Reaction of nitro compounds-Phản ứng nitro hóa

Bài 1:Reaction of nitro compounds -Phản ứng nitro hóa

Nitro hóa là quá trình hóa học nhằm thay thế một hoặc nhiều nguyên tử Hydro của hợp chất hữu cơ bằng một hay nhiều nhóm thế Nitro(-NO₂)

I. Cơ chế phản ứng

I.1: Electropphilic Substitution( Cơ chế thế ái điện tử)

-Nitro hóa hợp chất thơm (Aromatic compounds)

-Tác nhân : hỗn hợp sulfo-nitric [1], tác nhân electrophile là -NO₂⁺    

-Phản ứng thực hiện ở pha lỏng, nhiệt độ thường không cao

-Cơ chế ái điện tử S_E
-Tác nhân -NO₂⁺ được tạo thành theo phương trình sau:

-Cơ chế thế ái điện tử( The electrophilic substitution mechanism)[2]

Stage one(Giai đoạn 1)

ion -NO₂⁺ tấn công vào nhân thơm theo cơ chế ái điện tử tạo phức sigma σ

Stage two(Giai đoạn 2)

-Vai trò:

H₂SO₄ là xúc tác tạo ion nitroni và tạo ra môi trường acid đủ mạnh để ngăn cản sự phân ly của acid nitric thành H⁺ và NO₃^- . Khi nồng độ H₂SO₄ giảm thì tốc độ phản ứng nitro hóa cũng giảm theo

    Ví dụ:

Khi nitro hóa benzen ở 25 độ C , nếu nồng độ acid sulfuric nhỏ hơn 80% thì phản ứng xảy ra không đáng kể. Nếu nồng độ acid sulfuric là 80-90% thì tốc độ phản ứng tăng lên 1000 lần.

I.2: Radical Substitution (Cơ chế thế gốc tự do)

-Nitro hóa Hydrocarbon no mạch thẳng

-Tác nhân acid HNO₃  
loãng( 30-40%)
-Phản ứng thực hiện ở thể khí
-Nhiệt độ cao (300-500 độ C)
-Nhược điểm: ngoài sản phẩm chính còn thu được hỗn hợp các sản phẩm oxy hóa, alcol, hydrocarbon khác...
-Cơ chế gốc tự do:

 II. Tác nhân nitro hóa

II.1: Acid nitric(HNO₃)

-Dạng tinh khiết  là chất lỏng trong, mùi hắc mạnh, sôi ở 85,3 độ C, d=1,502. Đun sôi hay để lâu ngoài ánh sáng bị phân hủy:

4 HNO₃ → 2 H₂O + 4 NO₂ + O₂.

-Công nghiệp hay dùng nồng độ: 65-68% , 95% (bốc khói).

-Nồng độ cao đựng trong bình thủy tinh sành hoặc Nhôm, tránh ánh sáng

-Nồng độ thấp đựng trong bình thủy tinh, sành, thép không gỉ, tránh ánh sáng

-Là tác nhân nitro hóa yếu vì bị pha loãng bởi nước tạo thành trong quá trình phản ứng.

- Có tính oxy hóa mạnh -> tạo nhiều tạp chất là sản phẩm oxy há Hydrocarbon

-Lượng acid nitric dùng cho phản ứng nitro hóa khoảng 1,5-2 lần so với lý thuyết

II.2: Hỗn hợp sulfo-nitric

-ưu điểm:
   +tính oxy hóa yếu hơn acid nitric , do đó ít tạo sản phẩm phụ hơn;
   +tạo tác nhân nitro hóa mạnh hơn
   +Tránh tạo thành dẫn chất polynitro
-tác nhân nitroni tạo thành theo phương trình:

-Tỷ lệ hỗn hợp H₂SO₄ : HNO₃ : H₂O phụ thuộc vào bản chất cuả chất được nitro hóa:
  + Các hợp chất thơm có khả năng phản ứng cao( phenol, phenol -ether) chỉ cần dùng dung dịch HNO₃ 40%.
  +Các hợp chất thơm có khả năng phản ứng trung bình( phần lớn nhóm thế loại 1, trừ dẫn xuất Halogen) thì để nitro hóa 1 mol, cần 1,5 mol HNO₃ 68% và 2,2 mol H₂SO₄
98%.
  +Các hợp chất thơm có khả năng phản ứng thấp( Các nhóm thế loại 2) thì để nitro hóa 1 mol cần 2,3 mol HNO₃ 95-100% và 2,6 mol H₂SO₄
98%.
-Công nghiệp thường pha sẵn :
  + HNO₃ 88% và H₂SO₄
95% và H₂O 2,5%

II.3: Muối nitrat và acid sulfuric

-Nitro hóa trong môi trường khan nước
-thường được sử dụng để điều chế các dẫn chất polynitro:

- Ví dụ trong tổng hợp TNT:

    +Hỗn hợp acid : HNO₃ 99%/ CH₃Cl +  H₂SO₄  99%

trong đó : HNO₃ được tạo ra bàng phản ứng giữa KNO₃ or NaNO₃ với H₂SO₄ ở 0 độ C. 

     +Xem tài liệu sau( trang 5): TNT synthesis

II.4:Acylnitrat (AcONO2)

-Là tác nhân nitro hóa mạnh

-Dùng để nitro hóa các chất dễ bị phân hủy bởi nước hoặc acid vô cơ

-Sản phẩm phụ của phản ứng là Acid acetic

  Khi dùng tác nhân bày nitro hóa các amine thơm, đồng thời quá trình nitro hóa nhóm amine thơm cũng được bảo vệ:

III.Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng

III.1:Ảnh hưởng của nhiệt độ

-Nitro hóa là quá trình tỏa nhiệt mạnh.Bao gồm cả lượng nhiệt phản ứng và nhiệt tạo ra bởi sự pha loãng acid sulfuric bằng nước tạo ra trong quá trình phản ứng.

-Tốc độ và hiệu suất của phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ

-Nhiệt độ tối ưu của phản ứng phụ thuộc vào bản chất các chất được nitro hóa(-10 độ C-> 500 độ C)

 + Hydrocarbon mạch thẳng: 170 đọ C-500 độ C, cơ chế gố tụ do

 +Hydrocarbon thơm : -10 tới 170 độ C, nhiệt độ cao sinh ra nhiều tạp chất do phản ứng oxy hóa.

III.2:Tác dụng của khuấy trộn

-Nitro hóa thường là phản ứng dị pha: Pha hữu cơ( chất cần nitro hóa) và pha acid(tác nhân nitro hóa). Do đó cần phải khuấy trộn manhj để tăng tiếp xúc và tránh quá nhiệt cục bộ.

III.Ảnh hưởng của nước

-Trong quá trình nitro hóa, nước được tạo ra làm giảm bớt nồng độ của acid sulfuric.

Phản ứng đạt tới cân bằng khi nồng độ acid giảm tới một giới hạn nào đó.

Mỗi chất khác nhau có giá trị khác nhau, gọi là dung lượng khử nước của chất đó. 

Do đó cần tính toán lượng acid sulfuric cần dùng để pha hỗn hợp sulfo-nitric thông qua dung lượng khử nước của chất đó.

B.Tài liệu tham khảo(References)

1.Acid sulfuric

 (http://p.pw/badBy0 and http://p.pw/badBy2)

2.Electrophilic substitution mechanism

http://p.pw/badBy3

Hướng dẫn Download  Nhấn skipAd ở góc bên phải nếu có Hãy nhấn like nếu bài viết có ích với bạn! Chú ý pass unlock và zipfile (nếu có): chemistry forum  ) Nguồn bài viết:http://forum-chemistry.blogspot.com/

 Nếu bạn thấy thích website Chemistry and Creativity  thì đừng ngại click nút "Like" Fanpage hoặc "Follow" trên Google Plus nhé ! Bạn sẽ nhận được thông báo về rất nhiều tài liệu, ebook, giáo trình, video bài giảng của các thầy cô giáo nổi tiếng trên khắp cả nước . Chúc mọi người luôn thành công trong cuộc sống.