第二章磺化反应及其工艺
( sulphonation)
概述磺化剂的种类磺化反应历程磺化反应的影响因素磺化方法磺化后处理磺化过程的控制与产品鉴定
§ 2.1概述
1,目的
Ar-H + H2SO4 → Ar -SO3H
① 使产物具有水溶性、酸性、表面活性或对纤维的亲和力 如产物表面活性
②将 -SO3H 转变为 -OH,-NH2,-CN,-X等,从而制成系列中间体 基团置换 § 2.1概述
③ 利用磺酸基的水解性,完成特定的反应后,再将其水解 安定蓝 B色基
2,磺化方法(引入 SO3H的方法)
过量硫酸法共沸去水法(溶剂法)
三氧化硫法氯磺酸( Cl SO3H )磺化法亚硫酸盐磺化法( NaHSO3)
§ 2.2磺化剂的种类
1,SO3---最有效的磺化剂 SO3
2,H2SO4和发烟硫酸 H2SO4和发烟硫酸
3,氯磺酸 氯磺酸
4,亚硫酸钠或亚硫酸氢钠 亚硫酸钠或亚硫酸氢钠 (亲核取代)
§ 2.3磺化反应历程磺化动力学反应历程一、磺化动力学可能的磺化质点是不同溶剂化的 SO3分子,
a,在发烟硫酸中主要的磺化质点为 SO3,
b,在较浓的硫酸中的质点为 H2S2O7,它是 SO3和 H2SO4溶剂化的形式
C,在较低浓度的硫酸中( 80%- 85%)主要是 H3SO4+,
它是 SO3和 H3O+ 溶剂化形式
SO 3 + H
2 SO 4
H 2 S 2 O 7
SO 3 + H
3 O
+
H 3 SO 4
+
反应速率对硝基甲苯在发烟硫酸中磺化
V= K[ArH][SO3]
磺化质点为 SO3
在浓硫酸( 92%- 99%)中磺化时
H2S2O7活性比 H3SO4+ 的大 ;一般在磺化时,活性大的质点选择性小,活性小的质点选择性大
2
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A rHKV?
二、反应历程 (两步历程)
§ 2.4磺化反应的影响因素被磺化有机物的性质磺基的水解磺化温度磺化剂的浓度和用量添加剂的影响一、被磺化物的性质磺化反应是亲电取代,已有取代基是供电基团,
使反应易进行;已有取代基为吸电基团使反应难进行常见有机物磺化反应难易程度
Cl NO
2
C H 3
>> > >
二、磺基的水解磺基的水解规律有吸电子基的芳磺酸,芳环上的电子云密度较低,,磺基难 水解有给电子基的芳磺酸,芳环上的电子云密度比较高,磺 基容易水解介质中 H+ 3O的浓度越高,水解速度越快,因此磺酸的水解都采用中等浓度的硫酸磺化和水解的速度与硫酸温度有关,每升高 10℃,
磺化速度增加 2倍,水解速度增加 2.5-3.5倍。
(在低温用较浓的硫酸磺化时,水解速度很慢,可以看作是不可逆磺化。在高温下用较稀的硫酸磺化时,水解速度较快,可以看作是可逆磺化。 )
三、温度
A,温度太低,反应速率低;温度太高,
引起多磺化、氧化等负反应
B,影响 -SO3H基团的取代位置
( -SO3H 的体积大)
动力学控制与热力学控制甲苯磺化萘磺化磺化反应中的异构化四、磺化剂的浓度与用量每引进一个- SO3H基团,同时生成一 mol 水,
水的生成降低了体系中硫酸的浓度废酸以 SO3的重量百分数表示 -π值易磺化,π值要求低;难磺化,π值要求高
+ H 2 SO 4 SO 3 H + H 2 O
π值计算单磺化取代的磺化剂的用量以 SO3为基准:
加入磺化剂=消耗量+废酸含量,α表示原料中 SO3的重量百分数以 1mol一磺化产物为基准,X*α/100 = 80 + (X-80)*π/100
(1) 纯 SO3,α= 100,则 X= 80
(2) 发烟硫酸,H2SO4浓度越高,则 α越小,X要求的越大
(3) α= π,X趋于无穷五、添加剂的影响
( 1)改变定位
( 2) 抑制负反应羟基蒽醌磺化时加入硼酸
