IllóolajokSzerveskémiai receptekAnalitikaFőoldalFórumSzervetlen kémiai receptek

 

 

A szulfonálás, szulfatálás és klórszulfonálás elmélete

 

Szulfonálásnak nevezzük azt a kémiai reakciót, melynek során egy szerves vegyületbe SO3H csoportot viszünk be, és C-S kötést hozunk létre.

 

Ha a SO3H-csoport O-hez kapcsolódik, akkor beszélünk szulfatálásról (régebbi nevén szulfurálásról). Ilyenkor egy alkoholnak a kénsavval alkotott észterét állítjuk elő.

 

Ha a SO3H-csoport N-atomhoz kapcsolódik, N-S kötés jön létre, ezt a műveletet szulfamálásnak nevezzük.

 

A szulfonálás jelentőségét az adja, hogy a legtöbb szulfonsav és sója vízben jól oldódik, a magas szénatomszámú alkoholok kénsavészterei („zsíralkohol-szulfonátok”) jó emulgeáló és mosószerek.

 

A SO3H-csoport pedig bizonyos reakciókkal átalakítható más funkciós csoportokká.

 

A legfontosabb szulfonálószer a kénsav, melyet általában 80-100%-os töménységig használunk erre a célra. Erélyes, és gyakran használatos a szabad SO3-ot is tartalmazó füstölgő kénsav (oleum).

Szintén erélyes szulfonálószer a klórszulfonsav, erről a klórszulfonálásnál lesz szó.

 

Az OH-csoportba történő szulfon-csoport bevitele észterezési reakció, az aromás vegyületek szulfonálása pedig aromás elektrofil szubsztitúció. Ennek mechanizmusát a benzol szulfonálásán szemléltetjük:

A reakciót összegezve:

 

A reakcióból kitűnik, hogy az megfordítható. Ha egy szulfonsavat híg kénsavval forralunk, akkor az visszaalakul az eredeti aromás vegyületté.

A szulfonálási reakciók megfordítható, egyensúlyi reakciók, a tömeghatás törvénye érvényes rájuk.

Éppen ezért törekednünk kell arra, hogy az egyensúlyt úgy toljuk el, hogy az a termékünk keletkezésének kedvezzen (felső nyíl irányába).

Ha az egyensúlyt nem tolnánk el, a reakció során keletkező víz a kénsavat felhígítja, és a szulfonálás megállni látszik (az egyensúly beáll).

 

Az egyensúlyt az alábbiak szerint tolhatjuk el a megfelelő irányba:

-          A szulfonálószert (kénsavat) feleslegben vesszük. Ez olyan szempontból is előnyös, hogy a keletkező vizet is megköti, amely az egyensúlyt méginkább eltolja.

Hátránya viszont, hogy a kénsav feleslege többszörösen szulfonált termékeket, oxidációs mellékreakciókat okozhat.

 

-          A vizet magas hőmérsékleten elpárologtatjuk a reakcióelegyből. Ennek a hátránya, hogy könnyen mellékreakciók indulhatnak be.

 

-          A vizet azeotróp desztillációval eltávolítjuk. A szulfonálás reakcióelegyébe egy vízzel nem elegyedő, viszonylag alacsony forráspontú oldószert teszünk, a gőzöket elvezetjük, hűtőben kondenzáljuk, és a lecsapódott folyadékelegy egy vízválasztóba kerül. A vizet időről-időre leengedjük, az oldószer pedig visszafolyik. Ilyenkor elég a számított mennyiségű kénsavat alkalmazni. Gyakran magát a szulfonálásra kerülő vegyületet használjuk oldószernek, pl. a toluol szulfonálása esetében a toluol feleslege tölti be az oldószer szerepét is. Az említett készülék megegyezik a „vízben nem oldódó észterező készülékkel”.

 

A szulfonálást nagy mértékben befolyásolja a hőmérséklet, a szulfonálószer mennyisége, és a reakcióidő. Ha a szulfonálószer nagy feleslegben van, több SO3H-csoport is beléphet a vegyületbe. Ha a hőmérséklet túl alacsony, a reakció nem megy végbe, illetve más izomerek keletkeznek. Példa erre a naftalin szulfonálása:

 

Ha a szulfonálás hőmérséklete túl nagy, mellékreakciókat okozhat, melyek többek között a szenesedés (gyűrű felhasadása) illetve az ún. szulfonképződés.

