對甲苯亞磺酸合成工藝的改進

王 凱 項 斌 施佳琪

(浙江工業大學化學工程與材料學院，浙江 杭州 310014)

對甲苯亞磺酸是一類特殊的精細中間體，是有機合成中的重要原料，在某些染料、農藥及醫藥中間體合成上有著不可替代的作用[1-5]。但由于傳統工藝上對甲苯亞磺酸鈉通過金屬鋅的催化,反應后會產生大量的廢料[6]。

亞硫酸鈉是一種環境友好的還原劑，在水介質中亞硫酸鈉還原體系中亞硫酸根與二氧化硫共存,還原能力較強，在適當的pH值、反應溫度下反應即可進行[7-8]。在實驗室操作下，亞硫酸鈉較為合適。

本文以亞硫酸鈉為還原劑，通過磺酰氯還原反應，研究合成芳磺酸合理的工藝條件。

1 實驗部分

1.1 儀器與實驗試劑

循環水式真空泵SHZ-D(Ⅲ)、真空干燥箱DP201、磁力攪棒器DF-101B、LC100伍豐高效液相色譜儀、UV2450紫外分光光度計。

對甲苯磺酰氯、無水亞硫酸鈉、碳酸氫鈉、二氯甲烷、乙醚、丙酮、氯仿。

1.2 實驗過程與步驟

在100 mL四口燒瓶中加入0.03 mol無水亞硫酸鈉和20 mL蒸餾水，開啟磁力攪拌和加熱裝置，連接分水器裝置；待亞硫酸鈉全部溶解后，將溫度控制在40～55℃之間，通過滴液漏斗滴加0.02 mol對甲苯磺酰氯溶解于10 mL二氯甲烷而成的溶液，同時滴加飽和碳酸氫鈉溶液，控制pH在7～8之間；滴加原料結束，將二氯甲烷從分水器中蒸出回收；繼續升溫至回流溫度反應1 h；將反應液轉移至小燒杯，冷卻結晶，觀察析出固體情況，滴加適量鹽酸溶液析出固體產品，抽濾，真空干燥后得到最終亞磺酸產物。產物經液相色譜，用歸一化法進行分析。

2 結果與討論

對甲苯磺酰氯在一定溫度和pH值下，極易與水發生水解生成磺酸，水解的競爭反應會降低整個反應的收率。因而添加溶劑，以及對溫度pH的研究在工藝改進中顯得極為重要。

2.1 溶劑添加的影響

原料對甲基苯磺酰氯不溶于水，但在水中易發生水解反應；還原劑亞硫酸鈉不溶于任何有機溶劑，只溶于水。為了減少酰氯的水解反應，添加低沸點有機溶劑溶解對甲苯磺酰氯，然后將溶液滴入到亞硫酸鈉的水溶液中，將低有機溶劑蒸餾，進而反應繼續升溫，以此方法來取代直接投料。溶劑的選取要求包括：（1）不與酰氯發生反應；（2）對酰氯有一定的溶解性；（3）低沸點，容易蒸出回收。本文章對二氯甲烷、乙醚、氯仿和丙酮四種溶劑以及直接投料進行了實驗。

表1 添加溶劑的影響

由表1結果分析，首先添加溶劑反應效果好，酰氯直接投料容易發生水解反應。其次從產物在不同溶劑的收率發現在乙醚和二氯甲烷中的效果較好，由于二氯甲烷的沸點是39.8℃，乙醚的沸點是34.6℃，從沸點角度兩者差異不大，都較易蒸出不影響反應。從對甲苯磺酰氯的溶解度考慮，乙醚對對甲苯磺酰氯的溶解度不如二氯甲烷好，所以選擇二氯甲烷溶解對甲苯磺酰氯。

2.2 pH控制

亞硫酸鈉反應液pH值過低會酸化放出二氧化硫，過高會造成對甲苯磺酰氯的水解，所以合適的pH值對反應影響很大。對pH具體考察結果如下表：

表2 pH值的影響

由表2結果分析，酸性條件下，加熱后還原劑不能穩定存在，反應無法進行；過高的堿性環境，在加熱下又會使酰氯水解。綜上所述，選擇pH在弱堿性條件下，pH值控制在7～8為宜。

2.3 反應溫度的影響

考察反應溫度對產物收率的影響，結果見表3:

表3 反應溫度的影響

由表3結果分析，反應溫度在75℃～95℃之間收率基本持平，而在回流溫度下反應效果最好，保持反應溫度比較穩定，可以提高反應速率，減少副反應，使反應完全,因此最佳反應溫度為回流溫度。

2.4 反應時間的影響

對于反應時間的考察，做了如下五組實驗。

表4 反應時間的影響

由表4結果分析，最佳反應時間為60 min時反應已經進行得較為完全，繼續延長反應時間，收率并沒有大幅增長，所以反應時間選取60 min。

2.5 投料比的影響

亞硫酸鈉還原對甲苯磺酰氯，隨著反應的進行，亞磺酸的生成使反應體系pH值減小，不利于亞硫酸鈉的存在，亞硫酸鈉需稍微過量。

表5 原料配比的影響

由表5結果分析，對甲苯磺酰氯和亞硫酸鈉的摩爾比為1：1.5時，反應收率達到85.29%，繼續加大還原劑的量反應收率基本持平，因而選取n(對甲苯磺酰氯):n(亞硫酸鈉)=1:1.5為最佳投料比。

3 結論

亞硫酸鈉水溶液還原對甲苯磺酰氯的最優合成條件為：將反應物磺酰氯溶解于二氯甲烷中，滴加到亞硫酸鈉的水溶液中，反應時間:60 min，反應溫度:回流溫度，原料投料比:n(對甲苯磺酰氯):n(亞硫酸鈉)=1:1.5，控制反應體系pH值7～8。

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