精细有机合成2

第二章磺化、硫酸化反应1

磺化反应：向有机分子中引入磺酸基（－SO3H、－SO3M、－SO2X）的化学过程。反应生成C-S键或者N-S键。

硫酸化反应：向有机分子中引入－OSO3H的化学过程，生成C-O-S键。

产物类型：C－SO3H磺酸N－SO3H氨基磺酸O－SO3H硫酸酯

产物特性：酸性、水溶性、可取代性和可逆性2

反应目的：(1)改变物质性质，使产物具有水溶性、酸性、表面活性(2)官能团转化，将磺基转化为羟基、卤基、氨基或氰基(3)制备特殊位置的化合物(4)合成药物用途：合成表面活性剂、水染性染料，食用香料和药物3工业规模纯水制备装置MTBE装置磺酸型离子交换树脂4引入方法有机物分子与SO3或含SO3的化合物作用。有机物分子与SO2的化合物作用。通过缩聚或聚合的方法引入磺酸基。含硫有机物的氧化。5第一节磺化试剂、硫酸化试剂三氧化硫结构：气态是单体，结构是以硫为中心的等边三角形，S-O键的长度为0.14nm，通常S-O键单键键长为0.155nm，表明SO3是π键共轭体系，具有亲电性。性质：易升华，溶于水生成硫酸和浓硫酸，生成发烟硫酸，腐蚀性小。具有强氧化性。

6形态：性质活泼，室温下易聚合，以α、β和γ三种形式存在。7硫酸和发烟硫酸硫酸的两种规格：质量分数为92%~93%的硫酸，绿矾油;质量分数为98%~100%的硫酸。发烟硫酸的两种规格：以含游离的SO3的质量分数来表示：20%~25%和60%~65%两种，特点是都具有最低的共熔点，便于运输和使用。8氯磺酸ClSO3H可以看成SO3·HCl络合物，实际上是硫酸中的一个羟基(HO-SO2OH)被Cl取代，可分解为SO3和HCl。优点：反应能力强，生成的HCl可以排出，利于反应进行完全。缺点：价格较贵，使用量大，产生的HCl具有强腐蚀性，工业上少用。9亚硫酸根离子

亚硫酸钠和亚硫酸氢钠是比较有用的磺化剂，属于亲核取代反应。其他磺酸剂硫酰氯(磺酰氯)SO2Cl2，氨基磺酸H2NSO3H，二氧化硫SO2

磺化活性：SO3>发烟硫酸>ClSO3H>H2SO4

10第二节磺化和硫酸化反应历程一、磺化反应历程

(1)反应历程：原料通过化学反应生成产物所经历的全过程称为反应历程，主要研究进攻质点，活性中间体，产物。反应历程由产物结构和动力学数据推测。11(2)硫酸及发烟硫酸的解离：100%硫酸发烟硫酸解离物的亲电质点：是不同溶剂化的SO3分子活性12在较浓的硫酸中磺化，活泼质点是H2S2O7(SO3·H2SO4)，在较稀的硫酸中磺化，活泼质点是H3SO4+，当采用发烟硫酸磺化时，活泼质点除了H2S2O7，还有H3S2O7+(SO3＋H3SO4+)和H2S4O13(3SO3＋H2SO4)。H3SO4+的活泼性较低，选择性较高；H2S2O7活泼性较高，而选择性较差。13(3)芳烃的取代反应历程A动力学方程：

