NITROBENZEN (C6H5NO2): STRUKTURA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA, ZAGROŻENIA - CHEMIA - 2025

Nitrobenzenu jest aromatyczny związek organiczny składający się z pierścienia benzenowego C ₆ H ₅ - oraz grupy nitrowej -NO ₂ . Jego wzór chemiczny to C ₆ H ₅ NO ₂ . Jest to bezbarwna lub bladożółta, oleista ciecz o zapachu gorzkich migdałów lub pasty do butów.

Nitrobenzen jest bardzo przydatnym związkiem w przemyśle chemicznym, ponieważ umożliwia otrzymanie szeregu substancji chemicznych o różnym zastosowaniu. Dzieje się tak, ponieważ może podlegać różnym typom reakcji.

Nitrobenzen, C ₆ H ₅ -NO ₂ . Autor: Marilú Stea.

Do ważnych reakcji chemicznych należą nitrowanie (co pozwala na dodanie większej ilości grup –NO ₂ do cząsteczki) i redukcja (przeciwieństwo utleniania, gdyż dwa atomy tlenu z grupy nitrowej –NO ₂ są eliminowane i zastępowane przez wodory).

Z nitrobenzenu można otrzymać np. Anilinę i para-acetaminofenol. Ten ostatni to dobrze znany paracetamol, który działa przeciwgorączkowo (lek na gorączkę) i łagodny przeciwbólowy (lek na niewielki ból).

Z nitrobenzenem należy obchodzić się ostrożnie, ponieważ jest drażniący i toksyczny, może powodować pewien rodzaj anemii, wśród kilku objawów, i uważa się, że powoduje raka. Jest również szkodliwy dla środowiska.

Struktura

Nitrobenzen C ₆ H ₅ –NO ₂ to płaska cząsteczka utworzona przez pierścień benzenu C ₆ H ₅ - do którego przyłączona jest grupa nitro –NO ₂ . Jego cząsteczka jest płaska, ponieważ zachodzi elektroniczne oddziaływanie między grupą nitro-NO ₂ a pierścieniem benzenowym.

Płaska struktura cząsteczki nitrobenzenu. Elektrony podwójnych wiązań pierścienia benzenowego mają tendencję do interakcji z grupą nitro-NO ₂ . Autor: Benjah-bmm27. Źródło: Wikimedia Commons.

Grupa nitro -NO ₂ ma tendencję do przyciągania elektronów z pierścienia benzenu C ₆ H ₅ -.

Struktury rezonansowe nitrobenzenu. Pierścień benzenowy ma tendencję do posiadania ładunku dodatniego, podczas gdy grupa nitro -NO2 ma tendencję do ładunku ujemnego. Pierwszym przesyłającym był Samuele Madini z włoskiej Wikipedii. . Źródło: Wikimedia Commons.

Z tego powodu cząsteczka ma nieco bardziej ujemną stronę (gdzie są tlenki –NO ₂ ) i nieco bardziej dodatnią stronę (pierścień benzenowy).

Tlenki z grupy nitrowej mają nieco ujemny ładunek w porównaniu z pierścieniem benzenowym. Autor: Marilú Stea.

Nomenklatura

- Nitrobenzen.

- Nitrobenzyna.

- Nitrobenzol.

- Olejek lub esencja myrban lub myrban (termin nieużywany).

Nieruchomości

Stan fizyczny

Bezbarwna do bladożółtej oleista ciecz.

Waga molekularna

123,11 g / mol.

Temperatura topnienia

5,7 ° C

Temperatura wrzenia

211 ° C.

Temperatura zapłonu

88 ºC (metoda zamkniętego tygla).

Temperatura samozapłonu

480 ° C

Gęstość

1,2037 g / cm ³ w temperaturze 20 ° C

Rozpuszczalność

Słabo rozpuszczalny w wodzie: 0,19 g / 100 g wody o temperaturze 20 ° C. Całkowicie mieszalny z alkoholem, benzenem i eterem dietylowym.

