第一节　磺化反应

磺化反应是指向有机分子的碳原子上引入磺酸基（—SO3H）的反应。产物是磺酸化合物RSO2OH或ArSO2OH，分子中硫原子直接与碳原子相连。

一、磺化

1.磺化剂

常用的磺化剂有三氧化硫、硫酸、发烟硫酸、氯磺酸、亚硫酸盐、硫酰氯等。

（1）硫酸和发烟硫酸　使用稀硫酸作磺化剂，由于反应活性低、速度慢、转化率低，目前已较少使用；现更多是用浓硫酸和发烟硫酸进行磺化。

用浓硫酸作磺化剂时，每生成1mol磺化产物便会生成1mol水，这将使硫酸的浓度下降，反应速率减慢。当浓度下降到一定程度时，磺化反应便不能进行。因此生产中要保持高转化率则需要使用过量的硫酸，一般生成1mol磺化产物用3～4mol硫酸，过量的硫酸可以作为热载体并降低物料黏度。由于浓硫酸作磺化剂反应温和，副反应少，易于控制，故应用范围仍很广。但过量的硫酸在反应完成后要用碱中和，这将耗用大量的碱，同时产物中会含有较多的硫酸盐杂质。

工业上作为磺化剂使用的发烟硫酸通常为含SO320％～25％和60％～65％两种规格。这两种发烟硫酸凝固点低，常温下为液体，便于使用和储运。用发烟硫酸作磺化剂时，反应易于控制，但反应生成的磺酸与硫酸形成混酸，需加强后处理。

（2）三氧化硫　三氧化硫是活泼的磺化剂。当采用三氧化硫作磺化剂时，反应易进行并可进行等物质的量反应，所得产物纯度高。

以SO3为磺化剂的优点是反应速率快，反应完全，无须外加热量，设备小，投资少，且不需要废酸浓缩过程；缺点是反应放热量大，易导致物料分解或副反应发生，物料黏度高，传质较困难。因此可通过设备设计、反应条件优化和选择适当的溶剂等加以克服。近年来，SO3磺化的应用范围不断扩大。

（3）氯磺酸　氯磺酸是一种较常见的磺化剂，根据其用量不同可以制备芳磺酸或芳磺酰氯，反应是分阶段进行的。

当用等物质的量或稍过量的氯磺酸时，产物是磺酸，当氯磺酸用量大于2mol时，产物是磺酰氯，且后一个反应是可逆的。为提高收率，用4～5mol氯磺酸。加入适量的添加剂除去硫酸，也可提高收率。如在制苯磺酰氯时，加入适量的氯化钠，氯化钠与硫酸反应生成硫酸氢钠和氯化氢，使平衡向产物方向移动，收率由76％提高到90％。

用氯磺酸作磺化剂的优点是反应活性较强，生成的HCl可以及时排出，有利于反应进行完全。其缺点是氯磺酸的价格较贵，且反应中产生的氯化氢腐蚀性强，故工业上以氯磺酸作磺化剂的相对较少。

（4）其他磺化剂　亚硫酸盐，如亚硫酸钠和亚硫酸氢钠都可用来作磺化剂。它们适用于以亲核取代为主的一系列磺化反应。氯磺化剂Cl2+SO2和氧磺化剂O2+SO2，也可用于引入磺酸基（—SO3H），但工业上仅用于一些难以磺化的饱和烷烃。各种常用的磺化剂的比较如表1-1所示。

生产中选用何种试剂作磺化剂，要根据具体情况作出选择。

2.反应原理

磺化剂浓硫酸、发烟硫酸及三氧化硫中可能存在SO3、H2SO4、H2S2O7、、等亲水质点。这些亲水质点均可参加磺化反应，但是它们之间的反应活性差别很大，一般认为SO3是主要的磺化质点。在硫酸中主要活泼质点是H2S2O7和，两者相比的活性较低，而选择性较好；H2S2O7的活性较高，但其选择性差。

