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磺化工艺

磺化工艺作业

（一）概念

磺化反应（SulfonationReaction）就是指有机化合物分子中引入磺酸基（—SO3H）,磺酸盐基（如—SO3Na）或磺酰卤基（—SO2X）的化学反应。

引入磺酰卤基的化学反应又可称为卤磺化反应。

根据引入的基团不同,生成的产品可以就是磺酸（R-SO3H,R代表烃基）、磺酸盐（R-SO3M,M代表NH4或金属离子）或磺酰卤（R-SO2X,X代表卤素）。

根据磺酸基中S原子与有机化合物分子中相连的原子不同得到的产物可以就是,与C原子相连的产物为磺酸化合物（R-SO3H）;与O原子相连的产物为硫酸酯（R-OSO3H）;与N原子相连的产物为磺胺化合物（R-NHSO3H）。

重点讨论芳环上的磺化反应。

二、常用磺化剂

•磺化剂的选择就是重要的磺化反应技术之一。

常用的磺化剂:

硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸、硫酰氯、亚硫酸盐等。

硫酸就是最温与的磺化剂,用于大多数芳香化合物的磺化;氯磺酸就是较剧烈的磺化剂,用于磺胺药中间体的制备;三氧化硫就是最强的磺化剂,常伴有副产物砜的生成。

磺化剂强弱取决于所提供的三氧化硫的有效浓度。

•

（一）硫酸与发烟硫酸

•1、规格与组成

•

（1）硫酸:

就是一种无色油状液体,凝固点为10、01℃,沸点为337、85℃（98、3﹪H2SO4）。

•

（2）工业硫酸:

通常有两种规格,即92﹪～93％与98％～100％三氧化硫的一水合物。

•（3）发烟硫酸:

就是三氧化硫溶于浓硫酸的产物（H2SO4·xSO3）。

•（4）工业发烟硫酸:

通常也制成两种规格,即含游离

•SO3为20％～25％与60％～65％。

•3、发烟硫酸作磺化剂的特点

•

（1）反应速度快且稳定,温度较低,同时具有工艺简单、设备投资低、易操作等优点;适用于反应活性较低的芳香化合物磺化与多磺酸物的制备。

•

（2）缺点就是其对有机物作用剧烈,常伴有氧化、成砜的副产品。

磺化时仍有水产生,生成的水使硫酸浓度下降,当达到95%时反应停止,产生大量的废酸。

3、发烟硫酸作磺化剂的特点

（1）反应速度快且稳定,温度较低,同时具有工艺简单、设备投资低、易操作等优点;适用于反应活性较低的芳香化合物磺化与多磺酸物的制备。

（2）缺点就是其对有机物作用剧烈,常伴有氧化、成砜的副产品。

磺化时仍有水产生,生成的水使硫酸浓度下降,当达到95%时反应停止,产生大量的废酸。

4、共沸去水磺化法-“气相磺化”

（1）原理:

将过量的苯蒸汽在120℃～180℃通入浓硫酸中,利用共沸原理使未反应的苯蒸汽带出生成的水,保证硫酸的浓度不致下降太多,这样硫酸的利用率可达91％。

（2）特点:

从磺化锅中逸出的苯蒸汽与水蒸汽经冷凝后分层可回收苯,回收的苯经干燥又可循环使用。

只适用于沸点较低易挥发的芳烃,例如苯与甲苯的磺化。

•④注意事项:

硫酸加入速度不宜过快;粗品中对甲苯磺酸80%、邻甲苯磺酸15%、间甲苯磺酸5%,采用高真空精馏分离;影响异构体的主要因素就是磺化温度,0℃时磺化混合物中对位异构体占54%,100℃时对位占85%,140℃时对位占38%,为增加对位的比例,故选用甲苯回流温度下加硫酸。

•⑤用途:

对甲苯磺酸主要用于四环素抗生素的制备,如多西环素、氢吡强力霉素、不啉强力霉素等。

•

（2）液体三氧化硫法磺化:

①特点:

主要用于不活泼液态芳烃的磺化,生成的磺酸在反应温度下必须就是液态的,而且粘度不大。

②应用实例:

硝基苯制备间-硝基苯磺酸

（3）三氧化硫溶剂法磺化:

①常用的溶剂:

无机溶剂有硫酸与二氧化硫。

硫酸与三氧化硫可混溶,且能破坏有机磺酸的氢键缔合,降低磺化反应的黏度。

此过程能代替一般的发烟硫酸磺化,故通用性大,技术简单。

四氯乙烷、石油醚、硝基甲烷等;具价廉、稳定、易回收,被磺化物被有机溶剂所稀释,有利于抑制副反应等特点。

②应用特点:

适用于被磺化物或磺化产物为固态的磺化过程,反应温与,容易

有机溶剂有二氯甲烷、1,2-二氯乙烷、1,1,2,2-控制。

（三）氯磺酸

1、反应机制

氯磺化反应分两步进行:

第一步先由芳香化合物与氯磺酸反应生成芳磺酸;第二步芳磺酸与另一分子氯磺酸生成芳磺酰氯化合物。

第二步反应为可逆反应,通过加入过量氯磺酸（2-5倍）、或采用化学法去除硫酸（如加适量的NaCl,收率由76%--90%）得高收率的芳磺酰氯。

芳香化合物若与等摩尔比或稍过量的氯磺酸反应,得到的产物就是芳磺酸;若与过量很多的氯磺酸反应,产物则就是芳磺酰氯。

2、特点:

氯磺酸为磺化剂的优点:

反应能力强,反应条件温与,得到产品较纯,副产物氯化氢可在负压下排出（可用水吸收制成盐酸）,有利于反应进行完全。

缺点:

价格较高,且分子量大,引入一个磺酸基的磺化剂用量较多,反应中产生的氯化氢具有强腐蚀性。

3、应用特点:

氯磺酸主要适用于制取芳香族磺酰氯。

（1）实例一:

对乙酰氨基苯磺酰氯的制备:

（2）实例二:

利尿降压药氢氯噻嗪中间体的制备:

（3）实例三:

降血糖药甲苯磺丁脲中间体对甲基苯磺酰氯的制备:

（4）实例四:

抗精神失常药氯普噻吨中间体对氯苯磺酰氯的制备:

二、磺化剂的浓度与用量

※动力学表明:

在浓硫酸（浓度92-99%）中,磺化速度与硫酸中所含水分浓度的平方成反比。

（一）硫酸浓度与用量的计算

1、磺化“π值”的概念

芳烃的磺化速度依赖于硫酸的浓度。

当酸的浓度降低到一定程度时,反应几乎停止进行。

这时,剩余硫酸称为“废酸”。

其浓度通常用含三氧化硫的质量分数表示,称为磺化的“π值”。

如苯单磺化,当硫酸浓度低于78、4％时,不论温度、搅拌或催化剂如何,苯的磺化反应均不能进行,此时每100份78、4％的硫酸中所含三氧化硫量为64份,因而π值为64。

（书P224表9-1几种芳烃的π值）

对于容易磺化的化合物其π值要求较低;而对于难磺化的化合物则π值却要求较高。

2、硫酸或发烟硫酸的用量X的计算公式

π值的概念说明磺化剂的开始浓度对磺化剂用量的影响;设酸相中被磺化物、磺酸浓度忽略不计,每摩尔被磺化物在磺化时所需的硫酸或发烟硫酸用量X的计算公式:

X=80n（100-π）/（а-π）

式中,X:

磺化剂硫酸的用量（Kg）;

а:

磺化剂硫酸中含三氧化硫的质量分数;

π:

废酸中含三氧化硫的质量分数;

n:

引入磺酸基的个数。

3、X的意义

由上式可知,当用三氧化硫作磺化剂时（а=100）,单磺化时它的用量就是80,即相当于理论量。

当磺化剂中三氧化硫的浓度а降低时,磺化剂的用量就要增加,当а降低到废酸中三氧化硫的浓度π时（即а≈π）,磺化剂的用量将增加到无限大。

案例分析:

某药厂用含81、6%三氧化硫的硫酸（98%）为磺化剂制备苯磺酸,单磺化1摩尔苯时该种硫酸的用量X就是多少？

（二）硫酸浓度与用量的选择

如只从磺化剂的用量考虑,应选用三氧化硫或发烟硫酸作磺化剂,但磺化剂浓度太高也有缺点:

①引起副反应,如氧化或生成砜等,影响磺酸基进入芳环的位置;

