磺化反應(yīng)

磺化反應(yīng)在現(xiàn)代化工領(lǐng)域中占有重要地位，是合成多種有機(jī)產(chǎn)品的重要步驟，在醫(yī)藥、農(nóng)藥、燃料、洗滌劑及石油等行業(yè)中應(yīng)用較廣。有些藥物因水溶性差，致使其在臨床應(yīng)用中存在一些問(wèn)題，如生物利用度不高，服用量大，制成的片劑或膠囊體內(nèi)吸收緩慢等。這類化合物經(jīng)磺化后不但可以增強(qiáng)其水溶性，也可增強(qiáng)其生物活性。

磺化反應(yīng)可分為直接磺化和間接磺化兩大類。 直接磺化 用硫酸進(jìn)行磺化是可逆反應(yīng)，在一定條件下生成的磺酸又會(huì)水解。在很多情況下，磺化溫度會(huì)影響磺基進(jìn)入芳環(huán)的位置。例如，萘用濃硫酸在低溫下進(jìn)行磺化，主要生成易水解的萘-1-磺酸,而高溫磺化則主要生成難水解的萘-2-磺酸。

磺化是放熱反應(yīng)，低溫磺化時(shí)需要冷卻，而高溫磺化則需要加熱保溫。

根據(jù)所用磺化劑的不同而區(qū)分為:

①過(guò)量硫酸磺化 大多數(shù)芳香族化合物的磺化采用此法。用濃硫酸磺化時(shí)，反應(yīng)通式為: R*H2m-G'[+H 式中Ar表示芳基。反應(yīng)生成的水使硫酸濃度下降、反應(yīng)速率減慢，因此要用過(guò)量很多的磺化劑。難磺化的芳烴要用發(fā)煙硫酸磺化。這時(shí)主要利用其中的游離三氧化硫，因此也要用過(guò)量很多的磺化劑。

Ar-H+SO3-→Ar-SO3H

②三氧化硫磺化 優(yōu)點(diǎn)是磺化時(shí)不生成水，三氧化硫用量可接近理論量，反應(yīng)快、廢液少。但三氧化硫過(guò)于活潑，在磺化時(shí)易于生成砜類等副產(chǎn)物，因此常常要用空氣或溶劑稀釋使用。主要用于由十二烷基苯制十二烷基苯磺酸鈉等表面活性劑的磺化過(guò)程。

③共沸去水磺化 用于從苯和氯苯制苯磺酸和對(duì)氯苯磺酸。特點(diǎn)是將過(guò)量6~8倍的苯蒸氣在120~180℃通入濃硫酸中，利用共沸原理由未反應(yīng)的苯蒸氣將反應(yīng)生成的水不斷地帶出，使硫酸濃度不致下降太多，此法硫酸的利用率高。因磺化時(shí)用苯蒸氣，又簡(jiǎn)稱氣相磺化。

④烘焙磺化 用于某些芳伯胺的磺化。特點(diǎn)是將芳伯胺與等摩爾比的濃硫酸先制成固態(tài)硫酸鹽,然后在180~230℃烘焙，或是將芳伯胺與等摩爾比的硫酸,在三氯苯介質(zhì)中在180℃加熱,并蒸出反應(yīng)生成的水。如從苯胺制對(duì)氨基苯磺酸。

⑤氯磺酸磺化 用等摩爾比的氯磺酸使芳烴磺化可制得芳磺酸苯二甲。用摩爾比為1:4~5或更多的氯磺酸，可制得芳磺酰氯。

例如:從2-萘酚制2-萘酚-1-磺酸,從乙酰苯胺制對(duì)乙酰胺基苯磺氯。

⑥用三氧化硫加氯氣或加臭氧磺化脂肪族化合物一般不能用三氧化硫或其水合物進(jìn)行磺化，因?yàn)樗蚴遣黄鹱饔?，或是使脂肪族化合物發(fā)生氧化分解，從而生成復(fù)雜的混合物。烷烴可用二氧化硫加氯氣或加臭氧的混合物作磺化劑，在紫外光照射下進(jìn)行磺氯化或磺氧化。

⑦加成磺化 某些烯烴化合物可以與亞硫酸氫鹽發(fā)生加成磺化。例如順丁烯二酸二異辛酯與亞硫酸氫鈉在水介質(zhì)中在 110~120℃可反應(yīng)而得琥珀酸二辛酯-2-磺酸鈉鹽(滲透劑T)

有機(jī)化合物里的氫原子被硫酸分子里的磺酸基(-SO3H)所取代的反應(yīng)稱為磺化反應(yīng)。但由于該反應(yīng)主要在芳香化合物中發(fā)生，故經(jīng)常被特指為芳香化合物上的磺化反應(yīng)。

