CN102408364A - 一种制备对甲苯磺酰氯的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对甲苯磺酰氯的制备方法，在有机碱为催化剂的条件下在惰性有机溶剂中对甲苯磺酸铵与二（三氯甲基）碳酸酯（俗称“三光气”）进行反应，合成对甲苯磺酰氯。本制备方法具有原料方便易得、工艺简单、反应条件温和、提纯容易、工艺适合放大生产的优点。制备的对甲苯磺酰氯是一种重要的精细化工产品，可用于制备染料中间体、合成倍他美松、甲磺灭隆等十余种抗菌药和消炎药的中间体以及用于塑料增塑剂、树脂、涂料、农药及感光材料的合成。

Description

一种制备对甲苯磺酰氯的方法

技术领域

本发明涉及一种对甲苯磺酰氯的制备方法。

背景技术

对甲苯磺酰氯，即4-甲基磺酰氯，英文名为4-toluene sulfonyl chloride，CAS号为98-59-9，分子式为C₇H₇ClO₂S，分子量为190.65，熔点为69-71℃，沸点为145℃/2.0kPa。对甲苯磺酰氯是一种重要的精细化工产品，它广泛地应用于染料、医药工业中。它可以用作基本原料用于制备冰染染料、分散染料和有机颜料的中间体。它是重要的有机合成药物原料，主要用于氨磺氯霉素、氯氨-T、甲砜霉等药物的合成。在医药工业中用于合成倍他美松，甲磺灭隆等十余种抗菌药和消炎药的中间体。它还可以用于塑料增塑剂、树脂、涂料、农药及感光材料的合成。它在农药工业方面，主要用于生产甲基磺草酮、磺草酮、精草霜灵等。随着染料、医药和农药行业的不断发展，国际上对该品种的需求量日益增长，尤其是欧美市场前景广阔。

经报道，按照原料不同，对甲苯磺酰氯的合成路线主要有以下几种：

方法A：以对甲苯磺酸、氯气和S₂Cl₂为原料制备对甲苯磺酰氯，该方法需要使用氯气等剧毒性限制化学品，不具备原料优势，因此限制了其在工业上面的放大应用。

方法B：以对甲苯磺酰胺为原料，与光气(如DE2743541、GB1283756)或氯化亚砜(如DE2743540)或三氯氧磷(如JP02108661)或五氯化磷(如Synthesis，1974，12，877)反应来制备对甲苯磺酰氯。这些方法的缺点是：(1)氯化亚砜法会产生污染环境的二氧化硫副产物且氯化亚砜的原料成本较高；(2)光气法中的光气为剧毒气体，使用不安全；(3)三氯氧磷法或五氯氧磷法生成的副产物亚磷酸或磷酸难以除去，影响产品质量。

方法C：以甲苯、氯磺酸和氯化铵为原料，N，N-二甲基乙酰胺或三乙胺为催化剂，经过磺化、酰氯化反应制备对甲苯磺酰氯(JP平2-204476)。该方法不仅需要较高的反应温度，而且产生大量的三废，有大量的稀硫酸废液生成，同时分离后的磺化油利用价值低。

方法D：以甲苯、氯磺酸为原料，以N，N-二甲基乙酰胺或三乙胺为催化剂制备对甲苯磺酰氯(JP平3-31251)。此方法的主要产物为邻甲苯磺酰氯，对甲苯磺酰氯只是反应的副产物，而且二者难以分离，生产能耗较大。

方法E：以甲苯、氯磺酸、氯化亚砜为原料，以氨基磺酸为催化剂，制备对甲苯磺酰氯。该路线中氯化亚砜的使用导致产品成本较高，工业应用前景不好。

方法F：中国专利CN1687024A中报道了以芳基磺酸钠或芳基磺酸钾为原料制备芳基磺酰氯的方法。专利中指出由芳基磺酸钠或芳基磺酸钾与三光气反应，以有机胺为催化剂，在惰性有机溶剂中回流反应得到芳基磺酰氯。然后将反应液过滤，滤液经减压蒸馏回收有机溶剂，剩余物减压分馏或重结晶得所述产物。得到的芳基磺酰氯的纯度大于97％，芳基磺酰氯的收率大于85％。采用该方法制备对甲苯磺酰氯，制备方法简单，得到的产品纯度较高，产生的三废量少，是一条绿色的反应路线。但该专利中的后所处理方法仍采用传统的提纯方法，需要在滤液脱溶后再进行减压精馏操作或加入结晶用溶剂进行结晶提纯操作。在工业上应用时需要增加后续提纯操作的设备投入。

国内厂家大多采用方法C来生产对甲苯磺酰氯，因为该工艺具有操作步骤少，反应周期短等特点，但同时存在着邻对位异构体不易分离，产品质量较差等缺点。日本专利JP50100035报道的经过改进的过量氯磺酸法中提到将1mol苯与2.8mol氯磺酸反应，用60％稀硫酸吸收多余的氯磺酸，得到收率为85％、纯度为93％的苯氯磺酸。该工艺使用的大量酸性原料腐蚀设备，而且收率较低，产生的酸性废水量大，严重污染环境。

