Уравнение нитрования бензола и толуола

Поговорим о том, как осуществляется нитрование толуола. Получают подобным взаимодействием огромное количество полуфабрикатов, используемых в изготовлении взрывчатых веществ, фармацевтических препаратов.

Видео:НИТРОВАНИЕ БЕНЗОЛА, ТОЛУОЛА, БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫСкачать

Значимость нитрования

Производные бензола в виде ароматических нитросоединений выпускаются в современной химической промышленности. Нитробензол является полупродуктом в анилинокрасочном, парфюмерном, фармацевтическом производстве. Он является отличным растворителем для многих органических соединений, включая и нитрит целлюлозы, формируя с ним желатинообразную массу. В нефтяной промышленности его применяют в качестве очистителя для смазочных масел. При нитровании толуола получают бензидин, анилин, аминосалициловую кислоту, фенилендиамин.

Видео:Нитрование разных производных бензола. Химический опытСкачать

Характеристика нитрования

Нитрование характеризуется вводом группы NO2 в молекулу органического соединения. В зависимости от исходного вещества протекает данный процесс по радикальному, нуклеофильному, электрофильному механизму. В качестве активных частиц выступают катионы нитрония, ионы и радикалы NO2. Реакция нитрования толуола относится к замещению. Для других органических веществ возможно заместительное нитрование, а также присоединение по двойной связи.

Нитрование толуола в молекуле ароматического углеводорода осуществляется с помощью нитрующей смеси (серной и азотной кислот). Каталитические свойства проявляет серная кислота, выступающая в данном процессе в качестве водотнимающего средства.

Видео:Нитрование бензолаСкачать

Уравнение процесса

Нитрование толуола предполагает замещение одного водородного атома нитрогруппой. Как выглядит схема протекающего процесса?

Для того чтобы описать нитрование толуола, уравнение реакции можно представить в следующем виде:

ArH + HONO2+ = Ar-NO2 +H2 O

Оно позволяет судить только об общем ходе взаимодействия, но не раскрывает всех особенностей данного процесса. На самом деле происходит реакция между ароматическими углеводородами и продуктами азотной кислоты.

Учитывая, что в продуктах есть молекулы воды, это приводит к снижению концентрации азотной кислоты, поэтому нитрование толуола замедляется. Для того чтобы избежать подобной проблемы, осуществляют данный процесс при невысоких температурах, используя азотную кислоту в избыточном количестве.

Помимо серной кислоты, в качестве водоотнимающих средств применяют уксусный ангидрид, полифосфорные кислоты, трехфтористый бор. Они дают возможность снизать расход азотной кислоты, повышают эффективность взаимодействия.

Видео:6.1. Ароматические углеводороды (бензол и его гомологи): Строение, номенклатура, изомерияСкачать

Нюансы процесса

Нитрование толуола было описано в конце девятнадцатого века В. Марковниковым. Ему удалось установить связь между присутствием в реакционной смеси концентрированной серной кислоты и скоростью протекания процесса. В современном производстве нитротолуола применяют безводную азотную кислоту, взятую в некотором избытке.

Кроме того, сульфирование и нитрование толуола связано с использованием доступного водоотнимающего компонента фторида бора. Его введение в реакционный процесс позволяет снижать стоимость получаемого продукта, что делает доступным нитрование толуола. Уравнение протекающего процесса в общем виде представлено ниже:

ArH + HNO3 + BF3= Ar-NO2 + BF3 ·H2 O

После завершения взаимодействия вводят воду, благодаря чему моногидрат фторида бора образует дигидрат. Его отгоняют в вакууме, затем добавляют фтористый кальций, возвращая соединение в исходный вид.

Видео:Бензол. Механизм реакции электрофильного замещения. Нитрование бензола.Скачать

Специфика нитрования

Есть некоторые особенности данного процесса, связанные с выбором реагентов, субстракта реакции. Рассмотрим некоторые их варианты подробнее:

• 60-65 процентная азотная кислота в смеси с 96 процентной серной кислотой;
• смесь 98 % азотной кислоты и концентрированной серной кислот подходит для мало реакционных органических веществ;
• нитрат калия или аммония с концентрированной серной кислотой — это отличный выбор для производства полимерных нитросоединений.

Видео:Химические свойства бензола и его гомологов. 1 часть. 11 класс.Скачать

Кинетика нитрования

Ароматические углеводороды, взаимодействующие со смесью серной и азотной кислот, нитруются по ионному механизму. В. Марковникову удалось охарактеризовать специфику данного взаимодействия. Процесс протекает в несколько стадий. Сначала образуется нитросерная кислота, которая подвергается диссоциации в водном растворе. Ионы нитрония вступают во взаимодействие с толуолом, образуя в качестве продукта нитротолуол. При добавлении в смесь молекул воды происходит замедление процесса.

В растворителях с органической природой — нитрометане, ацетонитриле, сульфолане — образование этого катиона позволяет увеличивать скорость нитрования.

Полученный катион нитрония прикрепляется к ядру ароматического толуола, при этом образуется промежуточное соединение. Далее происходит отрыв протона, приводящий к формированию нитротолуола.

