（化学工程专业论文）间甲氧基苯磺酰氯合成工艺研究.pdf

摘要 有机中间体是重要的精细化学品，而用作染料及医药中间体间甲氧基苯磺酰 氯现有合成工艺复杂，收率较低，限制了它的进一步应用和发展。 本文研究了以间氨基苯磺酸为原料，通过重氮化、重氮盐水解、甲基化及氯 磺化过程制取间甲氧基苯磺酰氯的工艺，在最佳工艺条件下，各步反应总收率 7 4 2 7 ，产品纯度9 8 0 6 ，纯收率达7 2 8 3 ，较文献值增加了2 4 4 4 。 通过正交试验与单因素考核，确立了间甲氧基苯磺酰氯合成最佳工艺条件， 即：重氮化用硫酸与间氨基苯磺酸摩尔比为3 0 ：1 0 ，重氮化反应时间为2 h r ， 重氮化温度为9 c ，亚硝酸钠与间氨基苯磺酸的摩尔比为1 0 5 ：1 0 ，间氨基苯磺 酸的浓度为1 3 9 摩尔升，重氮化硫酸浓度为7 5 ) ；水解温度为9 0 c ，水 解用稀硫酸浓度1 0 ( 州) ，水解反应时间为2 h r ；甲基化反应温度为8 5 ，硫 酸二甲酯与间羟基苯磺酸的摩尔比为1 0 ：1 0 ，氢氧化钠与间羟基苯磺酸的摩尔 比为1 2 0 ：1 0 0 ，反应时间为3 h r ；氯磺化温度为7 5 ，氯磺酸与间甲氧基苯磺 酸钠的摩尔比为6 0 ：1 0 ，氯化亚砜与间甲氧基苯磺酸钠的摩尔比为3 0 ：1 0 ， 氯磺化反应时间为3 h ，水解温度5 c ，水解稀硫酸浓度7 5 ) 。 研究了基于过量溴代法的间羟基苯磺酸化学分析方法，基于蔡赛尔法 ( z e i s e l ) 的间甲氧基苯磺酸钠的化学分析方法以及基于银量法的间甲氧基苯磺 酰氯的分析方法。 关键词间氨基苯磺酸间甲氧基苯磺酰氯 重氮化水解甲基化氯磺化 幕謦竹葶”“黟静 a b s t r a c t o r g a n i c i n t e r m e d i a t ei sa ni m p o r f a n tf i n ec h e m i c a is u b s t a n c e ，t h et e c h n o i o g yo fb e n z e n e s u l f o n y l c h l o r i d em m e t h o x y , u s e dt om a k e d y e s t u f f a n dm e d i c i n ei n t e r m e d i a t ec o m p o s i t i o n ，i sc o m p l e xa n dl e s sy i e l d ，w h i c hh a v e r e s t r i c t e d i t sa p p l ya n dd e v e l o p m e n tf u r t h e l t h i s p a p e r h a ss t u d i e do nt h es y n t h e s i so fb e n z e n e s u l f o n y l c h l o r i d e m m e t h o x y , t h r o u g hd i a z o t i z a t i o n ，h y d r o l y s i s ，m e t h y l a t i o na n d c h l o r o s u l f o n a t - i o np r o c e s s ，m a m i n o b e n z e n e s u l f o n i ca c i da sr a w m a t e r i a l i nt h eo p t i m a lc o n d i t i o n ，t h et o t a ly i e l da t t e n d st o7 4 2 7 ，t h ep u r i t yi s9 8 0 2 ，a n dt h ep u r e y i e l d i s 7 2 8 3 ，c o m p a r e d w i t ht h el i t e r a t u r ev a l u e ，t h ey i e l di n c r e a s e s 2 4 4 4 i nt h e p a p e r , b y t h em e a n so fo r t h o g o n a l i t ye x p e r i m e n ta n df a c t o rc h e c k i n g ， t h eo p t i m a lt e c h n i c a lc o n d i t i o n so fb e n z e n e s u l f o n y lc h l o r i d em - m e t h o x y a r ea s f o l l o w s ：t h eu s a g eo fv i t r i o l ：m a m i n o b e n z e n e s u l f o n i ca c i di s3 0 ：l ( m o lr a t i o ) ， t h eu s a g eo fs o d i u mn i t r i t e ：m a m i n o b e n z e n e s u l f o n i ca c i di s1 0 5 ：1 ( m o lr a t i o ) ， r e a c t i v e t e m p e r a t u r ei s 9 c r e a c t i v et i m ei s2 h o u r s 。