§ 2.5磺化方法一、过量硫酸磺化法二、共沸去水法三、三氧化硫磺化法四、氯磺酸磺化法一、过量硫酸磺化法优点,适用面广; 缺点:磺酸过量较多 ―― 废酸多,生产能力较低
Ar- H + H2SO4 → ArSO3H + H2O - Q; 反应初期速率快,需要冷却,反应后期速率慢,需要加热 。
设备,铜锅或铸铁锅 ( 带夹套 ) 磺化锅一,过量硫酸磺化法搅拌器,取决于反应体系的粘度,高温磺化,粘度低,对搅拌的要求不高;低温磺化,粘度高,采用低速大功率的锚式搅拌加料次序,取决于原料的性质,反应温度以及引入磺基的位置与数目一般地,若反应物在磺化温度下式液态,在磺化反应釜中先加入被磺化物,
然后再慢慢加入磺化剂,以免生成较多地二磺化物若被磺化物在磺化温度下是固态 ( 如 2-萘酚,萘 ),在磺化反应釜中先加入磺化剂,然后在低温下加入被磺化物,再升高温度 → 提高反应活性制备多磺酸时,常采用分段加酸法 萘制备 1,3,6-萘三磺酸终点判断,总酸度小于 π值;根据磺化产物的性质来判断二,共沸去水磺化法原理设备,釜式和塔式反应器共沸去水法只适合于沸点较低、易挥发的芳烃工艺过程
92.5%的硫酸 → 90-120℃ (苯蒸汽过热 150℃ ) → 自动升温到 180-190℃ → 160-170℃ 下保温终点判断游离酸的含量下降至 3.0-3.5%
三、三氧化硫磺化法优点:反应 不生成水 Ar + SO3
→ArSO 3H
缺点,液相区窄由于 SO3非 常活泼 → 注意温度控制和加料顺序制备十二烷基磺酸钠气态 SO3制备十二烷基苯磺酸钠制备十二烷基苯磺酸钠的流程
1,气体三氧化硫磺化为使反应容易控制、减少副反应以保证产品的质量,需要将 SO3用干燥空气稀释反应器内外需水冷却优点,生产能力大,产品质量好,停留时间短,
原料配比精确,热量移出迅速,能耗小已代替发烟硫酸磺化法 生产十二烷基苯磺酸钠
2,液体三氯化硫磺化适用,不活泼液态芳烃的磺化 ; 磺酸产物在反应温度下必须是液态;体系粘度不大对硝基甲苯的磺化硝基甲苯的磺化稍过量的液态三氧化硫慢慢滴加到硝基苯 → 自动升温至 70-80℃ →
95-120℃ 保温 → 硝基苯完全消失 → 磺化物稀释、中和 → 产物间硝基苯磺酸 钠
3,三氧化硫的溶剂法优点,适用于被磺化物或磺化产物为固态;,反应温和、容易控制无机溶剂,是硫酸和液体二氧化硫硫酸能破坏磺酸的氢键缔合,降低磺化物的粘度液体二氧化硫和三氧化硫混溶,而且能溶解许多有机物和某些磺酸 ;二氧化疏的汽化潜热可以保持低温磺化有机溶剂,二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、石油醚、硝基甲烷优点:价廉,稳定,容易回收、对有机物混溶;对三氧化硫的溶解度常在 25%以上 ;
一般不能溶解磺酸,反应物常常变得很粘稠四、氯磺酸的磺化氯磺酸的结构 氯磺酸的结构四、氯磺酸的磺化磺化能力很强,仅次于三氧化硫氯磺酸遇水立即水解氯磺酸磺化时,根据氯磺酸用量的不同可制得芳磺酸或芳磺酰氯等分子比或稍过量的氯磺酸磺化,得到芳磺酸过量很多的氯磺酸磺化,得到芳磺酰氯五、亚硫酸盐磺化法亲核置换的磺化法,用于将芳环上的卤基或硝基置换成磺基
2,4-二硝基氯苯蒽醌 -1-磺酸的 制备苯系多硝基物的精制
§ 2.6磺化后处理
1,磺化后不分离磺酸,直接进行下一步反应 SO 3 H
SO
3
H
HO
3
S
不分离,直接加含硝酸量很高的混酸进行硝化
SO
3
H
SO
3
H
HO
3
S
NO
2
碱熔还原
O H
SO
3
H
HO
3
S
N H
2
2,分离出磺酸或磺酸盐,再加以利用
a,稀释酸析法在 40%的硫酸中沉淀
NO
2
Cl
SO
3
H
HO
3
S
H
25
C
12 NO
2
C H
3
SO
3
H
在 78%硫酸中沉淀
b,直接盐析法分离异构体
C,中和盐析法
180℃
d,萃取分离法
