Sulfoniranje benzena: struktura, svojstva i strukturna formula

2024 Autor: Angel Austin | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 05:19

Sulfacija benzena, kao i drugih aromatičnih ugljovodonika, jedna je od najvažnijih reakcija u organskoj hemiji, jer se njegovi proizvodi široko koriste u industriji. Da bi se dobile sulfonske kiseline, benzen se tretira sumpornom kiselinom ili oleumom. Sulfoniranje se također može izvesti u koracima za stvaranje više funkcionalnih grupa.

Princip sulfoniranja

Sulfacija benzena je uvođenje sulfo grupe SO₃H - zamena sa atomom vodonika u organskom jedinjenju. Kao rezultat toga, nastale tvari poprimaju kisela svojstva i postaju topljive u vodi. Kasnije, odvajanjem sulfo grupe, mogu se sintetizirati i druga jedinjenja - aminobenzen (anilin), halobenzen, nitrobenzen, hidroksibenzen (fenol).

Ovom procesu ne podliježu samo sami ugljovodonici, već i njihovi derivati. Homologna jedinjenja benzena (toluen i ksilen) se lakše sulfoniraju, a ova reakcija je najaktivnija sa anilinom i fenolom.

Reakcija sulfoniranja benzena, zajedno sa nitracijom, jedna je od najtipičnijih za aromatične ugljovodonike. zamjenavodonik u takvim supstancama teče mnogo lakše nego u alifatskim organskim jedinjenjima.

Sulfirajuća sredstva

Sljedeće supstance se mogu 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);
• sumporna kiselina monohidrat;
• sulfuril hlorid SO₂Cl₂;
• alkalne soli sumporne kiseline;
• polisulfati;
• kisele soli sumporne kiseline.

Najčešće se u mehanizmu sulfonacije benzena koristi oleum - rastvor SO₃ u 100% sumpornoj kiselini. Odabiru se sorte oleuma u kojima je koncentracija sumpor trioksida oko 65%, jer ovi sastavi ostaju tekući u normalnim uvjetima. Prilikom upotrebe ove supstance, reakcioni mehanizam sulfonacije benzena odvija se velikom brzinom.

opis procesa sulfacije

Reakcija benzena sa oleumom je sljedeća:

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

Strukturno, redosled reakcije sulfonacije benzena je sledeći:

Sulfonske kiseline su ciljni proizvod. Kada se tretira sa 92-94% sumporne kiseline, njihov prinos je90-96%.

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

Pošto je proces spor (iako se toplota oslobađa), potrebno je zagrevanje.

Nedostaci sulfoniranja benzena sumpornom kiselinom uključuju:

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

Karakteristike proizvoda

Hemijska svojstva benzena tokom sulfoniranja karakteriziraju sljedeće karakteristike:

• bezbojna ili svijetložuta topiva kristalna supstanca s oštrim mirisom;
• dobra rastvorljivost u vodi, skoro potpuna disocijacija;
• visoka sposobnost upijanja vodene pare, kristali se šire kada su izloženi zraku;
• izgovoreni kiseli karakter;
• Sjedinjenje 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 da zamjene sulfo grupu za druge funkcionalne grupe, čije je direktno uvođenje u strukturu aromatičnih ugljovodonika teško.

Uvođenje nekoliko sulfo grupa

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

• sulfonirajući agens;
• koncentracija ili količina ove supstance;
• temperatura.

Meta-benzendisulfonska kiselina se proizvodi u 2 faze:

1. Sulfiranje C₆H₆ s koncentriranom kiselinom H₂SO ₄ , što rezultira stvaranjem monosulfonske kiseline.
2. Obrada proizvoda prethodne reakcije sa viškom od 20% oleuma na temperaturi od 100^oS (ili 60% na 60-80^o S). Pošto početno uvođenje sulfo grupe značajno usporava naknadno sulfoniranje (za oko 10.000 puta), druga reakcija se izvodi u težim uslovima.

Dalje sulfoniranje u 3- i 5-benzensulfonsku kiselinu moguće je samo kada se izloži oleumu u koncentraciji od 60% na temperaturi od 250^oS u prisustvu katalizatora - živin sulfat.

U normalnim uslovima, reakcija sulfoniranja je reverzibilna, ali ako se koristi visoko anhidridni oleum, proces postaje nepovratan. Isto se primjećuje kada se benzen tretira hlorosulfonskom kiselinom.

Efekat temperature

Podizanje temperature tokom 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 vezivanja SO₃H grupe (regioselektivnost) u aromatičnim ugljovodonicima također zavisi.

Sulfatiranje "u pari"

U industrijskim uslovima, jedna od najekonomičnijih metoda za dobijanje benzensulfonske kiseline je izvođenje reakcije u "parama". Ova tehnologija omogućava smanjenje potrebe za H₂SO₄ za skoro 2 puta u poređenju sa procesom koji koristi tečnu fazu ove supstance. Nedostaci reakcije uključuju smanjenje brzine sulfoniranja.

Otklanjanje nedostataka povezanih sa upotrebom H₂SO₄ u tečnom stanju, eventualno uklanjanjem vode iz reakcione mase ili upotrebom oleuma (povećanje koncentracije SO₃).

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

1. Benzen iz rezervoara se dovodi u cev 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 koncentrovane sumporne kiseline na temperaturi od 150 °C.
3. U frižideru C₆H₆ i H₂O kondenzovati i ohladiti do 30 °S.
4. Smjesa se odvaja u separatoru, a cirkulirajući benzol 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 izvodi uz učešće vodenog rastvora Na2SO₃. Nakon obrade, masa se šalje u kolonu kako bi se eliminirao sumpor dioksid. Dobijeni proizvod se koristi za dobijanje fenola alkalnim topljenjem (trenutno je ovaj proces izgubio svoj industrijski značaj, fenol se sintetizira iz izopropilbenzena) ili se isparava do suvog ostatka natrijum benzensulfonata.

Drugi načini

Primijenite druge metode sulfoniranja benzena:

1. Tečni ugljovodonik se propušta u protivstruji kroz sloj H₂SO₄. Dobijeni proizvod se prvo otopi u benzenu, a zatim ispere vodom.
2. Sulfacija sa niskom koncentracijom oleuma na povišenoj temperaturi od 190-250 °C i pritisku od 1-3 MPa. Pojava nusproizvoda je potisnuta dodatkom natrijum benzensulfonata.

Izolacija sulfonskih kiselina

Pošto su produkti reakcije vrlo topljivi, izolovani su u obliku soli. Da bi se to uradilo, u sulfomasu se uz stalno mešanje unose neutralizatori koji se koriste kao sledeće supstance:

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

Izolacija slobodnih sulfonskih kiselina se proizvodi reakcijom sa smolama za izmjenu jona ili zakiseljavanjem sa hlorovodonikom.