Эффекты структуры субстрата при гидролизе сульфохлоридов анилидов сульфокислот

Эффекты структуры субстрата при гидролизе сульфохлоридов анилидов сульфокислот – химических агентов дефеноляции в водно-органических средах

Н.А. Языков, Л.И. Рублева, В.Ю. Левандовский 

Донецкий национальный технический университет 

При обесфеноливании сточных вод коксохимических производств с применением химических методов в качестве основных реагентов используются сульфохлориды [1]. В этих условиях реализуются два процесса: основной – фенолиз (1) и побочный – гидролиз (2) субстратов в водно-органическом растворителе: 

ArSO2Cl + РhOH → ArSO2OPh +HCl (1)

ArSO2Cl + H2O → ArSO2OH + HCl (2)

Безусловно, от степени вероятности протекания процесса (2) зависит глубина и эффективность обесфеноливания, сама возможность применения этого метода. Усложняющим фактором является повышение растворимости субстрата при увеличении доли органической составляющей стоков, что обеспечивает возрастание скорости обеих реакций не в одинаковой степени. 

С целью определения скорости и механизма гидролиза (2) реагентов обесфеноливания исследована реакционность N-аренсульфонил-N-метиламинобензолсульфохлоридов общей формулы 5-[N(ХArSO2)-NMe]–YArSO2Cl, где Х= 4-Ме, Н, 4-Сl, 4-F, 3-NO2 , 4-NO2; Y = 2, 4-Ме2, 2, 6-Ме2, 2, 4, 6-Ме3, в среде 70% водного диоксана (в.д.) и интервале температур 303-323К (табл. 1-3 ). Выбор условий эксперимента определялся возможностями проведения аналогии с составом и температурными характеристиками сточных вод коксохимических производств. 

Таблица 1. - Эффективные константы скорости kaэфф 

104 (с-1) и параметры активации ПС для гидролиза 5-[N(ХArSO2)-NMe]–2, 4-Me2С6 Н2SO2Cl в 70% в.д. (серия I) 

Х 

kaэфф 

104(с-1)

- Δ H≠, 

кДж/моль 

- Δ S≠ , 

кДж/моль 

- Δ G313≠ , 

кДж/моль 



303 

313 

323 







H 

0, 603 

1, 16 

2, 17 

49, 5 ± 3, 1 

186 ± 9 

108 ± 6 

4-Me 

0, 557 

1, 02 

2, 05 

50, 4±2, 3 

184±1 

108±3 

4-Cl 

0, 648 

1, 26 

2, 56 

53, 3±2, 1 

173±7 

107±4 

3-NO2 

1, 02 

2, 07 

4, 25 

55, 4±1, 5 

162±5 

106±3 

4-NO2 

1, 02 

2, 11 

4, 21 

55, 1±1, 0 

163±7 

106±6 

а. Примечание. Погрешность в определении kэфф не превышает 3% 

Таблица 2. - Эффективные константы скорости kaэфф 

104 (с-1) и параметры активации ПС для гидролиза 5-[N(ХArSO2)-NMe]–2, 6-Me2С6 Н2SO2Cl в 70% в.д. (серия II) 

Х 

kaэфф 

104(с-1)

- Δ H≠, 

кДж/моль 

- Δ S≠ , 

кДж/моль 

- Δ G313≠ , 

кДж/моль 



303 

313 

323 







H 

0, 69 

1, 49 

3, 79 

66, 8±2, 3 

128±1 

107±3 

4-Me 

0, 69 

1, 54 

3, 41 

62, 2±0, 2 

143±1 

107±1 

4-Cl 

0, 79 

1, 80 

3, 59 

59, 0±0, 5 

152±1 

107±1 

4-F 

0, 79 

1, 71 

3, 82 

65, 1±1, 3 

133±4 

107±3 

3-NO2 

0, 76 

1, 63 

4, 01 

61, 4±2, 3 

144±5 

106±4 

 В сериях I и II варьирование электронных свойств заместителя Х незначительно сказывается на скорости реакции, наблюдается лишь тенденция к ее возрастанию при увеличении электроноакцепторного характера замещающей группы (табл.1-2). Значительно больший выигрыш в скорости реакции гидролиза вызывает изменение положения и, особенно, количества алкильных групп Y в сульфохлоридной части субстрата. Так при переходе от Y=2, 4-Me2 (серия I) к Y=2, 6-Me2 (серия II) отношение kII/kI составляет 1, 1 ÷ 1, 7. 

