Процессы сульфирования и сульфохлорирования

Сульфированием называют процесс введения в молекулу органического вещества остатка серной кислоты, или сульфогруппы –SO₃H. В результате сульфирования образуются соединения, называемые сульфокислотами, в которых атом серы непосредственно связан с атомом углерода.

Исходными веществами при сульфировании служат в основном ароматические углеводороды, их амино- и оксипроизводные, а иногда и сами лекарственные вещества.

В качестве сульфирующих агентов применяются:

1) серная кислота, в виде купоросного масла (массовая доля 92-93%) или моногидрата (95-100%),

2) олеум от 20-25%-ного до 60-65%-ного (раствор соответствующего количества свободного серного ангидрида в серной кислоте),

3) хлорсульфоновая кислота ClSO₃H,

4) серный ангидрид и некоторые другие.

Чаще всего для сульфирования используют серную кислоту. В отличие от других реакций электрофильного замещения эта реакция является обратимой:

 

 

При использовании олеума:

 

 

Сульфокислоты – это обычно твердые кристаллы, хорошо растворимые в воде, обладают выраженным кислотным характером. Сила ароматических сульфокислот близка к минеральным кислотам. Реакции сульфирования высоко экзотермичные. Обычно в результате сульфирования ароматических соединений получают не одну, а смесь сульфокислот, отличающихся между собой количеством сульфогрупп.

 

 

Сульфогруппа является заместителем второго рода и ориентирует следующий заместитель в мета – положение.

Обычно в ароматическое ядро вводят 1 или 2 сульфогруппы, так как введение в молекулу ароматического соединения электроноакцепторной группы SO₃H затрудняет дальнейшее сульфирование. Константы скорости введения 1 и 2-ой сульфогрупп отличаются на 3 порядка, k₁/k₂ = 10³, то есть скорость реакции уменьшается в ряду ArH > ArSO₃Н > Ar(SO₃H)₂

При сульфировании также могут образоваться сульфоны - побочные продукты реакций сульфирования

 

Дифенилсульфон

 

Сульфокислоты и сульфоны очень отличаются по своим свойствам от кислых и средних эфиров серной кислоты (сульфатов), которые образуются при действии серной кислоты на спирты или олефины. В них атом серы не имеет непосредственной связи с атомом углерода:

 

C₂H₅-OH + HO-SO₃H ↔ C₂H₅-O-SO₃H + H₂O

моноэтилсульфат

 

C₂H₅-OH + HO-SO₂-OH + HO-C₂H₅ ↔ C₂H₅OSO₂OC₂H₅ + 2H₂O

диэтилсульфат

 

CH₂=CH₂ + HO-SO₃H → CH₃CH₂-OSO₃H

 

Сульфокислоты являются промежуточными продуктами в синтезе ряда химфармпрепаратов (диазолин, амидопирин).

 

диазолин

 

В ряде случаев сульфогруппа входит в состав лекарственных препаратов, обеспечивая их хорошую растворимость (сульфобутадион, анальгин).

 

анальгин

 

Сульфогруппы обнаружены в составе природных биологически активных веществ, в частности в природном антикоагулянте крови гепарине. Многие поверхностно-активные вещества, содержащие сульфогруппу, обладают антимикробным действием. На их основе готовят лекарственные шампуни для лечения себореи и других кожных заболеваний.

Механизм реакции сульфирования

Сульфирование ароматических соединений является реакцией электрофильногозамещения и протекает через стадию образования промежуточного s-комп-лекса:

 

Истинными сульфирующими агентами являются серный ангидрид SO₃ и сульфурилий-катион – HSO₃⁺, образующиеся при диссоциации концентрированной серной кислоты:

 

Разбавленная серная кислота не может сульфировать органические соединения, так как диссоциирует иначе:

 

 

При сульфировании серной кислотой выделяется вода, которая снижает концентрацию и уменьшает образование сульфирующих агентов. Поэтому для сульфирования всегда берут избыток серной кислоты_.

При сульфировании олеумом и SO₃ обратимость реакции сульфирования мала и ее можно не учитывать.

Температура оказывает большое влияние на процесс сульфирования. Изменение температуры сказывается не только на скорости реакции, но и на образующихся продуктах.

Катализаторы в процессах сульфирования используются редко.

Концентрация серной кислоты оказывает решающее влияние на ход процесса, с ее уменьшением скорость сульфирования резко падает. Предельная концентрация H₂SO₄ (массовая доля SO₃), при которой она еще способна сульфировать, называется «π сульфирования». В конце сульфирования массовая доля SO₃ в отработанной кислоте должна быть выше π сульфирования. Большой избыток серной кислоты удорожает процесс. Поэтому следует рассчитывать минимальную массу серной кислоты или олеума для моносульфирования 1 кмоль вещества по формуле:

 

,

где w - массовая доля SO₃ в сульфирующем агенте, %.

 

Основные способы сульфирования

Операции сульфирования проводят в аппаратах, которые называют сульфураторами. Так как концентрированная серная кислота и олеум не взаимодействуют с черными металлами, их изготовляют из стали и чугуна. Для нагрева и охлаждения реакционной массы сульфураторы снабжены рубашками. Если реакционная масса имеет малую вязкость, перемешивание производят с помощью пропеллерной мешалки. Если же масса вязкая, устанавливают якорную мешалку.

Незамещенные ароматические углеводороды (бензол, нафталин) сульфируются концентрированной серной кислотой при нагревании. При сульфировании замещенных углеводородов заместители первого рода облегчают вступление сульфогруппы в ядро, а заместители второго рода – затрудняют.

Порядок прибавления компонентов реакционной смеси зависит от свойств исходного продукта и температуры сульфирования. По окончании загрузки всего количества сульфирующего агента реакционную массу выдерживают при заданной температуре с перемешиванием. За процессом следят, отбирая пробы.

Недостатком сульфирования серной кислотой является большой ее расход. Часто для уменьшения потерь используют серный ангидрид. При таком сульфировании вода не образуется, поэтому процесс проходит почти со стехиометрическим количеством сульфирующего агента. Из-за большой активности SO₃ его можно использовать для непосредственного введения сульфогруппы в ароматическое кольцо, содержащее заместители второго рода.

