Tìm Hiểu Phản Ứng Nitro Hóa: Luận Văn Tốt Nghiệp Cử Nhân Hóa Học

Luận văn tốt nghiệp hóa học nghiên cứu tốt nghiệp hóa học tìm hiểu phản ứng nitro hóa, điều tra thực trạng, phân tích số liệu, đề xuất biện pháp cải tiến thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Đỗ Trọng Khôi
• Người hướng dẫn: PGS-TS Trần Thị Tửu
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Hóa Học Chuyên Ngành: Hóa Hữu Cơ
• Đề tài: Tìm Hiểu Phản Ứng Nitro Hóa
• Loại tài liệu: Luận Văn Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: TP HCM

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. PHẦN I: TỔNG QUAN
• 1.1. Cơ sở lí thuyết về phản ứng nitro hóa
• 1.1.1. Định nghĩa
• 1.1.2. Một số tác nhân nitro hóa
• 1.1.2.1. Axit nitric HNO3
• 1.1.2.2. Hỗn hợp HNO3 và H2SO4
• 1.1.2.3. Hỗn hợp muối nitrat và H2SO4
• 1.1.2.4. Ankyl nitrat
• 1.1.2.5. Dinitotetraoxit
• 1.1.3. Cơ chế phản ứng
• 1.1.3.1. Cơ chế nitro hóa các hợp chất thơm
• 1.1.3.2. Cơ chế nitro hóa các hidrocacbon no, thể khí
• 1.1.4. Sản phẩm phụ, xúc tác, dung môi
• 1.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng nitro hóa

Tóm tắt

I. Tìm Hiểu Về Phản Ứng Nitro Hóa Trong Hóa Học Hữu Cơ

Phản ứng nitro hóa là một trong những quá trình quan trọng trong hóa học hữu cơ. Quá trình này liên quan đến việc thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hiđro trong hợp chất hữu cơ bằng nhóm nitro (-NO₂). Việc hiểu rõ về phản ứng này không chỉ giúp sinh viên nắm vững lý thuyết mà còn có thể áp dụng vào thực tiễn. Phản ứng nitro hóa có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng.

1.1. Định Nghĩa Và Nguyên Tắc Cơ Bản Của Phản Ứng Nitro Hóa

Phản ứng nitro hóa là quá trình thay thế nguyên tử hiđro bằng nhóm nitro. Nguyên tắc cơ bản của phản ứng này là sử dụng axit nitric hoặc các tác nhân nitro hóa khác để tạo ra ion nitroni, từ đó tấn công vào hợp chất hữu cơ.

1.2. Tác Nhân Nitro Hóa Thường Gặp Trong Phản Ứng

Các tác nhân nitro hóa phổ biến bao gồm axit nitric và hỗn hợp sunfonitric. Những tác nhân này có khả năng tạo ra ion nitroni, giúp tăng cường hiệu quả của phản ứng nitro hóa.

II. Những Thách Thức Trong Phản Ứng Nitro Hóa

Mặc dù phản ứng nitro hóa có nhiều ứng dụng, nhưng cũng tồn tại nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là sự hình thành sản phẩm phụ không mong muốn. Điều này có thể làm giảm hiệu suất của phản ứng và gây khó khăn trong việc tách chiết sản phẩm chính.

2.1. Sản Phẩm Phụ Trong Phản Ứng Nitro Hóa

Sản phẩm phụ thường xuất hiện do sự cạnh tranh giữa các phản ứng khác nhau. Việc kiểm soát điều kiện phản ứng là rất quan trọng để giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ.

2.2. Ảnh Hưởng Của Nhiệt Độ Đến Phản Ứng Nitro Hóa

Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ và hiệu suất của phản ứng nitro hóa. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy của sản phẩm hoặc tạo ra các sản phẩm không mong muốn.

III. Phương Pháp Thực Hiện Phản Ứng Nitro Hóa Hiệu Quả

Để đạt được hiệu quả cao trong phản ứng nitro hóa, cần áp dụng các phương pháp phù hợp. Việc lựa chọn tác nhân nitro hóa và điều chỉnh các điều kiện phản ứng là rất quan trọng.

3.1. Sử Dụng Hỗn Hợp Sunfonitric Trong Nitro Hóa

Hỗn hợp sunfonitric là một trong những tác nhân nitro hóa mạnh mẽ nhất. Sử dụng hỗn hợp này giúp tăng cường hiệu suất phản ứng và giảm thiểu sản phẩm phụ.

