3-氯-2-羟基丙磺酸钠的合成工艺研究*

葛丽娟，刘白玲，张　涌，李晨英，罗　荣，陈华林(1.中国科学院大学，北京　100049; .中国科学院成都有机化学有限公司，四川成都　610041; .四川花语精细化工有限公司，四川自贡　6411)



3-氯-2-羟基丙磺酸钠的合成工艺研究*

葛丽娟1，2，刘白玲2，张涌3，李晨英1，2，罗荣2，陈华林2
(1.中国科学院大学，北京100049; 2.中国科学院成都有机化学有限公司，
四川成都610041; 3.四川花语精细化工有限公司，四川自贡643113)

摘要:以环氧氯丙烷(1)和NaHSO3为原料，Na2SO3为引发剂，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为络合增效剂，经酸催化开环反应合成了磺酸型两性表面活性剂中间体——3-氯-2-羟基丙磺酸钠(2)，其结构经1H NMR，IR 和ESI-MS确证。在最佳反应条件［1 0.55 mol，n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)∶n(EDTA-2Na)∶n(H2O)=1.00∶0.04∶0.01∶9.50，1的滴加时间15 min，在适宜的转速(前期100 rpm，后期300 rpm)下，于70℃(浴温)反应1.25 h］下合成的2，收率81.55%。并对反应机理进行了推测。

关键词:环氧氯丙烷; 3-氯-2-羟基丙磺酸钠;表面活性剂;合成;反应机理

3-氯-2-羟基丙磺酸钠(2)是一种含羟基和磺酸钠基的氯代烷，与咪唑啉发生烷基化反应可以制得含磺酸基的两性表面活性剂［1］，其产率和纯度对表面活性剂的性能影响极大。

2的合成已有文献［2－5］报道，但均未涉及合成工艺研究，尤其缺乏对体系pH变化趋势的关注，且产率偏低(约40%)。如果采取冷却、有机溶剂或减压蒸馏可以获得较高产率(约90%)，但操作不够简便。对其进行全面的合成工艺研究，具有一定的现实意义。

Scheme 1

为此，本文以环氧氯丙烷(1)和NaHSO3为原料，Na2SO3为引发剂，乙二胺四乙酸二钠(EDTA-2Na)为络合增效剂，经酸催化开环反应合成了磺酸型两性表面活性剂中间体2(Scheme 1)，其结构经1H NMR，IR和ESI-MS确证。对反应条件进行了全面的研究;对反应机理进行了推测。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Perkin-Elmer DSC7型熔点仪(温度未校正); PHS-3C型pH计(玻璃电极); Brucker 300 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标); Nicolet MX-1E FT-IR型红外光谱仪(KBr压片); Thermo Finnigan LCQ DECA型电喷雾离子阱质谱仪。

1，分析纯，山东海力化工有限公司;亚硫酸钠和亚硫酸氢钠，化学纯，北京润泽康生物科技有限公司;酸性品红，分析纯，天津博迪化工有限公司;其余所用试剂均为化学纯。

1.22的合成［6－14］

在四颈反应瓶中加入NaHSO352 g(500 mmol)，Na2SO32.52 g(20 mmol)，EDTA-2Na 1.69 g(5 mmol)及水85.5 mL(4 750 mmol)，加热搅拌使其溶解［取约30%溶液(简称溶液A)待用］;控制pH＜6.5，依次滴加1 50.9 g(0.55 mol)和溶液A，滴毕，于70℃(浴温)反应至终点(品红溶液不褪色)。降至室温，结晶，真空抽滤，滤饼于105℃真空干燥得白色固体2;1H NMR δ:2.74(dd，J=13.5 Hz，5.6 Hz，1H，CH2Cl)，2.61(dd，J=13.4 Hz，6.7 Hz，1H，CH2Cl)，3.61(dd，J=11.0 Hz，6.0 Hz，1H，CH2SO3)，3.81(dd，J=11.0 Hz，3.8 Hz，1H，CH2SO3)，4.13～3.95(m，1H，CHOH)，5.27(d，J=3.3 Hz，1H，OH); IR ν:3 357(OH)，1 630(SO3Na)，1 422(OH)，1 149(CH2OH)，728(CH2Cl)cm－1; ESI-MS m/z:Calcd for C3H6O4SClNa{［M + Na］+} 219.6，found 218.98。

2　结果与讨论

2.1反应机理的推测及副反应的控制

反应体系中pH值的变化是反应进程的体现，同时对副反应的发生影响较大。实验中，用pH计跟踪测定反应过程中pH值的变化，推测出反应机理并验证了Na2SO3的引发作用，对控制副反应的发生起到了指导作用。

