对甲苯磺酸的制备与应用.docx
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对甲苯磺酸的制备与应用
摘要
本文主要对对甲苯磺酸的制备工艺和应用前景进行了研究，分别采用了传统工艺和两种改进工艺制备对甲苯磺酸，并对此进行了比较。
改进工艺克服了传统工艺的弊端。
第一种改进方案是运用了部分结晶选择性原理制备对甲苯磺酸。
甲苯与浓硫酸在甲苯沸腾回流（110℃）的条件下反应5h后，在80℃下加一定量的水使对甲苯磺酸结晶水合物从磺化混合液中析出，而间位和邻位两种异构物留在体系中，补充原料后继续反应，体系重新达到化学平衡状态，再析出产品。
如此循环反应-结晶过程，即抑制了新的间位和邻位异构物进一步产生，又使较纯的对位产物分离出体系。
优化了工艺条件，结果表明，该生产工艺路线为硫酸定量反应，无废酸或甲苯排放，产品纯度大于85%，对于高选择性生产对甲苯磺酸和清洁磺化过程具有重要的意义。
第二种改进工艺是将甲苯缓慢滴加到热的浓硫酸中，此工艺减短了实验时间，使操作时间为平时的四分之一，不但节省了反应物的用量，而且还大大提高了产量，改进的方法制备收率高，反应操作简单。
本文以对甲苯磺酸做催化剂催化合成了邻苯二甲酸二丁酯，其产率为84.0%，用浓硫酸作催化剂的产率为82.8%，尽管两者间的产率相近，但对甲苯磺酸没有腐蚀性，且在反应过程中不能产生废酸，对环境无污染。
关键词:
对甲苯磺酸;磺化;结晶;催化剂
Abstract
Thispaperfocusesonthep-toluenesulfonicacidpreparationprocessandapplicationprospectswerestudied,respectivelyusingtraditionaltechnologyandtwokindsofimprovedpreparationprocessofp-toluenesulfonicacid,andmakeacomparison.Improvedtechnologyovercomesthedefectsofthetraditionalprocess.Thefirstimprovementplanistheuseofpartiallycrystallineselectivepreparationprincipleofp-toluenesulfonicacid.Refluxingtoluenewithconcentratedsulfuricacidintoluene（110℃）5hreactionconditions,addingacertainquantityofwaterat80℃forcrystallinehydrateprecipitatedfromthesulfonatedtoluenesulfonicacidinthemixture,andmeta-andorthotwoisomersinthesystem,supplementarymaterialsafterreaction,systemtoachievechemicalequilibrium,thenprecipitationproducts.Sothecyclereactioncrystallizationprocess,whichinhibitsthenewmeta-andorthoisomertoproduce,andtheparaproductispureisolatedsystem.Processconditions,theoptimizationresultsshowthat,theproductionprocessforsulfuricacidquantitativereaction,nowasteacidortolueneemissions,thepurityofproductismorethan85%,highselectivityfortheproductionhasthevitalsignificancetothetoluenesulfonicacidandcleanthesulfonationprocess.Processimprovementofsecondisconcentratedsulfuricacidtotolueneisslowlyaddedintohot,thisprocesstoshortentheexperimentalperiod,theoperationtimeisusually1/4,notonlytosavetheamountofreactants,butalsogreatlyimprovetheyield,highyieldimprovedmethodofoperationissimple,reacti
Thecatalystp-toluenesulfonicaciddibutylphthalatewassynthesized,itsyieldis84%,withconcentratedsulfuricacidascatalyst.Theyieldis82.8%,althoughsimilarbetweentheyield,butnocorrosivep-toluenesulfonicacid,andcannotwasteacidproducedinthereactionprocess,nopollutiontotheenvironment.
