Nitrácia je organická reakcia, ktorou vzniká nitrozlúčenina, i.e. do molekuly sa zavedie nitroskupina -NO2. Z hľadiska mechanizmu organickej reakcie môže nitrácia prebiehať ako elektrofilná aromatická substitúcia (SEAr), respektíve bimolekulárna nukleofilná substitúcia (SN2), radikálová substitúcia (SR) alebo radikálová adícia (AR), resp. elektrofilná substitúcia (SE)
Radikálová substitúcia Nitrácia prebiehajúca mechanizmom radikálovej substitúcie sa realizuje na alifatických zlúčeninách, pričom sa takmer vždy jedná o priemyselné využitie, v laboratórnej príprave nitrozlúčenín má nitrácia alefatických zlúčenín len minoritný význam a využíva sa iba u jednoduchých alkánov a cykloalkánov. Problémom nitrácie prebiehajúcej mechanizmom radikálovej substitúcie je vznik širokej škály zlúčenín, čo znižuje výťažky žiadanej zlúčeniny.
Ako činidlá sa u nitrácii alifatických zlúčením mechanizmom radikálovej substitúcie používa kyselina dusičná alebo oxidy dusíka ako oxid dusičitý (N2O4) alebo oxid dusičný (N2O5).
Mechanizmus radikálovej nitrácie Mechanizmus radikálovej nitrácie je analogický s inými homolytickými substitučnými reakciami: ide o reťazovú reakciu začínajúcu iniciáciou (tvorbou radikálov, nasleduje propagácia za tvorby žiadaných a vedľajších produktov a terminácia za tvorby výchozích látok.
Iniciácia prebieha za homolýzy väzby O-N v kyseline dusičnej (HONO2), pričom sa tvorí hydroxylový radikál (HO* ) a nitroradikál ( *NO2).
HONO2 -> HO* + *NO2
Propagácia začína reakciou nitroradikálu ( *NO2) s uhľovodíkom (RH) za tvorby radikálu uhľovodíka (R*) a kyseliny dusitej (HNO2):
*NO2 + RH -> R* + HNO2
Radikál uhľovodíka (R*) ďalej reaguje s druhým nitroradikálom ( *NO2) za tvorby nitrozlúčeniny (RNO2).
*NO2 + R* -> RNO2
Kyselina dusitá (HNO2), ktorá vzniká v propagačnej fáze, symproporcionuje s kyselinou dusičnou (HNO3) na oxid dusičitý, i.e. nitroradikál ( *NO2)
HNO2 + HNO3 -> 2 *NO2 + H2O
Príklady radikálovej nitrácie Radikálová nitrácia etánu prebieha pri teplote 450 °C za vniku 80 až 90 % nitroetánu, pričom vedľajším produktom je nitrometán, ktorý vzniká vo výťažku 10 až 20 %.
CH3CH3 + HNO3 ->[{}][{450 °C}] CH3CH2NO2 + CH3NO2
Nitrácia izobutánu za rovnakých podmienok vedie len na 7% výťažok nitroizobutánu ((CH3)3CNO2 ), pričom hlavným produktom je 2-metylnitropropán ((CH3)2CHCH2NO2 ), pričom vo výťažku 20 % vzniká 1-metylnitroetán ((CH3)2CHNO2 ).
