精细合成单元反应2

***:重点掌握；**：掌握；*：了解
1.芳环上的取代磺化
讨论：
ArH + H2SO4 ArSO3H + H2O
1、上述反应是如何进行的，即反应机理。 2、要有效地实现上述反应，你认为要考虑哪些方 面？
1.芳环上的取代磺化
1.1 过量硫酸磺化
ArH + H2SO4 ArSO3H + H2O
磺化剂： ——浓硫酸、发烟硫酸，规格？如果需要用其它浓 度的硫酸，怎么办？
2
+ SO2 + H2O
H2SO4 ＋ Na2SO3
Na2SO4 ＋ SO2 ＋ H2O
1.1 过量硫酸磺化
磺化产物的分离 原理：利用磺酸或磺酸盐溶解度的不同来完成 1）稀释析出法：CLT酸的前体在50%-54%废酸中溶解度很小， 析出后还原。
CH3 Cl NO2 SO3H
CH3 100% H2SO4, 105-110, 回 流
H2O + H2SO4 H3O+ + HSO4-
1.1 过量硫酸磺化
反应历程： 反应亲电质点：SO3和它的配合物（进攻的原子是S 还是O？），一般认为（有不同观点）： • 发烟H2SO4中： SO3 • 93%浓H2SO4中：H2S2O7（SO3· 2SO4） H • 80～85％的H2SO4中：H3SO4+（SO3· 3+O） H • 含量更低硫酸中：H2SO4（SO3· 2O） H
H
+ SO3
-
SO3
SO3
SO3H
k1 k-1
.+ . . . .. .
K2,-H+
+H+
1.1 过量硫酸磺化
磺化动力学（研究反应速度的问题）
表1 某些芳烃用硫酸磺化相对于苯的反应速度常数 被磺化物 KD/kB 萘 9.12 间二甲苯 7.53 甲苯 5.08 1-硝基萘 1.68 对氯甲苯 1.10 被磺化物 氯苯 溴苯 间二氯苯 对硝基氯苯 对二氯苯 KD/kB 0.68 0.61 0.43 0.21 0.063 被磺化物 KD/kB 对二溴苯 0.065 1.2.3- 三 氯 0.047 苯 硝基苯 0.015
主要影响因素
1）磺化剂的浓度和用量（π值概念及浓度与用量的关系） 随着磺化反应的进行，硫酸的浓度逐渐降低，当到一 定程度时近乎停止，因为水对磺化反应速度的影响很大。 有多大？ ArH + SO3 ArSO3H
v(SO )=k(SO )[ArH][SO3]
3 3
2H2SO4
K1
SO3 ＋ H3O+ ＋ HSO4K1[H2SO4]2 [H3O+][HSO4-]
SO3H
磺化
HO3S
OH
OH
+
SO3K
G酸
OH
HO 3S
SO3H
R酸
OH KO3S SO3K
KCl
↓+
KO3S
OH
NaCl
↓
NaO3S SO3Na
1.1 过量硫酸磺化
• 为了减少母液体积，可改用NaOH水溶液，将一部分硫酸 中和成Na2SO4进行盐析，如2-氨基萘-5,7-二磺酸可用此 方法析出其单钠盐，后者经碱熔可制得J酸。
1－[H2O]≈1
=k(SO )[ArH]
3
同理，有
v(H S O )= k(H S O )[ArH]
2 2 7 2 2 7
**结论：----。
1.1 过量硫酸磺化
π值概念及磺化剂用量的计算
• • • • 1919年，Guyal用π值表示这种“废酸”的浓度。 “废酸”中SO3的质量百分数—（ π值） 为了消除水的稀释的影响，必须使用过量很多的硫酸。 每摩尔化合物一磺化所需的磺化剂量： *X=[80（100- π）]/a- π a:磺化剂中SO3的重量百分数。可以看出，所用的磺 化剂浓度越高，用量越少。 实际生产中磺化剂浓度和用量是通过最优实验二综合确 定的。 问题5: 300KG对硝基甲苯在100-125℃一磺化时，设π值为82， 试计算20%发烟硫酸的用量。
芳磺酸的异构化在工业上有重要的用途，P77。 问题4：为什么萘高温磺化有利于β异构体的生成呢？
1.1 过量硫酸磺化
2、芳磺酸的水解： 机理：亲电取代
反应条件：30%-70%硫酸，温度120-170℃（为什么？）
芳环上取代基电子效应的影响；萘环的α位和β位； 用途（制备萘-2-磺酸，J酸等）。
1.1 过量硫酸磺化
CH3
SO3H
NH2 SO3H
80%
1.1 过量硫酸磺化
