hữu cơ, bao gồm nitrit xenlulo, tạo thành một khối sền sệt với nó. Trong ngành công nghiệp dầu khí, nó được sử dụng như một chất tẩy rửa chất bôi trơn. Nitrat hóa toluen tạo ra benzen, anilin, axit aminosalicylic, phenylenediamine.
Đặc tính nitrat hóa
Nitrat hóa được đặc trưng bởi sự đưa nhóm NO2 vào phân tử của hợp chất hữu cơ. Tùy thuộc vào chất khởi đầu, quá trình này diễn ra theo cơ chế gốc, nucleophin, electrophin. Các cation, ion nitronium và các gốc NO2 đóng vai trò là các hạt hoạt động. Phản ứng nitrat hóa của toluen đề cập đến sự thay thế. Đối với các chất hữu cơ khácCó thể nitrat hóa thay thế, cũng như bổ sung thông qua một liên kết đôi.
Nitrat hóa toluen trong phân tử hydrocacbon thơm được thực hiện bằng cách sử dụng hỗn hợp nitrat hóa (axit sunfuric và nitric). Đặc tính xúc tác được thể hiện bởi axit sulfuric, hoạt động như một chất loại bỏ nước trong quá trình này.
Phương trình quy trình
Nitrat hóa toluen liên quan đến việc thay thế một nguyên tử hydro bằng một nhóm nitro. Sơ đồ quy trình trông như thế nào?
Để mô tả quá trình nitrat hóa toluen, phương trình phản ứng có thể được biểu diễn như sau:
ArH + HONO2 +=Ar-NO2 + H2 O
Nó chỉ cho phép chúng tôi đánh giá quá trình tương tác chung, nhưng không tiết lộ tất cả các tính năng của quá trình này. Điều thực tế đang xảy ra là một phản ứng giữa các hydrocacbon thơm và các sản phẩm axit nitric.
Cho rằng có các phân tử nước trong các sản phẩm, điều này dẫn đến việc giảm nồng độ axit nitric, do đó quá trình nitrat hóa toluen chậm lại. Để tránh vấn đề này, quá trình này được thực hiện ở nhiệt độ thấp, sử dụng axit nitric dư thừa.
Ngoài axit sunfuric, anhydrit axetic, axit polyphotphoric, bo triflorua được sử dụng làm chất loại bỏ nước. Chúng giúp giảm tiêu thụ axit nitric, tăng hiệu quả tương tác.
Sắc thái của quá trình
Quá trình nitrat hóa toluen được V mô tả vào cuối thế kỷ XIX. Markovnikov. Ông đã cố gắng thiết lập mối liên hệ giữa sự hiện diện của axit sulfuric đậm đặc trong hỗn hợp phản ứng và tốc độ của quá trình. Trong sản xuất nitrotoluen hiện đại, axit nitric khan được sử dụng, lấy một lượng dư.
Ngoài ra, quá trình sulfo hóa và nitrat hóa toluen có liên quan đến việc sử dụng thành phần loại bỏ nước có sẵn của boron florua. Việc đưa nó vào quá trình phản ứng có thể làm giảm giá thành của sản phẩm tạo thành, điều này làm cho quá trình nitrat hóa toluen có sẵn. Phương trình của quá trình hiện tại ở dạng tổng quát được trình bày dưới đây:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Sau khi hoàn thành tương tác, nước sẽ được đưa vào, do đó boron florua monohydrat tạo thành dihydrat. Nó được chưng cất trong chân không, sau đó canxi florua được thêm vào, đưa hợp chất trở lại dạng ban đầu.
Thông số cụ thể về nitơ
Có một số đặc điểm của quá trình này liên quan đến việc lựa chọn thuốc thử, chất nền phản ứng. Xem xét chi tiết hơn một số tùy chọn của họ:
- 60-65% axit nitric trộn với 96% axit sulfuric;
- hỗn hợp axit nitric 98% và axit sunfuric đặc thích hợp cho các chất hữu cơ phản ứng nhẹ;
- kali hoặc amoni nitrat với axit sulfuric đậm đặc là sự lựa chọn tuyệt vời để sản xuất các hợp chất nitro cao phân tử.
Động học nitrat
Các hydrocacbon thơm tương tác với hỗn hợp của sulfuric vàaxit nitric bị nitrat hóa theo cơ chế ion. V. Markovnikov đã tìm cách mô tả các chi tiết cụ thể của tương tác này. Quá trình tiến hành trong nhiều giai đoạn. Đầu tiên, axit nitrosulfuric được hình thành, trải qua quá trình phân ly trong dung dịch nước. Các ion nitronium phản ứng với toluen, tạo thành nitrotoluene như một sản phẩm. Khi các phân tử nước được thêm vào hỗn hợp, quá trình này sẽ chậm lại.
Trong dung môi có bản chất hữu cơ - nitromethane, acetonitril, sulfolane - sự hình thành cation này cho phép bạn tăng tốc độ nitrat hóa.
Cation nitronium tạo thành được gắn vào lõi của toluen thơm, và một hợp chất trung gian được hình thành. Tiếp theo, một proton bị tách ra, dẫn đến sự hình thành nitrotoluene.
Để có mô tả chi tiết về quá trình đang diễn ra, chúng ta có thể xem xét sự hình thành của phức chất "sigma" và "pi". Sự hình thành phức hợp "sigma" là giai đoạn giới hạn của tương tác. Tốc độ phản ứng sẽ liên quan trực tiếp đến tốc độ cộng cation nitronium vào nguyên tử cacbon trong nhân của hợp chất thơm. Việc loại bỏ proton khỏi toluen gần như ngay lập tức.
Chỉ trong một số trường hợp có thể xảy ra bất kỳ vấn đề thay thế nào liên quan đến hiệu ứng đồng vị động năng chính đáng kể. Điều này là do sự gia tốc của quá trình ngược lại khi có nhiều loại chướng ngại vật khác nhau.
Khi chọn axit sunfuric đặc làm chất xúc tác và chất khử nước, sự chuyển dịch cân bằng của quá trình theo hướng hình thành các sản phẩm phản ứng được quan sát thấy.
Kết
Khi toluen bị nitrat hóa, nitrotoluen được hình thành, là sản phẩm có giá trị của ngành công nghiệp hóa chất. Chính chất này là một hợp chất gây nổ, do đó nó rất được yêu cầu trong việc nổ mìn. Trong số các vấn đề môi trường liên quan đến sản xuất công nghiệp, chúng tôi lưu ý đến việc sử dụng một lượng đáng kể axit sulfuric đậm đặc.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà hóa học đang tìm cách giảm thiểu chất thải axit sulfuric tạo ra từ quá trình nitrat hóa. Ví dụ, quá trình được thực hiện ở nhiệt độ thấp, môi trường dễ tái sinh được sử dụng. Axit sunfuric có tính oxy hóa mạnh, ảnh hưởng tiêu cực đến sự ăn mòn kim loại và gây nguy hiểm cho các sinh vật sống. Nếu tất cả các tiêu chuẩn an toàn được tuân thủ, những vấn đề này có thể được xử lý và có thể thu được các hợp chất nitro chất lượng cao.
