CN115057800A

CN115057800A - 对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法

Info

Publication number: CN115057800A
Application number: CN202210896883.3A
Authority: CN
Inventors: 刘景亮; 邓新基; 王超; 刘洪飞; 孙文灵; 翟云霞; 荆红菲; 田园; 张华�; 吕维鹏; 肖帅; 刘传海
Original assignee: XZL BIO-TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: XZL BIO-TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2022-09-16
Anticipated expiration: 2042-07-28
Also published as: CN115057800B

Abstract

本发明属于化工新材料合成技术领域，具体涉及一种对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法。所述合成方法先将乙苯和三氧化硫进行磺化反应，中和后得到4‑乙基苯磺酸盐，再在N,N,N‑三羟基异氰尿酸氧化催化剂和醋酸的存在下，4‑乙基苯磺酸盐与氧气进行氧化反应，得到对苯乙烯磺酸盐。本发明反应过程中采用10~15wt.%低浓度的氢氧化钠或氢氧化钾进行中和，避免了大量NaCl或NaBr废盐的产生，合成过程清洁、环保；而且乙苯原料单价成本远低于β‑氯苯乙烷或β‑溴苯乙烷，使得合成成本大幅下降；另外本发明还大大提高了对苯乙烯磺酸盐的纯度。

Description

对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法

技术领域

本发明属于化工新材料合成技术领域，具体涉及一种对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法。

背景技术

对苯乙烯磺酸盐是一种用途很广泛的有机磺酸聚合单体，大量用于有机导电材料、乳液聚合稳定剂、感光材料等领域。虽然需求量不小，但现有的对苯乙烯磺酸盐的合成生产方法依然以氯苯乙烷或溴苯乙烷为原料，而上述原料在对苯乙烯磺酸盐的合成生产过程中，会产生大量的氯化钠或溴化钠废盐，污染非常严重。

中国专利CN106946745A公开一种对苯乙烯磺酸钠的制备方法，以β-溴苯乙烷为原料，经过以下反应过程合成对乙烯基苯磺酸钠。该专利会产生大量的溴化钠废盐，污染严重；同时含溴的β-溴苯乙烷原料价格猛涨，导致对苯乙烯磺酸盐合成成本大幅提高，这种合成方法的工艺竞争力很差。其反应式如下：

。

中国专利CN109836359A公开一种对苯乙烯磺酸钠的制备方法，以β-氯苯乙烷为原料，经过以下反应过程合成对乙烯基苯磺酸钠。该专利会产生大量的氯化钠废盐，污染严重；由于β-氯苯乙烷比β-溴苯乙烷便宜很多，尽管该方法的对苯乙烯磺酸盐合成成本明显下降，但氯乙基脱氯活性远低于溴乙基，对苯乙烯磺酸盐产品纯度较差。其反应式如下：

。

近几年，国内的对苯乙烯磺酸盐合成方法主要为上述两种，其合成成本高昂，产生大量的氯化钠或溴化钠废盐，废盐污染严重，无任何竞争优势。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，以乙苯为起始原料，经过磺化反应和氧化反应两步合成反应，没有大量NaCl或NaBr废盐产生，合成成本大幅下降。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：

本发明所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法是，先将乙苯和三氧化硫进行磺化反应，中和后得到4-乙基苯磺酸盐，再在N,N,N-三羟基异氰尿酸氧化催化剂和醋酸的存在下，4-乙基苯磺酸盐与氧气进行氧化反应，得到对苯乙烯磺酸盐。

其中：

所述的乙苯与三氧化硫的摩尔比为1:1.05~1.16，优选1:1.1。

所述的磺化反应温度为10~30℃，磺化反应时间为2~2.5h。

所述的氧化反应温度为40~60℃，氧化反应压力为0.2~0.6MPa。

进一步，本发明所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法包括以下步骤：

（1）磺化反应：将乙苯溶解在1,2-二氯乙烷中，通入三氧化硫气体进行磺化反应，用氢氧化钠或氢氧化钾进行中和，得到含水的4-乙基苯磺酸盐（B）；

（2）氧化反应：以N,N,N-三羟基异氰尿酸（C）作为氧化催化剂，甲醇为溶剂，醋酸为pH值调节剂，含水4-乙基苯磺酸盐与氧气进行氧化反应，得到对苯乙烯磺酸盐（A）。

其中：

步骤（1）中，乙苯与1,2-二氯乙烷的质量比为1:1~3。

步骤（1）中，氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为10~15wt.%，中和至pH=5~7。

步骤（2）中，N,N,N-三羟基异氰尿酸的用量为含水4-乙基苯磺酸盐质量的2~5%。

步骤（2）中，将含水4-乙基苯磺酸盐溶解在甲醇中，加入醋酸调节pH值，加入N,N,N-三羟基异氰尿酸（THICA）作为氧化催化剂，密封后通入氧气进行氧化反应，分离得到对苯乙烯磺酸盐。

