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Verfahren zur Herstellung von Sulfonsäurechloriden
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sulfonsäurechloriden
durch Umsetzung von aromatischen Verbindungen mit einem Sulfonierungsmittel und
Thionylchlorid.
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Es ist bekannt (Ullmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage,
Band 8 (1974), Seite 420) Benzolsulfonsäurechlorid durch Umsetzung von Benzol mit
überschüssiger Chlorsulfonsäure herzustellen. Die Verwendung von überschüssiger
Chlorsulfonsäure ist besonders im Hinblick auf den Umweltschutz ein erheblicher
Nachteil dieses Verfahrens, da die überschüssige Chlorsulfonsäure bei der Aufarbeitung
des Reaktionsgemisches mit Wasser zu Chlorwasserstoff und Schwefelsäure hydrolysiert
wird und zusammen mit der zusätzlich auch als Nebenprodukt entstehenden Schwefelsäure,
sowie zusammen mit erheblichen Mengen nicht zum Sulfonsäurechlorid umgesetzter Benzolsulfonsäure
als sogenannte Dünnsäure erhalten wird. Die Aufarbeitung und Beseitigung dieses
Zwangsanfalls an Dünnsäure führt zu erheblichen Aufwendungen. Bei einfacher Neutralisation
der
Dünnsäure ergibt sich ein entsprechender Salzgehalt des Abwassers, der ebenfalls
aus Gründen des Umweltschutzes unerwünscht ist und eine aufwendige Entsalzung des
Abwassers notwendig macht.
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Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von Sulfonsäurechloriden der
Formel
worin R1 , R2 und R3 gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, einen niederen
Alkyl- oder einen Cycloalkylrest, Halogen, Aryl, Aralkyl, Aryläther oder einen Rest
bedeuten oder wo benachbarte Reste R¹ und R² zu einem gegebenenfalls durch eine
Sulfonsäurechloridgruppe substituierten cycloaliphatischen oder aromatischen carbocyclischen
Ring verknüpft sind gefunden, bei dem eine aromatische Verbindung der Formel
worin R1 R2 und R3 die oben genannte Bedeutung haben
mit etwa der
äquimolaren Menge eines Sulfonierungsmittels bezogen auf jede einzuführende Sulfonsäurechloridgruppe
und einem Überschuß an Thionylchlorid umsetzt, wobei das Sulfonierungsmittel und
das Thionylchlorid vorgelegt oder gleichzeitig mit der aromatischen Verbindung eingesetzt
wird.
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Niedere Alkylreste (R¹ bis R³) können geradkettige oder verzweigte
Alkylreste mit 1 bis 6, bevorzugt 1 bis 4, Kohlenstoffatomen sein. Beispielsweise
seien genannt: Methyl, Äthyl, Propyl, Iso-propyl, Butyl, Iso-butyl, Pentyl, Iso-pentyl,
Hexyl und Iso-hexyl.
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Als Cycloalkylreste (R1 bis R3) seien beispielsweise Cyclopentyl und
Cyclohexyl, bevorzugt Cyclohexyl, genannt.
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Als Halogene (R1 bis R3) seien Fluor, Chlor, Brom und Jod, bevorzugt
Fluor, Chlor und Brom, genannt.
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Als Arylreste (R¹ bis R³) seien beispielsweise Phenyl und Naphthyl,
bevorzugt Phenyl, genannt.
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Als Aralkylreste (R1 bis R3) kommen beispielsweise solche mit 6 bis
18 Kohlenstoffatomen, deren aliphatischer Teil 1 bis 6 Kohlenstoffatome enthält
und deren aromatischer Teil einen Rest aus der Benzolreihe darstellt, in Frage.
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Beispielsweise seien die folgenden araliphatischen Reste genannt:
Benzyl,
ß-Äthyl-phenyl, t -Propyl-phenyl und ß-Phenyl-nhexyl, bevorzugt Benzyl.
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Als Arylätherrest (R1 bis R3) sei insbesondere der Phenoxyrest genannt.
