Тионилхлорид — неорганическое соединение с химической формулой SOCl2 . Это умеренно летучая , бесцветная жидкость с неприятным едким запахом. Тионилхлорид в основном используется как хлорирующий реагент, примерно 45 000 тонн (50 000 коротких тонн) в год производилось в начале 1990-х годов, [5] но иногда также используется в качестве растворителя. [6] [7] [8] Он токсичен, реагирует с водой, а также включен в Конвенцию о химическом оружии , поскольку может использоваться для производства химического оружия .
Тионилхлорид иногда путают с сульфурилхлоридом , SO2Cl2 , но свойства этих соединений существенно различаются. Сульфурилхлорид является источником хлора , тогда как тионилхлорид является источником хлорид -ионов.
Производство
Основной промышленный синтез включает реакцию триоксида серы и дихлорида серы . [9] Этот синтез можно адаптировать к лабораторным условиям, нагревая олеум для медленной перегонки триоксида серы в охлажденную колбу с дихлоридом серы. [10]
Вторая из пяти вышеприведенных реакций также дает оксихлорид фосфора (фосфорилхлорид), который во многих своих реакциях напоминает тионилхлорид. Их можно разделить перегонкой, поскольку тионилхлорид кипит при гораздо более низкой температуре, чем фосфорилхлорид. [ необходима цитата ]
Тионилхлорид имеет длительный срок хранения, однако «старые» образцы приобретают желтый оттенок, возможно, из-за образования дихлорида серы . Он медленно разлагается на S2Cl2 , SO2 и Cl2 при температуре чуть выше точки кипения. [9] [12] Тионилхлорид подвержен фотолизу , который в основном протекает по радикальному механизму. [13] Образцы , показывающие признаки старения , можно очистить путем перегонки при пониженном давлении, чтобы получить бесцветную жидкость. [14]
Реакции
Тионилхлорид в основном используется в промышленном производстве хлорорганических соединений , которые часто являются промежуточными продуктами в фармацевтике и агрохимикате. Обычно он предпочтительнее других реагентов, таких как пентахлорид фосфора , поскольку его побочные продукты (HCl и SO2 ) являются газообразными, что упрощает очистку продукта.
Многие продукты тионилхлорида сами по себе обладают высокой реакционной способностью, и поэтому они участвуют в широком спектре реакций.
Аналогичным образом он также реагирует со спиртами , образуя алкилхлориды . Если спирт хиральный, реакция обычно протекает по механизму S N i с сохранением стереохимии; [15] однако, в зависимости от точных условий, может быть достигнута и стереоинверсия. Исторически использование SOCl 2 с пиридином называлось галогенированием Дарзена , но это название редко используется современными химиками.
Аналогичным образом первичные амиды будут реагировать с тионилхлоридом, образуя имидоилхлориды , а вторичные амиды также дают ионы хлориминия . Эти виды обладают высокой реакционной способностью и могут использоваться для катализа превращения карбоновых кислот в ацилхлориды; [24] они также используются в реакции Бишлера-Напиральского как средство образования изохинолинов .
Сульфоновые кислоты реагируют с тионилхлоридом, образуя сульфонилхлориды . [28] [29] Сульфонилхлориды также были получены прямой реакцией соответствующей соли диазония с тионилхлоридом. [30]
Поскольку SOCl 2 реагирует с водой, его можно использовать для дегидратации различных гидратов хлоридов металлов, таких как хлорид магния ( MgCl 2 ·6H 2 O ), хлорид алюминия ( AlCl 3 ·6H 2 O ) и хлорид железа (III) ( FeCl 3 ·6H 2 O ). [9] Это преобразование включает обработку кипящим тионилхлоридом и следует следующему общему уравнению: [31]
MCl n •xH 2 O + SOCl 2 → MCl n + x SO 2 + 2x HCl
Если для дегидратации трихлорида алюминия использовать избыток SOCl2, то образуется аддукт (1 молекула тионилхлорида на каждую молекулу димера трихлорида алюминия).
