Получение нитробензола и его практическое применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Реферат

Получение нитробензола и его практическое применение

Содержание

1. Общие сведения о нитробензоле

2. Процесс получения нитробензола

3. Применение нитробензола

3.1 Анилин

3.2 Фенилгидроксиламин

3.3 Азоксибензол

3.4 Азобензол

3.5 Гидразобензол

Список использованных ресурсов

нитрование нитробензол анилин азобензол

1. Общие сведения о нитробензоле

Нитробензол С₆H₅NO₂ - жидкость жёлтого цвета с запахом горького миндаля (t_кип=210,9 ^oC; t_пл=5,7 ^oС; d₄²⁰=1,2). Слабо растворяется в воде, хорошо растворяется в эфире, спирте, бензоле и концентрированной азотной кислоте. В жидком виде нитробензол не обладает взрывчатыми свойствами; пары его при нагревании в закрытом сосуде могут разлагаться с большой скоростью.

Нитробензол, особенно при вдыхании паров, очень ядовит. Является исходным сырьем в производстве анилина, ароматических азотсодержащих соединений (например, бензидина, хинолина, азобензола); растворитель эфиров целлюлозы; компонент полировальных составов для металлов.

Рис. 1.1 Структурная формула нитробензола

2. Процесс получения нитробензола

Получение нитробензола является типичным процессом нитрования и для него характерны все технические аспекты это процесса. Производство может идти как по непрерывной схеме - для крупнотонажных производств (в нефтяной промышленности, анилинокрасочном производстве), так по периодической схеме - для малотоннажных (в фармацептической промышленности). Получают нитробензол нитрованием бензола при 65-70^oC , а так же при температуре 40-50^oC. Нитрующую смесь готовят из меланжа и купоросного масла. Практически важным преимуществом нитрующих смесей и меланжа перед азотной кислотой является низкая коррозионная активность по отношению к железу. Полученная нитрующая смесь имеет следующий состав (в %):

HNO₃ ……………….34

H₂SO₄…………..…54,5

H₂O………………11,5

При нитровании бензола нитрующей смесью могут протекать как параллельные, так и последовательные реакции.

К параллельным относятся реакции окисления бензола. Замечено, что протеканию реакций окисления способствует наличие в нитрующей смеси окислов азота. Возможно, что образование кислородсодержащих соединений протекает с промежуточным нитрозированием углеводорода:

С₆H₆ + 2NO₂ > C₆H₅NO + HNO₃ (2.1)

C₆H₅NO + 2NO > C₆H₅ -N=N-ONO₂ (2.2)

C₆H₅ -N=N-ONO₂ + H₂O > C₆H₅OH + HNO₃ + N₂ (2.3)

C₆H₅OH + HNO₃ > C₆H₄(OH)NO₂ + H₂O (2.4)

Образующийся по реакции (2.3) фенол нитруется со значительно большей скоростью, а потому в условиях нитрования бензола фенол даёт моно-, ди- и даже тринитрофенол. Поэтому нитрующая смесь, которую применяют для нитрования бензола, не должна содержать оксидов азота.

На протекание окислительных процессов в значительной мере влияет температура нитрования: повышение температуры ускоряет образование оксосоединений.

Из последовательных реакций в основном протекает образование динитробензола. Наличие динитробензола в нитробензоле (более 0,3%) создаёт опасность взрыва при дальнейшей переработке нитробезола в анилин парофазным способом; нежелательны примеси динитробензола и при других процессах переработки нитробензола (например, при получении бензидина).

Так, получение нитробензола является экзотермичной реакцией, как и большинство реакций нитрования. Тепловой эффект при введении нитрогруппы составляет 153 кДж/моль (36,6 ккал/моль). Кроме того, при нитровании выделяется вода, которая разбавляет серную кислоту. Этот процесс, как известно, также сопровождается выделением тепла.

Интенсивное выделение тепла во многом определяет технологию процесса нитрования бензола и его невозможно проводить без обеспечения охлаждения реакционной смеси.

В связи с тем, что реакция идет на поверхности раздела фаз - органической и кислотной, необходимо интенсивное перемешивание. Это необходимо для предотвращения накопления нитрующей смеси в высокой концентрации в месте ее подачи.

В отсутствие перемешивания может возникнуть местный перегрев, резкое повышение температуры и как следствие - выброс реакционной массы.

Температура реакции подбирается в зависимости от используемой нитрующей смеси. Обычно бензол нитруют при температуре - 40-50 ⁰С. Безопасный интервал температуры должен быть не менее 10-20 ⁰С. При выборе нижней границы безопасного температурного интервале необходимо учитывать то, что вначале при быстром добавлении нитрующей смеси, возможно быстрое повышение температуры. Поэтому скорость подачи нитрующего агента вначале должна строго регламентироваться.

При нитровании жидких веществ нитрующую смесь подают к бензолу, так как ее удельная плотность выше, а также для того, чтобы избежать перенитрования. Скорость загрузки регулируется автоматически в зависимости от температуры реакционной массы.

Об окончании реакции свидетельствует прекращение повышения либо снижение температуры реакционной массы после добавления всей нитрующей смеси. В ряде случаев для полноты прохождения реакции реакционную массу нагревают подачей пара в рубашку. Контроль осуществляют с помощью хроматографии (ТСХ или ГЖХ) - регистрируют отсутствие исходных продуктов. Отбор пробы осуществляют через пробоотборник.

