Глава 13 Сульфокислоты
К ароматическим сульфокислотам, которые часто называются сульфоновыми кислотами, относят соединения, молекулы которых содержат бензольное кольцо, непосредственно связанное с сульфогруппой. В кольце может быть несколько сульфогрупп, а также другие заместители. Приведем наиболее часто встречающиеся сульфокислоты и их названия
Полезно знать также названия одновалентных остатков сульфоновых кислот
13.1. Методы получения
Основным методом получения ароматических сульфокислот является сульфирование ароматических соединений
Сульфированием бензола можно получить и м-бензолдисульфокислоту. Однако две сульфогруппы настолько дезактивируют кольцо, что третью группу ввести уже не удается.
Интересно, что сульфированию можно подвергать и более сложные объекты, чем арены. Один из видов наиболее распространенных катионообменных смол (КУ-2), получают сульфированием полистирола
Обычно сульфируют сополимер стирола с дивинилбензолом. В сополимере отдельные полистирольные цепи связаны между собой дивинилбензолом. Это приводит к увеличению молекулярной массы полимера и уменьшению его растворимости.
Известно, что при сульфировании, являющемся типичной реакцией электрофильного ароматического замещения, электрофилом выступает трехокись серы, образующийся при кислотно-основном равновесии двух молекул серной кислоты
Механизм реакции сульфирования включает следующие элементарные стадии
Особенностью сульфирования по сравнению с другими реакциями электрофильного замещения является его обратимость. Кроме того, установлено, что сульфирование идет с заметным кинетическим изотопным эффектом (протий замещается в два раза быстрее, чем дейтерий). Очевидно, что это будет иметь место в том случае, если скорости реакций образования карбокатиона и дальнейшего его превращения будут сопоставимы.
В реакциях сульфирования, кроме серной кислоты иногда используют хлорсульфоновую кислоту. При этом получается хлорангидрид сульфоновой кислоты
13.2. Химические свойства
Химические превращения ароматических сульфокислот связаны с наличием в их молекуле бензольного кольца и сульфогруппы. За счет этих функциональных групп сульфоновые кислоты реагируют как кислоты и вступают в реакции электрофильного замещения. Кроме того, известно и третье направление превращения сульфокислот – это реакции замещения сульфогруппы. Рассмотрим каждое направление превращения в отдельности.
13.2.1. Реакции бензольного кольца
Сульфогруппа – типичный заместитель второго рода. Как и другие заместители этой группы, сульфогруппа затрудняет электрофильное ароматическое замещение, а новые заместители направляет в м-положение
13.2.2. Реакции сульфогруппы
13.2.2.1. Кислотность. Соли сульфокислот. Ароматические сульфокислоты обладают кислотностью, сравнимой с кислотностью серной кислоты. Они ионизируются в воде полностью
Это связано с особой устойчивостью анионов сульфокислот. Отрицательный заряд в анионах отнюдь не сосредоточен на одном из атомов кислорода, как изображено выше, а рассредоточен между тремя кислородами. Это особенно наглядно видно, если бензолсульфонат-ион представить в виде резонансного гибрида возможных канонических структур
В резонансном гибриде нет двух типов связи S-O, заряд рассредоточен в равной мере на трех кислородах, а все связи между серой и кислородом выровнены. Это подтверждается и результатами измерения геометрических параметров бензолсульфонат-аниона, в котором атом серы имеет тетраэдрическую конфигурацию
Являясь сильными кислотами, сульфоновые кислоты образуют соли с любыми основаниями. Эти соли называются сульфонатами
Различие в растворимости солей серной кислоты (сульфатов) и сульфонатов бария и свинца используется для выделения и очистки ароматических сульфокислот.
Сульфонаты определенного состава и строения нашли исключительно широкое применение в качестве моющих средств.
Обладающие моющими свойствами сульфонаты состоят из полярной части, которая обеспечивает растворимость в воде, и в п-положении к ней – достаточно крупной алкильной части, придающей молекуле способность растворяться в жире
Установлено, что алкильный заместитель в бензольном кольце должен содержать 12 – 15 углеродов и иметь нормальное строение. Оказалось, что от строения зависит биохимическая разлагаемость алкилбензолсульфонатов в природной среде, куда они рано или поздно попадают.
В отличие от солей карбоновых кислот, натриевые соли которых растворимы, а кальциевые и магниевые соли – нерастворимы, сульфонаты незначительно отличаются друг от друга по растворимости. Поэтому они способны стирать даже в жесткой воде.
Моющее действие сульфонатов основано на том, что их молекулы полярной частью (-SO3-Na+) растворяются в воде, а остальной частью – в жире. В результате этого частички жира вместе с загрязнителями диспергируются в виде мицелл и переходят в водную фазу.
13.2.2.2.Сульфохлориды. При действии PCl5 или SO2Cl на сульфоновые кислоты или их соли происходит замещение гидроксильной группы в сульфогруппе на атом хлора с образованием сульфохлоридов
Уже отмечалось, что хлорангидриды сульфокислот получаются и при прямом сульфировании ароматических соединений сульфоновой кислотой.
Сульфонилхлориды используются при получении сложных эфиров и амидов сульфоновых кислот, поскольку указанные соединения не могут быть синтезированы замещением гидроксила в самих кислотах.
