DE2349753A1 - Verfahren zur nitrierung von aromatischen verbindungen - Google Patents
Verfahren zur nitrierung von aromatischen verbindungenInfo
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Description
Anwaltsakte 24395 3. Oktober 1973
Verfahren zur Nitrierung von aromatischen Verbindungen
Die Nitrierung von Aromaten ist eine der wichtigsten und am meisten untersuchten grosstechnischen Reaktionen und
es ist eine ganze Reihe von Verfahren dafür bekannt. Die hierbei gebräuchlichen Nitrierungsmittel sind z.B.:
- Gemische von Salpeter- und Schwefelsäure,
- konzentrierte Salpetersäure,
- Gemische von Salpetersäure und Essigsäure oder Acetanhydrid,
- Stickoxyde.
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Ueblicherweise \^7ird die zu nitrierende Verbindung direkt mit
dem Nitrierungsmittel behandelte Hierbei stellen sich die
folgenden Probleme:
- Die Nitrierung ist schlecht kontrollierbar. Es kommt bei Aromaten mit mehreren nitrierbaren Stellen zur Bildung
von Di- und Polynitroprodukten. Die Gefahr der Uebernitrierung ist ausserdem auch ein Sicherheitsproblem, da explosive Verbindungen
entstehen können.
- Die nitrierten Produkte müssen vor ihrer Weiterverarbeitung . isoliert werden, was im allgemeinen durch Austragen des
Nitrierungsgemisches auf Wasser resp. Eis geschieht. Bei dieser Aufarbeitung entstehen beträchtliche Mengen verdünnter,
wässriger Säuren, deren Aufbereitung unwirtschaftlich ist. Diese Abfallsäure stellt ein ökologisches Problem dar.
- Bei der Nitrierung, besonders mit Mischsäure, entstehen oft hydroxylgruppenhaltige Nebenprodukte.
Es wurde nun ein neues Verfahren suni Nitrieren von aromatischen
Verbindungen gefunden, mit welchem die erwähnten Nachteile überwunden
werden köYmen. Dieses besteht darin, dass man die Nitrierung mit konzentrierter Salpetersäure, Stickoxyden, Acetylnitrat
oder einem Gemisch von konzentrierter Salpetersäure und Essigsäure, Acetanhydrid oder Schwefelsäure
in Gegenwart eines dipolaren aprotonischen, gegen das Nitrierungsreagens inerten Lösungsmittels durchführt und die
Reaktion nach Erreichen des gewünschten Nitrierungsgrad.es durch Verdünnen des Gemisches mit dem dipolaren aprotonischen
Lösungsmittel abstoppt. 403815/11A5
Das neue verfahren gestattet es0 a,:£ die bisherige,
ehe Aufarbeitung zu verzichten» I"=r Salpetersaureübersehuss
kann, ohne dass er ü^bernitrieruEig ^srursactits direkt aus dem
Re ak ti on s ge cd. s cli abdestilliert werden. Dadurch entsteht keine
Abfallsäure und der Verbrauch an Salpetersäure beschränkt sich
auf die dem Umsatz entsprechende Ms~gs» Das Verfahren bietet
also sowohl wirtschaftliche wie ökologische Vorteile, Das Produkt
bleibt Im Lösungsmittel zurück und kann durch Abdestiilieren des Lösungsmittels leicht Isoliert werden. Das Nitrierungs·
produkt kann sogar ohne Isolierung -welterverarbeitet -werden, z.B.
durch Reduktion, Chlorierung, Sulfonierung, Ammonolyse, Hydrolyse, etc.
Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass die Nitrierung jederzeit leicht abgestoppt werden kann, indem man
das Reaktionsgemisch mit dem dipolaren, aprotonischen Lösungsmittel soweit verdünnt, dass die Konzentration des Nitrierungsmittels unter den für die Nitrierung erforderlichen Minimalwert sinkt. Diese Methode ist einfacher und schneller als das
bisher übliche Austragen auf Eis.