§ 2.7磺化过程的控制与产品鉴定
1,总酸度和游离硫酸的测定
NaOH标准溶液滴定--总算度过量的 BaCl2标准液,K2Cr2O7标准液滴定--硫酸的含量总酸度与硫酸含量之差--磺酸的含量
2,芳磺酸的分析
( 1) 定性分析 容易精制并有固定熔点的磺酸盐或磺酸衍生物
(铊盐 (Tl+ ),或者结晶状 S-苄基硫脲盐 /芳磺酰氯和芳磺酰胺 )
( 2)定量分析色层分析法 (薄板色层或柱色层定量分析)
高压液相色谱和紫外光分光光度计 ―― 快速分析如产物表面活性 § 2.1概述基团置换 § 2.1概述安定蓝 B色基染料中间体 ---J 酸
SO3
SO3,性质活泼,室温下易聚合,三种聚合形式
α针状纤维 β丝状纤维 γ液态与 P相似,但包含连接层与层的键
Tm=62.3℃
链状复合体
Tm= 32.5℃
环状复合体
Tm= 16.8℃
S
O
O
O S
O
O
O S
O
O
S
O
O
OO
SO 2O
O
SO 2O
O 2 S
工业上采用 SO3 作磺化剂的三种形式
① 直接利用液体 SO3,磺化能力极强,
②由液体 SO3蒸发得气态 SO3
③ 如无 SO3来源,可将 20%-25%的发烟硫酸在
250℃ 蒸出 SO3 § 2.2磺化剂的种类
NO 2
SO 3 H
HO 3 S
H2SO4和发烟硫酸
H2SO4有两种规格 ( 92-95%绿矾油,98-100% SO3.H2O等 mol络合物)
发烟硫酸有两种规格 (含有游离的 H2SO4和 SO3 )
20-25%,最低熔点,-11 -- -4℃,
60-80%,最低熔点,1.6 – 7.7℃
X%发烟硫酸的含义,100g酸中,Xg游离的 SO3和( 100-X) g
H2SO4
浓度换算关系,CH2SO4 =100+0.225CSO3
CSO3 = 4.44(CH2SO4 -100)硫酸和发烟硫酸浓度换算采用 H2SO4磺化时,每 1mol H2SO4产生 1molH2O,工业上使用 3-4 1mol过量的 H2SO4
l H2SO4与 SO3作为磺化剂的比较,H2SO4与 SO3作为磺化剂的比较硫酸和发烟硫酸浓度换算发烟硫酸 CSO3换算 为 CH2SO4
SO3 + H2O H2SO4
80 18 98
x y
CH2SO4 =100-x+y =100-x+(98/80)x=100+
(18/80)x
Ex,20%发烟硫酸 换算 为 CH2SO4
酸中含为 80g H2SO4,
20g发烟硫酸折算为( 98/80) X20g H2SO4
100g酸中含有 H2SO4量为 80+98/80) X20g
H2SO4和发烟硫酸
H2SO4与 SO3作为磺化剂的比较 § 2.2磺化剂的种类项目 H2SO4 SO3
沸点 330℃ (分解) 44.8℃
反应速率 慢 快反应热 放热量小,要补充热量 强烈放热,需冷却废酸 大量 无设备 较大 小反应物粘度 低 有时高适用性 普遍 日益扩大氯磺酸
S - 80 ℃ L 1520 ℃ G
优点:反应能力强,但比 SO3温和,副反应少,
生成 HCl利于反应,产物纯度高缺点:价格贵,HCl的强腐蚀性(工业上少用) § 2.2
磺化剂的种类
Cl S O 3 H SO
3,H C l
b,p
152 ℃
SO 3 + H Cl
亚硫酸钠或亚硫酸氢钠
(亲核取代) § 2.2磺化剂的种类
O
O
NO
2
100 - 102 ℃
Na
2
SO
3
O
O
SO
3
Na
动力学控制与热力学控制动力学控制主产物为仅需最低活化能的途径,而不考虑这一途径是否使系统的自由能降低最大热力学控制反应速度相对较慢,而其自由能较低的产物萘与浓硫酸的磺化反应
α-衍生物的生成速度较快,但其热力学稳定性则不如 β-衍生物 甲苯磺化磺化锅 一、过量硫酸磺化法萘制备 1,3,6-萘三磺酸一、过量硫酸磺化法氯磺酸的结构 四、氯磺酸的磺化