合成对乙酰氨基苯磺酰氯的新工艺(1).doc

合成对乙酰氨基苯磺酰氯的新工艺邹 晶 魏顺安* 谭世语 阳 杨 刘子林 （重庆大学化学化工学院，重庆400044）摘 要：为了减少氯磺酸的用量，提高对乙酰氨基苯磺酰氯（P-ASC）的收率。本文提出一种新的P-ASC合成工艺，即溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化生产工艺。以乙酰苯胺为原料，通过氯磺酸磺化、五氯化磷氯化，合成P-ASC。在氯磺化过程中引入溶剂，并在反应后期加入助剂，用正交实验确定了最佳的反应条件及原料配比：n(乙酰苯胺)：n(氯磺酸)：n(五氯化磷)：n（助剂）=1.0：2.02.3：1.01.3：0.1。实验结果表明：新工艺降低了氯磺酸的用量58%，且相同成本条件下的收率比传统工艺提高1012%。关键词：对乙酰氨基苯磺酰氯；新工艺；联合氯磺化中图分类号：TQ247.53 文献标识码：AA New Technology of Synthesizing para-Benezene Chloride AcetylZOU Jing WEI Shunan* TAN Shiyu YANG Yang LIU Zilin( College of Chemistry and Chemical Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044)Abstract: In order to reduce the amount of chlorosulfonic acid to enhance acetaminophen benzenesulfonyl chloride (P-ASC) of the yield. Ensuring the costs and yields,a new technique of synthesizing P-ASC is proposed in this essay, which uses ClSO3HPCl5 joint Chlorosulfonate. p-Acetamino benzene sulfone chloride was synthesized with acetanilide as raw materia1 by the sulfonation of chlorosulfonic acid and the chlorination of phosphorus pentachloride. In the reaction of chlorosulfonation,chlorlform was used as solvent,adding the additive in later stage reaction.The optimal molar ration of reactants was that acetanilide:chlorosulfonic acid:phosphorus pentachloride:additive was 1.0:2.02.3:1.01.3:0.1 by orthogonal experiments. The results show that: the new technology reduces the amount of acid chloride 58%, and under the same cost than the traditional process to improve the yield of 10 to 12%. Key words: acetaminophen benzenesulfonyl chloride; new technology; joint Chlorosulfonated1 概述对乙酰氨基苯磺酰氯（P-ASC），是制备磺胺类杀菌抑霉药物如磺胺嘧唑、磺胺异噁唑、磺胺甲基异噁唑、磺胺吡唑、磺胺二甲异嘧啶等的常用中间体1，也用于合成染料2，它被广泛应用于医药、涂料、塑料、农药等领域。目前P-ASC生产大多采用过量氯磺酸法的传统工艺，该工艺操作简单、技术成熟。但合成工艺中乙酰苯胺为固体，氯磺酸粘度较大，反应体系搅拌比较困难，致使氯磺酸和乙酰苯胺接触不够充分，反应时间较长，不够彻底3。而为了使乙酰苯胺充分反应，则必须加大氯磺酸的用量（为理论用量的2.5倍），但反应后过量的氯磺酸只能用水分解处理，生成氯化氢气体和硫酸。氯化氢气体被吸收利用，但硫酸和水一起作为废水排放掉，造成严重的酸性废水污染4。使得生产过程中氯磺酸利用率降低，生产成本和后续处理费用增加。近年有对P-ASC生产工艺进行改进的研究，比传统工艺提高了P-ASC的产率，并减少了废酸、废气的排放量。如学者5, 6用含氯量较高的二氯亚砜或五氧化二磷代替氯磺酸完成后续的磺化阶段，但此种合成方法引入了SO2等废气而增加了反应后续处理的难度，且尚未实现工业化生产。因此寻找一种新的氯化剂代替或部分替代氯磺酸是降低氯磺酸用量的关*通讯作者：魏顺安,E-mail：键。