Nitrobenzol ist eine organische chemische Verbindung mit der Summenformel C6H5NO2. Es ist eine hellgelbe Flüssigkeit mit einem charakteristischen Geruch, der an Bittermandeln erinnert.
Inhaltsverzeichnis
1. Physikalische Eigenschaften von Nitrobenzol
Nitrobenzol ist als Mirbanöl bekannt. Es hat die chemische Formel C6H5NO2 und eine Molmasse von 123,1 g/mol. Diese hellgelbe Flüssigkeit verströmt ein an Bittermandeln erinnerndes Aroma und weist eine hohe Löslichkeit in verschiedenen organischen Lösungsmitteln auf.
Es zeigt vollständige Mischbarkeit mit Benzol in allen Mengenverhältnissen. Insbesondere dient Nitrobenzol als wirksames Lösungsmittel für Aluminiumchlorid, was es zu einer wertvollen Komponente bei der Friedel-Crafts-Acylierung und –Alkylierung macht.
Die Verbindung weist eine leichte Wasserlöslichkeit auf, die bei 20 °C etwa 0,19 % und bei 80 °C etwa 0,8 % beträgt. Darüber hinaus ist es mit Wasserdampf leicht flüchtig.
Verschiedene andere physikalische Eigenschaften von Nitrobenzol sind wie folgt:
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| mp | 5,85 °C |
| BP bei 101 kPa | 210,9 °C |
| BP bei 13 kPa | 139,9 °C |
| bp bei 4 kPa | 108,2 °C |
| bp bei 0,13 kPa | 53,1 °C |
| Dichte (fest) | 1,344 |
| Dichte (flüssig) 25°C | 1,199 |
| Viskosität (15 °C) | 2,17 × 102 mPa · s |
| Oberflächenspannung (20 °C) | 43,35 mN/m |
| Dielektrizitätskonstante bei 20 °C | 35,97 |
| Dielektrizitätskonstante bei 170 °C | 18.15 |
| Spezifische Wärme (30 °C) | 1,418 J/g |
| Latente Fusionswärme | 94,1 J/g |
| Latente Verdampfungswärme | 331 J/g |
| Flammpunkt (geschlossener Tiegel) | 88 °C |
| Selbstentzündungstemperatur | 482 °C |
| Explosionsgrenze in Luft (93 °C) | 1,8 Vol.-% |
| Dampfdichte | 4.1 |
| Brechungsindex (15 °C) | 1,55457 |
2. Chemische Reaktionen von Nitrobenzol
Nitrobenzol geht aufgrund der Anwesenheit der Nitrogruppe (-NO2) am Benzolring verschiedene chemische Reaktionen ein. Die Nitrogruppe ist eine elektronenziehende Gruppe, die die Reaktivität des Benzolrings beeinflusst.
Es entzieht dem Ring Elektronendichte und deaktiviert ihn für elektrophile aromatische Substitutionsreaktionen (EAS). Dies bedeutet, dass der Ring gegenüber der Substitution eines Elektrophils durch ein anderes Elektrophil, beispielsweise Wasserstoff, weniger reaktiv ist.
Chemische Reaktionen mit Nitrobenzol umfassen die elektrophile Metasubstitution des aromatischen Rings durch Prozesse wie Nitrierung, Sulfonierung oder Halogenierung.
Nitrobenzol kann als mildes Oxidationsmittel bei der Synthese von Verbindungen wie Chinolin und Fuchsin wirken.
Umgekehrt führt die Reduzierung der Nitrogruppe zu einer vielfältigen Produktpalette, wie in der folgenden Tabelle dargestellt:
| Reduktionsmittel | Produkt |
|---|---|
| Fe, Zn oder Sn/HCl, H2–Katalysator | Anilin |
| Zn – H2O | N-Phenylhydroxylamin (lagert sich mit Säure zu 4-Aminophenol um) |
| Na3AsO3 | Azoxybenzol |
| Zn – NaOH | Azobenzol, Hydrazobenzol (wandelt sich mit Säure zu benzidin um) |
| LiAlH4 | Azobenzol |
| Na2S2O3– Na3PO4 | Natriumphenylsulfamat (C6H5NHSO3Na) |
| Elektrolytische Reduktion | 4-Aminophenol |
Die Hauptprodukte der Reduktion sind Nitrosobenzol, N-Phenylhydroxylamin und Anilin, während andere Produkte durch nachfolgende Wechselwirkungen und Umlagerungen entstehen.