Keywords:
catalystp-toluenesulfonicacidsulfonationcrystallization
目录
第1章文献综述1
1.1对甲苯磺酸的性质1
1.2对甲苯磺酸的制备方法1
1.2.1硫酸磺化法2
1.2.2三氧化硫磺化法3
1.2.3氯磺酸磺化法3
1.3对甲苯磺酸的精制3
1.3.1真空精馏法4
1.3.2水稀释法4
1.3.3苯—乙醇法4
1.4对甲苯磺酸的应用4
1.4.1催化剂4
1.4.2有机合成5
1.4.3稳定剂5
1.5选题意义5
第2章实验部分6
表2.1实验药品6
表2.2实验仪器6
2.3制备对甲苯磺酸的传统工艺7
2.3.1原理7
2.3.2实验步骤7
2.3.3传统工艺存在的问题7
2.4工艺改进一8
2.4.1改进原理8
2.4.2实验过程9
2.5工艺改进二9
2.5.1改进原理9
2.5.2实验步骤9
2.6实验改进的结果讨论9
表2.6.1工艺一实验结果讨论10
表2.6.2工艺二10
第3章对甲苯磺酸的应用11
3.1对甲苯磺酸的应用11
3.1.l催化剂11
3.1.2有机合成11
3.1.3稳定剂11
3.2对甲苯磺酸合成酯11
3.2.1对甲苯磺酸催化合成邻苯二甲酸二丁酯11
3.2.2酯的合成12
3.3结果与讨论12
第4章结论14
致谢16
第1章文献综述
对甲苯磺酸是贾沃斯基（Jaworsky）于1865年用硫酸磺化而首先制得的，该产品是无色或白色片状或柱状结晶，易溶于醇，难溶于苯，对皮肤、眼睛、黏膜有刺激性。
对甲苯磺酸作为一种精细化工产品，广泛应用于农药、医药、聚合反应和有机合成的催化剂。
它作为催化剂广泛应用于各种化学反应，其效果好于硫酸，如酯化缩醛、脱水、烷基化。
贝克曼重排、聚合和解聚等反应。
在有机合成中，常用于生产对甲苯磺酰氯、对甲苯磺酸酰胺和对甲酚等。
另外，对甲苯磺酸还可用作酚醛、环氧、氨基塑料、家具清漆，染料和粘合剂等方面的添加剂。
随着应用范围的扩大，对对甲苯磺酸产品质量的要求越来越高。
另外，本文还分别论述了制备对甲苯磺酸的传统工艺以及改进工艺，并进行了对比，根据提高温度有利于对甲苯磺酸的生成以及对甲苯磺酸一水化合物能从稀硫酸中结晶出来的原理,采用浓硫酸过量,甲苯滴加到90-100℃的浓硫酸中反应,改进了对甲苯磺酸制备实验，改进的方法制备收率高，反应操作简单，实验时间短。
另一个改进工艺是在过量且沸腾的甲苯中滴加浓硫酸，甲苯蒸汽通过冷凝分水装置将反应生成的水分离，保持较高的硫酸浓度，维持一定的磺化速度，并抑制逆向的水解反应。
生成邻、间、对三种异构物，其中对位占85%，而磺化反应是一个可逆反应，一定温度下达到化学平衡时，体系中的三种异构体的比例是定值。
根据三种异构物在反应体系中的含量不同，控制在合适的温度下，加入适量的水，使部分对甲苯磺酸形成一水合化合物而析出结晶。
当大部分对甲苯磺酸水合结晶物被移出体系后，剩余对甲苯磺酸，及邻位和间位异构物留在体系中，参与下一次平衡。
对甲苯磺酸的应用广泛，可以作为反应物来合成对甲苯磺酸钠，它是一种重要的表面活性剂，在合成洗涤剂工业中，主要用作合成洗涤剂的料浆调理剂，可以增加洗衣粉的含水量，使产品疏松、不结块，从而可以提高洗衣粉的产品质量。
此外，对甲苯磺酸也可作为催化剂催化合成酯,如异丁酸丁酯，它是无色液体，具有很强的似新鲜水果和甜润的菠萝样香味。