3.2. Kiểm Soát Nhiệt Độ Trong Phản Ứng Nitro Hóa

Kiểm soát nhiệt độ là yếu tố quan trọng trong phản ứng nitro hóa. Nhiệt độ thấp thường giúp giảm thiểu sự hình thành sản phẩm phụ và tăng cường hiệu suất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phản Ứng Nitro Hóa

Phản ứng nitro hóa có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp hóa chất. Các sản phẩm nitro hóa được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thuốc, phẩm màu và các hợp chất hữu cơ khác.

4.1. Ứng Dụng Trong Sản Xuất Dược Phẩm

Nhiều loại thuốc được tổng hợp từ các hợp chất nitro. Phản ứng nitro hóa đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các thành phần hoạt chất trong dược phẩm.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Hóa Chất

Các sản phẩm nitro hóa cũng được sử dụng trong sản xuất phẩm màu và các hóa chất công nghiệp khác. Điều này cho thấy tầm quan trọng của phản ứng nitro hóa trong hóa học hữu cơ.

V. Kết Luận Về Phản Ứng Nitro Hóa Trong Hóa Học Hữu Cơ

Phản ứng nitro hóa là một quá trình quan trọng trong hóa học hữu cơ. Việc hiểu rõ về cơ chế, phương pháp và ứng dụng của phản ứng này sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong nghiên cứu và sản xuất. Tương lai của phản ứng nitro hóa hứa hẹn sẽ có nhiều tiến bộ mới, mở ra nhiều cơ hội trong lĩnh vực hóa học.

5.1. Tương Lai Của Phản Ứng Nitro Hóa

Với sự phát triển của công nghệ, phản ứng nitro hóa có thể được cải tiến để tăng cường hiệu suất và giảm thiểu sản phẩm phụ. Nghiên cứu mới sẽ mở ra nhiều hướng đi mới cho phản ứng này.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Nghiên Cứu Về Nitro Hóa

Nghiên cứu về phản ứng nitro hóa không chỉ giúp cải thiện quy trình sản xuất mà còn đóng góp vào việc phát triển các sản phẩm mới trong hóa học hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA HÓA LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN HÓA HỌC CHUYÊN NGÀNH : HÓA HỮU CƠ ĐỀ TÀI : TÌM HIỂU PHẢN ỨNG NITRO HÓA GVHD : PGS-TS TRAN THỊ TỬU SVTH : NGUYỄN ĐỖ TRỌNG KHÔI LỚP : 4 A KHÓA HỌC: 2002-2006 LỜI NÓI ĐẦU Hóa học là một bộ môn khoa học thực nghiệm. Lý thuyết phải gắn liền với thực nghiệm. Đối với sinh viên Khoa Hóa Trường Đại Học Sư Phạm Thành Phố Hổ Chí Minh, mặc dù tương lai là những giáo viên phổ thông, không đặt nặng vấn để nghiên cứu sâu về hóa học. Tuy nhiên, sinh viên ta không những phải nắm vững lí thuyết mà còn phải nấm vững thực hành.

Từ nam thứ ba, sinh viên Khoa Hóa Trường DHSP Thành Phố Hồ Chí Minh đã được học thực hành hóa học hữu cơ. Đây là môn học rất bổ ích cho sinh viên. Vì nó giúp cho sinh viên hiểu rõ lí thuyết, tin tưởng vào lí thuyết. Hơn nữa, nó còn giúp cho người giáo viên vững vàng khi đứng lớp, biết làm thí nghiệm để cho học sinh tin vào khoa học.

Tuy nhiên, việc học thực hành hóa học hữu cơ của sinh viên còn nhiều điều bất cập như là: thiếu dụng cụ, hóa chất, tài liệu thiếu thốn, tài liệu chưa thống nhất. Vì vậy, để góp chút sức nhỏ bé của mình trong việc giúp sinh viên học thực hành hóa học hữu cơ tốt hơn, em mạnh dan chọn để tài “ Tìm hiểu phản ứng nitro hóa”. Do hạn chế về thời gian, vé khả năng, nên em chỉ chọn một loại phản ứng trong thực hành hữu cơ năm ba, đó là phản ứng nitro hóa. Đây là một vấn để mang tính cơ bản, giáo khoa nên để tài của em khó có nhiều cái mới.

