Реферат на тему "Синтез нитробензойной кислоты"

Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Инженерно-технологический факультет
Кафедра органической химии
Синтез м-Нитробензойной кислоты
Курсовая работа
Выполнил студент
3 курса, 3 группы
Кириллов Евгений Владимирович
Научный руководитель
Д.х.н., профессор Моисеев И.К.
САМАРА 2007

СОДЕРЖАНИЕ
Содержание
1.      Введение
2.      Обзор литературы
3.      Обсуждение результатов
4.      Экспериментальная часть
4.1. Реагенты и оборудование
4.2. Методика эксперимента
5.      Выводы
6.      Библиография

1. Введение
Ароматическими карбоновыми кислотами называются производные бензола, содержащие карбоксильные группы, непосредственно связан­ные с углеродными атомами бензольного ядра. Кислоты, содержащие кар­боксильные группы в боковой цепи, рассматриваются как жирноароматические.
Ароматические кислоты могут быть разделены по количеству карбо­ксильных групп на одно-, двух- и более основные. Названия кислот, у ко­торых карбоксильная группа непосредственно связана с ядром, произво­дятся от ароматических углеводородов. Названия кислот с карбоксилом в боковой цепи производятся обычно от наименований соответствующих кислот жирного ряда. Наибольшее значение имеют кислоты первого типа: например, бензойная (бензолкарбоновая) С₆Н₅—СООН, п-толуиловая
(п-толуолкарбоновая), фталевая (1,2-бензолдикарбоновая), изофталевая (1,3-бензолдикарбоновая),  терефталевая (1,4-бензолдикарбоновая):

Из кислот второго типа отметим фенилуксусную кислоту (I), метилфенилуксусную,
или 2-фенилпропановую, кислоту (II):

Физические свойства
Монокарбоновые кислоты ряда бензола — бесцветные кристалличе­ские вещества с температурой плавления выше 100 °С. Кислоты с пара-положением заместителей плавятся при значительно более высо­ких температурах, чем их изомеры. Ароматические кислоты кипят при не­сколько более высоких и плавятся при значительно более высоких темпе­ратурах, чем кислоты жирного ряда с тем же числом углеродных атомов. Монокарбоновые кислоты довольно плохо растворяются в холодной воде и значительно лучше в горячей. Низшие кислоты летучи с парами воды.
В водных растворах монокарбоновые кислоты обнаруживают большую степень диссоциации, чем кислоты жирного ряда: константа диссоциации бензойной кислоты     6,6·10^-5 , уксусной кислоты 1,8·10^-5.
Отдельные представители. Применение
Бензол был открыт Фарадеем в 1825 г. и была установлена его брутто-формула-С₆Н₆. В 1865 г. Кекуле предложил его струк­турную формулу как циклогексатриена-1,3,5. Этой формулой пользуются и в настоящее время, хотя она, как позднее будет показано, несовершенна - не отвечает полностью свойствам бен­зола.
Наиболее характерной особенностью химического поведения бензола является удивительная инертность двойных углерод-углеродных связей в его молекуле: в отличие от рассмотренных; ранее непредельных соединений он устойчив к действию окислителей (например, перманганата калия в кислой и щелочной среде, хромового ангидрида в уксусной кислоте) и не вступает в обычные реакции электрофильного присоединения, характерные для  алкенов, алкадиенов и алкинов.
Пытаясь объяснить свойства бензола особенностями строения, многие ученые вслед за Кекуле выдвигали по этому поводу свои гипотезы. Поскольку непредельность бензола явно не проявлялась, считали, что двойных связей в молекуле бензола нет. Так, Армстронг и Байер, а также Клаус предположили, что в молекуле бензола четвертые валентности всех шести атомов углерода направлены к центру и насыщают друг друга, Ладенбург - что углеродный скелет бензола представляет собой приз­му, Чичибабин - что в бензоле углерод трехвалентен.
Тиле, усовершенствуя формулу Кекуле, утверждал, что двой­ные связи в последнем не фиксированы, а постоянно переме­щаются-«осциллируют», а Дьюар и Хюккель предложили струк­турные формулы бензола с двойными связями и малыми циклами.

