Нитрониум (10102-44-0) Физические и химические свойства

Химический профиль

Нитрониум

Сильный электрофильный ион NO2+, обычно поставляемый в виде стабилизированных солей для контролируемой нитрации и технологических химических процессов.

Номер CAS	10102-44-0
Класс	Ион нитрониума (NO2+)
Типичная форма	Стабилизирован в виде кристаллических солей или в растворе
Распространённые сорта	EP

Используется как мощный электрофил в синтетической и технологической химии для электрофильной нитрации и смежных реакций; применяется в НИОКР, развитии технологических процессов и специализированном производстве. Закупка и контроль качества сосредоточены на форме соли, чистоте и стабильности — поставщики обычно предлагают материал сорта EP с техническими паспортами и сертификатами партий для поддержки формулировок, масштабирования и контроля качества.

Нитрониум — небольшой неорганический оксо-катион азотно-кислородного класса; структурно представляет собой диоксонийный катион с формулой \(\mathrm{NO}_2^{+}\). Ион формально изоэлектронен диоксиду углерода и обладает линейной геометрией O–N–O с двумя эквивалентными двойными связями N=O и формальным зарядом, локализованным в азотно-кислородном каркасе. Электронная структура определяется сильной π-связью между азотом и кислородом, а также высокой электрофильностью азотного центра; два атома кислорода обеспечивают места приёма неподелённых пар, однако общий заряд вида — однозарядный катион без доноров водородных связей.

Поскольку это заряженный, не нейтральный вид, нитрониум является высокополярным и обычно встречается в виде стабилизированных солей или сольвата ионов в сильно кислой среде, а не как свободное нейтральное соединение. Это мощный электрофил и сильная кислота Льюиса: он легко осуществляет электрофильное замещение в ароматических системах (нитрация) и реагирует с нуклеофилами, водой и основными субстратами. Гидролиз и сольватация в протичных средах приводят к быстрой конверсии в окиси азота и оксо кислоты; напротив, нитрониум образуется in situ в обезвоживающих, сильно кислых условиях (например, в смесях кислот) или выделяется в виде солей с нуклеофобными контр-ионами для применения в качестве нитрующих реагентов.

Общие коммерческие сорта для данного вещества включают: EP.

Молекулярные параметры

Молекулярный вес и формула

Молекулярная формула: \(\mathrm{NO}_2^{+}\) (обозначается как NO2+).
Молекулярный вес: 46.006 \(\mathrm{г}\,\mathrm{моль}^{-1}\).
Точная масса / моноизотопная масса: 45.992903243 (атомных единиц массы).

Небольшой молекулярный вес и компактная триатомная структура соответствуют высокой плотности заряда; это способствует сильной сольватации, низкой присущей липофильности и высокой подвижности в ионных решётках или суперкислотных растворах.

Степень заряда и тип иона

Формальный заряд: \(+1\).
Тип иона: простой оксо-катион (диоксонитрогений(1+)).

Нитрониум — катион с закрытой оболочкой, а не радикал; ведет себя как классический электрофил/кислота Льюиса. В конденсированных фазах обычно присутствует как пар ионов (соли) или как сильно сольватированный ион в кислотной среде.

LogP и полярность

Экспериментальных значений данного параметра в текущем наборе данных не установлено.

Качественно, нитрониум крайне полярен благодаря формальному положительному заряду и малому размеру. Как ион практически не распределяется в неполярные фазы; липофильность на практике определяется контр-ионом и средой сольватации (например, в органических средах нитрониум может переноситься в виде ионных пар с крупными, слабо координирующими анионами).

Структурные идентификаторы (SMILES, InChI)

SMILES: N+=O
InChI: InChI=1S/NO2/c2-1-3/q+1
InChIKey: OMBRFUXPXNIUCZ-UHFFFAOYSA-N

Канонические SMILES и InChI отражают линейный диоксо-катион; эти идентификаторы подходят для поиска по структурам и однозначного машинного представления иона.

Кислотно-основные свойства

Конъюгированная кислота и специация

Будучи катионом, нитрониум не имеет традиционного pKa при депротонировании; его кислотно-основное поведение описывается кислотностью Льюиса и равновесиями, которые преобразуют его в другие азотно-кислородные виды. В протичной или основной среде нитрониум быстро нейтрализуется нуклеофилами (включая воду), превращаясь в азотную кислоту или другие оксиды азота. В сильно кислой, обезвоживающей среде (например, смесях, удаляющих воду из азотной кислоты) нитрониум генерируется и может существовать временно как свободный электрофил или соль, связанная с ненуклеофильными анионами.

Специация в растворе сильно зависит от полярности растворителя, активности воды и природы контр-иона или среды; изолированные кристаллические соли с некогерентными анионами обеспечивают наиболее стабильные конденсированные формы.

Кислотно-основные равновесия и качественное обсуждение pKa

Экспериментальных значений для этой характеристики в текущем контексте нет.