Właściwości chemiczne

Nitrobenzen jest stabilny do około 450 ° C, gdzie zaczyna się rozkładać, tworząc (przy braku tlenu) NO, NO ₂ , benzen, bifenyl, anilinę, dibenzofuran i naftalen.

Ważne reakcje nitrobenzenu obejmują redukcję, nitrację, halogenowanie i sulfonowanie.

W wyniku azotowania nitrobenzenu powstaje początkowo metanitrobenzen, a po długim czasie reakcji otrzymuje się 1,3,5-nitrobenzen.

W wyniku reakcji bromu lub chloru z nitrobenzenem w obecności odpowiedniego katalizatora otrzymuje się 3-bromo-nitrobenzen (meta-bromonitrobenzen) lub 3-chloro-nitrobenzen (meta-chloronitrobenzen).

Przykładem redukcji jest to, że podczas traktowania metahalogenonitrobenzenów cyną (Sn) w kwasie solnym (HCl) otrzymuje się metahalogenoaniliny.

Sulfonowanie nitrobenzenu prowadzi się dymiącym kwasem siarkowym w temperaturze 70-80 ° C, a produktem jest kwas meta-nitrobenzenosulfonowy. Można to zredukować żelazem i HCl, aby otrzymać kwas metanilowy.

Tworzenie dimerów

W roztworze benzenu C ₆ H ₆ cząsteczki nitrobenzenu łączą się ze sobą, tworząc dimery lub pary cząsteczek. W tych parach jedna z cząsteczek znajduje się w pozycji odwróconej względem drugiej.

Tworzenie dimerów nitrobenzenu z cząsteczkami odwróconymi jedna względem drugiej jest prawdopodobnie spowodowane tym, że każda z nich ma stronę nieco bardziej naładowaną dodatnio i stronę przeciwną, nieco bardziej naładowaną ujemnie.

W dimerze nieco bardziej dodatnio naładowana strona jednej z cząsteczek jest prawdopodobnie bliska nieco ujemnie naładowanej drugiej cząsteczki, ponieważ przeciwne ładunki przyciągają się, podobnie jest z pozostałymi dwoma stronami.

Dimer nitrobenzenu, czyli dwie cząsteczki, które mają tendencję do zawieszania się razem w niektórych rozpuszczalnikach. Autor: Marilú Stea.

Inne właściwości

Ma zapach podobny do migdałów lub pasty do butów. Podczas obniżania temperatury krzepnie w postaci zielonkawożółtych kryształów.

Otrzymywanie

Uzyskuje się go przez działanie na benzen C ₆ H ₆ mieszaniną kwasu azotowego HNO ₃ i kwasu siarkowego H ₂ SO ₄ . Proces ten nazywany jest nitracją i polega na tworzeniu się jonu nitroniowego NO ₂ ⁺ dzięki obecności kwasu siarkowego H ₂ SO ₄ .

- Tworzenie jonu nitroniowego NO ₂ ⁺ :

HNO ₃ + 2 H ₂ SO ₄ ⇔ H ₃ O ⁺ + 2 HSO ₄ ^- + NO ₂ ⁺ (jon nitroniowy)

- Jon nitroniowy atakuje benzen:

C ₆ H ₆ + NO ₂ ⁺ → C ₆ H ₆ NO ₂ ⁺

- Nitrobenzen powstaje:

C ₆ H ₆ NO ₂ ⁺ + HSO ₄ ^- → C ₆ H ₅ NO ₂ + H ₂ SO ₄

W podsumowaniu:

C ₆ H ₆ + HNO ₃ → C ₆ H ₅ NO ₂ + H ₂ O

Reakcja nitrowania benzenu jest bardzo egzotermiczna, to znaczy generuje dużo ciepła, więc jest bardzo niebezpieczna.

Aplikacje

Przy uzyskiwaniu aniliny i acetaminofenu

Nitrobenzen wykorzystywany jest głównie do syntezy aniliny C ₆ H ₅ NH ₂ , czyli związku szeroko stosowanego do wytwarzania pestycydów, gum, barwników, materiałów wybuchowych i leków.

