Оксид азота (N2O5) (10102-03-1) Физические и химические свойства

Химический профиль

Оксид азота (N2O5)

Неорганический оксид азота, используемый в качестве сильнодействующего нитрующего и окислительного реагента в производстве специальной химии; закупка и обработка требуют хранения и технологических операций в условиях отсутствия влаги.

Номер CAS	10102-03-1
Семейство	Оксиды азота
Типичная форма	Бесцветное кристаллическое твердое вещество
Распространённые стандарты	EP

В основном применяется как нитрующий/окисляющий реагент в НИОКР и специальной синтезе (часто в апротонных растворителях). N2O5 полезен для селективных преобразований, где необходимы сильные нитрониевые источники. Из-за гигроскопичности и высокой реакционной способности — в частности преобразования в азотную кислоту при контакте с влагой — закупка, хранение и контроль качества требуют чётких процедур сухой обработки, использования подходящих материалов и контролируемой среды при транспортировке для соблюдения спецификаций и безопасности персонала.

Пентаоксид диазота является неорганическим оксидом азота, относящимся к классу оксоанионов/ангидридов азотной кислоты, и обычно описывается как ангидрид азотной кислоты. Структурно он представлен молекулярной формулой \(\ce{N2O5}\); описание химической связи варьируется в зависимости от фазы и среды — от ковалентной \(\ce{O2N–O–NO2}\) структуры до ионного представления, включающего ионы нитрония и нитрата. Молекула сильно окислена (формальная степень окисления азота в среднем +5) и содержит большое количество кислорода на каждый атом азота, что придаёт ей выраженный электрофильный и окислительный характер в химических реакциях.

В электронном отношении данное вещество характеризуется поляризованными связями N–O и высоким топологическим полярным поверхностным объемом (TPSA = 101), что соответствует отсутствию доноров водородных связей (0) и множеству акцепторных неподеленых пар электронов кислорода. Практически не обладает основными свойствами и функционирует как кислотный ангидрид: гидролиз приводит к образованию сильных кислот, а в неабразивной среде возможно формирование нитрониевого электрофила. Физико-химическое поведение определяется высокой чувствительностью к гидролизу, окислительной реакционной способностью с органическими субстратами и термочувствительностью вблизи температуры плавления.

Распространённые коммерческие стандарты для данного вещества включают: EP.

Основные физические свойства

Плотность

Экспериментально определённое значение этого параметра в настоящий момент отсутствует в доступных данных.

Температура плавления или разложения

По экспериментальным данным, представляет собой бесцветное твердое вещество с температурой плавления около \(30\,^\circ\mathrm{C}\). Материал термически лабилен в области перехода из твёрдого состояния в жидкое и требует осторожности при обработке вблизи и выше этой температуры из‑за возрастания реакционной способности и склонности к гидролизу или разложению.

Растворимость в воде

Пентаоксид диазота не является простым инертным растворимым веществом в воде; он подвергается гидролизу с образованием азотной кислоты. Контакт с водой приводит к химическому превращению, а не простому растворению, сопровождающемуся выделением тепла в концентрированных системах и быстрым формированием кислых растворов, содержащих \(\ce{HNO3}\). На практике следует избегать работы с водой; при контакте с влагой полученный раствор является сильно кислым и коррозионно-активным.

pH раствора (качественная характеристика)

Растворы, образующиеся при гидролизе, обладают высокой кислотностью, так как \(\ce{N2O5}\) является ангидридом азотной кислоты. Экспериментальные численные значения pH в доступных данных отсутствуют, но ожидается низкое значение pH (кислотное) для продуктов гидролиза.

Химические свойства

Кислотно-основное поведение

\(\ce{N2O5}\) функционирует как ангидрид азотной кислоты (\(\ce{HNO3}\)). Реакция с водой приводит к образованию азотной кислоты; схематично: \[ \ce{N2O5 + H2O -> 2 HNO3} \] В неабразивных или сильно осушающих средах \(\ce{N2O5}\) может выступать в роли нитрующего реагента за счёт генерации нитрониевого электрофила \(\ce{NO2+}\), что позволяет проводить электрофильное нитрование активированных и некоторых деактивированных ароматических соединений.

