Нитрование смесью азотной и серной кислот

Использование смеси азотной и серной кислот — самый распространенный и детально разработанный метод нитрования ароматических соединений. В производстве лекарственных веществ и витаминов применяется чаще всего.

Нитрующая смесь готовится смешением концентрированных серной (иногда олеума) и азотной кислот. При мононитровании избыток азотной кислоты ~ 5 %, а при получении полинитросоединений — 10—20 % от теории. Концентрация серной кислоты в нитрующей смеси должна быть тем выше, чем меньше реакционная способность субстрата и чем больше нитрогрупп вводится в его молекулу. Например, состав смеси для мононитрования толуола: 35 % HNO₃, 50 % H₂SO₄, 12 % H₂O, а для введения второй нитрогруппы необходима безводная смесь, состоящая из 33 % HNO₃ и 67 % H₂SO₄. Состав нитрующей смеси строго определен в каждом конкретном случае. При этом к концу реакции на 1 моль H₂SO₄ должно приходиться не более двух молей воды, образующейся во время реакции и введенной с нитрующей смесью или нитруемым соединением.

Схема приготовления нитрующей смеси включает аппаратуру для отмеривания, смешения и хранения приготовленных смесей.

В качестве смесителя может быть использован любой аппарат, обеспечивающий интенсивное перемешивание жидкости и отвод тепла, выделяющегося в результате смешения кислот, внутренние поверхности которого защищены от кислой коррозии.

Интенсивное перемешивание компонентов осуществляется при помощи погружного насоса, механической мешалки и путем барботирования воздуха через реакционную массу. Однако, воздух, барботируя через смесь кислот, вносит с собой влагу и выдувает из смеси некоторое количество окислов азота, снижая концентрацию азотной кислоты. Кроме того, барботеры весьма быстро разъедаются и выходят из строя.

Температура смеси не должна быть выше 35—40 °С. Превышение этой температуры приводит к частичному разложению азотной кислоты с образованием окислов азота. В случае использования отработанной кислоты, содержащей небольшое количество нитропродуктов и нитрозилсерную кислоту, повышение температуры может привести к ухудшению качества реакционной массы и образованию взрывчатых полинитросоединений, а также к повышенной коррозии аппаратуры.

Установку для смешения кислот большой производительности снабжают выносным теплообменником, что позволяет поддерживать температуру смеси на заданном уровне.

Нитрование аренов ведут при температурах тем ниже, чем активнее субстрат. Это связано с опасностью образования взрывоопасных ди- и тринитропродуктов.

· В синтезе билигноста бензойную кислоту нитруют при 30—40 °С:

· При получении хлорбутина реакцию фенилмасляной кислоты с нитрующей смесью проводят при 14—15 °С:

· В производстве мефенамовой кислоты нитрование о -ксилола ведут при –3…0 °С

· L-Тирозин, вследствие высокой реакционной способности и легкой окисляемости субстрата, нитруют до 3,5-динитротирозина при температуре – 5…0 °С(получение меотиронина):

Для введения нитрогруппы в трудно нитруемые соединения используют смесь нитратов щелочных металлов (KNO₃, NaNO₃) и концентрированной серной кислоты. Высокая нитрующая активность такой смеси объясняется отсутствием воды в исходной системе. Так, нитрование пиридина с выходом 15—20 % удалось провести добавлением небольших порций нитрата калия в раствор пиридина в 18%-ом олеуме, нагретый до 330 °С.

К преимуществам метода можно отнести: а) возможность применения стехиометрического количества азотной кислоты; б) почти постоянную концентрацию NO₂⁺ в широком диапазоне соотношений H₂SO₄/HNO₃ (см. рис. 4); в) низкое окислительное действие азотной кислоты; г) низкую коррозию (или отсутствие таковой) стальной и чугунной аппаратуры в серно-азотных нитрующих смесях; д) хорошую растворяющую способность серной кислоты, ее высокую температуру кипения и теплоемкость.

Недостатком метода нитрования смесями азотной и серной кислот (или олеума) является необходимость регенерации серной кислоты после разбавления нитромассы водой. Особенно сложной является эта проблема на химфармпредприятиях, производящих, как правило, мононитросоединения в сравнительно небольших количествах, где строительство цехов для регенерации отходов серной кислоты экономически невыгодно.

Для решения этой проблемы серную кислоту заменяют другими кислотными агентами, легче поддающимися регенерации. С этой целью применяют полифосфорную кислоту (при выделении получаются фосфорные удобрения); нерастворимые катиониты типа сульфированного полистирола (например, амберлит IR-120), обезвоженные азеотропной отгонкой воды с толуолом или другими способами; каталитические количества серной или фосфорной кислот, нанесенные на носители (например, Al₂O₃, Al₂O₃ с SiO₂).

При использовании катионитов нитрование, возможно, проходит через образование нитроний-катионов или их ионных пар с анионными центрами смолы типа R–(SO₃^–…⁺NO₂). Увеличение размера «нитрующей частицы» в последнем случае и регулярное строение катионита вследствие стерических препятствий уменьшает орто -замещение. Так, если при нитровании толуола серно-азотными нитрующими смесями, в зависимости от температуры, отношение орто -: пара -изомеров около 1,5, то при использовании концентрированной HNO₃ на катионите оно уменьшается практически в 2 раза.