Например:

пара-нитротолуолсульфокислота

 

Сульфирование ведут, барботируя газообразный серный ангидрид через раствор пара-нитротолуола в моногидрате или слабом олеуме. Расход сульфирующего агента при этом значительно сокращается, а выход продукта даже увеличивается на 5%. Так же сульфируют нитробензол. Еще одним способом уменьшения расхода серной кислоты является удаление образующейся воды из реакционной массы – это так называемое «сульфирование в парах».

Бензол подают в испаритель типа «труба в трубе», где он нагревается и испаряется. При температуре 150 – 160⁰С перегретые пары бензола в большом избытке (6-8 крат) подают в сульфуратор через слой загруженного купоросного масла с помощью кольцевого барботера. Сульфуратор обогревается через рубашку паром до 150⁰С. Часть бензола сульфируется с образованием сульфокислот, а избыток уносит из аппарата воду в виде азеотропной смеси. Поэтому концентрация серной кислоты не снижается до π сульфирования.

Азеотропной (нераздельно кипящей) называется смесь взаимно растворимых или не смешивающихся жидкостей, образующих при определенной температуре кипения смесь паров постоянного состава. Так, смесь воды с бензолом кипит при температуре 69⁰С (t_кипС₆Н₆ = 80⁰С). Состав азеотропного пара - 91% бензола и 9% воды.

Пары бензола с водой через брызгоуловитель поступают в холодильник-конденсатор и отстойник, где при 30-35⁰С отделяется вода вследствие разности плотностей с бензолом.

В качестве непрерывно действующего отстойника-разделителя может использоваться так называемый флорентийский сосуд.

Вода непрерывно выпускается в канализацию, а бензол непрерывно подается на нейтрализацию и возвращается в сульфуратор.

 

По окончании сульфирования оставшийся в реакторе бензол удаляют из реакционной массы с помощью отдувки воздухом. После этого сульфомассу, содержащую 88,5-91,5% бензолсульфокислоты; 0,4-0,6% бензол-1,3-дисульфокислоты; 3-3,5% H₂SO₄; 1% дифенилсульфона и следы бензола, подают на нейтрализацию.

В качестве нейтрализующих агентов применяют кальцинированную соду, сульфит натрия, мел, известь. Сульфокислоты выделяют в виде солей после упаривания или высаливания полученных растворов.

Некоторые сульфокислоты хорошо растворимы в концентрированной серной кислоте и плохо - в разбавленной. Такие сульфокислоты выделяют простым разбавлением сульфомассы водой.

Аналогичным методом проводят сульфирование толуола.

Одним из сульфирующих агентов является хлорсульфоновая кислота ClSO₃H. С ее помощью можно получать сульфокислоты или их хлорангидриды (сульфонилхлориды). При использовании эквимольного количества хлорсульфоновой кислоты реакция идет с образованием сульфокислоты. При 4-5 кратном избытке хлорсульфоновой кислоты получается в основном сульфонилхлорид.

 

 

Реакцию ведут при температуре не более 100⁰С. Образующиеся сульфонилхлориды выделяют обычно выливанием реакционной массы на лед с последующим отделением осадка (если продукт твердый) или маслянистой жидкости. При повышенной температуре воды сульфонилхлориды могут гидролизоваться:

 

 

Арилсульфонилхлориды всегда содержат примеси диарилсульфонов.

Значение реакции сульфохлорирования в химико-фармацевтической промышленности обусловлено тем, что сульфонилхлориды являются важными промежуточными продуктами в синтезе сульфамидных препаратов (стрептоцида, сульфодимезина, норсульфазола).

При взаимодействии хлорсульфоновой кислоты с толуолом образуется смесь пара- и орто-толуолсульфонилхлоридов.

 

Пара-изомер выделяют вымораживанием, а из жидкой части отгоняют орто-изомер.

Орто-толуолсульфонилхлорид используют для получения сахарина.

 

 

Процесс сульфохлорирования можно вести как непрерывным, так и периодическим способом (предпочтительно) в аппаратах, почти не отличающихся от сульфураторов. Однако выделение хлористого водорода создает опасность коррозии, поэтому применяют эмалированные аппараты. Выделяющийся в процессе реакции хлористый водород улавливают водой в поглотительной системе.

 

Техника безопасности при проведении сульфирования и

сульфохлорирования

Многие исходные вещества, подвергаемые сульфированию (бензол, толуол, хлорбензол, нафталин и другие), являются токсичными, взрыво- и пожароопасными соединениями. Агенты сульфирования при попадании на кожу вызывают сильные ожоги (H₂SO₄, олеум, ClSО₃H). Выделяющиеся в процессе реакции оксиды серы - SO₂ и SO₃ раздражают слизистые оболочки.

Производственные помещения оборудуют специальным взрывобезопасным оборудованием, средствами пожаротушения. Необходима полная герметизация аппаратуры, механизмов и автоматизация производственных процессов. В рабочих помещениях не должно быть открытых люков, необходимы герметичные специальные пробоотборники. В помещениях должна быть хорошая 4-6 кратная вентиляция. Около сульфураторов оборудуются аварийные души. Используется спецодежда из шерсти.

 

Процессы нитрования

Нитрованием называют процесс замещения атома водорода в органическом соединении нитрогруппой – NO₂ путем обработки различных веществ нитрующими агентами.

В качестве нитрующих агентов применяют смесь азотной и серной кислот (меланж), азотную кислоту, смесь азотной кислоты и уксусного ангидрида, селитру в смеси с серной кислотой.

Нитрование принадлежит к числу важнейших процессов химико-фармацевтической промышленности. Широкое применение ароматических нитросоединений в синтезе лекарственных веществ объясняется высокой реакционной способностью нитрогруппы и получаемой ее восстановлением аминогруппы.

Нитросоединения биологически активны, многие из них токсичны. При наличии в молекуле карбоксильной или оксигруппы токсичность нитросоединений уменьшается. Среди нитросоединений есть важные лекарственные вещества (левомицетин, фурацилин и другие).

Нитросоединения представляют собой нерастворимые в воде жидкости или твердые вещества желтоватого цвета

Нитрогруппу в молекулу ароматического углеводорода можно вводить различными путями, главным из них является нитрование в жидкой фазе смесью азотной и серной кислот (нитрующая смесь).