Otrzymywanie aniliny następuje poprzez redukcję nitrobenzenu w środowisku kwaśnym w obecności żelaza lub cyny, co prowadzi się według następujących kroków:

Nitrobenzen → Nitrozobenzen → Fenylohydroksyloamina → Anilina

C ₆ H ₅ NO ₂ → C ₆ H ₅ NO → C ₆ H ₅ NHOH → C ₆ H ₅ NH ₂

Redukcja nitrobenzenu w celu uzyskania aniliny. Benjah-bmm27. Źródło: Wikimedia Commons.

W zależności od warunków proces można zatrzymać na jednym z etapów pośrednich, na przykład w przypadku fenylohydroksyloaminy. Wychodząc z fenylohydroksyloaminy w środowisku silnie kwaśnym, para-aminofenol można przygotować:

Fenylohydroksyloamina → p -Aminofenol

C ₆ H ₅ NHOH → HOC ₆ H ₄ NH ₂

Ten ostatni jest leczony bezwodnikiem octowym w celu uzyskania paracetamolu (acetaminofenu), znanego leku przeciwgorączkowego i łagodnego przeciwbólowego, czyli leku na gorączkę i ból.

Czasami można leczyć dzieci z gorączką paracetamolem. Acetaminofen jest pochodną nitrobenzenu. Autor: Augusto Ordonez. Źródło: Pixabay.

Tabletki acetaminofenu, pochodna nitrobenzenu. Paracetamol_acetaminophen_500_mg_pills.jpg: Plemię Michelle z Ottawy, praca z Kanady: Anrie. Źródło: Wikimedia Commons.

Innym sposobem uzyskania aniliny jest redukcja nitrobenzenu tlenkiem węgla (CO) w środowisku wodnym w obecności bardzo małych cząstek (nanocząstek) palladu (Pd) jako katalizatora.

C ₆ H ₅ –NO ₂ + 3 CO + H ₂ O → C ₆ H ₅ –NH ₂ + 3 CO ₂

W otrzymywaniu innych związków chemicznych

Nitrobenzen jest punktem wyjścia do otrzymywania różnorodnych związków używanych jako barwniki, pestycydy, leki i kosmetyki.

Niektóre barwniki uzyskuje się dzięki nitrobenzenowi. Autor: Edith Lüthi. Źródło: Pixabay.

Umożliwia np. Otrzymanie 1,3-dinitrobenzenu, który poprzez chlorowanie (dodanie chloru) i redukcję (eliminację atomów tlenu) wytwarza 3-chloroanilinę. Jest używany jako półprodukt do pestycydów, barwników i leków.

Do przygotowania benzydyny będącej barwnikiem użyto nitrobenzenu. Ponadto nitrobenzen jest używany do wytwarzania między innymi chinoliny, azobenzenu, kwasu metanilowego, dinitrobenzenu, izocyjanianów czy piroksyliny.

W różnych zastosowaniach

Nitrobenzen jest używany lub był używany jako:

- Rozpuszczalnik ekstrakcyjny do oczyszczania olejów smarowych używanych w maszynach

- Rozpuszczalnik do eterów celulozy

- Składnik mieszanek do polerowania metali

- W mydłach

- W mieszaninach do polerowania butów

- Środek konserwujący do farb w sprayu

- składnik mieszanek do polerowania podłóg

- Substytut esencji migdałowej

- W branży perfumeryjnej

- W produkcji kauczuku syntetycznego

- Rozpuszczalnik w różnych procesach

Nitrobenzen jest częścią niektórych mieszanek do czyszczenia butów. D-Kuru. Źródło: Wikimedia Commons.

Ryzyka

Nitrobenzen jest toksyczny w przypadku wdychania, spożycia i wchłaniania przez skórę.

Działa drażniąco na skórę, oczy i drogi oddechowe. Może powodować rodzaj anemii zwany methemoglobinemią, która polega na zmniejszeniu zdolności czerwonych krwinek do uwalniania tlenu do tkanek i prowadzi do zmęczenia.

