Sulfoniranje benzena: struktura, svojstva i strukturna formula

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 05:28

Sulfacija benzena, kao i drugih aromatskih ugljikovodika, jedna je od najvažnijih reakcija u organskoj kemiji, budući da se njegovi proizvodi široko koriste u industriji. Za dobivanje sulfonskih kiselina, benzen se tretira sumpornom kiselinom ili oleumom. Sulfoniranje se također može provesti u koracima za stvaranje više funkcionalnih skupina.

Princip sulfoniranja

Sulfacija benzena je uvođenje sulfo skupine SO₃H - zamjenom atoma vodika u organskom spoju. Kao rezultat toga, dobivene tvari poprimaju kisela svojstva i postaju topive u vodi. Kasnije, odvajanjem sulfo skupine, mogu se sintetizirati i drugi spojevi - aminobenzen (anilin), halobenzen, nitrobenzen, hidroksibenzen (fenol).

Ovom procesu ne podliježu samo sami ugljikovodici, već i njihovi derivati. Homologni spojevi benzena (toluen i ksilen) lakše se sulfoniraju, a ova reakcija je najaktivnija s anilinom i fenolom.

Reakcija sulfoniranja benzena, zajedno s nitracijom, jedna je od najtipičnijih za aromatične ugljikovodike. zamjenavodik u takvim tvarima teče mnogo lakše nego u alifatskim organskim spojevima.

Sulfirajuća sredstva

Sljedeće tvari mogu se koristiti kao sulfonirajuća sredstva:

• sumporna kiselina H₂SO₄ u različitim koncentracijama;
• oleum (dimljiva sumporna kiselina);
• klorosulfonska kiselina – HSO₃Cl;
• anhidrid sumpora;
• vitriol ulje (H₂SO₄ u koncentraciji od 93% ili više);
• monohidrat sumporne kiseline;
• sulfuril klorid SO₂Cl₂;
• alkalne soli sumporne kiseline;
• polisulfati;
• kisele soli sumporne kiseline.

Najčešće se u mehanizmu sulfoniranja benzena koristi oleum - otopina SO₃ u 100% sumpornoj kiselini. Odabiru se sorte oleuma u kojima je koncentracija sumpor trioksida oko 65%, budući da ti pripravci ostaju tekući u normalnim uvjetima. Pri korištenju ove tvari, reakcijski mehanizam sulfoniranja benzena odvija se velikom brzinom.

opis procesa sulfacije

Reakcija benzena s oleumom je sljedeća:

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

Strukturno, redoslijed reakcije sulfoniranja benzena je sljedeći:

Sulfonske kiseline su ciljni proizvod. Kada se tretira s 92-94% sumpornom kiselinom, njihov prinos je90-96%.

Sulfacija s 3-strukim viškom koncentrirane sumporne kiseline odvija se na sljedeći način:

Budući da je proces spor (iako se toplina oslobađa), potrebno je zagrijavanje.

Nedostaci sulfoniranja benzena sumpornom kiselinom uključuju:

• mala koncentracija elektrofila;
• brzi pad brzine reakcije kada se kiselina razrijedi s vodom;
• agresivnost reakcijskog medija;
• potreba korištenja neutralizirajućih sredstava, velika količina otpada (ekološki aspekt).

Značajke proizvoda

Kemijska svojstva benzena tijekom sulfoniranja karakteriziraju sljedeće značajke:

• bezbojna ili svijetložuta topiva kristalna tvar s oštrim mirisom;
• dobra topljivost u vodi, gotovo potpuna disocijacija;
• visoka sposobnost upijanja vodene pare, kristali se šire kada su izloženi zraku;
• izgovoreni kiseli znak;
• Spoj se razgrađuje s vodom oslobađajući otrovne plinove;
• pare su teže od zraka;
• konstanta kiselosti - unutar 5, 0-8, 0.

Jedno od najvažnijih svojstava sulfonskih kiselina je njihova sposobnost zamjene sulfo skupine za druge funkcionalne skupine, čije je izravno uvođenje u strukturu aromatskih ugljikovodika teško.

Uvođenje nekoliko sulfo grupa

Supstitucija dva ili tri atoma vodika izvodi se postupno, postupno mijenjanjem sljedećih parametara:

• sulfonirajuće sredstvo;
• koncentracija ili količina ove tvari;
• temperatura.