При нитровании только азотной кислотой реакция может быть выражена уравнением:

Ar-H + HO-NO₂ ® Ar-NO₂ + H₂O

 

Как видно из уравнения, при введении каждой нитрогруппы образуется молекула воды. Это значительно уменьшает концентрацию оставшейся азотной кислоты и понижает ее нитрующую способность, а образующаяся слабая азотная кислота увеличивает степень окисления углеводородов. Поэтому нитрование только азотной кислотой проводят крайне редко.

Для связывания воды, выделяющейся в процессе нитрования, применяют водоотнимающие средства – серную кислоту, полифосфорные кислоты, уксусный ангидрид, трехфтористый бор. Серная кислота – наиболее доступное и дешевое вещество для этих целей. Одновременно она является катализатором и веществом, как способствующим более полному использованию азотной кислоты, так и препятствующим окислительным процессам. В нитрующей смеси происходит кислотно-основное взаимодействие, которое ведет к образованию очень активного нитрующего агента – иона нитрония NO₂⁺:

 

 

Он атакует ароматическое ядро:

 

 

Сначала нитроний-катион присоединяется к ядру ароматического углеводорода, затем от образовавшегося соединения отрывается протон.

Скорость процесса нитрования определяется скоростью присоединения нитроний-катиона к углеродному атому, так как протон отщепляется от этого атома очень быстро.

Нитрующая способность смеси серной и азотной кислот характеризуется фактором нитрующей активности (ф.н.а.)

 

 

Когда азотная кислота в смеси почти полностью израсходована на нитрование (ω_HNO3 → 0), фактор нитрующей активности приближается к массовой доле серной кислоты в отработанной смеси (ф.н.а.→ ω_H2SO4). Для каждого процесса нитрования имеется предел ф.н.а., ниже которого нитрование практически не идет, и он тем более высокий, чем ниже реакционная способность ароматического соединения.

Нитрование ароматических соединений является необратимой и сильно экзотермической реакцией. Как и при сульфировании, тепловой эффект возрастает из-за разбавления нитрующей смеси выделяющейся водой и меняется в зависимости от концентрации серной кислоты.

Процесс нитрования нитрующей смесью протекает в гетерогенной среде, так как образуются две фазы – органическая и кислотная. Благодаря частичной взаимной растворимости реагирующие компоненты распределяются между двумя фазами, и реакция протекает как в этих фазах, так и на поверхности их раздела. Во избежание местных перегревов и побочных реакций окисления необходимо интенсивное охлаждение и перемешивание. Процесс обычно проводят в каскаде реакторов с мешалками. После каждого аппарата устанавливают сепаратор для отделения органической фазы от нитрующей смеси.

Сепараторы для разделения эмульсий могут иметь различные конструкции – вертикальные или горизонтальные отстойники, центрифуги, гидроциклоны.

Отвод тепла осуществляют холодной водой, циркулирующей в рубашках и змеевиках нитраторов или в выносных холодильниках.

Благодаря непосредственной валентной связи атома азота нитрогруппы с атомом углерода ароматического ядра нитросоединения обычно достаточно прочные продукты и разлагаются лишь при нагревании и под влиянием детонации.

Нитросоединения следует отличать от сложных эфиров азотной кислоты, носящих неправильные названия «нитросоединений». Например, нитроглицерин - это полный азотнокислый эфир глицерина, или нитроклетчатка – продукт различной степени этерификации целлюлозы азотной кислотой.

Сложные эфиры азотной кислоты получают действием HNO₃ на спирты или гидроксилсодержащие соединения.

 

 

В сложных эфирах азотной кислоты атом азота присоединен к атому углерода через атом кислорода. Поэтому непрочные сложные эфиры азотной кислоты легко разлагаются c образованием газообразных продуктов и применяются в качестве взрывчатых веществ (нитроглицерин, нитроклетчатка, или пироксилин).

 

Условия проведения процессов нитрования

Температура. Нитрование обычно ведут при низких температурах, когда процесс идет гладко и с высоким выходом. При повышенной температуре скорость реакции настолько велика, что выделяющееся тепло невозможно отвести и это может привести к выбросу реакционной массы или взрыву. Кроме того, при повышенных температурах проявляется окислительное действие азотной кислоты.

Время реакции. При интенсивном перемешивании реакционной массы нитрование идет с большей скоростью. Практически время процесса искусственно увеличивают, добавляя нитрующую смесь к исходному веществу с такой скоростью, чтобы поддерживать температуру на заданном уровне. Фактически нитрование проводят так быстро, как быстро могут отводить тепло реакции.

Характер нитруемого вещества. Скорость процесса зависит от характера и расположения заместителей в ядре ароматического соединения. Например, введение одной нитрогруппы в ядро снижает скорость вхождения второй в миллион раз! По своему влиянию на скорость процесса нитрования заместители можно расположить в такой ряд:

 

 

NO₂ < SO₃H < COOH < Cl < CH₃ < OCH₃ < OC₂H₅ < OH

 

Катализаторы при нитровании почти не используются.

 

Способы нитрования

При периодическом проведении процесса нитрование ведут путем постепенного добавления нитрующего агента к веществу. Скорость добавления определяется скоростью отвода тепла реакции. Поэтому нитраторы, помимо рубашки для охлаждения, обычно имеют дополнительные теплообменники (например, змеевики). Иногда в нитраторе размещают несколько змеевиков, концентрически вставленных друг в друга.

Для эффективного перемешивания нитратор должен иметь быстроходную пропеллерную или турбинную мешалку. Остановка мешалки очень опасна. Без перемешивания реакция сильно замедляется и накапливается нитрующий агент. При последующем пуске или перегреве реакция может пойти взрывообразно с большим выделением тепла. Поэтому рекомендуется кран подачи нитрующей смеси блокировать с мешалкой.

Поскольку процессы нитрования обычно протекают с большой скоростью, а реакционные массы имеют малую вязкость, нитрование целесообразно проводить в реакторах непрерывного действия. Это уменьшает количество нитропродуктов, находящихся в аппарате, а значит, повышает безопасность процесса, не говоря уже о других преимуществах непрерывных процессов. Так производительность аппаратуры можно повысить в 10-15 раз.

Нитратор непрерывного действия пред-ставляет собой цилиндрический сосуд, внутри которого размещена трубчатка, а в центральной цилиндрической трубе – пропеллерная мешалка, работающая как осевой насос.

