Περιέχων άζωτον

Η νίτρωση είναι μια γενική χημική διαδικασία στην οργανική χημεία. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, η νίτρο ομάδα εισάγεται σε μια οργανική ένωση. Εδώ, μία ή περισσότερες νιτροομάδες παρουσιάζονται σε ένα αντιδρών μόριο που ονομάζεται υπόστρωμα.

Χρησιμοποιείται κατά λάθος σε διάφορες διεργασίες μεταξύ αλκοολών και νιτρικών οξέων για να σχηματίσει νιτρικούς εστέρες. Ως αποτέλεσμα, το άζωτο που υπάρχει σε αυτές τις νιτροενώσεις συνδέεται απευθείας με ένα μη οξυγονωμένο άτομο. Αντίθετα, το άζωτο που υπάρχει στους νιτρικούς εστέρες συνδέεται με ένα οξυγονωμένο άτομο.

Η διαδικασία της νίτρωσης έχει πολλές βιομηχανικές εφαρμογές. Το πιο σημαντικό είναι ότι χρησιμοποιείται για την παραγωγή νιτρο-αρωματικών ενώσεων (νιτροβενζόλιο). Αυτά χρησιμοποιούνται επίσης για την κατασκευή εκρηκτικών. Για παράδειγμα, η γλυκερίνη μπορεί να μετατραπεί σε νιτρογλυκερίνη χρησιμοποιώντας νιτρικό οξύ στη διαδικασία.

Εφαρμογές νιτρικών ενώσεων

Οι νιτρικές ενώσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή των εξής:

• Διαλύτες
• Εκρηκτικά
• Βαφές
• Φαρμακευτικά προϊόντα
• Ενώσεις όπως οι αμίνες

Παράγοντες νιτροποίησης

Για να δημιουργήσετε ένα εξαιρετικό σύστημα νιτροποίησης, είναι απαραίτητη η κατανόηση των παραγόντων νιτροποίησης. Οι ενώσεις που περιλαμβάνονται στη διαδικασία νίτρωσης είναι οι εξής:

• Νιτρικό οξύ, δηλαδή HNO3 (ατμίζον, συμπυκνωμένο και υδατικό)
• Πεντοξείδιο του αζώτου, δηλαδή N2O5
• Τετροξείδιο του αζώτου, δηλαδή N2O4
• Μικτά οξέα (Μείγματα νιτρικού οξέος με θειικό οξύ, οξικό ανυδρίτη, φωσφορικό οξύ, χλωροφόρμιο και οξικό οξύ).

Αρωματική νίτρωση

Οι τυπικοί συνδυασμοί νίτρωσης χρησιμοποιούν ένα μείγμα πυκνού νιτρικού οξέος και θειικού οξέος για να ολοκληρώσουν τη διαδικασία. Το ιόν νιτρονίου (NO2+) που παράγεται σε αυτή τη διαδικασία είναι ενεργό στην αρωματική νίτρωση. Στην περίπτωση του τετραφθοροβορικού νιτρόνιου, είναι απομονωμένο και επηρεάζει τη νίτρωση. Εδώ, δεν χρειάζεται μικτά οξέα.

Εδώ, το θειικό οξύ λειτουργεί ως καταλύτης και απορροφητικό για το H2O. Ως εκ τούτου, είναι αδύνατο να το καταναλώσετε εδώ. Κατά τη νίτρωση του βενζολίου, η αντίδραση λαμβάνει χώρα σε θερμοκρασία που δεν υπερβαίνει τους 50 °C. Αυτό σχηματίζει τον αρωματικό δακτύλιο.

Η ακόλουθη εξίσωση αντιπροσωπεύει τη νίτρωση των αρωματικών ενώσεων:

ArH + HNO3 → NO2 + H2O

Το ιόν νιτρονίου είναι ένα ηλεκτρόφιλο αντιδραστήριο. Επομένως, υπάρχει μια ισχυρή πυκνότητα ηλεκτρονίων στο άτομο άνθρακα που υπάρχει στον αρωματικό δακτύλιο. Ανάλογα με την πυκνότητα, οι νιτροομάδες μπορούν να προσκολληθούν σε διαφορετικές θέσεις.

Κινητική της αρωματικής νίτρωσης

Η κινητική της αντίδρασης αρωματικής νίτρωσης εξαρτάται από το αντιδρών μίγμα. Η αντίδραση νίτρωσης και ο μηχανισμός της με διαφορετικούς παράγοντες νιτροποίησης δίνονται παρακάτω.

Μικτά οξέα

Εδώ, σχηματίζεται ένα μείγμα θειικού οξέος και νιτρικού οξέος. Σε αυτό το σύστημα, περιλαμβάνονται ζωτικά στοιχεία (-I) και (-M). Είναι ένα είδος ετερογενούς αντίδρασης όπου μόνο τα υγρά αντιδρούν μεταξύ τους. Η διαδικασία αντίδρασης εδώ είναι αργή και σταθερή. Για παράδειγμα, νιτροβενζόλιο και βενζοϊκό αιθυλεστέρα.

Οργανικοί διαλύτες

Εδώ, το νιτρομεθάνιο ή το οξικό οξύ αναμιγνύεται με νιτρικό οξύ για να σχηματιστεί ένα μείγμα. Η κινητική αυτής της διαδικασίας εξαρτάται από τις ενώσεις που νιτρώνονται. Τα εξαρτήματα με ισχυρή ισχύ απενεργοποίησης νιτρώνονται ώστε να είναι ανάλογα με τη συγκέντρωση του υποστρώματος. Ωστόσο, τα πιο δραστικά συστατικά από το βενζόλιο αντιδρούν με την αναλογία ενός ανεξάρτητου υποστρώματος.