Diéu cốt yếu là em tổng kết từ nhiều cái cũ để để ra cách thức thực hành sao cho tốt nhất. Chắc chắn rằng để tài của em có nhiều thiếu sót. Kính mong các thay cô và các bạn đóng góp ý kiến! Em xin thành thật cám ơn! Đồng thời, em xin gửi đến cô Trin Thị Tửu-người trực tiếp hướng dẫn em, các thầy cô trong tổ hữu cơ và các thẩy cô khác, cùng toàn thể các bạn cùng khóa lời cám ơn chân thành nhất! TP HCM - Tháng 5 năm 2006 NGUYÊN ĐỖ TRỌNG KHÔI TN nổLH N62 ci eect pc eae Ue aan inom SARS RS ! Dae ÌỤC casi acai ea ieee 626640Ai260000000662A1i306/10N00A6 2020 52.ã5661016452 2 Pin 0 > TỔN GDNH nề 002666/066)3)0 02602066600 80i080466/024 4 L.Cơ sở lí thuyết vé phản ứng nitro hóa.--5+ 655 +c<sssssseeee 5 GES 2) 1S) | ye a nai iene. Một số tác nhân nitro h6A.-ssscscssessesescececsninsceseacsessbssanansesssvecese 5 [3:0 chế Phần Wha tááá(GG3200(22620041::2G100G10IGGG08562G00GGGISS6 10 L4.

Sản phẩm phụ, xúc tác, dung MOi. Các yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng nitro hóa. Nitro hóa các hợp chất thom. Cách tiến hành phan ứng và phân lập sản phẩm.

Ung dụng của phan ứng nitro W6a. Tinh chất một số hợp chất thơm và dẫn xuất nitro của nó .c0recssseececenerseepvvecsnssvevevensen) nesevensess avessosees i besessesebeicesecseast vaeees 19 T2.cccccserserenssanerasseccscansseccesnsensssceccsceess reeversserenenscaravas presen20 TLS. MER GIMTOD ORTON. 5000705101 ¢y0svegeecnssvsseencoss gonsenigeussseuecancessspsnecssesysennee 21 THÁO IN aa ai sissies toc ans ca eats a aad Seas mea Na21 I1: ' RA S262 i en aaa isis ahaha aaah aa 22 TUG; 2 Lo cài Hỏi.

sss is N0 nụ cccacesscenssccnmaccevs i toumamencasvvdccevens ps vosseenents pais 23 AR ee a ga ^ s.c 23 TCT MORI, vpurnasceassipemianisass petiesetnivh 44 panes isi isetesameese (epmenmnses sodeansem{ sbuneamnannss ites 23 IL.sscccscsscoscsssccsvsecesosecsvecsessesensennsansnnsenieneeseuenesnneenssennseee 25 Phân THỊ: Tho Sa Hí «sec csebenekicoeoiocooininceeioaasoeiniecaoioieee 26 LTTing liệt BỀcinema sais sissies cai icin a aa 27 L1.Phương trình phản ứng và cơ chế phản ứng.————————= 27 min việc cục cả: - NMNMNNAIRANAODAAAOANEAAAAARAANNNRNNNnnan 28 L4 8x10 ƯN NIÊN eeeeeeeesxeeeeedesireeeenoeskseooe 29 L5.Kiểm chứng sẵn phẾD. eo 602i eee 30 lí: Tổng hợo 1-nlyonapHBÌÏBN::scc2:cšc«cxiácc2 02% 012c26002 0 a6 36 1I.Phương trình phản ứng và cơ chế phản ứng. LE ETE ELT A ETE 17 ESTO | ce ee ee ee37 H4 KGt Genk G DGIHÏÖ Hỗ cay 6»662z26isdacinueesbooezdsozaebao 38 TUS: RiGee chiềng sân phẩm; cá cá¿iccci c2 1-0 cC 2 06ccoie 38 HH. Tong: Bo exit BÊ iso 3022006201 eee 43 IIL.Phương trình phản ứng và cơ chế phản ứng.

