精細有機合成單元反應(yīng)與合成設(shè)計第三章

第三章磺化反應(yīng)磺化：有機化合物分子中引入磺基（－SO3H）或它相應(yīng)的鹽或磺酸鹵基（－SO2Cl）的任何化學(xué)過程。C－SN－S（1）使產(chǎn)品具有水溶性、酸性、表面活性，或?qū)w維具有親和力。（2）將磺酸基轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌鶊F。例如羥基、氨基、氰基、氯基等，從而制得一系列有機中間體或精細化工產(chǎn)品。引入磺酸基的主要目的：（4）選擇性磺化常用來分離異構(gòu)體。（3）利用磺酸基的可水解性。例如，為了某些反應(yīng)易于進行，先在芳環(huán)上引入磺酸基，在完成特定反應(yīng)后，再將磺酸基水解掉。3.1磺化劑、硫酸化劑3.1.1三氧化硫三氧化硫存在三種形態(tài)：a、b和g。其中a在室溫下呈固體，較為穩(wěn)定，不存在抑制劑時其余兩種形態(tài)也將轉(zhuǎn)變成a，當加入少量的抑制劑，并嚴格排除水分，則可制得液相形態(tài)的三氧化硫。常用的工業(yè)產(chǎn)品是b和g的混合物。3.1.2硫酸和發(fā)煙硫酸92％－93％硫酸98％－100％硫酸也可看作三氧化硫與水1：1摩爾比組成的絡(luò)合物。發(fā)煙硫酸：硫酸：含游離三氧化硫20％－25％的發(fā)煙硫酸含游離三氧化硫60％－65％的發(fā)煙硫酸二者都有最低共熔點。3.1.3氯磺酸氯磺酸可看作是SO3.HCl的絡(luò)合物，在-80oC時凝固，152oC沸騰，達到沸點時則離解成SO3和HCl3.1.4 其它硫酰氯和氨基磺酸表不同磺化劑對反應(yīng)的影響項目磺化劑H2SO4ClSO3HSO3?H2SO4SO3沸點，℃290～317151～15044.8磺化速度慢較快較快瞬間完成磺化轉(zhuǎn)化率達到平衡，不完全較完全較完全定量轉(zhuǎn)化磺化熱效應(yīng)需加熱一般一般放熱量大，需冷卻磺化物粘度低一般一般十分粘稠副反應(yīng)少少少多，有時很高產(chǎn)生廢酸量大較少較少無反應(yīng)器容積大大一般很小3.2磺化和硫酸化反應(yīng)歷程3.2.1磺化反應(yīng)歷程100％硫酸中發(fā)煙硫酸中實質(zhì)上它們都是不同溶劑化的三氧化硫分子芳烴的取代反應(yīng)3.2.1磺化反應(yīng)歷程3.2.1磺化反應(yīng)歷程鏈烯烴的加成反應(yīng):A離子型的歷程:B自由基歷程:3.2.2磺氧化和磺氯化反應(yīng)歷程磺氧化：1940年發(fā)現(xiàn)，50年代工業(yè)化磺氯化：里德光化學(xué)磺氯化3.3影響因素3.3.1被磺化物的結(jié)構(gòu)芳環(huán)上有給電子基有利于反應(yīng)芳環(huán)上有吸電子基則不利于反應(yīng)空間位阻也有顯著影響芳烴及其衍生物用硫酸磺化的速度常數(shù)和活化能被磺化物

速度常數(shù)

k·106/L·mol-1·s-1(40℃)活化能E/kJ·mol-1萘

111.325.5間-二甲苯

116.726.7甲苯

78.728.01-硝基萘

26.135.1對-氯甲苯

17.130.9苯

15.531.3氯苯

10.637.4溴苯

9.537.0間-二氯苯

6.739.5對-硝基甲苯

3.340.8對-二氯苯

0.9840.0對-二溴苯

1.0140.41，2，4-三氯苯

0.7341.5硝基苯

0.2446.23.3.2磺基的水解磺化反應(yīng)的逆反應(yīng)一般認為，水解反應(yīng)的歷程為：芳環(huán)上有給電子基增加H+濃度升高反應(yīng)溫度有利于水解反應(yīng)3.3.3磺酸的異構(gòu)化——溫度的影響溫度的變化對磺酸的異構(gòu)化有一定的影響。