Попытка оценить взаимосвязь структура X – реакционная способность субстрата по известному уравнению Гаммета приводит либо к незначимым результатам (серия I, [2]), либо к фактическому отсутствию линейной зависимости (серии II, III). Низкое значение величины ρ=0, 1 ÷ 0, 2 может быть отнесено к удаленности Х, находящегося в аренсульфонильном фрагменте молекулы, от центра нуклеофильной атаки – атома сульфонильной серы. 

В результате вклады энтальпии и энтропии активации ПС в свободную энергию взаимно уравновешивают друг друга, и значение Δ G≠ практически не изменяется при переходе от серии I к серии II. 

Из анализа термодинамических параметров ПС следует, что энтальпия активации не вносит доминирующий вклад в свободную энергию активации. Действительно, структура заместителя X мало сказывается на скорости реакции, Y - повышает активационный барьер на фоне возрастания реакционности при накоплении алкильных групп в сульфохлоридной части. Это достигается за счёт увеличения вклада Δ S≠, который для этой реакции является весьма существенным и свидетельствует о более сложной конфигурации активированного комплекса для субстратов I. Изменение Δ S≠ для серий I, II (табл. 1, 2) компенсирует проявление энтальпийного фактора и является возможной причиной ускорения реакции. 

Данные расчёта изокинетической температуры (Тизо) для серий I, II (табл.3) показывают, что рабочая область температур находится выше (I) или в изокинетической зоне (II). 

Таблица 3. – Теоретическое значение Тизо для серий I-III, полученное по методу Экснера [5] для гидролиза 5-[N(XArSO2)-NMe]-YArSO2Cl в 70% в.д. 

Y 

Tизотеор 

Tизоэксп 

2, 4 – Me2 (серия I) 

292 

291 [4] 

2, 6 – Me2 (серия II) 

318 

320 

2, 4, 6 – Me3 (серия II) 

296 

- 

При гидролизе сульфохлоридов анилидов сульфокислот наблюдается довольно редкое явление – изокинетическая температура находится в реально достижимой области. Низкое значение Тизо указывает на то, что ПС определяется в основном стерическими факторами, а не электронной природой заместителей X и Y. 

Таким образом, для гидролиза сульфохлоридов анилидов сульфокислот с экранированными сульфониламидными заместителями в интервале температур 20 ÷ 50°С характерно наличие энтропийного контроля со сложной конфигурацией активированного комплекса, очевидно, более сильно сольватированного по сравнению с исходными веществами. Скорость процесса незначительна в сравнении с конкурирующей реакцией сульфонилирования фенола и не может перекрыть основной поток – эфирообразование. Это позволяет рекомендовать соединения данного ряда для использования в качестве агентов обесфеноливания сточных вод. 

Список литературы 

1. Скрыпник Ю.Г., Безродный В.П., Лящук С.Н. и др .//Материалы международного конгресса «Вода: экология и технология». Том 3. – М., 1994. – С. 904-912

2. Мысык Д.Д., Рублева Л.И., Крутько И.Н., Левандовский В.Ю. // Вопросы химии и химической технологии.- 2004. - №4. - С.39-42.

3. Визгерт Р.В., Максименко Н.Н., Рублева Л.И. // Укр. хим. журнал.- 1993. – т.59, №11.- С. 1219 – 1230

4. Рублева Л.И., Слинкин С.М., Крутько И.Н., Попова Л.А. // Вопросы химии и хим. технологии. – 2003. - №2. – С. 30 – 34

5. Рублева Л.И., Максименко Н.Н. // Журнал органической химии. – 2000. – т.36, вып.9.- С. 1338 – 1340