Nitration of Toluene with NO₂-O₃

이산화질소-오존을 이용한 톨루엔의 니트로화 반응

The well-established nitric acid-sulfuric acid mixed acid process for the nitration of aromatic compounds has serious problems due to the large amount of waste acids and severe reaction conditions. Nitration of toluene can be conducted using nitrogen dioxide and ozone instead of mixed acid. We found that conc. nitric acid increased the reactivity as catalyst and the amount of nitrogen dioxide controlled the extent of nitration. Dinitration proceeded to more than 92 mole % conversion within 2 hr at $0^{\circ}C$ with 6 eq. of nitrogen dioxide and 2 eq./hr of ozone flow. Toluene completed mononitration within 30 min using 3 eq. of nitrogen dioxide, 3 eq. of nitric acid, and 1.5 eq./hr of ozone flow. As a clean process of aromatic nitration, this method is expected to replace the present process which causes the environmental problems.

방향족 화합물의 니트로화 반응에 있어서 현재 산업적으로 쓰이는 진한 질산-진한 황산의 혼산 공정은 막대한 양의 폐산 발생으로 인한 폐수 문제와 강산 조건으로 인해 작업 과정에 문제가 많다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 혼산을 사용하지 않고 톨루엔을 니트로화 시키는 연구를 실시하였다. 이산화질소와 오존을 함께 사용하였으며, 산촉매로 진한 질산을 첨가할 경우 반응성이 증대될 뿐만 아니라, 이산화질소의 양으로 니트로화 정도를 조절할 수 있었다. 얼음 중탕에서 6당량의 이산화질소를 톨루엔과 함께 넣고 2당량/시의 유속으로 오존을 불어넣을 경우 2시간 내에 92 mole% 이상까지 디니트로화 반응을 진행시킬 수 있었다. 모노니트로화 반응의 경우 3당량의 진한 질산과 3당량의 이산화질소를 넣고, 1.5당량/시의 유속으로 오존을 불어넣을 경우 30분만에 반응이 완결되었다. 이 방법은 방향족 화합물의 니트로화 반응에서 심각한 환경문제를 야기하는 기존의 혼산 공정을 대체할 수 있을 것으로 기대된다.