CN117777194B - 一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法 - Google Patents
一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法，属于精细有机化学合成领域。该方法包括步骤：将三苯基膦溶于有机溶剂中，加入三氧化硫γ‑SO3在微通道反应器中进行磺化反应；滴加有机钠碱的醇溶液，搅拌析晶过滤，得到目标产物粗品；将粗品用水溶解，滴入乙醇析晶，过滤得到纯的三苯基膦三间磺酸钠盐成品。本发明采用在微通道反应器中三氧化硫γ‑SO3直接磺化三苯基膦，反应性能优越，清洁无污染，产品质量高；且使用有机溶剂体系，相较于硫酸体系大大降低了安全风险，无大量废酸产生，后处理无需萃取浓缩等繁复操作，且能明显提高产物三苯基膦三间磺酸钠盐的收率和纯度。
Description
技术领域
本发明属于精细有机化学合成领域，更具体的涉及一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法。
背景技术
三苯基膦三间磺酸钠盐（TPPTS）主要用作有机催化反应中的膦配体，可以和过渡金属铑以及金属钯配位形成具有催化活性的催化剂以催化两相有机反应。相比于纯粹的三苯基膦，三苯基膦三间磺酸钠盐的水溶性使得它能在水相中能更好的和催化剂络合，并且反应完成后其会以盐的形式溶于水中，便于回收利用。
目前合成三苯基磷三间磺酸钠盐的方法为化学合成法，使用间歇反应釜滴加发烟硫酸或氯磺酸的方式，其中主要有如下两种方法：
方法一：将三苯基膦TPP溶于硫酸中，滴加氯磺酸磺化，于5-10℃反应20小时（参见专利申请CN112724170 A）。
该方法缺点包括：1、三苯基膦随磺化加深越难磺化，磺化反应不完全，反应易得未完全磺化杂质。2、反应时间过长，磷原子易被氧化生成氧化物杂质，且该杂质难以去除。
方法二：以硫酸为溶剂，滴加含20%三氧化硫的发烟硫酸，于25-30℃反应20小时（参见专利申请CN100371074 C）。
该方法缺点包括：1、发烟硫酸与三苯基膦反应会有水生成，会降低发烟硫酸浓度，使磺化难以深入。2、同上反应时间过长易生成难以去除的由磷原子被氧化生成的氧化物杂质。3、大量发烟硫酸堆积，发烟硫酸遇水、有机物、氧化剂等易发生爆炸。
综上两种方法均有如下缺点：
1、由于磺化难度加大，反应难以完全磺化；
2、反应时间过长，则磷原子会被氧化生成氧化物杂质，影响产品质量；
3、后处理繁复，产品水溶性好难以提取；
4、大量强腐蚀性溶剂对设备损耗大及人员安全性问题难以保障；
5、大量废酸处理大大增加生产成本。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出了一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法。
2、本发明所采用的技术方案。
一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法，其步骤包括：
（1）将三苯基膦溶于有机溶剂中，加入三氧化硫γ-SO3在微通道反应器中进行磺化反应；
（2）滴加有机钠碱的醇溶剂，搅拌析晶过滤，得到目标产物粗品；
（3）将粗品用水溶解，滴入乙醇析晶，过滤得到纯的三苯基膦三间磺酸钠盐成品。
其反应式为：
微通道反应器反应模块特征尺寸小，其传热、传质效率远大于传统间歇式反应器，适于进行强放热反应过程，如磺化，硝化等。
优选的，所述步骤（1）中有机溶剂采用1,2-二氯乙烷或二氯甲烷，溶剂质量为三苯基膦质量的1~20倍。
优选的，步骤（1）中三苯基膦与三氧化硫γ-SO3的摩尔比为1：3~4.6。
优选的，步骤（2）中有机钠碱的醇溶液为质量百分含量30%的甲醇钠甲醇溶液或乙醇钠乙醇溶液，有机钠碱的醇溶液使用量为三苯基膦质量的5~10倍，以使Na+交换上去。
优选的，步骤（1）中先将三苯基膦的有机溶剂温度调节至10-30℃，以20-50mL/min的流速通入微通道反应器中，三氧化硫液体γ-SO3以1.5-2.5mL/min或三氧化硫气体γ-SO3以5g/min的流速通入微通道反应器中与三苯基膦进行反应，反应温度控制在10-30℃，反应产物降温至5-10℃后排出微通道反应器。
