Бензол сульфонизациясы: структурасы, касиеттери жана структуралык формуласы

2024 Автор: Angel Austin | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-17 05:34

Бензолду, ошондой эле башка ароматтык углеводороддорду сульфациялоо органикалык химиядагы эң маанилүү реакциялардын бири, анткени анын продуктылары өнөр жайда кеңири колдонулат. Сульфон кислоталарын алуу үчүн бензол күкүрт кислотасы же олеум менен иштетилет. Сульфондоо бир нече функционалдык топторду түзүү үчүн кадамдар менен да жүргүзүлүшү мүмкүн.

Сульфондоо принциби

Бензолду сульфациялоо – бул сульфотоптун SO₃H кириши – аны органикалык кошулмадагы суутек атому менен алмаштыруу. Натыйжада пайда болгон заттар кислоталык касиетке ээ болуп, сууда эрийт. Кийинчерээк сульфотопту ажыратып, башка кошулмалар – аминобензол (анилин), галобензол, нитробензол, гидроксибензол (фенол) синтезделет.

Бул процесс бир гана углеводороддорго эмес, алардын туундуларына да дуушар болот. Бензолдун гомологдук бирикмелери (толуол жана ксилол) оңой сульфондолот жана бул реакция анилин жана фенол менен эң активдүү болот.

Бензолдун сульфондоо реакциясы нитрлөө менен бирге ароматтык углеводороддор үчүн эң мүнөздүү реакциялардын бири. алмаштыруумындай заттардагы суутек алифаттык органикалык бирикмелерге караганда алда канча оңой агып кетет.

Сульфаттоочу заттар

Төмөнкү заттар сульфондоштуруучу агенттер катары колдонулушу мүмкүн:

• күкүрт кислотасы H₂SO₄ ар кандай концентрацияларда;
• олеум (түтүндүү күкүрт кислотасы);
• хлоросульфон кислотасы – HSO₃Cl;
• күкүрттүү ангидрид;
• витриол майы (H₂SO₄ 93% же андан ашык концентрацияда);
• күкүрт кислотасы моногидраты;
• сульфурилхлорид SO₂Cl₂;
• күкүрттүү кислотанын щелочтуу туздары;
• полисульфаттар;
• күкүрт кислотасынын кислота туздары.

Көбүнчө бензол сульфондоо механизминде олеум колдонулат - SO₃ 100% күкүрт кислотасындагы эритмеси. Олеум сорттору тандалып алынат, анда күкүрт үч кычкылынын концентрациясы болжол менен 65% түзөт, анткени бул курамдар нормалдуу шарттарда суюк бойдон калууда. Бул затты колдонууда бензолдун сульфалануу реакциясынын механизми жогорку ылдамдыкта жүрөт.

Сульфация процессинин сүрөттөлүшү

Бензолдун олеум менен реакциясы төмөнкүдөй:

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

Структуралык жактан бензол сульфондоо реакциясынын тартиби төмөнкүчө:

Сульфон кислоталары максаттуу продукт болуп саналат. 92-94% күкүрт кислотасы менен иштеткенде алардын түшүмү болот90-96%.

Концентрацияланган күкүрт кислотасынын 3 эсе ашыкчасы менен сульфаттоо төмөнкүдөй ишке ашат:

Процесс жай жүргөндүктөн (жылуулук бөлүнүп чыкканы менен) жылытуу керек.

Бензолду күкүрт кислотасы менен сульфондаштыруунун кемчиликтери төмөнкүлөрдү камтыйт:

• электрофилдердин аз концентрациясы;
• кислота суу менен суюлтулганда реакциянын ылдамдыгы тез төмөндөйт;
• реакция чөйрөсүнүн агрессивдүүлүгү;
• нейтралдаштыруучу каражаттарды колдонуу зарылчылыгы, көп сандагы калдыктар (экологиялык аспект).

Өнүмдүн өзгөчөлүктөрү

Сульфондоодо бензолдун химиялык касиеттери төмөнкү өзгөчөлүктөр менен мүнөздөлөт:

• түссүз же ачык сары ээрүүчү кристаллдык курч жыты бар зат;
• сууда жакшы эрийт, дээрлик толук диссоциация;
• суунун буусу үчүн жогорку соруучулук, кристаллдар абага тийгенде жайылып кетет;
• айтылган кислота мүнөзү;
• Бирикме суу менен ажырап, уулуу газдарды бөлүп чыгарат;
• буулар абадан оор;
• кислоталык туруктуу - 5, 0-8, 0 ичинде.

Сульфо-группаны ароматтык углеводороддордун структурасына түз киргизүү кыйын болгон башка функционалдуу топторго алмашуу жөндөмдүүлүгү сульфондук кислоталардын эң маанилүү касиеттеринин бири.

Бир нече сульфотопторду киргизүү

Эки же үч суутек атомун алмаштыруу этап-этабы менен төмөнкү параметрлерди этап-этабы менен өзгөртүү аркылуу ишке ашырылат:

• сульфондоочу агент;
• бул заттын концентрациясы же саны;
• температура.