t h ec o n c e n t r a t i o no f d i a z o t i z a t i o n v i t r i o li s 7 5 ( w t ) ；h y d r o l y s i st e m p e r a t u r e i s 9 0 ，t h e c o n c e n t r a t i o no fd i l u t e dv i t r i o li s10 a n dt h eh y d r o l y s i st i m ei s1h o u r ；d u r i n g t h ec o u r s eo fm e t h y l a t i o n ，t h eu s a g eo fd i m e t h y ls u l f a t ei s1 0 0 ( m o lr a t i o ) ，t h e u s a g e o f s o d i u mh y d r o x i d ei s1 2 0 ( m o lr a t i o ) ，m e t h y l a t i o nt e m p e r a t u r ei s8 5 ( 2 ， t h er e a c t i v et i m ei s3 h o u r s ；d u d n gt h ec h l o r o s u i f o n a t i o n ，t h eu s a g eo fc h r o l o s u l h a n i ca c i di s 6 0 ( m o lr a t i o ) 。t h eu s a g eo ft h o i n l yc h l o r i d e i s 3 0 ( t o o lr a t i o ) ， r e a c t i v et e m p e r a t u r el s7 5 。r e a c t i v et i m ei s3 h o u r s t h eh y d r o l y s i st e m p e r a t u r ei s5 a n dt h ec o n c e n t r a t i o no fd i a z o t i z a t i o nv i t r i o l i s7 5 ( 、j l ，c ) t h em e t h o d so fc h e m i c a la n a l y s i so fm h y d r o x y b e n z e n e s u l f o n i cs o d i u m ， m - m e t h y o x y b e n z e n e s u l f o n i cs o d i u m ，t h eb e n z e n e s u l f o n y lc h l o r i d em m e t h o x y h a v eb e e ne s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：m - a m i n o b e n z e n e s u l f o n i c a c i d ，b e n z e n e s u l f o n y l c h l o r i d e m m e t h o x y , d i a z o t i z a t i o n ，h y d r o l y s i s ，m e t h y l a t i o n ，c h l o r o s u l f o n a t i o n 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 项目研究背景 染料及其中间体是重要的精细化学品，它们的制造技术都是企业的诀窍。从目 前掌握的各国部分染料及中间体的单耗分析，生产染料及中间体的技术差距是明 显的，西方染料公司比较注重新染料品种开发和技术创新，奢望长期控制世界染 料市场。因此对于染料及其中间体合成的探索具有更积极的现实意义。 。廖甲氧基苯磺酰氯，c a s 登录号1 0 1 3 0 - 7 4 - 2 ，分子式c 7 h 7 c 1 0 3 s ，结构式 r ，英文名称为b e n z e n c s u l f o n y lc h l o r i d em m e t h o x y ，分子量为2 0 6 6 4 ， j - s o ，c l 沸点为1 2 8 5 1 2 9 c ，是一种应用于染料及医药领域的有机中间体，是合成磺酰 胺、硫醇、芳磺酸酯等产品的重要中间体，还可用于磺酰肼类高分子材料发泡剂 的制各。 由于该物质的传统合成工艺复杂，产率低1 2 ( 文献值为4 8 3 9 ) ，国内在该产 品的合成上未能工业化，主要依赖进口。同时，对于有机合成单元操作，如重氮 化、羟基化、烷基化、氯磺化、还原等工艺，无论在工艺路线及参数控制上都需 要进行变革。 