天然存在于罗马春黄菊油中，主要用以配制苹果、菠萝及浆果类型的香精,是我国GB2760-86规定允许使用的食用香精。
通常它是在对甲苯磺酸催化下由异丁酸和正丁醇酯化反应而得。
本文同时有简述另外对甲苯磺酸的精致和分析方法【1】。
1.1对甲苯磺酸的性质
对甲苯磺酸为白色单斜晶体，可燃。
易溶于醇、醚和水，熔点107℃，沸点为140℃（2.67kPa）。
具有中等毒性。
是医药，农药，染料及有机合成等工业的重要中间体原料，也是酯化反应的良好催化剂和铸造树脂的固化剂【2】。
1.2对甲苯磺酸的制备方法
目前，国内对甲苯磺酸的生产，主要是甲苯的直接磺化，磺化剂有硫酸，三氧化硫，氯磺酸。
根据磺化时甲苯的状态，可分为气相磺化法和液相磺化法。
在甲苯磺化，生成对甲苯磺酸的同时，伴有邻间位产物生成。
工业生产中，一般采用控制反应温度来影响三种异构体的分布比例。
在工业上，用磺化甲苯的方法来制备对甲苯磺酸，可使用的磺化剂有硫酸，发烟硫酸，三氧化硫及氯磺酸，从磺化速度上看，磺化剂的浓度越高越好（如用纯三氧化硫或用65%的发烟硫酸），但浓度太高会引起多磺化氧化和生成砜等副反应的发生，还能影响磺基进入苯环的位置。
因此，必须依据磺化剂的种类和浓度，选择适宜的磺化条件【3】。
1.2.1硫酸磺化法
用硫酸磺化甲苯，是采用最多且历史最长的工艺，磺化反应是按下式进行的：
CH3C6H6+H2SO4=CH3C6H4SO3H+H2O
研究表明，磺化反应速度与甲苯浓度成正比，与硫酸含水量的平方成反比。
以需使用含水少的硫酸和纯度高的甲苯，但磺化反应是可逆反应，每消耗lmol的硫酸就生成lmol的水，水的浓度随反应的进行而逐渐升高，最后达到平衡，产生大量的废酸。
工业生产中，一般采用分压蒸馏法来除掉磺化反应生成水，使磺化应进行完全。
磺化甲苯，既能生成对甲苯磺酸，又能生成邻甲苯磺酸，还可生成间甲苯磺酸。
采用浓硫酸时，提高反应温度有助于邻位异构体转化成对位异构体，而对间位异构体的浓度没有影响，较低的酸浓度有利于对位异构体与邻位异构体的比例。
实践证明，硫酸与甲苯的比例对产品中异构体的分布没有太大的影响。
对位和邻位甲苯磺酸的比例与磺化温度有关，例如在0℃时，磺化混合物中含有53.5%的对位异构体，而在100℃时，对位异构体的含量增加到84%，间位异构体的含量则不发生变化。
在140℃条件下的平衡组成是：
对甲苯磺酸为37.2士2.2%，邻甲苯磺酸为3.2士0.6%，间甲苯磺酸为59.6士2.5%，在磺化过程中，还可能发生多磺化、氧化、生成砜和酯、脱烷基、重排及脱磺基等副反应。
典型的磺化方法是先把50~60%的硫酸添加到磺化反应器中，然后加热到120~180℃，经汽化的过量甲苯直接通入硫酸中，逸出的未反应甲苯蒸汽和反应生成水的蒸汽经冷凝后进入分水器，将上层的未反应甲苯干燥后，继续汽化进入反应器的硫酸中，待硫酸全部转化成对甲苯磺酸后终止磺化反应【4】。
第一种磺化方法可以先在磺化反应器中加人过量50~100%的甲苯，然后加热到100~115℃，再把90~95%的硫酸逐渐加到回流的甲苯中。
从反应器逸出的蒸汽混合物经冷凝后静止分层，底部的水层放掉，上部的甲苯层再返回到磺化反应器中，直到将硫酸中的水和磺化反应理论生成水量之和的70~75%蒸出后停止回流。
回流操作一般需用5~15h，产物中约有75~85%的对甲苯磺酸，10~20%的邻甲苯磺酸，2~5%的间甲苯磺酸，小于1%的未反应硫酸及微量的副产物。
第二种磺化方法可以在常压下。
