硝化

有機化学において、ニトロ化とは、有機化合物にニトロ基（−NO ₂）を導入する化学プロセスの総称です。この用語は、アルコールと硝酸の間で硝酸エステル（−ONO ₂）を形成する別のプロセス（ニトログリセリンの合成で起こるように）にも誤って適用されます。ニトロ化合物と硝酸塩（NO − 3）の分子構造の違いは、ニトロ化合物では窒素原子が非酸素原子（通常は炭素または別の窒素原子）に直接結合しているのに対し、硝酸塩エステル（有機硝酸塩とも呼ばれる）では窒素が酸素原子に結合し、その酸素原子は通常炭素原子（ニトリト基）に結合している点です。

厳密な意味でのニトロ化には多くの主要な工業用途があり、量的に最も重要なのはニトロベンゼンなどのニトロ芳香族化合物の製造です。この技術は長年にわたり成熟しています。^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ニトロ化反応は、特に爆発物の製造に利用されており、例えばグアニジンからニトログアニジンへの変換やトルエンからトリニトロトルエン（TNT）への変換などが挙げられる。しかし、ニトロ化は、ほぼすべての芳香族アミン（アニリン）がニトロ前駆体から製造されるため、非常に重要である。ニトロ芳香族化合物は毎年数百万トン生産されている。^{[ 2 ]}

芳香族化合物の典型的なニトロ化は、「混合酸」と呼ばれる試薬、すなわち濃硝酸と濃硫酸の混合物に依存している。^{[ 4 ] [ 2 ]}この混合物は、芳香族ニトロ化の活性種であるニトロニウムイオン（NO2 ₊ ^）を生成する。ニトロニウムテトラフルオロボレートの場合に単離できるこの活性成分^{[ 5 ]}は、混合酸を必要とせずにニトロ化を引き起こす。混合酸合成では硫酸は消費されないため、触媒としてだけでなく、水の吸収剤としても作用する。ベンゼンのニトロ化の場合、反応は50 ℃を超えない温暖な温度で行われる。^{[ 6 ]}このプロセスは、電子豊富なベンゼン環による攻撃を伴う求電子芳香族置換の一例である。 

代替メカニズムも提案されており、その中には単一電子移動（SET）を含むものもある。^{[ 7 ] [ 8 ]}

選択性は課題となる場合がある。多くの場合、代替生成物は不純物として作用したり、単に無駄になったりする。そのため、反応条件の最適化にかなりの注意が払われている。例えば、混合酸は硫酸の代わりにリン酸または過塩素酸から誘導することができる。 ^{[ 2 ]}

位置選択性は芳香環上の置換基によって大きく影響を受ける（求電子芳香族置換を参照）。例えば、ニトロベンゼンのニトロ化では、ジニトロベンゼンの3つの異性体すべてが93:6:1の比率（それぞれメタ、オルト、パラ）で得られる。^{[ 9 ]}他のニトロ基などの電子吸引基は不活性化する。アミノ基、ヒドロキシ基、メチル基、アミド基、エーテル基などの活性化基の存在によってニトロ化が促進され、パラ異性体とオルト異性体が得られる。位置選択性に加えて、ニトロ化の程度も興味深い。 例えば、フルオレノンは選択的にトリニトロ化^{[ 10 ]}またはテトラニトロ化される^{[ 11 ] 。}

^{ある情報源[ 12 ]}によると、アニリンを硝酸と硫酸で直接ニトロ化すると、パラ-ニトロアニリンとメタ-ニトロアニリンの異性体が50/50の混合物になる。この反応では、反応が速く活性化するアニリン(ArNH ₂ )が、より豊富だが反応性が低い(不活性化された)アニリニウムイオン(ArNH ₃ ^{+ )と平衡状態にあるため、この反応生成物の分布が説明できるかもしれない。別の情報源[ 13 ]}によると、アニリンのより制御されたニトロ化は、無水酢酸との反応によるアセトアニリドの形成から始まり、その後実際のニトロ化が行われる。アミドは通常の活性化基であるため、生成物はパラ異性体とオルト異性体である。反応混合物を加熱すると、アミドが加水分解されてニトロ化されたアニリンに戻る。

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