因此，开展对间甲氧基苯磺酰氯合成新工艺的研究不仅能形成一套适宜工业化 的工艺路线，还对染料中间体的合成具有积极的现实意义和广阔的市场前景。 1 2 合成机理 本文查阅了大量的文献资料，并采用官能团转换( f g i ) 方法对间甲氧基苯磺 酰氯的合成进行分析，并提出了新的思路。 间甲氧基苯磺酰氯主要由两个官能团构成，分别为甲氧基( o c h 3 ) 与酰氯 ( 一s 0 2 c 1 ) ，由于甲氧基为邻对位定位基团，采用苯甲醚直接氯磺化产物为对甲氧 基苯磺酰氯 3 1 ，必须通过其他官能团进行转化才能制得苯甲醚的间位磺酰氯。因 此，必须了解对苯环上甲氧基基团的制备和苯磺酰氯基团的获得有详细的了解， 才能对间甲氧基苯磺酰氯的合成工艺有所创新。 下面针对甲氧基和氯磺化两个过程的机理作详细的叙述。 1 2 1 苯环上的甲氧基化过程 第一章文献练述 芳醚的制备一般可采用烷氧基化和酚烷基化( 即o 烷基化) 两种合成思路， 芳环上的取代基( 主要为氯原子和硝基) 被苯烷氧基所置换的反应叫做烷氧基化 反应；而o 一烷基化则是通过相应的酚类与烷基化试剂反应得到相应的烷氧基化合 物。 1 2 1 1 烷氧基化方法1 3 , 4 , 5 】 苯环上的烷氧基一般有两种方法：卤素原子在烷氧基化试剂作用下置换为相 应的烷氧基化物；硝基被烷氧基化试剂置换目标烷氧基化合物，烷氧基化试剂通 常是醇或酚的碱金属盐。近年来对这以类型反应的研究较多，并引入了许多合成 新技术，如相转移催化、微波照射等，使反应条件温和、速度加快、收率提高。 ( 1 ) 氯原子置换为烷氧基 芳环上的氯原子会被亲核基团所活化( 如硝基、磺酸基等) ，使氯原子的活性 得到相应的提高，被烷氧基置换的反应也更易进行。这种反应一般在碱性试剂存 在的条件下( 如n a o h 、k o h 等) ，用醇作用于芳香族氯代衍生物来完成，其反 应机理如下所示： a r c i + k o h + n a o h a r o r + n a c i + h 2 0 芳香族氯系衍生物与下列平衡反应所生成的醇钠反应： r o h + n a o h r o n a + h 2 0 由于存在上述平衡，当反应系统有水时，平衡向左移动，所以芳香族氯代衍 生物在反应中除了生成相应的烷氧基化物外，还会副产少量的酚类。 烷氧基过程加入相转移催化剂( 常为季铵盐) 可大大减少醇的用量，缩短反 应时间，并使反应能在常压下进行。相转移催七t 6 ( p h a s e t r a n s f e rc a t a l y s i s ，简写 p t c ) 技术，是1 9 7 1 年发展起来的有机合成方法，大量原先速度很慢或需苛刻条 件的反应，在相转移催化剂作用下可在缓和的条件下，高收率地完成。季铵盐( c 崃) 是一种重要的相转移催化剂( p h a s et r a n s f e rc a t a l y s t ，亦简写p t c ) ，其分子结构中 具有双亲基团，换言之，既有可溶于有机相的基团，又有可溶于水的基团。例如 在对硝基苯甲醚合成反应中，甲醇与氢氧化钠先反应生成亲核试剂c h 3 0 n a ，然 后催化剂与水相中的亲核试剂形成离子对q + c h 3 0 ，使原来不溶于有机相的亲核 试剂进入有机相，与有机相中的反应物生成产物，反应后离去的基团与q + 又结合 成离子对，返回水相。循环此过程就实现了两相间的转移。其相转移催化过程见 第章文献综述 图1 1 所示。 q + x + r o n a ；= q + o r 一+ n a c i 塑 ij i 有机相 | | q + x +r o a r ；= q + o r - + a r c i 图1 1 相转移催化反应示意图 在水相中存在着n a + o h 。和n a + c h 3 0 ，它们与q + x 进行离子交换可生成q + o h 。 和q + c h 3 0 ，但根据皮尔逊( p e a r s o n ) 软硬酸碱理论，软酸易与软碱反应，因q + 是一个长碳链，所以它是一个较软的酸，而o h 相对于c h 3 0 。则是一个较硬的碱， 所以q + 对c h 3 0 的选择性要比对o h 。的选择性大得多，因此它主要和c h z o 。形成 离子对。这样就使得水相中副产物苯酚钠类物质的生成甚微。 如果芳环上没有使氯原子活化的吸电子基团时，氯原子很难被烷氧基置换， 但若采用冠醚( 1 8 冠6 ) 、t d a i ( 三- 3 ，6 二氧( 杂庚基) 1 胺作相转移催化剂可 使反应顺利进行。过渡金属n 络合物可使无活化基团的芳香卤化物活化，进行烷 氧基化时，其反应条件几乎与含强吸电子基团的芳香卤化物相同。由于烷氧基负 离子的亲核性大于羟基负离子，因此在非质子传递极性溶剂( 如六甲基膦酰胺 h m p a 、d m f 、d m s o 等) 中烷氧基反应可在缓和的条件下完成。 ( 2 ) 硝基置换成甲氧基 芳环上的甲氧基可采用相应的芳香族硝基化合物，在非质子有机溶剂( 如 d m f 、d m s o 、h m p a 等) 中和甲醇或甲醇钠反应制备得到甲氧基芳环化合物【7 】。 