Es ist wichtig, hochspezifische Reduktionsbedingungen anzuwenden, um reine Produkte zu erhalten, und Zwischenstufen wie Nitrosobenzol sind typischerweise schwierig zu isolieren.
3. Herstellung von Nitrobenzol
Das traditionelle diskontinuierliche Nitrierungsverfahren beinhaltet die Zugabe einer gemischten Säure (Salpetersäure/Schwefelsäure/Wasser) (bestehend aus 27 – 32/56 – 60/8 – 17 Gew.-%) zu einem leichten Überschuss an Benzol (um das Vorhandensein von Salpetersäure im Abfall zu verhindern). Die Reaktion wird auf eine Temperatur von 50 – 55 °C kontrolliert und anschließend durch Erhitzen auf 80 – 90 °C vervollständigt.
Allerdings haben kontinuierliche Prozesse diesen Ansatz ersetzt, die unter ähnlichen Bedingungen arbeiten. Diese kontinuierlichen Prozesse bieten eine höhere Wirtschaftlichkeit und Sicherheit aufgrund der verbesserten Durchmischung und höheren Reaktionsgeschwindigkeiten, die in kleineren Reaktoren erreichbar sind.
Bemerkenswert ist, dass ein kontinuierlicher 120-l-Reaktor die gleiche Menge Nitrobenzol liefern kann wie ein diskontinuierlicher 6000-l-Reaktor. Die Reaktorkonfigurationen variieren, aber ein typisches Beispiel ist ein zylindrischer Rührreaktor, der bei 50–100 °C betrieben wird.
Die Wiederverwendung verbrauchter Säure ist wichtig und wird durch kontinuierliche Konzentration und Zugabe frischer Säure erreicht. Dies steht im Gegensatz zum diskontinuierlichen Wiederverwendungskonzept, aber beide Ansätze haben den gleichen Nachteil, dass eine äquivalente Menge verbrauchter Säure zur Entsorgung erzeugt wird.
Viele der heutigen Produktionsanlagen sind Paketeinheiten, die auf jahrelanger Konstruktionserfahrung basieren. Beispielsweise sind Meissner-Anlagen mit einer Kapazität von bis zu 12 t Nitroaromaten pro Stunde für zusätzliche Sicherheit mit einer Stickstoffüberlagerung ausgestattet.
Auf jeden Ausgabestream werden Bereinigungsschritte angewendet. Daher wird die verbrauchte Säure zusammen mit dem zugeführten Benzol extrahiert, um restliches Nitrobenzol und Salpetersäure zu entfernen. Außerdem werden Restabgase durch einen Mischsäurekreislauf gereinigt, um den Umweltvorschriften zu entsprechen.
Eine weitere innovative Entwicklung ist der von Nobel Chematur eingeführte Pumpennitrierkreislauf. Dieser Prozess ermöglicht die Nitrierung in der Pumpe selbst, was aufgrund der intensiven Durchmischung zu Reaktionszeiten von weniger als einer Sekunde und zahlreichen damit verbundenen Vorteilen führt.
Das Konzept eines adiabatischen Prozesses, der die Reaktionswärme zur Konzentration verbrauchter Säure nutzt, existiert seit 1941. Der gemeinsam mit CLR entwickelte adiabatische Prozess American Cyanamid bildet die Grundlage für eine der weltweit größten Nitrobenzolanlagen mit einer Nennleistung von 159.000 t /A.