步骤（2）中，甲醇与含水4-乙基苯磺酸盐的质量比为1:0.4~0.5。

加入醋酸调节pH值至4~5。

本发明的合成过程如下：

。

其中：M为K⁺或Na⁺离子。

本发明的有益效果如下：

本发明以乙苯为起始原料，经过磺化反应，用氢氧化钠或氢氧化钾进行中和，得到4-乙基苯磺酸盐；4-乙基苯磺酸盐再在N,N,N-三羟基异氰尿酸和醋酸的作用下与氧气发生氧化反应，生成对苯乙烯磺酸盐。

本发明4-乙基苯磺酸盐上的苯乙基在氧化过程中容易断裂，也就是连接苯环的α碳原子和第二个碳原子之间的键在氧化过程中容易断裂，这是由于苯环大π键的结构造成的。

而本发明在氧化过程中，以甲醇为溶剂，通过加入醋酸调节pH值4~5，提供了弱酸性环境，为脱水创造了条件，之后以N,N,N-三羟基异氰尿酸作为氧化催化剂高效催化O₂氧化4-乙基苯磺酸盐。在N,N,N-三羟基异氰尿酸的作用下，苯乙基被氧化形成α-羟基苯乙基后，由于弱酸环境的存在，α-羟基苯乙基迅速脱水裂解为烯键；另外，在O₂存在下，烯键不容易聚合，从而得到了对苯乙烯磺酸盐。

常规生产工艺在磺化反应后，采用浓度为40wt.%以上的氢氧化钠溶液中和磺化后的反应液；本发明在磺化反应后，采用浓度为10~15wt.%的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中和磺化后的反应液，大大降低了碱的浓度，反应条件更加温和，更加安全环保。

本发明避免了大量NaCl或NaBr废盐的产生，合成过程清洁、环保；而且乙苯原料单价成本远低于β-氯苯乙烷或β-溴苯乙烷，使得合成成本大幅下降；另外本发明的对苯乙烯磺酸盐纯度在95.6~96.8%之间，大大提高了对苯乙烯磺酸盐的纯度。

附图说明

图1是本发明实施例7中4-乙基苯磺酸钠的核磁图。

图2是本发明实施例1中对苯乙烯磺酸钠的核磁图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入425g乙苯（4.00mol）和500g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料25℃快速搅拌，缓慢通入353g三氧化硫气体（4.41mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在25℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入10wt.%NaOH溶液中和物料到pH=6，抽滤除去油层和硫酸钠水层，得到4-乙基苯磺酸钠含水固体927g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2200g甲醇、4-乙基苯磺酸钠含水固体927g和27.8g的N,N,N-三羟基异氰尿酸，不断搅拌下加入60g醋酸，调节物料pH值至4.5，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.4MPa和温度55℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钠晶体，然后抽滤，得到含水12.53wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体825g，HPLC分析纯度为95.6%，其核磁图如图2所示。

实施例2

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入424g乙苯（3.99mol）和424g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料20℃快速搅拌，缓慢通入336g三氧化硫气体（4.20mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在20℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入10wt.%KOH溶液中和物料到pH=5，抽滤除去油层和硫酸钾水层，得到4-乙基苯磺酸钾含水固体1021g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2200g甲醇、4-乙基苯磺酸钾含水固体1021g和20.5g的N,N,N-三羟基异氰尿酸（THICA），不断搅拌下加入70g醋酸，调节物料pH值至4，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.5MPa和温度50℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钾晶体，然后抽滤，得到含水6.43wt.%的对苯乙烯磺酸钾固体824g，HPLC分析纯度为96.2%。

实施例3

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入423g乙苯（3.98mol）和850g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料25℃快速搅拌，缓慢通入351g三氧化硫气体（4.38mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在25℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入13wt.%NaOH溶液中和物料到pH=6，抽滤除去油层和硫酸钠水层，得到4-乙基苯磺酸钠含水固体949g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2370g甲醇、4-乙基苯磺酸钠含水固体949g和45g的N,N,N-三羟基异氰尿酸（THICA），不断搅拌下加入70g醋酸，调节物料pH值至5，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.2MPa和温度55℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钠晶体，然后抽滤，得到含水11.84wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体842g，HPLC分析纯度为96.1%。

实施例4

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入424g乙苯（3.99mol）和850g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料30℃快速搅拌，缓慢通入350g三氧化硫气体（4.37mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在30℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入10wt.%KOH溶液中和物料到pH=7，抽滤除去油层和硫酸钾水层，得到4-乙基苯磺酸钾含水固体1063g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2200g甲醇、4-乙基苯磺酸钾含水固体1063g和45g的N,N,N-三羟基异氰尿酸，不断搅拌下加入60g醋酸，调节物料pH值至4.5，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.3MPa和温度60℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钾晶体，然后抽滤，得到含水11.3wt.%的对苯乙烯磺酸钾固体894g，HPLC分析纯度为96.6%。

实施例5

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入423g乙苯（3.98mol）和1050g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料10℃快速搅拌，缓慢通入368g三氧化硫气体（4.60mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在10℃搅拌反应2.5h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入15wt.%NaOH溶液中和物料到pH=6，抽滤除去油层和硫酸钠水层，得到4-乙基苯磺酸钠含水固体938g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2200g甲醇、4-乙基苯磺酸钠含水固体938g和45g的N,N,N-三羟基异氰尿酸，不断搅拌下加入60g醋酸，调节物料pH值至4.5，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.6MPa和温度40℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钠晶体，然后抽滤，得到含水10.89wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体833g，HPLC分析纯度为96.8%。

