Herstellung und Verwendung von Benzonitril

benzonitrile structure

Benzonitril ist eine organische Verbindung mit der Formel C7H5N, abgekürzt PhCN. Es ist eine farblose Flüssigkeit mit einem süßen Bittermandelgeruch. Es wird hauptsächlich als Vorstufe des Harzes Benzoguanamin verwendet.

Inhaltsverzeichnis

1. Physikalische Eigenschaften von Benzonitril

Die folgende Tabelle fasst die physikalischen Eigenschaften von Benzonitril zusammen.

Eigenschaft Wert
Formel C7H5N / C6H5(CN)
Molekularmasse 103.1
Farbe farblose Flüssigkeit
Geruch mandelartiger Geruch
Siedepunkt 190,7°C
Schmelzpunkt -12,8°C
Relative Dichte (Wasser = 1) 1,0 g/cm3 (20 °C)
Brechungsindex 1.53056 (15 °C)
Löslichkeit in Wasser, g/100 ml bei 22 °C 0,1–0,5 (schlecht)
Mischbar mit üblichen organischen Lösungsmitteln
Dampfdruck, Pa bei 25°C 102
Relative Dampfdichte (Luft = 1) 3.6
Flammpunkt 75°C
Wärmekapazität 1.840 J/g/K
Verdampfungswärme 46 kJ/mol
Bildungswärme -155 kJ/mol
Verbrennungswärme 3063 kJ/mol
Selbstzündungstemperatur 550°C
Explosionsgrenzen, Vol.-% in der Luft 1,4-7,2
Octanol/Wasser-Verteilungskoeffizient als log Pow 1,56

2. Chemische Reaktionen von Benzonitril

Benzonitril ist eine farblose Flüssigkeit, die an Luft und Licht stabil ist.

Es ist ein starkes Lösungsmittel, das Poly(vinylchlorid), Poly(vinylacetat)-Harze, Polystyrol, Poly(methacrylat) und Nitrozellulose auflöst. Es löst jedoch weder Polyethylen, Polyamid, Poly(vinylalkohol) noch Fluorpolymere auf.

Benzonitril kann in Gegenwart einer starken Base oder Säure zu Benzoesäure und Ammoniak hydrolysiert werden.

Hydrolysis of benzonitrile to benzoic acid

Durch die Hydrierung von Benzonitril entstehen Benzylamin und Dibenzylamin.

Hydrogenation of benzonitrile

Die Reaktion von Benzonitril mit einem Grignard-Reagenz wie Methylmagnesiumbromid (CH3MgBr) in Gegenwart von trockenem Ether ergibt ein Additionsprodukt, das bei saurer Hydrolyse Acetophenon ergibt.

Production of Acetophenone from benzonitrile

Die Reaktion läuft wie folgt ab:

  1. Das Grignard-Reagenz addiert sich an die Kohlenstoff-Stickstoff-Dreifachbindung in Benzonitril und bildet ein Imin.
  2. Das Imin wird durch Säure hydrolysiert, wodurch die Kohlenstoff-Stickstoff-Bindung aufgebrochen wird und ein Keton entsteht.

3. Herstellung von Benzonitril

Benzonitril wird durch die Dampfphasenammoxidation von Toluol hergestellt, bei der es sich um die Reaktion von Toluol mit Ammoniak in Gegenwart von Sauerstoff handelt.

Production of benzonitrile by ammoxidation of toluene

Die Reaktion wird typischerweise bei hohen Temperaturen (450 °C) und Drücken (10–20 atm) über einem Katalysator wie einem Wolfram-Mangan-Komplex durchgeführt. Die Reaktion ist stark exotherm mit einer Reaktionswärme von -256 kJ/mol.

Die traditionellen Katalysatoren für die Ammoxidation von Toluol sind Vanadium und Molybdän, diese Katalysatoren weisen jedoch eine geringe Selektivität und eine starke Zersetzung von Ammoniak auf. Ein Wolfram-Mangan-Komplexkatalysator zeigt eine bessere Leistung mit einer Selektivität von bis zu 87,4 %.

Die Reaktion wird in einem Festbettreaktor durchgeführt. Die Toluolkonzentration im Zulaufstrom beträgt typischerweise 1,5 Vol.-%. Das Verhältnis von Ammoniak zu Toluol beträgt 4:1 bei einer Kontaktzeit von 2,4 s. Bei der Reaktion werden 97 % des Toluols und 30 % des Ammoniaks umgewandelt. Das Rohprodukt, das Ammoniak, Blausäure, Toluol und Hochsieder enthält, wird durch Destillation gereinigt.

Benzonitril kann auch aus Benzoesäure und Ammoniak hergestellt werden. Diese Reaktion wird in der Dampfphase bei 400–410 °C über Aluminiumoxid oder in der flüssigen Phase bei 225–245 °C durchgeführt.

production of benzonitrile from benzoic acid and ammonia

Weitere Methoden zur Herstellung von Benzonitril sind:

  • Flüssigphasenammoxidation von Toluol in Gegenwart eines Kobalt- oder Manganbromid-Katalysators
  • Dehydrierende Kondensation von Benzylalkohol oder Benzaldehyd mit Ammoniak
  • Die Hochtemperaturreaktion von Toluol mit Lachgas
  • Cyanierung von Benzol mit Chlorcyan oder Dicyan

4. Verwendung von Benzonitril

Benzonitril ist eine vielseitige Chemikalie mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Es ist ein Vorläufer vieler anderer Chemikalien, einschließlich Benzoguanamin, das durch die Reaktion von Benzonitril mit Dicyandiamid in Gegenwart einer starken Base hergestellt wird.