Bei diesem Verfahren werden im Gleichstrom Ströme aus Benzol (1,1 Mol pro Mol HNO3) und gemischter Säure (6 – 8/62 – 68/24 – 32 Gew.-%) durch einen kräftig gerührten Rohrreaktor geleitet, dessen Eintritt bei 60 – 80 ° liegt Auf ca. 100 °C (unterhalb des Siedepunkts von Benzol) strömen und bei ca. 120 °C austreten, wobei eine Verweilzeit von ca. 4 Minuten gewährleistet ist.
Der Bedarf an deutlich schwächerer Schwefelsäure macht das Säurerecycling wesentlich kostengünstiger, insbesondere weil die Prozesswärme für die Verdampfung, insbesondere im Vakuum, nahezu ausreicht.
Eine weitere Möglichkeit, die Notwendigkeit einer separaten Neukonzentrierung der Schwefelsäure zu vermeiden, besteht darin, die Nitrierung bei höheren Temperaturen (120–160 °C) durchzuführen, wobei überschüssiges Wasser aus dem Nitrator als Azeotrop mit Benzol abdestilliert wird.
In einem Duplexverfahren wird das Benzolazeotrop, das aus der Hochtemperatur-Teilreaktion der ersten Stufe resultiert, in einer zweiten Stufe mit niedrigerer Temperatur verwendet, um die Reaktion abzuschließen. Obwohl die azeotrope Nitrierung erhebliche Energieeinsparungen ermöglicht, gilt sie nicht als so wettbewerbsfähig wie die adiabatische Nitrierung.
Alle diese Prozesse haben ähnliche Aufarbeitungsströme. Das Reaktionsgemisch gelangt vom Nitrator zu einem Separator oder einer Zentrifuge, und die wässrige verbrauchte Säure wird je nach Bedarf über einen Konzentrator oder eine Stärkeanpassungsstufe wieder dem Recyclingkreislauf zugeführt.
Das rohe Nitrobenzol durchläuft als oberste Schicht eine Reihe von Wäscher-Separatoren, in denen die restliche Säure zunächst mit verdünnter Lauge und dann mit Wasser abgewaschen wird. Das gewaschene Produkt wird einer Destillation unterzogen, um Wasser und Benzol zu entfernen (recycelt).
Bei Bedarf wird das Produkt abschließend vakuumdestilliert, um ein reines Produkt mit einer Gesamtausbeute von etwa 96 % zu erhalten. Die Waschstufen verursachen ein Abwasserproblem, das eine Abwasserbehandlung erforderlich macht, hauptsächlich zur Entfernung von Nitrobenzol.
Im Jahr 1985 betrug die weltweite Kapazität zur Nitrobenzolproduktion etwa 1,7 Millionen Tonnen pro Jahr, wobei etwa ein Drittel in Westeuropa und ein weiteres Drittel in den Vereinigten Staaten angesiedelt waren.
4. Verwendung von Nitrobenzol
Die Verwendung von Nitrobenzol als Lösungsmittel in bestimmten chemischen Reaktionen spielt eine untergeordnete, aber wichtige Rolle. Der Großteil (ungefähr 95 % oder mehr) des produzierten Nitrobenzols wird in Anilin umgewandelt, das als Vorstufe für zahlreiche Folgeprodukte dient.
Obwohl das Volumen geringer ist, umfassen andere industriell relevante Anwendungen die elektrolytische Reduktion zur Herstellung von 4-Aminophenol, die Nitrierung zu 1,3-Dinitrobenzol (7), die Chlorierung zu 3-Chlornitrobenzol (6) und die Sulfonierung zu 3-Nitrobenzolsulfonsäure (4). und Chlorsulfonierung ergibt 3-Nitrobenzolsulfonylchlorid (5).
Die letzten drei Produkte werden hauptsächlich als Vorläufer für ihre Reduktionsprodukte verwendet: 3-Chloranilin, Metanilsäure bzw. 3-Aminobenzolsulfonamid.