实施例6

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入424g乙苯（3.99mol）和1270g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料25℃快速搅拌，缓慢通入350g三氧化硫气体（4.37mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在25℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入10wt.%KOH溶液中和物料到pH=6，抽滤除去油层和硫酸钾水层，得到4-乙基苯磺酸钾含水固体1055g；

在5000ml不锈钢高压釜中，加入2110g甲醇、4-乙基苯磺酸钾含水固体1055g和52.7g的N,N,N-三羟基异氰尿酸（THICA），不断搅拌下加入60g醋酸，调节物料pH值至4，然后高压釜密封后通入氧气，保持氧气压力在0.4MPa和温度50℃，直到不再吸氧，反应釜压力不再下降，继续搅拌反应2小时，反应结束；

高压釜物料降到室温后，减压除去大部分含水甲醇，析出大量对苯乙烯磺酸钾晶体，然后抽滤，得到含水12.46wt.%的对苯乙烯磺酸钾固体906g，HPLC分析纯度为95.7%。

实施例7

在带水浴冷却和球型冷凝器的3000ml三口瓶中，加入425g乙苯（4.00mol）和500g的1,2-二氯乙烷，水浴冷却保持物料25℃快速搅拌，缓慢通入353g三氧化硫气体（4.41mol），反应迅速放热，SO₃通入完毕后，继续保持在25℃搅拌反应2h，物料不再放热升温，反应结束；保持在室温下加入10wt.%NaOH溶液中和物料到pH=6，抽滤除去油层和硫酸钠水层，得到4-乙基苯磺酸钠含水固体927g，其核磁图如图1所示。

对比例1

在氧化过程中不添加N,N,N-三羟基异氰尿酸，其余步骤同实施例1。得到含水11.0wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体516g，HPLC分析纯度为76.3%。

对比例2

在氧化过程中加入醋酸调节物料pH值至3，其余步骤同实施例1。得到含水10.2wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体564g，HPLC分析纯度为78.2%。

对比例3

在氧化过程中加入醋酸调节物料pH值至6，其余步骤同实施例1。得到含水9.8wt.%的对苯乙烯磺酸钠固体608g，HPLC分析纯度为80.7%。

由实施例1-7和对比例1-3可知，本发明氧化过程中，采用的N,N,N-三羟基异氰尿酸以及pH值的调节步骤，均对本发明起到了至关重要的作用，达到了本发明的目的。

实施例和对比例中的对苯乙烯磺酸盐的纯度分析方法：抽滤后的对苯乙烯磺酸盐滤饼小样溶于无水甲醇:纯水=2:1（质量比）的溶液中，配制成浓度10wt.%的对苯乙烯磺酸盐溶液，然后进行HPLC色谱分析。

Claims

1.一种对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：先将乙苯和三氧化硫进行磺化反应，中和后得到4-乙基苯磺酸盐，再在N,N,N-三羟基异氰尿酸氧化催化剂和醋酸的存在下，4-乙基苯磺酸盐与氧气进行氧化反应，得到对苯乙烯磺酸盐。

2.根据权利要求1所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：乙苯与三氧化硫的摩尔比为1:1.05~1.16。

3.根据权利要求1所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：磺化反应温度为10~30℃，磺化反应时间为2~2.5h。

4.根据权利要求1所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：氧化反应温度为40~60℃，氧化反应压力为0.2~0.6MPa。

5.根据权利要求1~4任一所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）磺化反应：将乙苯溶解在1,2-二氯乙烷中，通入三氧化硫气体进行磺化反应，用氢氧化钠或氢氧化钾进行中和，得到含水4-乙基苯磺酸盐；

（2）氧化反应：以N,N,N-三羟基异氰尿酸作为氧化催化剂，甲醇为溶剂，醋酸为pH值调节剂，含水4-乙基苯磺酸盐与氧气进行氧化反应，得到对苯乙烯磺酸盐。

6.根据权利要求5所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：步骤（1）中，乙苯与1,2-二氯乙烷的质量比为1:1~3；步骤（1）中，氢氧化钠或氢氧化钾的浓度为10~15wt.%，中和至pH=5~7。

7.根据权利要求5所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：步骤（2）中，N,N,N-三羟基异氰尿酸的用量为含水4-乙基苯磺酸盐质量的2~5%。

8.根据权利要求5所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：步骤（2）中，将含水4-乙基苯磺酸盐溶解在甲醇中，加入醋酸调节pH值，加入N,N,N-三羟基异氰尿酸作为氧化催化剂，密封后通入氧气进行氧化反应，分离得到对苯乙烯磺酸盐。

9.根据权利要求8所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：甲醇与含水4-乙基苯磺酸盐的质量比为1:0.4~0.5。

10.根据权利要求8所述的对苯乙烯磺酸盐的清洁合成方法，其特征在于：加入醋酸调节pH值至4~5。