Schliesslich Ist noch zu erwähnen, dass die Nitrierung in Gegenwart von dipolaren, aprotischen Lösungsmitteln im allgemeinen zu einheitlicheren und reineren Produkten führt. Oftmals ändert sich die Isomerenverteilung, wenn ein dipolares
aprotisches Lösungsmittel im Nitrierungsgemisch vorhanden ist zugunsten des erwünschten Reaktionsproduktes.
Als Lösungsmittel kommen vor allem solche mit einer Dielektrizitätskonstante über 30 und einem Siedepunkt über 800C in Frage.
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Selbstverständlich müssen sis gegenüber den Mitrierungsreagensien
inert sei™, Besonders geeignet sind niedrigmolekulare Sulfone
der Formel
5 der
v/orin R1 und R„ je eine gerade oder verzweigte Alkylgruppe mit
1 bis 4 C-Atomen oder eine gegebenenfalls mit niedrigmolekularem
Alkyl, Halogen oder Nitro substituierte Pheny!gruppe ist
und X eine gegebenenfalls mit Halogen oder Acetoxy substituierte,
gerade oder verzweigte Eohienwasserstoffkette mit 4 bis 10
C-Atomen ist ο Mit "Halogen" sind hierbei Fluor, Brom und vor
allem Chlor gemeint und "niedrig-molekular" bezeichnet Reste mit 1-4 C-Atomen. Als Beispiele solcher Verbindungen seien
genannt:
D line thy 1 su 1 fön j Methylätliylsulfon3 Diäthylsulfon, Methyl-npropylsulfonj
Methylisopropylsulfon, Methy1-n-butylsulfon,
Aethylisobutylsulforis Methyl-(l-methylbutyl)sulfon, Diisopropylsulfon,
etc.
Tetramethylensulfon3 3-Methyl-tetramethyiensuifon, Penta»
Eiethyiensulfon3 Hexamethylensulfon, etc.
Bis-(methylsulfonyl)methan, Bis-(äthylsulfonyl)methan, Bis-(äthy!sulfonyl)dimethylmethan,
etc.
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Bevorzugt verwendet man Tetramethylensulfon oder Dirnethylsulfon
Als Verbindungen, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren
nitriert werden können seien genannt:
Aromaten:
Benzol, Naphthalin, Anthracen, Anthrachinon, Phenanthren,
Phenanthrenchinon und deren mit niedrigmolekularen Alky!resten,
Halogen, Nitro, niedrigen Alkylsulfonyl-, N,N-Dialkylsulfonamid-
oder Alkoxycarbonylgruppen substituierte Derivate, ferner
höhere, kondensierte Kohlenwasserstoffe und Chinone wie Perylen,
Dibenzpyren, Benzanthron, Anthanthron, Pyranthron, Dibenzopyrenchinon,
Dibenzanthron, etc.
Als Nitrierungsmittel kommen Salpetersäure in einer Konzentration von 90 - 100 %, Stickoxyde (N2O^), AcetyInitrat oder Gemische
von Salpetersäure mit Essigsäure, Acetanhydrid oder Schwefelsäure in Frage. Bevorzugt wird 98 bis 100 7oige Salpetersäure
.
Zweckmässig verwendet man die Salpetersäure, wenn 98 - 100 7o
Salpetersäure als Nitrierungsmittel verwendet wird, in einem 2 bis 100-fachen, vorzugsweise 10 bis 40-fachen Ueberschuss. Das
dipolare aprotonische Lösungsmittel kann in beschränkter Menge schon während der Nitrierung anwesend seina wodurch oftmals
eine erwünschte Aenderung des Isomerenverhältnisses ermöglicht wird, oder erst zum Abbrechen der Reaktion zugesetzt werden.
Als Zusatz zum Nitrierungsgemisch verwendet man zweckmässig Mengen bis zum 10-fachen Gewicht der zu nitrierenden Substanz.