当芳香化合物用硫酸或发烟硫酸磺化时，反应分成两步进行。首先是亲电质点向芳环进行亲电攻击，形成σ络合物；然后在的存在下脱去质子得到苯磺酸。

在一定温度条件下，芳基磺酸在含水酸性介质中会发生脱磺水解反应，即磺化的逆反应。

磺基不仅能够发生水解反应，而且在一定的条件下还可以从原来的位置转移到其他位置上，通常是转移到热力学更稳定的位置上，这称为磺基的异构化。

磺化、水解、再磺化、磺基异构化的共同作用，使芳烃磺化的最终产物含有邻、间、对位的各种异构体。

3.反应影响因素

（1）被磺化物的结构　被磺化物的结构对磺化反应的难易程度有很大影响。饱和烷烃的磺化比芳烃的磺化难得多；而当芳环上存在供电子基团时，磺化易进行；当芳环上存在吸电子基团时，则反应较难进行。

芳环上已有取代基的体积大小对磺化速率也有影响，体积越大，磺化速率越慢。例如，烷基苯用硫酸磺化，其速率大小如下：

邻二甲苯>甲苯>乙苯>异丙苯>叔丁苯

这是由于磺基的体积较大，若环上已有的取代基体积也较大，占据了较大空间，则磺基便难以进入。

（2）反应温度与时间　温度升高，可以缩短磺化反应时间，但是在升温的同时，副反应也随之增加，产品质量下降。所以在实际生产中大多数采用较低的温度和较长的反应时间。这样产物纯度高、色泽浅，而且也能保证产率。温度除对反应速率有影响以外，还会影响磺化基的引入位置。所以正确选择反应温度和时间，对保证反应速率和产物组成十分重要。

（3）磺化剂的浓度和用量　在用硫酸作磺化剂时，每引入一个磺基同时生成1mol水。随反应的进行，硫酸浓度不断降低，反应速率也随之急剧下降，当酸的浓度降低到一定程度时，反应就自行停止。

在对产品质量和收率都无影响的前提下，使用较高浓度的酸可以节省酸的用量。使用过量酸的重要原因是反应生成的水对酸有稀释作用。为了保持酸的浓度，可采用物理脱水方法，如利用高温带出水分；或采用化学脱水方法，如向磺化物中加入能与水作用的物质，如BF3·SOCl2；或用三氧化硫磺化，保证反应顺利进行。

（4）辅助剂　在磺化过程中加入少量辅助剂，往往对反应有明显的影响，其表现在以下几个方面。

①抑制副反应。磺化反应的主要副反应是生成砜、多磺化、氧化或异构体。当磺化剂的浓度和温度都较高时，有利于砜的生成；而加入无水硫酸钠，可以抑制砜的生成。在萘酚磺化时，加入硫酸可使羟基变为硼酸酯基，抑制氧化副反应。

②改变定位。蒽醌用发烟硫酸磺化时，在汞盐存在下主要生成α-蒽醌磺酸；没有汞盐时主要生成β-蒽醌磺酸。除汞以外，钯、铊和锗也对蒽醌磺化有较好的α定位效应。

③使反应易于进行。加入催化剂，可以降低反应温度，提高反应速率和收率。例如用发烟硫酸或SO3磺化吡啶时，加入少量汞可使收率从50％提高到71％。

二、磺化方法

1.三氧化硫磺化法

用SO3作磺化剂，由于其活性大，反应迅速，反应时不生成水，三废少，其用量接近理论量，经济合理，故近年来越来越受到重视，应用日益增多。它不仅可以用于脂肪醇、烯烃的磺化，而且可直接用于烷基苯的磺化。三氧化硫既是活泼的磺化剂，又是氧化剂，因此在生产中要注意控制温度等工艺条件，及时移走反应热，避免因局部过热而造成焦化；同时还要防止氧化、过磺化等副反应发生。

三氧化硫磺化有以下几种方式：用干燥空气将三氧化硫稀释成含量为4％～7％的混合气体，如由十二烷基苯制十二烷基苯磺酸钠便是采用此法磺化；以液体三氧化硫作磺化剂，不活泼液态芳烃常常采用此法磺化，如硝基苯在液态三氧化硫中磺化制间硝基苯磺酸；三氧化硫溶剂法磺化，适用于被磺化物或者磺化产物为固态的过程，该方法反应温和且易于控制，其所用溶剂分为无机溶剂和有机溶剂，无机溶剂有二氧化硫、硫酸，有机溶剂有二氯甲烷、1，2-二氯乙烷、1，1，2，2-四氯乙烷、石油醚、硝基甲烷等，如萘的二磺化就采用此法。

