1 .. 40 > .. >> Следующая
Неочищенный тротил можно применять только для изготовления взрывчатых смесей, предназначенных к быстрому употреблению, например для взрывных работ. Тротил же, идущий для снаряжения боеприпасов, которые подлежат длительному хранению, должен быть обязательно подвергнут очистке.
ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТРОТИЛА
Закономерности процесса нитрования
Нитрование толуола до мононитротолуола. При нитровании толуола до мононитротолуола получаются три изомера: орто-, пара- и мета, с преимущественным преобладанием орто-то-мера. .мета-Изомер образуется в относительно небольшом количестве, но так как при его дальнейшем нитровании получаются несимметричные трйнитротолуолы, то образование его нежелательно.
Основные работы по исследованию закономерностей реакции нитрования толуола до мононитротолуола были направлены главным образом на выявление условий наименьшего выхода лета-изомера. Когда непрерывные процессы нитрования стали доминирующими и назрел вопрос о рациональных конструкциях нитраторов, на"чалось изучение кинетики нитрования, в основном в гетеро-
Рис. 17. Растворимость толуола в серной кислоте различной концентрации при 55 °С.
65 70 75 80 85 90 Концентрация HzS047%
95
генной среде, что соответствует промышленным условиям. При этом исследовали растворимость толуола в серно-азотных кислотных смесях, распределение компонентов между слоями, влияние перемешивания и соотношения объемов органического и кислотного слоев на скорость реакции. Растворимость толуола в серной кислоте растет с повышением концентрации кислоты; до концентрации кислоты 80% растворимость толуола очень низка (рис. 17).
Скорость нитрования толуола в гетерогенных условиях резко зависит от интенсивности перемешивания и модуля ванны (отношение объемов минерального и органического слоев) (рис. 18).
Коэффициент распределения азотной кислоты между толуоль-ным и серно-кислотным слоями равен 0,066. Это-указывает на то, что азотная кислота при гетерогенном нитровании толуола лишь в незначительной степени переходит в органический слой и поэтому доля протекающей там реакции практически равна нулю.
Низкая растворимость толуола в серной кислоте умеренных концентраций, отсутствие перехода азотной кислоты в органический слой, а также резкая зависимость скорости реакции нитрования толуола от интенсивности перемешивания и объемной доли минерального слоя позволяют предположить, что реакция нитрования толуола в гетерогенных условиях протекает на поверхности раздела слоев. Скорость реакции в этом случае зависит от концентрации реагирующих компонентов^ на этой поверхности, которая в свою очередь определяется скоростью диффузии реагирующих компонентов из глубины слоя к поверхности раздела и скоростью отхода от нее продуктов реакции. Все это, а также состояние реагирующих компонентов зависит от температуры (рис. 19, с), концентрации кислотной смеси (рис. 19, б) и интенсивности перемешивания (рис. 18), причем скорость нитрования толуола в гетерогенных условиях ниже, чем в гомогенных (рис. 19,6).
Образование 5-6% л-нитротолуола при нитровании толуола в дальнейшем приводит к образованию 5-6% несимметричных тринитротолуолов, загрязняющих тротил. Температура затвердева-
Рис. 18. Влияние интенсивности перемешивания (а) и модуля ианны (6") на степень нитрования толуола.
ния тротила, содержащего несимметричные изомеры, снижается по следующей зависимости:
Г3 = (80,80 - 0.465С)
где С - содержание л-нитротолуола в исходном мононитротолуоле, %.
На изомерный состав мононитротолуола значительное влияние оказывает температура нитрования толуола (см. стр. 85). Исследование скорости нитрования толуола при 0 и 30 °С и определение изомерного состава позволило рассчитать в уравнении Аррениуса (см. стр. 54) коэффициент В для вступления нитрогруппы в различные положения относительно СН3-группы: В0 = 2,90 Вя, Вп = 2,70 Вм\ энергия активации для соответствующих положений равна: Е„ - Е0 = 3,83 кДж/(моль-°С), Е„ - ?„ = 4,61 кДж/(моль-°С). Из этих данных может быть сформулировано следующее правило" понижение температуры нитрования способствует увеличению выхода п-нитротолуола и уменьшению выхода о- и м-нитротолуолов.
