溶剂法合成对乙酰氨基苯磺酰氯的研究

2020-05-08张天永李小康姜爽李彬史继星

应用化工 2020年3期

张天永，李小康，姜爽，2，李彬，史继星

(1.天津大学化工学院天津市应用催化科学与工程重点实验室，天津 300354；2.天津化学化工协同创新中心，天津 300072；3.天津市功能精细化学品技术工程中心，天津 300354)

对乙酰氨基苯磺酰氯(ASC)是制备磺胺类药物[1-3]以及活性染料的重要中间体[4]，市场需求量很大。还广泛应用于涂料、塑料、农药等领域[5-6]。目前工业制备ASC的工艺采用过量较多的氯磺酸对乙酰苯胺进行氯磺化[7]，收率不太高，而且产生大量的废酸，不符合绿色环保的理念。近几年有学者对传统工艺进行改进，如添加CCl4为溶剂来降低反应液的粘度[8]，提高了ASC的收率，但是收率依然不是太高，且废酸也较多。

为了降低氯磺酸的用量和提高ASC收率，本文采用四氯乙烯为溶剂和后期添加SOCl2的新工艺，对影响产品收率的关键因素进行了详细研究。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

乙酰苯胺(纯度98%)，工业品；氯磺酸(纯度99%)、四氯乙烯(纯度98%)、乙腈(纯度99%)、SOCl2(纯度99%)均为分析纯。

HPLC1100 Agilent型高效液相色谱仪；APVANCE III HD 400M型核磁共振波谱仪；Shimadzu NICOLET 38型红外光谱仪；DF-101S(2L)型集热式恒温加热磁力搅拌装置；SHZ(B)-D(Ⅲ)型循环水真空泵。

1.2 实验方法

将氯磺酸27.34 g和50 g四氯乙烯加入到四口烧瓶中，冷却到15 ℃，开启搅拌。0.5 h内分批加入乙酰苯胺13.8 g，温度不高于12 ℃。搅拌30 min之后，升温，控制温度在45 ℃。反应60 min。滴加13.2 g SOCl2，滴加过程中保持温度在56～60 ℃。滴加完毕之后，将温度升温至65 ℃，保温反应1.5 h。反应结束后，静止分层。分出上层溶剂，直接回收。将下层磺化液缓慢加入冰水中析晶。过滤，滤饼烘干。

1.3 分析方法

1.3.1 ASC的纯度用高效液相色谱检测，检测条件：HPLC1100 Agilent型液相色谱仪，色谱柱：ZORBAX SB-C18反相色谱柱(4.6 mm×250 mm，10 μm)，流动相为乙腈和去离子水的混合物(体积比为70∶30)，流速为1 mL/min，检测器为紫外检测器，检测波长285 nm，柱温为40 ℃。

1.3.2 红外检测 ASC的红外光谱利用溴化钾压片法测定。

1.3.31H NMR检测将ASC用氘代DMSO溶剂溶解来测1H NMR。

2 结果与讨论

2.1 新工艺反应原理

传统的氯磺化工艺是利用大量的氯磺酸与乙酰苯胺反应生成ASC。其中氯磺化反应分为两个阶段，第一阶段主要是磺化阶段，生成对乙酰氨基苯磺酸；第二阶段主要是氯化生成ASC，反应方程如下。

(1)

(2)

有学者用PCl5代替部分氯磺酸，收率仅为85.4%，此方法降低了氯磺酸的用量，但收率不太高[9]。还有工艺用SO3作磺化剂，SOCl2作氯化剂，收率能达到97%[10]，但是由于SO3是气体，含量不好控制，操作设备也较复杂，不宜工业化生产推广。

本文工艺是第一阶段在四氯乙烯溶剂中用氯磺酸磺化，在第二阶段用SOCl2代替部分氯磺酸完成氯化阶段。SOCl2是较强的氯化剂[11-12]，氯化效果高于氯磺酸，反应产生的杂质也较少，可大大减少了氯磺酸的用量。而且生成的二氧化硫和氯化氢气体不断脱离反应体系，这样有利于反应正向移动，见反应方程式(3)。

(3)

