Нитрование и нитрозирование

4. НИТРОВАНИЕ  и  НИТРОЗИРОВАНИЕ

    4.1.  Введение

    Нитрование – это реакция замещения одного или нескольких атомов водорода на нитрогруппу, NO₂. Так как наибольшее значение реакция нитрования имеет в случае соединений ароматического ряда, мы будем в первую очередь говорить о нитровании ароматических соединений. Таким образом, общее уравнение реакции нитрования может быть представлено как

    ArH + HNO₃ → ArNO₂ + H₂O

    Реакция нитрования, как и реакция сульфирования, является одной из важнейших в ароматическом ряде как с теоретической, так и с практической точки зрения. Во-первых, именно нитрование явилось тем процессом, который лег в основу современных представлений об электрофильном замещении в ароматическом ряду. В этом состоит теоретическое значение реакции нитрования. Что касается практической значимости этого процесса, то оно заключается в том, что получаемые в результате данной реакции ароматические нитросоединения являются исходными продуктами для синтеза ароматических аминов – важнейшей группы промежуточных продуктов, используемых в тонком органическом синтезе. Кроме того, некоторые ароматические соединения, содержащие нитрогруппы, проявляют ²полезную² биологическую активность и используются в качестве активных субстанций в производстве лекарственных препаратов. Слово ²полезная² взято в кавычки по той причине, что практически все нитросоединения достаточно токсичны для человека.

    4.2. Теоретические основы  нитрования

    Приведенное выше уравнение реакции нитрования является общим стехиометрическим описанием реакции и не дает представления о механизме процесса. На практике реакция ароматического нитрования проводится в различных условиях и с использованием различных нитрующих агентов.

    Наиболее  распространенным нитрующим агентом  является нитрующая смесь, представляющая собой смесь азотной кислоты, серной кислоты и воды. Нитрующую смесь готовят смешением азотной кислоты с концентрированной серной кислотой. Здесь следует учитывать, что азотная кислота производится промышленностью в двух концентрациях: 60-65% (разбавленная азотная кислота) и 98-100% (концентрированная или дымящая азотная кислота). Для приготовления нитрующей смеси может применяться также меланж, представляющий собой концентрированную азотную кислоту, содержащую 7.5-9.0% серной кислоты и до 4.5% воды. Такая смесь удобна для транспортирования, поскольку она не корродирует стальное оборудование. При нитровании нитрующей смесью обычно используется эквимолярное количество азотной кислоты по отношению к нитруемому соединению.

    Вторым  возможным вариантом проведения процесса нитрование является использование в качестве нитрующего агента разбавленной азотной кислоты с концентрацией 20-50%. В этом случае необходим избыток азотной кислоты (до 50%) и обязательным условием является наличие в реакционной массе оксидов азота.

    В качестве нитрующих агентов могут быть использованы и различные производные азотной кислоты. Наиболее часто применяется ацетилнитрат, представляющий собой смешанный ангидрид азотной и уксусной кислот. Его получают взаимодействием концентрированной азотной кислоты с уксусным ангидридом:

    (CH₃CO)₂O + HNO₃ → CH₃C(O)ONO₂ + CH₃COOH

    Следует помнить, что ацетилнитрат взрывоопасен и требует очень аккуратной работы.

    В любом случае, вне зависимости  от природы используемого нитрующего агента, реакция нитрования является необратимым процессом.

    При проведении процесса нитрования обязательно  необходимо учитывать тот факт, что  азотная кислота является сильным окислителем, причем окислительная способность азотной кислоты увеличивается по мере уменьшения концентрации раствора.

    Реакция нитрования является экзотермической: введение одной нитрогруппы сопровождается выделением 150 кДж тепла. Кроме того, выделяющаяся в ходе процесса вода приводит к разбавлению серной кислоты, что приводит к выделению дополнительного  количества тепла. В связи с этим при проведении процесса необходимо организовать интенсивный теплообмен.