В межтрубном пространстве циркулирует охлаждающий рассол. Исходный углеводород подается в центральную трубу, где охлаждается, а внизу смешивается с подаваемой туда нитрующей смесью. Эмульсия поднимается вверх по охлаждаемым трубкам. Длина трубчатки рассчитана так, чтобы за время прохода реакционная масса успела прореагировать. Реактор работает в режиме близком к полному вытеснению.

 

Нитрование бензола

Нитрованием бензола получают нитробензол и мета-динитробензол. Для получения нитробензола бензол обрабатывают нитрующей смесью, содержащей 0,97-1,01 моль азотной кислоты на 1 моль бензола. Непрореагировавший бензол отгоняют с водяным паром.

Производство нитробензола является многостадийным и его осуществляют непрерывным способом. В нитратор, стальной или чугунный аппарат с рубашкой, внутренним змеевиком и мешалкой, непрерывно через дозатор подают бензол, нитрующую смесь и отработанную кислоту.

Охлаждая нитратор с помощью рубашки и змеевика, поддерживают температуру реакционной массы 50-60⁰С. Из нитратора реакционную массу подают сначала в теплообменники, где охлаждают до 25-30⁰С, а затем - в сепаратор непрерывного действия. Здесь нитробензол отделяют от кислот и направляют на промывку. Его промывают водой, нейтрализуют аммиачной водой или раствором Na₂CO₃, удаляя минеральные кислоты. Нитробензол можно очистить перегонкой в вакууме, иногда его без очистки передают на дальнейшую переработку для восстановления, сульфирования.

Часть отработанных кислот возвращают в нитратор, другую часть экстрагируют бензолом для извлечения содержащегося в кислотном слое нитробензола. При этом азотная кислота, содержащаяся в отработанной нитрующей смеси, нитрует бензол. Бензол с примесью нитробензола собирают, а потом направляют в реактор. Отработанную кислоту подают на денитрацию и концентрирование.

Циркуляция нитробензола вызывает образование и накопление заметных количеств динитробензола. Эти примеси представляют опасность для процесса восстановления нитробензола до анилина, так как динитробензол взрывоопасен. Получение нитробензола высокого качества требует точного соблюдения технологического режима (температуры, избытка HNO₃ и т. д.).

Так как введение второй нитрогруппы в бензольное кольцо происходит в 10⁵-10⁷ раз медленнее и в более жестких условиях, м-динитробензол получают нитрованием нитробензола или бензола концентрированной нитрующей смесью (33% HNO₃ и 67% H₂SO₄). Отработанная серная кислота при этом имеет массовую долю 80-88%. Азотную кислоту берут с 10%-ным избытком. Нитрование начинают при 10-30⁰С, а заканчивают при 80-90⁰С. Отработанную кислоту, для улавливания динитробензола, обрабатывают нитробензолом, идущим на нитрование.

Динитробензол промывают горячей водой и раствором соды до нейтральной реакции и выделяют гранулированием в холодной воде. Продукт содержит 90% мета-изомера, 8-9% орто- и 1-2% пара-изомера. Мета-динитробензол выделяют кристаллизацией или обработкой сульфитом натрия.

Мета-динитробензол используют для получения мета-нитроанилина, мета-фенилендиамина, мета-дихлорбензола.

 

Техника безопасности

Все ароматические нитросоединения ядовиты. Динитросоединения, кроме того, вызывают раздражение кожи, дерматиты и экземы. Нитросоединения пожароопасны, а динитропродукты еще и взрывоопасны.

Основной способ защиты – полная герметизация оборудования. Нельзя смешивать жидкости, в результате чего образуются ядовитые вещества. При вдыхании окислов азота может наступить отек легких со смертельным исходом. Накопление азотной кислоты в нитраторе может привести к хлопкам, выбросам и даже взрывам. Для этого блокируют подачу нитрующей смеси с мешалкой и регулятором температуры.

Все аппараты, где выделяются окислы азоты нужно оборудовать вентиляцией.

Непрерывное ведение процесса нитрования обеспечивает безопасность из-за снижения концентрации азотной кислоты в реакционной массе.

При высоких температурах нитропродукты и кубовые жидкости после их перегонки могут самопроизвольно разлагаться, а при попадании в них воздуха – и взрываться. Чтобы это предотвратить, воздух из аппаратов вытесняют инертным газом.

В цехах работают в спецодежде при включенной приточной и вытяжной вентиляции. После работы следует обязательно мыться.

Признаки отравления нитросоединениями – посинение губ, носа, ушей, кончиков пальцев, головная боль, головокружение, тошнота.

Процессы восстановления

Восстановление и окисление – неразрывно связанные между собой реакции. Если одно из веществ, участвующих в реакции окисляется, то другое восстанавливается. Поэтому название реакции обычно связано с получением целевого продукта.

Многочисленные методы восстановления и окисления можно разделить на 4 группы: химические, каталитические, электролитические и биохимические. Все эти методы находят широкое применение в химико-фармацевтической промышленности.

Наиболее разнообразную группу реакций восстановления занимают химические методы.

 

Восстановление металлами

Восстановление натрием. Известны 3 метода восстановления натрием: восстановление амальгамой натрия, восстановление натрием со спиртом, восстановление растворами натрия в жидком аммиаке.

Восстановление амальгамой натрия. Высокая реакционная способность натрия не позволяет работать с ним в водной среде. Раствор натрия в ртути (амальгама) реагирует с водой значительно медленнее, что позволяет использовать амальгаму натрия в качестве восстановителя. Амальгама с массовой долей натрия менее 1,25% при комнатной температуре является жидкой, а при более высокой концентрации – твердой.

Растворение натрия в ртути ведут под слоем толуола или в атмосфере инертного газа (азота), чтобы предохранить теплую амальгаму от окисления воздухом. Растворение натрия в ртути - процесс экзотермический, обычно его проводят при 40–50⁰С.

Наиболее чистую амальгаму получают электролитическим методом. В качестве катода применяют ртуть, а анода – платину, их помещают в раствор натриевой соли (NaCl, NaHCO₃). Так получают чистую 0,5%-ую жидкую амальгаму.

