בואו נדבר על איך טולואן מחונק. כמות עצומה של מוצרים מוגמרים למחצה המשמשים לייצור חומרי נפץ, תרופות מתקבלת על ידי אינטראקציה כזו.
חשיבות הניטרציה
נגזרות בנזן בצורה של תרכובות ניטרו ארומטיות מיוצרות בתעשייה הכימית המודרנית. Nitrobenzene הוא מוצר ביניים בייצור אנילין, בישום, תרופות. זהו ממס מצוין לתרכובות אורגניות רבות, כולל ניטריט תאית, היוצר עימו מסה ג'לטינית. בתעשיית הנפט, הוא משמש כמנקה חומר סיכה. ניטרציה של טולואן נותנת בנזידין, אנילין, חומצה אמינוסליצילית, פנילדיאמין.
מאפיין ניטרציה
ניטרציה מאופיינת בהחדרת קבוצת NO2 למולקולה של תרכובת אורגנית. בהתאם לחומר המוצא, תהליך זה ממשיך לפי מנגנון רדיקלי, נוקלאופילי, אלקטרופילי. קטיוני ניטרוניום, יונים ורדיקלי NO2 פועלים כחלקיקים פעילים. תגובת הניטרציה של טולואן מתייחסת להחלפה. עבור חומרים אורגניים אחריםחנקה תחליפית אפשרית, כמו גם הוספה באמצעות קשר כפול.
ניטרציה של טולואן במולקולת פחמימנים ארומטית מתבצעת באמצעות תערובת חנקה (חומצות גופרית וחנקתיות). תכונות קטליטיות מוצגות על ידי חומצה גופרתית, הפועלת כחומר מסיר מים בתהליך זה.
משוואת תהליך
ניטרציה של טולואן כוללת החלפה של אטום מימן אחד בקבוצת ניטרו. איך נראה דיאגרמת התהליך?
כדי לתאר את הניטרציה של טולואן, ניתן לייצג את משוואת התגובה באופן הבא:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
זה מאפשר לנו לשפוט רק את מהלך האינטראקציה הכללי, אבל לא חושף את כל התכונות של תהליך זה. מה שקורה בפועל הוא תגובה בין פחמימנים ארומטיים למוצרי חומצה חנקתית.
בהתחשב בעובדה שיש מולקולות מים במוצרים, הדבר מביא לירידה בריכוז החומצה החנקתית, ולכן הניטרציה של הטולואן מואטת. כדי למנוע בעיה זו, תהליך זה מתבצע בטמפרטורות נמוכות, תוך שימוש בעודף של חומצה חנקתית.
בנוסף לחומצה גופרתית, אנהידריד אצטית, חומצות פולי-פוספוריות, טריפלואור בורון משמשים כחומרים להסרת מים. הם מאפשרים להפחית את צריכת חומצה חנקתית, להגביר את יעילות האינטראקציה.
ניואנסים של התהליך
ניטרציה של טולואן תוארה בסוף המאה התשע-עשרה על ידי V.מרקובניקוב. הוא הצליח לבסס קשר בין נוכחות חומצה גופרתית מרוכזת בתערובת התגובה לבין קצב התהליך. בייצור מודרני של ניטרוטולואן, משתמשים בחומצה חנקתית מימית, הנלקחת בעודף מסוים.
בנוסף, הסולפפון והניטרציה של טולואן קשורים לשימוש ברכיב זמין מסיר מים של בורון פלואוריד. הכנסתו לתהליך התגובה מאפשרת להפחית את העלות של המוצר המתקבל, מה שהופך את הניטרציה של טולואן לזמינה. המשוואה של התהליך הנוכחי בצורה כללית מוצגת להלן:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
לאחר השלמת האינטראקציה, מוכנסים מים, שבגללם מונוהידראט בורון פלואוריד יוצר דו-הידראט. הוא מזוקק בוואקום, ואז מוסיפים סידן פלואוריד, ומחזיר את התרכובת לצורתה המקורית.
פרטי ניטרציה
יש כמה תכונות של תהליך זה הקשורות לבחירת ריאגנטים, מצע תגובה. שקול כמה מהאפשרויות שלהם ביתר פירוט:
- 60-65% חומצה חנקתית מעורבת עם חומצה גופרתית 96%;
- תערובת של חומצה חנקתית 98% וחומצה גופרתית מרוכזת מתאימה לחומרים אורגניים מעט מגיבים;
- אשלגן או אמוניום חנקתי עם חומצה גופרתית מרוכזת היא בחירה מצוינת לייצור תרכובות ניטרו פולימריות.
קינטיקת ניטרציה
פחמימנים ארומטיים באינטראקציה עם תערובת של גופרית וחומצות חנקתיות נחנקות על ידי המנגנון היוני. V. Markovnikov הצליח לאפיין את הפרטים של אינטראקציה זו. התהליך מתנהל במספר שלבים. ראשית נוצרת חומצה ניטרוסולפורית, שעוברת דיסוציאציה בתמיסה מימית. יוני ניטרוניום מגיבים עם טולואן ויוצרים ניטרוטולואן כתוצר. כאשר מוסיפים מולקולות מים לתערובת, התהליך מאט.
בממסים בעלי אופי אורגני - ניטרומתאן, אצטוניטריל, סולפולן - היווצרות קטיון זה מאפשרת להגביר את קצב הניטרציה.
קטיון ניטרוניום שנוצר מחובר לליבה של טולואן ארומטי, ונוצר תרכובת ביניים. לאחר מכן, פרוטון מנותק, מה שמוביל ליצירת ניטרוטולואן.
לתיאור מפורט של התהליך המתמשך, נוכל לשקול את היווצרותם של מתחמי "סיגמה" ו-"פי". היווצרות קומפלקס ה"סיגמה" היא השלב המגביל של האינטראקציה. קצב התגובה יהיה קשור ישירות לקצב הוספה של קטיון ניטרוניום לאטום הפחמן בגרעין התרכובת הארומטית. סילוק פרוטון מטולואן הוא כמעט מיידי.
רק במצבים מסוימים יכולות להיות בעיות החלפה הקשורות לאפקט איזוטופ קינטי ראשוני משמעותי. זאת בשל האצת התהליך ההפוך בנוכחות סוגים שונים של מכשולים.
כאשר בוחרים בחומצה גופרתית מרוכזת כזרז וכחומר הסרת מים, נצפה שינוי בשיווי המשקל של התהליך לקראת יצירת תוצרי תגובה.
מסקנה
כאשר טולואן מחונק, נוצר ניטרוטולואן, שהוא תוצר יקר ערך של התעשייה הכימית. החומר הזה הוא תרכובת נפץ ולכן הוא מבוקש בפיצוץ. בין הבעיות הסביבתיות הקשורות לייצור התעשייתי שלה, אנו מציינים את השימוש בכמות משמעותית של חומצה גופרתית מרוכזת.
כדי להתמודד עם בעיה זו, כימאים מחפשים דרכים להפחית את פסולת החומצה הגופרתית הנוצרת מתהליך הניטרציה. לדוגמה, התהליך מתבצע בטמפרטורות נמוכות, נעשה שימוש במדיה המתחדשת בקלות. לחומצה גופרתית יש תכונות חמצון חזקות, המשפיעות לרעה על קורוזיה של מתכות ומהווה סכנה מוגברת לאורגניזמים חיים. אם כל תקני הבטיחות מתקיימים, ניתן להתמודד עם בעיות אלו ולהשיג תרכובות ניטרו באיכות גבוהה.