Реакционную массу подают в сепаратор с рубашкой или без нее, органический слой нитросоединения отделяют. Отработанную кислоту сливают в сборник. Т.к. нитробензол частично растворим в ней, то проводят его экстракцию исходным жидким продуктом и экстракт направляют на нитрование.

Выделенные из реакционной массы нитросоединения содержат остаточные количества H₂SO₄ (HNO₃), не прореагировавшие исходные соединения, побочные продукты. Для их очистки используют следующие операции: промывают жидкие нитросоединения водой, содой, едким натром в делительной воронке с мешалкой, колонне с противотоком. Для очистки нитробензола от побочных продуктов могут использовать перегонку, перегонку в вакууме, перегонку с паром, перекристаллизацию из растворителя, промывку растворителем. Если примеси не мешают дальнейшему процессу переработки нитробензола или их отделяются на последующих стадиях, то очистку не применяют.

В отработанной кислоте содержится до 16% образовавшегося нитробензола, который экстрагируют бензолом. Фазу, содержащую бензол и нитробензол, возвращают через сборник в нитратор. Отработанную кислоту направляют для денитрации - удаления оксидов азота и оставшейся азотной кислоты. Ее нагревают до 110-120 ⁰С и затем продувают горячим воздухом.

3. Применение нитробензола

Наиболее важной реакцией ароматических нитросоединений является восстановление их до первичных аминов. Эта реакция была открыта в 1842 году Н.Н.Зининым, который впервые восстановил нитробензол до анилина действием сульфида аммония. В настоящее время для восстановления нитрогруппы в аренах до аминогруппы в промышленных условиях применяется каталитическое гидрирование. В качестве катализатора используют медь на силикагеле в качестве носителя. Катализатор готовят нанесением карбоната меди из суспензии в растворе силиката натрия и последующим восстановлением водородом при нагревании. Выход анилина над этим катализатором составляет 98 %.

Иногда в промышленном гидрировании нитробензола до анилина в качестве катализатора используют никель в комбинации с оксидами ванадия и алюминия. Такой катализатор эффективен в интервале 250-300° и легко регенерируется при окислении воздухом. Выход анилина и других аминов составляет 97-98 %. Восстановление нитросоединений до аминов может сопровождаться гидрированием бензольного кольца. По этой причине для получения ароматических аминов избегают использовать в качестве катализаторов платину, палладий или никель Ренея.

В промышленности анилин получают каталитическим восстановлением нитробензола на медном или никелевом катализаторе, который вытеснил старинный способ восстановления нитробензола чугунными стружками в водном растворе хлорного железа и соляной кислоты.

Высокая щелочность среды приводит к образованию азокси- и азосоединений в качестве побочных продуктов. Для того чтобы избежать этого в качестве восстановителя следует использовать гидросульфид натрия, где щелочь не образуется.

Рис 3.1 Восстановление нитробензола (некоторые реакции не включены)

3.1 Анилин

Анилин имеет большое промышленное значение. В прмышленности анилин получают несколькими путями. Один из них - каталитическое парофазное восстановление нитробензола. В качестве катализатора часто используют комплексное соединение меди, нанесенное на силикагель.

(3.1.1)

Существует несколько способов лабораторного восстановления ароматических нитросоединений в ароматические амины. Наиболее часто в качестве восстановителя применяют металл в присутствии кислоты, обычно олово или железо и соляную кислоту:

 (3.1.2), (3.1.3)

Для выделения амина реакционную смесь следует подщелочить, потому что исходная восстанавливающая смесь содержит кислоту и приводит к соли амина. Чтобы выделить амин из соли, ее надо обработать основанием, более сильным, чем амин.

(3.1.4)

Механизм восстановления ароматических нитросоединений сложен. Он представляет собой ряд стадий с двухэлектронным переносом. В кислой среде каждый из промежуточных продуктов быстро восстанавливается, так что конечным продуктом является анилин (в виде соли).

(3.1.5)

3.2 Фенилгидроксиламин

В нейтральных растворах восстановление ароматических нитросоединеий можно остановить на стадии гидроксиламина. Это происходит потому что металлы при pH около 7 - менее сиьные восстановители, чем те же металлы в кислой среде. Наиболее часто ароматические гидроксиламины получают восстановлением ароматических нитросоединений цинком в водном растворе хлорида аммония.

(3.2.1)

Ароматические гидроксиламины восстанавливаются в ароматические амины либо цинком в кислоте, либо путем каталитического гидрирования. Восстановление фенилгидроксиламина является типичным для ароматических гидроксиламинов.

(3.2.2)

3.3 Азоксибензол

Восстановление нитробензола в щелочных условиях может привести еще к трем продуктам, одним из которых является азоксибензол.

(3.3.1)

В лабораторных условиях азоксибензол получают восстановлением нитробензола оксидом мышьяка As2O3 в щелочной среде:

 (3.3.2)

Азоксибензол является биядерным соединением, т. е. содержит два кольца. Он образуется в результате присоединения между нитрозобензолом и фенилгидроксиламином, получающимися из нитробензола в условиях восстановления.

(3.3.3)

3.4 Азобензол

Восстановление нитробензола цинком в спиртовом растворе едкого натра дает азобензол.

(3.4.1)

3.5 Гидразобензол

Восстановление нитробензола гидразином H₂N - NH₂ в присутствии катализатора в щелочной среде приводит к гидразобензолу:

(3.5.1)

Список использованных ресурсов

Терней А. Современная органическая химия. В двух томах. Том 2 - М.: Мир, 1981 - 654 с.

Википедия. - http://ru.wikipedia.org/wiki

Размещено на Allbest.ru