Мета-бензедисульфон кислотасы 2 этапта өндүрүлөт:

1. Сульфаттоо C₆H₆ концентрацияланган кислота менен H₂SO ₄ , натыйжада моносульфон кислотасы пайда болот.
2. Мурунку реакциянын продуктусун 20% ашык олеум менен 100^оС температурада иштетүү (же 60% 60-80^о С). Сульфотоптун алгачкы кириши кийинки сульфондоону (болжол менен 10 000 эсеге) басаңдаткандыктан, экинчи реакция кыйла оор шарттарда жүргүзүлөт.

Мындан ары 3- жана 5-бензолсульфон кислотасына сульфондоо катализатордун катышуусунда 250^оС температурада 60% концентрацияда олеумга таасир эткенде гана мүмкүн болот - сымап сульфаты.

Кадимки шарттарда сульфондоо реакциясы кайра кайтарылат, бирок жогорку ангидриддик олеум колдонулса, процесс кайра кайтарылгыс болуп калат. Ушундай эле нерсе бензолду хлоросульфон кислотасы менен иштеткенде байкалат.

Температура эффекти

Бензолду сульфондоодо температураны көтөрүү реакциянын ылдамдыгын гана жогорулатпастан, кошумча продуктылардын: полисульфон кислоталарынын, сульфондордун, оксиддердин пайда болушуна алып келет. 160°Сден жогору ысытканда дисульфона кислоталарынын пайда болушу байкалат.

Ошондуктан ар бир реакция белгилүү бир температурада жүргүзүлүшү керек. Анданароматтык углеводороддордогу SO₃H тобунун (региоселективдүүлүк) кошулуу жери да көз каранды.

Сульфаттоо "буудагы"

Өндүрүштүк шарттарда бензолсульфон кислотасын алуунун эң үнөмдүү ыкмаларынын бири реакцияны «бууларда» жүргүзүү болуп саналат. Бул технология H₂SO₄ муктаждыгын бул заттын суюк фазасын колдонгон процесске салыштырмалуу дээрлик 2 эсеге кыскартууга мүмкүндүк берет.. Реакциянын кемчиликтери сульфондоо ылдамдыгынын төмөндөшүн камтыйт.

H₂SO₄ суюк абалда, мүмкүн реакциялык массадан сууну алып салуу менен колдонууга байланыштуу кемчиликтерди жоюу же олеумду колдонуу (SO₃ концентрациясын жогорулатуу).

Бул учурда бензол сульфондоо технологиясы төмөнкүчө жүрөт:

1. Бактагы бензол насостун жардамы менен бууланткычтын түтүктөрүнө берилет. Бул аппаратта зат сырткы түтүктөр аркылуу өткөн буу менен ысытылат. Андан кийин жуптар t=150 °С чейин жеткирилет.
2. Буу абалындагы бензол реакторго ашыкча берилип, ал жерден 150 °C температурада концентрленген күкүрт кислотасынын катмарынан өтөт.
3. Муздаткычта C₆H₆ жана H₂O конденсациялап, муздатканга чейин 30 °С.
4. Аралашма сепаратордо бөлүнөт жана циркуляциядагы бензол сульфондоо үчүн кайтарылат.

Сульфомассадагы бензол калдыктары абаны үйлөө аркылуу чыгарылат. Андан кийин аралашма нейтралдаштыруу үчүн аппаратка кирет,ичинде кислотага чыдамдуу плиткалар менен капталган. Бул реакция Na₂SO₃ суудагы эритмесинин катышуусу менен жүргүзүлөт. Иштеп чыккандан кийин масса күкүрт кычкыл газын жок кылуу үчүн колонкага жөнөтүлөт. Алынган продукт щелочтук эрүүнүн жардамы менен фенолду алуу үчүн колдонулат (азыркы учурда бул процесс өзүнүн өнөр жайлык маанисин жоготкон, фенол изопропилбензолдон синтезделет) же натрий бензолсульфонатынын кургак калдыгына бууланат.

Башка жолдор

Бензол сульфондоонун башка ыкмаларын колдонуңуз:

1. Суюк углеводород каршы агымда H₂SO₄ катмары аркылуу өтөт. Алынган продукт алгач бензолдо эритип, андан кийин суу менен жуулат.
2. 190-250 °C жогорулатылган температурада жана 1-3 МПа басымда төмөн концентрациядагы олеум менен сульфациялоо. Кошумча продуктулардын пайда болушу натрий бензолсульфонатын кошуу менен басылат.

Сульфон кислоталарын изоляциялоо

Реакция продуктылары жакшы эрүүчү болгондуктан, алар туз түрүндө бөлүнүп алынат. Бул үчүн сульфомассага нейтралдаштыруучу заттар тынымсыз аралаштыруу менен киргизилет, алар төмөнкү заттар катары колдонулат:

• натрий сульфити;
• бор;
• техникалык сода;
• лайм.

Эркин сульфон кислоталарын изоляциялоо ион алмаштыруучу чайырлар менен реакция же хлорсутек менен кычкылдандыруу жолу менен алынат.