Υδατικό νιτρικό οξύ

Όταν το υπόστρωμα είναι πολύ αντιδραστικό, εμφανίζει κινητική μηδενικής τάξης. Ωστόσο, οι ενώσεις χαμηλής αντίδρασης εμφανίζουν κινητικές πρώτης τάξης.

Το νιτρώδες οξύ προκαλεί ανασταλτικά αποτελέσματα στις ενώσεις νίτρωσης χωρίς ομάδες ενεργοποίησης. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η αντίδραση διεξάγεται με ισχυρά οξέα ή μικτά οξέα. Οι ενώσεις νίτρωσης με μια αντιδραστική ομάδα έχουν καταλυτικό αποτέλεσμα. Ως εκ τούτου, αυτές οι ενώσεις μπορούν εύκολα να νιτρωθούν σε ένα ασθενές νιτρικό οξύ. Η οξυνίτρωση είναι η τελευταία διεργασία που περιλαμβάνεται στην κινητική της αντίδρασης. Εμφανίζεται μεταξύ βενζολίου και 50% νιτρικού οξέος (με 0,2 μοριακό νιτρικό υδράργυρο).

Nitration Ipso

Η Νίτρωση Ipso λαμβάνει χώρα όταν τα συστατικά όπως τα αρυλοχλωρίδια, τα τριφλικά και τα μη φουσκωμένα υφίστανται υποκατάσταση Ipso. Στο Ipso Nitration, το Y+ σχηματίζεται εύκολα και αλλάζει την πρόβλεψη διαφορετικών προϊόντων υποκατάστασης. Η αντίδραση Ipso Nitration γίνεται ευκολότερη καθώς το Y+ γίνεται πιο σταθερό. Το βενζόλιο αντιδρά με νιτρικό οξύ και νιτρικό υδράργυρο για να σχηματίσει πικρικό οξύ σε αυτή τη διαδικασία. Η ακόλουθη εξίσωση ευνοεί την ipso αντίδραση υποκατάστασης:

Υ+ =(CH3)2 C+H, (CH3)3C+

Εν ολίγοις, όταν δύο υποκαταστάτες μοιράζονται την ίδια θέση δακτυλίου σε μια ενδιάμεση ένωση, σχηματίζεται Νίτρωση Ipso. Μερικές φορές, αυτή η διαδικασία μπορεί επίσης να συμβεί σε μια ηλεκτρόφιλη αντικατάσταση αρωματικού δακτυλίου.

Ο προσανατολισμός του δακτυλίου βενζολίου (με έναν ή περισσότερους υποκαταστάτες) μπορεί να ανακαλυφθεί με επιτυχία με τους ακόλουθους τρόπους:

• Στην αρχή, τα ηλεκτρόφιλα επιτίθενται στους άνθρακες που φέρουν μεθύλιο (ορθο και παραδιμεθυλοβενζόλια). Εδώ, η δωρεά ηλεκτρονίων της ομάδας μεθυλίου ενεργοποιεί τον δακτύλιο σταθεροποιώντας το ενδιάμεσο ιόν.
• Στη συνέχεια, η αντικατάσταση του ipso άνθρακα γίνεται έμμεσα.
• Η νίτρο ομάδα αλλάζει τη θέση της και εξαλείφει ένα πρωτόνιο για τη διαδικασία αντικατάστασης.
• Καθώς η ipso υποκατάσταση συμβαίνει έμμεσα σε αυτήν την αντίδραση, η συνολική ποσότητα του τελικού προϊόντος δεν μπορεί να προβλεφθεί.

Αντικατάσταση Ipso και Ortho ή Para Ratio

Γενικά, παρουσία ορθο ή παρακατευθυντικών ομάδων, η ιδανική αναλογία προϊόντος υποκατάστασης τόσο θεωρητικά όσο και στατιστικά θα πρέπει να είναι 2:1. Αλλά, πρακτικά, είναι αδύνατο. Ως εκ τούτου, η αναλογία καθορίζεται με βάση διαφορετικούς παράγοντες όπως 

• Το στερικό αποτέλεσμα, 
• ηλεκτρονική επίδραση της αντικατάστασης, 
• επίδραση θερμοκρασίας και διαλύτη και
• αλληλεπίδραση μεταξύ υποκαταστάτη και ηλεκτρόφιλων. Για παράδειγμα, η αναλογία μειώνεται όταν αυξάνεται η στερική απώθηση μεταξύ του υποκαταστάτη και των ηλεκτροφίλων.

Συμπέρασμα 

Η Χημεία Νιτρώσεως μελετάται πολύ στις βιομηχανίες. Διαφορετικές μέθοδοι μπορούν να αναλάβουν τη νίτρωση των αρωματικών, όπως η ετερολυτική νίτρωση και η ριζική νίτρωση.

Γενικά, η διαδικασία της αρωματικής νίτρωσης είναι ηλεκτρόφιλη. Ωστόσο, οι νιτρο-αρωματικές ενώσεις χρησιμοποιούνται επίσης ως ουσιαστικά ενδιάμεσα στη σύνθεση πλαστικών, εντομοκτόνων, βαφών, εκρηκτικών και φαρμακευτικών προϊόντων. Επιπλέον, νιτρο-αλειφατικές ενώσεις χρησιμοποιούνται ως διαλύτες σε διάφορες οργανικές συνθέσεις.

Τα μείγματα νιτροποίησης συνδυασμών νιτρικού οξέος και θειικού οξέος είναι τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα. Ως εκ τούτου, στις μέρες μας, η νίτρωση διαφορετικών ενώσεων έχει γίνει θέμα ενδιαφέροντος σε διαφορετικές βιομηχανίες.