B磺化历程：σ14(4)烯烃的磺化反应历程(加成反应)A离子历程：在气体或者惰性溶剂中，2－链烯－1－磺酸液态的SO2为溶剂，生成1－烯烃－1－磺酸碳正离子还可以与磺基中负电荷的氧生成磺内酯。15B自由基历程：在氧或者过氧化物的作用下，烯烃和亚硫酸氢钠发生反马氏加成，生成磺酸钠盐，反应按自由基历程进行。氧为引发剂，引发亚硫酸氢根离子变为自由基16(5)饱和长链脂肪酸的磺化反应历程：饱和长碳链脂肪酸同SO3等反应是在α－位进行的单磺化反应(亲电取代)。反应历程分为两步：首先形成混合酸酐，其次酸酐在高温下重排而形成α－磺化脂肪酸：17(6)烷烃的磺化反应历程：氯磺化反应历程：用紫外光作为激发剂产生自由基18氧磺化反应历程：用紫外光作为激发剂产生自由基生成的过氧化烷基磺酸与SO2和水生成烷基磺酸这样得到的烷基磺酸大部分是仲碳磺酸，因为仲碳原子的氢比伯碳原子的氢活泼2倍。19二、硫酸化反应历程(1)烯烃的硫酸化反应历程(加成反应)：加成反应是按马氏规则进行的，链烯烃质子化后生成的碳正原子是控速步骤，然后与加成生成烷基硫酸酯，可以进一步水解生成醇，比如乙醇的工业制法：20(2)醇的硫酸化反应历程：醇的硫酸化从形式上可以看成是硫酸的酯化反应，是可逆反应。当用等物质的量的酸、醇(1/1)进行时，转化率为65%。21当采用气态的进行醇类的硫酸化反应时，化学反应几乎立刻发生，反应不可逆。氯磺酸广泛应用于醇类的硫酸化，是实验室制备硫酸酯的主要方法，由于反应释放出，反应不可逆。22第三节影响因素一、有机化合物的性质(1)硫酸化：醇与硫酸反应是可逆反应，其平衡常数与醇的性质有关。按活泼性比较,既伯醇>仲醇>叔醇。烷基硫酸盐的主要用途是做表面活性剂，其表面活性的高低与烷基的结构以及硫酸根的所在的位置有关。23(2)磺化反应A电子效应：环上存在供电子基团，磺化较易进行；存在吸电子基团时，则反应较难进行。在50~100℃用硫酸或发烟硫酸磺化时，含有供电基团的磺化速率按以下顺序增加：含吸电子基团的磺化速率按以下顺序递增：24B空间效应芳烃环上已有取代基时，其体积的大小也影响磺化速度。环上已有取代基的体积越大，磺化速度越慢。如烷基苯用硫酸磺化的速度大小顺序是：25C萘的磺化反应一元取代物：α－萘磺酸，β－萘磺酸。二元取代物：1.5，1.6，1.7，2.6，2.7，五种萘二磺酸。三元取代物：1.3.5，1.3.6，1.3.7，三种萘三磺酸四元取代物：1.3.5.7，一种萘四磺酸26萘的磺化也是可逆反应.磺酸基进入的位置和反应温度有关.热力学控制？动力学控制？注意反应条件（熟记）<80℃165℃165℃96%85%27在低温下磺化(动力学控制)--主要生成-萘磺酸,生成速度快,逆反应(脱附)不显著.在较高温度下,发生显著逆反应转变为萘.在较高温度下(热力学控制)---萘磺酸也易生成,且没有-H的空间干扰,比-萘磺酸稳定,生成后也不易脱去磺酸基(逆反应很小).-萘磺酸位阻大-萘磺酸位阻小磺酸基的空间位阻28二、磺基的水解磺基水解为亲电取代，对于有供电子基的芳磺酸，芳环上的电子云密度高，磺基容易水解。对于有吸电子基的芳磺酸，芳环的电子云密度较低，磺基难水解。此外，介质中H3O＋的浓度越高，水解的速度越快，因此磺酸的水解都采用中等浓度的硫酸(70%)。