Другие реакции
Тионилхлорид может участвовать в ряде различных реакций электрофильного присоединения. Он присоединяется к алкенам в присутствии AlCl3 , образуя алюминиевый комплекс, который может быть гидролизован с образованием сульфиновой кислоты . Как арилсульфинилхлориды, так и диарилсульфоксиды могут быть получены из аренов посредством реакции с тионилхлоридом в трифторметансульфоновой кислоте [32] или в присутствии катализаторов, таких как BiCl3 , Bi (OTf) 3 , LiClO4 или NaClO4 . [ 33] [ 34 ]
В лабораторных условиях реакцию между тионилхлоридом и избытком безводного спирта можно использовать для получения безводных спиртовых растворов HCl .
Тионилхлорид вступает в реакции обмена галогенов, образуя другие тионильные соединения.
Тионилйодид также может быть получен путем реакции с йодидом калия, но, как сообщается, он крайне нестабилен. [35] [36]
Аккумуляторы
Тионилхлорид является компонентом литий-тионилхлоридных батарей , [37] где он действует как положительный электрод (в батареях: катод ), а литий образует отрицательный электрод ( анод ); электролитом обычно является тетрахлоралюминат лития . Общая реакция разряда выглядит следующим образом:
4 Li + 2 SOCl 2 → 4 LiCl + 1 ⁄ 8 S 8 + SO 2
Эти неперезаряжаемые батареи имеют преимущества перед другими формами литиевых батарей, такие как высокая плотность энергии, широкий диапазон рабочих температур и длительный срок хранения и эксплуатации. Однако их высокая стоимость, невозможность перезарядки и проблемы безопасности ограничили их использование. Содержимое батарей высокотоксично и требует специальных процедур утилизации; кроме того, они могут взорваться при коротком замыкании. Эта технология была использована на марсоходе Sojourner 1997 года.
В 1849 году французские химики Жан-Франсуа Персоз и Блох, а также немецкий химик Петер Кремерс (1827–?) независимо друг от друга впервые синтезировали тионилхлорид путем реакции пентахлорида фосфора с диоксидом серы . [39] [40] Однако их продукты были нечистыми: и Персоз, и Кремерс утверждали, что тионилхлорид содержит фосфор, [41] и Кремерс зафиксировал его температуру кипения как 100 °C (вместо 74,6 °C). В 1857 году немецко-итальянский химик Хуго Шифф подверг сырой тионилхлорид повторным фракционным перегонкам и получил жидкость, которая кипела при 82 °C и которую он назвал тионилхлоридом . [42] В 1859 году немецкий химик Георг Людвиг Кариус заметил, что тионилхлорид можно использовать для получения ангидридов кислот и ацилхлоридов из карбоновых кислот, а также для получения алкилхлоридов из спиртов . [43]
^ Тионилхлорид в Linstrom, Peter J.; Mallard, William G. (ред.); NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69 , Национальный институт стандартов и технологий, Гейтерсберг (Мэриленд) (получено 11 мая 2014 г.)
^ Ока, Китаро (1981). «Некоторые применения тионилхлорида в синтетической органической химии». Синтез . 1981 (9): 661– 681. doi :10.1055/s-1981-29563. S2CID 94917739.
^ Calderazzo, Fausto; Dell'Amico, Daniela Belli (апрель 1981 г.). «Синтезы карбонилгалогенидов поздних переходных элементов в тионилхлориде в качестве растворителя. Карбонильные комплексы палладия(II)». Неорганическая химия . 20 (4): 1310– 1312. doi :10.1021/ic50218a072.
^ Гарбер, ЭБ; Пиз, ЛЭД; Людер, УФ (20 апреля 1953 г.). «Титрование апротонных кислот в тионилхлориде». Аналитическая химия . 25 (4): 581– 583. doi :10.1021/ac60076a012.
^ Брауэр, Джордж (1963). Справочник по препаративной неорганической химии . С. 382–383 . doi :10.1016/B978-0-12-395590-6.50015-6.
^ Моотц, Д.; Мершенц-Кряк, А. (15 мая 1988 г.). «Структура тионилгалогенидов: SOCl2 и SOBr2» (PDF) . Acta Crystallographica Раздел C. 44 (5): 926–927 . Бибкод : 1988AcCrC..44..926M. дои : 10.1107/S010827018800085X.
