BENZENİN NİTROLANMASINDA GRAFİTİN KATALİZÖR OLARAK ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI - PDF
Download "BENZENİN NİTROLANMASINDA GRAFİTİN KATALİZÖR OLARAK ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI"
Basak Dilara Boz
1 TÜBİTAK-BİDEB KİMYA BİLİM DANIŞMANLIĞI ÇALIŞTAYI ORGANİK KİMYA GRUBU BENZENİN NİTROLANMASINDA GRAFİTİN KATALİZÖR OLARAK ETKİSİNİN ARAŞTIRILMASI Proje Raporu Proje Ekibi Rebi BARIN İbrahim ŞEN Proje Danışmanı Prof.Dr. Hasan SEÇEN Atatürk Üniversitesi Erzurum 29 Ağustos-09 Eylül 2007 Çanakkale Fen Lisesi
2 PROJENİN ADI: Benzenin Nitrolanmasında Grafitin Katalizör Etkisinin Araştırılması PROJENİN AMACI: Aromatik sistemlerin nitrolanmasında grafitin katalizleme etkisinin araştırılması. Günümüz kimya endüstrisinde ideal katalizör ekonomik olan, bol bulunan, geri kazanılan ve tepkime mekanizmasında adım sayısını en aza indiren maddedir. Benzenin nitrolanma tepkimesinde grafitin katalizör etkisi araştırılacaktır. GİRİŞ Doymamış halkalı, düzlemsel geometriye sahip bileşiklere Aromatik Bileşikler denir. En basit aromatik bileşik benzendir. Aromatik hidrokarbonlar benzen molekülünün türevleridirler. Benzen molekülü Şekil 3.1. Benzen molekülü Aromatik bileşikler çift bağlar içeren diğer moleküllere göre daha kararlıdırlar ve farklı kimyasal davranışlar gösterirler. Aromatikliğin şartı, (4n+2) pi kuralına uygun olmalı, halkalı olmalı,düzlemsel olmalı,pi elektron sistemine sahip olmalıdır. Benzen molekülünün formülü C 6 H 6 dır. Benzen molekülünde üç çift bağ vardır ve bu çift bağlar sürekli rezonans halindedir. Benzen molekülü alkenlere göre çok daha kararlıdır ve çok zor katılma tepkimesi verirler.  Üç çift bağın rezonans yapısından dolayı benzen halkası bu şekilde de gösterilir. Şekil 3.2. Benzenin rezonansları Nitro ve benzeri sübstitüentler aromatik halkaları deaktive ederler. Bu tür fonksiyonel gruplar elektron çeken (halkanın elektron yoğunluğunu azaltan) sübstitüentlerdir. Nitro benzen ve benzeri durumdaki aromatik bileşikler benzene göre daha az nükleofilik karaktere sahip (daha az reaktiftir) olacak ve benzene göre daha zorlayıcı koşullarda sübstitüsyon reaksiyonu vereceklerdir. 
3 Benzen halkasındaki hidrojen atomlarından birinin yerine nitro grubunun geçmesiyle oluşan bileşik nitrobenzen olarak adlandırılır. Benzen halkasına NO 2 grubunun bağlanması için yapılan işleme Nitrolama denir. Nitrolama için benzen ve HNO 3,H 2 SO 4 katalizörlüğünde tepkimeye sokulur.  Benzenin elektrofilik sübstitüsyon nitrolanma mekanizması: Şekil3.3. Benzenin nitrolanma mekanizması
4 Aromatik elektrofilik sübütitüsyon reaksiyonlarında nitro grubu meta yönlendiricidir.  Benzen halkasına ikinci bir grup eklenmesi, birinci grup tarafından yönlendirilir. Şekil 3.4. Nitrobenzenin nitrolanma mekanizması Grafit gayet yumuşak, dokunumu yağsı ve ince levhalar halinde bükülme özelliğine sahip bir karbon mineralidir. Sertliği 1,yoğunluğu 2gr/cm 3 tür. Rengi siyah ve gri, çizgi renginde ve yağlıcadır. Doğada kristal, pul ve amorf diye tanımlanan şekilleri mevcut olup en iyi formu kristal grafitin tenoru en yüksek olanıdır.  