-----43 BEEZ FIG CHAE Về DU CU taasemnuuaaeosdtasgoskasseoyasesarsessaurdee 45 II Cách tiến ah ribs 26206200122 CGG200 aaa manned45 HAI dể HHa iiss Scales hacia A0 0G111604G000d00 46 HIL5.Kiểm chững tên phẩ Hi c2 ko 6202/62260 06+46 Phần III: Câu hỏi trắc nghiệm — Cách đánh giá .Lí thuyết về phân tích câu trắc [e-mail] thuyết về phân tích bài trắc nghiệm. 5© +2s+cs+reeexrexee 53 HEE So ws Crh epee TNG1400014666664310004ai6002620016G8)ii0i4210100GG a 54 IV:Mộtsố ket qua phán teh :25.c2 eh SS 56 Phần IV: Kết luận và để XUdt. 1a amano!60 BE Đổ THẾ kg na 8u c226ic6ceax6660x1u00816)105325208)6026666111i012)662i60564 60 Pin V/ TRÍ 1B Đám ĐÁ G62 cách 2220010262ả600186 61 Tài Hệu tham khdo sah ssa 62 AEN NT oR ee et Bee eee ce eee cee ee a See 63 KT TRG cacpsevnes iriennaiie is vacssasensnsies S2266353059662566135526201/a625503650-452202382đ20a3522262056504 5326864 PHẦN I: TỔNG QUAN Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS-TS Trần Thị Tửu L Cơ sở lí thuyết về phan ứng nitro hóa L1. Định nghĩa Nitro hóa là quá trình hóa học thay thế một hoặc nhiều nguyên tử hiđro của hợp chất hữu cơ bằng một hay nhiều nhóm nitro (-NO;) của axit nitric hoặc tác nhân tương đương.

Một số tác nhân nitro hóa Tác nhân nitro hóa bao gồm các loại hợp chất cung cấp được ion nitroni NO, cho phản ứng. Sau đây là một số tác nhân nitro hóa: L2. Axit nitric HNO, : Dung dịch nước có tỷ trọng d=1,42. Hàm lượng HNO, là 65-68%, axit nitric bốc khói có tỉ trọng là 1,49 hàm lượng HNO, 95%, Phản ứng nitro hóa xảy ra như sau: Ar-H + HNO,;—+Ar-NO, + HO.

lon nitroni được hình thành qua 2 bước: 2HNO, «—*_N,Os + HO N,O; ——>* NO,+ NO; 2HNO;%— NO,+NO; + H;O Nông độ axit đóng vai trò quan trọng trong phản ứng nitro hóa. Hàm lượng nước trong axit càng bé thì sự nitro hóa tiến hành càng tốt và ít kèm theo sự oxi hóa. Tác dung nitro hóa của axit nitric phụ thuộc nhiệt độ, sự hạ nhiệt độ phản ứng trong một mức độ lớn làm giảm tác dụng oxi hóa so với tac dung nitro hóa của axit. Sự nitro hóa các hợp chất không vòng thường được tiến hành trong các ống hàn kín ở nhiệt độ 100-140°C và dùng axit nitric pha loãng.

Hidrocacbon mach không vòng được nitro hóa rất khó khăn. Nitro hóa các ankyl benzen ở mạch nhánh bằng HNO, loãng được tiến hành trong các ống hàn kin. Thí dụ, từ toluen sẽ tạo thành phenylnitrometan với hiệu suất 50%, từ ctylbenzen sẽ được a- nitroetylbenzen, từ isopropylbenzen sẽ được a-nitroisopropylbenzen. Nguyên tử hidro ở nguyên tử cacbon bậc càng cao càng dễ dàng được thay thế bằng nhóm nitro.

Khi cho HNO, đặc tác dụng lên hidrocacbon paraphin thì sẽ tạo thành một ít sản phẩm polinitro cũng như một loạt sản phẩm oxi hóa. Các hợp chất thơm được nitro hóa bằng HNO; đặc, tuy nhiên nước sinh ra do kết quả phản ứng sẽ pha loãng axit làm xúc tác cho phản ứng phụ oxi hóa. Bằng axit nitric loãng cũng có thé nitro hóa phenol hoặc ete của nó. Khi nitro hóa naphtalen bằng HNO; thì nhóm nitro sẽ đi vào vị trí a ưu thế hơn, tuy nhiên cũng tạo thành một lượng nhỏ đồng phân B.