Качественно, нитрониум функционирует как сильный электрофильный вид, а не как кислота Бренстеда или база в обычном понимании. Образование из азотной кислоты включает протонирование/обезвоживание в сильно кислых условиях; напротив, перенос протона и гидролитические реакции быстро удаляют нитрониум в присутствии протичных нуклеофилов.

Химическая реактивность

Химическая стабильность

Нитрониум по своей природе является реакционноспособным и обычно нестабилен по отношению к нуклеофилам и влаге. Это мощный электрофил, который легко нитрует активированные ароматические системы и другие нуклеофильные субстраты. Стабильность повышается, когда катион связан с слабо координирующими, ненуклеофильными анионами (например, некоторыми фторсодержащими анионами) и в апротичных, безводных и низконуклеофильных средах или твердых солях.

Термическая и окислительная стабильность солей нитрониума сильно зависит от контр-иона и кристаллической решётки; некоторые соли выделяются в виде кристаллов, тогда как свободный ион в растворе короткоживущ, если среда не является сильно обезвоживающей и кислой.

Пути образования и гидролиза

Образование: - Типичное лабораторное получение: химия обезвоживания/протонирования в смесях кислот (например, концентрированная азотная кислота в присутствии обезвоживающей сильной кислоты) приводит к образованию нитрониума как активного электрофила для нитрационных реакций. - Химическая изоляция: формирование кристаллических солей нитрониума с некоординирующими анiонами даёт выделяемые источники катиона для подготовки.

Гидролиз / инактивирование: - Нитрониум реагирует с водой и другими нуклеофилами; типичная гидролитическая реакция представляет собой превращение в азотную кислоту и протон, например \(\mathrm{NO}_2^{+} + \mathrm{H}_2\mathrm{O} \rightarrow \mathrm{HNO}_3 + \mathrm{H}^{+}\). - Реакции с органическими нуклеофилами обычно приводят к нитрации или окислительным преобразованиям в зависимости от субстрата и условий.

Эти пути образования и разрушения определяют роль нитрониума как электрофила в промышленной и лабораторной нитрационной химии и обосновывают необходимость безводных и контролируемых условий при работе с видом или его солями.

Идентификаторы и синонимы

Регистрационные номера и коды

Номер CAS: 10102-44-0
Идентификатор ChEBI: CHEBI:29424
Номер Никадзи: J2.460.898K
Wikidata: Q418329
InChIKey: OMBRFUXPXNIUCZ-UHFFFAOYSA-N

Данные регистрационные записи и идентификаторы соответствуют ионному виду нитрониума и связанным номенклатурным записям.

Синонимы и структурные наименования

Распространённые синонимы и альтернативные названия включают: - нитрониум - диоксид азота(1+) - ион нитрониума - нитрил-катион - NO2+ - (NO2)(+) - оксазановый оксид #

Эти синонимы отражают как систематическую, так и тривиальную номенклатуру для вида \(\mathrm{NO}_2^{+}\).

Промышленные и коммерческие применения

Роль в качестве активного ингредиента или промежуточного продукта

Нитрониум (в качестве активного электрофила) является ключевым в химии нитрования: это реакционноспособный вид, который вводит нитро-функциональные группы в ароматические и некоторые алифатические субстраты. На практике нитрониум используется или генерируется как промежуточный продукт при производстве нитроароматических промежуточных соединений для красителей, фармацевтических препаратов, агрохимикатов и энергетических материалов. Изолируемые соли нитрониума с некординатными анионами применяются как удобные, пригодные к хранению нитрующие реактивы или электрофильные активаторы в синтетической химии.

Типичные области применения

Электрофильное ароматическое нитрование в условиях тонкохимического и технологического синтеза, как правило, генерируемое in situ из кислотных смесей или поставляемое в виде соли нитрониума.
Получение нитро-функционализированных промежуточных соединений для дальнейшего синтетического преобразования (восстановление, замещение или другие трансформации).
Научные исследования, требующие хорошо определённого, сильного электрофила или катализатора Льюиса в безводных, ненуклеофильных средах.

Если в конкретной спецификации поставки не приводится краткое резюме применения, выбор источников нитрониума обычно основывается на требуемой реакционной способности, влиянии контр-иона и совместимости с условиями последующих технологических процессов.

Обзор безопасности и обращения

Токсичность и биологические эффекты

Нитрониум и его соли являются коррозионно вредными и могут вызывать тяжёлые химические ожоги при контакте с кожей, глазами и слизистыми оболочками. Ион и многие его соли — сильные окислители, реакционноспособны с выделением тепла при взаимодействии с водой и органическими веществами; вдыхание аэрозолей или туманов опасно. Меры контроля экспозиции должны быть направлены на предотвращение контакта, обеспечение эффективной вентиляции и использование соответствующих средств индивидуальной защиты (химически стойкие перчатки, защита глаз, лицевой щиток, защитная одежда и подходящие дыхательные средства при невозможности исключения концентраций в воздухе).

Для количественных показателей токсичности (LD50, предельно допустимые концентрации на рабочем месте) рекомендуется обращаться к специфической безопасности документации продукта; численные значения здесь не представлены.