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Durch Verknüpfung der benachbarten Reste R1 und R2 zu einem cycloaliphatischen
oder aromatischen Ring entstehen kondensierte Ringsysteme, wie Indan, Tetralin,
Inden und Naphthalin, bevorzugt Naphthalin.
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Es ist selbstverständlich möglich, daß die Reste R¹ bis R³ durch weitere
Reste, die unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht verändert
werden, substituiert sind. Beispielsweise sei Halogen, Niederalkyl, Aryl, Arox,
Alkoxy und Aralkyl genannt.
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Als bevorzugte aromatische Verbindungen seien Verbindungen der Formel
worin R1', R2' und R3' gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, einen Alkylrest
mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen, Fluor, Chlor, Brom, Phenyl, Phenoxy oder Benzyl bedeuten
oder wo benachbarte Reste R und R2 zu einem cycloaliphatischen oder aromatischen
carbocyclischen Ring mit 6 Ringgliedern verknüpft sind, genannt.
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Beispielsweise seien die folgenden aromatischen Verbindungen genannt:
Benzol, Toluol, Äthylbenzol, Isopropylbenzol (Cumol), Tetralin, o-Xylol, m-Xylol,
p-Xylol, Diphenyl, Diphenylmethan, Chlorbenzol, 1-Chlornaphthalin, 2-Chlornaphthalin,
o-Chlortoluol, 1,2-, 1,3- und 1,4-Dichlorbenzol, 2,3-, 2,4-, 2,5-, 3,4- und 2,6-Dichlor-toluol,
2,3-, 2,4-, 2,6-, 3,4- und 2,5-Dimethylchlorbenzol, Brombenzol, Fluorbenzol, 1,2,3-
und 1,2,4-Trichlorbenzol, Diphenyläther, Naphthalin, 1- und 2-Methylnaphthalin und
2-, 3- und 4-Bromtoluol.
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Als Sulfonierungsmittel seien Schwefelsäure, Schwefeltrioxid und Chlorsulfonsäure,
bevorzugt Chlorsulfonsäure, genannt. Auch Gemische dieser Sulfonierungsmittel, z.B.
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Oleum, können eingesetzt werden.
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Das Sulfonierungsmittel kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
in etwa äquimolaren Mengen zu der aromatischen Verbindung,bezogen auf jede einzuführende
Sulfonsäurechloridgruppe,eingesetzt werden. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein,
bezogen auf jede einzuführende Sulfonsäurechloridgruppe, die aromatische Verbindung
im geringen Überschuß von bis zu etwa 1,3 Mol, vorzugsweise bis zu 1,2 Mol, insbesondere
bevorzugt bis zu 1,1 Mol, in Abhängigkeit von der in geringem Ausmaß als Nebenreaktion
eintretenden Sulfonbildung zu verwenden. Bevorzugt werden etwa äquimolare Mengen
eingesetzt.
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Es kann auch vorteilhaft sein, die aromatische Verbindung für jede
einzuführende Sulfonsäurechloridgruppe in einem geringen Unterschuß von etwa 0,7
Mol, vorzugsweise 0,8 Mol, insbesondere bevorzugt 0,9 Mol, bezogen auf das Sulfonierungsmittel,
einzusetzen und den geringen Überschuß an
Sulfonierungsmittel, insbesondere
Dichlorsulfonsäure, beispielsweise durch Destillation abzutrennen oder anzureichern
und gegebenenfalls zurückzuführen.
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Das Thionylchlorid kann ohne besondere Reinigung in das erfindungsgemäße
Verfahren eingesetzt werden.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Thionylchlorid im Überschuß
zur aromatischen Verbindung eingesetzt.
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Im allgemeinen setzt man eine Menge von bis zu 10 Mol Thionylchlorid
pro Mol der aromatischen Verbindung ein.