(1)反应机理的推测

在2的合成中，随着NaHSO3的消耗，pH应逐渐上升。然而，通过对反应体系进程中pH值的检测(图1)，发现随着反应时间的延长，pH值呈先上升后下降的趋势。

图1　pH值随反应时间的变化曲线Figure 1　Variation curve of pH values with reaction time

Scheme 2

在反应体系中存在HSO3－和SO23－的电离和水解平衡，推测其反应机理如Scheme 2。首先体系中的H+与环氧基团中的氧结合使环氧基团带正电，从而削弱了C－O键，有利于亲核试剂SO23－的进攻。位阻效应的存在限制了对a处的进攻，SO23－在b处更易发生亲核取代得到2。根据体系pH变化趋势，推测H+与环氧基的结合速度比SO23－对环氧基的进攻要快，所以反应体系的pH呈上升趋势。而随着后期SO23－的逐渐消耗，使得反应体系的pH下降。

田志茗等［5］研究表明:Na2SO3在反应中起着离子引发剂的作用，但并未进行试验验证。根据Na2SO3加入前后反应体系pH的变化(见图2)，本文对此进行了证实:未加Na2SO3前，反应体系pH基本保持不变甚至略有下降，说明体系中没有消耗NaHSO3，反应未开始。反应40 min时加入少量Na2SO3，体系pH迅速大幅度上升，表明反应开始。由此可以推断，Na2SO3起着引发反应的重要作用。

图2　Na2SO3加入前后对pH的影响Figure 2　Effect of before and after adding Na2SO3on pH value

图3　不同pH条件下Cl－的定性检测Figure 3　Qualitative detection of Cl－under different pH conditions

(2)水解副反应的控制

1和2中的有机氯在碱性条件下会发生水解反应，产生Cl－，反应结束后可以通过检测体系中Cl－含量判定水解副产物的多少。通过跟踪测定反应体系pH并取样检测溶液中是否有Cl－生成(图3)，即可判断水解副反应发生的程度。从图3可见，反应15 min和30 min时，Cl－均不存在;反应45 min时，产生Cl－，此时对应的pH约6.5。推测当pH＞6.5时，1和2会发生水解反应，促成副产物的生成，从而影响2的产率和纯度。

通过预先取出部分原料NaHSO3或(NaHSO3+ Na2SO3+ EDTA)混合溶液，当体系pH接近6.5时补加入体系，可有效控制pH值变化，使pH波动幅度降低。通过对三种方案，即空白，补加30% NaHSO3和溶液A，对体系Cl－含量［Cl－/%=n(Cl测－定)/n(1)］进行检测，结果显示三种方案的Cl－含量分别为5.42%，4.32%和3.92%。由此可见，补加溶液A的措施可明显降低Cl－的含量，说明控制了水解副反应的发生，提高了2的产率和纯度。

2.2合成2的反应条件优化

(1)1的滴加时间

1 0.55 mol，其余反应条件同1.2，考察1的滴加时间对2收率和纯度的影响，结果见表1。从表1可见，滴加15 min和30 min，反应到达终点所需时间相差不大;滴加60 min明显减缓了反应进程，虽产率稍有提高，但所得产物纯度不好(熔程较宽)。由此可可见，1的滴加时间越短，反应进程越快，所得产物的产率高，且纯度好。但在滴定过程中要注意温度的变化，控制温度在90℃以下，避免1发生自聚反应［7］。综合考虑，1的最佳滴加时间以30 min为宜。

表1　1的滴加时间对反应时间，2的产率及纯度的影响*Table 1　Effect of 1 dropping time on the reaction time，yield and purity of 2

(2)转速

探究转速对反应的影响是因为1微溶于水，与NaHSO3溶液组成非均相反应体系，属于界面反应，且该反应为放热反应，转速的大小对体系界面及散热都影响很大。预期随着转速的增大，增加界面接触，有利于反应进程及产率的提高。

表2　转速对反应时间，2的产率及纯度的影响*Table 2　Effect of rotating speed on the reaction time，yield and purity of 2

1的滴加时间为30 min，其余反应条件同2.2(1)，考察转速对2产率和纯度的影响，结果见表2。由表2可见，转速过大(500 rpm)反而延长了反应时间，结果与与预期相悖。推测原因，我们认为，对于转速的选择，应综合考虑散热和界面反应两个因素，并根据体系温度的变化灵活掌握。例如，在上述低浓度的反应体系，应选择中等转速以兼顾界面接触和利用反应放热;在高浓度反应体系，前期应选择低转速以避免过多的界面接触，防止体系温度过高引起环氧氯丙烷自聚;反应中后期体系温度趋于稳定时，则应提高转速，增大界面接触，使反应更快地到达反应终点(后文通过限制溶剂量来增加产率的试验中，证明了我们这一推测的正确性)。从反应时间和产物纯度的角度考虑，最佳的转速应为:反应前期100 rpm，中后期300 rpm。