Có thé nitro hóa các amin thơm bậc một bằng HNO, chỉ sau khi đã bảo vệ nhóm amino bằng cách axyl hóa, benzoyl Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đỗ Trọng Khôi 5 Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS-TS Trần Thị Tửu hóa.Khi nitro hoá các andehit thơm bằng HNO, ở lạnh sé tạo thành các nitratandehit, chất này dễ dàng chuyển thành dẫn xuất nitro của andehit. Sự nitro hóa các axit thơm có nhóm cacboxyl ở mạch nhánh bằng HNO; xảy ra với hiệu suất tốt. Sự nitro hoá hợp chất thơm bằng HNO, với sự có mặt của Hg hoặc muối của nó được tiến hành một cách khác gọi là sự nitro-oxi hoá. Khi ấy ngoài sự nitro hoá còn xảy ra sự oxi hóa và tạo thành nitrophenol và polinirophenol hoặc các dẫn xuất của chúng.

Thí dụ, từ benzen sẽ tạo thành 2,4-dinitrophenol và axit picric, từ naphtalen sẽ được nitro naphtol và a- nitronaphtalen.2, Hỗn hợp HNO, và H;SO, Hỗn hợp này gồm HNO; và H;SO, va di nhiên có nước. Hỗn hợp này có tên gọi là sunfonitric hay còn gọi là “ hỗn hợp nitro hóa”. Hỗn hợp nitro hóa này mạnh hơn HNO, nhiều. Hơn nữa sử dụng hỗn hợp nitro hóa có lợi hơn dùng HNO, vì H;SO, hút nước làm giảm khả năng oxi hóa của HNO,, vả lại không nhất thiết phải dùng HNO; có néng độ quá đặc tránh sự tạo thành sản phẩm phụ là polinitro.

Sự có mặt của H;SO, trong hỗn hợp nitro hóa sẽ ngăn cản xảy ra phản ứng phụ và tăng đáng kể tính tan của các chất hữu cơ. Tác nhân nitro hóa là ion nitroni NO, được tạo thành theo phương trình:. HNO, + 2H;SO, “—S HO! + NO,+ 2HSO, Trong môi trường axit sunfuric phản ứng trên hầu như dịch chuyển về bên phải. Hỗn hợp nitro hóa này có tỉ lệ như thế nào là tùy thuộc vào tính chất của chất đem phản ứng.

Đối với hợp chất thơm có khả năng phản ứng cao( như phenol và phenol ete) thì chỉ cần dùng dung dịch HNO; 40% là đủ để nitro hóa mà không cần đến sự xúc tác của H;SO,. Các hợp chất thơm có khả năng phản ứng trung bình thì để nitro hóa | mol hợp chất thơm người ta dùng 1,5 mol HNO; đặc 68% (d=1,42) và 2,2 mol H;SO¿ đặc 98%. Còn đối với các hợp chất thơm có khả nang phản ứng thấp ( đa số các hợp chất thơm có chứa nhóm thế loại II) thì người ta dùng 2,3 mol HNO; loại 95-100% ( d= 1,49-1,50) với 2,6 mol H,SO, đặc 98%. Trong thực tế không chỉ dùng axit HạSO¿ vào hỗn hợp nitro hóa mà một số axit Lewis cũng được dùng vào mục đích này.

Ví dụ như botriflorua. HNO; + BF; ———> NO, + BF,OH Trong trường hợp này phản ứng nitro hóa sẽ xảy ra như sau: ArH + HNO, + BF; ——> ArNO, + BF. Hỗn hợp muối nitrat và H;SO, Khi cần nitro hóa với nồng độ HNO; cao, dung dịch nước của HNO; không đáp ứng được. Người ta có thể dùng hỗn hợp muối nitrat và H;SO; ở thể hoàn toàn khan nước.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đỗ Trọng Khôi 6 Luận văn tốt nghiệp Giáo viên hướng dẫn: PGS-TS Trần Thị Tửu NaNO, + H;SO,——>+ HNO, + NaHSO, Phản ứng thường hay dang để diéu chế dẫn xuất polinitro. Ví dụ nitro hóa anilin thành 2,3,4,6-tetranitroanilin. Trong một vài trường hợp, để nitro hóa người ta dùng nitrat kim loại ( thường là Cu, Fe, Mn, Co, Li) trong hỗn hợp với anhydrit axetic.