Сулфониране на бензол: структура, свойства и структурна формула

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 05:17

Сулфирането на бензола, както и на други ароматни въглеводороди, е една от най-важните реакции в органичната химия, тъй като неговите продукти се използват широко в промишлеността. За да се получат сулфонови киселини, бензолът се третира със сярна киселина или олеум. Сулфонирането може да се извърши и на стъпки за създаване на множество функционални групи.

Принцип на сулфониране

Сулфирането на бензола е въвеждането на сулфо групата SO₃H - заместването й с водороден атом в органично съединение. В резултат на това получените вещества придобиват киселинни свойства и стават разтворими във вода. По-късно, чрез отделяне на сулфо групата, могат да се синтезират други съединения - аминобензен (анилин), халобензен, нитробензен, хидроксибензен (фенол).

Този процес е подложен не само на самите въглеводороди, но и на техните производни. Хомоложните съединения на бензола (толуен и ксилен) се сулфонират по-лесно и тази реакция е най-активна с анилин и фенол.

Реакцията на сулфониране на бензола, заедно с нитрирането, е една от най-типичните за ароматните въглеводороди. заместваневодородът в такива вещества протича много по-лесно, отколкото в алифатните органични съединения.

Сулфиращи агенти

Следните вещества могат да се използват като сулфониращи агенти:

• сярна киселина H₂SO₄ в различни концентрации;
• oleum (димяща сярна киселина);
• хлоросулфонова киселина – HSO₃Cl;
• серен анхидрид;
• витриол масло (H₂SO₄ при концентрация от 93% или повече);
• сярна киселина монохидрат;
• сулфурил хлорид SO₂Cl₂;
• алкални соли на сярна киселина;
• полисулфати;
• киселинни соли на сярна киселина.

Най-често в механизма на сулфониране на бензола се използва олеум - разтвор на SO₃ в 100% сярна киселина. Избират се сортове олеум, в които концентрацията на серен триоксид е около 65%, тъй като тези състави остават течни при нормални условия. Когато се използва това вещество, реакционният механизъм на сулфониране на бензол протича с висока скорост.

Описание на процеса на сулфиране

Реакцията на бензол с олеум е както следва:

C₆H₆ + H₂SO_{4- C}6_H5_-SO3_{H + H}2 _O.

Структурно, редът на реакцията на сулфониране на бензол е както следва:

Сулфоновите киселини са целевият продукт. При третиране с 92-94% сярна киселина добивът им е90-96%.

Сулфирането с 3-кратен излишък от концентрирана сярна киселина протича по следния начин:

Тъй като процесът е бавен (въпреки че топлината се отделя), е необходимо нагряване.

Недостатъците на сулфонирането на бензол със сярна киселина включват:

• малка концентрация на електрофили;
• бързо спадане на скоростта на реакция, когато киселината се разрежда с вода;
• агресивност на реакционната среда;
• необходимост от използване на неутрализиращи агенти, голямо количество отпадъци (екологичен аспект).

Характеристики на продукта

Химичните свойства на бензола по време на сулфониране се характеризират със следните характеристики:

• безцветно или светложълто топимо кристално вещество с остър мирис;
• добра разтворимост във вода, почти пълна дисоциация;
• висока абсорбираща способност за водна пара, кристалите се разпространяват, когато са изложени на въздух;
• произнесен киселинен знак;
• Съединение се разлага с вода, отделяйки токсични газове;
• парите са по-тежки от въздуха;
• константа на киселинността - в рамките на 5, 0-8, 0.

Едно от най-важните свойства на сулфоновите киселини е способността им да обменят сулфо групата с други функционални групи, чието директно въвеждане в структурата на ароматните въглеводороди е трудно.

Въведение на няколко сулфо групи

Заместването на два или три водородни атома се извършва поетапно, като се променят поетапно следните параметри:

• сулфониращ агент;
• концентрация или количество от това вещество;
• температура.