(3)反应温度和溶剂用量

1滴加时间30 min，反应前期转速100 rpm，中后期转速300 rpm，其余反应条件同2.2(1)，考察反应温度和溶剂用量对2产率和纯度的影响，结果见表3。

表3　反应温度和溶剂用量对反应时间，2的产率及纯度的影响*Table 3　Effect of temperature and solvent amounton the reaction time，yield and purity of 2

表4　r对反应时间，2的产率及纯度的影响*Table 4　Effect of r on the reaction time，yield and purity of 2

从表3可见，随着反应温度的提高，NaHSO3在水中的溶解度增大，相应所需的溶剂(水)量减少;溶剂量的降低可明显缩短反应时间，提高产率。即提高反应温度、减少溶剂量的协同作用，可促使反应速率提高，缩短反应时间，并带来较高的收率。最佳反应温度为70℃，水用量50 mL。

(4)r［n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)］

Na2SO3在体系中起着引发反应的重要作用。1滴加时间30 min，反应前期转速100 rpm，中后期转速300 rpm，反应温度70℃，水50 mL，其余反应条件表2.2(1)，考察Na2SO3用量对2产率和纯度的影响，结果见表4。由表4可见，随着Na2SO3用量的增加，反应速率增快，反应时间缩短，产率提高。但Na2SO3用量的增大，会相应提高体系中氯离子的含量，即增加了水解副产物的发生，还会使产物熔点有所降低，影响其纯度。另一方面，少量Na2SO3和EDTA-2Na的加入可明显增大NaHSO3的溶解度，将溶剂水的用量限制在最少，这样既可缩短反应时间，又能明显提高产物的产率。最佳的r=1.0∶0.4。

通过大量的实验研究，综合考虑反应速率、产物纯度及产率，将溶剂量限制在最少，最佳的物料配比为:n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)∶n(EDTA-2Na)∶n(H2O)=1.00∶0.04∶0.01∶9.50。在此条件下，进一步对y=n(NaHSO3)∶n(1)进行探讨，结果见表5。由表5可见，NaHSO3或1任一过量，都将使反应较快达到反应终点。若NaHSO3过量，产率较大但产品熔点偏低，纯度不高;且通过滴定判定反应终点操作繁琐。基于对反应终点判定的方便和产物纯度的考虑，应选择1过量。最佳的y=1.0∶0.04。

表5　y对反应时间，2的产率及纯度的影响*Table 5　Effect of y on the reaction time，yield and purity of 2

由表5还可见，室温条件下结晶所得产率较表1～表4冰水浴结晶所得产率有了明显的提高，而且结晶条件更温和、更便捷。

综上所述，合成2的最佳反应条件为:1 0.55 mol，n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)∶n(EDTA-2Na)∶n(H2O)=1.00∶0.04∶0.01∶9.50，1的滴加时间15 min，在适宜的转速(前期100 rpm，后期300 rpm)下，于70℃(浴温)反应1.25 h。

2.3回收母液套用

为进一步提高2的产率，减少废液的排放，为实际生产提供参考，对最佳反应条件进行了放大(1 kg)和母液回收利用，结果见表6。从表6可见，常温结晶所得产率高达81.55%。母液中还残留有部分产物，通过母液回收，循环两次，常温下结晶所得平均产率可达98%(平均产率=三次所得目标产物总质量/目标产物理论质量)。但随着循环次数的增加，产物熔点下降，熔程变宽，纯度有所下降。

表6　母液循环使用对2产率的影响*Table 6　Effect of reuse of mother liquid on yield of 2

3　结论

通过对3-氯-2-羟基丙磺酸钠(2)合成过程中所涉及反应机理及各影响因素的全面探讨，可得到以下结论:(1)反应体系的pH呈现升高-下降的趋势，当pH＞6.5，环氧氯丙烷(1)和2会发生水解副反应。(2)根据反应机理的推断，该反应为酸催化开环反应，所以应将1滴加到NaHSO3酸性环境中。(3)Na2SO3可以增加NaHSO3的溶解度，引发反应且加速反应进程。温度是影响反应的最主要因素，温度的升高可缩短反应时间，为避免1自聚，应将体系温度控制在90℃以下。(4)合成2的较佳反应条件为:1 0.55 mol，n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)∶n(EDTA)∶n(H2O)=1.00∶0.04∶0.01∶9.50，1的滴加时间15 min，在适宜的转速(前期100 rpm，后期300 rpm)下，于70℃(浴温)反应1.25 h。(5)在放大试验中，母液回用两次，平均产率可达98%。

参考文献

［1］徐克勋主编.精细有机化工原料及中间体手册［M］.北京:化学工业出版社，1988.