2.β-萘磺酸钠（可制备2-萘酚、克拉夫酸、扩散剂N等） SO3H 磺化 SO3H
+ H2SO4
160℃ 2h
(+ 95％ 5％
)
+ H2O
97-98%SO3H水解吹萘Fra bibliotek中和盐析
SO3H 2
+ H2O (气)
水解
+ H2SO4
SO3Na
+ Na2SO3
SO3•H2SO4
50～90℃
SO3H SO3H
SO3•H2SO4
150～250℃
HO3S SO3H SO3H
1.1 过量硫酸磺化
重要实例
1：CLT酸：2-氨基-4-甲基-5-氯苯磺酸，重要的有机颜料 中间体，需要量很大。
CH3 100% H2SO4, 105-110, 回 流 CH3 Cl
氯化、硝化和还原
萘一磺化时温度对异构体生产比例的影响
温度/℃ α位比例/% β位比例/%
80 96.5 3.5
100 83.0 17.0
124 52.4 47.6
129 44.4 55.6
138.5 28.4 71.6
150 18.3 81.7
161 18.4 81.6
再如：
H2SO4 低温 SO3H
150℃ HO3S
HO3S NH2
SO3H
HO3S
NH2
J酸，重要的染料中间体
OH
1.1 过量硫酸磺化
3）中和盐析法
SO3H 2 SO3Na
+ Na2SO3
2
+ SO2 + H2O
H2SO4 ＋ Na2SO3
Na2SO4 ＋ SO2 ＋ H2O
也可用碳酸钠、氢氧化钠、氨水或液氨。
1.1 过量硫酸磺化
4）脱硫酸钙法：
1.1 过量硫酸磺化
2）反应温度和时间
• 反应温度会影响磺基进入芳环的位置。在多磺化时， 每个阶段都要选择合适的磺化温度。
90 80 70 60
o-位产物 m-位产物 p-位产物
100
α -位产物 β -位产物
80
Yield/%
50 40 30 20 10 0 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225
磺化和硫酸化
Sulfonation and Sulfation
教学过程
• • • • • • 磺化和硫酸化的概念 学生介绍用该单元反应生产的产品、企业及科研 学习内容及要求 讲授加提问或考问 本课小结 课外作业
• 赞宇科技（002637）
赞宇科技股份有限公司
以天然油脂为原料的绿色环保新型表面活性剂，主要产品为 • AES(脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐 )、 • AOS(α-烯基磺酸钠 )、 • LAS、 • MES(—磺基脂肪酸酯盐 )、 • 6501(椰子油脂肪酸二乙醇酰胺 )、 • CMEA(椰子油脂肪酸单乙醇酰胺 ), • FAS(醇硫酸盐) 。
问题1：欲配制1000Kg质量分数为100%H2SO4，要用多少 千克质量分数为98%的硫酸和多少千克质量分数为20%的 发烟硫酸？
反应历程：(掌握它的要素有哪些？） ——请画出苯用硫酸磺化的反应历程。
1.1 过量硫酸磺化
• Any question? 硫酸的离解性质 • 在发烟硫酸中：SO3、H2S4O13、H2S3O10、H2S2O7、 H3S2O7+、H3SO4+等。 • 在100%硫酸中：H2S2O7、H2SO4、H3SO4+、HSO4• 在75%-84%硫酸中： H3SO4+、 H2SO4 问题2：这些物质是如何产生的，用什么方法来证 明？
1.1 过量硫酸磺化
硫酸的离解性质
• 在发烟硫酸中：SO3 + 2H2SO4
2SO3 + 2H2SO4 H3SO4+ + HS2O72H2S2O7 H3S2O7+ + HS2O7-
• 在100%硫酸中：2H2SO4
3H2SO4
H3SO4+ + HSO4H2S2O7 + H3O+ + HSO4-
• 在75%-84%硫酸中：
Yield/%
60
40
20
0 80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
T/℃
T/℃
图 温度对甲苯磺化异构产物比例的影响
图 温度对萘一磺化异构产物比例的影响
1.1 过量硫酸磺化
• 提高温度,反应速度加快，缩短反应时间，但温度太高会 引起多磺化、砜的生成、氧化和焦化等副反应。
