Parlons de la façon dont le toluène est nitré. Une énorme quantité de produits semi-finis utilisés dans la fabrication d'explosifs et de produits pharmaceutiques est obtenue par une telle interaction.
Importance de la nitration
Les dérivés du benzène sous forme de composés nitrés aromatiques sont produits dans l'industrie chimique moderne. Le nitrobenzène est un produit intermédiaire dans l'aniline, la parfumerie, la production pharmaceutique. C'est un excellent solvant pour de nombreux composés organiques, dont le nitrite de cellulose, formant avec lui une masse gélatineuse. Dans l'industrie pétrolière, il est utilisé comme nettoyant lubrifiant. La nitration du toluène donne la benzidine, l'aniline, l'acide aminosalicylique, la phénylènediamine.
Caractéristique de nitration
La nitration est caractérisée par l'introduction du groupe NO2 dans la molécule d'un composé organique. Selon la substance de départ, ce processus se déroule selon un mécanisme radicalaire, nucléophile, électrophile. Les cations nitronium, les ions et les radicaux NO2 agissent comme des particules actives. La réaction de nitration du toluène fait référence à la substitution. Pour les autres substances organiquesune nitration par substitution est possible, ainsi qu'une addition via une double liaison.
La nitration du toluène dans une molécule d'hydrocarbure aromatique est réalisée à l'aide d'un mélange nitrant (acides sulfurique et nitrique). Les propriétés catalytiques sont présentées par l'acide sulfurique, qui agit comme un agent d'élimination de l'eau dans ce processus.
Équation de processus
La nitration du toluène implique le remplacement d'un atome d'hydrogène par un groupe nitro. À quoi ressemble le diagramme de processus ?
Afin de décrire la nitration du toluène, l'équation de la réaction peut être représentée comme suit:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
Il nous permet de juger uniquement le cours général de l'interaction, mais ne révèle pas toutes les caractéristiques de ce processus. Ce qui se passe réellement est une réaction entre les hydrocarbures aromatiques et les produits d'acide nitrique.
Étant donné qu'il y a des molécules d'eau dans les produits, cela entraîne une diminution de la concentration d'acide nitrique, donc la nitration du toluène ralentit. Pour éviter ce problème, ce processus est effectué à basse température, en utilisant un excès d'acide nitrique.
En plus de l'acide sulfurique, l'anhydride acétique, les acides polyphosphoriques, le trifluorure de bore sont utilisés comme agents d'élimination de l'eau. Ils permettent de réduire la consommation d'acide nitrique, d'augmenter l'efficacité de l'interaction.
Nuances du processus
La nitration du toluène a été décrite à la fin du XIXe siècle par V. Markovnikov. Il a réussi à établir un lien entre la présence d'acide sulfurique concentré dans le mélange réactionnel et la vitesse du processus. Dans la production moderne de nitrotoluène, on utilise de l'acide nitrique anhydre, pris en excès.
De plus, la sulfonation et la nitration du toluène sont associées à l'utilisation d'un composant hydrofuge disponible du fluorure de bore. Son introduction dans le processus réactionnel permet de réduire le coût du produit obtenu, ce qui rend disponible la nitration du toluène. L'équation du processus actuel sous forme générale est présentée ci-dessous:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
Après la fin de l'interaction, de l'eau est introduite, grâce à quoi le monohydrate de fluorure de bore forme un dihydrate. Il est distillé sous vide, puis du fluorure de calcium est ajouté, ramenant le composé à sa forme d'origine.
Spécificités de la nitration
Ce processus présente certaines caractéristiques liées au choix des réactifs, du substrat de réaction. Considérez certaines de leurs options plus en détail:
- 60-65 % d'acide nitrique mélangé à 96 % d'acide sulfurique;
- le mélange d'acide nitrique à 98 % et d'acide sulfurique concentré convient aux matières organiques légèrement réactives;
- Le nitrate de potassium ou d'ammonium avec de l'acide sulfurique concentré est un excellent choix pour la production de composés nitrés polymères.
Cinétique de la nitration
Hydrocarbures aromatiques interagissant avec un mélange d'acide sulfurique etles acides nitriques sont nitrés par le mécanisme ionique. V. Markovnikov a réussi à caractériser les spécificités de cette interaction. Le processus se déroule en plusieurs étapes. Tout d'abord, l'acide nitrosulfurique se forme, qui subit une dissociation dans une solution aqueuse. Les ions nitronium réagissent avec le toluène, formant du nitrotoluène comme produit. Lorsque des molécules d'eau sont ajoutées au mélange, le processus ralentit.
Dans les solvants à caractère organique - nitrométhane, acétonitrile, sulfolane - la formation de ce cation permet d'augmenter le taux de nitration.
Le cation nitronium résultant est attaché au noyau du toluène aromatique, et un composé intermédiaire est formé. Ensuite, un proton se détache, entraînant la formation de nitrotoluène.
Pour une description détaillée du processus en cours, on peut considérer la formation de complexes "sigma" et "pi". La formation du complexe « sigma » est l'étape limite de l'interaction. La vitesse de réaction sera directement liée à la vitesse d'addition du cation nitronium à l'atome de carbone dans le noyau du composé aromatique. L'élimination d'un proton du toluène est quasi instantanée.
Ce n'est que dans certaines situations qu'il peut y avoir des problèmes de substitution associés à un effet isotopique cinétique primaire significatif. Cela est dû à l'accélération du processus inverse en présence de divers types d'obstacles.
Lors du choix de l'acide sulfurique concentré comme catalyseur et agent de déshydratation, on observe un déplacement de l'équilibre du procédé vers la formation de produits de réaction.
Conclusion
Lorsque le toluène est nitré, il se forme du nitrotoluène, qui est un produit précieux de l'industrie chimique. C'est cette substance qui est un composé explosif, elle est donc demandée dans le dynamitage. Parmi les problèmes environnementaux liés à sa production industrielle, on note l'utilisation d'une quantité importante d'acide sulfurique concentré.
Pour faire face à ce problème, les chimistes recherchent des moyens de réduire les déchets d'acide sulfurique générés par le processus de nitration. Par exemple, le procédé est réalisé à basse température, des milieux facilement régénérables sont utilisés. L'acide sulfurique a de fortes propriétés oxydantes, ce qui affecte négativement la corrosion des métaux et présente un danger accru pour les organismes vivants. Si toutes les normes de sécurité sont respectées, ces problèmes peuvent être résolus et des composés nitrés de haute qualité peuvent être obtenus.