用硫酸直接磺化甲苯，直到由于硫酸浓度降低而磺化反应达到平衡为止，然后在真空条件下加热到150~180℃，未反应的甲苯和生成的水汽化后，硫酸的浓度又升高了，这样循环进行磺化和脱水操作，最终把绝大多数硫酸都转化成对甲苯磺酸。
这种工艺的特点是，把液体甲苯加到温度高于120℃且保持真空状态的硫酸中，汽化的甲苯直接与硫酸相接触，而且迅速地发生磺化反应，在甲苯蒸汽逸出硫酸液面之前，大部分甲苯都已被磺化，反应生成的水同甲苯蒸汽一起逸出，而硫酸的浓度可维持不变，未反应甲苯冷凝后循环使用【5】。
1.2.2三氧化硫磺化法
在理论上，三氧化硫是最有效的磺化剂，因为只是直接的加成而不用脱除反应生成的水。
在适宜的条件下，产品几乎全部是对甲苯磺酸。
目前，用三氧化硫磺化甲苯法制备对甲苯磺酸在国外已很普遍。
据报道，在液相用气态三氧化硫在45~55℃的条件下磺化甲苯时，产物中含有20%的二甲苯基砜，异构体中含有85%的对甲苯磺酸，9%的邻甲苯磺酸和6%的间甲苯磺酸。
实验证明，在脱水剂五氧化二磷的存在下，则得不到间甲苯磺酸，若在硫化钠的存在下进行磺化，则生成砜的数量大大下降。
有人用含空气的三氧化硫气磺化过量的甲苯，生成的对甲苯磺酸中仅含有不超过0.49%的其它异构体，不大于1.5%的硫酸和0.1%以下的二甲苯基砜。
用三氧化硫磺化甲苯的优点是反应温度低、速度快，按化学计量投料，得到几乎是纯的对甲苯磺酸。
1.2.3氯磺酸磺化法
氯磺酸是一种液态的磺化剂，用它磺化甲苯时放出氯化氢气体，由于磺化时不生成水，所以不需用较高的温度和分压法除水，其缺点是氯磺酸价格较贵，放出的氯化氢具有较强的腐蚀性。
用氯磺酸磺化甲苯的最佳温度是35~45℃，且应在2~3小时内，慢慢加入等摩尔的氯磺酸，然后将产物加热到60℃，这时有氯化氢放出。
在异构体中，无间甲苯磺酸，含有14~16%的邻位和84~86%的对位甲苯磺酸，收率约为90~95%【6】。
1.3对甲苯磺酸的精制
通过试验初步制备的对甲苯磺酸有很多杂质，通过精致可使产品更纯，在参加其他反应作为反应物时不会有副反应发生，所以初步制备出来的对甲苯磺酸必须进行精致才可使用。
1.3.1真空精馏法
对于间位异构体含量很少的磺化混合物，可利用对甲苯磺酸和邻甲苯磺酸的沸点差，很方便地用真空精馏法进行分离和精制。
1.3.2水稀释法
对甲苯磺酸可溶解在磺化后留下的含80%以上的硫酸中，也可溶在含硫酸50%以下的稀硫酸中，但却不溶于用水适当稀释反应物所得含50—80%硫酸的磺化混合物中，所以用此法可得纯度很高的对甲苯磺酸。
还可先将粗磺化混合物用适当的水稀释，再加入浓盐酸，经冷却后对甲苯磺酸就以一水化合物形式结晶出来。
1.3.3苯—乙醇法
在70℃的磺化混合物中，按对甲苯磺酸重量的24%和35%加入乙醇和苯，然后搅拌10min，自然冷却到25℃，再用水冷至15℃，最后分离出对甲苯磺酸晶体，纯度一般大于98%【7】。
1.4对甲苯磺酸的应用
对甲苯磺酸的应用很多，可以作为催化剂使用,也可以在有机合成反应中作为原料使用，在工业上，对甲苯磺酸也可以作为稳定剂使用，下面是对此进行的一系列阐述。
1.4.1催化剂
在范围很广的反应中，包括生成缩醛、脱水、烷基化、脱烷基、贝克曼重排、聚合和解聚反应，它像硫酸一样有效，但效果比硫酸好。
因为它不会引起氧化等副反应，所以得到的产物纯度高，颜色浅。
1.4.2有机合成
常用对甲苯磺酸制造对甲苯磺酞胺、糖精、氯胺T。
对甲苯磺酸的最大用途是用于生产对甲酚。