Восстановление амальгамой ведут в водной или спиртовой среде. К раствору или суспензии органического вещества постепенно добавляют амальгаму с 25-40%-ным избытком. Конец процесса определяют по полному разложению амальгамы и выделению ртути. Ее отделяют декантацией и промывают водой или спиртом. Скорость восстановления выше в щелочной среде. Процесс восстановления идет по ионному механизму: сначала один или два электрона присоединяются к молекуле восстанавливаемого вещества в адсорбционном слое на поверхности металла. Затем образующиеся анионные радикалы соединяются с протонами:

 

 

Этиленовые изолированные связи не восстанавливаются амальгамой натрия, сопряженные же двойные связи легко восстанавливаются.

Легко восстанавливается амальгамой натрия карбонильная группа в альдегидах и кетонах до соответствующих спиртов. Гидроксильные группы на водород обычно не обмениваются. Карбоновые кислоты также устойчивы к действию амальгамы.

Нитро- и другие азотсодержащие группы легко восстанавливаются амальгамой натрия, но для этого можно использовать более дешевые восстановители.

Восстановление натрием со спиртом (метод Буво-Блана). Так восстанавливают сложные эфиры карбоновых кислот до соответствующих спиртов:

 

 

 

Восстановление ведут металлическим натрием в среде безводного спирта. Этим методом обычно получают высшие алифатические спирты, которые трудно получить иначе. У многоосновных кислот восстанавливаются только этерифицированныекарбоксильные группы.

По этому методу к кипящей смеси сложного эфира и 5-кратного количества абсолютного спирта в колбе, снабженной мощным обратным холодильником, добавляют кусочки металлического натрия, взятого в небольшом избытке. После некоторой выдержки реакционную смесь выливают в воду для разложения алкоголятов. Спирт отгоняют, а продукты реакции экстрагируют. Так как реакция сильно экзотермическая, следует обеспечить хороший отвод тепла.

Выходы целевых продуктов не более 80%, так как образуются побочные продукты реакции.

Восстановление натрием в жидком аммиаке. Жидкий аммиак и низшие алифатические амины способны растворять щелочные металлы (Na, K, Li).

Этим методом можно восстанавливать гидролизующиеся в воде соединения.

Необходимо знать, что температура кипения раствора натрия и других металлов в аммиаке очень низка (минус 33,5⁰С). Поэтому процесс ведут в герметичной специальной аппаратуре, а при повышенной температуре – в автоклаве. Для большой поверхности контакта необходимо сильное перемешивание.

Сложные эфиры так восстанавливаются быстрее и с большим выходом, чем по методу Буво-Блана.

Галогенпроизводные также легко реагируют:

 

 

Ацетилены восстанавливаются до олефинов только транс-конфигурации:

 

Моноалкилацетилены обычно не восстанавливаются.

Восстановление оловом и его солями – простой известный способ, который широко применяется в лабораторной практике. Он удобен для превращения ароматических нитросоединений в амины. В промышленности метод не применяется из-за дороговизны:

 

 

Восстановление идет ступенчато:

 

 

Образующийся хлорид олова (II) также может восстанавливать и даже сильнее и лучше, чем металлическое олово. Так как двухлористое олово растворимо в воде и спирте, реакции можно вести в гомогенной среде.

 

 

C помощью SnCl₂ можно восстанавливать до аминов азосоединения

 

 

Хлорид олова (II) восстанавливает группу диазониядо гидразогруппы.

 

Восстановление цинком проводят как в кислой, так и в щелочной среде. Восстановление цинком в кислой среде аналогично восстановлению оловом, однако ZnCl₂ восстановительными свойствами не обладает. Промышленное значение получило восстановление цинком в щелочной среде. Цинк обычно используют в виде пыли с избытком 10-15%.

Ароматические соединения превращаются в гидразосоединения:

 

2RNO₂ + 5Zn + 10NaOH → R-NH-NH-R + 5Na₂ZnO₂ + 4H₂0

 

Образующийся цинкат в условиях реакции гидролизуется, давая гидроокись цинка:

 

Так как NaОН в реакции не расходуется, его берут из расчета от 0,1 до 0,2 моля на 1 моль нитросоединения. Восстановление нитросоединений цинком в щелочной среде проводят в стальных и чугунных аппаратах с рубашкой и якорной мешалкой, так как образуется вязкая масса.

В присутствии кислот цинк восстанавливает хлорангидриды арилсульфокислот до тиофенолов.

 

 

Серьезная проблема при восстановлении оловом и цинком – это очистка производственных сточных вод.

Восстановление железом (чугунными стружками) ароматических нитросоединений до соответствующих аминов - один из распространенных промышленных способов. При восстановлении железом протекают такие реакции:

 

 

 

 

 

Скорость процесса восстановления лимитируется первой стадией, аналогичной процессу влажной коррозии железа. Для этого процесс ведут в среде электролита (NH₄Cl, FeCl₂, (NH₄)₂SO₄, NaCl и других). Их вводят в реакционную массу в готовом виде или получают в реакторе при протравливании чугунной стружки соляной кислотой.

В промышленности восстановление проводят в футерованных диабазовой плиткой стальных или чугунных аппаратах (редукторах), снабженных мешалкой (лопастной или сошниковой) и барботером для подачи пара. Процесс ведут при температуре кипения реакционной массы. Смесь обогревают острым паром, который к тому же выводит образующийся амин (перегонка с водяным паром). Нитросоединения загружают порциями. Смесь паров амина и воды конденсируют и разделяют в отстойнике.

Амины, плохо перегоняющиеся с водяным паром, экстрагируют из реакционной массы органическими растворителями.

 

Восстановление сульфидами щелочных металлов

Восстановление ароматических нитросоединений растворами сульфидов является старейшим методом. Еще в 1872 году Н.Н. Зинин использовал для этого сульфид натрия Na₂S, гидросульфид натрия NaHS и полисульфиды натрия Na₂S_n (n=2,3,..). В полинитросоединениях сернистые щелочи избирательно восстанавливают лишь одну нитрогруппу, для полного же их восстановления необходимы более жесткие условия. Этот метод восстановления проще, чем при использовании железной стружки, меньше коррозия оборудования. Однако реакции с сернистыми щелочами сопровождаются выделением сероводорода, трудно очищаются сточные воды.