［2］申云霞，毕彩丰，赵宇，等.2-羟基-3-氯丙磺酸钠的合成及结构表征［J］.化工进展，2009，(12):2218－2220.

［3］陈正国，钱勇，高庆，等.3-氯-2-羟基丙磺酸钠的合成研究［J］.胶体与聚合物，2003，21(2):17－18.

［4］左海丽，吴晓青，崔璐娟，等.合成工艺对3-氯-2-羟基丙磺酸钠产率及时间的影响［J］.胶体与聚合物，2006，24(4):33－34.

［5］田志茗，邓启刚，孙宏，等.3-氯-2-羟基丙基磺酸钠的合成研究［J］.齐齐哈尔大学学报，2008，24(1):1－3.

［6］四川花语精细化工有限公司.一种生产3-氯-2-羟基丙磺酸钠的方法［P］.CN 20 071 005 047.1，2008.

［7］孙继，胡兴刚，靳晓霞.3-氯-2-羟基丙磺酸钠的合成［J］.天津化工，2007，12(5):37－38.

［8］王伟.微波场中3-氯-2-羟基丙磺酸钠的合成及其表征［D］.湘潭:湘潭大学，2012.

［9］李树安，张铸勇.咪唑啉磺酸盐两性表面活性剂的合成［J］.精细化工，1990，7(5):75－78.

［10］胡建奎.品红溶液的浓度该多大［J］.化学教学，1996，10:43－44.

［11］郝玉兰，王雪，刘爱庆.硬脂酸-2-羟基-3-丙磺酸钠的合成［J］.大庆石油学院学报，2008，32(6):76－78.

［12］Nicholas P，Carl P，Warner M L.Soap based detergent formulation:XXIV.Sulfobetaine derivatives of fatty amides［J］.Journal of the American Oil Chemists’Society，1977，54(7):294－296.

［13］Dong S J，Li Y L，Song Y B，et al.Synthesis，characterization and performance of unsaturated long-chain carboxybetaine and hydroxy sulfobetaine［J］.J Surfact Deterg，2013，16:523－529.［14］Hao Y L，Cheng Y Z，Wang X.Synthesis and properties of palmitic acid-2-hydroxy-3-sulfonic sodium propyl ester［J］.Key Engineering Materials，2011，480－481:11－16.

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通信联系人:陈华林，研究员，博士生导师，Tel.028-85260436，E-mail:aofly@163.com

Research of Synthetic Process of
Sodium3-Chloro-2-hydroxy Propanesulfate

GE Li-juan1，2，LIU Bai-ling2，ZHANG Yong3，LI Chen-ying1，2，LUO Rong2，CHEN Hua-lin2
(1.The Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China;
2.Chengdu Organic Chemicals Co.，Ltd.，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China;
3.Sichuan Flower’s Song Fine Chemical Co.，Ltd.，Zigong 643113，China)

Abstract:A important intermediate of sulfonate amphoteric surfactant，sodium 3-chloro-2-hydroxy propanesulfate(2)，was synthesized by acid-catalyted ring-opening reaction，using epichlorohydrin(1)and NaHSO3as material，Na2SO3as initiator，EDTA-2Na as complexing synergist.The structure was confirmed by1H NMR，IR and ESI-MS.The yield of 2 was 81.55% under the optimum reaction conditions［1 0.55 mol，n(NaHSO3)∶n(Na2SO3)∶n(EDTA-2Na)∶H2O)=1.00∶0.04∶0.01∶9.50，dropping time of 1 was 15 min，rotating speed is varied from 100 rpm to 300 rpm，at 70℃for 1.25 h］.Keywords:epichlorohydrin; sodium 3-chloro-2-hydroxy propanesulfate; surfactant; synthesis; reaction mechanism

作者简介:葛丽娟(1989－)，女，汉族，山东聊城人，硕士研究生，主要从事咪唑啉表面活性剂的研究。E-mail:momo1225@126.com

基金项目:四川花语精细化工有限公司“科技创新基金”资助项目

收稿日期:2015-01-29

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1153 *

文献标识码:A

中图分类号:O623.84; O621.3