1.4.3稳定剂
在工业上，常用对甲苯磺酸和氧化锌制备对甲苯磺酸锌。
在丙烯睛和丙烯酸甲酯或丙烯睛和二氯乙烯共聚过程中，可使用对甲苯磺酸作为稳定剂，其用量可达0.2%。
对甲苯磺酸还可用于酚醛、环氧和氨基塑料、家具清漆、染料、粘合剂、合成抗糖尿病医药及电镀槽的防应力添加剂等方面，随着以二甲基甲酞胺为溶剂的一步法睛氯纶和睛纶装置的引进，作为稳定剂的高质量对甲苯磺酸的需求量，正在迅速增长【8】。
1.5选题意义
由于对甲苯磺酸的制备工艺简单，应用广泛，但传统工艺有许多缺点，如对对环境照成污染，产生废酸，浪费原料等等，所以有改进传统工艺的必要，本文用两种方法对传统工艺进行了改进，并对此进行了深入研究，为今后新工艺的工业化提供了参考依据。
在酯化实验中一般用浓硫酸做催化剂，但是浓硫酸有腐蚀性，容易对环境照成污染，而本文所采用的对甲苯磺酸作为催化剂，催化效果与浓硫酸基本相近，但是腐蚀性比浓硫酸低，而且对周围环境的污染远远小于浓硫酸，所以用对甲苯磺酸做催化剂具有很广泛的应用前景。
第2章实验部分
本章介绍了对甲苯磺酸的制备工艺及步骤，由传统工艺的弊端引出了两种改进工艺，并说明了改进工艺的优势，下面是具体介绍。
表2.1实验药品
名称
纯度
产地
甲苯
浓硫酸
精盐
浓盐酸
碳酸钠
氯化钠
邻苯二甲酸酐
正丁醇
对甲苯磺酸
蒸馏水
分析纯
98%
分析纯%
36.5%%
分析纯%
分析纯
分析纯
分析纯%
分析纯
天津市福晨化学试剂厂
广州市医药化学试剂公司
沈阳化学试剂厂
广州市医药化学试剂公司
天津市大茂化学仪器供应站
沈阳新兴试剂厂
沈阳新兴试剂一厂
沈阳新兴试剂一厂
沈阳试剂二厂
自制
表2.2实验仪器
名称
规格
数量
圆底烧瓶
毛细管
滴液漏斗
锥形瓶
真空泵
烧杯
托盘天平
电热套
搅拌器
分水器
球型冷凝管
直型冷凝管
温度计
四口瓶
三口瓶
50ml
50ml
60ml
50ml
100ml
100ml
1
若干
1个
1个
1个
若干
1个
1个
1个
1个
1个
1个
1个
1个
1个
2.3制备对甲苯磺酸的传统工艺
2.3.1原理
主反应是以甲苯为原料与浓硫酸反应生成的主要产物为对甲苯磺酸和水,其副产物为邻甲苯磺酸。
2.3.2实验步骤
首先安装仪器：
回流分水反应装置。
在进行某些可逆平衡反应时，为了使正向反应进行到底，可将反应产物一直不断从反应混合物体系中除去，常采用回流分水装置除去生成的水。
此装置中有一个分水器，回流下来的水蒸汽冷凝进分水器，分层后，有机层自动被送回烧瓶，而生成的水可从分水器中放出去。
在50mL圆底烧瓶内放入25mL甲苯，一边摇动烧瓶，一边缓慢的加入5.5ml浓硫酸，投入几根上端封闭的毛细管，毛细管的长度应能使其斜靠在烧瓶颈内壁。
用电热套加热回流2小时或至分水器中积存2mL水为止。
静置，冷却反应物。
将反应物倒入60mL锥形瓶内，加入1.5mL水，此时有晶体析出。
用玻璃棒慢慢搅动，反应物逐渐变成固体。
用布式漏斗抽滤，用玻璃瓶塞挤压以除去甲苯和邻甲苯磺酸。
若欲获得较纯的对甲苯磺酸，可进行重结晶。
在50mL烧杯（或大试管）里，将12g粗产物溶于约6mL水里。
往此溶液里通入氯化氢气体，直到有晶体析出【9】。
2.3.3传统工艺存在的问题
①分水器的容积约有15~25mL，而加入的甲苯仅有25mL，大部分的甲苯在反应初期就被蒸发到分水器中。
留在反应器中的甲苯量很少。
②由于反应器中的甲苯量少，反应温度高，反应物料易于炭化变黑。
