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Mechanistic Insights into m-T oluic Acid Nitration in Nitric Acid under Intrinsic Kinetic and Dissolution-Diffusion Controlled Regimes

硝化作用 硝酸 化学 溶解 动力学 化学动力学 溶解度 动能 无机化学 硝酸盐 反应机理 焓 有机化学 偶联反应 热力学 一氧化氮 计算化学 化学反应 产量(工程) 工作(物理) 扩散
作者
Quan Li,Xunli Zhang,Nan Jin,Ying Chen,Haoyu Jie,Yuchao Zhao,Qingqiang Wang
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:65 (25): 13008-13022
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.6c01273
摘要

3-Methyl-2-nitrobenzoic acid, a key intermediate in the synthesis of the broad-spectrum insecticide chlorantraniliprole, is predominantly produced via the nitration of m -toluic acid in a nitric acid medium. However, nitric acid is characterized by relatively low acidity, limited availability of the nitronium ion (NO 2 + ), and low solubility of m -toluic acid, leading to complex and poorly understood interactions between reaction kinetics and mass-transfer that significantly constrain industrial production and application. In this study, a unified kinetic framework was established that systematically integrated medium thermodynamics, intrinsic reaction kinetics, and mass-transfer behavior for m -toluic acid nitration in nitric acid. By incorporating acidity function and water activity, the intrinsic nitration kinetics were determined for the first time under rigorous conditions that eliminated mass-transfer limitations. The acidity function was calculated from dissolution enthalpy data using the van’t Hoff equation, while water activity was evaluated using the Pitzer model. Both dissolution and shrinking-core models were evaluated, with the dissolution model more accurately capturing the reaction behavior of large-flake particles. Furthermore, a reaction-diffusion coupling model was developed, and its predictions showed excellent agreement with experimental data. This work provides critical guidance for reactor design, process intensification and optimization, and the safe scale-up of m -toluic acid nitration in nitric acid.

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