(CH3)3CH + HNO3 ->[{}][{450 °C}] (CH3)2CHCH2NO2 + (CH3)3CNO2 + (CH3)2CHNO2
Priemyselná nitrácia cyklohexánu 35% kyselinou dusičnou pri 1 MPa vedie na nitrocyklohexán len vo výťažku 40 %, pričom vznikajú ajestery kyseliny dusičnej a dusitej. bezrámu|429x429pixelů|Nitrácia cyklohexánu 35% kyselinou dusičnou pri 10 atmosférach|stred
Laboratórna nitrácia cyklohexánu pri normálnych podmienkach oxidom dusičným za refluxu v tetrachlórmetáne, i.e. pri teplote varu tetrachlórmetánu, ktorá je 77 °C, vedie na podobný výťažok nitrocyklohexánu (39%), pričom vzniká aj ester kyseliny dusičnej vo výťažku 41 %. bezrámu|stred|342x342bod
Nitrácia alkylaromátov (ako je napríklad toluén), vedie na zavedenie nitroskupiny do benzylovej polohy, pričom nitrácia môže pokračovať do druhého stupňa, výsledná zmes mononitroderivátu a dinitroderivátu závisí na reakčnej teplote a reakčnej dobe. Ako iniciátor tvorby radikálov NO2 sa využívajú meďnaté katióny, ktoré homolyticky štiepia väzbu N-N v molekule oxidu dusičitého. bezrámu|stred|364x364bod Elektrofilná substitúcia Nitrácia mechanizmom elektrofilnej substitúcie sa využíva u alifatických prekurzorov s kyslými α-vodíkmi, ide o elektrofilnú nitráciu C-kyselín, pričom ako nitračné činidlo sa využíva dýmavá kyselina dusičná (100% HNO3) alebo acetylnitrát (AcONO2), ktorý sa pripraví in situ z kyseliny dusičnej a anhydridu kyseliny octovej.
CH2(COOC2H5)2 ->[{100% HNO3}][{PhMe}] O2N-CH(COOC2H5)2
Elektrofilná nitrácia α-polohy slabších C-kyselín (pKa 20-25) vyžaduje najskôr tvorbu príslušného enolátu pripraveného deprotonáciou α-polohy pôsobením t-BuOK, resp. NaNH2), resp. je nutné výjsť z enolacetátu. Ako nitračné činidlá sa pri elektrofilnej nitrácii enolátov, resp. ich esterov využívajú nestabilné alkyl-nitráty ako metylnitrát (CH3ONO2), resp. amylnitrát (C5H11ONO2).
Príklady elektrofilnej nitrácie Nitrácia cyklooktanónu vyžaduje v prvom kroku deprotonáciu α-polohy za vzniku príslušného draselného enolátu, ktorý v druhom kroku reaguje s amylnitrátom na zodpovedajúcu α-nitrozlúčeninu. Ako vedľajší produkt tejto elektrofilnej nitrácie vzniká pentylester kyseliny 8-nitrooktánovej, ktorý vzniká prerušením C-C väzby medzi α-uhlíkom a ipsó-uhlíkom a vzniknutá karboxylová skupina je esterifikovaná alkoholom z pentylnitrátu. bezrámu|440x440pixelů|stred
Nitrácia benzylovej polohy benzylnitrilu mechanizmom elektrofilnej substitúcie v prvom kroku vyžaduje deprotonáciu etoxidom sodným, nasleduje nitrácia metylnitrátom za vzniku nitróniovej soli, ktorá sa v kyselom prostredí premení na α-nitrozlúčeninu.bezrámu|stred|319x319bod
Elektrofilná nitrácia 2,4,6-kolidínu vedie na zavedenie nitroskupiny na metyl v polohe 4, pričom reakcia v prvom kroku vyžaduje deprotonizáciu tejto metylovej skupiny v kvapalnom amoniaku amidom sodným a následná nitrácia metylnitrátom sa realizuje v kryopodmienakch pri -40 °C. bezrámu|stred|330x330bod
Preformovaný enolacetát je možné okamžite nitrovať, pričom v priebehu reakcie dôjde ku deacylácii za zisku α-nitrozlúčeniny. bezrámu|stredElegrantnou metódou syntézy alifatických nitrozlúčenín bez esterov kyseliny dusitej ako vedľajších produktov je obdoba Gabrielovej syntézy amínov, keďže sa vyjde z indán-1,3-diónov alkylovaných v polohe 2: elektrofilná nitrácia α-polohe poskytne α-nitroderivát, ktorý sa v alkalickom prostredí nechá hydrolyzovať napríslušný alkalický nitroderivát a kyselinu ftalovú. stred|bezrámu|491x491bod
Radikálová adícia Nitráciu možno realizovať aj mechanizmom radikálovej adície na alkény a alkíny. V závislosti od nitračného činidla je možné dostať:
β-halogénnitrozlúčeniny (za použitia chloridu nitrylu, čiže chloridu kyseliny dusičnej), β-nitroalkoholy (za použitia acetylnitrátu a následnej hydrolýzy esteru), vicinálne dinitrozlúčeniny a β-nitroalkylnitrát (za použitia oxidu dusičitého).
