Общие сведения о процессе сульфирования

Существуют разные методы введения группы –SO₃H в молекулу органического соединения. Процесс прямого замещения атома водорода сульфогруппой, который наиболее широко применяется в промышленности, называют сульфированием. В зависимости от того, у какого элемента замещается атом водорода на сульфогруппу, различают С-, N- и О-сульфирование. О-Сульфирование называют также сульфатированием.

Субстратом (исходным веществом) при сульфировании служат, главным образом, ароматические и гетероароматические соединения и их производные. Реже используются вещества алифатического и алициклического ряда. Среди них наибольшее значение в синтезе сульфо-БАВ имеют полисахариды и стероиды. В ряде случаев сульфируются сами лекарственные вещества.

Основными сульфирующими агентами являются:

Безводная серная кислота — плавится при 10,4 °С, при комнатной температуре представляет собой тяжелую маслянистую жидкость, т.к. ее молекулы за счет водородных связей образуют полимер, который при повышении температуры разрушается:

Кипит она при температуре около 300 °С, перегоняется с разложением, образуя азеотропную смесь состава 98,3 % H₂SO₄ и 1,7 % Н₂О (t _кип = 338,8 °С). Жидкая 100 %-ая серная кислота является ионизирующим растворителем, однако, ее собственная ионизация незначительная:

Серная кислота смешивается с Н₂О и SO₃ в любых соотношениях. В водных растворах она полностью диссоциирует на ионы:

Для промышленного сульфирования чаще всего используют купоросное масло (92—98 %-ную H₂SO₄) и 98—100 %-ную серную кислоту. Концентрированная H₂SO₄ является довольно сильным окислителем, особенно при нагревании.

Олеум — образуется при растворении серного ангидрида в концентрированной серной кислоте и представляет собой раствор SO₃ в смеси кислот: серной (H₂SO₄), двусерной (H₂S₂O₇), трисерной (H₂S₃O₁₀) и других полисерных кислот:

При концентрации сульфотриоксида 20—25 % и 60—65 % олеум представляет собой густую маслянистую, дымящуюся на воздухе жидкость. Олеум с другими концентрациями SO₃ при комнатной температуре является твердым веществом, и его готовят из стандартного раствора непосредственно в реакторе.

Серный ангидрид — это общее название нескольких модификаций триоксида серы. Молекула SO₃ существует в виде мономера, тримера и полимера (существуют и другие формы, например, димер):

В газовой фазе и в разбавленных неводных растворах оксид серы (VI) находится в мономерной форме. При конденсации паров SO₃ образуется летучая бесцветная жидкость (t _кип = 44,8 °С), состоящая преимущественно из циклических тримерных молекул (SO₃)₃. При охлаждении до 16,8 °С она затвердевает с образованием прозрачных кристаллов. Эта форма SO₃ неустойчива и при хранении превращается в устойчивые, похожие на асбест, нити. Полимеризацию SO₃ предотвращают введением Р₂О₅ и других ингибиторов.

Для сульфирования серный ангидрид получают: а) обжигом пирита и последующим каталитическим окислением SO₂ в SO₃ непосредственно на предприятии, где он используется; б) на специализированных заводах с последующей доставкой на предприятие в баллонах под давлением в жидком стабилизированном виде; в) десорбцией из высокопроцентного олеума при нагревании. Остающаяся после десорбции серного ангидрида 100 %-ная серная кислота может быть использована в других производствах. Первый метод применяют на производствах большой мощности, например, заводах по синтезу поверхностно-активных веществ сульфированием (сульфатированием) первичных спиртов, олефинов, алкилбензолов и т. п. Остальные — на предприятиях с малой мощностью, например, на химико-фармацевтических заводах.

Область применения концентрированной серной кислоты ограничивается незамещенными и активированными аренами. Малоактивные субстраты сульфируются олеумом различной концентрации или сульфотриоксидом.