温度升高对磺化和水解都有影响，但水解的速率增加值比磺化速率快。因此一般水解的温度要比磺化的温度高。29去除利用磺化的可逆性可以起到保护苯环上的某些位置的作用：30苯的磺化和苯磺酸的水解反应过程能量示意图磺化反应可逆的理论分析能量反应进程31三、磺酸的异构化磺基不仅能够发生水解反应，在一定的条件下还可以从原来的位置转移到其他位置，通常是转移到热力学更稳定的位置，称为磺酸的异构化。在含水的硫酸中，磺酸的异构化是一个水解再磺化的反应，而在无水硫酸中则是分子内的重排反应。32温度的变化对磺酸的异构化起重要的作用。33四、磺化剂的浓度和用量每引进一个－SO3H基团，同时生成1mol水，水的生成降低了体系中硫酸的浓度，当硫酸浓度降低到某一程度时，反应自行停止。此时剩余的硫酸称为废酸。(1)π值的概念：π值是指发生磺化反应的硫酸临界浓度(废酸浓度)，以SO3质量分数乘以100表示。(2)应用：可以由已知的π值计算出每摩尔磺化物磺化所需要的磺化剂的最低用量。X=80（100-）a-34五、辅助剂加入少量的试剂，对于某些磺化反应常常有明显的影响，主要有以下几个方面。A抑制副反应。磺化时主要副反应：多磺化，氧化，生成砜。B改变定位。蒽醌在用发烟硫酸磺化时，加入汞盐，主要生成α—蒽醌磺酸，不加汞盐，主要是β—蒽醌磺酸。C使反应变易(降低活化能)。加如催化剂有时可以降低反应温度，提高产率和加速反应。35六、溶剂效应溶剂对于磺化速率和选择性产生重要的影响。如：甲苯和苯的磺化速率之比和甲苯磺化时的对位和邻位之比，在用四氯化碳作溶剂时分别是8.8和4，改用CH3Br作溶剂，则是242和2936第四节磺化及硫酸化方法一、磺化方法(1)过量硫酸磺化法(硫酸和发烟硫酸)A优点：适用范围广，缺点：产生废酸多，生成能力相对较低B加料次序：反应物是液态，一般先向磺化锅加入底物，然后慢慢加入磺化剂；反应物是固态，先加入磺化剂。C制备多磺酸时，需分段加酸，使每一阶段选择最适宜的磺化剂浓度和温度。37(2)共沸去水磺化法A物理脱水法：其原理是向反应体系中通入过量的被磺化物，不断带走生成的水。该方法主要适用于沸点较低的易挥发的芳烃，如：苯及甲苯的磺化。B化学脱水法：用BF3、SOCl2等能与水生成气体的物质加入磺化物中，从而排出水分，如：38(3)SO3磺化法优点：不生成水，磺化剂的利用率高，接近理论量，反应快。三废少，经济合理，应用日益增多。缺点：反应剧烈，放热量大，易产生局部过热而焦化或爆炸。A气体SO3磺化。十二烷基苯的磺化，磺化采用双膜反应器，SO3用干燥的空气稀释到4%~7%，生成能力大，工艺流程短，副产物少，产品质量好39B液体SO3的磺化。主要用于不活泼的液态芳烃的磺化，生成的产物在反应温度下是液体，而且黏度不大。如间硝基苯磺酸液态SO3的制备是将20%~25%发烟硫酸加热到250℃，蒸出的SO3蒸汽通过一个添充硼酐的固定床，经冷凝可得到稳定的SO3液体，使用方便，但成本较高。40CSO3溶剂磺化。适用于被磺化物或者磺化产物是固态的情况，被磺化物溶解在溶剂中，反应物浓度较低，反应温和易于控制。D有机络合物磺化。SO3可与许多有机物生成络合物，如(CH3)3NSO3。适用于活性比较大的反应物的磺化，降低磺化剂的反应活性，抑制副反应。