芳香化合物磺化反應(yīng)在機(jī)理上屬于親電取代反應(yīng)，其反應(yīng)條件大致有三種:含水硫酸、三氧化硫和發(fā)煙硫酸。其中有人 通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明:苯在非質(zhì)子溶劑中與三氧化硫反應(yīng)時(shí)，進(jìn)攻的親電試劑為三氧化硫;含水硫酸中磺化時(shí)親電試劑為硫酸合氫正離子(可理解為水合質(zhì)子+三氧化硫);而在發(fā)煙硫酸中，親電試劑為焦硫酸合氫離子(即質(zhì)子化的焦硫酸)和H2S4O13(可理解為一分子硫酸+三分子三氧化硫)。因此，在不同條件下磺化，其反應(yīng)機(jī)理略微有所不同。其中最為常見(jiàn)的機(jī)理如下圖所示。

間接磺化 有機(jī)化合物分子中碳原子上的鹵素或硝基比較活潑時(shí)，如果與亞硫酸鈉作用可被磺基所置換;

磺化反應(yīng)器以硫酸、氯磺酸或三氧化硫在液相磺化時(shí)一般用釜式反應(yīng)器。以氣態(tài)三氧化硫使十二烷基苯磺化時(shí)用膜式反應(yīng)器。以SO2+Cl2或SO2+O2使烷烴磺氯化或磺氧化時(shí)，用氣液鼓泡反應(yīng)器。

產(chǎn)品用途 在有機(jī)分子中引入磺酸基可增加產(chǎn)物的水溶性和酸性。大部分水溶性染料(如直接染料、酸性染料和活性染料等)都含有磺酸基。有些磺酸鹽是陰離子表面活性劑，如洗滌劑、潤(rùn)濕劑、滲透劑、乳化劑、增溶劑等。聚合物的磺酸鹽包括有分散劑、強(qiáng)酸性離子交換樹脂、彈性體、水溶性合成膠和增稠劑等。芳環(huán)上的磺基還可轉(zhuǎn)化為羥基、氨基、氯基、氰基等，從而制得一系列中間體。有時(shí)，為了定位或有利于其他反應(yīng)的進(jìn)行，可先在芳環(huán)上暫時(shí)引入磺酸基，完成特定反應(yīng)后，再進(jìn)行磺酸基水解?；酋Ｂ然腔顫娀鶊F(tuán)，從芳磺酰氯可制得芳磺酰胺和芳磺酸酯等一系列產(chǎn)物。

在有機(jī)物分子中引入磺基(-SO3H)的反應(yīng)叫磺化。脂肪族化合物通常用間接的方法磺化。

芳香族化合物主要用直接磺化(親電取代反應(yīng))。常用的磺化劑有濃硫酸、發(fā)煙硫酸等?；腔磻?yīng)一般按下列歷程進(jìn)行。

重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù):磺化反應(yīng)釜內(nèi)溫度;磺化反應(yīng)釜內(nèi)攪拌速率;磺化劑流量;冷卻水流量。

安全控制的基本要求:反應(yīng)釜溫度的報(bào)警和聯(lián)鎖;攪拌的穩(wěn)定控制和聯(lián)鎖系統(tǒng);緊急冷卻系統(tǒng);緊急停車系統(tǒng);安全泄放系統(tǒng);三氧化硫泄漏監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等。

宜采用的控制方式:將磺化反應(yīng)釜內(nèi)溫度與磺化劑流量、磺化反應(yīng)釜夾套冷卻水進(jìn)水閥、釜內(nèi)攪拌電流形成聯(lián)鎖關(guān)系，緊急斷料系統(tǒng)，當(dāng)磺化反應(yīng)釜內(nèi)各參數(shù)偏離工藝指標(biāo)時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警、停止加料，甚至緊急停車。

磺化反應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有泄爆管和緊急排放系統(tǒng)，以防止意外情況的發(fā)生。

chlorosulfonation

有機(jī)化合物中的氫被氯磺酰基(-SO2Cl)取代的反應(yīng)。

烷烴的氯磺化反應(yīng)通常是在光照或自由基引發(fā)劑作用下進(jìn)行的。

常用的氯磺化試劑是二氧化硫和氯氣的混合物:

RH+SO2+Cl2→RSO2Cl+HCl

芳烴的氯磺化反應(yīng)通常在室溫進(jìn)行，常用的氯磺化試劑是氯磺酸:

C6H6+2ClSO3H→C6H5SO2Cl+HCl

氯磺化反應(yīng)在有機(jī)合成上有廣泛的應(yīng)用，可以用來(lái)制備合成洗滌劑。

磺化過(guò)程中磺酸基取代碳原子上的氫稱為直接磺化;磺酸基取代碳原子上的鹵素或硝基，稱為間接磺化。

用硫酸進(jìn)行磺化是可逆反應(yīng)，在一定條件下生成的磺酸又會(huì)水解。在很多情況下，磺化溫度會(huì)影響磺基進(jìn)入芳環(huán)的位置。例如，萘用濃硫酸在低溫下進(jìn)行磺化，主要生成易水解 的萘-1-磺酸,而高溫磺化則主要生成難水解的萘-2-磺酸。