В настоящее время на основании данных многочисленных исследований можно считать твердо установленным, что шесть углеродных и шесть водородных атомов в молекуле бензола находятся в одной плоскости и что облака π-электронов атомов углерода перпендикулярны плоскости молекулы и, следователь­но, параллельны друг другу и взаимодействуют между собой. Облако каждого π-электрона перекрывается облаками π-электро­нов соседних углеродных атомов. Реальная молекула бензола с равномерным распределением π-электронной плотности по всему кольцу может быть представлена в виде плоского шестиугольника, лежащего между двумя торами.
Отсюда следует, что формулу бензола логично изображать в виде правильного шестиугольника с кольцом внутри, под­черкивая тем самым полную делокализованность π-электронов в бензольном кольце и равноценность всех углерод-углеродных связей в нем. Справедливость последнего заключения подтвер­ждена, в частности, результатами измерения длин С—С-связей в молекуле бензола; они одинаковы и равны 0,139 нм (С—С-связи в бензольном кольце короче ординарных (3,154 нм), но длиннее двойных (0,132 нм)). Распределение электронной плотности в молекуле бензола;  длины связей, валентные углы

Бензойная кислота простейшая ароматическая кислота, C₆H₅COOH; бесцветные блестящие пластинки или иглы с Тпл. 121,5°С, кристаллогидрат плавится при 90 °С. Встречается в свободном состоянии в некоторых смолах, особенно в бензойной смоле и в «драконовой крови» (красная твердая смола, добываемая из одного вида пальмы). В виде бензилового эфира она входит в состав перуанского бальзама. Б. к. в виде сложных эфиров и солей содержится в различных природных эфирных маслах, например гвоздичном. В виде гиппуровой кислоты (бензоилглицин) содержится в моче травоядных живот­ных.  Впервые выделена возгонкой в начале 17 в. из бензойной смолы (росного ладана), отсюда и получила название. Б. к. хорошо растворяется в органических растворителях, в воде - плохо; легко возгоняется; перегоняется с водяным паром. Получают Б. к. окислением толуола азотной или хромовой кислотой, а также декарбоксилированием фталевой кислоты.
В медицине её применяют при кожных заболеваниях наружно как антисептическое (противомикробное) и фунгицидное (противогрибковое) средства, а натриевую соль Б. к. - как отхаркивающее средство. Кроме того, натриевую соль Б. к. используют при консервировании пищевых продуктов. Сложные эфиры Б. к. (от метилового до амилового), обладающие сильным запахом, применяют в парфюмерной промышленности. Различные производные Б. к., например хлор- и нитробензойные кислоты, широко применяют для синтеза красителей. Эталон в калориметрии; основное вещество для установки титра щелочей; для бензилирования в органическом анализе; растворитель при определении молекулярного веса; для контроля достигавшейся максимальной температуры в стерилизаторах. В продаже часто фальсифицируется мылом, сахаром и многими кислотами. Фальсифицированная Б. К. дает на нагретом стекле твердый осадок.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ (СТ. ГОХП 27 - 1810)

квалиф	осн. вещ. %	Т.пл °С	Предельно допустимое содержание примесей %				Испытания (см. СТ. ГОХП)
			хлориды	ост. прокал.	сера	тяж. мет.
ч.д.а.	99,9	122-123	0,02	0,01	0,002	0,0005	На растворимость в аммиаке
ч.	99,5	122-123	0,05	0,05	0,005	0,002

Очень важным производным бензойной кислоты является ее хлорангидрид — хлористый бензоил. Это жидкость с характерным запахом и сильным лакриматорным действием. Используется как бензоилирующий агент.
Пероксид бензоила используется как инициатор для реакций полиме­ризации, а также как отбеливающий агент для пищевых масел, жиров, муки.
Толуиловые кислоты. Метилбензойные кислоты называют толуиловыми кислотами. Они образуются при частичном окислении о-, м- и п-ксилолов. NN-Диэтил-м-толуилмид является эффективным репеллентом — препаратом, отпугивающим насекомых:

п-трет-Бутилбензойную кислоту получают в промышленных масшта­бах жидкофазным окислением трет-бутилтолуола в присутствии раство­римой соли кобальта в качестве катализатора. Применяется в производ­стве полиэфирных смол.
Фенилуксусную кислоту получают из хлористого бензила через ни­трил или через магнийорганические соединения. Это кристаллическое ве­щество с т. пл. 76 °С. Благодаря подвижности подородных атомов метило­вой группы легко вступает в реакции конденсации. Эта кислота и ее эфиры применяются в парфюмерии.
СЕРНАЯ КИСЛОТА H₂SO₄— сильная двухоснов­ная кислота. Безводная 100%-ная С. к. при комнатной температуре представляет собой в сильной степени ас­социированное соединение с длинными, образованными на счет водородных связей, цепевидными молекулами. При повышении температуры эти цепочки разрушаются
Физические и химические свойства серной кислоты. Безводная С. к.— бесцветная маслянистая жидкость, застывающая в кристаллич. массу при +10,37°. При 279,6^С/700 мм безводная С. к. кипит с разложением до образования азеотрошюй смеси, содержащей 98,3% H₂SO₄ и 1,7% Н₂О (эта смесь кипит при 338,8°). С. к. смешивается с водой и SO₃ в любых соотношениях. Добавление воды к 100%-иой С. к. приводит к снижению температуры плавления (ок. 12⁰ на 1моль воды), отвечающему образованию почти 2 частиц из каждой молекулы воды.
Теплота испарения составляет 122,1 ккал/кг 100%-ной С. к., теплота плавления 26,55  ккал/кг 100%-ной С. к.
Конц. С.к. — довольно сильный окислитель, осо­бенно при нагревании. Она окисляет HJ и частично HВr   (но   не HCI) до  свободных   галогенов, уголь   до  С0₂, серу до SO₂, а также многие металлы (Сu, Hg и р.)- Золото и платина устойчивы но отношению к С. к. при любых концентрациях и температурах. С. к. с концентрацией выше 93% не действует на железо.      Разб. С. к. легко растворяет железо с вы­делением Н₂. Окислительные свойства для разб. С. к. нехарактерны. Действуя как окислитель, С. к. обычно восстанавливается до SO₂. Однако наиболее сильными восстановителями она может быть вос­становлена до S и даже H₂S. Копц. С. к. частично восстанавливается газообразным Н₂, из-за чего и не может применяться для его сушки.
С. к. дает два ряда солей: средние — сульфаты, и кислые — бисульфаты, причем последние в твердом состоянии выделены лишь для немногих наиболее активных одновалентных металлов — Na, К и др
Получение. В современной заводской практике исходным веществом для получения С. к. служит сернистый газ. Процесс его переработки в С. к. может быть выражен суммарным стехиометрическим уравнением:
SO₂ + 0,5О₂ + пН₂О = Н₂SO₄ + (п-1) Н₂О
В промышленности этот процесс осуществляется посредством двух различных способов — контактного и нитрозного.
Сущность контактного метода состоит в том, что газообразный SО₂, проходя «месте с кисло­родом или воздухом через катализатор, окисляется до   SO₃   по   реакции:
SO₂+0,5О₂ = SO₃ + 22,97 ккал/моль
Полученный SO₃ растворяется в воде с образованием С. к.
Сущность нитрозного метода состоит в том, что об­жиговый газ (после соответствующей очистки его от пыли) обрабатывается С. к., в которой растворены окислы азота. Сернистый ангидрид поглощается нитрозой, а затем окисляется окислами азота по реакции:
SO₂ + N₂O₃ +H₂O = Н₂SO₄ + 2NO
Образующаяся окись азота выделяется из нитрозы, в которой она плохо растворима, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до двуокиси азота: полученная смесь NO и NO₂ вновь поглощается серной кислотой и т. д. Окислы азота не расходуются, а возвращаются в производственный цикл. Но по­скольку окислы азота не полностью поглощаются серной  кислотой  и  частично  уносятся  отходящими  газами, создаются невозвратимые потери.
Выпускается несколько сортов С. к., которые отличаются содержанием Н₂SO₄ и SO₃ , а также составом и количеством примесей. Камерная кислота содержит (65% H₂SO₄, башенная — 75%, купоросное  масло башенных систем — 90,5%,  контактных — 92,5%.  Олеум для нитрозы содержит 20,0% SO₃, олеум для прочих це­лей — 18,5% SO₃ .С. к. аккумуляторная (сорт А и Б) содержит 92—94% H₂SO₄, но своему качеству приближается к реактивной кислоте, содержащей  91,5 —95,6% H₂SO₄.
Конц. С. к.— башенную, купоросное масло и олеум — хранят в стальных нефутерованных баках. Для хранения к-ты более низкой концентрации стальные баки футеруют кислотоупорной керамикой. Олеум, купоросное масло, башенную к-ту и меланж перевозят в обычных стальных железнодорожных цистернах. Камерную и более слабую к-ту перевозят в стальных цистернах, покрытых внутри свинцом пли специальными кислотоупорными материалами (полиизобутиленом, винипластом и др.). Цистерны для перевозки олеума покрывают снаружи термоизо­ляцией   во  избежание  замерзания  олеума.
Техника безопасности Сернистый SO₃ ангидрид вызывает раздражение кожи, слизи­стых оболочек носа, глаз и верхних дыхательных путей. Порог восприятия запаха 0,006—0,003 мг/л. При аварийном выделении газа пользуются фильт­рующим противогазом. Допустимая концентрация SO₂ 0.01 мг/л. SO₃ в свободном состоянии в воздухе не содержится: соединяясь с нарами воды, он образует туман, состоящий из мелких капель С. к. и затрудняющий дыхание. Допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны — 0,001 мг/л. Окислы азота вызывают кашель, ощущение удушья и сухости в горле, рвоту и головную боль. Допустимая концентрация окислов азота в воздухе рабочей зоны 0,005 мг/л (в пересчете на N₂O₅). Допу­стимая концентрация в воздухе рабочей зоны про­изводственных помещений селенистого ангидрида 0,001 мг/л. В случае отравления газами пострадав­шему необходим свежий воздух, кислород, при сильных отравлениях — искусственное дыхание, ме­дицинская помощь. Под действием С. к., меланжа и олеума кожа становится сначала белой, затем буроватой с покраснением. При этом окружающие ткани распухают. При попадании С. к. на кожу ее необходимо как можно скорее смыть сильной струей воды, обожженное место смочить 5%-ным раствором соды.
Применение. С. к. применяется в производстве минераль­ных удобрений, для получения разнообразных ми­неральных кислот и солей, всевозможных органических продуктов (в реакциях дегидра­тации (получение этилового эфира, сложных эфиров), гидратации (этиловый спирт из этилена), сульфи­рования (получение промежуточных продуктов в произ-ве красителей), алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама н т.п.)),  дымообразующих и взрыв­чатых веществ, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности. Самым крупным потребителем С. к. является производствово минеральных удобрений — суперфосфата и сульфата аммония.
НИТРАТ КАЛИЯ  KNO₃   Бесцветные прозрачные призматические кристаллы ромбической системы. Плотность 2,109 г/см³. Реактив устойчив на воздухе. Хорошо растворим в воде (24,1 % при 20 ⁰С) и разбавленном этиловом спирте, почти нерастворим в абсолютном спирте. При 334 ⁰С плавится в подвижную жидкость, которая при дальнейшем нагревании разлагается на О₂ и KNO₂.
Чистый препарат легко получить перекристаллизацией технической калиевой селитры.
Целью данной курсовой работы было получение относительно чистой
м-Нитробензойной кислоты с минимально возможными примесями и с  достаточно высоким выходом.
2.Литературный обзор