Allerdings darf das dipolare Lösungsmittel die Konzentration
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des Nitrierungsmittels nicht zu sehr herabsetzen. So sollte
z.B. bei Verwendung von Sslpetersäure eine Säurekonsentration von mindestens 40 bis 50 % nicht unterschritten werden. Erst
zum Abstoppen der Reaktion soll das Gemisch weiter verdünnt werden. Die Menge des hierzu erforderlichen Lösungsmittels
richtet sich nach der Konzentration des Nitrierungsmittels im Reaktionsgemisch. Nitriert man z.B. mit Salpetersäure, so verdünnt
man zweckmässig so weit, dass deren Konzentration unter 40 % fällt. Im allgemeinen ist mindestens die doppelte Gewichtsmenge des Lösungsmittels(bezogen auf die eingesetzte zu nitrierende
Substanz) erforderlich; nach oben besteht hierbei keine feste Grenze, doch wird man aus wirtschaftlichen Ueberlegungen
heraus keine unnötig grossen Mengen verwenden. Anschliessend destilliert man die überschüssige Salpetersäure
aus dem Gemisch ab. Praktisch der gesamte Ueberschuss wird so zurückgewonnen und kann in einer folgenden Operation tel quel
oder aufkonzentriert wieder eingesetzt werden. Das Reaktionsprodukt kann aus der zurückbleibenden Lösung durch Abdestillieren
des Lösungsmittels isoliert werden, wobei, ebenfalls das
Lösungsmittel praktisch quantitativ zurückerhalten wird. Natürlich kann das Produkt auch ausgefällt werden (z.B. durch Zugabe
von Wasser), doch wird dadurch die Aufarbeitung und Rückgewinnung des Lösungsmittels umständlicher. In den meisten Fällen
kann sogar die Lösung des Reaktionsproduktes z.B. in Sulfon als Lösungsmittel weiterverarbeitet werden, so dass eine Isolierung
überhaupt wegfällt. Dies ist der Fall bei Umsetzungen mit Chlor, Chlorsulfonsäure, Ammoniak, Alkalihydroxyden, etc.
sowie bei Reduktionen. Von besonderer Bedeutung ist die An-
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Wendung der nitrierung in Gegenwart "/on dipolaren, aprotonlsehen
U5sun^smlttaln beim, ikithrachlnoaI Anthracainon wurde
bisher Is aligsnielrtsn. ir. einem Gemisch aus Schwefel- und Salpetersäure
nitriert; wobei Produkt sgeiaisehe erhalten wurden5
deren Trenr^stg technisch meist nicht durchführbar war (siehe
So Coffey, CJheaistr;' and Industry 1953, S. 1070).
Es wurde εκζεϊ !überraschend gefunden, dass bei der Nitrierung
von AnthraehiEGQ mit konzentrierter Salpetersäure In Gegenwart
eines SuIfons als Lösungsmittel der Anteil an l-Nltroantlirachlnon
viel grosser wird als bei den herkönimllchen. Verfahren» Das erfindungsgesEässe
"erfahren liefert Reaktionsgemische, die bis zu
über 95 X aus l-IIItroanthrachlnoo und nicht umgesetztem Anthrachlnon
bestehen. Diese eignen sich sehr gut für die Darstellung
von l-Amlncaothrachlnon, einem für die Farbstoffproduktion
wichtigen Zwischenprodukt» Das neue Verfahren eröffnet somit
eine Möglichkeit s l-Asranoanthrachlnon nach einer wirtschaftlichen
und ökologisch befriedigenden Methode zu gewinnen, Indem
auf die bisher als Ausgangsmaterial verwendete-Anthrachinon-lsulfosäure5
bei deren Herstellung Quecksilber benötigt wird, verzichtet werden kann= Zweckmässig führt man die HItrierung
In der Welse durcli2 dass man 1 Mol Anthrachlnon mit 2 bis 100,
vorzugsxielse Mit 10 bis 40 Mol konzentrierter, vorzugsweise
98 - 100 Xlger Salpetersäure und gegebenenfalls In Gegenwart
der bis dreifachen Gewichtsmenge, bezogen auf eingesetztes
Anthrachinone oder der bis 0,7-fachen Gewichtsmenge bezogen auf
die eingesetzte Salpetersäure des als Lösungsmittel verwendeten SuIfons In Reaktion bringt. Man arbeitet vorzugsweise bei
Temperaturen zwischen -40 bis +800C, sodass der gewünschte
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Nitrierungsgrad in einigen Stunden oder gar Minuten erreicht wird.