^ Брауэр, Георг, ред. (1963). Справочник по препаративной неорганической химии . Том 1. Перевод Scripta Technica; Рид, Ф. (2-е изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Academic Press. стр. 383. ISBN978-0121266011.
^ Донован, Р. Дж.; Хусейн, Д.; Джексон, П. Т. (1969). «Спектроскопические и кинетические исследования радикала SO и фотолиза тионилхлорида». Труды Фарадейского общества . 65 : 2930. doi :10.1039/TF9696502930.
^ Фридман, Л.; Веттер, ВП (1967). «Очистка тионилхлорида». Журнал химического общества A: Неорганические, физические, теоретические : 36. doi :10.1039/J19670000036.
^ Niznik, GE; Morrison, WH, III; Walborsky, HM (1988). "1-d-альдегиды из металлоорганических реагентов: 2-метилбутаналь-1-d". Органические синтезы{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ); Собрание томов , т. 6, стр. 751.
^ Arrieta, A.; Aizpurua, JM; Palomo, C. (1984). " N , N -диметилхлорсульфитметаниминийхлорид (SOCl2-DMF) универсальный дегидратирующий реагент". Tetrahedron Letters . 25 (31): 3365– 3368. doi :10.1016/S0040-4039(01)81386-1.
^ Клейден, Дж. (2001). Органическая химия . Оксфорд: Oxford University Press. С. 276–296. ISBN0-19-850346-6.
^ Криницкий, JA; Кархарт, HW (1963). "2-Этилгексанонитрил". Органические синтезы; Собрание томов , т. 4, стр. 436.
^ Hulce, M.; Mallomo, JP; Frye, LL; Kogan, TP; Posner, GH (1990). "(S)-(+)-2-(p-толуолсульфинил)-2-циклопентенон: предшественник для энантиоселективного синтеза 3-замещенных циклопентанонов". Органические синтезы; Собрание томов , т. 7, стр. 495.
^ Курцер, Ф. (1963). "п-толуолсульфинилхлорид". Органические синтезы; Собрание томов , т. 4, стр. 937.
^ Weinreb, SM; Chase, CE; Wipf, P.; Venkatraman, S. (2004). "2-Триметилсилилэтансульфонилхлорид (SES-Cl)". Органические синтезы; Собрание томов , т. 10, стр. 707.
^ Hazen, GG; Bollinger, FW; Roberts, FE; Russ, WK; Seman, JJ; Staskiewicz, S. (1998). "4-Додецилбензолсульфонилазиды". Органические синтезы; Собрание томов , т. 9, стр. 400.
^ Хоган, П. Дж.; Кокс, Б. Г. (2009). «Химия водных процессов: получение арилсульфонилхлоридов». Organic Process Research & Development . 13 (5): 875– 879. doi :10.1021/op9000862.
^ Pray, AR; Heitmiller, RF; Strycker, S.; Aftandilian, VD; Muniyappan, T.; Choudhury, D.; Tamres, M. (1990). "Безводные хлориды металлов". Неорганические синтезы . Т. 28. С. 321– 323. doi :10.1002/9780470132593.ch80. ISBN978-0-470-13259-3.
^ Peyronneau, M.; Roques, N.; Mazières, S.; Le Roux, C. (2003). «Каталитическая активация тионилхлорида кислотой Льюиса: применение к синтезу арилсульфинилхлоридов, катализируемых солями висмута (III)». Synlett (5): 0631– 0634. doi :10.1055/s-2003-38358.
^ Рао, М. Р. Асватанараяна (март 1940 г.). «Тионилйодид: Часть I. Образование тионилйодида». Труды Индийской академии наук — Раздел A. 11 ( 3): 185–200 . doi :10.1007/BF03046547. S2CID 104552644.
^ Рао, М. Р. Асватанараяна (март 1940 г.). «Тионилйодид: Часть II. Скорость разложения и спектроскопия». Труды Индийской академии наук — Раздел A. 11 ( 3): 201–205 . doi :10.1007/BF03046548. S2CID 104752226.