Нитрование – реакция замещения атома водорода нитрогруппой. Иногда нитрогруппа может замещать атомы галоида, сульфогруппу, карбоксильную группу и другие. Реже нитрогруппу вводят в молекулу путем присоединения соответствующего реагента по месту кратной связи в ненасыщенном соединении.
В качестве нитрующих агентов чаще всего применяются следующие соединения или их смеси:
1. азотная кислота различной концентрации;
2. смесь концентрированной азотной и концентрированной серной кислот в отношении 1:1 (нитрующая смесь);
3. нитраты щелочных металлов в присутствии серной кислоты;
4. нитраты металлов в присутствии уксусного ангидрида и уксусной кислоты;
5. азотная кислота или смесь азотной и серной кислот с уксусным ангидридом или ледяной уксусной кислотой;
6. органические нитраты;
7. азотистая кислота и четырехокись азота.
Способность органических соединений к нитрованию, то есть к замене водорода на группу  NO₂, неодинакова. Насыщенные соединения нитруются с трудом. Легко замещается водород, стоящий у третичного атома углерода, но известны также случаи нитрования метиленовых групп. Ненасыщенные соединения легко вступают в реакцию присоединения с сильными кислотами, в том числе и азотной, образуя в последнем случае нитропроизводные. Реакция нитрования ароматических соединений проходит, в общем, легко и является одной из важнейших реакций органической химии. Гетероциклические соединения также нитруются довольно легко, но труднее, чем ароматические соединения.