Die Reaktion kann sowohl isotherm als auch adiabatisch durchgeführt
werden, wobei die Reaktionskomponenten in verschiedenen Reihenfolgen zugegeben werden können. Auf diese Weise entstehen
verschiedene Durchfuhrungsvarianten wie z.B.:
- Das Anthrachinon wird in Salpetersäure eingetragen, das Gemisch erwärmt, bei der Reaktionstemperatur isotherm bis
zum gewünschten Umsetzungsgrad reagieren gelassen und darauf durch Zugabe des Lösungsmittels die Reaktion abgebrochen.
- Das Anthrachinon wird in Salpetersäure eingetragen, adiabatisch reagieren gelassen und bei gewünschtem Umsetzungsgrad durch Zugabe des Lösungsmittels die Reaktion abgebrochen
.
- Das Anthrachinon wird in einem Gemisch von Salpetersäure und Lösungsmittel eingetragen, isotherm oder adiabatisch
bis zum gewünschten Umsetzungsgrad reagieren.gelassen und
dann durch Zugabe weiterer Lösungsmittelmengen die Reaktion abgebrochen.
- Das Anthrachinon wird in das Lösungsmittel eingetragen und die Reaktion durch Zugabe der Salpetersäure isotherm oder
adiabatisch durchgeführt.
- Das Anthrachinon wird bei relativ tiefer Temperatur in Salpetersäure
eingetragen (wo die Reaktion nicht oder nur langsam stattfindet), darauf das Lösungsmittel adiabatisch zulaufen
gelassen. Vorerst wird dabei die Nitrierung durch den
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Temperaturanstieg (Mischwärme der Salpetersäure mit dem Lösungsmittel)
beschleunigt , später durch Anwachsen der Lösungsmittelmenge verlangsamt und zum Stillstand gebracht. Die Zulaufgeschwindigkeit
muss bei dieser Methode genau auf den gewünschten Umsetzungsgrad programmiert werden.
Diese Beispiele für die verschiedenartige Durchführung der Reaktion sollen jedoch keine Einschränkung der Durchführung
auf diese Beispiele bedeuten.
Um die Bildung von Dinitroanthrachinonen möglichst weitgehend zu vermeiden, ist es möglich, die Reaktion bei unvollständiger,
z.B. bei 30 bis 90%iger Umsetzung des Anthrachinone abzubrechen. Durch die bevorzugte Bildung des !-Nitroanthrachinone nach der
vorliegenden Erfindung ist es jedoch auch möglich, alles Anthrachinon
in Nitroanthrachinone umzuwandeln, ohne einen allzu grossen Anteil an Dinitroanthrachinonen zu erhalten.
Zur Abbrechung der Reaktion verdünnt man das Reaktionsgemisch
mit einer weiteren Menge Lösungsmittel so weit, dass die Salpetersäurekonzentration
unter 40 % sinkt. Im allgemeinen wird dazu nochmals mindestens die doppelte Menge (bezogen auf eingesetztes
Anthrachinon) an Lösungsmittel benötigt. Vorzugsweise verwendet man als Lösungsmittel Tetramethylensulfon oder Dimethylsulfon.
Nachdem die Nitrierung abgebrochen ist, destilliert man die überschüssige Salpetersäure ab. Die zurückbleibende,
hauptsächlich 1-Nitroanthrachinon und nicht umgesetztes
Anthrachinon enthaltende Lösung kann direkt für weitere Reaktionen, z.B. für die Herstellung von 1-Aminoanthrachinon verwendet
werden. Das Reaktionsprodukt kann aber auch durch Entfernen des
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Sulfone mittels Vakuumdestillation oder durch Ausfällen und Abftitrieren isoliert werden.
In analoger Weise lassen sich auch z.B. 2,3-Dimethylanthrachinon
oder mit Chlor oder Nitrogruppen substituierte Anthrachinone selektiv nitrieren.
In den nachfolgenden Beispielen bedeuten die Teile Gewichtsteile, die Prozente Gewichtsprozente, und die Temperaturen sind in
Celsiusgraden angegeben.
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Man trägt 208 Teile Anthrachinon in eine Mischung aus 945 Teilen 100 Toiger Salpetersäure und 240 Teilen Tetramethylensulf on ein.
