精細有機合成2

第二章磺化、硫酸化反應1

磺化反應：向有機分子中引入磺酸基（－SO3H、－SO3M、－SO2X）的化學過程。反應生成C-S鍵或者N-S鍵。

硫酸化反應：向有機分子中引入－OSO3H的化學過程，生成C-O-S鍵。

產(chǎn)物類型：C－SO3H磺酸N－SO3H氨基磺酸O－SO3H硫酸酯

產(chǎn)物特性：酸性、水溶性、可取代性和可逆性2

反應目的：(1)改變物質性質，使產(chǎn)物具有水溶性、酸性、表面活性(2)官能團轉化，將磺基轉化為羥基、鹵基、氨基或氰基(3)制備特殊位置的化合物(4)合成藥物用途：合成表面活性劑、水染性染料，食用香料和藥物3工業(yè)規(guī)模純水制備裝置MTBE裝置磺酸型離子交換樹脂4引入方法有機物分子與SO3或含SO3的化合物作用。有機物分子與SO2的化合物作用。通過縮聚或聚合的方法引入磺酸基。含硫有機物的氧化。5第一節(jié)磺化試劑、硫酸化試劑三氧化硫結構：氣態(tài)是單體，結構是以硫為中心的等邊三角形，S-O鍵的長度為0.14nm，通常S-O鍵單鍵鍵長為0.155nm，表明SO3是π鍵共軛體系，具有親電性。性質：易升華，溶于水生成硫酸和濃硫酸，生成發(fā)煙硫酸，腐蝕性小。具有強氧化性。

6形態(tài)：性質活潑，室溫下易聚合，以α、β和γ三種形式存在。7硫酸和發(fā)煙硫酸硫酸的兩種規(guī)格：質量分數(shù)為92%~93%的硫酸，綠礬油;質量分數(shù)為98%~100%的硫酸。發(fā)煙硫酸的兩種規(guī)格：以含游離的SO3的質量分數(shù)來表示：20%~25%和60%~65%兩種，特點是都具有最低的共熔點，便于運輸和使用。8氯磺酸ClSO3H可以看成SO3?HCl絡合物，實際上是硫酸中的一個羥基(HO-SO2OH)被Cl取代，可分解為SO3和HCl。優(yōu)點：反應能力強，生成的HCl可以排出，利于反應進行完全。缺點：價格較貴，使用量大，產(chǎn)生的HCl具有強腐蝕性，工業(yè)上少用。9亞硫酸根離子

亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉是比較有用的磺化劑，屬于親核取代反應。其他磺酸劑硫酰氯(磺酰氯)SO2Cl2，氨基磺酸H2NSO3H，二氧化硫SO2

磺化活性：SO3>發(fā)煙硫酸>ClSO3H>H2SO4

10第二節(jié)磺化和硫酸化反應歷程一、磺化反應歷程

(1)反應歷程：原料通過化學反應生成產(chǎn)物所經(jīng)歷的全過程稱為反應歷程，主要研究進攻質點，活性中間體，產(chǎn)物。反應歷程由產(chǎn)物結構和動力學數(shù)據(jù)推測。11(2)硫酸及發(fā)煙硫酸的解離：100%硫酸發(fā)煙硫酸解離物的親電質點：是不同溶劑化的SO3分子活性12在較濃的硫酸中磺化，活潑質點是H2S2O7(SO3?H2SO4)，在較稀的硫酸中磺化，活潑質點是H3SO4+，當采用發(fā)煙硫酸磺化時，活潑質點除了H2S2O7，還有H3S2O7+(SO3＋H3SO4+)和H2S4O13(3SO3＋H2SO4)。H3SO4+的活潑性較低，選擇性較高；H2S2O7活潑性較高，而選擇性較差。13(3)芳烴的取代反應歷程A動力學方程：