Мета-бензендисулфоновата киселина се произвежда на 2 етапа:

1. Сулфиране C₆H₆ с концентрирана киселина H₂SO ₄ , което води до образуването на моносулфонова киселина.
2. Обработка на продукта от предишната реакция с излишък от 20% олеум при температура 100^оС (или 60% при 60-80^о С). Тъй като първоначалното въвеждане на сулфо групата значително забавя последващото сулфониране (с около 10 000 пъти), втората реакция се провежда при по-тежки условия.

По-нататъшно сулфониране до 3- и 5-бензенсулфонова киселина е възможно само при излагане на олеум в 60% концентрация при температура 250^оС в присъствието на катализатор - живачен сулфат.

При нормални условия реакцията на сулфониране е обратима, но ако се използва олеум с високо съдържание на анхидрид, процесът става необратим. Същото се наблюдава, когато бензолът се третира с хлорсулфонова киселина.

Температурен ефект

Повишаването на температурата по време на сулфонирането на бензола не само увеличава скоростта на реакцията, но също така води до образуването на странични продукти: полисулфонови киселини, сулфони, оксиди. При нагряване над 160 ° C се забелязва появата на дисулфонови киселини.

Следователно всяка реакция трябва да се извършва при определена температура. От неямястото на прикрепване на групата SO₃H (региоселективност) в ароматните въглеводороди също зависи.

Сулфиране "в пара"

В промишлени условия един от най-икономичните методи за получаване на бензенсулфонова киселина е да се проведе реакцията в "пари". Тази технология позволява да се намали нуждата от H₂SO₄ с почти 2 пъти в сравнение с процеса, който използва течната фаза на това вещество. Недостатъците на реакцията включват намаляване на скоростта на сулфониране.

Елиминиране на недостатъците, свързани с използването на H₂SO₄ в течно състояние, възможно чрез отстраняване на вода от реакционната маса или с помощта на олеум (увеличаване на концентрацията на SO₃).

Технологията на сулфониране на бензол в този случай протича по следния начин:

1. Бензенът от резервоара се подава в тръбопровода на изпарителя с помощта на помпа. В това устройство веществото се нагрява от пара, преминаваща през външните тръби. След това двойките се довеждат до t=150 °С.
2. Бензен в парно състояние се подава в излишък в реактора, където преминава през слой от концентрирана сярна киселина при температура от 150 °C.
3. В хладилника C₆H₆ и H₂O кондензирайте и охладете до 30 °С.
4. Сместа се отделя в сепаратора и циркулиращият бензол се връща за сулфониране.

Бензоловите остатъци в сулфомасата се отстраняват чрез продухване с въздух. След това сместа влиза в апарата за неутрализация,облицована с киселинноустойчиви плочки отвътре. Тази реакция се провежда с участието на воден разтвор на Na2SO3. След обработката масата се изпраща в колона за елиминиране на серен диоксид. Полученият продукт се използва за получаване на фенол с помощта на алкално топене (понастоящем този процес е загубил своето индустриално значение, фенолът се синтезира от изопропилбензен) или се изпарява до сух остатък от натриев бензенсулфонат.

Други начини

Приложете други методи за сулфониране на бензол:

1. Течният въглеводород се пропуска в противоток през слой от H₂SO₄. Полученият продукт първо се разтваря в бензол и след това се промива с вода.
2. Сулфиране с ниска концентрация на олеум при повишена температура от 190-250 °C и налягане от 1-3 MPa. Появата на странични продукти се потиска от добавянето на натриев бензенсулфонат.

Изолиране на сулфонови киселини

Тъй като реакционните продукти са силно разтворими, те се изолират под формата на соли. За целта в сулфомасата се въвеждат неутрализиращи агенти при постоянно разбъркване, които се използват като следните вещества:

• натриев сулфит;
• креда;
• техническа сода;
• лайм.

Изолирането на свободни сулфонови киселини се получава чрез реакция с йонообменни смоли или подкиселяване с хлороводород.