有专利报道，间二硝基苯与甲醇钠在氯苯溶剂中在8 0 1 2 反应1 2 0 h 并无产物生成， 加入相转移催化剂仅需6 m i n 即可快速转化为间硝基苯甲醚，收率8 1 。 芳香族硝基化合物也可采用相转移催化1 8 , 9 使硝基置换成相应的烷氧基化合 物。 此外，在醇与碱式碳酸盐 1 0 , 1 1 1 ( 如k 2 c 0 3 ) 混合烷氧基化试剂存在下，也可 发生硝基置换成烷氧基的反应。 1 2 1 2 酚烷基化方法 对于难以制得相应氯代衍生物的物质，其烷氧基化合物难以通过烷氧基化的 方法直接获得，需要采用酚烷基化( o 烷基化) 的合成路径。由于芳环上羟基活 第一章文献综述 性一般，多采用活泼的烷基化试剂，如氯甲烷、硫酸酯、及环氧乙烷等，一般不 采用甲醇等弱烷基化试剂。 ( 1 ) 用卤烷的酚烷基化 此类反应较易进行，一般只需将所用的酚溶解于稍过量的碱( n a o h 、k o h ) 溶液中，然后在不太高的温度下加入适量的烷基化试剂，如氯甲烷( 由于其沸点 低于常温，需在耐压设备中进行) 、溴甲烷、碘甲烷等，即可得到良好的结果，其 机理如下： r o + c h 3 x 一 r o c h 3 - x 】- - r o c h 3 + x - 该反应属一步历程，但叔丁基化时则按照s n l 历程进行。 相转移催化方法在0 烷基化反应中同样得到人们的重视，它可降低反应温度 并缩短反应时间，常用的相转移催化剂为季铵盐、季膦盐和p e g 系列催化剂。 ( 2 ) 用酯的酚烷基化 1 2 , 1 3 】 硫酸酯及磺酸酯均是良好的烷基化试剂，在碱性催化剂存在条件下，硫酸酯 与酚在室温下即能顺利反应，并以良好的产率生成相应的烷氧基化物，硫酸二甲 酯在烷化过程中的机理如下所示： r o n a + ( c h 3 0 ) 2 s 0 2 一r o c h 3 + c h 3 0 s 0 2 0 n a r o n a + c h 3 0 s 0 2 0 n a r o c h 3 + n a 2 s 0 4 第一步反应活性很高，可以在1 0 0 以下进行，硫酸甲酯的活性l l - - 甲酯低很 多，第二步需在较高的温度下才能进行。 除硫酸酯、磺酸酯外，草酸二烷酯、羧酸酯等也可作烷基化试剂。 1 2 2 苯环上的氯磺化过程1 4 】 芳烃与氯磺酸反应得到苯磺酰氯衍生物，反应分两步进行，首先生产磺酸， 然后进一步与第二分子氯磺酸作用生产磺酰氯，这两步成为苯环的氯磺化过程， 其机理如下： a r h + c 1 s 0 3 h a r s 0 3 h + h 2 0 ( i ) a r s 0 3 h + c 1 s 0 3 h a r s 0 2 c 1 + h 2 s 0 4( i i ) 即：a r h + 2 c i s 0 3 h a r s 0 2 c 1 + h 2 s 0 4 + h c l 理论上合成一分子磺酰氯需消耗2 分子氯磺酸，由于第1 i 步为可逆反应，实 际上氯磺酸需过量。除去产生的h 2 s 0 4 可使平衡向右移动，提高产率，因此在氯 第一章文献综述 磺化过程中，加入氯化钠使h 2 s 0 4 转变为硫酸氢钠与氯化氢，减少氯磺酸的用量。 加入惰性溶刘同样可以减少氯磺酸的用量。由烷氧基苯衍生物制取磺酰氯时，为 避免烷氧基的脱落，要求在较低的反应温度下进行反应。 氯磺化的第1 i 步为氯置换反应，除了氯磺酸，其它强氯化剂如s o c l 2 、p c i 5 等也可进行这种置换。 a r s 0 3 h + s o c l 2 一a r s 0 2 c i + h c l + s 0 2 a r s 0 3 h + p c i 5 一a r s 0 2 c i + h c i + p o c l 3 近几年来，通过对氯磺化反应的进一步研究发现，排除氯磺化反应系统中的 h 2 s o 一是提高产物收率的主要问题。硫酸与氯化亚砜有如下反应： h 2 s 0 4 + s 0 1 1 2 一h s 0 3 c 1 + h c i + s 0 2 因此，在氯磺化过程中滴加s o c l 2 1 5 1 能使收率明显增加。水的生成可导致 h 2 s 0 4 含量加大，在反应系统中加入五氧化二磷1 6 1 ，以排除反应中生成的水，降 低h 2 s 0 4 在反应中的浓度，其效果极为显著。 1 _ 3 闻甲氧基苯磺酰氯合成工艺 按照烷氧基化及氯磺化方式的不同，间甲氧基苯磺酰氯的合成工艺大致可有： 基于于酚羟基烷基化的合成工艺：基于卤原子烷氧基化的合成工艺以及基于硝基 烷氧基化的合成工艺。 1 3 。1 基于酚烷基化的合成工艺 据文献报道1 2 1 ，间甲氧基苯磺酰氯的合成工艺路线为：以间氨基苯磺酸为起 始物，和亚硝酸盐在0 - - 5 c 条件下进行重氮化反应，所得重氮盐水解后再与硫酸 二甲酯在碱性条件下甲基化，将所得物进行干燥后与p c i 5 回流，用苯萃取反应产 物并脱除溶剂，得到间甲氧基苯磺酰氯，机理如下： n 心 n # s o ,o h o c 心o c h 。i n e n o 儿$ 0 4 国。吼产 。q 器。叩 该工艺具有原料来源简单，操作便利，成本低廉的优点，但其步骤多，收率 低，而且产生大量的三废，环境污染较严重，必须对其进行进一步优化。 