Для детального описания происходящего процесса можно рассмотреть образование «сигма» и «пи» комплексов. Образование «сигма» комплекса является лимитирующей стадией взаимодействия. Скорость реакции будет напрямую связана с быстротой присоединения катиона нитрония к атому углерода в ядре ароматического соединения. Отщепление протона от толуола осуществляется практически мгновенно.

Только в некоторых ситуациях могут возникать какие-то проблемы с замещением, связанные с существенным первичным кинетическим изотопным эффектом. Это связано с ускорением обратного процесса при наличии препятствий разного вида.

При выборе в качестве катализатора и водоотнимающего средства концентрированной серной кислоты наблюдается смещение равновесия процесса в сторону образования продуктов реакции.

Видео:Получение бензола и его гомологов. 1 часть. 11 класс.Скачать

Заключение

При нитровании толуола образуется нитротолуол, который является является ценным продуктом химической промышленности. Именно это вещество является взрывчатым соединением, поэтому востребовано на взрывных работах. Среди экологических проблем, связанных с его промышленным изготовлением, отметим использование существенного количества концентрированной серной кислоты.

Для того чтобы справиться с такой проблемой, химики ищут способы уменьшения сернокислотных отходов, получаемых после проведения процесса нитрования. Например, процесс осуществляют при пониженных температурах, применяют легко регенерируемые среды. Серная кислота обладает сильными окислительными свойствами, что негативно отражается на коррозии металлов, представляет повышенную опасность для живых организмов. При соблюдении всех норм безопасности можно справиться с этими проблемами, получать нитросоединения высокого качества.

Видео:НитрированиеСкачать

1. Напишите уравнения реакций: а) нитрования толуола; б) горения бензола в кислороде; в) получение бензола из циклогексана. Укажите условия протекания реакций а и в.

Видео:6.3. Ароматические углеводороды (бензол и его гомологи): Химические свойства. ЕГЭ по химииСкачать

1. Напишите уравнения реакций: а) нитрования толуола; б) горения бензола в кислороде; в) получение бензола из циклогексана. Укажите условия протекания реакций а и в.

Решебник по химии за 10 класс (А.М.Радецкий, 1999 год),
задача №1
к главе «Тема IV. Ароматические углеводороды (арены). Работа 1 Номенклатура, изомерия и химические свойства аренов. Вариант 4».

Выделите её мышкой и нажмите CTRL + ENTER

Большое спасибо всем, кто помогает делать сайт лучше! =)

Нажмите на значок глаза возле рекламного блока, и блоки станут менее заметны. Работает до перезагрузки страницы.

Видео:Получение БЕНЗОЛАСкачать

Химические свойства аренов

Арены (ароматические углеводороды) – это непредельные (ненасыщенные) циклические углеводороды, молекулы которых содержат устойчивые циклические группы атомов (бензольные ядра) с замкнутой системой сопряженных связей.

Общая формула: C_nH_2n–6 при n ≥ 6.

Видео:Бензол. Строение и свойства | Химия ЕГЭ для 10 класса | УмскулСкачать

Химические свойства аренов

Арены – непредельные углеводороды, молекулы которых содержат три двойных связи и цикл. Но из-за эффекта сопряжения свойства аренов отличаются от свойств других непредельных углеводородов.

Для ароматических углеводородов характерны реакции:

• присоединения,
• замещения,
• окисления (для гомологов бензола).

Ароматическая система бензола устойчива к действию окислителей. Однако гомологи бензола окисляются под действием перманганата калия и других окислителей.

Видео:Опыты по химии. Нитрование бензолаСкачать

1. Реакции присоединения

Бензол присоединяет хлор на свету и водород при нагревании в присутствии катализатора.

1.1. Гидрирование

Бензол присоединяет водород при нагревании и под давлением в присутствии металлических катализаторов (Ni, Pt и др.).

При гидрировании бензола образуется циклогексан:

При гидрировании гомологов образуются производные циклоалканы. При нагревании толуола с водородом под давлением и в присутствии катализатора образуется метилциклогексан:

1.2. Хлорирование аренов

Присоединение хлора к бензолу протекает по радикальному механизму при высокой температуре, под действием ультрафиолетового излучения.

При хлорировании бензола на свету образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (гексахлоран).

Гексахлоран – пестицид, использовался для борьбы с вредными насекомыми. В настоящее время использование гексахлорана запрещено.

Гомологи бензола не присоединяют хлор. Если гомолог бензола реагирует с хлором или бромом на свету или при высокой температуре (300°C), то происходит замещение атомов водорода в боковом алкильном заместителе, а не в ароматическом кольце.

Видео:Нитрование бензолаСкачать

2. Реакции замещения

2.1. Галогенирование

Бензол и его гомологи вступают в реакции замещения с галогенами (хлор, бром) в присутствии катализаторов (AlCl₃, FeBr₃).

При взаимодействии с хлором на катализаторе AlCl₃ образуется хлорбензол:

Ароматические углеводороды взаимодействуют с бромом при нагревании и в присутствии катализатора – FeBr₃ . Также в качестве катализатора можно использовать металлическое железо.