    Нитрование  нитрующей смесью представляет собой типичный пример реакции электрофильного замещения. Активная частица, нитроний-катион, образуется в результате следующих равновесных процессов:

    

      

      

    Реакция нитрования ароматических соединений нитрующей смесью необратима и имеет второй порядок. Скорость реакции нитрования очень сильно зависит от температуры и концентрации серной кислоты. При повышении температуры скорость увеличивается, причем в значительной степени. Несоблюдение температурных условий процесса может привести к взрыву. Увеличение концентрации серной кислоты приводит к замедлению процесса.

    В стандартных условиях нитрования нитрующей  смесью процесс  является гетерофазным, так в реакционной среде присутствуют два слоя: органический и неорганический (кислотный). Таким образом, процесс протекает на границе раздела фаз и его скорость во многом определяется скоростью диффузии. Для большинства ароматических соединений установлено, что нитрование протекает в кислотном слое. Для увеличения диффузии органического вещества  в кислотный слой необходимо увеличение поверхности контакта фаз, т.е. требуется интенсивное перемешивание.

    Нитрование  разбавленной азотной  кислотой протекает по радикальному механизму. При разбавлении азотной кислоты концентрация нитроний-катиона быстро падает. Азотная кислота с концентрацией ниже 75% обладает нитрующим действием только в присутствии оксидов азота, которые образуются в результате частичного окисления нитруемого соединения или при добавлении в реакционную массу солей азотистой кислоты. Взаимодействие азотной и азотистой кислот приводит к диоксиду азота, который является свободным радикалом. Согласно одной из теорий именно диоксид азота в этом случае и является нитрующим агентом. По другой теории нитрующим агентом является монооксид азота, который приводит к образованию нитрозосоединения, которое в дальнейшем окисляется до нитросоединения.

    4.3.  Технология нитрования

    Нитрование  проводят в  стальных аппаратах -  нитраторах. Процесс может быть организован как периодическим, так и непрерывным способом. В зависимости от природы нитруемого соединения реакция проводится в интервале температур от 0^оС до 100^оС. Превышение оптимальной температуры приводит к усилению окислительного действия азотной кислоты, что, в свою очередь, может привести к ухудшению качества конечного продукта. Кроме того, превышение оптимальных температур может привести к резкому увеличению скорости реакции и созданию взрывоопасной ситуации из-за выделения большого количества тепла.

    Для отвода тепла аппараты снабжаются рубашками  и змеевиками. Эффективное перемешивание достигается за счет использования пропеллерных, турбинных или рамных мешалок, которые выбираются в зависимости от агрегатного состояния реагирующих веществ. Остановка мешалки в процессе нитрования очень опасна, так как при этом скорость реакции резко снижается, и в реакционной массе накапливается нитрующий агент. При повторном запуске мешалки скорость реакции может резко возрасти, что в конечном итоге может привести к взрыву. В целях безопасности при организации производства предусматривается возможность остановки всего процесса путем разбавления реакционной массы захоложенной серной кислотой.

    Обычно  при нитровании нитрующая смесь прибавляется к нитруемому соединению. Если нитруемое соединение является твердым, то в качестве растворителя используется серная кислота. После окончания нитрования проводится разделение органического и кислотного слоя. Нитропродукт выделяют из органического слоя после нейтрализации остатков кислоты и промывки водой. Для каждого конкретного продукта существует конкретный способ  выделения. Очистка целевых нитросоединений осуществляется классическими способами: перегонкой, перекристаллизацией или вымораживанием (в случае соединений с низкой температурой плавления).

    4.4. Нитрование бензола  и его гомологов

    Нитрование  бензола осуществляют с целью  получения двух продуктов: нитробензола и мета-динитробензола.

    При получении нитробензола используют нитрующую смесь, содержащую эквимолярное количество азотной кислоты. Так как нитробензол является крупнтоннажным продуктом, то производство организуется непрерывным способом. Химическая схема процесса может быть представлена следующим уравнением:

      
 
 

    Полученный продукт очищают перегонкой (т. кип. 209-211^оС), либо направляют на дальнейшую переработку без очистки. Нитробензол является исходным продуктом для получения анилина и метаниловой кислоты.