优选的，所述步骤（3）中将粗品加于等质量水中加温溶解，滴加乙醇，搅拌析晶后降温至0-10℃，过滤得三苯基膦三间磺酸钠盐成品。
3、本发明所产生的技术效果。
1、用三氧化硫γ-SO3直接磺化三苯基膦，反应性能优越，清洁无污染，产品质量高，三氧化硫具有经济性。
2、使用有机溶剂体系，相较于硫酸体系大大降低了安全风险，无大量废酸产生，产物易于分离，后处理无需萃取浓缩等繁复操作，主产物TPPTS转化率高达98%以上。
3、使用微通道反应器代替传统间歇式反应器，利用其高效的传热效率，使反应温度能更好的控制，更容易得到高质量的产物。
4、使用微通道的反应方式，反应速度快，持液量小，从而大大提升了反应效率及安全性。
附图说明
图1为各实施例中使用的微通道反应器连接示意图。
具体实施方式
实施例1：
（1）预先配置60.0 g（0.18g/mL，1eq.）三苯基膦的1,2-二氯乙烷溶液（按10.0g（0.038mol）三苯基膦溶于50.0g 1,2-二氯乙烷比例配制），三苯基膦溶液加入原料储罐中。微通道反应器（康宁AFR®G1）通入氮气吹扫反应通路，确保反应通路无水无氧。反应器背压阀调节压力至5bar，开启柱塞泵以30mL/min（20.6mmol/min）流速泵入第一反应模块中预热至30℃；9.2g（0.114mol，3eq.）三氧化硫液体γ-SO3（密度：1.98 g/mL）以2.5mL/min（61.9mmol/min）的流速通过流量控制器后直接泵入第二反应模块中与原料三苯基膦反应，微通道反应器反应模块温度控制在30℃。取样TLC检测，原料三苯基膦基本消失，反应结束。反应液通入微通道反应器降温模块（降温模块温度控制在5℃进行降温），反应液降温后流出微通道反应器至反应液储罐得69.0g黄色液体；
（2）将反应液储罐中气体排出，氮气吹扫残留的三氧化硫。反应液降温至10℃以下滴加30g质量分数30%的甲醇钠的甲醇溶液，析出固体，过滤得粗品26.4g；
（3）将粗品加入26.4g水中，搅拌升温至50℃溶解完全，缓慢滴入400mL乙醇，搅拌析晶1h后降温至0℃，过滤得到三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥至恒重得21g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率96.8%，HPLC检测纯度98.85%。
实施例2：
（1）预先配制210.0g（0.06g/mL，1eq.）三苯基膦的二氯甲烷溶液（按10.0g（0.038mol）三苯基膦溶于200.0g二氯甲烷比例配制）加入至原料储罐中，微通道反应器（康宁AFR®G1）通入氮气吹扫反应通路，确保反应通路无水无氧。反应器背压阀调节压力至10bar，三苯基膦溶液通过柱塞泵以50mL/min（11.4mmol/min）流速泵入微通道反应器第一反应模块中，反应模块预热至50℃；10.0g（0.125mol，3.3eq.）三氧化硫液体γ-SO3（密度：1.98 g/mL）以1.5mL/min（37.5mmol/min）的流速通过流量控制器泵入微通道反应器第二反应模块中，与原料三苯基膦反应，微通道反应器反应模块控制温度在50℃。取样TLC检测，原料三苯基膦基本消失，反应结束。反应液流入微通道反应器降温模块（降温模块温度控制在5℃）降温，降温后反应液流入反应液储罐中得218.3g黄色液体；
（2）将反应液储罐中气体排出，氮气吹扫残留的三氧化硫。溶液降温至10℃以下滴加30g质量分数30%的乙醇钠的乙醇溶液，析出固体，过滤得粗品27.2g；
（3）将粗品加入27.2g水中，搅拌升温至50℃溶解。缓慢滴加400mL乙醇，滴加完毕。继续搅拌析晶1h后降温至0℃，过滤得到三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥至恒重得21.5g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率99.2%，HPLC检测纯度96.43%。
实施例3:
（1）预先配制110.0g（0.12g/mL，1eq.）三苯基膦的二氯甲烷溶液(按10.0g（0.038mol）三苯基膦溶于100.0g二氯甲烷比例配制）加入至原料储罐中，微通道反应器（康宁AFR®G1）通入氮气吹扫反应通路，确保反应通路无水无氧。反应器背压阀调节压力至10bar，三苯基膦溶液通过柱塞泵以30mL/min（13.7mmol/min）流速泵入第一反应模块中预热至40℃；三氧化硫气体γ-SO3减重法以5g/min（62.5mmol/min）的流速通过流量控制器泵入第二反应模块与原料三苯基膦反应，停泵后三氧化硫钢瓶减重总计14.0g（0.175mol，4.6eq.），微通道反应器反应模块控制温度在40℃。取样TLC检测，原料三苯基膦基本消失，反应结束。反应液流入降温模块（降温模块温度控制在5℃）降温后流入反应液储罐得122.1g黄色液体；
（2）将反应液储罐中气体排出，氮气吹扫残留的三氧化硫。溶液降温至10℃以下滴加30g质量分数30%的甲醇钠甲醇溶液，析出固体，过滤得粗品25.5g；
（3）将粗品加入25.5g水中，搅拌升温至50℃溶解，缓慢滴加400mL乙醇，滴加完毕，继续搅拌析晶1h后降温至0℃，过滤得到三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥至恒重得21.3g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率98.2%，HPLC检测纯度97.74%。
对比例1：
（1）以无机酸硫酸为溶剂，预先配制60.0g（0.27g/mL，1eq.）三苯基膦的硫酸溶液（按10.0g（0.038mol）三苯基膦溶于50.0g浓硫酸比例配制），三苯基膦溶液加入至原料储罐中，微通道反应器（康宁AFR®G1）通入氮气吹扫反应通路，确保反应通路无水无氧。反应器背压阀调节压力至5bar，三苯基膦溶液通过柱塞泵以30mL/min（30.9mmol/min）流速泵入反应器第一反应模块中预热至30℃；6.1g（0.076mol，2eq.）三氧化硫液体γ-SO3（密度：1.98g/mL）以2.5mL/min（62.5mmol/min）的流速通过流量控制器泵入第二反应模块，与原料三苯基膦反应，控制微通道反应器反应模块温度30℃。取样TLC检测，原料三苯基膦基本消失，反应结束。反应液通入微通道反应器降温模块（降温模块温度控制在5℃）降温后流入反应液储罐得66.0g黄色液体；
（2）将反应液加入到3000mL水中，温度不超过15℃；加毕后搅拌保温20min，加入30-100mL磷酸三丁酯萃取两次，10-30mL磷酸三丁酯萃取一次，合并有机相，有机相浓缩，残留物加入30mL乙醇及5mL水中搅拌溶解，滴加质量分数20%乙醇钠的乙醇溶液调节pH至7-8，过滤得粗品18g；
（3）将粗品加入20mL水中升温至50℃溶解，缓慢滴加400mL乙醇，搅拌析晶1h后降温至10℃，过滤得三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥至恒重得17.5g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率80.8%，HPLC检测纯度89.74%。
对比例2：
（（1）以无机酸硫酸为溶剂，氯磺酸为磺化剂。预先配制60.0g（0.27g/mL，1eq.）三苯基膦的硫酸溶液（按10.0g（0.038mol）三苯基膦溶于50.0g浓硫酸比例配制），三苯基膦溶液加入至原料储罐中，微通道反应器（康宁AFR®G1）通入氮气吹扫反应通路，确保反应通路无水无氧。反应器背压阀调节压力至5bar，三苯基膦溶液通过柱塞泵以30mL/min（30.9mmol/min）流速泵入第一反应模块中预热至30℃；64.7g（0.555mol，14.6eq.）氯磺酸液体以30mL/min（451.3mmol/min）的流速通过流量控制器泵入微通道反应器第二反应模块，与原料三苯基膦反应，控制微通道反应器反应模块温度30℃。取样TLC检测，原料三苯基膦少量残留基本不再变化，反应结束。反应液流入降温模块（降温模块控制在5℃）降温后反应液流入反应液储罐得123.7g褐色液体；