Syntéza β-halogénnitrozlúčenín Chlorid nitrylu je nitračné činidlo, ktoré je možné generovať v reakčnej zmesi z kyseliny dusičnej a kyseliny chlórsulfónovej (monochloridu kyseliny sírovej). Chlorid nitrylu reaguje s alkénmi mechanizmom radikálovej adície tak, že nitroskupina sa viaže na menej substituovaný atóm uhlíka a chlór na viac substituovaný atóm uhlíka. bezrámu|stred|390x390bod
Nitrovať mechanizmom radikálovej adície je možné aj elektróndeficitné dvojité väzby α,β-nenasýtených zlúčenín. bezrámu|stred|380x380bod Syntéza β-nitroalkoholov Radikálovou adíciou acetyl-nitrátu na alkény je možné získať β-nitroalkoholy tak, že v prvom kroku získaný ester sa nechá hydrolyzovať na alkohol. Regioselekttivita nitrácie acetyl-nitrátom je rovnaká ako u chloridu nitrylu (vide supra). bezrámu|512x512pixelů|stred Syntéza vicinálnych dinitrozlúčenín a β-nitroalkylnitrátov Oxid dusičitý je v rovnováhe medzi svojou dimérnou formou N2O4 a monomérnou radikálovou formou NO2. Pri teplote 27 °C je z 20% disociovaný na monomérnu radikálovú formu.
N2O4 <=>> *NO2
Preto je možné pri týchto teplotách nitrovať alkény oxidom dusičitým mechanizmom radikálovej adície za tvorby vicinálneho dinitroderivátu (RCH(-NO2)CH2NO2 ), pričom vedľajším produktom je β-nitroalkylnitrát (ester kyseliny dusitej: RCH(-ONO)CH2NO2 ), ktorý hydrolýzou prechádza na príslušný alkohol (RCH(-OH)CH2NO2 ).
RCH=CH2 + *NO2 -> R_*CHCH2NO2
R_*CHCH2NO2 + N2O4 -> RCH(-NO2)CH2NO2 + RCH(-ONO)CH2NO2 + *NO2
RCH(-ONO)CH2NO2 + H2O -> RCH(-OH)CH2NO2
Tento vedľajší produkt (RCH(-ONO)CH2NO2 ) môže namiesto hydrolýzy podľahnúť oxidácii na ester kyseliny dusičnej alebo eliminácii v trietylamíne na α,β-nenasýtenú nitrozlúčeninu.
RCH(-ONO)CH2NO2 ->[ox.] RCH(-ONO2)CH2NO2
RCH(-ONO)CH2NO2 ->[el.] RCH=CHNO2
Príklady syntéz vicinálnych dinitrozlúčenín a β-nitroalkylnitrátov Nitrácia eténu oxidom dusičitým vedie na vicinálny dinitroderivát, ktorý je hlavným produktom získaným v stredne dobrom výťažku, vedľajším produktmi sú β-nitroalkylnitrát vytvorený oxidáciou príslušného esteru kyseliny dusitej a hydrolytický produkt tohto esteru. bezrámu|stred|420x420bod
Cyklooktén sa nitruje na podobné produkty ako etén, pričom ester kyseliny dusitej podľahne v trietylamíne eliminácii na α,β-nenasýtenú nitrozlúčeninu.bezrámu|stred|479x479bod Aromatická nitrácia Aromatická nitrácia prebieha mechanizmom elektrofilnej aromatickej substitúcie (SEAr). Nitrácia aromatických kruhov je najdôležitejšia metóda, ktorou sa zavádzajú dusíkové funkčné skupiny na aromatické systémy. Tie sa ďalej transformujú napr. Sandmeyerovými reakciami na nedusíkové funkčné skupiny. Výhodou nitrácie aromatických kruhov je, že nitroskupina deaktivuje aromatický systém pre ďalšiu SEAr, a preto sa dájú kontrolovať podmienky vzniku mononitrovaných produktov. V prípade polynitrácie (zavádzania viacerých nitroskupín) je nutné použiť agresívnejšie podmienky reakcie.