根據(jù)所用磺化劑的不同而區(qū)分為:

①過(guò)量硫酸磺化 大多數(shù)芳香族化合物的磺化采用此法。用濃硫酸磺化時(shí)，反應(yīng)通式為:Ar-H+SO3-→Ar-SO3H

式中Ar表示芳基。反應(yīng)生成的水使硫酸濃度下降、反應(yīng)速率減慢，因此要用過(guò)量很多的磺化劑。難磺化的芳烴要用發(fā)煙硫酸磺化。這時(shí)主要利用其中的游離三氧化硫，因此也要用過(guò)量很多的磺化劑。

②三氧化硫磺化 優(yōu)點(diǎn)是磺化時(shí)不生成水，三氧化硫用量可接近理論量，反應(yīng)快、廢液少。但三氧化硫過(guò)于活潑，在磺化時(shí)易于生成砜類等副產(chǎn)物，因此常常要用空氣或溶劑稀釋使用。主要用于由十二烷基苯制十二烷基苯磺酸鈉等表面活性劑的磺化過(guò)程。

③共沸去水磺化 用于從苯和氯苯制苯磺酸和對(duì)氯苯磺酸。特點(diǎn)是將過(guò)量6~8倍的苯蒸氣在120~180℃通入濃硫酸中，利用共沸原理由未反應(yīng)的苯蒸氣將反應(yīng)生成的水不斷地帶出，使硫酸濃度不致下降太多，此法硫酸的利用率高。因磺化時(shí)用苯蒸氣，又簡(jiǎn)稱氣相磺化。

④烘焙磺化 用于某些芳伯胺的磺化。特點(diǎn)是將芳伯胺與等摩爾比的濃硫酸先制成固態(tài)硫酸鹽,然后在180~230℃烘焙，或是將芳伯胺與等摩爾比的硫酸,在三氯苯介質(zhì)中在180℃加熱,并蒸出反應(yīng)生成的水。如從苯胺制對(duì)氨基苯磺酸。

⑤氯磺酸磺化 用等摩爾比的氯磺酸使芳烴磺化可制得芳磺酸。用摩爾比為1:4~5或更多的氯磺酸，可制得芳磺酰氯。

Ar-H+ClSO3H-→ArSO3H+HCl

例如:從2-萘酚制2-萘酚-1-磺酸,從乙酰苯胺制對(duì)乙酰胺基苯磺氯。

⑥用三氧化硫加氯氣或加臭氧磺化 脂肪族化合物一般不能用三氧化硫或其水合物進(jìn)行磺化，因?yàn)樗蚴遣黄鹱饔?，或是使脂肪族化合物發(fā)生氧化分解，從而生成復(fù)雜的混合物。烷烴可用二氧化硫加氯氣或加臭氧的混合物作磺化劑，在紫外光照射下進(jìn)行磺氯化或磺氧化。

R-H+SO2+Cl2-→R-SO2Cl+HCl

R-H+SO2+1/2O2-→R-SO3H式中R表示烷基。若將磺酰氯進(jìn)行堿水解,可得烷基磺酸鹽(洗滌劑)。

⑦加成磺化 某些烯烴化合物可以與亞硫酸氫鹽發(fā)生加成磺化。例如:順丁烯二酸二異辛酯與亞硫酸氫鈉在水介質(zhì)中在 110~120℃可反應(yīng)而得琥珀酸二辛酯-2-磺酸鈉鹽(滲透劑T)。

有機(jī)化合物分子中碳原子上的鹵素或硝基比較活潑時(shí)，如果與亞硫酸鈉作用可被磺基所置換;

R-X+Na2SO3-→R-SO3Na+NaX

ArX+Na2SO3-→ArSO3Na+NaX式中R為烷基;Ar為芳基;X為鹵素或硝基。用此法可從2，4-二硝基氯苯制2,4-二硝基苯磺酸，從1-硝基蒽醌制蒽醌-1-磺酸，從1,2-二氯乙烷制2-氯乙磺酸鈉。

磺化反應(yīng)器 以硫酸、氯磺酸或三氧化硫在液相磺化時(shí)一般用釜式反應(yīng)器。以氣態(tài)三氧化硫使十二烷基苯磺化時(shí)用膜式反應(yīng)器。以SO2+Cl2或SO2+O2使烷烴磺氯化或磺氧化時(shí)，用氣液鼓泡反應(yīng)器。

糖酐酯鈉的中間體。

一般常用作磺化劑，反應(yīng)溫和，性質(zhì)穩(wěn)定；在生物制藥領(lǐng)域常用作有機(jī)氧化劑和硫酸酯化劑等。

特殊磺化試劑用于呋喃、吡啶等的磺化反應(yīng)。

用作氧化劑及磺化劑。