მოდით ვისაუბროთ იმაზე, თუ როგორ ხდება ტოლუოლის ნიტრატირება. ასეთი ურთიერთქმედებით მიიღება დიდი რაოდენობით ნახევარფაბრიკატები, რომლებიც გამოიყენება ფეთქებადი ნივთიერებების, ფარმაცევტული საშუალებების წარმოებაში.
ნიტრაციის მნიშვნელობა
ბენზოლის წარმოებულები არომატული ნიტრონაერთების სახით იწარმოება თანამედროვე ქიმიურ ინდუსტრიაში. ნიტრობენზოლი შუალედური პროდუქტია ანილინის, პარფიუმერიის, ფარმაცევტული წარმოებაში. ეს არის შესანიშნავი გამხსნელი მრავალი ორგანული ნაერთებისთვის, მათ შორის ცელულოზის ნიტრიტისთვის, რომელიც ქმნის ჟელატინის მასას. ნავთობის მრეწველობაში მას იყენებენ როგორც საპოხი საწმენდად. ტოლუოლის ნიტრაცია იძლევა ბენზიდინს, ანილინს, ამინოსალიცილის მჟავას, ფენილენდიამინს.
ნიტრაციის მახასიათებელი
ნიტრაცია ხასიათდება ორგანული ნაერთის მოლეკულაში NO2 ჯგუფის შეყვანით. საწყისი ნივთიერებიდან გამომდინარე, ეს პროცესი მიმდინარეობს რადიკალური, ნუკლეოფილური, ელექტროფილური მექანიზმის მიხედვით. ნიტრონიუმის კათიონები, იონები და NO2 რადიკალები მოქმედებენ როგორც აქტიური ნაწილაკები. ტოლუოლის ნიტრაციის რეაქცია ეხება ჩანაცვლებას. სხვა ორგანული ნივთიერებებისთვისშესაძლებელია ჩანაცვლებითი ნიტრაცია, ასევე დამატება ორმაგი ბმის მეშვეობით.
ტოლუოლის ნიტრირება არომატულ ნახშირწყალბადის მოლეკულაში ხორციელდება ნიტრატირების ნარევის (გოგირდის და აზოტის მჟავების) გამოყენებით. კატალიზურ თვისებებს ავლენს გოგირდის მჟავა, რომელიც ამ პროცესში მოქმედებს როგორც წყლის გამწმენდი საშუალება.
პროცესის განტოლება
ტოლუოლის ნიტრაცია გულისხმობს წყალბადის ერთი ატომის ჩანაცვლებას ნიტრო ჯგუფით. როგორ გამოიყურება პროცესის დიაგრამა?
ტოლუოლის ნიტრაციის აღსაწერად, რეაქციის განტოლება შეიძლება წარმოდგენილი იყოს შემდეგნაირად:
ArH + HONO2+=Ar-NO2 +H2 O
ის საშუალებას გვაძლევს ვიმსჯელოთ მხოლოდ ურთიერთქმედების ზოგადი კურსის შესახებ, მაგრამ არ ავლენს ამ პროცესის ყველა მახასიათებელს. რაც რეალურად ხდება არის რეაქცია არომატულ ნახშირწყალბადებსა და აზოტის მჟავას პროდუქტებს შორის.
იმის გათვალისწინებით, რომ პროდუქტებში არის წყლის მოლეკულები, ეს იწვევს აზოტის მჟავას კონცენტრაციის შემცირებას, ამიტომ ტოლუოლის ნიტრაცია შენელდება. ამ პრობლემის თავიდან ასაცილებლად, ეს პროცესი ტარდება დაბალ ტემპერატურაზე, აზოტის მჟავას ჭარბი გამოყენებით.
გარდა გოგირდის მჟავისა, ძმარმჟავას, პოლიფოსფორის მჟავებს, ბორის ტრიფტორიდს იყენებენ წყლის ამოღებად. ისინი შესაძლებელს ხდიან აზოტის მჟავას მოხმარების შემცირებას, ურთიერთქმედების ეფექტურობის გაზრდას.
პროცესის ნიუანსი
ტოლუოლის ნიტრაცია აღწერილია მეცხრამეტე საუკუნის ბოლოს ვ.მარკოვნიკოვი. მან მოახერხა კავშირის დამყარება რეაქციულ ნარევში კონცენტრირებული გოგირდმჟავას არსებობასა და პროცესის სიჩქარეს შორის. ნიტროტოლუოლის თანამედროვე წარმოებაში გამოიყენება უწყლო აზოტის მჟავა, რომელიც მიღებულია ჭარბი რაოდენობით.
გარდა ამისა, ტოლუოლის სულფონაცია და ნიტრაცია ასოცირდება ბორის ფტორიდის ხელმისაწვდომი წყლის გამწმენდი კომპონენტის გამოყენებასთან. მისი დანერგვა რეაქციის პროცესში შესაძლებელს ხდის შემცირდეს მიღებული პროდუქტის ღირებულება, რაც ხელმისაწვდომს ხდის ტოლუოლის ნიტრაციას. მიმდინარე პროცესის განტოლება ზოგადი ფორმით წარმოდგენილია ქვემოთ:
ArH + HNO3 + BF3=Ar-NO2 + BF3 H2 O
ურთიერთქმედების დასრულების შემდეგ შეჰყავთ წყალი, რის გამოც ბორის ფტორიდის მონოჰიდრატი წარმოქმნის დიჰიდრატს. მას ახდენენ ვაკუუმში გამოხდით, შემდეგ უმატებენ კალციუმის ფტორს, რაც ნაერთს უბრუნებს პირვანდელ ფორმას.