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Wird beispielsweise Chlorsulfonsäure als Sulfonierungsmittel verwendet,
so werden bezogen auf jede einzuführende Sulfonsäurechloridgruppe etwa 1,05 bis
5, vorzugsweise 1,2 bis 3, und insbesondere bevorzugt 1,5 bis 2 Mol, Thionylchlorid
je Mol der aromatischen Verbindung eingesetzt. Verwendet man beispielsweise Schwefelsäure
als Sulfonierungsmittel, so werden etwa 2,1 bis 10, vorzugsweise 2,5 bis 6 und insbesondere
bevorzugt 3 bis 4 Mol, Thionylchlorid je Mol aromatischer Verbindung verwendet.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das überschüssige Thionylchlorid
zugleich als Lösungsmittel eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, das erfindungsgemäße
Verfahren in Gegenwart anderer unter den Reaktionsbedingungen inerter Lösungs- oder
Verdünnungsmittel durchzuführen. Als solche seien genannt: Schwefeldioxid und Sulfurylchlorid,
Kohlenwasserstoffe und Halogenkohlenwasserstoffe, insbesondere Alkane und Halogenalkane
wie Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Methylenchlorid, Di-, Tri-und Tetrachloräthylen,
Di-, Tri-, Tetra-, Penta- und Hexachloräthan, 1,1,2-Trichlor-1,2,2-trifluoräthan
und Tetrafluoräthylen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen im Temperaturbereich
von etwa 10 bis 900C, vorzugsweise von 20
bis 800C, insbesondere
bevorzugt von 30 bis 700C, durchgeführt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl bei Normaldruck als bei
vermindertem Druck oder unter erhöhtem Druck bis zu 10 bar, bevorzugt bis zu 5 bar,
durchgeführt werden.
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Wird die Reaktionstemperatur höher als die Siedetemperatur von Thionylchlorid
bei Normaldruck gewählt, so arbeitet man vorteilhaft bei einem Druck, der dem Dampfdruck
des Thionylchlorids bei den jeweils gewählten Reaktionsbedingungen entspricht.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man das Sulfonierungsmittel
vollständig oder teilweise vorlegen und a) sogleich Thionylchlorid vollständig oder
teilweise vorlegen und die aromatische Verbindung und gegebenenfalls restliches
Sulfonierungsmittel und/oder restliches Thionylchlorid zugeben, wobei gegebenenfalls
restliches Thionylchlorid in Abhängigkeit von der bereits vorgelegten Menge Thionylchlorid
so zugegeben wird, daß die zur Reaktion eingesetzte Gesamtmenge Thionylchlorid zumindest
der zugesetzten Menge der aromatischen Verbindung entspricht oder b) die aromatische
Verbindung und Thionylchlorid und gegebenenfalls restliches Sulfonierungsmittel
zugeben, wobei Thionylchlorid etwa entsprechend der Umsetzung der aromatischen Verbindung
zu dem Sulfochlorid oder auch rascher zugegeben wird und wobei die Zugabe jeweils
so erfolgt, daß in das Reaktionsgemisch das Sulfonierungsmittel stets vor der entsprechenden
Menge
der aromatischen Verbindung eingetragen wird.
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Im allgemeinen wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt,
daß man die entsprechende Menge Sulfonierungsmittel und Thionylchlorid auf die veehlte
Qsktionstemperatur erwärmt und anschließend eine geringe Menge der aromatischen
Verbindung zugibt. Nach Einsetzen der Reaktion wird dann der Rest der aromatischen
Verbindung und gegebenenfalls weiteres Thionylchlorid, vorzugsweise nach Maßgabe
der Umsetzung der aromatischen Verbindung zum Sulfonsäurechlorid, zugegeben.
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Man kann jedoch auch nur das Sulfonierungsmittel vorlegen und die
aromatische Verbindung und das Thionylchlorid entsprechend dem gewählten Gesamtverhältnis
gleichzeitig entweder in getrennten Strömen oder nach vorheriger Mischung zugeben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden das Sulfonierungsmittel
und das Thionylchlorid vorgelegt und die aromatische Verbindung nach Maßgabe ihrer
Umsetzung zum Sulfonsäurechlorid zugegeben.