Ponadto nitrobenzen powoduje duszność, zawroty głowy, zaburzenia widzenia, duszność, zapaść i śmierć. Uszkadza również wątrobę, śledzionę, nerki i centralny układ nerwowy.

Szacuje się, że może być mutagenem i prawdopodobnie przyczyną raka u ludzi, tak jak spowodował to u zwierząt.

Ponadto nitrobenzenu nie należy usuwać do środowiska. Jego toksyczność dla zwierząt, roślin i mikroorganizmów sprawia, że ​​jest bardzo szkodliwy dla ekosystemów.

Toksyczność wobec mikroorganizmów zmniejsza ich biodegradowalność.

Zabiegi mające na celu usunięcie ze środowiska

Zanieczyszczenie środowiska nitrobenzenem może nastąpić poprzez odpady z różnych gałęzi przemysłu, które go wykorzystują, takich jak przemysł barwników lub materiałów wybuchowych.

Nitrobenzen jest silnie toksycznym zanieczyszczeniem i trudnym do rozkładu w warunkach naturalnych, z tego powodu może powodować poważne zanieczyszczenie wody pitnej i systemów nawadniania upraw.

Ze względu na wysoką stabilność i toksyczność w stosunku do mikroorganizmów jest często wybierany jako model w badaniach oczyszczania ścieków.

Badane są różne sposoby usuwania nitrobenzenu z zanieczyszczonej wody. Jedną z nich jest degradacja fotokatalityczna, czyli wykorzystanie światła słonecznego jako przyspieszacza reakcji degradacji w obecności dwutlenku tytanu TiO ₂ .

Dzięki reaktorowi słonecznemu można wyeliminować zanieczyszczenie wody nitrobenzenem. Mihai-Cosmin Pascariu. Źródło: Wikimedia Commons.

Z powodzeniem przetestowano również metody mikroelektrolizy z katalizatorem żelaznym (Fe) i miedzianym (Cu) w ceramice. Mikroelektroliza umożliwia rozkład nitrobenzenu przez prąd elektryczny.

Bibliografia

1. Narodowa Biblioteka Medyczna Stanów Zjednoczonych. (2019). Nitrobenzen. Odzyskany z pubchem.ncbi.nlm.nih.gov.
2. Morrison, RT i Boyd, RN (2002). Chemia organiczna. 6th Edition. Prentice-Hall.
3. Moldoveanu, SC (2019). Piroliza innych związków zawierających azot. W Pyrolysis of Organic Molecules (drugie wydanie). Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Smith, PWG i in. (1969). Aromatyczne związki nitrowania-nitro. Podstawienia elektrofilowe. W chemii aromatycznej. Odzyskany z sciencedirect.com.
5. Windholz, M. i in. (redaktorzy) (1983). Indeks Merck. Encyklopedia chemikaliów, leków i biologii. Wydanie dziesiąte. Merck & CO., Inc.
6. Encyklopedia chemii przemysłowej Ullmanna. (1990). Piąta edycja. Tom A22. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
7. Whang, T.-J. et al. (2012). Promieniowana promieniami UV fotokatalityczna degradacja nitrobenzenu przez wiązanie tytanu na rurce kwarcowej. International Journal of Photoenergy, tom 2012, numer artykułu 681941. Odzyskany z hindawi.com.
8. Shikata, T. i in. (2014). Nitrobenzen tworzy się przeciwrównolegle w rozpuszczalnikach niepolarnych. AIP Advances 4, 067130 (2014). Odzyskany z doaj.org.
9. Krogul-Sobczak, A. i in. (2019). Redukcja nitrobenzenu do aniliny przez CO / H ₂ O w obecności nanocząstek palladu. Catalysts 2019, 9, 404. Odzyskany z mdpi.com.
10. Yang, B. i in. (2019). Produkcja na skalę pilotażową, właściwości i zastosowanie katalityczno-ceramicznego wypełniacza Fe / Cu do oczyszczania ścieków związkami nitrobenzenu. Catalysts 2019, 9, 11. Odzyskany z mdpi.com.