B磺化歷程：σ14(4)烯烴的磺化反應歷程(加成反應)A離子歷程：在氣體或者惰性溶劑中，2－鏈烯－1－磺酸液態(tài)的SO2為溶劑，生成1－烯烴－1－磺酸碳正離子還可以與磺基中負電荷的氧生成磺內酯。15B自由基歷程：在氧或者過氧化物的作用下，烯烴和亞硫酸氫鈉發(fā)生反馬氏加成，生成磺酸鈉鹽，反應按自由基歷程進行。氧為引發(fā)劑，引發(fā)亞硫酸氫根離子變?yōu)樽杂苫?6(5)飽和長鏈脂肪酸的磺化反應歷程：飽和長碳鏈脂肪酸同SO3等反應是在α－位進行的單磺化反應(親電取代)。反應歷程分為兩步：首先形成混合酸酐，其次酸酐在高溫下重排而形成α－磺化脂肪酸：17(6)烷烴的磺化反應歷程：氯磺化反應歷程：用紫外光作為激發(fā)劑產(chǎn)生自由基18氧磺化反應歷程：用紫外光作為激發(fā)劑產(chǎn)生自由基生成的過氧化烷基磺酸與SO2和水生成烷基磺酸這樣得到的烷基磺酸大部分是仲碳磺酸，因為仲碳原子的氫比伯碳原子的氫活潑2倍。19二、硫酸化反應歷程(1)烯烴的硫酸化反應歷程(加成反應)：加成反應是按馬氏規(guī)則進行的，鏈烯烴質子化后生成的碳正原子是控速步驟，然后與加成生成烷基硫酸酯，可以進一步水解生成醇，比如乙醇的工業(yè)制法：20(2)醇的硫酸化反應歷程：醇的硫酸化從形式上可以看成是硫酸的酯化反應，是可逆反應。當用等物質的量的酸、醇(1/1)進行時，轉化率為65%。21當采用氣態(tài)的進行醇類的硫酸化反應時，化學反應幾乎立刻發(fā)生，反應不可逆。氯磺酸廣泛應用于醇類的硫酸化，是實驗室制備硫酸酯的主要方法，由于反應釋放出，反應不可逆。22第三節(jié)影響因素一、有機化合物的性質(1)硫酸化：醇與硫酸反應是可逆反應，其平衡常數(shù)與醇的性質有關。按活潑性比較,既伯醇>仲醇>叔醇。烷基硫酸鹽的主要用途是做表面活性劑，其表面活性的高低與烷基的結構以及硫酸根的所在的位置有關。23(2)磺化反應A電子效應：環(huán)上存在供電子基團，磺化較易進行；存在吸電子基團時，則反應較難進行。在50~100℃用硫酸或發(fā)煙硫酸磺化時，含有供電基團的磺化速率按以下順序增加：含吸電子基團的磺化速率按以下順序遞增：24B空間效應芳烴環(huán)上已有取代基時，其體積的大小也影響磺化速度。環(huán)上已有取代基的體積越大，磺化速度越慢。如烷基苯用硫酸磺化的速度大小順序是：25C萘的磺化反應一元取代物：α－萘磺酸，β－萘磺酸。二元取代物：1.5，1.6，1.7，2.6，2.7，五種萘二磺酸。三元取代物：1.3.5，1.3.6，1.3.7，三種萘三磺酸四元取代物：1.3.5.7，一種萘四磺酸26萘的磺化也是可逆反應.磺酸基進入的位置和反應溫度有關.熱力學控制？動力學控制？注意反應條件（熟記）<80℃165℃165℃96%85%27在低溫下磺化(動力學控制)--主要生成-萘磺酸,生成速度快,逆反應(脫附)不顯著.在較高溫度下,發(fā)生顯著逆反應轉變?yōu)檩?在較高溫度下(熱力學控制)---萘磺酸也易生成,且沒有-H的空間干擾,比-萘磺酸穩(wěn)定,生成后也不易脫去磺酸基(逆反應很小).-萘磺酸位阻大-萘磺酸位阻小磺酸基的空間位阻28二、磺基的水解磺基水解為親電取代，對于有供電子基的芳磺酸，芳環(huán)上的電子云密度高，磺基容易水解。對于有吸電子基的芳磺酸，芳環(huán)的電子云密度較低，磺基難水解。此外，介質中H3O＋的濃度越高，水解的速度越快，因此磺酸的水解都采用中等濃度的硫酸(70%)。溫度升高對磺化和水解都有影響，但水解的速率增加值比磺化速率快。