Grafitin Friedel-Crafts açilleme reaksiyonlarında verimi arttırıcı bir katalizör olarak kullanıldığını bildiren çalışmalar yapılmıştır.  Ancak nitrolama reaksiyonlarındaki etkisi araştırılmamıştır. Nitro bileşikleri ilaç, gübre, boya ve patlayıcı yapımında ara madde olarak kullanılmaktadır.  YÖNTEM 20 ml derişik sülfürik asit(d=1,84 gr/cm 3 ) ve 20 ml derişik nitrik asit (d=1,42 gr/cm 3 ) çözeltileri erlende 20 dk. karıştırıldı. Karışım oda sıcaklığında soğumaya bırakıldı. Soğuyan karışıma 2,5 ml benzen ilave edilerek 80 0 C de manyetik karıştıcı ile 1 saat ısıtıldı. Soğutulduktan sonra 100 ml 5 0 C daki soğuk suya boşaltıldı. Yağımsı bir madde olarak suyun altında organik bir fazın oluştuğu görüldü. Bu fazın dinitro benzen olabileceği düşünülerek, faz ortadan kayboluncaya dek sıcakta etil alkol eklenerek soğumaya bırakıldı. Fakat çözelti oda sıcaklığına geldiğinde organik fazın yeniden aşağıda toplandığı görüldü. Bu faz dekantasyon ile ayrıldı. Sodyum sülfat üzerinden kurutuldu, süzüldü ve kaynama noktasına bakıldığında C a yakın bir sıcaklıkta kaynadığı görüldü. Literatürde nitrobenzenin de
5 kaynama noktasının C olarak verildiğinden bu reaksiyonda oluşan ürünün nitrobenzen olduğuna karar verildi.  Benzenin nitrolanması reaksiyonu aynı koşullarda ilk denemedeki nicel değerlerle birlikte kütlece %10 grafit (0,4 gr) kullanılarak gerçekleştirildiğinde ise katı çökelek elde edildi. Elde edilen katı ham ürünün su banyosunda ısıtılarak erime noktası tayini yapıldığında 80 0 C belirlendi. Ham ürün ileri bir kristallendirme yapılmak istendi. Fakat kristallenmenin beklenen hızda olmaması nedeni ile ikinci bir kristallendirme yapılamadı. Literatürde safsızlıkların erime noktasını düşürdüğü bilinen bir durumdur. Burada da ham katı ürünün erime noktasının 80 0 C olması ve m-nitrobenzen için de verilen erime noktasının 89 0 C olması, reaksiyon şartlarında ileri bir nitrolama olduğunu göstermektedir. Süre darlığı nedeni ile reaksiyonun kimyasal verimini yükseltmek için herhangi bir ileri çalışma gerçekleştirilememiştir. SONUÇ VE TARTIŞMA Yapılan deneylerde grafitin etkin bir katalizör olduğu sonucuna varıldı. Grafit katalizörü kullanılarak benzenin nitrolanmasında m-dinitrobenzenin oluşması, grafitin kolayca süzülerek geri kazanılması tepkimeyi basit ve verimli hale getirmiştir. Bu safhada kimyasal verimin belirlenmesi ve arttırılması üzerine optimizasyon (sıcaklık, süre, katalizör yüzdesi, ayırma, kristallendirme v.b.) çalışması yapılamamıştır. Mevcut araştırma ortamında benzen, H 2 SO 4 ve HNO 3 teknik düzeydedir. Spektroskopik cihazla donanımlı ve GC/MS yapılabilecek bir araştırma ortamında, grafitin katalizör etkisi daha ileri bir düzeyde açıklığa kavuşturulabilir.
6 KAYNAKÇA  Yalaki Y. Ders Notları, Hacetttepe Üniversitesi,  Yrd.Doç.Dr. Berber H. Anadolu Üni Hidrokarbonlar,  Denel Organik Kimya / Ender Erdik-Metin Obalı-Nadire Yüksekışık-Atilla Öktemer-Tarık Pekel, Ankara,  Prof.Dr. OSKAY E.Organik Kimya Kitabı Hacettepe Üni.Yay. (1975)  Graphite.  Sarvari,M. H.Sharghi.,H. Helvetica Chimica Acta, (2005), 88,  Nitrobenzene.  Doç.Dr.AY M. Nitel ve Nicel Organik Analiz Gazi Kitabevi, Ankara, (2003)