Hablemos de cómo se nitra el tolueno. Una gran cantidad de productos semiacabados utilizados en la fabricación de explosivos y productos farmacéuticos se obtiene mediante dicha interacción.
Importancia de la nitración
Los derivados del benceno en forma de nitrocompuestos aromáticos se producen en la industria química moderna. El nitrobenceno es un producto intermedio en la producción de anilina, perfumería y productos farmacéuticos. Es un excelente solvente para muchos compuestos orgánicos, incluido el nitrito de celulosa, formando con él una masa gelatinosa. En la industria del petróleo, se utiliza como limpiador de lubricantes. La nitración del tolueno da bencidina, anilina, ácido aminosalicílico, fenilendiamina.
Característica de nitración
La nitración se caracteriza por la introducción del grupo NO2 en la molécula de un compuesto orgánico. Dependiendo de la sustancia de partida, este proceso procede de acuerdo con un mecanismo radical, nucleofílico y electrofílico. Los cationes de nitronio, los iones y los radicales NO2 actúan como partículas activas. La reacción de nitración del tolueno se refiere a la sustitución. Para otras sustancias orgánicases posible la nitración por sustitución, así como la adición a través de un doble enlace.
La nitración del tolueno en una molécula de hidrocarburo aromático se lleva a cabo utilizando una mezcla nitrante (ácidos sulfúrico y nítrico). Las propiedades catalíticas son exhibidas por el ácido sulfúrico, que actúa como un agente de eliminación de agua en este proceso.
Ecuación de proceso
La nitración del tolueno implica la sustitución de un átomo de hidrógeno por un grupo nitro. ¿Qué aspecto tiene el diagrama de proceso?
Para describir la nitración del tolueno, la ecuación de reacción se puede representar de la siguiente manera:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Nos permite juzgar solo el curso general de la interacción, pero no revela todas las características de este proceso. Lo que realmente está sucediendo es una reacción entre los hidrocarburos aromáticos y los productos de ácido nítrico.
Dado que hay moléculas de agua en los productos, esto conduce a una disminución en la concentración de ácido nítrico, por lo que la nitración del tolueno se ralentiza. Para evitar este problema, este proceso se realiza a bajas temperaturas, utilizando ácido nítrico en exceso.
Además del ácido sulfúrico, el anhídrido acético, los ácidos polifosfóricos y el trifluoruro de boro se utilizan como agentes de eliminación de agua. Permiten reducir el consumo de ácido nítrico, aumentar la eficiencia de la interacción.
Matices del proceso
La nitración del tolueno fue descrita a finales del siglo XIX por V. Markovnikov. Logró establecer una conexión entre la presencia de ácido sulfúrico concentrado en la mezcla de reacción y la velocidad del proceso. En la producción moderna de nitrotolueno, se utiliza ácido nítrico anhidro, tomado en exceso.
Además, la sulfonación y la nitración del tolueno están asociadas con el uso de un componente de eliminación de agua disponible de fluoruro de boro. Su introducción en el proceso de reacción permite reducir el coste del producto resultante, lo que pone a disposición la nitración del tolueno. La ecuación del proceso actual en forma general se presenta a continuación:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Después de completar la interacción, se introduce agua, por lo que el monohidrato de fluoruro de boro forma un dihidrato. Se destila al vacío, luego se agrega fluoruro de calcio, devolviendo el compuesto a su forma original.
Específicos de la nitración
Hay algunas características de este proceso relacionadas con la elección de reactivos, sustrato de reacción. Considere algunas de sus opciones con más detalle:
- 60-65 % de ácido nítrico mezclado con 96 % de ácido sulfúrico;
- la mezcla de ácido nítrico al 98 % y ácido sulfúrico concentrado es adecuada para compuestos orgánicos ligeramente reactivos;
- El nitrato de potasio o amonio con ácido sulfúrico concentrado es una excelente opción para la producción de nitrocompuestos poliméricos.
Cinética de nitración
Hidrocarburos aromáticos interactuando con una mezcla de sulfúrico yLos ácidos nítricos son nitrados por el mecanismo iónico. V. Markovnikov logró caracterizar los detalles de esta interacción. El proceso se desarrolla en varias etapas. Primero, se forma ácido nitrosulfúrico, que se disocia en una solución acuosa. Los iones de nitronio reaccionan con el tolueno, formando nitrotolueno como producto. Cuando se agregan moléculas de agua a la mezcla, el proceso se ralentiza.
En disolventes de naturaleza orgánica - nitrometano, acetonitrilo, sulfolano - la formación de este catión permite aumentar la tasa de nitración.
El catión nitronio resultante se une al núcleo del tolueno aromático y se forma un compuesto intermedio. A continuación, se separa un protón, lo que da lugar a la formación de nitrotolueno.
Para una descripción detallada del proceso en curso, podemos considerar la formación de complejos "sigma" y "pi". La formación del complejo "sigma" es la etapa límite de la interacción. La velocidad de reacción estará directamente relacionada con la velocidad de adición del catión nitronio al átomo de carbono en el núcleo del compuesto aromático. La eliminación de un protón del tolueno es casi instantánea.
Solo en algunas situaciones puede haber problemas de sustitución asociados con un efecto isotópico cinético primario significativo. Esto se debe a la aceleración del proceso inverso en presencia de varios tipos de obstáculos.
Al elegir ácido sulfúrico concentrado como catalizador y agente deshidratante, se observa un cambio en el equilibrio del proceso hacia la formación de productos de reacción.
Conclusión
Cuando se nitra el tolueno, se forma nitrotolueno, que es un producto valioso de la industria química. Es esta sustancia la que es un compuesto explosivo, por lo tanto, tiene demanda en voladuras. Entre los problemas ambientales asociados a su producción industrial, destacamos el uso de una cantidad importante de ácido sulfúrico concentrado.
Para hacer frente a este problema, los químicos buscan formas de reducir los desechos de ácido sulfúrico generados por el proceso de nitración. Por ejemplo, el proceso se lleva a cabo a bajas temperaturas, se utilizan medios fácilmente regenerables. El ácido sulfúrico tiene fuertes propiedades oxidantes, lo que afecta negativamente la corrosión de los metales y representa un mayor peligro para los organismos vivos. Si se cumplen todas las normas de seguridad, estos problemas se pueden solucionar y se pueden obtener compuestos nitro de alta calidad.