分析该工艺可知，其关结点在于间羟基苯磺酸的合成及其酚甲基化以及间甲 氧基苯磺酸钠的氯磺化。因此，分别对间羟基苯磺酸的合成及其酚甲基化，间甲 第一章文献综述 氧基苯磺酸钠的氯磺化展开研究。 1 3 1 。l 间羟基苯磺酸合成工艺 间羟基苯磺酸【1 7 】，c a s 登录号5 8 5 3 8 6 ，分子式c 6 h 6 0 4 s ，分子量1 7 4 0 ，易 溶于水、乙醇，其二水结晶物为针状晶体。是一种有用的医药、染料中间体。目 前，国内尚无生产。 根据文献资料报道，间羟基苯磺酸的合成方法有以下两种： ( 1 ) 以间苯二酚1 8 1 为原料，经亚硫酸氢钠磺化得到间羟基苯磺酸： o ho h o h o h 十州s 岛詈弛n 臼。q h ( 2 ) 以间氨基苯磺酸【1 9 2 0 1 为原料，经重氮化、水解制得间羟基苯磺酸： n a , n 2 h s 0 4o h 吼q 蛾产 她h 路线1 原料价格高，中和过程产生大量有毒的s 0 2 气体。收率低( 2 6 5 3 ) ， 不适宜工业化生产。路线2 原料易得、价格低廉，工艺简单，是一种具有良好工 业前景的合成路径，但也存在水解过程副反应多，收率不高等不足。因此，必须 对间氨基苯磺酸的重氮化，所得重氮盐在酸性条件下水解过程进行系统研究，得 到最佳工艺参数。 1 3 1 2 重氮化反应 ( 1 ) 概述 伯胺与亚硝酸作用生成重氮盐的反应成为重氮化反应。由于亚硝酸很不稳定， 般采用亚硝酸钠为反应试剂，向反应介质中添加适量盐酸或硫酸，使生成的亚 硝酸立即与胺发生反应而不至于分解。通常进行重氮化的胺为伯胺，脂肪胺虽也 能进行重氮化反应，但所生成的重氮盐稳定性较差，实用价值远远低于伯胺的重 氮化。被用于重氮化的芳伯胺品种范围极广，包括苯系、萘系、杂环系等含有不 同官能团的芳胺或者芳二胺衍生物。 自18 5 8 年p e t e rg r i e s s 首先由2 ，氨基。4 ，6 二硝基苯酚与亚硝酸反应合成得到 第一个重氮化合物以来人们对重氮化方法、重氮化反应理论、重氮盐的性质及用 途进行了大量的研究开发工作，已被广泛应用于精细化学品的开发。 第一章文献综述 重氮化合物是一类化学性质十分活泼的化合物，随外界的条件改变可有多种 不同结构形式。例如，在酸性介质中通常以重氮盐的形式存在，可作为亲电试剂 与另一电子富有的化合物( 通常称作偶合组分) 发生偶合反应，得到偶氮化合物。 这一反应在染料工业中占有举足轻重的作用。此外，重氮盐还可以还原成芳肼， 置换为羟基、氢、卤素及氰基等多种官能团。因此，重氮化合物在有机合成，特 别是芳香族化合物的合成中占有举足轻重的作用。 ( 2 1 重氮化合物的反应 重氮化合物的反应可分为保留氮原子、释放出氮原子和保留重氮基三种类型。 它易发生亲电取代反应( 常为偶合反应) 、亲核取代反应、游离基反应、光化反应 等类型反应。 1 1 偶合反应 偶合反应是重氮盐反应中最重要的反应，在染料工业中占有重要地位。重氮盐 可以和各种酚类或芳胺发生亲电取代反应生成偶氮化合物，偶合反应属于s e 2 亲 电取代历程，与重氮化反应比较，偶合反应速度慢的多。近年来，有不少将相转 移催化技术应用于偶合反应的报道。所用的相转移催化剂有对十二烷基苯磺酸钠 ( d b s ) 、十二醇聚氧乙烯醚( n = 6 ) 等，常用溶剂为二氯甲烷。 2 1 亲核取代反应 由重氮基脱氮向芳环上引入亲核基团的反应，随所选试剂和条件的不同，可在 中间阶段形成芳正离子或芳游离基。前者属于s n l 历程，后者属于s n 2 历程。 在水、醇介质中，或盐酸水溶液中，当无还原剂存在时，重氮基的取代为s s l 历程。以苯胺的重氮盐为例，其反应历程为： 步骤l 步骤2 其中y = o h 、o r 、c 1 、b r 、f 、c n 、n 3 按s n l 历程进行的证明是：( 1 ) 反应速度对重氮盐浓度为一级，而与y 的浓 度无关；( 2 ) 当加入高浓卤化物时，得到的是芳卤化物，但反应速度与所加入卤 化物的浓度无关。 第一章文献综述 另一种重氮基亲核取代历程则认为是由重氮正离子与碱( y ) 相互作用，形 成热力学循环，其中包括；( a ) 离子分子化；( b ) 氧化还原二聚；( c ) 游离基岐 化作用，如图1 2 所示。 y 心 1 2 ( a r n 2 ) 2 + 1 2 y 2 ；兰a r n 2 y 图1 - 2 重氮基亲核取代历程 3 ) 游离基反应 在酸性溶液中重氮盐是离子化的，其反应为极性反应，在发生断键时得到芳正 离子；然而在中性或碱性溶液中，重氮盐则先转化为共价化合物，在断键生成游 离基。 a l l - n 2 十+ a r _ n = n z ，a r + n ，+ z 例如，重氮盐进行的芳基化即为游离基历程。在重氮盐中加入适量的还原剂 ( 如c u 、z n 、t i c l 3 ) 是获得芳游离基的重要手段。在卤化亚铜存在下使重氮基 置换成氯或溴的反应就是人们所熟悉的桑德迈耶反应( s a n d m e y e r r e a c t i o n ) ，便属 于游离基历程。 a r _ n 2 十x 。