Химическая технология органических веществ. Учебное пособие

Самый активный из сульфирующих агентов – свободный серный ангидрид. Рекомендовано применение комплексов серного ангидрида с некоторыми органическими веществами (пиридином, диоксаном и т.д.). Они оказывают более мягкое сульфирующее действие.

Сильным сульфирующим агентом является олеум, активность которого возрастает с повышением концентрации избыточного серного ангидрида. Менее энергична серная кислота, так как при её взаимодействии с ароматическими веществами выделяется вода, тормозящая процесс сульфирования. По этой причине при сульфировании серной кислоты обычно необходима повышенная температура (80 – 100°С и выше), в то время как олеум и серный ангидрид активны при комнатной и более низких температурах.

Сульфирование ароматических соединений принадлежит к числу давно известных и хорошо изученных процессов органической химии, близких к процессам нитрования, аминирования и хлорирования этих соединений.

Механизм и кинетика реакций сульфирования

Реакция сульфирования ароматических соединений, подобно их хлорированию и аминированию, принадлежит к числу типичных процессов электрофильного замещения в ароматическом ядре. Однако исследование механизма затруднено вследствие сложного состава реакционных растворов. Имеются показания, что природа электрофила может изменяться от реагента к реагенту, хотя во всех случаях в атаке участвует SO3 либо в свободном виде, либо в комбинации с каким-либо носителем.

Существенным отличием этой реакции от других реакций электрофильного замещения является ее обратимость. Следует отметить, что в отсутствие воды обратимость практически не проявляется, так как константы скорости обратимых реакций на 5 – 6 порядков ниже констант скоростей реакций, ведущих к образованию целевых продуктов.

При сульфировании серным ангидридом или олеумом скорость реакции описывается уравнением:

W=K*[ArH]*[SO3]

21

При сульфировании серной кислотой наблюдаются более сложные закономерности, причем скорость сульфирования обратно пропорциональна содержанию воды:

W=K*[ArH]/[H2O]n

Считается, что агентом, непосредственно атакующим ароматическое ядро, является +SO2OH:

При сульфировании олеумом или серной кислотой реакционная масса является обычно гетерофазной, причем сама химическая реакция происходит в слое сульфирующего агента. Поэтому на общую скорость процесса влияет растворимость ароматического углеводорода в серной кислоте или олеуме, а также скорость диффузии и поверхность контакта фаз. Последние два фактора очень существенные при сульфировании олеумом, когда сама химическая реакция протекает быстро. Для процесса с серной кислотой химическая реакция является медленной стадией, определяющей скорость процесса.

22

В соответствии с уравнением (1) скорость реакции должна линейно зависеть от концентрации серной кислоты. Кинетика сульфирования показала, что в ряде случаев незначительное изменение концентрации серной кислоты приводит к резкому изменению скорости сульфирования. При разбавлении серной кислоты водой, которая выделяется в процессе реакции, скорость сульфирования может уменьшиться настолько, что реакция практически останавливается. Концентрация серной кислоты при сульфировании зависит от природы исходного сырья, числа вводимых сульфогрупп, температуры сульфирования и продолжительности реакции. Следует отметить, что на практике часто используют менее концентрированную серную кислоту, чтобы исключить побочные реакции.

Известно, что повышение температуры реакции приводит к увеличению скорости реакции в целом и скорости сульфирования в частности. При проведении сульфирования при более высокой температуре необходим меньший избыток серной кислоты. Но следует отметить, что в каждом случае существует допустимый предел температуры, при повышении которого возможны нежелательные побочные реакции, так как при этом следует знать, что серная кислота, серный ангидрид и особенно олеум являются сильными окислителями.

Сульфирование бензола и его производных

Сульфирование ароматического ядра представляет собой последовательно-параллельный процесс, при котором можно ввести одну за другой две или более сульфогрупп:

SO3H

23

Вторая стадия протекает много медленнее первой и требует более жестких условий. Поэтому при получении моносульфокислот возможно образование побочного дизамещенного продукта. Под действием серного ангидрида и олеума возможны и другие побочные процессы, в частности получение сульфонов:

2ArH + 2SO3 ArSO2Ar + H2SO4

Другая побочная реакция – это образование ангидридов сульфокислот:

2ArSO2OH + SO3 (ArSO2)2O + H2SO4

Полученные ангидриды при нагревании с небольшим количеством воды или 92 – 96 %-ной серной кислотой могут быть превращены в сульфокислоты:

(ArSO2)2O + H2O 2ArSO2OH

Возможны также нежелательные побочные реакции окисления, отщепления алкильных групп и др. Образование побочных продуктов можно уменьшить, понижая температуру, применяя растворители, изменяя порядок смешения компонентов.

