Бензол сульфонизациясы: құрылымы, қасиеттері және құрылымдық формуласы

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 05:33

Бензолды, сондай-ақ басқа ароматты көмірсутектерді сульфаттау органикалық химиядағы маңызды реакциялардың бірі болып табылады, өйткені оның өнімдері өнеркәсіпте кеңінен қолданылады. Сульфоқышқылдарды алу үшін бензолды күкірт қышқылымен немесе олеуммен өңдейді. Сондай-ақ сульфондау бірнеше функционалды топтарды жасау үшін қадамдармен жүзеге асырылуы мүмкін.

Сульфондау принципі

Бензолды сульфаттандыру – бұл сульфотопты SO₃H енгізу – оны органикалық қосылыстағы сутегі атомымен алмастыру. Нәтижесінде алынған заттар қышқылдық қасиетке ие болып, суда ериді. Кейінірек сульфотопты бөлу арқылы басқа қосылыстар – аминобензол (анилин), галобензол, нитробензол, гидроксибензол (фенол) синтезделеді.

Бұл процесс көмірсутектердің өзіне ғана емес, олардың туындыларына да әсер етеді. Бензолдың гомологиялық қосылыстары (толуол және ксилол) жеңілірек сульфонданады және бұл реакция анилин мен фенолмен ең белсенді.

Бензолдың сульфалану реакциясы нитрлеумен бірге ароматты көмірсутектерге тән реакциялардың бірі болып табылады. ауыстырумұндай заттардағы сутегі алифатты органикалық қосылыстарға қарағанда әлдеқайда жеңіл өтеді.

Сульфаттаушы заттар

Келесі заттарды сульфондатқыш ретінде пайдалануға болады:

• күкірт қышқылы H₂SO₄ әртүрлі концентрацияларда;
• олеум (түтін күкірт қышқылы);
• хлоросульфон қышқылы – HSO₃Cl;
• күкірт ангидриді;
• витриол майы (H₂SO₄ 93% немесе одан жоғары концентрацияда);
• күкірт қышқылы моногидраты;
• күкіртхлорид SO₂Cl₂;
• күкірт қышқылының сілтілі тұздары;
• полисульфаттар;
• күкірт қышқылының қышқыл тұздары.

Көбінесе бензолды сульфаттандыру механизмінде олеум – SO₃ 100% күкірт қышқылындағы ерітіндісі қолданылады. Күкірт триоксидінің концентрациясы шамамен 65% болатын олеум сорттары таңдалады, өйткені бұл композициялар қалыпты жағдайда сұйық болып қалады. Бұл затты пайдаланған кезде бензол сульфонизациясының реакция механизмі жоғары жылдамдықпен жүреді.

Сульфация процесінің сипаттамасы

Бензолдың олеуммен реакциясы келесідей:

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

Құрылымдық жағынан бензол сульфалану реакциясының реті келесідей:

Сульфон қышқылдары мақсатты өнім болып табылады. 92-94% күкірт қышқылымен өңдегенде олардың шығымы болады90-96%.

Концентрлі күкірт қышқылының 3 есе артық мөлшері бар сульфаттандыру келесідей жүреді:

Процесс баяу болғандықтан (жылу бөлінсе де), жылыту қажет.

Бензолды күкірт қышқылымен сульфаттандырудың кемшіліктеріне мыналар жатады:

• электрофильдердің аз концентрациясы;
• қышқылды сумен сұйылтқанда реакция жылдамдығының жылдам төмендеуі;
• реакция ортасының агрессивтілігі;
• бейтараптандырғыштарды қолдану қажеттілігі, қалдықтардың көп мөлшері (экологиялық аспект).

Өнім мүмкіндіктері

Сульфондау кезінде бензолдың химиялық қасиеттері келесі белгілермен сипатталады:

• өткір иісі бар түссіз немесе ашық сары балқитын кристалды зат;
• суда жақсы ерігіштік, толық дерлік диссоциация;
• су буының сіңіргіштігі жоғары, кристалдар ауаға әсер еткенде таралады;
• айқын қышқылдық сипаты;
• Қосылыс сумен ыдырайды, улы газдарды бөледі;
• булар ауадан ауыр;
• қышқылдық константасы - 5, 0-8, 0 шегінде.

Сульфон қышқылдарының маңызды қасиеттерінің бірі сульфотопты басқа функционалдық топтарға алмастыру қабілеті, олардың ароматты көмірсутектердің құрылымына тікелей енуі қиын.

Бірнеше сульфотоптарды енгізу

Екі немесе үш сутегі атомын ауыстыру келесі параметрлерді кезең-кезеңімен өзгерту арқылы сатылы жүзеге асырылады:

• сульфофикатор;
• осы заттың концентрациясы немесе мөлшері;
• температура.