+ c u x - - - a r + n 2 + c u x 2 a r + c u x 2 卜a r x + c u x ( x = c l 、b r ) 第一步是亚铜离子还原重氮离子生成芳游离基，第二步是芳游离基从高价卤化 铜中夺取卤原子，同时时高价铜又还原再生为卤化亚铜。 4 1 光化反应 反式重氮磺酸盐是稳定的，在光的作用下它可转变成不稳定的顺式，后者快速 解离而得到重氮盐。 q ，- 一一a 岛两。k s 0 3 n an a 0 ，s 一“4 +n a 第一章文献综述 芳环上存在供电子基团可以加速重氮化合物的光分解反应；而存在吸电子基团 则使光化分解反应减慢。 ( 3 ) 重氮化试剂 重氮化反应的第一步是在伯胺的氮原子上引入亚硝基，即发生n 亚硝化反应。 最常用的重氮化试剂是亚硝酸钠和盐酸( 或氢溴酸) ，以及亚硝酸钠与浓硫酸，有 时也在有机溶剂中进行反应，采用亚硝酸烷酯或四氧化二氮作重氮化试剂。有机 溶剂有甲醇、丙醇、乙腈、乙酸乙酯等，但实际应用不多。 按照芳胺的结构和性质，分别选用不同的重氮化试剂，这些试剂的活泼顺序 是： n o + h 2 0 - n o c 1 - n o b r - n o o n o - n o ( n 2 0 3 1 a c o - n o h o - n o ( 4 ) 重氮化反应历程 重氮化反应体系通常在酸性溶液中进行，人们普遍认为受到攻击的实际质点 并非胺盐，而是存在于溶液中的游离胺。在稀酸中的亲电攻击质点是n 2 0 3 ，它可 看作是n o + 的载体。动力学研究证明，反应速度对亚硝酸的浓度为二级，当酸的 浓度足够低时，胺的浓度与反应速度无关。在此条件下的重氮化反应历程如下： 步骤12 h o n o j n 2 0 3 + h 2 0 h 步骤2 a r n h 2 + n 2 0 3 _ a 一+ 一n = o 一1 + n 0 2 - h h 步骤3a 卜- n = 0 1 二鲢二，a 卜_ 一_ _ - n = 0 1 由一一由一一 八 步骤4 舡七翌2 0 一1 一舡坷= 江棚 a 步骤5a 亲晶j 。m 矗兰雨+ h o 在上述反应历程中，一般的重氮化反应过程中，步骤1 是反应速度控制阶段， 亲电攻击试剂是n 2 0 3 ，步骤4 、步骤5 通常认为是快过程，不影响总的反应速率， 步骤2 、步骤3 在部分反应中也作为控制步骤，且步骤2 通常被认为是可逆过程 ( 5 ) 重氮化方法 第一章文献综述 在进行芳胺重氮化时，以下几点具有共性： 1 1 所用原料应纯净且不含异构体，颜色稍深则影响不大，原料中含有无机盐 ( 如氯化钠等) 对反应影响较小； 2 ) 由于重氮化反应是定量进行的，亚硝酸钠用量及纯度均有很大影响，必 须进行纯度分析和精确计量； 3 ) 重氮化反应是放热反应，无论是间歇法还是连续法，强烈搅拌都是必需 的，以利于传质和传热； 4 ) 重氮化合物对光和热不稳定，因而必须防止受热和避免光照。 在制取重氮盐时，无机酸的用量必须过量。这是因为当酸量不足时，生成的 重氮盐能与尚未发生反应的游离胺相互作用，得到重氮氨基化合物。此外，在大 量无机酸的存在下，可提高重氮盐的稳定性。 通常，间歇重氮化反应按照以下方式进行，即先将芳胺溶解于过量稀的无机 酸中，在冷却( 一般o 5 ，对较稳定的重氮化合物允许在2 0 以下反应，部分 可达3 0 。c ) 及强烈搅拌下，慢慢加入定量的亚硝酸钠溶液，要求反应液中始终保 持有微过量的亚硝酸) 采用淀粉一碘化钾试纸检测反应终点。到达终点后，加入适 量尿素或氨基磺酸破坏反应液中剩余的亚硝酸。反应式如下： h 2 n c o n h 2 + 2 h n 0 2 - c 0 2 + 2 n 2t + 3 h 2 0 h 2 n s 0 3 h + 酬0 2 一h 2 s 0 4 + n 2f + h 2 0 此法通常称作正加法或顺加法，对于环上不含较多强吸电子基团的芳胺，如 苯胺、甲苯胺、硝基苯胺等，均可按此法进行重氮化，只是其中碱性较弱的芳胺 ( 如对硝基苯胺) 。溶解胺的酸的浓度应较大，加入亚硝酸钠的速度应较快，否则， 容易产生自偶合，生成副产重氮氨基化合物。 当环上存在磺酸基或羧基时，由于分子内的酸、碱基团的相互作用形成内盐， 难溶于水。一般时将等摩尔的芳胺磺酸( 或羧酸) 和亚硝酸钠的碱性水溶液( 常 为碳酸钠溶液) ，缓慢加到己预冷的无机酸中。通常将这种重氮化方法称作反加法。 ( 6 ) 重氮化过程初步操作 其过程大致如下：取一定量的间氨基苯磺酸溶于水中，加入一定量的氢氧化 钠( 或一定量的碳酸钠) 至溶液澄清后与亚硝酸钠混合，滴加到5 6 c 硫酸溶液 中后继续反应2 h ，加入少量尿素分解未反应的亚硝酸钠，得到间氨基苯磺酸的重 第一章文献综述 氮盐溶液加入到热的稀硫酸溶液中进行水解，得到间羟基苯磺酸溶液。溶液用 n a o h 中和后得到问羟基苯磺酸钠溶液。 1 3 1 3 重氮盐水解过程 重氮盐在酸性介质中的水解是制取酚类的常用方法之一，其原理为： a r n r 2 啼a r n 2 + 卜a r o h + n 在没有还原剂存在时，重氮基置换为羟基的反应按进行：当加入铜的化合物 时，其反应历程与桑德迈耶反应历程相似。 在无还原剂存在的条件下，重氮基的水解是级反应，反应速度与o h 一浓度 无关。