ნიტრაციის სპეციფიკა
არის ამ პროცესის გარკვეული მახასიათებლები, რომლებიც დაკავშირებულია რეაგენტების, რეაქციის სუბსტრატის არჩევასთან. განვიხილოთ მათი ზოგიერთი ვარიანტი უფრო დეტალურად:
- 60-65% აზოტის მჟავა შერეული 96% გოგირდმჟავასთან;
- 98% აზოტის მჟავისა და კონცენტრირებული გოგირდმჟავას ნარევი შესაფერისია ოდნავ რეაქტიული ორგანული ნივთიერებებისთვის;
- კალიუმის ან ამონიუმის ნიტრატი კონცენტრირებული გოგირდის მჟავით არის შესანიშნავი არჩევანი პოლიმერული ნიტრონაერთების წარმოებისთვის.
ნიტრაციის კინეტიკა
არომირებული ნახშირწყალბადები, რომლებიც ურთიერთქმედებენ გოგირდის ნარევთან დააზოტის მჟავები ნიტრატირდება იონური მექანიზმით. ვ.მარკოვნიკოვმა მოახერხა ამ ურთიერთქმედების სპეციფიკის დახასიათება. პროცესი რამდენიმე ეტაპად მიმდინარეობს. ჯერ წარმოიქმნება ნიტროგოგირდმჟავა, რომელიც წყალხსნარში დისოციაციას განიცდის. ნიტრონიუმის იონები რეაგირებენ ტოლუოლთან და წარმოქმნიან ნიტროტოლუენს, როგორც პროდუქტს. როდესაც ნარევს წყლის მოლეკულები ემატება, პროცესი ნელდება.
ორგანული ბუნების გამხსნელებში - ნიტრომეთანი, აცეტონიტრილი, სულფოლანი - ამ კატიონის წარმოქმნა საშუალებას გაძლევთ გაზარდოთ ნიტრაციის სიჩქარე.
მიღებული ნიტრონიუმის კატიონი მიმაგრებულია არომატული ტოლუოლის ბირთვზე და წარმოიქმნება შუალედური ნაერთი. შემდეგ პროტონი იშლება, რაც იწვევს ნიტროტოლუენის წარმოქმნას.
მიმდინარე პროცესის დეტალური აღწერისთვის შეგვიძლია განვიხილოთ "სიგმა" და "პი" კომპლექსების ფორმირება. „სიგმას“კომპლექსის ფორმირება ურთიერთქმედების შემზღუდველი ეტაპია. რეაქციის სიჩქარე პირდაპირ იქნება დაკავშირებული არომატული ნაერთის ბირთვში ნახშირბადის ატომში ნიტრონიუმის კათიონის დამატების სიჩქარესთან. პროტონის ელიმინაცია ტოლუოლიდან თითქმის მყისიერია.
მხოლოდ ზოგიერთ სიტუაციაში შეიძლება არსებობდეს რაიმე ჩანაცვლების პრობლემა, რომელიც დაკავშირებულია მნიშვნელოვან პირველადი კინეტიკური იზოტოპის ეფექტთან. ეს გამოწვეულია საპირისპირო პროცესის დაჩქარებით სხვადასხვა სახის დაბრკოლებების არსებობისას.
კონცენტრირებული გოგირდმჟავას კატალიზატორად და წყალგამწმენდად არჩევისას შეინიშნება პროცესის წონასწორობის ცვლილება რეაქციის პროდუქტების წარმოქმნისკენ.
დასკვნა
როდესაც ტოლუენი ნიტრატირდება, წარმოიქმნება ნიტროტოლუენი, რომელიც ქიმიური მრეწველობის ღირებული პროდუქტია. სწორედ ეს ნივთიერებაა ფეთქებადი ნაერთი, ამიტომ მოთხოვნადია აფეთქებაში. მის ინდუსტრიულ წარმოებასთან დაკავშირებულ ეკოლოგიურ პრობლემებს შორის აღვნიშნავთ კონცენტრირებული გოგირდმჟავას მნიშვნელოვანი რაოდენობით გამოყენებას.
ამ პრობლემის მოსაგვარებლად, ქიმიკოსები ეძებენ გზებს, რათა შეამცირონ გოგირდმჟავას ნარჩენები, რომლებიც წარმოიქმნება ნიტრაციის პროცესიდან. მაგალითად, პროცესი ტარდება დაბალ ტემპერატურაზე, გამოიყენება ადვილად რეგენერირებული საშუალებები. გოგირდის მჟავას აქვს ძლიერი ჟანგვის თვისებები, რაც უარყოფითად მოქმედებს ლითონების კოროზიაზე და უქმნის გაზრდილ საფრთხეს ცოცხალ ორგანიზმებს. თუ უსაფრთხოების ყველა სტანდარტი დაცულია, ამ პრობლემების მოგვარება და მაღალი ხარისხის ნიტრო ნაერთების მიღება შესაძლებელია.