Значительное влияние на выход л-нитротолуола оказывает фактор нитрующей активности кислотной смеси. Повышение Ф с 68 до 82% при нитровании толуола серно-азотными кислотными смесями при 55 °С снижает выход лета-изомера в 2,4 раза. На рис. 20 показано влияние температуры и фактора нитрующей активности кислотной смеси на выход л-нитротолуола.
Применение для нитрования толуола разбавленной азотной кислоты (70%-ной) приводит к образованию продуктов окисления, главным образом бензойной кислоты. Применение еще более разбавленной кислоты (32%-ной) при повышенной температуре (105 °С) вызывает нитрование боковой цепи, образуется фенил-нитрометан, который получается также и при нитровании толуола двуокисью азота.
-l-I-а,; ,„i, I_I I-1_¦ \ ¦_I
25 зо 40 60 № 70 во 64 ее ее ю 72 74
Твмперашура,°С Ф
Рис. 19. Зависимость скорости нитрования толуола от температуры (а) и фактора нитрующей активности Ф (6*):
По физическим свойствам метилбензол (толуол) сходен с бензолом. При нормальных условиях он представляет собой бесцветную жидкость, нерастворимую в воде, но растворимую в органических растворителях. Подобно бензолу, он является хорошим растворителем органических соединений. В настоящее время толуол шире используют в качестве растворителя, чем бензол, из-за гораздо меньшей токсичности.
Химические свойства
Все реакции метилбензола можно подразделить на два типа: а) реакции, затрагивающие бензольное кольцо, и б) реакции, затрагивающие метильную группу.
Реакции в ароматическом кольце. Метилбензол вступает во все реакции электрофильного замещения, которые были описаны выше для бензола, а именно: в реакции нитрования, галогенирования, сульфирования и реакции Фриделя-Крафтса. Во всех этих реакциях метилбензол обнаруживает более высокую реакционную способность, и его реакции протекают с большей скоростью.
Нитрование метилбензола может осуществляться таким же способом, как и бензола. Продуктом нитрования метилбензола является смесь двух изомеров метилнитробензола:
Хлорирование толуола (метилбензола) в бензольное кольцо может проводиться путем пропускания через толуол газообразного хлора в присутствии хлорида алюминия (реакция проводится в темноте). Хлорид алюминия играет при этом роль катализатора. В этом случае образуются 2- и 4-замещенный изомеры:
Сульфирование метилбензола концентрированной серной кислотой тоже приводит к образованию смеси 2- и 4-замещенного изомеров:
Механизм всех этих реакций электрофильного замещения подобен механизму соответствующих реакций бензола. В этих реакциях 3-замещенные изомеры образуются в столь незначительных количествах, что ими можно пренебречь. Ниже эта особенность будет подробно обсуждена при рассмотрении направляющей (ориентирующей) способности замещающих групп.
Реакции в боковой цепи. Метильная группа в метилбензоле может вступать в определенные реакции, характерные для алканов, но также и в другие реакции, не характерные для алканов. Рассмотрим по одному примеру каждой из таких реакций.
Подобно алканам, метильная группа может галогенироваться по радикальному механизму. Для осуществления этой реакции хлор продувают через кипящий метилбензол в присутствии солнечного света или источника ультрафиолетового излучения. Отметим, что галогенирование бензольного кольца в метилбензоле требует совершенно иных условий.
Обратим внимание, что эта реакция представляет собой замещение. Дальнейшее галогенирование приводит к образованию следующих соединений:
Бромирование метилбензола осуществляется при аналогичных условиях и приводит к образованию соответствующих бромозамещениых соединений.
В предыдущем разделе указывалось, что алканы не вступают в реакции окисления даже с такими сильными окислителями, как перманганат калия. Однако метильная боковая цепь в метилбензоле подвергается окислению даже такими сравнительно мягкими окислителями, как оксид
Более сильные окислители, например перманганат калия, вызывают дальнейшее окисление:
Направляющее (ориентирующее) действие заместителей на бензольном кольце
Выше мы уже указывали, что электрофильное замещение метилбензола приводит к образованию 2- и 4-замещенного изомеров метилбензола. Поэтому метальную группу в метилбензоле называют 2,4-направляющей (или, иначе, ориентирующей в положения 2 и 4). Существуют и другие заместители на бензольном кольце, которые тоже обладают 2,4-направляющим действием в реакциях электрофильного замещения. Для таких реакций можно записать следующее общее уравнение:
В этом уравнении означает электрофил, а X-2,4-направляющий заместитель. Такие заместители обычно представляют собой насыщенные группы. К их числу относятся . При определенных условиях 2,4-направляющие заместители оказываются также 6-направляющими:
Реакции электрофильного замещения в положения 2 и 4 обычно имеют большую скорость, чем соответствующие реакции бензола.