甲苯磺化產(chǎn)物的產(chǎn)率隨溫度不同而變化，一般低溫鄰位產(chǎn)物較多，而較高溫度時對位產(chǎn)物為主?；腔瘻囟揉徫?%)間位(%)對位(%)0℃43453100℃138793.3.4磺化劑的濃度和用量芳環(huán)磺化反應(yīng)速度依賴于硫酸濃度，磺化速度與硫酸中所含水分濃度的平方成反比。廢酸：所需硫酸的最低濃度稱為臨界濃度，即廢酸的濃度，稱之為p值：容易磺化的過程，p值要求低；難磺化的過程，p值要求較高對于磺化反應(yīng)，如從磺化劑的用量考慮，應(yīng)該采用SO3或65％的發(fā)煙硫酸，但是濃度太高的磺化劑也會相應(yīng)的引起副反應(yīng)的問題。3.3.5輔助劑1抑制副反應(yīng)磺化的副反應(yīng)是多磺化、氧化和砜的生成砜的生成有利條件是，較高濃度的磺化劑和高溫，研究表明芳砜正離子與硫酸氫根負離子的平方成反比，因此加入無水硫酸鈉可抑制砜的生成。在磺化時，加入無水硫酸鈉還可抑制硫酸的氧化作用。2改變定位在蒽醌磺化時，有汞鹽時主要生成a－蒽醌磺酸，沒有則主要生成b－蒽醌磺酸。類似的還有鈀、鉈和銠等。在這里說明的是只有使用發(fā)煙硫酸時才有此定位作用。又如在高溫萘磺化時，加入無水硫酸鈉還可使b－萘磺酸的產(chǎn)量提高到95％以上。在磺化反應(yīng)中，良好的攪拌可以加速有機物在酸相中的溶解，提高傳熱、傳質(zhì)效率，防止局部過熱，提高反應(yīng)速率，有利于反應(yīng)的進行。3.3.6攪拌的影響過量硫酸的磺化及硫酸化法共沸去水磺化法三氧化硫的磺化及硫酸化法氯磺酸的磺化及硫酸化法烘焙磺化法磺氧化及磺氯化法亞硫酸氫鈉親核取代磺化法3.4磺化及硫酸化方法特點：（1）以硫酸為反應(yīng)介質(zhì)，在液相中進行；（2）磺化試劑硫酸過量很多倍；（3）應(yīng)用范圍很廣；（4）反應(yīng)可逆；（5）有大量廢酸生成。ArH+H2SO4ArSO3H+H2O3.4磺化及硫酸化方法3.4.1磺化方法1.過量硫酸磺化方法磺化設(shè)備（1）型式：釜（鍋）式反應(yīng)器（2）材質(zhì)：鋼或鑄鐵，多數(shù)為鋼（廢酸濃度≥70％）（3）攪拌器：錨式或復(fù)合式攪拌制備單磺化物液態(tài)：反應(yīng)溫度下逐步將磺化劑加入被磺化物中，如萘、甲苯等的磺化。固態(tài)：低溫下將被磺化物加入磺化劑中，溶解后緩慢升溫，如萘酚的磺化。投料方式對于多磺化反應(yīng)，為了節(jié)約用酸，可以分階段在不同的溫度條件下，投入不同濃度的磺化劑，稱之為分段磺化。例加萘的三磺化制備1,3,6-萘三磺酸。分段磺化β-萘磺酸鈉鹽為白色或灰白色結(jié)晶，易溶于水，是制備β-萘酚的重要中間體。生產(chǎn)過程分三步，即磺化、水解-吹萘、中和鹽析?；腔荷a(chǎn)工藝實例—β-萘磺酸鈉的生產(chǎn)水解-吹萘中和鹽析堿熔制取β-萘酚生產(chǎn)過程如下圖所示：3.4.1磺化方法2.共沸去水磺化方法就是把過量的過熱苯蒸汽通入到120oC-180oC濃硫酸中，利用共沸原理用苯帶出反應(yīng)生成的水，以保持磺化劑的濃度緩慢下降，可使硫酸的利用率提高到91％。工藝過程