Meta-benzendisulfonska kiselina proizvodi se u 2 stupnja:

1. Sulfiranje C₆H₆ s koncentriranom kiselinom H₂SO ₄ , što rezultira stvaranjem monosulfonske kiseline.
2. Obrada proizvoda prethodne reakcije s viškom od 20% oleuma na temperaturi od 100^oS (ili 60% na 60-80^o S). Budući da početno uvođenje sulfo skupine značajno usporava naknadno sulfoniranje (za oko 10 000 puta), druga reakcija se provodi u težim uvjetima.

Daljnje sulfoniranje u 3- i 5-benzensulfonsku kiselinu moguće je samo kada je izloženo oleumu u 60% koncentraciji na temperaturi od 250^oS u prisutnosti katalizatora - živin sulfat.

U normalnim uvjetima, reakcija sulfoniranja je reverzibilna, ali ako se koristi oleum s visokim anhidridom, proces postaje nepovratan. Isto se opaža kada se benzen tretira klorosulfonskom kiselinom.

temperaturni učinak

Podizanje temperature tijekom sulfoniranja benzena ne samo da povećava brzinu reakcije, već dovodi i do stvaranja nusproizvoda: polisulfonskih kiselina, sulfona, oksida. Kada se zagrije iznad 160 °C, primjećuje se pojava disulfonskih kiselina.

Stoga, svaka reakcija mora biti izvedena na određenoj temperaturi. Od njemjesto vezanja SO₃H grupe (regioselektivnost) također ovisi o aromatičnim ugljikovodicima.

Sulfatiranje "u pari"

U industrijskim uvjetima, jedna od najekonomičnijih metoda za dobivanje benzensulfonske kiseline je provođenje reakcije u "parama". Ova tehnologija omogućuje smanjenje potrebe za H₂SO₄ za gotovo 2 puta u usporedbi s postupkom koji koristi tekuću fazu ove tvari. Nedostaci reakcije uključuju smanjenje brzine sulfoniranja.

Otklanjanje nedostataka povezanih s upotrebom H₂SO₄ u tekućem stanju, eventualno uklanjanjem vode iz reakcijske mase ili korištenjem oleuma (povećanje koncentracije SO₃).

Tehnologija sulfoniranja benzena u ovom slučaju se odvija na sljedeći način:

1. Benzen iz spremnika se dovodi u cjevovod isparivača pomoću pumpe. U ovom uređaju, tvar se zagrijava parom koja prolazi kroz vanjske cijevi. Tada se parovi dovode na t=150 °S.
2. Benzen u stanju pare se u višku dovodi u reaktor, gdje prolazi kroz sloj koncentrirane sumporne kiseline na temperaturi od 150 °C.
3. U hladnjaku C₆H₆ i H₂O kondenzirati i ohladiti do 30 °S.
4. Smjesa se odvaja u separatoru, a cirkulirajući benzen se vraća na sulfoniranje.

Ostatci benzena u sulfomasi se uklanjaju puhanjem zraka. Zatim smjesa ulazi u aparat za neutralizaciju,iznutra obložena pločicama otpornim na kiseline. Ova reakcija se provodi uz sudjelovanje vodene otopine Na2S03. Nakon obrade, masa se šalje u kolonu za uklanjanje sumporovog dioksida. Dobiveni proizvod se koristi za dobivanje fenola alkalnim topljenjem (trenutačno je ovaj proces izgubio svoj industrijski značaj, fenol se sintetizira iz izopropilbenzena) ili se isparava do suhog ostatka natrijevog benzensulfonata.

Drugi načini

Primijenite druge metode sulfoniranja benzena:

1. Tekući ugljikovodik prolazi u protustruji kroz sloj H₂SO₄. Dobiveni proizvod se prvo otopi u benzenu, a zatim ispere vodom.
2. Sulfacija s niskom koncentracijom oleuma na povišenoj temperaturi od 190-250 °C i tlaku od 1-3 MPa. Pojava nusproizvoda suzbija se dodatkom natrijevog benzensulfonata.

Izolacija sulfonskih kiselina

Budući da su produkti reakcije vrlo topljivi, izolirani su u obliku soli. Za to se u sulfomasu, uz stalno miješanje, unose neutralizatori koji se koriste kao sljedeće tvari:

• natrijev sulfit;
• kreda;
• tehnička soda;
• limeta.

Izolacija slobodnih sulfonskih kiselina nastaje reakcijom sa smolama za ionsku izmjenu ili zakiseljavanjem s klorovodikom.