A szulfonképződés azt jelenti, hogy magas hőmérsékleten maga a szulfonsav hat a reagálatlan vegyületre, mint szulfonálószer:

 

A szulfonálási reakció után megoldandó „probléma” a szulfonsav elválasztása, és kinyerése a reakcióelegyből. A szulfonsavak ugyanis a tömény kénsavban/oleumban tökéletesen oldódnak.

A reakcióelegyet nagy mennyiségű hideg vagy jeges vízbe öntjük. Ritka esetekben a szulfonsavak kiválnak (pl. a szulfanilsav), de sajnos az esetek túlnyomó többségében nem áll fenn ilyen kedvező helyzet.

Ilyenkor a kénsav-felesleget szoktuk megkötni a vizes reakcióelegyben, CaCO3 segítségével. A CaSO4 vízben nem oldódik, viszont a szulfonsavak Ca-sói vízben nagyon jól oldódnak. A kivált CaSO4-csapadék leszűrhető, a szűrletben a szulfonsav Ca-sója lesz jelen. A szűrlethez ha Na2CO3-ot adunk, a szulfonsav nátrium-sójának az oldata keletkezik, és CaCO3 csapadék válik le. A kivált CaCO3-ot leszűrve, a szűrletet kis térfogatra bepárolva kinyerhető a szulfonsav nátrium-sója.

A szulfonsavak és sóik másik kinyerési módja, hogy a reakcióelegyet vízreöntés után leközömbösítjük nátrium-karbonáttal, majd az oldatot konyhasóval telítjük. Hidegen kiválik a szulfonsav Na-sója, de ez NaCl-dal lesz szennyezett.

Hasonló hatást érhetünk el azzal is, ha a reakcióelegyet tömény NaCl-oldatba csepegtetjük, és lehűtjük.

 

Az alábbiakban az első és a harmadik kinyerési módot mutatjuk be a benzolszulfonsav példáján:

 

A klórszulfonálás

 

Klórszulfonálás esetén az adott vegyületből szulfokloridot állítunk elő, melyben a SO2Cl-funkciós csoport szerepel.

Ilyen vegyületek:

A szulfokloridok a szulfonsavak savkloridjainak tekinthetők, azonban jóval állandóbb vegyületek, mint a karbonsavak halogenidjei. Vízzel például a legtöbb szulfoklorid csak nagyon lassan reagál. A hidrolízis termékei a szulfonsav illetve hidrogén-klorid lesz.

Sokszor előnyösebb a klórszulfonálás, mert a reakció alacsonyabb hőmérsékleten megy végbe, a szulfokloridok sokkal könnyebben kinyerhetők, tisztíthatók, mint a szulfonsavak. További nagy előny még a szulfonálással szemben, hogy a SO2Cl-csoport sokkal reakcióképesebb, mint a SO3H-csoport, így könnyebb más termékeket előállítani ezekből a vegyületekből.

 

A  klórszulfonáláshoz klórszulfonsavat (SO3HCl) használunk. A reakció menetét a benzol klórszulfonálásán szemléltetjük:

Mint látjuk, első lépésként szulfonsav képződik, majd a második lépésben keletkezik a szulfoklorid.

A reakció során hidrogén-klorid fejlődik, amely erősen korrozív, így azt a megfelelő készülékben meg kell kötni!

 

Összegezve a két reakcióegyenletet:

Egy mol aromás vegyülethez legalább 2 mol klórszulfonsav szükséges, ha az aromás vegyületünk kevésbé reakcióképes (pl. nitro-benzol), akkor ennél még több klórszulfonsav, és magasabb hőmérséklet szükséges.

 

Klórszulfonálás esetén általában csak egyszeresen klórszulfonált termékek keletkeznek, ha nem vesszük a klórszulfonsavat nagy feleslegben, mert ennek a funkciós csoportnak (SO2Cl) nagy a térigénye, úgyszólván a vegyületben „nem fér el” egymás közelében két SO2Cl-csoport.

 

A klórszulfonsav a kénsavnál és az oleumnál is sokkal maróbb, a nedvességre érzékeny (hidrolizál kénsavra és sósavra), így száraz edényekbe, száraz készülékekbe szabad csak beleönteni, védőfelszerelés és fülke használata szükséges a vele való munkánál.

A reakcióelegyet pedig csak fülke alatt óvatosan önthetjük jégre, mert a vízzel szinte robbanásszerű hevességgel reagál.