Nitračné činidlá Existuje široká škála nitračných činidiel, rpičom pri jeho výbere je nutné zvážiť najmä reaktivitu aromatického systému. Keďže je nitrácia aromatických systémov použiteľná u mnohých výchozích látok, je možné optimalizáciou nájsť vhodné reakčné podmienky aj pre deaktivované aromatické systémy.
Kyselina dusičná Samotná kyselina dusičná je používaná v rôznych koncentráciách v závislosti na elektrónovej hustote aromatického systému. Kyselina dusičná môže viezť na produkty nitrácie, ale častejšie sa využíva nitračná zmes (vide infra), pretože samotná kyselina dusičná sa spolieha iba na autoprotonáciu kyseliny dusičnej, ktorá generuje nízku koncentráciu nitróniových katiónov. Zriedená kyselina dusičná sa používa na nitráciu aktivovaných aromátov, ako sú fenoly, fenolétery a amíny, pričom sa dajú selektívne pripraviť mononitroderiváty. stred|bezrámu|346x346bod stred|bezrámu|340x340bod
Nitračná zmes Nitračná zmes je zmes kyseliny sírovej a kyseliny dusičnej v rôznych koncentráciách. Kyselina sírová slúži ako dehydratačné činidlo, ktoré naprotonizuje kyselinu dusičnú a odštiepi z nej molekulu vody, preto je nutné používať neriedenú, koncentrovanú kyselinu sírovú, resp. oleum. Dýmavá nitračná zmes predstavuje zmes 100% kyseliny dusičnej a 100% kyseliny sírovej, resp. olea.
HNO3 + H2SO4 <=> NO2+ + H2O + HSO4-
stred|bezrámu|466x466bod
Nitračná zmes má nežiaduce oxidačné pôsobenie na niektoré substráty, preto sa pri nitráci fenolov do vyšších stupňov najskôr fenol nasulfonuje do požadovaného stupňa, napr. koncentrovanou kyselinou sírovou, a následne sa zrealizuje nitrácia koncentrovanou kyselinou dusičnou spojenou s ipso-substitúciou sulfoskupiny za nitroskupinu. stred|bezrámu|389x389bod Nitrácia anilínov v silno kyslom prostredí vedie na meta-regioizoméry, pretože arylamín sa najskôr naprotonizuje, čo zmení elektróndonornú aminoskupinu, ktorá je orto- a para-orientujúca na amóniovú skupinu, ktorá je meta-orientujúca kvôli jej silnému zápornému indukčnému efektu kladného náboja v blízkosti konjugovaného systému. stred|bezrámu|386x386bod V menej kyslom prostredí však nitrácia prebieha prednostne do orto- a para-polohy z kinetických dôvodov, pretože nitrácia aktivovaného aromatického systému neprotonizovanou aminoskupinou prebieha rapídne rýchlo na rozdiel od deaktivačného účinku amóniovej skupiny (naprotonizovanej aminoskupiny), kde nitrácia prebieha pomaly. Je teda nutné zvoliť také kyslé podmienky, kde existuje vhodná rovnovážna rovnováha medzi amínom a amóniovou soľou. stred|bezrámu|309x309bod