Anilin findet Anwendung bei der Herstellung von Urethanpolymeren, Gummichemikalien, Pestiziden, Farbstoffen (insbesondere Azofarbstoffen), Sprengstoffen und Pharmazeutika. Es handelt sich um eine vielseitige Verbindung mit einem breiten Einsatzspektrum in verschiedenen Branchen.
Zusätzlich zu seiner Rolle als Anilinvorläufer wird Nitrobenzol in bestimmten Labor- und Industrieprozessen auch als Lösungsmittel verwendet. Mit ihm lassen sich verschiedene Stoffe auflösen, vor allem solche, die nicht wasserlöslich sind.
Die Löslichkeit von Nitrobenzol in organischen Lösungsmitteln macht es zu einem nützlichen Werkzeug bei bestimmten experimentellen Verfahren.
Darüber hinaus wird Nigrosin (C.I. Solvent Black 5) als Rohmischung erhalten, die aus der Reaktion von Nitrobenzol mit Anilin und Anilinhydrochlorid bei einer Temperatur von 200 °C in Gegenwart von Eisen oder Kupfer resultiert.
5. Toxizität von Nitrobenzol
Nitrobenzol ist mit einem Grenzwert (TLV) von 5 mg/m³ hochgiftig und kann aufgrund seiner leichten Aufnahme über die Haut oder die Atemwege zu akuten Vergiftungen führen.
Zu den Haupteffekten der Exposition gehören eine Verringerung des Hämoglobinspiegels, Methämoglobinämie, Zyanose und Atemnot. Eine längere Exposition kann zu Schäden an Milz und Leber, Gelbsucht und Anämie führen.
Es ist wichtig zu beachten, dass der Konsum von Alkohol diese Effekte beschleunigen und verstärken kann. Daher müssen strenge und klar definierte Arbeitsbedingungen festgelegt und eingehalten werden, um eine ordnungsgemäße Kontrolle und Sicherheit zu gewährleisten.
Referenz
- Nitro Compounds, Aromatic; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a17_411
FAQ
Nitrobenzol ist eine organische chemische Verbindung mit der Summenformel C6H5NO2. Es ist eine hellgelbe Flüssigkeit mit einem charakteristischen Geruch, der an Bittermandeln erinnert.
Die chemische Formel von Nitrobenzol lautet C6H5NO2.
Nitrobenzol wird üblicherweise durch einen Prozess namens Nitrierung synthetisiert. Bei diesem Verfahren wird Benzol mit Salpetersäure oder einer Mischung aus Salpetersäure und Schwefelsäure umgesetzt, um eine Nitrogruppe (-NO2) am Benzolring einzuführen.
Nitrobenzol findet verschiedene industrielle Anwendungen, beispielsweise als Vorläufer bei der Herstellung von Anilin, das weiter zur Herstellung einer breiten Palette von Produkten verwendet wird, darunter Farbstoffe, Pharmazeutika und Kautschukchemikalien. Darüber hinaus dient es bei einigen chemischen Reaktionen als Lösungsmittel.
Nitrobenzol wird unter Verwendung von Reduktionsmitteln wie Eisen, Zink oder Zinn in Gegenwart von Salzsäure (HCl) oder unter Verwendung anderer Katalysatoren wie Wasserstoffgas (H2) zu Anilin reduziert.
Ja, Nitrobenzol gilt als hochgiftig und kann für den Menschen schwere Gesundheitsrisiken darstellen. Die Exposition gegenüber Nitrobenzol kann zu einer akuten Vergiftung führen und Auswirkungen wie Methämoglobinämie, Zyanose, Atemnot und Schäden an Organen wie Leber und Milz verursachen.
Nein, Nitrobenzol selbst wird üblicherweise nicht als Sprengstoff verwendet. Es ist jedoch eine Vorstufe bei der Synthese anderer Verbindungen, die bei der Herstellung von Sprengstoffen verwendet werden können.
Nitrobenzol ist aufgrund seiner früheren Verwendung als aromatisches Öl auch unter dem gebräuchlichen Namen „Öl von Mirbane“ bekannt.
