Tetranitromethan

Vorlage:Infobox Chemikalie

Tetranitromethan (TNM), C(NO₂)₄, ist ein Nitroderivat des Methans und damit ein Nitroalkan. Die Verbindung ist der vierfachsubstituierte Vertreter der Reihe der Nitromethane mit Nitromethan, Dinitromethan, Trinitromethan und Tetranitromethan.

Gewinnung und Darstellung

Tetranitromethan kann in guter Ausbeute durch Nitrierung von Essigsäureanhydrid oder Isopropanol hergestellt werden.<ref>Vorlage:OrgSynth</ref> Bei einer neueren Methode erhält man die Verbindung durch Einleiten von Keten in 100%ige Salpetersäure.<ref name="Explosivstoffe" /> Die Synthesen erfordern eine exakte Einhaltung der Reaktionsbedingungen und sind nicht ungefährlich. Eine Destillation der Verbindung sollte vermieden werden.<ref name="Bretherick">P.G. Urben; M.J. Pitt: Bretherick's Handbook of Reactive Chemical Hazards. 8. Edition, Vol. 1, Butterworth/Heinemann 2017, ISBN 978-0-08-100971-0, S. 139.</ref>

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Tetranitromethan ist eine farblose bis gelbliche, stechend riechende, extrem stark brandfördernde Flüssigkeit. Die Dampfdruckfunktion ergibt sich nach Antoine entsprechend log₁₀(P) = A−(B/(T+C)) (P in bar, T in K) mit A = 4,54919, B = 1582,071 und C = −49,74 im Temperaturbereich von 313 K bis 373 K<ref name="Edwards">G. Edwards: The Vapour Pressure of Tetranitromethane. In: Trans. Faraday Soc. 48, 1952, S. 513–515, doi:10.1039/TF9524800513.</ref> bzw. A = 1,75688, B = 498,772 und C = −158,538 im Temperaturbereich von 273 K bis 313 K.<ref>A. J. C. Nicholson: Some Physical Properties of Tetranitromethane. In: J. Chem. Soc. 1949, S. 1553–1555, doi:10.1039/JR9490001553.</ref> Die molare Verdampfungsenthalpie beträgt 43,1 kJ·mol⁻¹.<ref name="Edwards" />

Explosionskenngrößen

Wichtige Explosionskennzahlen sind:

Explosionswärme: 2193 kJ·kg⁻¹ (H₂O (g)).<ref name="Explosivstoffe" />
Detonationsgeschwindigkeit: 6360 m·s⁻¹ bei der Dichte von 1,65 g·cm⁻³<ref name="Explosivstoffe">J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg: Explosivstoffe. zehnte, vollständig überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.</ref>
Normalgasvolumen: 686 l·kg⁻¹.<ref name="Explosivstoffe" />
Spezifische Energie: 675 kJ·kg⁻¹<ref name="Explosivstoffe" />
Verpuffungspunkt: 140 °C<ref name="Explosivstoffe" />
Schlagempfindlichkeit: 19 N·m<ref name="Explosivstoffe" />

Die Verbindung allein ist nur wenig explosiv. Mit Kohlenwasserstoffen werden aber Gemische mit sehr hoher Brisanz gebildet.<ref name="Explosivstoffe" /> Gemische mit Treibmitteln sind äußerst schlag- und reibempfindlich.<ref name="Explosivstoffe" /> Mittels DSC wurde ab 130 °C eine stark exotherme Zersetzungsreaktion mit einer Zersetzungswärme von −443 kJ·mol⁻¹ bzw. −2260 kJ·kg⁻¹ gemessen.<ref name="Grewer">T. Grewer: Thermal Hazards of Chemical Reactions, Industrial Safety Series Vol. 4, Elsevier Amsterdam, 1994, ISBN 0-444-89722-4, S. 388.</ref>

Toxizität

Die Dämpfe greifen die Atemwege stark an, was bei der hohen Flüchtigkeit der Verbindung beachtet werden muss. Der Stoff hat im Tierversuch krebserregende Wirkung gezeigt, da die DNA von diesem Stoff nitriert wird. Tetranitromethan ist nach Anhang II, Nr. 6 der deutschen Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) als besonders gefährlicher krebserzeugender Stoff eingestuft und darf nur in geschlossenen Anlagen hergestellt oder verwendet werden.<ref>Vorlage:Webarchiv vom 26. November 2010.</ref>

Struktur

Datei:TNM Fig. 2.png

Abbildung 1: Fehlgeordnetes Erscheinungsbild von TNM-Molekülen im kristallinen Zustand

Tetranitromethan ist ein Paradebeispiel für molekulare Flexibilität.<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref>Vorlage:Literatur</ref> Es brachte strukturelle Methoden an die Grenzen ihrer Anwendbarkeit, wie die Tatsache zeigt, dass über einen Zeitraum von mehr als 70 Jahren in verschiedenen Phasen versucht wurde, die Struktur von TNM zu bestimmen.