对于对甲苯磺酰氯的提纯方法，目前主要有两种(甲苯磺酰胺的合成[J]，辽宁化工，1991(3)，21-25)，一是冷冻分离法，二是减压精馏法。冷冻分离法是将得到的混合苯磺酰氯在-20～0℃的条件下，冷冻一段时间后，对位产品结晶析出，邻位产品仍为油状物，再经离心机分离而得到合格产品。减压蒸馏法是根据邻对位异构体在1.388～2.660kpa下的沸点差异进行分离。分离步骤均比较复杂。

综上所述，现行的对甲苯磺酰氯制备技术均存在不足，需要开发一条绿色环保的对甲苯磺酰氯生产路线和与之配套的提纯方法，减少环境污染，实现低碳循环经济。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绿色环保的对甲苯磺酰氯生产路线，具有原料方便易得、工艺简单、反应条件温和、提纯容易、工艺适合放大生产的优点。

为达到发明目的本发明采用的技术方案是：

一种对甲苯磺酰氯的制备方法，对甲苯磺酸铵与二(三氯甲基)碳酸酯(俗称“三光气”)在有机碱为催化剂的条件下在惰性有机溶剂中进行反应，合成对甲苯磺酰氯。反应方程式如下所示：

上述有机碱系优选自由下列化合物组成的群组：二乙胺、三乙胺、吡啶、甲基吡啶、2-甲基吡啶、二甲基吡啶、咪唑、2-甲基咪唑、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基乙酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮。

上述惰性有机溶剂系优选自由下列化合物组成的群组：三氯甲烷、1，2-二氯乙烷、四氯化碳、甲苯、乙酸乙酯、石油醚。

上述对甲苯磺酸铵、二(三氯甲基)碳酸酯和有机碱的投料摩尔比例优选为1∶0.20～1.00∶0.01～0.10，进一步优选为1∶0.35～0.50∶0.01～0.10。

上述惰性有机溶剂的用量一般为对甲苯磺酸铵质量的2～50倍，优选为3～8倍。

本发明所述对甲苯磺酰氯的制备过程为：在反应容器中加入对甲苯磺酸铵、有机碱和惰性有机溶剂，开动搅拌，在室温下将二(三氯甲基)碳酸酯缓慢匀速加至反应容器中，二(三氯甲基)碳酸酯可以直接分批加至反应容器，也可以与上述惰性有机溶剂配成溶液后滴加至反应容器，加料时间优选为5～60min，进一步优选为10～30min，加料完成进行保温，保温时间优选为10～120min，进一步优选为20～50min，然后升温至体系内出现明显回流现象，保持回流条件下反应，回流反应时间选为30～600min，进一步优选为180～300min。反应完成后将反应液过滤，蒸馏滤液回收大部分惰性有机溶剂，将余下的滤液降温至-10℃～0℃，静置10～40小时后所述产品对甲苯磺酰氯结晶析出。蒸馏滤液回收大部分惰性有机溶剂后，余下的滤液中惰性有机溶剂与对甲苯磺酰氯的质量比为0.1～0.6∶1。

本发明相比于现有技术，具有以下优点：

(1)二(三氯甲基)碳酸酯(俗称“三光气”)在室温下为固体，沸点为205-206℃，即使在沸腾时也仅分解出微量的光气，是一种稳定的固体化合物，作为光气和双光气在合成中的替代产品，三光气毒性较低使用起来安全方便；

(2)以对甲苯磺酸铵为起始原料与二(三氯甲基)碳酸酯(俗称“三光气”)反应制备对甲苯磺酰氯，反应的副产物为氯化铵和二氧化碳，均为无毒无害物质，其中氯化铵不溶于反应用的有机溶剂，为固体沉淀在反应器底部，可经过滤除去，二氧化碳可以直接排放；

(3)产物分离提纯方法简单，不需要使用冷冻分离法或减压精馏法；

(4)原料方便易得，工艺简单，反应条件温和，工艺适合放大生产。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例1

反应器为容积为250ml的三口烧瓶，配有温度计，机械搅拌、回流冷凝管和干燥管。在烧瓶中一次性加入18.9g对甲苯磺酸铵(100mmol)、0.73g的N，N-二甲基甲酰胺(10mmol)和50g的二氯乙烷。开动搅拌，在室温下将溶有三光气的二氯乙烷溶液(其中含有10g三光气(34mmol)，50g的二氯乙烷)缓慢匀速滴加至反应烧瓶中，滴加时间为30min，滴加后保温30min。保温后升温至体系内出现明显回流现象，保持回流条件下反应三小时。反应液冷却后过滤除去滤饼氯化铵，得到的滤液进行减压蒸馏操作，回收得到92g二氯甲烷后将剩余滤液放置在温度为-10℃-0℃冷库中，放置时间为24小时，得到16.5g白色针状结晶物，色谱分析其中对甲苯磺酰氯的纯度为98.5％，收率为85.31％。