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Die als Nebenprodukte des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehenden
Mengen Chlorwasserstoff und Schwefeldioxid werden in üblicher Weise abgeleitet und
können gegebenenfalls bei anderen Umsetzungen eingesetzt werden.
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Das Ende der Umsetzung kann am Aufhören der Gasentwicklung oder mit
bekannten analytischen Methoden festgestellt werden. Danach wird das überschüssige
Thionylchlorid und gegebenenfalls nichtumgesetzte aromatische Verbindung oder
nichtumgesetzte
Chlorsulfonsäure vorzugsweise durch fraktionierte Destillation getrennt.
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Besonders bei der Herstellung von aromatischen Mono-sulfonsäurechloriden
werden die erhaltenen Reaktionsgemische bevorzugt durch fraktionierte Destillation
bei Normal- oder vermindertem Druck, vorzugsweise bei vermindertem Druck, aufgearbeitet.
Im allgemeinen destilliert man im Druckbereich von 1 bis 760 Torr das nichtumgesetzte
Thionylchlorid, gegebenenfalls Chlorsulfonsäure, und die nichtumgesetzte aromatische
Verbindung ab und erhält bei weiterer Destillation im Druckbereich von 0,1 bis 15
Torr, bevorzugt von 0,5 bis 10 Torr, das Sulfonsäurechlorid.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl diskontinuierlich als auch
kontinuierlich durchgeführt werden. Bei der kontinuierlichen Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens werden gegebenenfalls die nichtumgesetzten Ausgangsprodukte insbesondere
Thionylchlorid wieder in das Verfahren eingesetzt.
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Vorteilhafterweise kann man nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aromatische
Sulfonsäurechloride in guten Ausbeuten bezogen auf die aromatische Verbindung und,
bei Verwendung von Chlorsulfonsäure als Sulfonierungsmittel, insbesondere auch bezogen
auf die Chlorsulfonsäure, herstellen.
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Im Gegensatz zu bekannten Verfahren kann nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren die Aufarbeitung des Reaktionsgemisches durch Destillation erfolgen. Durch
das erfindungsgemäße Verfahren entfallen weitgehend der Zwangsanfall an Dünnsäure
und die damit verbundenen ökologischen Probleme.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Sulfonsäurechloride
sind Zwischenprodukte beispielsweise für Farbstoffe.
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Beispiele Beispiel 1 bis 24 In einem mit Rührer, Rückflußkühler mit
Abgasableitung und Tropftrichter sowie Innenthermometer versehenen Kolben wird bei
der in den nachstehenden Tabellen I und II angegebenen Reaktionstemperatur eine
Mischung von Thionylchlorid und Chlorsulfonsäure der dort angegebenen Zusammensetzung
vorgelegt.
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Aus dem Tropftrichter wird innerhalb von 4 Stunden die in der nachstehenden
Tabelle I angegebene Menge Benzol bzw.
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in Tabelle II eine andere aromatische Verbindung, langsam zugetropft,
wobei die Reaktionstemperatur durch zusätzliche Heizung eingehalten wird.
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Nach Ende der Zugabe der aromatischen Verbindung wird bis zum Ende
der Gasentwicklung bei der angegebenen Temperatur nachgerührt.
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Anschließend wird das überschüssige Thionylchlorid und gegebenenfalls
nicht umgesetzte aromatische Verbindung in einem Rotationsverdampfer bei 100 Torr
destilliert.
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Der verbleibende flüssige Rückstand wird dann bei 10 Torr fraktioniert
destilliert. Man erhält die in den nachstehenden Tabellen I und II angebenen Mengen
der aromatischen Sulfonsäurechloride als farbloses bis leicht gelblich gefärbte
Verbindungen.