当以d 2 0 代替h 2 0 时，速度常数保持不变，表明它是s n 历程，即首先 脱去分子氮生成芳基正离子，而后与o h 一作用得到水解产物酚。该方法适用于通 过常规手段难以制得的酚。 1 3 1 4 间甲氧基苯磺酸钠合成工艺 ( 1 ) 概述 羟基、氨基、酰胺等宫能团上的氢被烷基取代的反应称为烷基化反应，被甲 基取代的反应称作甲基化反应。烷基化单元过程是合成醚类、仲胺、叔胺、季铵 盐等化合物的重要过程。在这里主要介绍合成醚类的过程。 ( 2 ) 烷基化试剂 取代型甲基化试剂有醇、醚、卤烷和强酸的酯，如c h 3 0 h 、c h 3 c 1 、( c i - 1 3 ) 2 s 0 4 等。这类甲基化试剂的反应能力取决于与烷基相连的离去基团。卤烷和强酸 的酯类是比酵活泼的烷化剂，因此当醇的烷化能力不能满足反应要求时，可以将 醇转化为卤烷或磺酸酯。此外还有加成型烷化剂( 如烯烃衍生物和环氧化物) 和 缩合还原型烷基化试剂( 主要是醛和酮) ，在此不详细叙述。 l l 用醇或醚进行烷基化 醇的烷化能力较低，只有在催化剂存在下反应才能顺利进行，而且用醇进行 的烷基化反应是可逆的。虽然醇的烷基化能力不如卤烷和强酸的酯，但其来源简 单，价格便宜，仍是常用的烷化剂。用醇可以进行气相烷化，也可进行液相烷化， 气相烷化大多采用连续工艺，雨液相烷化则多采用间歇操作。酚类采用醇做烷基 化试剂，催化剂通常采用浓硫酸。 2 1 用卤烷或酯进行烷基化 第一章文献综述 卤烷和酯类，特别是强酸的酯是比较活泼的烷基化试剂，由于它们常常是由 醇合成的，因此比相应的醇价格要高，常用于不太活泼的氨基或羟基的烷基化过 程。 由于氯甲烷常温为气体，适用不大方便，甲基化过程可采用硫酸二甲酯或对 甲苯磺酸甲酯，但其毒性较大，使用时要注意安全。 使用卤烷和酯类进行酚羟基的烷基化过程一般在碱性介质中进行。 f 3 ) 问羟基苯磺酸的甲基化过程 由于间羟基苯磺酸上的羟基活性一般，多采用活泼的烷基化试剂，如氯甲烷、 硫酸二甲酯，不采用甲醇等弱烷基化试剂。但氯甲烷由于沸点低于常温，需在耐 压设备中进行，对设备要求较高，而溴甲烷、碘甲烷等价格昂贵，因此，采用廉 价而易控制的硫酸二甲酯作为烷基化试剂。其合成机理如下： + ( c h 3 ) 2 s 0 4 n a o h s 0 3 h o c h 3 禽 夕止s 0 3 n a 其具体过程为：将一定量的间羟基苯磺酸钠溶液与定量的3 0 n a o h 溶液混 合后加热刘，滴加适量硫酸二甲酯后反应1 h ，反应终点p h 值控制在9 1 0 ，将溶 液蒸干后得到间甲氧基苯磺酸钠与硫酸氢钠、硫酸钠的混合固体，备作下步反应 用。 由于硫酸二甲酯具有强烈的致癌特性，有必要研究出一种高效、安全的烷基 化方法。碳酸二甲酯( d m c ) 【2 ”，毒性值与无水乙醇相近，于1 9 9 2 年通过了欧洲 非毒性化学品的注册登记，是一种重要的绿色化学品。由于d m c 具有环境友好 特性，近年来它的应用方面取得了迅速的发展。d m c 分子中含有碳基、甲基和 甲氧基，是一种可代替硫酸二甲酯和卤代烷进行甲基化的优良试剂，有必要对该 工艺进行详细的研究。 1 3 1 5 间甲氧基苯磺酰氯合成工艺 以间甲氧基苯磺酸钠为原料，以p c i 5 氯磺化试剂，回流状态下进行氯磺化， 得到闯甲氧基苯磺酰氯，其反应机理如下： o c h 3 s 。3 n a + p c i s 三 s 0 2 c i c | 3 es 。3 n a + 一l 少s 0 2 c i + a 3 州8 c 第一章文献综述 具体反应过程为：去一定量的间甲氧基苯磺酸钠干燥固体( 无水) ，与定量的 p c i 5 混合，磁力搅拌下回流反应1 h ，反应完毕后在1 1 0 下蒸去产生的p o c l 3 ， 所得固体倒入水中溶解，下层油状液体用苯萃取，萃取液用饱和n a h c 0 3 溶液洗 涤两次后蒸干溶剂，得到棕褐色油状液体间甲氧基苯磺酰氯( b p l 2 8 5 1 2 9 ) 。 由于采用p c i s 为氯磺化剂成本高，而且p c i 5 易潮解，释放出大量的氯化氢气 体，污染较大，面氯化亚砜价格较高。因此，采用氯磺酸1 2 2 】作为氯磺化试剂更适 应工业化生产，但未见该工艺的文献报道。 1 3 2 基于卤原子烷氧基化合成工艺 由于芳环上的氯原子口3 会被亲核基团所活化( 如硝基、磺酸基等) ，使氯原子 的活性得到相应的提高，被烷氧基置换的反应也更易进行。该工艺以间氯苯磺酸 为原料，在相转移催化剂作用下与甲醇钠在一定条件下反应得到间甲氧基苯磺酸 钠，干燥后与p c i 5 或氯磺酸进行氯磺化，产物用苯萃取，萃取液用饱和n a h c 0 3 溶液洗涤两次后蒸干溶剂。得到棕褐色油状液体间甲氧基苯磺酰氯( b p l 2 8 5 - 1 2 9 ) 。其合成机理为： 臼鸭h 州a 一 0 c 心o c q s 岛h 詈 s 叫 该工艺路线短，条件温和，产品品质高，具有良好的工业化前景。但其也存 在原料间氯苯磺酸外购困难的缺点。 1 3 3 基于硝基烷氧基化的合成工艺 芳香族硝基化合物在非质子有机溶剂( 如d m f 、d m s o 、h m p a 等) 中和甲 醇或甲醇钠反应可得到相应的甲氧基化合物，也可采用相转移催化使硝基置换成 相应的烷氧基化物。