Присутствие в молекуле бензола электронодонорной метильной группы, обладающей положительным индукционным эффектом, увеличивает электронную плотность в бензольном кольце, в основном в орто-, пара-положениях. Это приводит к легкому сульфированию толуола по сравнению с бензолом. Так, скорость сульфирования толуола 91 %-ой серной кислотой в 30 раз, а 79%-ой в 110 раз выше скорости сульфирования бензола в соответствующих условиях.

24

SO3H

Сульфирование фенола, аналогично толуолу, идет в мягких условиях. Этому способствует то, что гидроксильная группа электронодонорная обладает отрицательным индукционным и сильным положительным мезомерным эффектами, в связи с чем увеличивается скорость сульфирования в орто-, пара-положениях:

SO3H

При осуществлении реакции сульфирования фенола при комнатной температуре образуется преимущественно орто-изомер, при 100°С – пара-изомер.

Введение в молекулу бензола атома хлора, обладающего сильным отрицательным индукционным эффектом и несколько меньшим положительным мезомерным эффектом, приводит к понижению электронной плотности в бензольном кольце в метаположении и увеличению – в орто- и пара-положениях. Но сульфирование в данном случаи протекает с меньшей скоростью, чем, например, в случае бензола. Сульфирование ведут поэтому моногидратом или олеумом при температуре 80 – 100 °С. При этом образуется только n-хлорбензолсульфокислота.

25

H2SO4

SO3H

Нитробензол, например, как и следовало ожидать, сульфируется труднее, чем бензол, толуол, хлорбензол. Наличие сильной электроноакцепторной нитрогруппы понижает электронную плотность на бензольном кольце, что уменьшает скорость электрофильного замещения.

H2SO4

SO3H

Для сульфирования нитрозамещенных используют олеум, температуру 100 – 110 °С.

Практическое использование сульфопроизводных как лекарственных препаратов

Многие вещества, содержащие сульфогруппы, обладают широким спектром биологической активности. Гепарин - специфический гетерополисахарид, припятствующий свертыванию крови человека. С другой стороны, были специально синтезированы вещества, регулирующие свертываемость крови. Так препарат тромбовар («Децилат») является эффективным средством для лечения варикозного расширения вен. Многие вещества, содержащие сульфогруппу, обладают сильным

26

антимикробным действием. Высокой биологической активностью обладают сульфированные полисахариды. Например, декстрансульфат активирует ряд ферментов, обладает иммунорегулирующими свойствами. Особое значение в синтезе химико-фармацевтических препаратов имеет реакция сульфохлорирования, приводящая к образованию важнейших промежуточных препаратов в производстве сульфаниламидных препаратов – арилсульфохлоридов (Ar SO2 Cl).

Сульфокислоты являются промежуточными веществами в синтезе ряда химико-фармацевтических препаратов: антуран, сульфодиамин, диазолин, анальгин и др. В ряде случаев сульфогруппы входит в состав лекарственного препарата, придавая ему большую растворимость в воде, что создает предпосылки для получения инъекционных лекарственных форм.

2.3 Галогенирование ароматических углеводородов

Галогенирование органических соединений – это введение атома галогена (Hal) в молекулу с образованием связи С-Hal. Методов галогенирования много. Целесообразность применения того или иного метода зависит от природы галогена, субстрата, вводимого галогена (фтор, хлор, бром, йод). Ароматические соединения в принципе способны к трем различным химическим превращениям под действием свободных галогенов: присоединению галогена по ароматическим связям, замещению атомов водорода в ароматическом ядре, боковой цепи:

27

Кинетические исследования показали, что скорость реакции выражается следующим уравнением:

W=k*[MeCln]*[ArH]*[Cl2]

Это вполне соответствует изложенному механизму.

Аналогично протекает катализ другими кислотами Льюиса, а также серной кислотой и йодом:

В последнем случае при использовании каталитических количеств йода идет хлорирование, так как образуется катион Cl+, а при соотношениях, близких к эквимолекулярным – иодирование, так как образуется I+.

29

Схожие процессы возможны также при каталитическом бромировании и иодировании. Однако достаточных оснований для утверждения, что I + и Br+ являются основными галогенирующими агентами, нет. При использовании таких сильных кислот Льюиса, как AlBr3, равновесие смещено в сторону образования Br+:

Для менее активных катализаторов, как, например, FeBr3, следует предположить, что основной бромирующей частицей является поляризованный комплекс, а образование катиона Br+ идет в незначительной степени:

Из реакций прямого галогенирования ароматического ядра практичски используется хлорирование и бромирование. Прямое фторирование не используется вследствие очень высокой экзотермичности процесса. Иодирование же идет очень вяло и требует активации. Кроме того, реакция иодирования обратима, и для смещения динамического равновесия в сторону образования целевого продукта иодирование часто ведут в присутствии окислителей.

Радикально-цепные реакции хлорирования ароматических соединений

Радикально-цепные реакции ароматических соединений могут протекать по трем разным направлениям: замещение в ядро, замещение в боковую цепь и присоединение:

30