 

 

При восстановлении сульфидом натрия вырастает щелочность. Это может снижать выход целевого продукта. Более удобно восстановление гидросульфидом натрия:

 

 

Однако его следует брать свежеприготовленным из щелочи и сероводорода:

 

 

При использовании дисульфида реакция идет по уравнению:

 

 

Восстановление сульфидами ведут так. К нагретой эмульсии или суспензии нитросоединения в воде при сильном перемешивании постепенно приливают 15-25%-ный раствор сульфида. При исчерпывающем восстановлении избыток сульфида составляет 20-40% от теории. Температуру реакционной массы поддерживают 80-100⁰С. Длительность процесса – несколько часов. Так как реакционная среда не коррозионная, используют стальные или чугунные аппараты-редукторы с рубашкой и пропеллерной мешалкой. Поскольку возможно выделение сероводорода, редуктор оборудуют ловушкой.

Твердые амины отфильтровывают, а жидкие отстаивают или экстрагируют. Маточники, содержащие сульфиды, окисляют до тиосульфата Na₂S₂O_3, который можно утилизировать для дальнейшего использования.

Этим методом получают орто- и пара-анизидины:

 

а также мета-нитроанилин, аминофенолы и другие соединения.

 

Каталитическое восстановление водородом

Этот метод восстановления органических соединений приобретает все большее значение. Достоинства метода - высокая скорость реакции, чистота продуктов, простота выделения. Среди недостатков – дефицитность электролитического водорода и катализаторов, пожаро- и взрывоопасность процесса, работа под давлением в автоклавах. Чаще всего в качестве катализаторов используют карбиды металлов VIII группы периодической системы элементов. Активность катализаторов увеличивают с помощью добавок-активаторов. Для увеличения поверхности катализатора его наносят на пористые носители – силикагель, пемзу, уголь.

Часто используют скелетный никелевый катализатор – никель Ренея. Его готовят так: сплав никеля и алюминия обрабатывают раствором щелочи. Алюминий выщелачивается в виде алюмината, а никель частично превращается в гидрид никеля:

 

2Al₃Ni + 6Na0H + 6H₂0 → Ni₂H + 6NaAlO₂ + 17H

 

Полученный катализатор имеет пористую структуру и содержит много сорбированного водорода. Никель Ренея является пирофором, то есть может самовозгораться на воздухе, поэтому его хранят под слоем воды.

Восстановление водородом на никеле Ренея проводят под давлением в автоклавах, часто в спиртовой среде. Катализатор обладает высокой плотностью и, чтобы он не оседал, необходимо интенсивное перемешивание. После окончания реакции - поглощения необходимого количества водорода, катализатор отфильтровывают, а от продукта отгоняют спирт.

Используют и другие катализаторы, например непирофорный никель, который получают разложением формиата никеля при температуре 250-270⁰С

 

 

Также пользуются медно-никелевыми катализаторами, карбонатом никеля, платиновыми и палладиевыми катализаторами. Однако последние дороги.

Никелевые катализаторы используют для восстановления ненасыщенных соединений (например, получение маргарина из растительных масел), карбонильных соединений и нитросоединений до аминов. Глубина восстановления зависит от условий процесса – при восстановлении нитробензола под давлением 0,1 МПа получают анилин, а при 9,5 МПа – циклогексиламин:

 

Карбонильная группа восстанавливается до спиртов труднее, чем этилены и ацетилены.

 

Легко восстанавливается водородом нитрогруппа

 

 

Электролитическое восстановление

Этот метод применяется так же широко, как и каталитическое восстановление. Его недостатки – энергоемкость, продолжительность процесса, неоднозначность продуктов восстановления.

В сосуд, помещают два электрода, разделенные пористой диафрагмой, подают на них постоянный ток. На катоде проходит восстановление органических веществ. Катоды могут быть графитовыми и металлическими, а аноды – только графитовыми, так как металлы окисляются при прохождении через них тока.

Для увеличения диффузии восстанавливаемого вещества у катода устанавливают мешалку. Так как вещества могут в воде не диссоциировать, в качестве электролита берут неорганические кислоты. Сырье переводят в раствор с помощью водорастворимых растворителей или его тонко суспендируют.В зависимости от способности вещества к восстановлению подбирают материал катода, плотность тока, растворитель, температуру, концентрацию, длительность процесса.

Этим методом восстанавливают нитросоединения.

Техника безопасности

Соблюдение правил техники безопасности при восстановлении очень важно, поскольку многие виды сырья и полученных продуктов могут быть источником пожара, взрыва, отравления.

Следует исключить попадание воды на щелочной металл. Поэтому в производственных помещениях не используют воду как теплоноситель и хладагент.

Цинковая пыль с воздухом образует взрывоопасную смесь. Сероводород является токсичным и горючим газом. Особо опасны производства, использующие водород, тем более, если применяются пирофорные катализаторы.

Передавливание взрывоопасных масс производят инертными газами. В помещениях устанавливают газоанализаторы, аварийную вентиляцию.

Ароматические амины являются нервными и кровяными ядами, вызывают дерматиты, экземы. Некоторые из них (нафтиламины, бензидин) являются канцерогенными веществами. На этих производствах установлен сокращенный рабочий день.

Процессы окисления

Важную роль процессов окисления в химической промышленности обусловили следующие причины:

1. Ценность соединений, получаемых окислением – спиртов, альдегидов, кетонов, карбоновых кислот и их ангидридов, a-оксидов, нитрилов и других. Они являются промежуточными продуктами органического синтеза и растворителями.

2. Многообразие реакций окисления, в которых участвуют многие органические вещества.

3.Доступность и низкая стоимость большинства окислителей и, прежде всего, кислорода воздуха.

Это привело к тому, что окислительные процессы более распространены в органическом синтезе, чем другие, менее экономичные способы производства многиххимических продуктов. С помощью окисления получают такие многотоннажные продукты, как фенол, ацетон, уксусная кислота, винилацетат, ацетальдегид, оксид этилена, фталевый ангидрид и другие.

 

Характеристика процессов окисления

В отличие от неорганической химии, реакции окисления обычноне сопровождаются изменением валентности атомов получаемых органических соединений. Введение в молекулу атомов кислорода также не обязательно для реакций окисления.

В органическойхимии и технологии окислением называют превращение органических веществ под действием техили иных окислительных агентов.

Различают полное и неполное окисление. Под полным окислением понимают сгорание веществ с образованием диоксида углерода, воды и других оксидов:

 

С₃Н₈ + 5О₂ ® 3СО₂ + 4Н₂О

 

В органическом синтезе это нежелательный процесс, побочный. Реакции неполного окисления можно разделить на три главные группы.