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T a b e l l e I Beispiel SOCl2 ClSO3H Benzol Temp. Benzolsulfochlorid
Nr. g (Mol) g (Mol) g (Mol) °C g Reiheit+) % der Theorie++) 1 381 (3,2) 187 (1,6)
124 (1m6) 30 226,1 98,9 % 79 2 381 (3,2) 187 (1,6) 124 (1,6) 50 223,3 99,5 % 79
3 381 (3,2) 187 (1,6) 156 (2,0) 30 204,0 97,6 % 71 4 381 (3,2) 187 (1,6) 156 (2,0)
50 231,0 98,5 % 81 5 381 (3,2) 187 (1,6) 140 (1,8) 70 222,3 98,9 % 78 6 333 (2,8)
187 (1,6) 124 (1,6) 50 218,0 98,7 % 76 7 238 (2,0) 187 (1,6) 124 (1,6) 50 213,0
99,3 % 75 +) entsprechend gaschromatographischer Analyse ++) bezogen auf ClSO3H
Tabelle
II Beispiel Aromatische Verbindung SOCl2 ClSO3H Temperatur Aromatisches Sulfochlorid
Nr.
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g (Mol) g (Mol) g (Mol) °C g Reinheit+) % d. Theorie 8 Toluol Toluolsulfochlorid
8a 147 (1,6) 381 (3,2) 187 (1,6) 10 117 19,2 % o- 38 80,8 % p-8b 147 (1,6) 381 (3,2)
187 (1,6) 30 263 17,8 % o- 84 79,3 % p-9 Äthylbenzol Äthylbenzolsulfochlorid 106
(1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 40 164 16,3 % o- 80 83,7 % p-10 Cumol 4-Isopropyl-benzolsulfochlorid
120 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 50 165 94,5 % 72 11 Tetralin 1,2,3,4-Tetrahydronaphthalin-6-sulfochlorid
132 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 50 161 95,1 % 70 12 o-Xylol 3,4-Dimethylbenzolsulfochlorid
106 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 40 114 95,9 % 54 13 m-Xylol 2,4-Dimethylbenzolsulfochlorid
106 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 40 125 98,1 % 61 14 p-Xylol 2,5-Dimethylbenzolsulfochlorid
106 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 50 194 93,0 %++) 88
Tabelle II (Fortsetzung)
Beispiel Aromatische Verbindung SOCl2 ClSO3H Temperatur Aromatisches Sulfochlorid
Nr. g (Mol) g (Mol) g (Mol) °C g Reinheit+) % d. Theorie 15 Diphenyl 4,4'-Diphenyldisulfochlorid
++) 154 (1,0) 476 (4,0) 232 (2,0) 50 227 Fp. 199°C 65 16 Diphenylmethan Diphenylmethan-4,4'-disulfochlorid
++) 168 (1,0) 476 (4,0) 232 (2,0) 40 224 Fp. 121°C 61 (umkristallisiert) 17 Chlorbenzol
p-Chlorbenzolsulfochlorid 180 (1,0) 381 (3,2) 187 (1,6) 55 278 97,6 % 82 18 Chlornaphthalin
4-Chlornaphthalin-1-sulfochlorid (Reinheit 92 %) 250 (1,54) 381 (3,2) 164 (1,4)
40 315 einheitlich nach TLC 85 19 o-Chlortoluol 2-Chlor-4-methyl-benzolsulfochlorid
203 (1,6) 381 (3,2) 187 (1,6) 40 297 98,2 % 81 20 1,2-Dichlorbenzol 3,4-Dichlor-benzolsulfochlorid
235 (1,6) 381 (3,2) 187 (1,6) 50 334 99,1 % 85 21 2,6-Dichlor-toluol 2,4-Dichlor-3-methyl-benzolsulfochlorid
161 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 50 179 91,0 % 63 22 2,5-Dimethyl-chlorbenzol 2,5-Dimethyl-4-Chlor-benzolsulfochlorid
++) 141 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 40 192 Fp. 48°C 80 (umkristallisiert) 23 Brombenzol
p-Brom-benzolsulfochlorid 157 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 60 197 99,1 % 77 24 Fluorbenzol
p-Fluor-benzolsulfochlorid 96 (1,0) 238 (2,0) 116 (1,0) 60 149 94,5 % 72 +) entsprechend
gaschromatographischer Analyse ++) statt Destillation Aufarbeitung durch Eingießen
in Wasser, Isolieren und Umkristallisieren
Beispiel 25 Eine Mischung
aus 480 g (4,0 Mol) Thionylchlorid und 160 g (1,6 Mol) Schwefelsäure wird in der
in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur 90 Minuten bei 500C gehalten und anschließend
innerhalb 4 Stunden bei gleicher Temperatur mit 124 g (1,6 Mol) Benzol versetzt.