Реакционная способность и стабильность

Соединение является сильным окислительным и нитрующим агентом и обладает высокой химической реакционной способностью по отношению к органическим субстратам, восстановителям и влаге. Оно термически и гидролитически менее устойчиво по сравнению с более низшими оксидами азота и азотной кислотой; повышение температуры и контакт с водой значительно увеличивают его реакционность. Растворы в неабразивных растворителях (например, в хлорсодержащих) применяются для снижения реакционной способности при нитровании, однако работа с ними требует строгого контроля влаги и органических примесей во избежание неконтролируемых реакций. Подробные количественные данные по кинетике разложения в доступных данных отсутствуют.

Молекулярные и ионные параметры

Формула и молекулярный вес

Молекулярная формула: \(\ce{N2O5}\)
Молекулярный вес: 108.01 \(\mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\)
Точная/моноизотопная масса: 107.98072110

Дополнительные вычисленные дескрипторы: XLogP3 = 0.7; топологическая полярная поверхность (TPSA) = 101; число доноров водородных связей = 0; число акцепторов водородных связей = 5; число вращающихся связей = 0.

Составляющие ионы

В твёрдом состоянии и в резонансных описаниях возможно ионное представление, при котором присутствуют нитрониевый и нитратный фрагменты (формально \(\ce{NO2+}\) и \(\ce{NO3-}\)). В растворе и в условиях реакций активным электрофилом для нитрования обычно считается \(\ce{NO2+}\). Также используется нейтральное ковалентное представление молекулярной структуры \(\ce{O2N–O–NO2}\) в некоторых фазах.

Идентификаторы и синонимы

Регистрационные номера и коды

Номер CAS: 10102-03-1
Номер EC: 233-264-2
UNII: 6XB659ZX2W
ChEBI ID: CHEBI:29802
DSSTox Substance ID: DTXSID90143672
InChI: InChI=1S/N2O5/c3-1(4)7-2(5)6
InChIKey: ZWWCURLKEXEFQT-UHFFFAOYSA-N
SMILES: [N+](=O)([O-])O[N+](=O)[O-]

Синонимы и распространённые названия

Пентаоксид диазота
Пентаоксид диазота
Пентаоксид азота
Ангидрид азотной кислоты
Нитронитрат
Оксид азота (N2O5)
Distickstoffpentoxid (на немецком)
Salpetersaeureanhydrid (на немецком)

(Существует несколько дополнительных синонимов и кросс‑ссылок, предоставленных депонентами; выше приведены основные и описательные названия.)

Промышленные и коммерческие применения

Функциональные роли и области использования

Пентаоксид диазота используется как окислительный и нитрующий реагент в органическом синтезе. Основная техническая роль — обеспечение способности к электрофильному нитрованию в неабразивных средах, где требуется генерация и контроль нитрониевого электрофила. Из‑за сильных окислительных и склонных к гидролизу свойств применение преимущественно ограничено контролируемыми лабораторными и промышленными процессами с соответствующими сухими, инертными условиями.

Типичные примеры применения

Документированное применение — использование раствора в хлороформе в качестве нитрующего агента для ароматических соединений. Типичные области применения — стадии нитрования в специальной химии и лабораторные электрофильные нитрования, когда другие нитрующие системы не подходят или требуется реагент, который непосредственно генерирует \(\ce{NO2+}\) в безводных условиях.

Обзор безопасности и обращения

Опасности для здоровья и окружающей среды

Оксиды азота, включая пентоксид диазота, являются раздражителями дыхательных путей и могут быть токсичны при вдыхании. Сообщается, что острые эффекты, связанные с воздействием родственных оксидов азота, включают раздражение верхних дыхательных путей, кашель, конъюнктивит, одышку, головную боль и потенциальное развитие отсроченного отёка лёгких. Пережившие тяжелый отёк лёгких могут развить хронические осложнения дыхательных путей. При контакте с влагой (включая влагу организма) пентоксид диазота образует азотную кислоту, которая является коррозионно-активной. Токсикологическая информация, специфичная для \(\ce{N2O5}\), ограничена, но среди зарегистрированных нежелательных эффектов, связанных с воздействием оксидов азота, отмечают метгемоглобинемию, токсический пневмонит, хронический бронхит и фиброгенное повреждение лёгких.