本文创新地采用了溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化工艺，以乙酰苯胺为原料，通过氯磺酸磺化、五氯化磷氯化合成P-ASC。改进后的新工艺氯磺酸用量减少58%，且在相同成本下比传统工艺收率提高1012%。2 改进的思路针对P-ASC合成工艺中反应体系粘度较大，合成收率不高和氯磺酸用量太大的主要问题，新工艺主要从减少氯磺酸用量，降低反应体系粘度，提高P-ASC收率几方面考虑，以期从根本上解决问题。2.1 选用合适的惰性溶剂传统合成工艺中反应液粘度大，反应为非均相反应。而反应液的粘度对反应速率影响很大，尤其是在氯磺酸的用量比例较低时，固体乙酰苯胺来不及溶解就会结块，严重影响反应过程。因此，在降低氯磺酸用量的同时，使反应体系平稳、均匀的进行7，需要额外加入溶剂。但因氯磺酸的反应活性较大，醇酮均易被氧化、芳香烃也易发生取代反应，而高级烷烃成本昂贵，故可选溶剂十分有限。同时溶剂的选择还要考虑这种溶剂对反应原料、反应产物的溶解性和磺化反应温度对溶剂沸点的要求。其次溶剂能溶解反应原料，以保证反应顺利进行，同时要求反应产物P-ASC容易分离。在实际生产中，还应重视原料成本和后期溶剂分离费用。实验选取了邻二氯苯、DMF、环丁砜、氯仿、四氯化碳作为选择对象，实验结果如表1所示。从表1看出，氯仿和四氯化碳具有相似的效果，但考虑四氯化碳属于温室气体，故选择氯仿作为溶剂。表1 不同溶剂的对比分析Table 1 Comparision of different solvents溶剂现象分析结论邻二氯苯邻二氯苯与氯磺酸接触产生大量白烟，反应后无结晶溶剂与氯磺酸反应不可行DMF五氯化磷溶于DMF中，呈酒红色溶剂与五氯化磷反应不可行环丁砜极易溶解氯磺酸和五氯化磷，且与五氯化磷溶解后的颜色呈黑色溶剂与五氯化磷反应不可行氯仿正常可行四氯化碳正常可行2.2 改变传统生产工艺的操作为了降低氯磺酸的用量，将整个氯磺化过程分为磺化和氯化两个单独的过程8，即第一步磺化反应，乙酰苯胺和氯磺酸反应生成中间产物对乙酰氨基苯磺酸；第二步氯化反应，用五氯化磷、二氯亚砜或三氯氧磷代替氯磺酸完成氯化阶段。这样就可以降低氯磺酸的用量，从而降低废酸量并减少后续处理费用。磺化反应的后期加入少量无机盐或有机铵盐，如氯化钠或氯化铵，与反应副产物硫酸作用，使生成P-ASC的反应向右移动，从反应平衡考虑，在第二步可以提高P-ASC收率。3 采用溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化改进后的新工艺溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化是以乙酰苯胺为原料，通过氯磺酸磺化、五氯化磷氯化合成P-ASC。其中，在氯磺化过程中引入溶剂氯仿，并在反应后期加入助剂氯化铵，通过正交实验确定了最佳的反应条件及原料配比：（1）：=1.0：2.02.3：1.01.3：0.1改进后的工艺中氯磺酸的用量比由原来的4.9降到2.3，且相同成本条件下的收率比传统工艺提高1012%。31新工艺反应原理新工艺在磺化阶段的反应原理和传统工艺一致，乙酰苯胺经过氯磺酸磺化生成中间产物对乙酰氨基苯磺酸和少量P-ASC，反应式如（2）、（3）所示。氯化阶段则由五氯化磷替代氯磺酸合成P-ASC9 ,10,11。（2）（3）五氯化磷的氯化效果优于氯磺酸，作为氯化剂在理论上是可行的。因为一分子的五氯化磷含有五个氯原子，这大大增加了氯化碰撞的机会；其次如式（4）所示，Cl-进攻S-O键的可能性高于O-H键，磺酸基上S的电子云受到三个O的吸附而变得稀薄，增大受Cl-进攻的机会12, 13；再者，五氯化磷具有动力学优势，生成的三氯氧磷比较稳定，氯化氢又不断地脱离反应体系，这有利于反应的正方向进行。（4）32 新工艺流程根据上述反应原理和实验数据，新工艺的流程图如图1所示。图1 溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化工艺流程图Fig.1 The melting agent method ClSO3HPCl5 joint Chlorosulfonated flow chart整个过程为间歇操作，分为四个相对独立的子过程。分别说明如下：（1）P-ASC的合成在常压温度为1520的条件下，将乙酰苯胺、氯磺酸、溶剂氯仿按比例加入氯磺化反应釜中，搅拌0.5h使其混合均匀。开启釜夹套蒸汽，使反应釜内料液温度达到5055，并保温反应1h。在磺化反应终了前5分钟加入助剂NH4Cl。待磺化结束后，继续升温，使反应釜内料液温度达到7075，并按比例加入氯化剂PCl5，保温反应2.5h。反应结束后静止一段时间,使生成的磺化油与溶剂分层。先将下层的磺化油放置冷却结晶釜中，再将溶剂氯仿放至储槽内，用溶剂泵送往氯磺化反应釜中进行循环使用。（2）P-ASC的冷却结晶向结晶釜中按一定速率加入冰水，不断搅拌使P-ASC在稀酸中结晶析出。并向冷却结晶釜夹套中通入冷冻盐水，保持冷却结晶釜中料液温度不超过25。（3）产品的过滤和洗涤将含P-ASC的酸液通入离心过滤机，使酸液与P-ASC晶体分离。酸液放置酸液贮槽回收处理，P-ASC晶体通向洗涤槽，进行洗涤。