Бром реагирует с железом с образованием бромида железа (III), который катализирует процесс бромирования бензола:

Мета-хлортолуол образуется в незначительном количестве.

При взаимодействии гомологов бензола с галогенами на свету или при высокой температуре (300 о С) происходит замещение водорода не в бензольном кольце, а в боковом углеводородном радикале.

Например, при хлорировании этилбензола:

2.2. Нитрование

Бензол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты (нитрующая смесь).

При этом образуется нитробензол:

Толуол реагирует с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты.

В продуктах реакции мы указываем либо о-нитротолуол:

Нитрование толуола может протекать и с замещением трех атомов водорода. При этом образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил, тол):

2.3. Алкилирование ароматических углеводородов

• Арены взаимодействуют с галогеналканами в присутствии катализаторов (AlCl_3, FeBr₃ и др.) с образованием гомологов бензола.

• Ароматические углеводороды взаимодействуют с алкенами в присутствии хлорида алюминия, бромида железа (III), фосфорной кислоты и др.

• Алкилирование спиртами протекает в присутствии концентрированной серной кислоты.

2.4. Сульфирование ароматических углеводородов

Бензол реагирует при нагревании с концентрированной серной кислотой или раствором SO₃ в серной кислоте (олеум) с образованием бензолсульфокислоты:

Видео:Бензол и толуолСкачать

3. Окисление аренов

Бензол устойчив к действию даже сильных окислителей. Но гомологи бензола окисляются под действием сильных окислителей. Бензол и его гомологи горят.

3.1. Полное окисление – горение

При горении бензола и его гомологов образуются углекислый газ и вода. Реакция горения аренов сопровождается выделением большого количества теплоты.

Уравнение сгорания аренов в общем виде:

При горении ароматических углеводородов в недостатке кислорода может образоваться угарный газ СО или сажа С.

Бензол и его гомологи горят на воздухе коптящим пламенем. Бензол и его гомологи образуют с воздухом и кислородом взрывоопасные смеси.

3.2. О кисление гомологов бензола

Гомологи бензола легко окисляются перманганатом и дихроматом калия в кислой или нейтральной среде при нагревании.

При этом происходит окисление всех связей у атома углерода, соседнего с бензольным кольцом, кроме связи этого атома углерода с бензольным кольцом.

Толуол окисляется перманганатом калия в серной кислоте с образованием бензойной кислоты:

Если окисление толуола идёт в нейтральном растворе при нагревании, то образуется соль бензойной кислоты – бензоат калия:

Таким образом, толуол обесцвечивает подкисленный раствор перманганата калия при нагревании.

Более длинные радикалы окисляются до бензойной кислоты и карбоновой кислоты:

При окислении пропилбензола образуются бензойная и уксусная кислоты:

Изопропилбензол окисляется перманганатом калия в кислой среде до бензойной кислоты и углекислого газа:

Видео:Химические свойства бензола и его гомологов. 2 часть. 11 класс.Скачать

4. Ориентирующее действие заместителей в бензольном кольце

Если в бензольном кольце имеются заместители, не только алкильные, но и содержащие другие атомы (гидроксил, аминогруппа, нитрогруппа и т.п.), то реакции замещения атомов водорода в ароматической системе протекают строго определенным образом, в соответствии с характером влияния заместителя на ароматическую π-систему.

Типы заместителей в бензольном кольце

В уравнении реакции в качестве продукта записывается либо орто-толуол, либо пара-толуол.

Видео:Химические реакции #БЕНЗОЛ химические свойства, реакции.Скачать

5. Особенности свойств стирола

Стирол (винилбензол, фенилэтилен) – это производное бензола, которое имеет в своем составе двойную связь в боковом заместителе.

Общая формула гомологического ряда стирола: C_nH_2n-8.

Стирол присоединяет водород, кислород, галогены, галогеноводороды и воду в соответствии с правилом Марковникова.

При полимеризации стирола образуется полистирол:

Как и алкены, стирол окисляется водным раствором перманганата калия при обычных условиях. Обесцвечивание водного раствора перманганата калия — качественная реакция на стирол:

При жестком окислении стирола перманганатом калия в кислой среде (серная кислота) разрывается двойная связь и образуется бензойная кислота и углекислый газ:

При окислении стирола перманганатом калия в нейтральной среде при нагревании также разрывается двойная связь и образуется соль бензойной кислоты и карбонат:

📺 Видео

6.2. Ароматические углеводороды (бензол и его гомологи): Способы получения. ЕГЭ по химииСкачать

Ароматические углеводороды. Бензол | Органическая химия ЕГЭ, ЦТСкачать

Синтез БЕНЗОЙНОЙ КИСЛОТЫ из ТОЛУОЛА. Реакция ПЕРМАНГАНАТА КАЛИЯ и ТОЛУОЛА. Опыты по химии дома.Скачать

Химия, 11-й класс, Химические свойства бензола. Толуол как гомолог бензолаСкачать