Benzoguanamin reagiert mit Formaldehyd oder Alkoholen und erzeugt ein hitzebeständiges duroplastisches Harz, das in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wird, darunter Beschichtungen, Klebstoffe und Verbundwerkstoffe.

Weitere Einsatzmöglichkeiten von Benzonitril sind:

  1. Lösungsmittel für eine Vielzahl organischer Verbindungen
  2. Reagens in der organischen Synthese
  3. Zwischenprodukt bei der Herstellung von Arzneimitteln und Pestiziden
  4. Flammhemmend
  5. Geschmacksverstärker

5. Toxikologie und Gefahren

5.1. Toxikologie

Benzonitril weist zwar eine geringere Toxizität als aliphatische Nitrile auf, kann jedoch über die Haut absorbiert werden, was zu Nebenwirkungen wie Gewebekrämpfen und Nervenlähmungen führen kann.

Die folgenden toxikologischen Daten geben Aufschluss über die potenziellen Gefahren:

Orale Exposition:

  • Ratte: LDLo (tödliche Dosis, niedrig) – 720 mg/kg
  • Maus: LD50 (tödliche Dosis, 50 % Mortalität) – 971 mg/kg

Inhalative Exposition:

  • Ratte: LCL0 (tödliche Konzentration, niedrig) – 950 ppm
  • Maus: LC50 (tödliche Konzentration, 50 % Mortalität) – 1800 mg/m3

Intraperitoneale (i.p.) Exposition:

Maus: LD50 – 400 mg/kg

Subkutane (s.c.) Exposition:

Kaninchen: LDL0 (tödliche Dosis, niedrig) – 200 mg/kg

Hautexposition:

  • Kaninchen: LD50 – 1250 mg/kg
  • Hautreizung: Mäßig

5.2. Gefahren

Benzonitril birgt bestimmte akute Gefahren, die sorgfältig abgewogen werden müssen:

Feuer und Explosion:

Der Stoff ist brennbar und setzt im Brandfall sowohl reizende als auch potenziell giftige Dämpfe oder Gase frei. Bei Temperaturen über 75 °C besteht die Gefahr der Bildung explosionsfähiger Dampf-Luft-Gemische.

Offenes Feuer sollte unbedingt vermieden werden. Bei Betriebstemperaturen über 75 °C empfiehlt sich der Einsatz eines geschlossenen Systems mit ausreichender Belüftung.

Brandbekämpfungsmaßnahmen sollten die Verwendung geeigneter Löschmittel wie Pulver, AFFF (wässriger filmbildender Schaum), Schaum und Kohlendioxid umfassen. Im Brandfall wird empfohlen, die Behälter durch Besprühen mit Wasser kühl zu halten.

Verhinderung der Entstehung von Nebel: Es ist wichtig, Vorkehrungen zu treffen, um die Entstehung von Nebel zu verhindern, da der Kontakt mit solchen Nebeln zu gesundheitsschädlichen Auswirkungen führen kann.

5.3. Symptome einer Exposition

Die Einwirkung von Benzonitril kann zu folgenden Symptomen führen:

Einatmen: Verwirrtheit, Kopfschmerzen, Atembeschwerden, Übelkeit, Bewusstlosigkeit, Erbrechen und Schwäche sind mögliche Symptome. Um das Risiko einer Inhalation zu verringern, sollten ausreichende Belüftung, lokale Absaugsysteme oder persönlicher Atemschutz eingesetzt werden.

Wenn es zu einer Exposition kommt, bringen Sie die betroffene Person an die frische Luft und sorgen Sie für Ruhe. In schweren Fällen kann eine künstliche Beatmung erforderlich sein und es sollte sofort ärztliche Hilfe in Anspruch genommen werden.

Haut: Bei Hautkontakt kann es zu Rötungen kommen. Um eine Hautexposition zu verhindern, werden Schutzhandschuhe und Schutzkleidung empfohlen. Bei Kontakt sollte kontaminierte Kleidung ausgezogen und die betroffene Hautstelle gründlich mit reichlich Wasser oder einer Dusche abgespült werden. Ärztliche Hilfe wird empfohlen.

Augen: Rötungen und Schmerzen sind mögliche Augensymptome. Es sollte ein geeigneter Augenschutz, wie z. B. eine Schutzbrille in Kombination mit einem Atemschutz, getragen werden. Bei Augenkontakt sollten die Augen mehrere Minuten lang mit reichlich Wasser gespült werden. Wenn die Person Kontaktlinsen trägt, sollten diese vor dem Spülen entfernt werden. Sofortige ärztliche Hilfe ist erforderlich.

Verschlucken: Verschluckungsbedingte Symptome können denen ähneln, die durch eine inhalative Exposition entstehen. Um eine Einnahme zu verhindern, ist es wichtig, bei Arbeiten mit Benzonitril nicht zu essen, zu trinken oder zu rauchen. Bei Verschlucken sollte der Mund ausgespült werden und die Person sollte sich ausruhen. Es sollte umgehend ärztliche Hilfe in Anspruch genommen werden.

Es ist von größter Bedeutung, bei der Arbeit mit Benzonitril geeignete Sicherheitsmaßnahmen einzuhalten, einschließlich der Vermeidung einer Exposition, der ordnungsgemäßen Verwendung persönlicher Schutzausrüstung (PSA) und der sofortigen ärztlichen Hilfe bei expositionsbedingten Symptomen oder Vorfällen.

Verweise