Man heizt das Gemisch in wenigen Minuten auf 70° auf und nach 3-5 Minuten gibt man nochmals 760 Teile Tetramethylensulfon
zu. Die Temperatur steigt dabei auf 81°. Nun wird die überschlissige
Salpetersäure vollständig abdestilliert und das Reaktionsprodukt durch Entfernung des Tetramethylensulfons
durch Vakuumdestillation isoliert.
Das so erhaltene Produkt enthält ca. 30 - 50 % von unumgesetztem
Anthrachinon, 50 - 64 % 1-Nitroanthrachinon, ca. 5 %
2-Nitroanthrachinon und ca. 0,5 "L 1,5-Dinitroanthrachinon.
Dieses Produkt kann in bekannter Weise zu 1-Aminoanthrachinon verarbeitet werden.
300 Teile Tetramethylensulfon und 252 Teile 100 %ige Salpetersäure
werden vorgelegt und bei 20 - 250C in diese Mischung
Teile Naphthalin eingetragen. Nach 1/2 Stunde Nachrlihren werden weitere 500 Teile Tetramethylensulfon zugegeben und die Überschüssige
Salpetersäure bei 100 - 120 Torr abdestilliert. Als Rückstand erhält man eine Lösung von 1-Nitronaphthalin in
Tetramethylensulfon mit praktisch quantitativer Ausbeute. Das Produkt kann durch Abdestillieren des Tetramethylensulfons
isoliert, oder direkt in Lösung weiterverarbeitet werden.
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313 Teile 100 %ige Salpetersäure werden vorgelegt und bei 0°
41,6 Teile Anthrachinon eingetragen. Das Reaktionsgemisch wird bei 0° 1 Stunde gerlihrt. Darauf werden 350 Teile Tetramethylensulfon
zugegeben, die überschüssige Salpetersäure vollständig abdestilliert und das Reaktionsprodukt durch Entfernung des
Tetramethylensulfons mittels Vakuumdestillation isoliert.
Das so erhaltene Produkt enthält 20 % von nicht umgesetztem
Anthrachinon, 74 % 1-Nitroanthrachinon, 4 % 2-Nitroanthrachinon
und 2 % Dinitroanthrachinone.
Man trägt 104 Teile Anthrachinon in -eine Mischung aus 473 Teilen
100 %ige Salpetersäure und 120 Teilen Dimethylsulfon ein.
Man heizt das Gemisch in ca. 2 Minuten auf 80° auf und nach 5 Min. gibt man nochmals 380 Teile Dimethylsulfon zu. Nun wird
die überschüssige Salpetersäure vollständig abdestilliert und das Reaktionsprodukt durch Entfernung des Dimethylsulfons
mittels Vakuumdestillation isoliert.
Das so erhaltene Produkt (122 Teile) enthält 19,8 % von unumgesetztem
Anthrachinon, 67,4 % 1-Nitroanthrachinon, 12,2 % 2-Nitroanthrachinon und 0,6 % Dinitroanthrachinone. Wird die
Reaktion bei 70° unter sonst gleichen Reaktionsbedingungen durchgeführt, so enthält das Produkt (117 Teile) 28,7 % von
unumgesetztem Anthrachinon, 60,2 % 1-Nitroanthrachinon, 11,0 % 2-Nitroanthrachinon und weniger als 0,1 % Dinitroanthrachinone
.
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Diese Produkte können in bekannter Weise zu 1-Aminoanthrachinon
verarbeitet werden.
945 Teile lOOXige Salpetersäure und 630 Teile Tetramethylensulf
on werden vorgelegt und 208 Teile Anthrachinon eingetragen. Das Reaktionsgemisch wird auf 75° aufgeheizt und bei dieser
Temperatur 8 Stunden gerührt. Darauf werden 790 Teile Tetramethylensulfon zugegeben, die Überschüssige Salpetersäure vollständig
abdestilliert und das Reaktionsprodukt durch Entfernung des Tetramethylensulfons mittels Vakuumdestillation isoliert.