③原实验方案是反应物料预先一次性混合在一起的，慢慢加热的操作方式生成较多的邻位异构体，所形成的物料粘稠，抽滤困难。
2.4工艺改进一
2.4.1改进原理
在过量且沸腾的甲苯中滴加浓硫酸，甲苯蒸汽通过冷凝分水装置将反应生成的水分离，保持较高的硫酸浓度，维持一定的磺化速度，并抑制逆向的水解反应。
主反应
CH3C6H6+H2SO4=CH3C6H4SO3H+H2O
生成邻、间、对三种异构物，其中对位占85%，而磺化反应是一个可逆反应，一定温度下达到化学平衡时，体系中的三种异构体的比例是定值。
根据三种异构物在反应体系中的含量不同，控制在合适的温度下，加入适量的水，使部分对甲苯磺酸形成一水合化合物而析出结晶。
当大部分对甲苯磺酸水合结晶物被移出体系后，
图1反应-结晶法生产对甲苯磺酸流程简图
剩余对甲苯磺酸，及邻位和间位异构物留在体系中，参与下一次平衡。
从表观上来看，使得以后加入的反应剂完全生成对位产物【10】。
在反应进行时，应将生成的水应除尽，否则影响产品的品质。
同时在过滤产品结晶物时，应注意温度的控制。
防止磺化混合物中邻间位异构物的析出。
操作过程流程简图如图1所示。
2.4.2实验过程
在带有搅拌，回流，滴液漏斗，温度计的四口烧瓶中加热32.2g的甲苯至沸腾，1h内滴加98%（质量分数）的浓硫酸10g后继续加热，用甲苯蒸汽将反应生成的水和浓硫酸中的水带走，甲苯冷凝回流。
当回流液中不再分出水时，终止反应，约5h。
将磺化混合物匀速冷却到80°C，一边搅拌一边滴加1g的水，形成晶体析出，固液充分搅拌后,趁热过滤，并用80°C的甲苯淋洗，得白色滤饼，经真空干燥后，即得对甲苯磺酸晶体，滤液洗液合并后，补充甲苯到32.2g，10g浓硫酸，其他条件相同，重复反应。
从理论上，循环反应的次数越多，总的收率越高。
但是随着循环反应次数的增加，甲苯的氧化产物和其他副产物在体系中不断积累，导致反应体系条件恶化，影响了产品的纯度。
在保证产品纯度的前提下尽可能增加循环反应的次数，经过实践论证，在以上的实验条件中，循环3次，则效果最佳，总的收率可达到85%以上【11】。
2.5工艺改进二
2.5.1改进原理
本文根据在甲苯磺化反应中，温度高有利于对甲苯磺酸的生成以及对甲苯磺酸一水化合物能从稀硫酸中结晶出来的原理，采用浓硫酸过量，把甲苯滴加到90~100℃的浓硫酸中反应，对本制备实验进行了改进【12】。
2.5.2实验步骤
在100mL四口烧瓶上安装电动搅拌器、温度计、滴液漏斗和回流冷凝管，加入20mL的浓硫酸，打开冷却水，搅拌加热至90~100℃，慢慢滴加15mL的甲苯，约30min滴加完。
加完后继续保温反应10min，油层消失表明反应完成，冷却，加入水5mL，慢慢冷却，有大量的白色晶体析出，冷却到室温，在砂芯漏斗上减压抽滤，得到白色晶体，为对甲苯磺酸一水化合物，收率84%【13】。
2.6实验改进的结果讨论
本改进工艺既节省了实验时间，在原料减少的情况下，又大大提高了产量，操作简单所以此工艺被广泛应用。
表2.6.1工艺一实验结果讨论
实验次数
产量/g
产率/%
1
15.4
88.0
循环1
15.05
86.5
循环2
14.97
85.7
循环3
14.73
84.2
循环4
14.11
81.6
运用反应-结晶法生产对甲苯磺酸，
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