41(4)氯磺酸磺化法氯磺酸是一种强磺化剂，根据用量不同可以制得芳磺酸和芳磺酰氯，通常是把有机物慢慢加入到氯磺酸中，反过来加料会产生较多的砜副产物。用途：磺酰氯基是活泼的基团，由此可以制备许多有价值的产品，如：磺酰胺、酯、砜、硫酚等，在药物合成方面如我们熟悉的抗菌素以及降血糖药甲磺丁脲，就是磺酰胺化合物。42(5)烘焙磺化法适用于芳伯胺的磺化，磺化剂用量少，接近理论量。将芳伯胺与等摩尔硫酸混合制成芳胺硫酸盐，然后在高温下烘焙脱水，同时发生分子内重排，得到芳胺磺酸，磺基进入氨基对位，当对位有取代基时则进入邻位。43(6)亚硫酸盐磺化法这是利用亲核置换引入磺基的方法，采用SO32-去置换芳环上的卤原子或硝基，通过这条途径可以制得某些不易反应由亲电取代得到的磺酸化合物。利用此反应可以方便地从间二硝基苯中除去邻、对二硝基苯。还可以精制TNT(2.4.6-三硝基苯)，在甲苯三硝化产物中所含的2，3，4－和2，4，5－三硝基苯，其3位硝基将快速被磺基置换，而2，4，6－异构体保持不变。44(7)氟磺酸－五氟化锑的磺化砜基化合物是制造工程塑料的重要原料。通常二芳砜是由芳磺酸或芳磺酰氯经两步或三步反应制得，一种新方法是以FSO3H—SbF5为磺化剂在温和条件下，一步得到二芳基砜。45二、硫酸化方法(1)高级醇的硫酸化(产物有高水溶性和去污能力)：脂肪醇硫酸盐简称AS，是重垢型洗涤剂主活性物之一，具有洗涤性能优良，泡沫丰富，手感温和，在硬水重稳定性好等优点，其生物降解优于LAS，用于制备高级洗衣粉或洗洁精。46(2)天然不饱和油脂和脂肪酸酯硫酸化A天然不饱和油脂制硫酸化油，为醇的硫酸酯化反应产物47B硫酸化脂肪酸酯特征是不饱和酸酯的双键加成。磺化油AH就是油酸于丁醇反应制得的丁酯再经硫酸酯化而得的产品。以上两种产物的混合物称为磺化油AH，是一种表面活性剂。48(3)硫酸化烯烃C12~C18烯烃低温硫酸化(加成)得烷基硫酸酯，为优良的硫酸酯型表面活性剂，是制造液体洗涤剂的重要原料。49第五节磺化产物的分离磺化产物的后处理有两种情况：一种是磺化后不分离出磺酸，接着进行硝化或氯化反应；另一种是需要分离出磺酸或磺酸盐，再加以利用。磺化产物的分离是利用磺酸或磺酸盐溶解度的不同来完成的，主要有以下几种。50（1）加水稀释法某些磺酸化合物在中等浓度硫酸(50%~80%H2SO4)中的溶解度相对小得多，高于或低于此浓度则溶解度增大。因此可采用控制稀释水量以达到分离的目的。例如：十二烷基苯磺酸，对硝基氯苯邻磺酸，萘二磺酸。芳磺酰氯不溶于水，通常是将反应物慢慢注入水中而实现分离。51（2）直接盐析法利用磺酸盐的不同溶解度向稀释后的磺化物中直接加入食盐，氯化钾或硫酸钠，可使某些磺酸盐析出，可以分离不同异构的磺酸。52中和盐析法为了减少母液对设备的腐蚀性，常常采用中和盐析法。稀释后的磺化物用氢氧化钠、碳酸钠、亚硫酸钠、氨水或者氧化镁进行中和，利用中和时生成的硫酸钠、硫酸镁、硫酸铵可使磺酸以钠盐、镁盐。或铵盐的形式盐析出来。53（3）石灰中和法(脱硫酸钙法)：为了减少磺酸盐中的无机盐，某些磺酸，特别是多磺酸，不能用盐析法将它们很好地分离出来，这时候需要采用石灰中和法(脱硫酸钙法)。54（4）萃取分离法除了上述四种方法外，近年来为了减少“三废”的排放，在20世纪70年代，由日本提出了萃取分离法。例如：将萘高温磺化，稀释水解除去α－萘磺酸后的溶液，用叔