13.2.2.3. Сложные эфиры. Практически единственным удобным способом получения сложных эфиров сульфоновых кислот является замещение галогена в сульфохлоридах на алкоксигруппу
Первичные спирты в этой реакции активнее вторичных алкоголей настолько, что удается осуществить этерификацию избирательно.
Другим методом получения эфиров является алкилирование солей сульфокислот диметил- и диэтилсульфатами
Метод особенно пригоден при получении метиловых- и этиловых эфиров сульфокислот.
Сложные эфиры сульфокислот при нагревании с водными растворами кислот и оснований гидролизуются с образованием сульфоновой кислоты и спирта
Сульфоновые кислоты являются сильными кислотами. Отсюда следует, что их анионы относятся к слабым основаниям. Они в реакциях нуклеофильного замещения выступают как хорошие уходящие группы. В этом отношении алкилсульфонаты напоминают алкилгалогениды. Например, реакция этил-п-толуолсульфоната с фенолятом натрия ведет к фенетолу в результате нуклеофильного замещения
13.2.2.4. Сульфамиды. Как и эфиры, сульфамиды получаются из хлорангидридов сульфокислот при их взаимодействии с аммиаком
В реакции можно использовать первичные и вторичные амины. При этом получаются замещенные при азоте амиды ароматических сульфокислот.
Характерным свойством амидов является их способность в кислой или щелочной среде гидролизоваться до сульфоновой кислоты и аммиака или амина
Некоторые амиды сульфоновых кислот (незамещенные или монозамещенные представители) проявляют NH–кислотность и со щелочами образуют соли
В разной степени замещенные амиды сульфоновых кислот образуют продукты, различающиеся по растворимости в воде (проба Хинсберга)
По Хинсбергу смесь аминов обрабатывают тозилхлоридом и щелочью. При этом первичные и вторичные амины дают моно- и дизамещенные амиды. Третичные амины в реакцию не вступают. Вторичные амины дают амид, не растворимый в щелочах и выпадающий в осадок. Первичные амины образуют монозамещенный сульфонамид, остающийся в щелочном растворе и выпадающий в осадок при подкислении.
Водородные атомы при азоте амидов сульфокислот способны замещаться на хлор. Достигается это хлорированием амида в щелочной среде. По указанной реакции из бензол– и толуолсульфамидов были получены монохлорамин-Б и монохлорамин–Т соответственно
Замещенные хлорамиды сульфоновых кислот являются сильными окислителями. При гидролизе они образуют саму кислоту и НОСl. Монохлорамины-Б и Т, а также дихлорамины-Б и Т, широко применяются как ценные дезинфицирующие средства.
С амидами сульфоновых кислот связаны еще несколько направлений практического использования соединений рассматриваемого ряда.
Еще в 1879 г. был синтезирован имид о-сульфобензойной кислоты (Ремсен). Оказалось, что это соединение в 550 раз слаще сахара и может заменить его у больных диабетом, которым сахар противопоказан. Получают сахарин, такое название получил имид о-сульфобензойной кислоты, практически по Ремсену
Сахарин представляет собой натриевую соль имида.
Некоторые амиды сульфокислот стяжали себе славу как первые и эффективные медицинские препараты, проявившие активность против стрептококковых и стафилококковых инфекций (1933 г.). Основой таких препаратов является сульфаниламид, который обычно синтезируется по следующей схеме
Уже сам сульфаниламид под названием белый стрептоцид является важным бактериостатическим препаратом. Поэтому можно было думать, что не менее интересными окажутся производные сульфаниламида с заместителями в амидной группе
Было синтезировано более 5000 соединений такого типа, однако лишь десяток из них проявили активность. Вот некоторые удачные примеры
Благодаря сульфаниламидным препаратам стали излечиваться такие ранее смертельные болезни как крупозное воспаление легких, заражение крови, стрептококковые ангины и др.
Конкуренцию сульфамидам составили и более того – потеснили их антибиотики, оказавшиеся еще более эффективными при лечении бактериальных болезней.
Интересен механизм действия сульфаниламидов.
Для нормальной жизнедеятельности организмов, в том числе и бактериальных, необходима фолиевая кислота, которую можно рассматривать как производную п-аминобензойной кислоты. Известно, что эта кислота является фактором роста бактерий. Сульфаниламид и п-аминобензойная кислота
настолько близки по своим геометрическим параметрам, что организм бактерий начинает создавать фолиевую кислоту на основе амида сульфаниловой кислоты. Однако последняя уже не является фактором роста, бактерии перестают размножаться и погибают.
Огромное достоинство сульфаниламидов заключается в том, что болезнетворные бактерии не могут к ним привыкнуть.
Между тем более эффективные и удачливые конкуренты сульфаниламидов – антибиотики обладают крупным недостатком: микроорганизмы со временем к ним привыкают. Поэтому приходится создавать все новые и новые виды антибиотиков.
Однако и сульфамидам присущи свои недостатки. Их подозревают в проявлении тератогенности. К тератогенам (от греческих слов teratos – чудовище и genes – рожденный) относятся вещества, вызывающие врожденные детские уродства.