1 Окисление без разрыва углеродной цепи.

Сюда входят: окисление по насыщенному атому углерода в парафинах, нафтенах, олефинах и алкилароматических углеводородах и их производных

 

 

 

 

 

 

и окисление по двойной связи с образованием a-оксидов (реакция эпоксидирования), карбонильных соединений или гликолей:

 

 

 

 

2 Деструктивное окисление с расщеплением углерод-углеродных связей в ряду парафинов, нафтенов, олефинов и ароматических углеводородов. Деструкция может идти по одинарной, двойной или ароматической связи:

 

 

 

 

 

3 Окисление со связыванием молекул исходных реагентов (окислительная конденсация):

 

 

Последнюю реакцию называют окислительным аммонолизом.

 

Окислительные агенты

В лабораторной технике и в тонком органическом синтезе часто применяют такие окислители, как перманганаты, бихроматы, пероксиды некоторых металлов (Mn, Pb, Na), хромовый ангидрид, но в крупнотоннажной промышленности чаще пользуются более дешевыми окислителями.

Молекулярный кислород (воздух, технический кислород, азото-кисло-родные смеси с небольшим содержанием кислорода) является важнейшим из окислительных агентов. Концентрированный кислород оказывает более сильное окисляющее действие, но его применение связано с затратами на разделение воздуха. Уменьшение скорости реакции при окислении воздухом компенсируют повышением температурыили увеличением давления.

Азотная кислота (иногда оксиды азота) служит вторым по масштабам окислительным агентом. Ее действие часто сопровождается побочным нитрованием органических соединений, которое усиливается с повышением концентрации кислоты. Поэтому для окисления используют 40-60%-ную азотную кислоту.

Она не применяется для окисления парафинов, для нее типичны реакции деструктивного окисления циклических соединений и веществ с ненасыщенными связями, идущие с участием азотной кислоты с лучшим выходом, чем при окислении кислородом:

 

 

 

При таком окислении азотная кислота восстанавливается до оксидов азота (NО или N₂О₃). Экономичность производства зависит от возможности утилизации этих оксидов, которые окисляют воздухом в водном или азотнокислом растворе с образованием азотной кислоты:

 

Пероксидные соединения (пероксид водорода и надуксусная кислота, гидропероксиды) применяются в промышленности недавно. Они довольно дороги и поэтомуих применяют только для реакций, которые не идут под действием молекулярного кислорода или азотной кислоты, например при эпоксидировании ненасыщенных соединений:

 

Пероксид водорода обычно применяют в виде 30%-ного водного раствора. Он дает с карбоновыми кислотами соответствующие надкислоты:

 

 

Надкислоты образуются также при окислении альдегидов, так в промышленности получают надуксусную кислоту:

 

 

Гидропероксиды получают в промышленности окислением углеводородов:

 

 

Окислительные агенты дают с органическими веществами взрывоопасные смеси. Концентрированные пероксид водорода и надкислоты способны взрываться, особенно в присутствии катализаторов (металлов Cu, Fe, Mn, Cr и их солей). Для того, чтобы избежать этого, их применяют в растворах и при контроле температуры.

Марганцовые соединения, в которых марганец имеет свои высшие валентности: двуокись марганца MnO₂ c четырехвалентным и марганцовокислый кали (перманганат калия) KMnO₄ с семивалентным атомом марганца, обладают различной силой окислительного действия.

Наиболее «мягкий» окислитель - MnО₂ с серной кислотой. В этих условиях марганец приобретает 2 электрона, переходя из 4-зарядного в 2-зарядный

 

 

Достаточно активной является лишь свежеосажденная двуокись марганца, то есть полученная в результате восстановления перманганата. Ее применяют для окисления метильной группы в альдегидную.

Более энергичным окислителем является перманганаткалия в нейтральной среде, которая в процессе реакции становится щелочной:

 

2KMn⁺⁷O₄ + H₂O + 6e^- →2Mn⁺⁴O₂ + 2KOH

 

Здесь атом марганца, приобретая 3 электрона, переходит из 7-зарядного в 4-зарядный.

Если создание щелочной реакционной среды нежелательно, добавляют «буфер» (магний или аммоний сернокислые)

 

 

Перманганат калия в щелочной или нейтральной среде применяют для окисления метильной, альдегидной или первичной спиртовой группы в карбоксильную.

Перманганат в кислой среде является более «жестким» окислителем. Здесь атом марганца из семизарядного переходит в двухзарядный, приобретая 5 электронов.

 

Но этот окислитель в промышленности применяется редко, так как в этих же условиях может быть заменен более дешевым бихроматом натрия.

Бихромат натрия (хромпик) Na₂Cr₂O₇ в Н₂SO₄ - наиболее энергичный из перечисленных окислителей. Хром, переходя из 6-зарядного в 3-зарядный, приобретает 3 электрона.

Бихромат натрия применяют для окисления метильной группы в карбоксильную. В качестве отхода образуются хромовые квасцы NaCr(SO₄)₂ ·12H₂O, применяемые для дубления кожи.

Мышьяковая кислота H₃AsO₄ в кислой и щелочной среде в присутствии восстановителя переходит в мышьяковистую кислоту H₃AsO₃. Мышьяк переходит из 5-зарядного в 3-зарядный, приобретая 2 электрона.

 

 

Мышьяковую кислоту применяют для окисления в синтезе хинолиновых соединений.

Нитросоединения Ar-NO₂ при соответствующих условиях являются энергичными окислителями. Нитрогруппа превращается в нитрозогруппу или дальше в аминогруппу.

RNO₂ + H₂O → RNO → RNH₂

 

Нитробензол применяют при синтезе хинолиновых соединений.

Из других окислителей следует отметить гипохлориты - соли хлорноватистой кислоты (гипохлориты натрия и кальция)

 

 

Все реакции окисления необратимы. Окисление относится к числу самых экзотермических процессов органического синтеза. Тепловой эффект возрастает с повышением глубины окисления.

 

Реакции окисления с сохранением углеродного скелета молекулы

Среди этих реакций определенное значение в технологии продуктов тонкого органического синтеза имеет окисление метильной группы в ароматических соединениях с образованием соответствующего ароматического альдегида и кислоты:

 

Для окисления метильной группы в альдегидную используют мягкие окислители (MnO₂ в H₂SO₄, t ≤ 40⁰C)

 

Если температуру реакции поднять до 60-70⁰C, то основным продуктом будет бензойная кислота.

