Vamos falar sobre como o tolueno é nitrado. Uma enorme quantidade de produtos semi-acabados utilizados na fabricação de explosivos, farmacêuticos é obtida por essa interação.
Importância da nitração
Os derivados de benzeno na forma de compostos nitro aromáticos são produzidos na indústria química moderna. Nitrobenzeno é um produto intermediário em anilina, perfumaria, produção farmacêutica. É um excelente solvente para muitos compostos orgânicos, incluindo o nitrito de celulose, formando uma massa gelatinosa com ele. Na indústria do petróleo, é usado como um limpador de lubrificante. A nitração de tolueno dá benzidina, anilina, ácido aminossalicílico, fenilenodiamina.
Característica de nitração
Nitração é caracterizada pela introdução do grupo NO2 na molécula de um composto orgânico. Dependendo da substância de partida, este processo prossegue de acordo com um mecanismo radical, nucleofílico e eletrofílico. Cátions de nitrônio, íons e radicais NO2 atuam como partículas ativas. A reação de nitração do tolueno refere-se à substituição. Para outras substâncias orgânicasa nitração substitucional é possível, bem como a adição através de uma ligação dupla.
A nitração do tolueno em uma molécula de hidrocarboneto aromático é realizada usando uma mistura nitrante (ácidos sulfúrico e nítrico). As propriedades catalíticas são exibidas pelo ácido sulfúrico, que atua como agente de remoção de água neste processo.
Equação de processo
A nitração do tolueno envolve a substituição de um átomo de hidrogênio por um grupo nitro. Como é o diagrama do processo?
Para descrever a nitração do tolueno, a equação da reação pode ser representada da seguinte forma:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2O
Permite-nos julgar apenas o curso geral da interação, mas não revela todas as características desse processo. O que está realmente acontecendo é uma reação entre hidrocarbonetos aromáticos e produtos de ácido nítrico.
Dado que há moléculas de água nos produtos, isso leva a uma diminuição na concentração de ácido nítrico, então a nitração do tolueno diminui. Para evitar este problema, este processo é realizado a baixas temperaturas, utilizando ácido nítrico em excesso.
Além do ácido sulfúrico, anidrido acético, ácidos polifosfóricos, trifluoreto de boro são usados como agentes de remoção de água. Eles permitem reduzir o consumo de ácido nítrico, aumentar a eficiência da interação.
Nuances do processo
A nitração do tolueno foi descrita no final do século XIX por V. Markovnikov. Ele conseguiu estabelecer uma conexão entre a presença de ácido sulfúrico concentrado na mistura de reação e a velocidade do processo. Na produção moderna de nitrotolueno, é usado ácido nítrico anidro, tomado em excesso.
Além disso, a sulfonação e nitração do tolueno está associada ao uso de um componente de remoção de água disponível de fluoreto de boro. A sua introdução no processo reaccional permite reduzir o custo do produto resultante, o que torna disponível a nitração do tolueno. A equação do processo atual de forma geral é apresentada a seguir:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2O
Após a conclusão da interação, a água é introduzida, devido à qual o monohidrato de fluoreto de boro forma um dihidrato. Ele é destilado a vácuo, então é adicionado fluoreto de cálcio, retornando o composto à sua forma original.
Especificações de nitração
Existem algumas características deste processo relacionadas à escolha dos reagentes, substrato da reação. Considere algumas de suas opções com mais detalhes:
- 60-65% de ácido nítrico misturado com 96% de ácido sulfúrico;
- mistura de 98% de ácido nítrico e ácido sulfúrico concentrado é adequada para orgânicos levemente reativos;
- nitrato de potássio ou amônio com ácido sulfúrico concentrado é uma excelente escolha para a produção de nitrocompostos poliméricos.
Cinética de nitração
Hidrocarbonetos aromáticos interagindo com uma mistura de sulfúrico eos ácidos nítricos são nitrados pelo mecanismo iônico. V. Markovnikov conseguiu caracterizar as especificidades dessa interação. O processo prossegue em várias etapas. Primeiro, forma-se o ácido nitrossulfúrico, que sofre dissociação em solução aquosa. Os íons nitrônio reagem com o tolueno, formando nitrotolueno como produto. Quando moléculas de água são adicionadas à mistura, o processo fica mais lento.
Em solventes de natureza orgânica - nitrometano, acetonitrila, sulfolano - a formação deste cátion permite aumentar a taxa de nitração.
O cátion nitrônio resultante é ligado ao núcleo do tolueno aromático, e um composto intermediário é formado. Em seguida, um próton é destacado, levando à formação de nitrotolueno.
Para uma descrição detalhada do processo em andamento, podemos considerar a formação de complexos "sigma" e "pi". A formação do complexo "sigma" é o estágio limitante da interação. A velocidade da reação estará diretamente relacionada à velocidade de adição do cátion nitrônio ao átomo de carbono no núcleo do composto aromático. A eliminação de um próton do tolueno é quase instantânea.
Apenas em algumas situações pode haver problemas de substituição associados a um efeito isótopo cinético primário significativo. Isso se deve à aceleração do processo inverso na presença de vários tipos de obstáculos.
Ao escolher ácido sulfúrico concentrado como catalisador e agente desaguador, observa-se uma mudança no equilíbrio do processo para a formação de produtos de reação.
Conclusão
Quando o tolueno é nitrado, forma-se o nitrotolueno, que é um produto valioso da indústria química. É esta substância que é um composto explosivo, portanto, está em demanda na detonação. Entre os problemas ambientais associados à sua produção industrial, destaca-se o uso de uma quantidade significativa de ácido sulfúrico concentrado.
Para lidar com esse problema, os químicos estão procurando maneiras de reduzir os resíduos de ácido sulfúrico gerados pelo processo de nitração. Por exemplo, o processo é realizado em baixas temperaturas, são usados meios facilmente regenerados. O ácido sulfúrico tem fortes propriedades oxidantes, o que afeta negativamente a corrosão dos metais e representa um perigo aumentado para os organismos vivos. Se todos os padrões de segurança forem observados, esses problemas podem ser resolvidos e compostos nitro de alta qualidade podem ser obtidos.