Das so erhaltene Produkt (118 Teile) enthält 25,7 % von nicht umgesetztem Anthrachinon, 62,3 % 1-Nitroanthrachinon und 12,0 %
2-Nitroanthrachinon.
Wird die Reaktion nicht durch Zugabe von Lösungsmittel gestoppt, so werden erhebliche Anteile an Dinitroanthrachinonen erhalten,
wie es folgendes Beispiel zeigt:
126 Teile 100 Xige Salpetersäure , 2 Teile 100 %ige Schwefelsäure
und 6 Teile Tetramethylensulfon werden vorgelegt, auf 35° aufgeheizt und bei dieser Temperatur 41,6 Teile Anthrachinon in
einer Portion eingetragen. Nach 7 Minuten erreicht die Temperatur 70° und das Reaktionsgemisch wird schnell abgekühlt und in
500 Teile Eiswasser gegossen. Das ausgefallene Produkt wird filtriert, neutral gewaschen und getrocknet. Es enthält 10,6 %
von unumgesetztem Anthrachinon, 70,1 % 1-Nitroanthrachinon,
10j 7 % 2-Nitroanthrachinon und 8,5 I, Dinitroanthrachinone.
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58,6 Teile Benzol werden vorgelegt und auf 50° aufgeheizt. In
15 Minuten wird bei dieser Temperatur ein Gemisch aus 47,3 Teilen 99,5 %iger Salpetersäure und 20,3 Teilen Tetramethylensulfon
zugetropft und noch 30 Minuten gerlihrt. Der Umsatz von Benzol zum Nitrobenzol beträgt 42 7O. Durch Zugabe von weiteren
169 Teilen Tetramethylensulfon wird weitere Nitrierung vollständig gestoppt.
Es werden keine Nebenprodukte erhalten.
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Claims (10)
- PatentansprücheΠ-.J Verfahren zum Nitrieren von aromatischen Verbindungen, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nitrierung mit konzentrierter Salpetersäure, Stickoxyden, AcetyInitrat oder einem Gemisch von konzentrierter Salpetersäure mit Essigsäure, Schwefelsäure oder Acetanhydrid in Gegenwart eines dipolaren aprotonischen, gegen das Nitrierungsreagens inerten Lösungsmittels durchfuhrt, und die Reaktion nach Erreichen des gewünschten Nitrierungsgrades durch Verdünnen des Gemisches mit dem dipolaren aprotonischen Lösungsmittel abstoppt.
- 2. Verfahren gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Lösungsmittel der FormelRl " S02 ~ R2 oder x S°2verwendet, worin R-, und R2 je eine gerade oder verzweigte Alkylgruppe mit 1 bis 4 C-Atomen oder eine gegebenenfalls substituierte Phenylgruppe ist und X eine gegebenenfalls substituierte, gerade oder verzweigte Kohlenwasserstoffkette mit 4 bis 10 C-Atomen ist.
- 3. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittel Tetramethylensulfon oder Dimethylsulfon verwendet.4 09815/1145
- 4. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nitrierung mit 90 bis 100 %iger Salpetersäure durchfuhrt.
- 5. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des im Nitrierungsgemisch vorhandenen dipolaren aprotonischen Lösungsmittels höchstens 50 % beträgt.
- 6. Verfahren gemäss Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass man zum Stoppen der Reaktion soviel Lösungsmittel zum Nitrierungsgemisch gibt, dass die Salpetersäurekonzentration unter 40 % sinkt.
- 7. Verfahren gemäss Ansprüchen 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass man nach Abbruch der Nitrierung die überschüssige Salpetersäure abdestilliert.
- 8. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man Anthrachinon oder mit Chlor, Nitro oder
niedrigmolekularem Alkyl substituiertes Anthrachinon nitriert. - 9. Verfahren gemäss Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nitrierung isotherm oder adiabatisch im Temperaturbereich von -40 bis +800C durchführt.4 09815/1145
- 10. Verfahren gemäss Ansprüchen,1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass man die Nitrierung bei einem Nitrierungsgrad von 30 bis 100 % durch Verdünnen des Reaktionsgemisches mit den beanspruchten Lösungsmitteln abbricht.409815/1145
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