从离心过滤机出来的结晶产品中含有部分废酸和少量溶剂氯仿，需要进行多次洗涤才能得到较纯净的P-ASC产品。将P-ASC晶体进行三次洗涤，三次的洗水分别称为1#洗水、2#洗水和3#洗水。用前一批的2#洗水对本批产品进行第一次洗涤，用前一批的3#洗水对本批产品进行第二次洗涤，用清水对本批产品进行第三次洗涤。这样将前一批的洗水套用到本批产品的洗涤，不仅可以降低洗涤产品的用水量，而且可以相对回收较多的酸水和溶剂。（4）废酸液的处理将过滤机滤下的酸液和第一级洗涤槽中的洗水放置分水器中，其中一小部分酸水返回冷却结晶釜中用来冷却结晶P-ASC，大部分酸水放置废酸贮槽中。上层的酸水进行提浓回收，下层少量溶剂氯仿进行分离回收。4 物料衡算41传统工艺P-ASC生产的物料衡算以某化工厂的P-ASC生产为例，氯磺化工序的物料衡算如表2所示表2 过量氯磺酸法合成P-ASC的物料衡算Table 2 Excess chlorosulfonic acid synthesis P-ASC material balance工序投入产出氯磺化97%氯磺酸；1966kgH2SO4:58.98kg磺化液:2294.70kgP-ASC:619.98kgHSO3Cl:1907.20kgH2SO4:384.09kg，HCl:121.46kg99%退热冰；450kg杂质：4.50kg剩余HSO3Cl:1220.52kg乙酰苯胺：445.50kg副产物：70.14kg洗涤洗涤用水:4000kg,浓酸水：5065.78kg,P-ASC成品：582.78kg 收率为72%4.2新工艺P-ASC生产的物料衡算表3 溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化合成P-ASC的物料衡算Table 3 Jointed chlorosulfonated solvent ClSO3H/PCl5 synthetic P-ASC in the material balance工序投入产出氯磺化97%氯磺酸；814.67kgH2SO4:24.44kg磺化液：2294.70kgP-ASC：653.50kgHSO3Cl:790.23kgH2SO4:384.09kg;HCl:116.31kg99%退热冰；450kg杂质：4.50kg剩余HSO3Cl:431.97kg剩余乙酰苯胺：22.50kg乙酰苯胺：445.50kg剩余五氯化磷：212.51kg磺酸：85.98kg氯仿：1536.38kg氯化铵：11.31kg氯化铵：17.81kg氯仿：1490.29kg99%五氯化磷：762.64kg副产物：126.95kg洗涤洗涤用水：2267kg；浓酸水：1932.87kg；P-ASC成品：614.29kg；收率为83%5 新工艺和传统工艺的比较 从物料衡算表中可以看出新工艺具有明显的技术优势，从以下两点说明： （1）P-ASC收率提高于2010年10月2号的报价：天津某化工有限公司提供的乙酰苯胺（99.5%）的价格8500元/t、石家庄市某化工有限公司提供的氯磺酸（97%）价格3300元/t、徐州市某化工有限公司提供的五氯化磷（99.5%）价格6000元/t,其它成本暂不估算，分别对上述两种工艺的物料进行成本估算。按每kgP-ASC需要多少成本进行对比，传统工艺和新工艺的产品回报率分别为(以450kg退热冰为计算基准)：传统工艺中450kg退热冰可生产582.78kg的P-ASC，新工艺中450kg退热冰可生产614.29kg的P-ASC，则按每kgP-ASC为计算基准的投入成本为：可以看出，每kgP-ASC所消耗的物料成本基本相当，但改进后的新工艺产品收率为83%，比传统工艺提高了1012%。尤其是传统工艺浪费最为严重的氯磺酸，新工艺将它的消耗降低了58%，从源头上降低了氯磺酸用量，解决了磺胺工业发展的难题。（2）废酸产生量显著减少从产生废酸量上看，传统工艺产生的废酸主要是液体硫酸，尽管在合成反应中放出的氯化氢气体能够回收，并将其制成盐酸溶液，但由于氯磺酸过量反应后无法分离，在水解时会产生大量的废硫酸14, 15。而改进后的新工艺从源头上减少了氯磺酸用量，生成的废酸只有五氯化磷水解后产生的磷酸和略过量的氯磺酸水解产生的硫酸，且磷酸可以用于生产磷肥。从物料衡算表中可以看出新工艺比旧工艺减少硫酸废水排放量50%，洗涤产品用水量减少43%，节约生产成本的同时减少了对环境的污染，给企业带来了巨大的经济效益，从根本上达到了“降耗 、增效、治污”的目的。所以新工艺的经济效益和发展前景极为乐观，特别是在目前生产厂家竞争激烈的情况下，具有较强的技术优势。6 结束语溶剂法ClSO3HPCl5联合氯磺化的新工艺克服了传统工艺中存在的几个严重缺陷，从根本上解决了P-ASC合成过程中因氯磺酸用量过大而产生废酸过多的技术难题。该工艺操作简单、原料利用率高、废物排放量少、经济效益明显，符合国家可持续发展的要求，值得推广使用。参考文献1JOONSEOK K, ANDREW J G. 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