②反应液黏稠不便于操作,生成的磺酸溶于酸相中从而影响磺化的速度。

在实际工作中为保证收率,一般都采用过量的硫酸,以保持酸的浓度超过π值,同时采取下述脱水方法以降低水对酸的稀释作用。

1、物理脱水法

使用过量的溶剂或参与磺化的芳烃带走反应生成的水,即前面所述的共沸去水磺化法。

2、化学脱水法

向磺化物中加入能与水作用的物质,如BF3、SOCl2。

以SOCl2为例。

（一）磺酸基的水解

磺化反应为可逆反应,磺酸基的水解反应就是磺化反应的逆反应。

对于有吸电子基的芳磺酸,芳环上的电子云密度降低,磺酸基难水解。

对于有给电子基的芳磺酸,芳环上电子云密度增高,磺酸基易水解。

此外,介质中的氢离子浓度愈高,水解速度愈快。

磺化反应与水解反应的速度都与温度有关,温度升高,水解速度的增加值比磺化速度快,因此,一般水解的温度比磺化温度高。

（二）磺酸基的异构化

1、磺酸基的异构化的概念

磺酸基在一定条件下还可以从原来的位置转移到其她位置,通常就是转移到热力学更稳定的位置,称为“磺酸基的异构化”。

2、影响磺酸基的异构化的因素

一般认为,在含有水的硫酸中,磺酸基的异构化就是一个水解-再磺化的反应,而在无水硫酸中则就是分子内的重排反应。

温度的变化对磺酸基的异构化也有一定的影响。

当苯环上有给电子基时,低温有利于磺酸基进入邻位,高温有利于进入对位,甚至有利于进入更稳定的间位。

•一般对于较易磺化的过程,低温磺化就是不可逆的,属于动力学控制,磺酸基进入电子云密度高,活化能较低的位置;高温磺化就是热力学控制,磺酸基可通过水解-再磺化或异构化而转移到空间障碍较小或不易水解的位置。

•在磺化反应过程中加少量添加剂,对反应有明显影响:

•

（一）改变磺酸基的定位

•例如蒽醌在使用发烟硫酸磺化时,主要得β-蒽醌磺酸;当加入汞盐后,主要生成α-蒽醌磺酸;钯、铊与铑对蒽醌磺化也有很好的α-定位效应。

萘在高温下磺化时,加入10％左右的硫酸钠或S-苄基硫脲,可使β-萘磺酸的含量提高到95％以上。

•

（二）抑制副反应产物的生成

•1、砜的生成与抑制

•生成砜的有利条件就是高温与高浓度的磺化剂,此时芳磺酸与硫酸作用生成芳砜阳离子,而后与芳烃反应生成砜。

•在磺化液中加入无水硫酸钠可以抑制砜的生成,因为硫酸钠在酸性介质中能解离产生硫酸氢根离子,使平衡向左移动。

•2、氧化副反应的产生与抑制

•磺化时产生的氧化副反应形成羟基衍生物,并可进一步氧化为复杂产物。

在多环芳烃或多烷基取代苯磺化时特别明显,尤以高温与催化剂存在时为甚。

•通常对羟基蒽醌磺化时,常加入硼酸使其与羟基作用形成硼酸酯,可以阻碍氧化副反应产物的生成;对萘酚进行磺化时,加入硫酸钠可以抑制硫酸所起的氧化作用。

•（三）加快磺化反应速度

•难于磺化的化合物,加入适量的催化剂,可以降低反应温度,加速

•反应,提高收率。

•例如吡啶用硫酸或发烟硫酸磺化时,所得吡啶3-磺酸的产率只有50％左右,但加入硫酸汞作催化剂后,不仅可使收率提高到70％,还可使反应温度从320℃降到240℃。

肌肉兴奋药溴吡斯的明的合成原料3-磺酸吡啶即用此法制备。

•

（一）直接盐析法

•向磺化物的稀释液中直接加入食盐、氯化钾或硫酸钠,可使某些芳磺酸成盐析出。

缺点:

有盐酸生成,对设备的腐蚀性较强。

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（二）中与盐析法

•磺化物在稀释后用NaOH、Na2CO3、Na2SO3、NH4OH或MgO中与,利用中与时生成的硫酸钠、硫酸铵或硫酸镁可使磺酸以钠盐、铵盐或镁盐的形式盐析出来。

•（三）稀释酸析法

•某些芳磺酸在50℃～80℃的硫酸中溶解度很小,将磺化液加水稀释,磺酸即可析出。

•（四）脱硫酸钙法

•某些磺酸特别就是多磺酸,不能用盐析法分离,这时需要采用脱硫酸钙法。

磺化物在稀释后用Ca（OH）2的悬浮液进行中与,生成的磺酸钙盐能溶于水,用过滤法除去CaSO4沉淀,得到不含无机盐的磺酸钙盐溶液。

将此溶液再用碳酸钠溶液处理,再过滤除去CaCO3沉淀,得到磺酸钠盐溶液。

•（五）萃取分离法

•为了减少三废的生成,近年来提出萃取分离的新方法。

例如,将萘高温-磺化,稀释水解除去1-萘磺酸后的溶液,用叔胺（N,N-二苄基十二胺）的甲苯溶液萃取,叔胺与2-萘磺酸形成配合物被萃取到甲苯层中,分出有机层,用碱液中与,磺酸即转入水层,蒸发至干即得到2-萘磺酸钠,纯度可达86、8％。

叔胺与甲苯可回收再用。

这种方法,废硫酸中基本不含有机物,便于处理,有较大的发展前景。

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（一）碳钢的腐蚀特性

•当硫酸浓度较小时,腐蚀随硫酸浓度的增加而加大,当硫酸的浓度在70％时,其腐蚀速度达到最大值。

硫酸浓度再增大,由于发生钝化,腐蚀速度逐渐