      
 

                                                                            анилин

      
 
 

                                                                                                метаниловая кислота

    Введение  второй нитрогруппы в бензольное кольцо происходит со скоростью в 10⁵-10⁷ раз меньшей, чем первой. Поэтому нитрование бензола на м-динитробензол проводят в намного более жестких условиях, чем при получении нитробензола. В данном случае нитросмесь состоит только из азотной кислоты (33%) и серной кислоты (67%), а температурный режим процесса предполагает постепенное повышение температуры от 10^оС до 80-90^оС. Образующийся м-динитробензол выделяют в виде осадка после охлаждения реакционной массы. Это соединение обладает достаточно сильными токсическими свойствами. Оно применяется для получения м-фенилендиамина и м-нитроанилина.

      
 
 

                                                                               м-динитробензол

      
 
 
 

                          м-фенилендиамин                      м-нитроанилин 

    В молекуле толуола присутствует электронодонорная  метильная группа (+I-эффект). Поэтому нитрование этого соединения протекает легче, чем бензола. В качестве основных продуктов в данной реакции выделяют орто- (57-58%) и пара-нитротолуолы (38-39%). Однако наряду с ними образуется и очень ценный мета-нитротолуол. Разделение этих соединений основано на различии в их физико-химических характеристиках. Нитротолуолы подвергают далее восстановлению до соответствующих аминов (толуидинов), являющихся ценными исходными соединениями в промышленности тонкого органического синтеза. о-Нитротолуол и п-нитротолуол являются также исходными продуктами в синтезе о- и п-нитробензальдегидов. Исходя из п-нитротолуола получают 4,4’-диаминостильбен-2,2’-дисульфокислоту, являющуюся ценным продуктом в производстве красителей и оптических отбеливателей.

    

      
 
 

            

            о-нитробензальдегид                        п-нитробензальдегид

      
 
 
 

                                      диаминостильбендисульфокислота

    Дальнейшее  нитрование смеси нитротолуолов  позволяет получить смесь 2,4- и 2,6-динитротолуолов. Исходя из 2,4-динитротолуола получают 2,4-толуилен-диамин, который является важным продуктом в синтезе красителей и полимерных материалов.

    Исчерпывающее нитрование толуола приводит к 2,4,6-тринитролуолу.

    При нитровании м-ксилола образуется смесь 2,4- и 2,6-диметилнитробензолов

      
 
 
 

     Восстановление 2,6-диметилнитробензола приводит к 2,6-ксилидину, являющемуся исходным соединением в производстве лекарственного препарата лидокаин. Лидокаин является местным анестетиком. Его применяют при хирургических вмешательствах, в стоматологии, офтальмологии, бронхоскопии и т.д. Кроме того, лидокаин обладает аритмическим действием. 
 

      
 
 
 

                                                        2,6-ксилидин             лидокаин

     Нитрование  мезитилена протекает однозначно и  приводит к 2,4,6-триметилнитробензолу, который при восстановлении дает мезидин. 
 
 
 

                                                                                               мезидин

    4.5. Нитрование хлорбензола

    Атом  хлора, как известно, обладает отрицательным  индуктивным эффектом и положительным мезомерным эффектом, причем –I-эффект превышает +М-эффект. Таким образом, хлор является электроноакцептором и затрудняет протекание реакций электрофильного замещения. Поэтому нитрование хлорбензола протекает в 7-8 раз медленнее, чем нитрование бензола. Тем не менее  скорость реакции оказывается достаточно большой, и процесс организуют непрерывным способом с использованием каскада трех или четырех реакторов. Начинают нитрование при 20-40^оС (первый реактор), а заканчивают – при 70-80^оС (последний реактор). Из последнего реактора реакционная масса поступает в фазоразделитель, где происходит отделение отработанной кислоты (нижний слой) от органического слоя (верхний слой). Смесь нитрохлорбензолов промывают последовательно водой, раствором соды и снова водой, сушат в вакууме, а затем направляют на разделение, которое основано на различии в химических свойствах мононитрохлорбензолов.