实施例2～7

改变有机碱催化剂的种类及用量，其他反应条件与原料投料量与实施例1相同。实验结果如下表1所示：

表1

由表1中结果可以看出，使用不同种类的有机胺为催化剂均可以得到较好的实验效果，催化剂用量多，则对甲苯磺酰氯的收率稍高，但是对产品纯度无大的影响。

实施例8～13

以N，N-二乙基乙酰胺为有机胺，改变反应中使用的溶剂种类及使用量，反应后将滤液蒸馏回收92％的有机溶剂后再进行结晶操作。其他反应条件与原料投料量与实施例1相同。实验结果如下表2所示：

表2

由表2中结果可以看出，使用不同种类的惰性有机溶剂均可以得到较好的实验效果，但是以三氯甲烷为溶剂时，得到的对甲苯磺酰氯结晶纯度稍低，在乙酸乙酯与石油醚中产品结晶性能好，得到的产品纯度高。

实施例14～18

以N，N-二乙基乙酰胺为有机胺，以乙酸乙酯与石油醚的等质量比混合液为溶剂，溶剂使用量为80g溶剂/18.9g对甲苯磺酰氯。改变反应中三光气的使用量，其他反应条件与原料投料量与实施例1相同。实验结果如下表3所示：

表3

序号	三光气：对甲苯磺酸铵/mol比	产品纯度/％	产品收率/％
				实施例14	0.40	98.85	89.07
实施例15	0.45	98.02	89.21
				实施例16	0.50	97.55	89.32
实施例17	0.80	96.08	86.85
				实施例18	1.00	95.47	85.32

由表3中结果可以看出，增加三光气的用量，对甲苯磺酰氯的收率先增加再降低。三光气使用量过高时，剩余的三光气会随着对甲苯磺酰氯的结晶而析出而影响产品质量。

实施例19～23

以N，N-二乙基乙酰胺为有机胺，以乙酸乙酯与石油醚的等质量比混合液为溶剂，溶剂使用量为80g溶剂/18.9g对甲苯磺酰氯，三光气用量为三光气∶对甲苯磺酸铵＝0.40∶1(mol比)，改变回流反应时间，其他反应条件与原料投料量与实施例1相同。实验结果如下表4所示：

表4

序号	回流反应时间/hr	产品纯度/％	产品收率/％
				实施例19	0.5	96.32	81.13
实施例20	1.5	97.25	84.44
				实施例21	3	98.79	89.07
实施例22	5	98.85	89.45
				实施例23	10	98.95	89.58

由表4中结果可以看出，延长回流反应时间，反应收率增加。为节省生产周期，合适的回流反应时间为30～600min。

实施例24～28

以N，N-二乙基乙酰胺为有机胺，以乙酸乙酯与石油醚的等质量比混合液为溶剂，溶剂使用量为80g溶剂/18.9g对甲苯磺酰氯，三光气用量为三光气∶对甲苯磺酸铵＝0.40∶1(mol比)，回流反应时间为4hr，其他反应条件与原料投料量与实施例1相同。反应后蒸馏除去部分的有机溶剂后再进行结晶操作，除去不同比例的有机溶剂，实验结果如下表5所示：

表5

在同样的结晶温度下，进行产品的结晶提纯，随着使用的结晶溶剂量的不同，产品的纯度与产品的收率有很大的变化。增加溶剂的使用量，三光气和对甲苯磺酸铵更多的溶解在溶剂中，因此得到的产品纯度增高。但是，仍有一部份的对甲苯磺酰氯溶解在溶剂中未结晶析出，因此产品收率降低。

Claims (10)

1.一种对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于对甲苯磺酸铵与二(三氯甲基)碳酸酯在有机碱为催化剂的条件下在惰性有机溶剂中进行反应，合成对甲苯磺酰氯。

2.按照权利要求1所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述有机碱系选自由下列化合物组成的群组：二乙胺、三乙胺、吡啶、甲基吡啶、2-甲基吡啶、二甲基吡啶、咪唑、2-甲基咪唑、N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二乙基乙酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮。

3.按照权利要求1所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述惰性有机溶剂系选自由下列化合物组成的群组：三氯甲烷、1，2-二氯乙烷、四氯化碳、甲苯、乙酸乙酯、石油醚。

4.按照权利要求1所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述对甲苯磺酸铵、二(三氯甲基)碳酸酯和有机碱的投料摩尔比例为1∶0.20～1.00∶0.01～0.10。

5.按照权利要求4所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述对甲苯磺酸铵、二(三氯甲基)碳酸酯和有机碱的投料摩尔比例为1∶0.35～0.50∶0.01～0.10。

6.按照权利要求6所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述惰性有机溶剂的用量为对甲苯磺酸铵质量的3～8倍。

7.按照权利要求1所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于回流反应时间为30～600分钟。

8.按照权利要求8所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于回流反应时间为180～300分钟。

9.按照权利要求1所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于提纯方法为：将反应液过滤，蒸馏滤液回收大部分惰性有机溶剂，将余下的滤液降温至-10℃～0℃，静置10～40小时后所述产品对甲苯磺酰氯结晶析出。

10.按照权利要求10所述的对甲苯磺酰氯的制备方法，其特征在于所述余下的滤液中惰性有机溶剂与对甲苯磺酰氯的质量比为0.1～0.6∶1。