Parliamo di come viene nitrato il toluene. Un'enorme quantità di semilavorati utilizzati nella fabbricazione di esplosivi e prodotti farmaceutici si ottiene da tale interazione.
Importanza della nitrazione
Derivati del benzene sotto forma di composti nitro aromatici sono prodotti nella moderna industria chimica. Il nitrobenzene è un prodotto intermedio nella produzione di anilina, profumeria, farmaceutica. È un ottimo solvente per molti composti organici, compreso il nitrito di cellulosa, formando con esso una massa gelatinosa. Nell'industria petrolifera, viene utilizzato come detergente lubrificante. La nitrazione del toluene fornisce benzidina, anilina, acido aminosalicilico, fenilendiammina.
Caratteristiche di nitrazione
La nitrazione è caratterizzata dall'introduzione del gruppo NO2 nella molecola di un composto organico. A seconda della sostanza di partenza, questo processo procede secondo un meccanismo radicale, nucleofilo, elettrofilo. I cationi nitronio, gli ioni e i radicali NO2 agiscono come particelle attive. La reazione di nitrazione del toluene si riferisce alla sostituzione. Per altre sostanze organicheè possibile la nitrazione sostitutiva e l'addizione tramite un doppio legame.
La nitrazione del toluene in una molecola di idrocarburo aromatico viene effettuata utilizzando una miscela nitrante (acido solforico e nitrico). Le proprietà catalitiche sono esibite dall'acido solforico, che agisce come agente di rimozione dell'acqua in questo processo.
Equazione del processo
La nitrazione del toluene comporta la sostituzione di un atomo di idrogeno con un gruppo nitro. Che aspetto ha il diagramma di processo?
Per descrivere la nitrazione del toluene, l'equazione di reazione può essere rappresentata come segue:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Ci permette di giudicare solo il corso generale dell'interazione, ma non rivela tutte le caratteristiche di questo processo. Quello che sta effettivamente accadendo è una reazione tra idrocarburi aromatici e prodotti di acido nitrico.
Dato che nei prodotti sono presenti molecole d'acqua, ciò porta ad una diminuzione della concentrazione di acido nitrico, quindi la nitrazione del toluene rallenta. Per evitare questo problema, questo processo viene eseguito a basse temperature, utilizzando acido nitrico in eccesso.
Oltre all'acido solforico, l'anidride acetica, gli acidi polifosforici, il trifluoruro di boro sono usati come agenti di rimozione dell'acqua. Consentono di ridurre il consumo di acido nitrico, aumentare l'efficienza dell'interazione.
Sfumature del processo
La nitrazione del toluene fu descritta alla fine dell'ottocento da V. Markovnikov. Riuscì a stabilire una connessione tra la presenza di acido solforico concentrato nella miscela di reazione e la velocità del processo. Nella moderna produzione di nitrotoluene, viene utilizzato acido nitrico anidro, preso in eccesso.
Inoltre, la solfonazione e la nitrazione del toluene sono associate all'uso di un componente disponibile per la rimozione dell'acqua del fluoruro di boro. La sua introduzione nel processo di reazione permette di ridurre il costo del prodotto risultante, che rende disponibile la nitrazione del toluene. L'equazione del processo attuale in forma generale è presentata di seguito:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Dopo il completamento dell'interazione, viene introdotta l'acqua, a causa della quale il fluoruro di boro monoidrato forma un diidrato. Si distilla sotto vuoto, quindi si aggiunge fluoruro di calcio, riportando il composto alla sua forma originale.
Specifiche della nitrazione
Ci sono alcune caratteristiche di questo processo legate alla scelta dei reagenti, del substrato di reazione. Considera alcune delle loro opzioni in modo più dettagliato:
- 60-65% di acido nitrico mescolato con il 96% di acido solforico;
- La miscela di acido nitrico al 98% e acido solforico concentrato è adatta per sostanze organiche leggermente reattive;
- Il nitrato di potassio o ammonio con acido solforico concentrato è una scelta eccellente per la produzione di nitrocomposti polimerici.
Cinetica di nitrazione
Idrocarburi aromatici che interagiscono con una miscela di solforico egli acidi nitrici sono nitrati dal meccanismo ionico. V. Markovnikov è riuscito a caratterizzare i dettagli di questa interazione. Il processo procede in più fasi. In primo luogo, si forma acido nitrosolforico, che subisce la dissociazione in una soluzione acquosa. Gli ioni nitronio reagiscono con il toluene, formando nitrotoluene come prodotto. Quando le molecole d'acqua vengono aggiunte alla miscela, il processo rallenta.
In solventi di natura organica - nitrometano, acetonitrile, sulfolano - la formazione di questo catione consente di aumentare il tasso di nitrazione.
Il catione nitronio risultante viene attaccato al nucleo del toluene aromatico e si forma un composto intermedio. Successivamente, un protone si stacca, portando alla formazione di nitrotoluene.
Per una descrizione dettagliata del processo in corso, possiamo considerare la formazione dei complessi "sigma" e "pi". La formazione del complesso "sigma" è la fase limitante dell'interazione. La velocità di reazione sarà direttamente correlata alla velocità di aggiunta del catione di nitronio all'atomo di carbonio nel nucleo del composto aromatico. L'eliminazione di un protone dal toluene è quasi istantanea.
Solo in alcune situazioni possono esserci problemi di sostituzione associati a un significativo effetto isotopico cinetico primario. Ciò è dovuto all'accelerazione del processo inverso in presenza di vari tipi di ostacoli.
Quando si sceglie l'acido solforico concentrato come catalizzatore e agente disidratante, si osserva uno spostamento dell'equilibrio del processo verso la formazione di prodotti di reazione.
Conclusione
Quando il toluene viene nitrato, si forma il nitrotoluene, che è un prodotto prezioso dell'industria chimica. È questa sostanza che è un composto esplosivo, quindi è richiesto nella sabbiatura. Tra i problemi ambientali legati alla sua produzione industriale, si segnala l'utilizzo di una notevole quantità di acido solforico concentrato.
Per affrontare questo problema, i chimici stanno cercando modi per ridurre i rifiuti di acido solforico generati dal processo di nitrazione. Ad esempio, il processo viene eseguito a basse temperature, vengono utilizzati fluidi facilmente rigenerabili. L'acido solforico ha forti proprietà ossidanti, che influiscono negativamente sulla corrosione dei metalli e rappresenta un pericolo maggiore per gli organismi viventi. Se vengono rispettati tutti gli standard di sicurezza, è possibile affrontare questi problemi e ottenere composti nitro di alta qualità.
