بیایید در مورد چگونگی نیترات شدن تولوئن صحبت کنیم. مقدار زیادی از محصولات نیمه تمام مورد استفاده در ساخت مواد منفجره و داروها از چنین تعاملی به دست می آید.
اهمیت نیتراسیون
مشتقات بنزن به شکل ترکیبات نیترو معطر در صنایع شیمیایی مدرن تولید می شود. نیتروبنزن یک محصول میانی در تولید آنیلین، عطرسازی و داروسازی است. این یک حلال عالی برای بسیاری از ترکیبات آلی از جمله نیتریت سلولز است که با آن یک توده ژلاتینی تشکیل می دهد. در صنعت نفت از آن به عنوان پاک کننده روان کننده استفاده می شود. نیتراسیون تولوئن بنزیدین، آنیلین، آمینوسالیسیلیک اسید، فنیلن دیامین می دهد.
ویژگی نیتراسیون
نیتراسیون با ورود گروه NO2 به مولکول یک ترکیب آلی مشخص می شود. بسته به ماده اولیه، این فرآیند طبق یک مکانیسم رادیکال، هسته دوست و الکتروفیل پیش می رود. کاتیون های نیترونیوم، یون ها و رادیکال های NO2 به عنوان ذرات فعال عمل می کنند. واکنش نیتراسیون تولوئن به جایگزینی اشاره دارد. برای سایر مواد آلینیتراسیون جایگزینی و همچنین افزودن از طریق پیوند دوگانه امکان پذیر است.
نیتراسیون تولوئن در یک مولکول هیدروکربن معطر با استفاده از مخلوط نیترات (سولفوریک و اسیدهای نیتریک) انجام می شود. خواص کاتالیزوری توسط اسید سولفوریک نشان داده می شود که به عنوان یک عامل حذف کننده آب در این فرآیند عمل می کند.
معادله فرآیند
نیتراسیون تولوئن شامل جایگزینی یک اتم هیدروژن با یک گروه نیترو است. نمودار فرآیند چگونه است؟
برای توصیف نیتراسیون تولوئن، معادله واکنش را می توان به صورت زیر نشان داد:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
این به ما امکان می دهد فقط در مورد روند کلی تعامل قضاوت کنیم، اما همه ویژگی های این فرآیند را آشکار نمی کند. آنچه در واقع اتفاق می افتد واکنشی بین هیدروکربن های معطر و محصولات اسید نیتریک است.
با توجه به وجود مولکول های آب در محصولات، این منجر به کاهش غلظت اسید نیتریک می شود، بنابراین نیتراسیون تولوئن کند می شود. برای جلوگیری از این مشکل، این فرآیند در دماهای پایین و با استفاده از اسید نیتریک بیش از حد انجام می شود.
علاوه بر اسید سولفوریک، انیدرید استیک، اسیدهای پلی فسفریک، تری فلوراید بور به عنوان عوامل حذف کننده آب استفاده می شود. آنها باعث کاهش مصرف اسید نیتریک، افزایش کارایی تعامل می شوند.
تفاوت های ظریف فرآیند
نیتراسیون تولوئن در پایان قرن نوزدهم توسط V.مارکونیکوف او موفق شد بین حضور اسید سولفوریک غلیظ در مخلوط واکنش و سرعت فرآیند ارتباط برقرار کند. در تولید مدرن نیتروتولوئن، از اسید نیتریک بی آب استفاده می شود که مقداری بیش از حد مصرف می شود.
علاوه بر این، سولفوناسیون و نیتراسیون تولوئن با استفاده از یک جزء حذف کننده آب موجود از فلوراید بور همراه است. ورود آن به فرآیند واکنش کاهش هزینه محصول حاصل را امکان پذیر می کند، که نیتراسیون تولوئن را در دسترس قرار می دهد. معادله فرآیند جاری به صورت کلی در زیر ارائه شده است:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
پس از اتمام برهمکنش، آب وارد می شود که به دلیل آن مونوهیدرات فلوراید بور تشکیل دی هیدرات می دهد. آن را در خلاء تقطیر می کنند، سپس کلسیم فلوراید اضافه می شود و ترکیب را به شکل اولیه خود باز می گرداند.