Бензальдегид и его производные можно получить из хлористого бензила и его замещенных окислением бихроматом в щелочной среде.

 

3C₆H₅CH₂Cl+K₂Cr₂O₇+NaOH→3C₆H₅CHO+Cr₂O₃+2H₂O+2KCl+NaCl

 

При окислении толуолавоздухом в жидкой фазе образуется смесь продуктов и в основном бензойная кислота.

Окислить толуол воздухом до бензальдегида можно в газовой фазе. Смесь паров толуола и воздуха пропускают над катализатором (смесь окислов урана, молибдена и меди) при температуре 475-500⁰С. Выход бензальдегида достигает 85-90%.

При окислении толуола и его производных хромовой кислотой, азотной кислотой, перманганатом и другими сильными окислителями образуются соответствующие карбоновые кислоты. Окисление хромпиком применяется в производстве орто- и пара-нитробензойных кислот.

 

Чем ниже температура реакции, тем выше должна быть концентрация серной кислоты.

Для получения ароматических карбоновых кислот применяют жидкофазное окисление алкилароматических углеводородов кислородом воздуха при 130-200⁰С в присутствии солей металлов переменной валентности, чаще всего нафтената кобальта. Реакция протекает по радикальному механизму:

 

Первоначально происходит отрыв атома водорода с образованием радикала бензильного типа. Далее он реагирует с кислородом воздуха, образуя пероксид-радикал. При взаимодействии его с исходным углеводородом образуется гидропероксид и радикал бензильного типа. Гидропероксид разлагается полностью до альдегида, который в этих условиях быстро превращается в кислоту.

Ароматические кислоты стабильны к дальнейшему окислению, поэтому реактором для непрерывного окисления может быть простая барботажная колонна с отводом реакционного тепла.

Методом жидкофазногоокисления получают такие ароматические кислоты:

 

бензойная
терефталевая
изофталевая

 

а также трехосновную тримеллитовую и четырехосновную пиромеллитовую.

Окисление ксилолов, и вообще полиметилбензолов, молекулярным кислородом обычно завершается образованием монокарбоновых кислот. Это объясняется тем, что появившаяся карбоксильная группа сильно дезактивирует оставшуюся метильную группу. В более жестких условиях (260–280°С и 7 МПа) можно окислить и вторую метильную группу, но выход дикарбоновой кислоты будет лишь 40-60%.

Однако, перевод карбоксильной группы в сложноэфирную снимает дезактивирующее действие. На этой основе разработан четырехстадийный процесс получения диметилтерефталата.

Сначала пара-ксилол окисляют в пара-толуиловую кислоту, затемее этерифицируют метиловым спиртом. Полученный эфир пара-толуиловой кислоты окисляют в моноэфир терефталевой кислоты, который этерифицируют в диметилтерефталат:

 

 

Производство изовалериановой кислоты окислением изоамилового спирта является примером окисления первичной спиртовой группы. Изовалериановая кислота является полупродуктом для синтеза бромурала – N-(бромизовалерианил)-мочевины. Он применяется как успокаивающее и умеренно снотворное средство.

 

Окисление изоамилового спирта ведут как в кислой среде (хромпиком), так и в щелочной (KMnO₄).

Первый путь дешевле и с менее дефицитным окислителем, однако, сопровождается образованием сложного эфира (изоамилово - изовалериановового).

Второй путь эффективнее и проще, но требует более дорогого окислителя.

Процесс проводят в стальном аппарате с мешалкой и рубашкой для охлаждения рассолом. Сначала в аппарате Р3 готовят раствор KMnO₄ (засыпают KMnO₄ и подают воду из мерника М1), а затем медленно приливают из мерника М2 изоамиловый спирт. Он не смешивается с водой. Температура реакционной массы не более 20⁰С, поэтому спирт прибавляют при перемешивании несколько часов, по мере охлаждения

 

 

Аппаратурная схема синтеза изовалериановой кислоты

 

Смесь выдерживают 2 часа, а затем передавливают через друк-фильтр Ф4 в выпарной аппарат Р5. Пары из Р5 охлаждаются в теплообменнике Т6 и поступают в сборник С7. Осадок двуокиси марганца на фильтре промывают водой, MnO₂ используют как окислитель в других производствах. Упаренный фильтрат подкисляют соляной кислотой (из мерника М8) в разделителе Р9 для выделения изовалериановой кислоты из ее калиевой соли. После отделения маслянистого слоя кислоты и сушки в приемнике С10, ее перегоняют в вакууме из аппарата Р11, используя теплообменник Т12 и вакуум-приемник С13.

 

Получение хинонов и кетонов

Окисление ароматических углеводородов используют для получения некоторых хинонов. Окислением бензола можно получить бензохинон, окислением нафталина с помощью Na₂Cr₂O₇ в уксусной кислоте – нафтохинон. При окислении антрацена легко образуется антрахинон:

 

В промышленности в настоящее время антрацен окисляют воздухом при 350-400⁰С над катализатором (V₂O₅) c выходом 90%.

Для превращения CH₂–группы в карбонильную группу в качестве окислителей используют KMnO₄, Na₂Cr₂O₇, HNО₃. Так, при окислении аценафтена бихроматом натрия в уксусной кислоте образуется аценафтенхинон; а также ангидрид нафталиндикарбоновой кислоты.

 

В настоящее время широко используется метод получения фенола окислением циклогексана:

 

 

Окисление в жидкой фазе при 180⁰С кислородом воздуха (под давлением) образует смесь циклогексанола и циклогексанона. В конце синтеза производят каталитическое дегидрирование циклогексанола над никелевым катализатором при 350⁰С.

Из цикланонов наибольшее практическое значение имеет циклогексанон, который применяется для производства капролактама и синтетического волокна капрон (найлон-6), используется в качестве растворителя. Главный способ получения циклогексанона состоит в окислении циклогексана, образующийся одновременно циклогексанол можно также превратить в кетон дегидрированием.

Окислением циклогексана получают также важнейшую из алифатических дикарбоновых кислот – НООС–(СН₂)₄–СООН (адипиновую), которая применяется для синтеза волокна нейлон-6,6.

<