2.过量硫酸磺化法

该法是指被磺化物在过量硫酸或发烟硫酸中进行磺化的方法。当反应物在磺化温度下是液态时，一般先向磺化锅中加入被磺化物，然后再慢慢加入磺化剂，以免生成过多的二磺化物。若被磺化物在反应温度下是固态的，则先加磺化剂，然后在低温下加入被磺化物，再升温至反应温度。该方法的优点是适用范围广，缺点是硫酸过量较多，得到较多的酸性废液或废渣，且生产能力也较低。萘、萘酚、蒽醌均可采用此法磺化，且反应条件不同，得到的产物不同。

3.共沸去水磺化法

共沸去水磺化法只适用于沸点较低、易挥发的芳烃，如苯和甲苯的磺化。苯的一磺化若采用过量硫酸法，则需要使用10％发烟硫酸，且用量较多。工业生产中为了克服这一缺点，采用了共沸去水磺化法。其原理是将过量的苯蒸气通入浓硫酸中，利用共沸原理由未反应的苯蒸气带走反应生成的水，以保证磺化剂的浓度不至于下降太多，使磺化剂得到充分的利用。苯蒸气和水蒸气的混合物经冷凝分离后可回收苯，回收的苯经干燥后又可循环使用。生产中应注意的是，当磺化液中游离硫酸的含量下降到3％～4％时，便应停止通苯，否则会生成大量副产物二苯砜。

4.氯磺酸磺化法

氯磺酸是一种仅次于SO3的强磺化剂，用氯磺酸作磺化剂，通常是将反应物慢慢加入到氯磺酸中。若反过来加料，将会产生较多的砜类副产品。该法可用来制备芳香族磺酸或磺酰氯，醇的硫酸酯和氨基磺酸盐。

5.亚硫酸盐磺化法

亚硫酸盐的磺化是一种亲核取代引入磺基的方法。用于将芳环上的卤素或硝基取代成磺基。例如2，4-二硝基氯苯与亚硫酸氢钠作用，可制得2，4-二硝基苯磺酸钠：

该类反应在表面活性剂和染料中间体合成中常有应用。芳香族硝基化合物中，不同位置的硝基被—SO3Na取代的速度不同，利用这一特性可以分离异构体。如二硝基苯和三硝基苯（TNT）的精制均可采用此法。

三、磺化反应在精细化学品生产中的应用

磺化反应在有机合成中应用广，在精细化工生产中占有重要地位。例如，当有机化合物分子引入磺酸基后，便具有了乳化、润湿、发泡等多种表面活性，故被广泛用于合成表面活性剂。磺酸盐是目前应用最广、产量最大的阴离子表面活性剂。合成洗涤剂的主要成分是十二烷基苯磺酸钠。同时磺化反应还广泛用来合成水溶性染料、皮革加脂剂、药物等。

由于磺化可赋予有机化合物水溶性和酸性，故工业上用以改进染料、指示剂等的溶解度和提高酸性。如在染料工业中靛蓝磺化后制得的5，5-靛蓝二磺酸为可溶性酸性染料。

当药物中引入磺酸基后易被人体吸收，并可提高水溶性。配制成针剂，其生理药理作用改变不大，故常被应用，如

选择性磺化常用来分离异构体。如二甲苯有邻位、对位、间位三种异构体，且三者沸点十分接近，难以用分馏法分离。若将它们磺化，则间二甲苯最先磺化并溶于水层中，使之与邻、对位二甲苯分离。

另外，引入磺酸基还可得到一系列的中间产物，如磺酸基可以进一步被取代成羟基、氨基或氰基，或将其转化为磺酸的衍生物，如磺酰胺、磺酰氯等。磺化反应还可用于磺酸型离子交换树脂的制备、香料的合成等多种精细化工产品的生产。