將被磺化物以氣體形式通入硫酸中，反應(yīng)生成的水與過量芳烴形成共沸物一起蒸出。適用范圍：

低沸點芳烴，如苯、甲苯等。特點（1）利用有機蒸氣帶走水份；（2）磺化劑用量較少，利用率超過91～92％。設(shè)備：間歇釜式或多鍋串聯(lián)的生產(chǎn)工藝工藝條件磺化劑：98.5％H2SO4配比：苯:磺化劑=6～8:1反應(yīng)溫度：120～190℃苯單程轉(zhuǎn)化率：12～17％苯磺酸收率：96～98％3.4.1磺化方法3.三氧化硫磺化方法三氧化硫磺化時，反應(yīng)不生成水，反應(yīng)迅速，三廢少，經(jīng)濟合理，三氧化硫的用量可接近理論量。三氧化硫磺化時，缺點也很明顯，三氧化硫熔點16.8oC，沸點44.8oC，因此液相區(qū)較窄，給使用帶來困難；反應(yīng)激烈，瞬時放熱大，易引起局部過熱而焦化，此外用三氧化硫磺化時，轉(zhuǎn)化率可高達100％，所得磺酸粘度高，這樣散熱更困難，易產(chǎn)生過磺化，生成砜等副產(chǎn)物。以三氧化硫為磺化劑，有以下幾個特點：(1)不生成水，無大量廢酸；(2)磺化能力強反應(yīng)快；(3)用量省，接近理論量，成本低。有資料表明，在烷基苯的磺化過程中，用三氧化硫為磺化劑比用硫酸為磺化劑，成本幾乎可以降低一半；(4)反應(yīng)生成的產(chǎn)品質(zhì)量高、雜質(zhì)少；(5)由于反應(yīng)速度快，磺化能在幾秒內(nèi)迅速完成，所以反應(yīng)設(shè)備的生產(chǎn)效率高。3三氧化硫磺化方法氣體三氧化硫磺化方法工業(yè)上磺化是將三氧化硫用干燥空氣稀釋到三氧化硫濃度為4％－7％的混合氣體。設(shè)計磺化反應(yīng)器三氧化硫磺化降膜式反應(yīng)器3三氧化硫磺化方法液體三氧化硫磺化方法不活潑液態(tài)芳烴采用此磺化方法3三氧化硫磺化方法三氧化硫溶劑法磺化方法三氧化硫溶劑法磺化方法適用于被磺化物或者磺化產(chǎn)物為固態(tài)的過程，反應(yīng)溫和，容易控制。對溶劑的要求：①溶解固體有機物或與液態(tài)有機物混溶；②對SO3的溶解度＞25%。常用溶劑：有機：CH2Cl2，ClCH2CH2Cl，Cl2CHCHCl2，石油醚等；無機：SO2，H2SO4等。3三氧化硫磺化方法有機絡(luò)合物磺化方法有機絡(luò)合物的反應(yīng)活性比發(fā)煙硫酸小，只適用于那些磺化活性大的有機化合物。三氧化硫能與許多有機物生成絡(luò)合物，其穩(wěn)定性次序按下列順序遞減。優(yōu)點（1）不生成水、無廢酸；（2）磺化能力強、反應(yīng)速度快；（3）磺化劑用量省，接近理論量；（4）避免分離產(chǎn)品質(zhì)量高，雜質(zhì)少；（5）生產(chǎn)效率高。缺點反應(yīng)劇烈，不易控制。4.氯磺酸磺化方法氯磺酸磺化能力僅次于三氧化硫?；钚?SO3>ClSO3H>H2SO4特點：（1）易水解；

（2）價格貴，應(yīng)用少；（3）產(chǎn)品純度高。用量：n(ArH):n(ClSO3H)＝1:4~5ArHArSO3HArSO2Cl

ArSO2NHRClSO3HClSO3HRNH25.烘焙磺化方法適用范圍芳香族伯胺及其甲基、氯取代衍生物。反應(yīng)過程

特點：（1）高溫反應(yīng)；（2）主要得到對位產(chǎn)物；（3）帶有-OH,-OCH3,-NO2和多鹵基化合物不宜采用。防止反應(yīng)物的氧化、焦化或樹脂化。工藝操作

早期：炒盤、炒鍋、烘焙盤；（烘焙不勻，易局部過熱焦化）

后期：球磨機式固相反應(yīng)器

新方法：溶劑法（采用二氯苯、三氯苯、二苯砜等高沸點溶劑，在180～220℃反應(yīng)）6.用亞硫酸鹽磺化方法通過亞硫酸鹽磺化方法可精制間二硝基苯3.4.2硫酸化方法（1）高級醇的硫酸化硫酸化試劑有發(fā)煙硫酸、氯磺酸、三氧化硫與吡啶絡(luò)合物（2）天然不飽和油脂和脂肪酸的硫酸化硫酸化油硫酸化脂肪酸酯硫酸化烯烴3.5磺化產(chǎn)物的分離方法3.5.1稀釋酸析法酸析法是利用某些芳磺酸在50~80%的硫酸中溶解度很小的特性，在液相磺化時，將磺化物用水稀釋，調(diào)整到適宜的硫酸濃度，產(chǎn)品就可以析出。例如下列產(chǎn)物的制備：3.5.2直接鹽析法使用KCl可使2－萘酚－6，8－二磺酸以鉀鹽析出3.5.3中和鹽析法利用芳磺酸在中和時生成的硫酸鈉或其他無機鹽，促使芳磺酸鹽析出。由于磺化物的鹽在硫酸鈉水溶液中的溶解度比在水中的溶解度小得多，比較容易析出。這樣做不僅使產(chǎn)品鹽析出，而且還可以減少酸對設(shè)備的腐蝕。3.5.4脫硫酸鈣法化物在稀釋后用氫氧化鈣的懸浮液