مشخصات نیتراسیون
برخی از ویژگی های این فرآیند مربوط به انتخاب معرف ها، بستر واکنش است. برخی از گزینه های آنها را با جزئیات بیشتر در نظر بگیرید:
- 60-65% اسید نیتریک مخلوط با 96% اسید سولفوریک؛
- مخلوط اسید نیتریک 98٪ و اسید سولفوریک غلیظ برای مواد آلی کمی واکنشی مناسب است؛
- نیترات پتاسیم یا آمونیوم با اسید سولفوریک غلیظ یک انتخاب عالی برای تولید ترکیبات نیترو پلیمری است.
سینتیک نیتراسیون
هیدروکربن های معطر در تعامل با مخلوطی از سولفوریک واسیدهای نیتریک توسط مکانیسم یونی نیترات می شوند. V. Markovnikov موفق شد ویژگی های این تعامل را مشخص کند. این فرآیند در چند مرحله پیش می رود. ابتدا اسید نیتروسولفوریک تشکیل می شود که در محلول آبی تجزیه می شود. یون های نیترونیوم با تولوئن واکنش داده و نیتروتولوئن را به عنوان یک محصول تشکیل می دهند. وقتی مولکول‌های آب به مخلوط اضافه می‌شوند، روند کند می‌شود.
در حلالهای با طبیعت آلی - نیترومتان، استونیتریل، سولفولان - تشکیل این کاتیون به شما امکان می دهد تا سرعت نیتراسیون را افزایش دهید.
کاتیون نیترونیوم به دست آمده به هسته تولوئن معطر متصل می شود و یک ترکیب میانی تشکیل می شود. سپس، یک پروتون جدا می شود و منجر به تشکیل نیتروتولوئن می شود.
برای شرح مفصلی از روند در حال انجام، می توانیم تشکیل کمپلکس های "سیگما" و "پی" را در نظر بگیریم. تشکیل مجموعه "سیگما" مرحله محدود کننده تعامل است. سرعت واکنش مستقیماً با سرعت افزودن کاتیون نیترونیوم به اتم کربن در هسته ترکیب آروماتیک مرتبط خواهد بود. حذف یک پروتون از تولوئن تقریباً آنی است.
فقط در برخی شرایط ممکن است مشکلات جایگزینی مرتبط با اثر ایزوتوپ جنبشی اولیه قابل توجهی وجود داشته باشد. این به دلیل تسریع روند معکوس در حضور انواع مختلف موانع است.
هنگام انتخاب اسید سولفوریک غلیظ به عنوان کاتالیزور و عامل آبگیری، تغییری در تعادل فرآیند به سمت تشکیل محصولات واکنش مشاهده می شود.
نتیجه گیری
هنگامی که تولوئن نیترات می شود، نیتروتولوئن تشکیل می شود که محصول با ارزش صنایع شیمیایی است. این ماده است که یک ترکیب انفجاری است، بنابراین در انفجار مورد تقاضا است. از جمله مشکلات زیست محیطی مرتبط با تولید صنعتی آن، ما به استفاده از مقدار قابل توجهی اسید سولفوریک غلیظ اشاره می کنیم.
برای مقابله با این مشکل، شیمیدان ها به دنبال راه هایی برای کاهش ضایعات اسید سولفوریک تولید شده از فرآیند نیتراسیون هستند. به عنوان مثال، فرآیند در دماهای پایین انجام می شود، از رسانه هایی که به راحتی بازسازی می شوند استفاده می شود. اسید سولفوریک دارای خواص اکسید کننده قوی است که بر خوردگی فلزات تأثیر منفی می گذارد و خطر بیشتری را برای موجودات زنده ایجاد می کند. اگر تمام استانداردهای ایمنی رعایت شود، می توان با این مشکلات مقابله کرد و ترکیبات نیترو با کیفیت بالا را به دست آورد.