因此一般水解的溫度要比磺化的溫度高。29去除利用磺化的可逆性可以起到保護苯環(huán)上的某些位置的作用：30苯的磺化和苯磺酸的水解反應過程能量示意圖磺化反應可逆的理論分析能量反應進程31三、磺酸的異構化磺基不僅能夠發(fā)生水解反應，在一定的條件下還可以從原來的位置轉移到其他位置，通常是轉移到熱力學更穩(wěn)定的位置，稱為磺酸的異構化。在含水的硫酸中，磺酸的異構化是一個水解再磺化的反應，而在無水硫酸中則是分子內的重排反應。32溫度的變化對磺酸的異構化起重要的作用。33四、磺化劑的濃度和用量每引進一個－SO3H基團，同時生成1mol水，水的生成降低了體系中硫酸的濃度，當硫酸濃度降低到某一程度時，反應自行停止。此時剩余的硫酸稱為廢酸。(1)π值的概念：π值是指發(fā)生磺化反應的硫酸臨界濃度(廢酸濃度)，以SO3質量分數(shù)乘以100表示。(2)應用：可以由已知的π值計算出每摩爾磺化物磺化所需要的磺化劑的最低用量。X=80（100-）a-34五、輔助劑加入少量的試劑，對于某些磺化反應常常有明顯的影響，主要有以下幾個方面。A抑制副反應?；腔瘯r主要副反應：多磺化，氧化，生成砜。B改變定位。蒽醌在用發(fā)煙硫酸磺化時，加入汞鹽，主要生成α—蒽醌磺酸，不加汞鹽，主要是β—蒽醌磺酸。C使反應變易(降低活化能)。加如催化劑有時可以降低反應溫度，提高產(chǎn)率和加速反應。35六、溶劑效應溶劑對于磺化速率和選擇性產(chǎn)生重要的影響。如：甲苯和苯的磺化速率之比和甲苯磺化時的對位和鄰位之比，在用四氯化碳作溶劑時分別是8.8和4，改用CH3Br作溶劑，則是242和2936第四節(jié)磺化及硫酸化方法一、磺化方法(1)過量硫酸磺化法(硫酸和發(fā)煙硫酸)A優(yōu)點：適用范圍廣，缺點：產(chǎn)生廢酸多，生成能力相對較低B加料次序：反應物是液態(tài)，一般先向磺化鍋加入底物，然后慢慢加入磺化劑；反應物是固態(tài)，先加入磺化劑。C制備多磺酸時，需分段加酸，使每一階段選擇最適宜的磺化劑濃度和溫度。37(2)共沸去水磺化法A物理脫水法：其原理是向反應體系中通入過量的被磺化物，不斷帶走生成的水。該方法主要適用于沸點較低的易揮發(fā)的芳烴，如：苯及甲苯的磺化。B化學脫水法：用BF3、SOCl2等能與水生成氣體的物質加入磺化物中，從而排出水分，如：38(3)SO3磺化法優(yōu)點：不生成水，磺化劑的利用率高，接近理論量，反應快。三廢少，經(jīng)濟合理，應用日益增多。缺點：反應劇烈，放熱量大，易產(chǎn)生局部過熱而焦化或爆炸。A氣體SO3磺化。十二烷基苯的磺化，磺化采用雙膜反應器，SO3用干燥的空氣稀釋到4%~7%，生成能力大，工藝流程短，副產(chǎn)物少，產(chǎn)品質量好39B液體SO3的磺化。主要用于不活潑的液態(tài)芳烴的磺化，生成的產(chǎn)物在反應溫度下是液體，而且黏度不大。如間硝基苯磺酸液態(tài)SO3的制備是將20%~25%發(fā)煙硫酸加熱到250℃，蒸出的SO3蒸汽通過一個添充硼酐的固定床，經(jīng)冷凝可得到穩(wěn)定的SO3液體，使用方便，但成本較高。40CSO3溶劑磺化。適用于被磺化物或者磺化產(chǎn)物是固態(tài)的情況，被磺化物溶解在溶劑中，反應物濃度較低，反應溫和易于控制。D有機絡合物磺化。SO3可與許多有機物生成絡合物，如(CH3)3NSO3。適用于活性比較大的反應物的磺化，降低磺化劑的反應活性，抑制副反應。