Мета-бензолисульфо қышқылы 2 сатыда өндіріледі:

1. С₆H₆ концентрлі қышқылмен сульфаттау H₂SO ₄ , нәтижесінде моносульфон қышқылы түзіледі.
2. Алдыңғы реакция өнімін 20% артық олеуммен 100^оС (немесе 60% 60-80^{о температурада өңдеу} С). Сульфотопты бастапқы енгізу кейінгі сульфондануды (шамамен 10 000 есеге) айтарлықтай баяулатқандықтан, екінші реакция аса ауыр жағдайларда жүзеге асырылады.

3- және 5-бензолсульфон қышқылына дейін одан әрі сульфондау катализатордың қатысуымен 250^оС температурада 60% концентрацияда олеуммен әсер еткенде ғана мүмкін болады - сынап сульфаты.

Қалыпты жағдайда сульфондау реакциясы қайтымды, бірақ жоғары ангидридті олеум қолданылса, процесс қайтымсыз болады. Дәл осындай жағдай бензолды хлорсульфон қышқылымен өңдегенде байқалады.

Температура эффектісі

Бензолды сульфондау кезінде температураны көтеру реакция жылдамдығын арттырып қана қоймайды, сонымен қатар қосымша өнімдердің: полисульфон қышқылының, сульфондардың, оксидтердің түзілуіне әкеледі. 160 ° C-тан жоғары қыздырғанда дисульфо қышқылының пайда болуы байқалады.

Сондықтан әрбір реакция белгілі бір температурада жүргізілуі керек. Оданхош иісті көмірсутектердегі SO₃H тобының (региоселективтілік) қосылу орны да байланысты.

"буда" сульфаттау

Өндірістік жағдайларда бензолсульфон қышқылын алудың ең үнемді әдістерінің бірі реакцияны «буларда» жүргізу болып табылады. Бұл технология H₂SO₄ қажеттілігін осы заттың сұйық фазасын пайдаланатын процесспен салыстырғанда 2 есе дерлік азайтуға мүмкіндік береді.. Реакцияның кемшіліктеріне сульфалану жылдамдығының төмендеуі жатады.

H₂SO₄ сұйық күйде, мүмкін реакциялық массадан суды кетіру арқылы қолданумен байланысты кемшіліктерді жою немесе олеумды пайдалану (SO₃ концентрациясын арттыру).

Бұл жағдайда бензол сульфондау технологиясы келесідей жүреді:

1. Бактағы бензол сорғы арқылы буландырғыш құбырына беріледі. Бұл құрылғыда зат сыртқы құбырлар арқылы өтетін бумен қызады. Содан кейін жұптар t=150 °С дейін жеткізіледі.
2. Бу күйіндегі бензол реакторға артық беріледі, онда ол 150 °C температурада концентрлі күкірт қышқылы қабатынан өтеді.
3. Тоңазытқышта C₆H₆ және H₂O конденсациялап, суытыңыз 30 °С.
4. Қоспа сепараторда бөлініп, айналымдағы бензол сульфондау үшін қайтарылады.

Сульфомассадағы бензол қалдықтары ауамен үрлеу арқылы жойылады. Содан кейін қоспа бейтараптандыруға арналған аппаратқа түседі,ішінде қышқылға төзімді плиткалармен қапталған. Бұл реакция Na₂SO₃ сулы ерітіндісінің қатысуымен жүзеге асады. Өңдеуден кейін масса күкірт диоксидін жою үшін колонкаға жіберіледі. Алынған өнім фенолды сілтілі балқыту арқылы алу үшін қолданылады (қазіргі уақытта бұл процесс өндірістік маңызын жоғалтты, фенол изопропилбензолдан синтезделеді) немесе натрий бензолсульфонатының құрғақ қалдығына дейін буланады.

Басқа жолдар

Бензол сульфондауының басқа әдістерін қолданыңыз:

1. Сұйық көмірсутек H₂SO₄ қабаты арқылы қарсы ағынмен өтеді. Алынған өнім алдымен бензолда ерітіліп, содан кейін сумен жуылады.
2. 190-250 °C жоғары температурада және 1-3 МПа қысымда төмен концентрациялы олеуммен сульфаттау. Қосымша өнімдердің пайда болуы натрий бензолсульфонатын қосу арқылы басылады.

Сульфоқышқылдарды оқшаулау

Реакция өнімдері жақсы еритін болғандықтан, олар тұздар түрінде оқшауланады. Ол үшін сульфомассаға бейтараптандырғыштарды үнемі араластыра отырып енгізеді, олар келесі заттар ретінде қолданылады:

• натрий сульфиті;
• бор;
• техникалық сода;
• лайм.

Бос сульфон қышқылдарын оқшаулау ион алмастырғыш шайырлармен әрекеттесу немесе хлорсутекпен қышқылдандыру арқылы алынады.