К их числу относятся такие группы, как и . Реакции электрофильного замещения в положении 3 протекают медленнее, чем соответствующие реакции бензола.
Направляющая (ориентирующая) способность заместителей зависит от того, являются ли они донорами электронов для бензольного кольца или же, наоборот,
оттягивают от него электроны. 2,4-Замещение обусловливается положительным индуктивным эффектом либо положительным мезомерным эффектом. -Направляющие группы отдают электроны бензольному кольцу, вызывая указанные эффекты, и таким образом активируют кольцо. Поэтому они называются активирующими группами. 3-Направляющие группы оттягивают электроны от бензольного кольца, вызывая - и -эффекты. Они называются дезактивирующими группами.
Итак, повторим еще раз!
1. Ароматические соединения обладают следующими общими свойствами: а) горят с образованием дымного пламени;
(см. скан)
Рис. 18.7. Важнейшие реакции бензола.
Рис. 18.8. Важнейшие реакции метилбензола (толуола).
б) вступают в реакции замещения,
в) с трудом вступают в реакции присоединения.
2. Молекула бензола может рассматриваться как резонансный гибрид, образованный двумя предельными резонансными структурами.
3. Важнейшие химические реакции бензола указаны на рис. 18.7.
4. Важнейшие химические реакции метилбензола указаны на рис. 18.8.
5. В реакциях конденсации происходит соединение двух реагирующих молекул в новую молекулу с одновременным отщеплением небольшой молекулы какого-либо простого соединения, например воды или хлороводорода.
6. Насыщенные заместители на бензольном кольце обладают 2,4-направляющим (ориентирующим) действием.
7. Ненасыщенные заместители на бензольном кольце обладают З-иаправляю-щим (ориентирующим) действием.
При наличии заместителей в ядре бензола место вступления нитрогруппы и условия реакции определяются, как и при других реакциях электрофильного замещения природой имеющегося заместителя.
Ориентанты I рода (OH, OR, OCOR, NH 2 , NHR, NR 2 , NHCOR, –N=N–, CH 2 Cl, CH 3 , F, Cl, Br, I) направляют нитрогруппу преимущественно в орто-пара положения и облегчают (кроме галоидов) её вступление.
Ориентанты II рода (SO 3 H, NO 2 , COOH, COOR, CN, CCl 3) направляют нитрогруппу главным образом в мета-положение и затрудняют её введение в ядро.
Соединения, содержащие ориентанты I рода, нитруются в более мягких условиях: нитрование толуола до мононитросоединений происходит при температуре не выше 40°С; мононитрование фенола осуществляется даже разбавленной азотной кислотой при охлаждении. От характера имеющихся в ядре бензола заместителей зависит и скорость реакции. Сравнительное изменение скорости реакции под влиянием имеющегося заместителя схематически можно представить рядом, где группы, стоящие вправо от хлора, ускоряют реакцию, а влево – замедляют её.
NO 2 > SO 3 H > COOH > Cl < CH 3 < OCH 3 < OC 2 H 5 < OH
замедляют ускоряют
В случае ди- и полизамещенных бензолов влияние заместителей носит аддитивный характер. При наличии заместителей разного типа место вступления электрофила определяет ориентант I рода, так как он активирует ядро. Если оба заместителя одного рода, то место вступления определяет более сильный:
Нитрование толуола нитрующей смесью при 20-30°С приводит к получению смеси о- и n-нитротолуолов с почти количественным суммарным выходом.
Дальнейшее нитрование нитротолуолов до нитросоединений осуществляется при более высокой температуре.
 |
При действии дымящей азотной и серной кислот при 110°С на динитротолуолы образуется 2,4,6-тринитротолуол (тротил), применяющийся в качестве взрывчатого вещества. С увеличением числа алкильных групп в бензольном кольце нитрование облегчается. Ксилолы нитруются легче, чем толуол, а мезитилен в еще более мягких условиях ацетил- или бензоилнитратом.