41(4)氯磺酸磺化法氯磺酸是一種強磺化劑，根據(jù)用量不同可以制得芳磺酸和芳磺酰氯，通常是把有機物慢慢加入到氯磺酸中，反過來加料會產(chǎn)生較多的砜副產(chǎn)物。用途：磺酰氯基是活潑的基團，由此可以制備許多有價值的產(chǎn)品，如：磺酰胺、酯、砜、硫酚等，在藥物合成方面如我們熟悉的抗菌素以及降血糖藥甲磺丁脲，就是磺酰胺化合物。42(5)烘焙磺化法適用于芳伯胺的磺化，磺化劑用量少，接近理論量。將芳伯胺與等摩爾硫酸混合制成芳胺硫酸鹽，然后在高溫下烘焙脫水，同時發(fā)生分子內重排，得到芳胺磺酸，磺基進入氨基對位，當對位有取代基時則進入鄰位。43(6)亞硫酸鹽磺化法這是利用親核置換引入磺基的方法，采用SO32-去置換芳環(huán)上的鹵原子或硝基，通過這條途徑可以制得某些不易反應由親電取代得到的磺酸化合物。利用此反應可以方便地從間二硝基苯中除去鄰、對二硝基苯。還可以精制TNT(2.4.6-三硝基苯)，在甲苯三硝化產(chǎn)物中所含的2，3，4－和2，4，5－三硝基苯，其3位硝基將快速被磺基置換，而2，4，6－異構體保持不變。44(7)氟磺酸－五氟化銻的磺化砜基化合物是制造工程塑料的重要原料。通常二芳砜是由芳磺酸或芳磺酰氯經(jīng)兩步或三步反應制得，一種新方法是以FSO3H—SbF5為磺化劑在溫和條件下，一步得到二芳基砜。45二、硫酸化方法(1)高級醇的硫酸化(產(chǎn)物有高水溶性和去污能力)：脂肪醇硫酸鹽簡稱AS，是重垢型洗滌劑主活性物之一，具有洗滌性能優(yōu)良，泡沫豐富，手感溫和，在硬水重穩(wěn)定性好等優(yōu)點，其生物降解優(yōu)于LAS，用于制備高級洗衣粉或洗潔精。46(2)天然不飽和油脂和脂肪酸酯硫酸化A天然不飽和油脂制硫酸化油，為醇的硫酸酯化反應產(chǎn)物47B硫酸化脂肪酸酯特征是不飽和酸酯的雙鍵加成?；腔虯H就是油酸于丁醇反應制得的丁酯再經(jīng)硫酸酯化而得的產(chǎn)品。以上兩種產(chǎn)物的混合物稱為磺化油AH，是一種表面活性劑。48(3)硫酸化烯烴C12~C18烯烴低溫硫酸化(加成)得烷基硫酸酯，為優(yōu)良的硫酸酯型表面活性劑，是制造液體洗滌劑的重要原料。49第五節(jié)磺化產(chǎn)物的分離磺化產(chǎn)物的后處理有兩種情況：一種是磺化后不分離出磺酸，接著進行硝化或氯化反應；另一種是需要分離出磺酸或磺酸鹽，再加以利用?；腔a(chǎn)物的分離是利用磺酸或磺酸鹽溶解度的不同來完成的，主要有以下幾種。50（1）加水稀釋法某些磺酸化合物在中等濃度硫酸(50%~80%H2SO4)中的溶解度相對小得多，高于或低于此濃度則溶解度增大。因此可采用控制稀釋水量以達到分離的目的。例如：十二烷基苯磺酸，對硝基氯苯鄰磺酸，萘二磺酸。芳磺酰氯不溶于水，通常是將反應物慢慢注入水中而實現(xiàn)分離。51（2）直接鹽析法利用磺酸鹽的不同溶解度向稀釋后的磺化物中直接加入食鹽，氯化鉀或硫酸鈉，可使某些磺酸鹽析出，可以分離不同異構的磺酸。52中和鹽析法為了減少母液對設備的腐蝕性，常常采用中和鹽析法。稀釋后的磺化物用氫氧化鈉、碳酸鈉、亞硫酸鈉、氨水或者氧化鎂進行中和，利用中和時生成的硫酸鈉、硫酸鎂、硫酸銨可使磺酸以鈉鹽、鎂鹽。或銨鹽的形式鹽析出來。53（3）石灰中和法(脫硫酸鈣法)：為了減少磺酸鹽中的無機鹽，某些磺酸，特別是多磺酸，不能用鹽析法將它們很好地分離出來，這時候需要采用石灰中和法(脫硫酸鈣法)。54（4）萃取分離法除了上述四種方法外，近年來為了減少“三廢”的排放，在20世紀70年代，由日本提出了萃取分離法。例如：將萘高溫磺化，稀釋水解除去α－萘磺酸后的溶液，用叔