S OH + 3
•问题3：从上表您可得出什么结论？如何解释？
1.1 过量硫酸磺化
磺化动力学（研究反应速度的问题）
•磺化是连串反应，但只要选择适当的反应条件（磺化剂的 浓度和用量、反应温度和时间），可使被磺化物控制在一磺 化或二磺化。如苯的共沸去水一磺化，磺化液中约含88%91%的苯磺酸、小于1.5%的苯、小于0.5%苯二磺酸。（如何 解释？） •硫酸浓度对反应速率有很大影响。对硝基甲苯用2.4%发烟 硫酸磺化的反应速率比用100%硫酸快100倍，硫酸浓度由92% 提高到99%，磺化反应速度约提高64.4倍。（如何解释？） •产物芳磺酸会缓解反应速率的下降，加入硫酸钠则会抑制 反应速率。（如何解释？）
＞170℃
S O2
• 问题6：在用98%硫酸进行以下一磺化反应时，各应选择 什么磺化温度？ • 1）甲苯制对甲苯磺酸；2）2-萘酚制备2-羟基萘6-磺酸。
1.1 过量硫酸磺化
3）加入辅助剂



目的：抑制多磺化、砜的生成、氧化等副反应， 或是为了改变定位。 如在2-萘酚一磺化制备2-萘酚-6-磺酸时，加无水 Na2SO4，在羟基蒽醌用发烟硫酸磺化加硼酸时， 可以抑制硫酸的氧化作用。 无水Na2SO4抑制砜的生成：
1.1 过量硫酸磺化
反应热力学—磺酸的异构化和水解
•用浓硫酸和发烟硫酸为磺化剂的磺化反应是可逆的，即在一 定条件下，可以发生磺酸的异构化或磺基水解的脱磺基反应。
SO3H 80℃ + H2SO4 96.5% 160℃ SO3H 160℃ 81.6% + H2O + H2O
1.1 过量硫酸磺化
1、芳磺酸的异构化：在浓硫酸中一般认为是通过水解再磺 化而完成的。在发烟硫酸中（如萘二磺酸的异构化）一般 认为是通过分子重排而完成。
赞宇科技股份有限公司厂景
科研—多糖的硫酸化
• antitumor activities • anti-HIV activities • anticoagulant activities.etc.
学习内容及要求
1.芳环上的取代磺化*** •过量硫酸磺化*** •共沸去水磺化* •芳伯胺的烘焙磺化* •氯磺酸磺化* •三氧化硫磺化** 2.α-烯烃用SO3的取代磺化** 3.高碳脂肪酸甲酯用SO3的 取代磺化* 4.脂肪烃用SO2的磺氧化和磺 氯化* 5.烯烃与亚硫酸盐加成磺化* 6.亚硫酸盐的置换磺化* 7. 烯烃的硫酸化* 8.脂肪醇的硫酸化* 9. 聚氧乙烯醚的硫酸化(AES)*
ArSO3H ＋ SO3 ArSO2+ ＋ HSO4-
ArSO3H ＋ 2H2SO4
ArSO2+ ＋ H3O+ ＋ HSO4芳砜正离子
1.1 过量硫酸磺化
正因为影响因素较多，所以多磺化产物的制备往往需要 进行多步磺化。
SO3H
SO3H
H2SO4
60℃
SO3•H2SO4 35～55℃
SO3H SO3H SO3H
CH3 Cl
CH3
SO3H
NH2 SO3H
操作简便，费用低，副产的废硫酸母液便于回收利用。
1.1 过量硫酸磺化
2）稀释盐析法： • 许多芳磺酸盐在水中溶解度很大，但在相同正离子存在下 溶解度明显下降，因此向磺化稀释液中加入NaCl,Na2SO4等， 使芳磺酸盐析出。 • 还可以分离芳磺酸盐异构体
OH
[SO3] =
K1[H2SO4]2 v(SO3)=k(SO3)[ArH] [H3O+][HSO4-]
1.1 过量硫酸磺化
K
H2O ＋ H2SO4
H3O+ ＋ HSO4-
[H3O+]＝[HSO4-]≈[H2O]＝1－[H2SO4] v(SO )=k(SO )[ArH]
3 3
K1[1－[H2O]]2 [H2O]2 1 [H2O]2 1 [H2O]2
SO3Na
SO3Na
如扩散剂N的制备
1.1 过量硫酸磺化
5）萃取法：
SO3H
2ArSO3H + Ca(OH)2 → (ArSO3)2Ca + H2O H2SO4 + Ca(OH)2 → CaSO4↓+2H2O (ArSO3)2Ca + Na2CO3 → 2ArSO3Na +CaCO3↓ 优点：是可得到不含SO42-的 芳磺酸盐水溶液； 缺点：副产硫酸钙滤饼仍含有 芳磺酸盐，影响收率及利用， 因此已逐渐被其它方法替代。