Синтез толуолсульфокислоты

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

 

 

 

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ  ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»

 

Кафедра общей и физической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По дисциплине                Органическая химия           и основы биохимии       (наименование учебной дисциплины согласно учебному плану) 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

Тема: Синтез толуолсульфокислоты

 

Автор: студент гр.   ТХ-10-1  Ивкин А.С.   /  /

(шифр группы)  (Ф.И.О)  (подпись)

ОЦЕНКА:   

Дата:    

 

ПРОВЕРИЛ:

Руководитель

курсовой работы  доцент  Григорьева Л.В.  /  /

(должность)    (Ф.И.О)  (подпись)

 

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

Оглавление

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Литературный  обзор

 Так как основной стадией процесса синтеза кислоты (1) во всех проанализированных источниках является сульфирование толуола, то литературный обзор следует начать с описания механизмов данного процесса.            Сульфирование относится к реакциям электрофильного замещения. Частицами, атакующими субстрат реакции, являются HSO₃⁺, H₂S₂O₇, SO₃ и H₃SO₄⁺ которые возникают в растворе олеума или концентрированной серной кислоты в результате автопротолиза: 

 

 

При этом наблюдается ионизация  моногидрата лишь на 0,2 – 0,5%. При  разбавлении 100% серной кислоты водой происходит ее ионизация по следующему уравнению:

 

Механизм реакции рассмотрен на примере, в котором в качестве реагента участвует сульфотриоксид, а субстрат реакции - бензол. Так же, как и для других реакций электрофильного замещения, исходные продукты образуют p-комплекс. После преодоления энергетического барьера - s-аддукт.

p-комплекс                      s-аддук

 

Первой и основной особенностью сульфирования является то, что эта  реакция в условиях проведения процесса обратима:

 

 

 

 

Изомерный состав продуктов зависит  как от концентрации SO₃ в сульфирующем агенте, так и от температуры.

 

Для процесса сульфирования толуола в источнике [3] приводится таблица:

Табл. 1Сульфирование  толуола

Концентрация H2SO4, %	Температура, 0С	Изомерный состав, %
		Орто-	Пара-	Мета-
78	25	21	77	2
74	140	3	37	60
74	200	2	5	93
65-72	110	7	90	3
98	90	3	96	1
96	40	87	10	3

 

В литературе описано несколько  способов получения кислоты (1), эти методы можно разделить на две группы: получение в виде толуолсульфокислого натрия и получение в виде свободной толуолсульфокислоты.

2.1 Метод получения в виде натриевой соли

 

В источнике [1] описан метод синтеза, при котором на первой ступени процесса происходит взаимодействие толуола с концентрированной  серной кислотой при температуре кипения раствора. Происходит замещение одного атома водорода бензольного кольца сульфогруппой. При этом образуются три изомера - сульфогруппа встает в пара, орто и мета положение.

 

 

 

 

 

В основном получается п-толуолсульфокислота (80%), 15% и 5% м- толуолсульфокислоты и о-толуолсульфокислоты соответственно. Кислый раствор нейтрализуют, прибавляя малыми порциями бикарбоната натрия.

 

 

 

 

 

 

 

 

Смесь доводят до кипения, добавляя, если нужно, немного воды, чтобы полностью растворить соль. Раствор фильтруют, охлаждают его снегом (или водой со льдом) и отсасывают выпавшие кристаллы толуолсульфокислого натрия. При таком методе выход соли составляет 65% с примесью хлористого натрия.

Таким же образом получают кислоту в промышленности.

2.2 Методы получения в виде свободной кислоты

 

Методы получения свободной  кислоты (1) основаны на той же реакции  взаимодействия толуола с концентрированной  серной кислотой при кипении раствора втечение нескольких часов. И дальнейшего насыщения раствора газообразным хлороводородом для выпадения толуолсульфокислоты. Отличительной чертой метода, описанного в литературе [2] является наличие в установке ловушки для воды, для того чтобы образующаяся в ходе реакции вода собиралась и не уменьшала концентрацию серной кислоты. То есть чтобы реакция прошла до конца.

3. Общая часть

 

В результате анализа литературного  материала было решено синтезировать  толуолсульфокислоту в свободном  виде по наиболее простой методике. То есть установка не будет содержать ловушку для воды, а гидрат кислоты (1) будем насыщать газообразным HCl для выпадения п-толуолсульфокислоты. В работе мы использовали серную кислоту с концентрацией примерно 95%. А температура реакции была больше 100 ⁰С. Поэтому по таблице 2 определяем, что основным изомером в конце реакции будет кислота в пара-положении (примерно 95%).

 

 

4. Экспериментальная  часть

В работе были использованы следующие вещества:

1. Толуол (16 мл), 
2. Концентрированная серная кислота (9,5 мл),
3. Активированный уголь (1 г),
4. Газообразный хлороводород,
5. Дисцилированная вода (50 мл).