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Dann wird das Reaktionsgemisch eine Stunde bei 800C nachgerührt.
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Anschließend wird überschüssiges Thionylchlorid bei 20 Torr im Rotationsverdampfer
abdestilliert und der flüssige Rückstand bei 5 Torr über eine Destillationsbrücke
destilliert.
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Man erhält 223,5 g Benzolsulfochlorid mit 99,3 %iger Reinheit (nach
gaschromatographischer Analyse); das entspricht einer Ausbeute von 79 % der Theorie.
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Beispiel 26 In der in Beispiel 1 beschriebenen Apparatur werden 187
g (1,6 Mol) Chlorsulfonsäure vorgelegt.
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Bei 300C wird ein Gemisch aus 124 g (1,6 Mol) Benzol und 381 g (3,2
Mol) Thionylchlorid innerhalb von 6 Stunden zugetropft und anschließend 30 Minuten
bei 500C nachgerührt.
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Überschüssiges Thionylchlorid wird im Rotationsverdampfer bei 200
Torr abdestilliert und der flüssige Rückstand bei 2 Torr über eine Destillationsbrücke
destilliert.
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Man erhält 208,3 g Benzolsulfochlorid mit einer Reinheit von 98 %
(nach gaschromatographischer Analyse); das entspricht einer Ausbeute von 72 % der
Theorie.
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Beispiel 27 (Vergleichsbeispiel) In der in Beispiel 1 beschriebenen
Apparatur werden 124 g (1,6 Mol) Benzol und 381 g (3,2 Mol) Thionylchlorid vorgelegt
und bei 300C unter Rühren innerhalb von 4 Stunden mit 187 g (1,6 Mol) Chlorsulfonsäure
versetzt. Anschließend wird eine Stunde bei 500C nachgerührt und dann das überschüssige
Thionylchlorid im Rotationsverdampfer bei einem Druck von 15 bis 20 Torr abdestilliert.
Bei der nachfolgenden Destillation bei 5 Torr über eine Destillationsbrücke erhält
man 140 g Destillat, das nach gaschromatographischer Analyse nur 59,2 % Benzolsulfochlorid
enthält (Rest Thionylchlorid und Chlorsulfonsäure); das entspricht einer Ausbeute
von nur 29 % der Theorie.
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Beispiel 28 (Vergleichsbeispiel) In der in Beispiel 1 beschriebenen
Apparatur, die mit einem weiterem Tropftrichter versehen wurde, werden 381 g (3,2
Mol) Thionylchlorid vorgelegt.
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Innerhalb von 4 Stunden werden bei 500C gleichzeitig 124 g (1,6 Mol)
Benzol und 187 g (1,6 Mol) Chlorsulfonsäure zugetropft. Anschließend wird 30 Minuten
bei 50°C nachgerührt und dann überschüssiges Thionylchlorid im Rotationsverdampfer
bei einem Druck von 20 Torr abgezogen.
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Der Rückstand wird bei einem Druck von 5 Torr über eine Destillationsbrücke
destilliert.
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Man erhält 130,3 g Destillat, das nach gaschromatographischer Analyse
62,6 % Benzolsulfonsäurechlorid enthält (Rest Thionylchlorid und Chlorsulfonsäure);
das entspricht einer Ausbeute von nur 38 % der Theorie.