Příprava esterů kyseliny dusičné

V této obecné reakci se tvoří nitro estery z alkoholů. Alkohol máme tady vlevo. Ten reaguje s koncentrovanou kyselinou dusičnou a koncentrovanou kyselinou sírovou jako katalyzátorem. Tato reakce je reverzibilní. Můžeme tedy zapřemýšlet. Náš nitro ester vznikne tady vpravo. A zároveň s ním se vytvoří voda. Molekula vody tedy vznikne z vodíku na alkoholu a z OH skupiny na kyslině dusičné. Podívejme se na mechanismus vzniku nitro esteru. Začnu překreslením molekuly kyseliny dusičné. Myslím si, že tento mechanismus je správný, i když jsem jej hledal v knihách, ale nikde jsem jej nenašel. Proto doufám, že vám ukazuji ten správný. Dobře. Když zapřemýšlíme o kyselině dusičně a kyselině sírové, kyselina sírová je silnější kyselinou. Takže kyselina sírová je dárcem protonů a kyselina dusičná je jejich příjemcem. Kyselina dusičná zde funguje jako báze. Volný pár elektronů na kyslíku příjme proton. Teď má kyslík tři vazby. Dvě k vodíkům a jednu stále ještě k dusíku. A stále ještě má jeden volný elektronový pár, takže má formální náboj +1. Dusík zde tvoří dvojnou vazbu s jedním kyslíkem. A je pořád vázán ke kyslíku zde - 1 záporný formální náboj a 1 kladný formální náboj, takto. To byl první krok mechanismu - reakce kyseliny s bazí. V dalším kroku, když se podíváme zblízka, tak uvidíme, že voda je odstupující skupinou. Volný elektronový pár na kyslíku přesune, aby vytvořil novou pí vazbu, může "vyhodit" tyto elektrony sem na kyslík. A teď může odejít voda. Pojďme dál a nakresleme si výsledek. Takže teď máme H2O jako odcházející skupinu. H2O odešla. Teď máme dusík, který měl dvojnou vazbu ke kyslíku tady nahoře. Taď tvoří dojnou vazbu s jiným kyslíkem tady dole. A stále má formální náboj +1. Tohle uskupení je nazýváno nitroniový kation. A protože je dusík pozitivně nabitý, chce elektrony. Takže bude fungovat jako elektrofil v dalším kroku mechanismu. Teď přichází molekula alkoholu, který má tyto volné elektronové páry. Víme, že negativně nabité elektrony můžou fungovat jako nukleofily. Takže negativně nabitý elektron je přitahován pozitivně nabitým dusíkem. Nukleofilní atak "vykopne" tyto elektrony na kyslík. Nakresleme si produkt nukleofilního ataku. Teď máme R skupinu navázanou na kyslíku. A kyslík je nyní navázaný na dusík zde. Tento kyslík je také stále navázaný k vodíku, což mu dává 1 kladný formální náboj. Dusík slále tvoří dvojnou vazbu ke kyslíku nahoře a jednoduchou vazbu k tomuto kyslíku, takže tento kyslík má formální náboj -1 a dusík má +1. Nitro ester máme téměř hotový. Jediné, co teď musíme udělat, je reakce kyseliny se zásadou, abychom odejmuli proton z kyslíku. Voda je slabá báze. A volný elektronový pár na kyslíku může odejmout tento proton, a tyto elektrony zůstanou na kyslíku. A vytvoříme nitro ester. Teď máme R s kyslíkem, a pak, NO2, takto. Opakuji, myslím si, že tohle je správný mechanismus, ale nejsem si 100% jistý. Tvorba nitro esterů má jen pár velmi známých příkladů. Pojďme se podívat na nejznámější reakci, kde vzniká nitro ester. Pojďme se podívat, co by se stalo, kdybychom začali s tímto alkoholem jako reaktantem. Nazývá se glycerol (glycerin). Má 3 OH skupiny. Když reaguje glycerol s koncentrovanou kyselinou dusičnou za přístupu koncentrované kyseliny sírové, vznikne nitro ester na každé OH skupině. Takže vytvoříme nitro ester na každé OH skupině a dostaneme tento produkt. Navázali jsme nitro skupiny na glycerol, takže produkt se pak nazývá nitroglycerin. Samozřejmě, že každý zná nitroglycerin, velmi známou výbušninu. Je to kapalina extrémně citlivá na otřesy, takže je extrémně nebezpečná. Nitroglycerin není něco, co bychom se vůbec měli pokoušet vyrábět doma. Není to ani dobrý demonstrační pokus pro učitele chemie. Mnohem lepší pro učitele chemie bude příprava jiného nitro esteru vycházejícícho z bavlny nebo celulózy. Zde máme polymer celulózy. Je tvořen svazkem glukózových molekul. Tady máme molekulu glukózy. Tady máme molekulu glukózy. Když spojíme celý svazek glukózových molekul do jednoho obrovského polymeru dostaneme celulózu, také známou jako bavlna. Když vezmeme chomáček bavlny a smícháme ho s konc. kyselinou dusičnou a konc. kyselinou sírovou, vytvoříme nitro skupiny na všech alkoholových skupinách. Připravíme nitro estery. Všechny alkoholové skupiny se přemění na nitro estery. Takže tady začnu psát nitro estery. Povšimněte si, že na každé molekule glukózy jsou 3 nitro estery. Našim produktem je nitrocelulóza, také známá jako střelná bavlna. Střelná bavlna je mnohem více stabilní než nitroglycerin. Střelnou bavlnu můžeme uskladnit přes noc. A když ji podpálíme, udělá nám pěknou malou ohnivou kouli. Takže je to skvělý demonstrační pokus pro studenty chemie.