^ Гангадхаран, Р.; Намбудири, ПНН; Прасад, КВ; Вишванатан, Р. (январь 1979). «Литий-тионилхлоридная батарея — обзор». Журнал источников питания . 4 (1): 1– 9. Bibcode : 1979JPS.....4....1G. doi : 10.1016/0378-7753(79)80032-4.
^ Институт медицины (1993). "Глава 5: Химия сернистого иприта и люизита". Ветераны в опасности: воздействие иприта и люизита на здоровье. The National Academies Press. ISBN0-309-04832-X.
^ См.:
Персоз; Блох (1849). «Des composés binaires formés par les métalloïdes, et, en частности, de l'action du хлорида фосфорика на серные, серные, фосфорные, хромовые кислоты и т. д.» [Бинные соединения, образованные металлоидами и, в частности, действием пентахлорида фосфора на сернистые соединения кислота, серная кислота, фосфорная кислота, хромовая кислота и др.]. Comptes rendus (на французском языке). 28 : 86–88 .
Персоз; Блох (1849). «Дополнение к предыдущему примечанию, касающемуся соединений фосфорной кислоты с фосфорной кислотой, серной кислотой и сернистой кислотой». Comptes rendus (на французском языке). 28 : 389.
^ Кремерс, П. (1849). «Ueber schwefligsaures Phosphorchromid» [О сернистом пентахлориде фосфора]. Annalen der Chemie und Pharmacie (на немецком языке). 70 (3): 297–300 . doi :10.1002/jlac.18490700311.
^ Немецкий химик Георг Людвиг Кариус отметил, что при перегонке реакционной смеси, в которой образовался тионилхлорид, сырая смесь первоначально выделяла значительные количества газа, так что фосфорилхлорид (POCl 3 ) переносился в приемник. Кариус, Л. (1859). "Ueber die Chloride des Schwefels und deren Derivate" [О хлориде серы и его производных]. Annalen der Chemie und Pharmacie (на немецком языке). 111 : 93– 113. doi :10.1002/jlac.18591110111.Со стр. 94: «… dabei ist jedoch die Vorsicht zu gebrauchen, … und nie reines Chlorthionyl erhalten wird». (… однако во время этого [т. е. фракционной перегонки] необходимо соблюдать осторожность, [так] чтобы тщательно избегать концентрации хлористого водорода или избытка сернистой кислоты в жидкости, которая должна быть перегнана, так как в противном случае из-за выделения газа, которое происходит в начале перегонки, переносится много фосфорилхлорида и чистый тионилхлорид никогда не получается.)
^ Шифф, Хьюго (1857). «Ueber die Einwirkung des Phosphorsuperchromids auf einige anorganische Säuren» [О реакции пентахлорида фосфора с некоторыми неорганическими кислотами]. Annalen der Chemie und Pharmacie (на немецком языке). 102 : 111–118 . doi : 10.1002/jlac.18571020116. Температура кипения тионилхлорида, которую наблюдал Шифф, указана на стр. 112. Название тионилхлорид введено на стр. 113.
^ Кариус, Л. (1859). «Ueber die Chloride des Schwefels und deren Derivate» [О хлориде серы и его производных]. Annalen der Chemie und Pharmacie (на немецком языке). 111 : 93–113 . doi : 10.1002/jlac.18591110111. На стр. 94 Кариус отмечает, что тионилхлорид может быть "… mit Vortheil zur Darstellung wasserfreier Säuren verwenden." (… успешно использован для приготовления ангидридов кислот.) Также на стр. 94 Кариус показывает химические уравнения, в которых тионилхлорид используется для превращения бензойной кислоты (OC7H5OH ) в бензоилхлорид ( ClC7H5O ) и для превращения бензоата натрия в бензойный ангидрид . На стр. 96 он упоминает, что тионилхлорид преобразует метанол в метилхлорид ( хлорметил ). Тионилхлорид ведет себя как фосфорилхлорид : со стр. 94-95: "Die Einwirkung des Chlorthionyls … die Reaction des Chlorthionyls weit heftiger statt." (Реакция тионилхлорида с [органическими] веществами, содержащими кислород, протекает в общем параллельно реакции фосфорилхлорида; там, где последний оказывает действие, тионилхлорид обычно оказывает его также, только почти во всех случаях реакция протекает гораздо энергичнее.)