ニトロ化|化学

ニトロ化は、有機化学における一般的な化学プロセスです。この過程で、ニトロ基が有機化合物に導入されます。ここでは、1 つまたは複数のニトロ基が基質と呼ばれる反応分子に提示されます。

硝酸エステルを形成するために、アルコールと硝酸の間のさまざまなプロセスで悪用されます。その結果、これらのニトロ化合物に存在する窒素は、酸素化されていない原子に直接結合します。対照的に、硝酸エステルに存在する窒素は、酸素化原子に結合しています。

ニトロ化のプロセスには、多くの産業用途があります。最も重要なことは、ニトロ芳香族化合物 (ニトロベンゼン) の製造に使用されることです。これらは爆薬の製造にも使用されます。たとえば、グリセリンは、プロセスで硝酸を使用することにより、ニトログリセリンに変換できます。

ニトロ化合物の応用

ニトロ化化合物は、以下の製造に使用できます:

溶剤
爆発物
染料
医薬品
アミンなどの化合物

ニトロ化剤

優れたニトロ化システムを作成するには、ニトロ化剤を理解することが不可欠です。ニトロ化プロセスに含まれる化合物は次のとおりです。

硝酸、つまり HNO3（発煙、濃縮、水溶液）
五酸化窒素、つまり N2O5
四酸化窒素、つまり N2O4
混合酸 (硝酸と硫酸、無水酢酸、リン酸、クロロホルム、酢酸の混合物)

芳香族ニトロ化

典型的なニトロ化の組み合わせでは、濃硝酸と硫酸の混合物を使用してプロセスを完了します。このプロセスで生成されるニトロニウムイオン (NO2+) は、芳香族ニトロ化に有効です。ニトロニウムテトラフルオロボレートの場合、それは分離され、ニトロ化に影響を与えます。ここでは、混酸は必要ありません。

ここで、硫酸はH2Oの触媒および吸収剤として機能します。したがって、ここでそれを消費することは不可能です。ベンゼンのニトロ化中、反応は 50 °C を超えない温度で発生します。これが芳香環を形成します。

次の式は、芳香族化合物のニトロ化を表しています:

ArH + HNO3 → NO2 + H2O

ニトロニウムイオンは求電子反応物質です。したがって、芳香環に存在する炭素原子には強い電子密度があります。密度に応じて、ニトロ基はさまざまな位置に結合できます。

芳香族ニトロ化の動力学

芳香族ニトロ化反応の動力学は、反応混合物に依存します。さまざまなニトロ化剤によるニトロ化反応とそのメカニズムを以下に示します。

混合酸

ここでは、硫酸と硝酸の混合物が形成されます。このシステムには、重要な (-I) および (-M) コンポーネントが含まれています。液体だけが反応する一種の不均一反応です。ここでの反応プロセスはゆっくりと安定しています。たとえば、ニトロベンゼンと安息香酸エチル。

有機溶剤

ここでは、ニトロメタンまたは酢酸が硝酸と混合して混合物を形成します。このプロセスの反応速度は、ニトロ化される化合物に依存します。失活力の強い成分は、基質濃度に比例してニトロ化されます。ただし、ベンゼンよりも反応性の高い成分は、独立した基質の割合で反応します。

硝酸水溶液

基質の反応性が高い場合、ゼロ次反応速度を示します。ただし、反応性の低い化合物は一次反応速度を示します。

亜硝酸は、活性化基を持たないニトロ化化合物に阻害効果を引き起こします。これが、反応が強酸または混酸で行われる理由です。反応性基を有するニトロ化化合物は、触媒効果を経験します。したがって、これらの化合物は弱硝酸中で容易にニトロ化できます。オキシニトロ化は、反応速度論に含まれる最後のプロセスです。これは、ベンゼンと 50% 硝酸 (0.2 モルの硝酸水銀を含む) の間で発生します。

イプソニトロ化

イプソニトロ化は、塩化アリール、トリフレート、ノナフレートなどの成分がイプソ置換を受けるときに発生します。 Ipso Nitration では、Y+ が容易に形成され、さまざまな置換生成物の予測が変わります。 Y+がより安定になるにつれて、イプソニトロ化反応はより容易になります。ベンゼンは、この過程で硝酸および硝酸水銀と反応してピクリン酸を形成します。次の式は ipso 置換反応を支持します:

Y+ =(CH3)2 C+H、(CH3)3C+

つまり、2 つの置換基が中間体化合物で同じ環位置を共有する場合、Ipso Nitration が形成されます。場合によっては、このプロセスは求電子芳香環置換でも発生する可能性があります。

ベンゼン環 (1 つまたは複数の置換基を含む) の方向は、次の方法でうまく検出できます:

最初に、求電子剤はメチルを含む炭素 (オルトおよびパラジメチルベンゼン) を攻撃します。ここで、メチル基の電子供与は、中間イオンを安定化することによって環を活性化します。
次に、ipso 炭素の置換が間接的に発生します。
ニトロ基はその位置を変更し、置換プロセスのプロトンを除去します。
この反応ではイプソ置換が間接的に起こるため、最終生成物の総量を予測することはできません.

イプソ置換とオルソまたはパラ比

一般に、オルトまたはパラ指向性基が存在する場合、理論的にも統計的にも理想的な置換製品の比率は 2:1 である必要があります。しかし、実際には、それは不可能です。したがって、比率は次のようなさまざまな要因に基づいて決定されます。

立体効果
置換の電子的効果
温度と溶媒の影響

結論

ニトロ化化学は、産業界で多く研究されています。芳香族化合物のニトロ化には、ヘテロリティックニトロ化やラジカルニトロ化など、さまざまな方法があります。

一般に、芳香族ニトロ化のプロセスは求電子的です。ただし、ニトロ芳香族化合物は、プラスチック、殺虫剤、染料、爆発物、および医薬品の合成における実質的な中間体としても使用されます。さらに、ニトロ脂肪族化合物は、さまざまな有機合成の溶媒として使用されます。

硝酸と硫酸の組み合わせのニトロ化混合物が最も一般的に使用されます。したがって、今日では、さまざまな化合物のニトロ化が、さまざまな業界で関心のあるトピックになっています.