Больше трех нитрогрупп в молекулы бензола и толуола нитрованием ввести не удается.
Амино-2-нитротолуол л-Нитро-п-то- луидин сн Л ч/ 1 мн 0, и Толуол Нитрование - восстановление сернистым натром
М. С. Быховская описывает метод раздельного определения бензола и толуола. Нитрованием бензол переводят в динитробензол, а толуол- в тринитротолуол 77
При фракционировании жидкой части катализата было выделено 14,5 г углеводорода с т. кип. -ИГ (756 mai) n 1,4967 df 0,8665. Сопоставление констант этой фракции с литературными данными для толуола показывает, что она состоит из толуола.
Нитрованием этой фракции получен нитропродукт с т. пл. 69° С. Смешанная проба плавления с 2,4-динитротолуолом депрессии не дала.
Производство ксилила. Как мы видели из работ Мартинсена, при введении 2-й метильной группы в ядро быстроту реакции нитрации значительно увеличивается. Быстроту реакции нитрации ти-кси-лола в раз больше, чем толуола.
Поэтому и смеси для нитрования ксилола могут быть значительно слабее, чем для нитрования толуола. Этим же обусловлено то, что ксилол можно даже в заводских условиях нитровать в тринитроксилол в одну фазу , в то время как для толуола нитрование в одну фазу никогда и нигде не производилось, вследствие того, что это сопряжено с огромным расходом кислот, а потому неэкономично, не говоря о других трудностях а невыгодах нитрования толуола в тринитротолуол в одну фазу .
Образование значительных количеств жета-замещенных продуктов при алкилировании толуола и других монозамещенных бензолов можно объяснить высокой реакционной способностью атакующего реагента. Поскольку бромирование является примером достаточно мягкой реакции замещения, в данном случае сильно проявляются различия между бензолом и толуолом, а также между мета- и пара-положениями в толуоле.
Нитрование менее селективно, чем бромирование изопропилирование значительно менее селективно, чем нитрование. При алкилировании толуола образуется 30% лета-изомера. Более того, при этой реакции становятся незначительными различия между толуолом и бензолом.
Обзор реакций замещения в ароматическом ряду позволяет провести параллель между селективностью реакций с бензолом и толуолом, с одной стороны, и между мета- и пара-положениями в толуоле - с другой. В обоих случаях селективность уменьшается с увеличением реакционной сиособности атакующего агента 2. Данные табл. 4 иллюстрируют эти положения.70
При рассмотрении приведенных в литературе способов определения толуола представлялось возможным использовать фотометрический метод. Последний нашел широкое применение для определения малых количеств толуола, в частности в сточных водах и в воздухе промышленных предприятий. В основе многих вариантов колориметрических определений толуола - нитрование и последующее взаимодействие полученного нитросоединения со щелочью или аммиаком в различных растворителях ацетоне, спирте, метилэтилкетоне, бутаноле, спирто-эфирной смеси и других.
Зависимо от интенсивности охлаждения и перемешивания прилива-ние толуола продолжается 4-8 час. температуру нитрования поддерживают около 50° и по окончании приливания нагревают еще в течение. % часа при 80-90°. Более длительное и сильное нагревание нецелесообразно, так как после окончания приливания толуола нитрование
вряд ли продолжается.
Например при продолжении нагревания при 90° в течение 2 г час. температура затвердевания динитротолуола повысилась в одном случае с 33,7° только до 35,6°. По окончании нитрования содержимое аппарата охлаждают до температуры несколько более высокой, чем температура. плавления динитропродукта, и передавливают содержимое ии-тратора с помощью сжатого воздуха в одии из освинцованных сепараторов (1,2), смешивая реакционную смесь с таким количеством воды, чтобы разбавление достигало приблизительно 16%. При этом вначале происходит очень сильное выделение окислов азота, для отвода которых требуется достаточно мощная вытяжная труба. После отстаивания в течение нескольких часов при температуре несколько более высокой, чем температура плавления нитропродукта, кислота отделяется от продукта, образующего-верхний слой.377