Datei:TNM 2.jpg

Abbildung 2: Aufgelöste Fehlordnung der Hochtemperaturphase von Tetranitromethan

Die mittels Gaselektronenbeugung gewonnenen Beugungsmuster wurden lange Zeit nicht verstanden. Erst die Anwendung eines vierdimensionalen Modells über die korrelierte Bewegung der vier NO₂-Gruppen um die C-N-Bindungen konnte die experimentellen Beobachtungen vollständig erklären. Das Problem tritt auf, weil die zweifache lokale Symmetrie der C-NO₂-Einheiten gegenüber der dreifachen Symmetrie der C(NO₂)₃-Einheit sowie die enge Nachbarschaft der NO₂-Gruppen, die ihre freie Rotation behindert, die Ursache für eine sehr komplizierte, gegenseitig behinderte Bewegung der NO₂-Gruppen ist.

Auch an der Kristallstruktur wurde bereits mehrfach gearbeitet. Eine erste zufriedenstellende Lösung des Problems erforderte ein Modell, das eine stark fehlgeordnete kristalline Hochtemperaturphase (>174,4 K) besitzt, wie sie in Abbildung 1 dargestellt ist. Die Reduktion der Symmetrie und die Analyse der Verzwillingung der Kristalle führte schließlich zu einer aufgelösten Fehlordnung der in Abbildung 2 dargestellten Struktur.

Die Struktur der geordneten Tieftemperaturphase enthält drei unabhängige Moleküle in der asymmetrischen Einheit. Die Strukturparameter der gasförmigen und festen Phase sind in der folgenden Tabelle zum Vergleich aufgeführt.

Verwendung und Handhabung

Eine in der Chemie wichtige Verwendung beruht auf der Fähigkeit des Tetranitromethans, olefinische Doppelbindungen anzuzeigen. Wie bei der Strukturformel zu erkennen ist, befindet sich das Kohlenstoffatom in einem Elektronenmangelzentrum, das mit Doppelbindungen Charge-Transfer-Komplexe bildet, die an einer starken Gelbfärbung zu erkennen sind. Diese Tatsache wird in der Analyse als Indikator für Doppelbindungen verwendet.

Tetranitromethan kann als Bestandteil von flüssigen Sprengstoffen mit großer Brisanz als Oxidationsmittel benutzt werden. Es bildet mit allen brennbaren Stoffen hochexplosive Gemische. Bei Experimenten mit diesem Stoff darf zum Filtrieren kein Papier verwendet werden. Schon geringe Verunreinigungen machen aus Tetranitromethan einen Explosivstoff, der bei Schlag oder Reibung explodiert. Bekannt ist ein tragischer Vorlesungsversuch an der Universität Münster im Jahre 1920, wo eine kleine Stahlröhre, in der sich Tetranitromethan, Toluol und Watte befanden, kurz vor dem Ausbrennen so detonierte, dass über 30 Studenten teils schwer verletzt wurden.<ref>Royal Society of Chemistry: Explosion Accident at the Chemical Institute, University of Munster i.W., and Its Cause. In: J. Chem. Soc., Abstr., 1920, 118, ii457-ii483. Vorlage:Doi</ref> Aufgrund der Rektoratsakten sind jedoch sogar zehn Tote und mehr als ein Dutzend Verletzte belegt.<ref>Universitätsarchiv Münster, NU E I 9 spec., Explosionsunglück im Chemischen Institut am 27. Mai 1920, Rüst, A. Ebert, K. Egli: Unfälle beim chemischen Arbeiten. Rascher, 1948, S. 23.</ref> Daraufhin ermittelte die chemisch-technische Reichsanstalt eine Detonationsgeschwindigkeit von 9300 Metern pro Sekunde. Alfred Stettbacher wies dann vergleichend nach, dass diese Mischung weitaus brisanter als Hexogen, Pentrit, Sprenggelatine oder Panclastit war und so den zerstörungsgewaltigsten Sprengstoff überhaupt darstellt.

In der organischen Synthesechemie kann es als Nitrierungsmittel verwendet werden, insbesondere unter basischen Reaktionsbedingungen. Dabei wird allerdings nur eine Nitrogruppe zur Nitrierung genutzt, das mesomeriestabilisierte Trinitromethidion (Trinitromethan, Trivialname Nitroform) wirkt nicht mehr nitrierend.

Einzelnachweise