因此，间甲氧基苯磺酰氯的合成可以间硝基苯磺酸钠为原料， 与甲醇钠反应制各得到间甲氧基苯磺酸钠，然后进行氯磺化得到间甲氧基苯磺酰 氯的工艺，其合成原理如下： 鸭n a + 呲啪三 h s q c i - - - - - - - - - s 0 3 n a 或p c l 自s 0 2 c i 该工艺以间硝基苯磺酸钠( 防染盐s ) 为原料，与甲醇钠反应得到间甲氧基 呲q 第一章文献综述 苯磺酸钠，然后进行氯磺化得到间甲氧基苯磺酰氯，具有路线简单，原料价廉、 来源便利，工艺清洁等优点，是一种极具工业化前景的合成方法。 1 4 间甲氧基苯磺酰氯合成工艺述评 通过对间甲氧基苯磺酰氯的基于于酚羟基烷基化的合成工艺、基于卤原子烷 氧基化的合成工艺以及基于硝基烷氧基化的合成工艺的描述，可归纳出各工艺的 以下特点。 1 4 1 酚羟基烷基化工艺特点 通过对间甲氧基苯磺酰氯的合成工艺的比较，基于于酚羟基烷基化( o 烷基 化) 的合成工艺具有反应过程简单，原料价廉易得的优点，但其也存在不足，如 通过重氮化方法制备间羟基苯磺酸的工艺具有三废产生量大，路线过长，甲基化 所用硫酸二甲酯具有强烈的致癌性，重氮盐水解过程杂质较多，应对间羟基苯磺 酸的合成和甲基化过程进行进一步优化，以达到简单、清洁、高效的目标。 1 4 2 基于氯原子烷氧基化合成工艺特点 由于磺酸基对氯原子的活化使得其能在温和的条件下进行甲氧基化，而且该 工艺较酚羟基烷基化合成工艺反应步骤少。反应条件相对温和，产品品质高等优 点，具有良好的工业化前景。但其原料间氯苯磺酸外购困难，如果从苯磺酸氯化 起始，则相对于酚羟基烷基化合成工艺无优势可言。 1 4 3 基于硝基烷氧基化合成工艺特点 该工艺以间硝基苯磺酸钠( 防染盐s ) 为原料，具有路线简单，原料价廉、 工艺清洁等优点，是一种极具工业化前景的合成方法，其不足之处在于硝基活性 较低，一般要在非质子有机溶剂( 如d m f 、d m s o 、h m p a 等) 中才能顺利进行， 溶剂消耗量大，回收困难，应开展在相转移催化技术方面的研究。 1 5 小结 综上所述，在间甲氧基苯磺酰氯合成工艺研究中，应首先利用羟基烷基化工 艺技术成熟，路线简单，原料易得的特点，优化工艺参数。然后在完善羟基烷基 化工艺基础上深入开展以间硝基苯磺酸钠为原料的硝基烷氧基化工艺研究，确定 硝基烷氧基化过程的反应机理、动力学模型以及最优工艺参数组合，系统研究间 甲氧基苯磺酸钠的氯磺化过程，筛选出简单、高效、清洁的氯磺化试剂，建立适 宜工业化的间甲氧基苯磺酸的合成工艺。 1 4 第二章闻氨基苯磺酸重氮化反应研究 第二章间氨基苯磺酸重氮化反应研究 2 1 目的及意义 以间氨基苯磺酸为原料，在硫酸介质中进行重氮化，获取相应的重氮盐，是合 成间氨基苯磺酸重氮盐的简单方法。通过本章的研究，对比不同的重氮化工艺， 获得间氨基苯磺酸重氮化过程的温度、各物料间的t o o l 比、反应时间等主要参数 对反应的影响，并通过正交体系设计及各单因素的详细考核，获得相关工艺参数， 从而获得间氨基苯磺酸重氮化过程的最优工艺和工艺参数。 2 2 研究方案及装置 2 2 1 反应机理 以间氨基苯磺酸为原料，在酸性条件下与亚硝酸钠重氮化，得到间氨基苯磺酸 重氮盐，原理如下； f 2 h s 0 4 恤她要 s 0 3 h 溉z 。、，一 2 2 2 研究方案确定 由第一章1 3 1 2 节可知，原料间氮基苯磺酸中含有磺酸基，其不溶于反应用 酸中，且形成的是不溶的重氮盐内盐。因此，选择反加法的重氮化工艺，即先将 间氨基苯磺酸用定量的氢氧化钠溶液( 或碳酸钠溶液) 中和溶解后，再与亚硝酸 钠溶液混和，反加到冷却的酸中。 重氮化常用盐酸，但该步过程的后续反应为重氮盐在酸性条件下的水解，在下 步中存在c l 一的话会产生大量的氯代副产物，难以获得较高纯度的间羟基苯磺酸。 因此，重氮化用酸采用浓硫酸。 由于重氮盐的不稳定性，使得其分析存在较大误差，特别是气温过高时更严重， 而重氮盐水解产物间羟基苯磺酸的分析方法简单可靠。因此，改用获得的重氮盐 直接进行下步水解( 水解条件不变) ，分析所得的间羟基苯磺酸，从而获得反应正 交体系的数据。初步实验，采用固定水解条件水解温度8 0 c 、水解用稀硫酸浓度 1 0 、水解时间1 h 这个方法是可行的。 2 2 3 装置及方法 实验装置包含以下几部分：反应器；冷却系统；搅拌系统；加料系统及尾吸装 + h艿 第二章间氨基苯磺酸重氮化反应研究 置，主要由1 5 0 m l 四口烧瓶，低温恒温槽，搅拌电机及搅拌桨，恒压滴液漏斗等 组成，如图2 1 所示： 1 架子2 恒温槽3 冷凝管4 尾吸系统5 搅拌电机 6 搅拌桨7 恒压漏斗8 温度计9 四口瓶 图2 - 1 反应装置图 f i 9 2 - 1t h ea p p 甜a m so f r e a c t i o n 实验时，首先将定量的间氨基苯磺酸溶于定量的碳酸钠溶液中，待溶液澄清后 与相应量的亚硝酸钠的饱和溶液混合，并置于暗处。在四口瓶中加入定量的浓硫 酸，至于低温恒温槽中冷却到所需温度后，搅拌条件下缓慢滴加上述混合液，防 止温升过快，加料用恒压漏斗需