Sulfonierung von Toluol
Zusammenfassung
Die Sulfonierung von Toluol zu Toluolsulfonsäure kann mit Hilfe der Mikroreaktionstechnik gefahrlos durchgeführt werden. Die Selektivitäten werden gegenüber herkömmlichen Verfahren gesteigert.
Einleitung
Die Sulfonierung von Toluol mit gasförmigem Schwefeltrioxid ist sehr exotherm. Sie ist in mikrostrukturierten Reaktoren unter isothermen Bedingungen realisierbar.
Lösungsweg
Das folgende Schema zeigt die einzelnen Reaktionsschritte in diesem Prozess.
Die Hauptreaktion (1) ist die elektrophile aromatische Substitution zur gewünschten Toluolsulfonsäure. In einer Folgereaktion bildet sich aus der Toluolsulfonsäure und Schwefeltrioxid die Toluolpyrosulfonsäure (2), die nun verschiedene weitere Folgereaktionen eingehen kann. Mit einem weiteren Molekül Toluol bilden sich zwei Moleküle Toluolsulfonsäure (3) oder unter Abspaltung von Schwefelsäure das Di-tolylsulfon (4). Als weiteres Nebenprodukt entsteht Toluolsulfonsäureanhydrid durch Reaktion von Toluolpyrosulfonsäure mit Toluolsulfonsäure (5). Bei der Gestaltung des Gesamtprozesses zur Herstellung von Toluolsulfonsäure sind deshalb zur vollständigen Umsetzung der Pyrosulfonsäure eine Verweilerstrecke und für die Hydrolyse des Anhydrides mit Wasser (6) eine weitere Verfahrensstufe erforderlich.
Hydrolyse des Anhydrides
Die Ergebnisse der letzten Stufe des Prozesses, die Hydrolyse des Anhydrides mit Wasser, sind im folgenden Bild dargestellt.
Die Selektivität für die Bildung der Toluolsulfonsäure liegt konstant bei etwa 85% und die für die Reaktion zum Di-tolylsulfon bei etwa 3 %. Zur Ermittlung der für die Hydrolyse erforderlichen Wassermenge wurde die Dosiergeschwindigkeit in den Flüssig-Flüssig-Reaktor bei verschiedenem Verhältnis Toluol/SO3 variiert. Bei einer Dosiergeschwindigkeit der Reaktionslösung Toluol/Nitro-methan von 1 ml/min wurde zunächst bei einem SO3/Toluol-Verhältnis von 8/10 in den Flüssig-Flüssig-Reaktor eine Wassermenge von 68 µl/min dosiert. Unter diesen Bedingungen wird 50 % des Anhydrides zur Sulfonsäure umgesetzt, wobei die Selektivität von ursprünglich 6 auf 3 % fällt. Erhöht man die Wassermenge auf 142 µl/min, konnte bei einem SO3/Toluol-Verhältnis von 11/100 und 14/100 die Hydrolyse praktisch quantitativ bis auf < 1 % Anhydrid erreicht werden.
Schlussfolgerungen
Mit den hier dargestellten Ergebnissen konnte nachgewiesen werden, dass die Mikroplant zur Sulfonierung von Toluol mit gasförmigem Schwefeltrioxid mit mehreren Prozessstufen voll funktionsfähig ist und zur Durchführung und Optimierung chemischer Prozesse mit Modulen der Mikroverfahrenstechnik gut geeignet ist.
Literatur
- K. Jähnisch, V. Hessel, H. Löwe, M. Baerns: Chemistry in Microstructured Reactors, Angew. Chem. Int. Ed. 43 (2004) 406 - 446.
- A. Müller, V. Cominos, V. Hessel, B. Horn, A. Ziogas, K. Jähnisch, V. Hillmann, V. Großer, K. A. Jam, A. Bazzanella,, G. Rinke, M. Kraut: Fluidisches Bussystem für die chemische Verfahrenstechnik und für die Produktion von Feinchemikalien, Chem. Ing. Techn. 76 (2004) 641 - 651.