（2）将反应液缓慢加入到3000mL水中，温度不超过15℃；加毕后搅拌20min，加入30-100mL磷酸三丁酯萃取两次，10-30mL磷酸三丁酯萃取一次，合并有机相，有机相浓缩，残留物加入30mL乙醇及5mL水搅拌溶解，滴加质量分数20%乙醇钠的乙醇溶液调节pH至7-8，过滤得粗品19g；
（3）将粗品加入20mL水中，搅拌升温至50℃溶解，缓慢滴加400mL乙醇，搅拌析晶1h降温至10℃，过滤得三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥至恒重得18.4g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率84.9%：纯度46.86%（原料及未完全磺化杂质超50%）。
对比例3：
（1）将10g三苯基膦（0.038mol），50g 1,2-二氯乙烷加入反应瓶中；氮气置换，确保反应体系无水无氧，升温至40℃，缓慢滴加入10g（0.125mol，3.3eq.）三氧化硫液体γ-SO3，约1h滴毕。滴毕保温反应20小时，取样TLC检测，原料三苯基膦少量残留基本不再变化，反应结束。反应液降温至10℃，滴加30mL质量分数30%甲醇钠的甲醇溶液析出粗品24g；
（2）将粗品加入24g水中，搅拌升温至50℃溶解，缓慢滴加400mL乙醇，搅拌析晶1h降温至0℃，过滤得三苯基膦三间磺酸钠盐湿品，50℃鼓风干燥得20.2g三苯基膦三间磺酸钠盐干品。收率93.2%，HPLC检测纯度70.46%。
实施例和对比例中所用的微通道反应设备结构如图1所示，包括原料储罐2、反应液储罐3、流量控制器4、进料泵5、高低温一体机6、反应模块内部微通道7、串联反应模块8以及热交换介质分配模块9，原料储罐2中的三苯基膦有机溶液通过进料泵5进入串联反应模块8，三氧化硫γ-SO3 1从流量控制器4中进入串联反应模块8中，与三苯基膦反应，反应液进入反应液储罐3中，串联反应模块8中有多个反应模块内部微通道7，高低温一体机6用于精确控制反应模块内部微通道7的温度，可以单独控制每个微通道的温度。热交换介质分配模块9把热交换介质分配到各个反应模块，再把从各个反应模块流出的介质收集回到高低温一体机6，完成热交换循环。
通过对比常规磺化方式条件可以发现，在微通道反应器中，三氧化硫对三苯基膦多磺化具有高效性，反应质量高，杂质少。反应和后处理均在有机溶剂中进行，不会产生大量废酸，后处理简单。同时，使用微通道反应器很好地解决了反应剧烈、放热快带来的工艺安全问题。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法，其特征在于其步骤包括：
（1）将三苯基膦溶于有机溶剂中，加入三氧化硫γ-SO3在微通道反应器中进行磺化反应；
（2）滴加有机钠碱的醇溶液，搅拌析晶过滤，得到目标产物粗品；
（3）将目标产物粗品用水溶解，滴入乙醇析晶，过滤得到纯的三苯基膦三间磺酸钠盐成品；
步骤（1）中有机溶剂采用1,2-二氯乙烷或二氯甲烷，溶剂质量为三苯基膦质量的1~20倍；
步骤（1）中三苯基膦与三氧化硫γ-SO3的摩尔比为1：3~4.6；
步骤（1）中先将三苯基膦的有机溶液温度调节至10-30℃，以20-50mL/min的流速通入微通道反应器中；三氧化硫液体γ-SO3以1.5-2.5mL/min或三氧化硫气体γ-SO3以5g/min的流速通入微通道反应器中与三苯基膦进行反应，反应温度控制在10-30℃，反应产物降温至5-10℃后排出微通道反应器。
2.根据权利要求1所述的采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法，其特征在于：步骤（2）中有机钠碱的醇溶液为质量百分含量30%的甲醇钠甲醇溶液或乙醇钠乙醇溶液，有机钠碱的醇溶液使用量为三苯基膦质量的5~10倍。
3.根据权利要求1所述的采用三氧化硫多磺化制备三苯基膦三间磺酸钠盐的方法，其特征在于：所述步骤（3）中将粗品加于等质量水中加温溶解，滴加乙醇，搅拌析晶后降温至0-10℃，过滤得三苯基膦三间磺酸钠盐成品。
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