Было использовано оборудование:

1. Песчаная баня
2. Обратный водяной холодильник
3. Круглодонная одногорлая колба на 100 мл
4. Водяная баня
5. Лёд
6. Воронка Шота
7. Эксикатор
8. Мерный стаканчик на 100 мл
9. Мешалка
10. Штатив

4.1 Стадия I

Получение n-толуолсульфокислоты

 

1. Собираем установку: одногорлую круглодонную колбу закрепляем в штативе, немного погрузив её в песок песчаной бани, также в штативе крепим обратный холодильник (Рис.1).
2. Нагреваем песчаную баню. Пока она нагревается, выполняем пункты:3-7.
3. С помощью 2-х мерных цилиндров отбираем нужное

количество реактивов: 16 мл толуола и 9,5 мл концентрированной  серной кислоты.

4. В круглодонную одногорлую колбу вносим реактивы.
5. Смазываем шлиф колбы вакуумной смазкой и вставляем в неё холодильник.
6. Включаем холодильник. Его отверстие закрываем ваткой.
7. Для быстрого закипания оборачиваем колбу асбестовыми полотенцами.
8. Замечаем момент закипания раствора на часах.  
9. Пока кипит раствор, готовим мерный стакан на 100 мл, в который наливаем 25 мл дисцилированной воды, еще 25 мл воды находятся в другом мерном стакане ( на 50 мл).
10. После двух часов кипения раствора, слой толуола полностью исчезает; раствор обрёл темно-бурый цвет.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Первая установка: кипячение  до исчезновения толуола и образования  бурого раствора

 

11. Убираем полотенце, выключаем холодильник, отсоединяем его от колбы; из колбы, зажатой в лапке, выливаем горячий раствор в 25 мл воды. Водой (25 мл) из другого мерного стакана споласкиваем колбу и выливаем в первый цилиндр на 100мл.
12. К данной смеси добавляем 1г активированного угля (4 таблетки). Взвешивание производили на электронных весах. Предварительно уголь измельчили в фарфоровой чашечке со ступкой.
13. Кипятим 30 минут.
14. После этого раствор с углем фильтруем через бумажный фильтр в стаканчик на 100 мл.
15. Отфильтрованный раствор выпариваем до 30 мл на водяной бане.

4.2 Стадия II

Получение газообразного хлороводорода для насыщения раствора гидрата толуолсульфокислоты

Рис.2 Вторая установка: насыщение  раствора газом HCl

 

1. Собираем новую установку для получения газообразного хлороводорода (Рис.2).
2. К колбе Вульфа присоединяем делительную воронку для капельной подачи серной кислоты, с другой стороны герметично подключаем шланг, по которому будет подаваться образующийся хлороводород. Другой конец шланга вдет в колбу с упаренным раствором. Причем в конец шланга вдет капилляр, по длине почти доходящий до дна колбы. Для интенсификации процесса колбу с NaCl нагреваем на песчаной бане.

 

3. В керамический стакан, в котором закреплена колба с упаренным раствором, добавляем лед. А в делительную воронку заливаем серной кислоты (рис.3 и 4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 Серная кислота помещается в  делительную воронку

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.4 Насыщаемый раствор охлаждается  льдом

4. Начинаем процесс: небольшими порциями выливаем серную кислоту на NaCl, открывая и закрывая кран делительной воронки.
5. Сразу же образуется HCl, пузырьки которого проходят через раствор, поднимаясь практически с самого дна.
6. Насыщение газом проводили около полутора часов. Сначала заметных изменений с раствором не наблюдали. Примерно через час стал виден образующийся белый осадок, ещё через пол часа осадка стало более половины колбы. К этому времени процесс уже шел очень медленно, и насыщение было прекращено.

4.3 Стадия III

Фильтрация

 

1. Собираем следующую установку. В колбу Бунзена вставляем воронку Шота через резиновую пробку. Смазываем контакт пробки с колбой. К колбе подсоединяем вакуумный насос резиновым шлангом. В воронку Шота вставляем бумажный фильтр.
2. Осадок перемешиваем с раствором, встряхивая колбу; и выливаем его на бумажный фильтр в воронку Шота.
3. Включаем вакуумный насос. Идёт процесс отжима кристаллов кислоты. Примерно через полчаса выключаем насос, разбираем установку.

4.4 Стадия IV

Сушка

 

1. Отжатые кристаллы имеют белоснежный цвет и мелкую игольчатую структуру.
2. Помещаем их в фарфоровую чашечку и ставим в эксикатор для сушки над серной кислотой (Рис.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Сушка кристаллов над серной кислотой

 

3. Сушка в эксикаторе длится двое суток.
4. После сушки взвешиваем полученное вещество (Рис.6).

Рис.6 Взвешивание п-толуолсульфокислоты

 

5. Выход составил 2, 56г.

4.5 Стадия V

Очистка

 

1. Половину кристаллов очищаем путём перекристаллизации.
2. В колбу с кристаллами кислоты приливаем минимальное количество воды (примерно 2 мл), чтобы получить перенасыщенный раствор.
3. Затем его нагреваем на водяной бане, тем самым увеличиваем растворимость и кислота растворяется полностью.
4. Далее колбу с еще горячим раствором помещаем в керамический стакан со льдом для выпадения чистых кристаллов и дальнейшего их отделения от воды, в которую переходят примеси.