2.2 溶剂的选择

目前工业生产ASC工艺中，由于未加溶剂，导致反应液比较粘稠，物料混合不均匀，反应不充分，收率较低。而添加溶剂能有效地降低混合物粘度，使反应体系的流动性增大，更加有利于反应均匀进行[13]。但是由于氯磺酸非常活泼，醇类、酮类、芳香烃等都易与氯磺酸发生反应，故可供选择的溶剂非常少。同时溶剂的选择还要考虑沸点、熔点、溶解性、成本、溶剂回收等因素。本实验选取的一些溶剂的实验结果见表1。

表1 不同溶剂的比较

由表1可知，大部分溶剂都与氯磺酸反应，仅仅只有CCl4、四氯乙烯、二氯乙烷、四氯乙烷不与氯磺酸反应。尽管二氯乙烷和四氯乙烷不与氯磺酸反应，但是这两种溶剂对乙酰苯胺的溶解性较强，对ASC的吸附性较大，导致同样的反应条件，反应结束以后，得到的ASC比较粘稠。将粘稠的ASC进行真空干燥，也得不到松散的粉末。原因是溶剂包裹在ASC里面，与ASC的吸附性较大，导致得不到干品，而且溶剂回收率较低，因此四氯乙烷和二氯乙烷不适合作溶剂。只有CCl4和四氯乙烯相对较好。

对这两种溶剂及其混合溶剂分别进行了进一步研究，反应条件是第一阶段45 ℃反应1 h，第二阶段65 ℃反应1.5 h，各反应组分投料摩尔比为乙酰苯胺∶氯磺酸∶SOCl2=1∶2.5∶1.1，溶剂为50 g，混合溶剂是四氯乙烯∶CCl4=1∶1，结果见表2。

表2 不同溶剂对收率的影响

2.3 投料比对反应的影响

45 ℃反应1 h，65 ℃反应1.5 h，投料比的影响见图1。

图1 乙酰苯胺与氯磺酸摩尔比对收率的影响

由图1可知，当投料比为1∶2.5时，收率较高，达到97%左右，如果继续增加氯磺酸的用量，收率变化不大。

2.4 温度对反应的影响

第一阶段和第二阶段反应温度的影响见表3和表4。

由表3可知，随着温度的升高，收率逐渐降低，当第一阶段温度为45 ℃时，收率较高。

由表4可知，第二阶段温度为65 ℃时，收率较高，如果继续升高温度，对反应的影响不大。

表3 第一阶段温度对收率的影响

注：乙酰苯胺∶氯磺酸∶SOCl2=1∶2.3∶1.1，第二阶段65 ℃反应1.5 h。

表4 第二阶段温度对收率的影响

注：乙酰苯胺∶氯磺酸∶SOCl2=1∶2.3∶1.1，第一阶段45 ℃反应1 h。

2.5 反应时间的影响

通过HPLC对反应进行跟踪检测，每30 min检测一次。第一阶段和第二阶段反应时间对反应的影响见表5和表6。

表5 第一阶段时间对收率的影响

注：乙酰苯胺∶氯磺酸∶SOCl2=1∶2.3∶1.1，第一阶段温度45 ℃；第二阶段65 ℃反应1.5 h。

表6 第二阶段时间对收率的影响

注：乙酰苯胺∶氯磺酸∶SOCl2=1∶2.3∶1.1，第一阶段45 ℃反应1 h，第二阶段温度65 ℃。

由表5可知，反应1 h时，收率较高，继续延长，收率变化并不大。可能原因是由于磺化反应是比较快速的亲电取代反应，因此短时间之内就反应完成，继续增加时间，对反应的影响并不大。由表6可知，随着时间的延长，收率增加，氯化时间为1.5 h时，收率较高。如果继续增加时间，收率变化不大，可能是由于反应达到完全。

2.6 SOCl2量对反应的影响

由于SOCl2与对乙酰氨基苯磺酸反应生成ASC，可代替氯磺酸氯化生成ASC，这样就能减少氯磺酸的用量，又能减少废酸的产生。因此对SOCl2的用量进行了研究。第一阶段45 ℃反应1 h，第二阶段65 ℃反应1.5 h，乙酰苯胺∶氯磺酸投料摩尔比为1∶2.3，四氯乙烯为50 g，乙酰苯胺与SOCl2的摩尔比对反应的影响见图2。