Cos’è l’acido benzensolfonico?
L’acido benzensolfonico è l’acido solfonico aromatico più semplice, con formula C6H5SO3H. Si presenta come aghi sottili e delicati o grandi piastre.
L’acido benzensolfonico è stato sintetizzato per la prima volta, insieme al difenilsolfone, da E. Mitscherlich nel 1834 dalla reazione del benzene con acido solforico fumante. Fino ai primi anni ’60, l’acido benzensolfonico è stato utilizzato principalmente nella produzione di fenolo.
Sommario
1. Proprietà fisiche dell’acido benzensolfonico
L’acido benzensolfonico cristallizza da una soluzione acquosa come idrato deliquescente con 1,5 molecole di acqua per molecola di acido benzensolfonico. Questa forma fonde a una temperatura compresa tra 43 e 44 °C. Esiste anche un monoidrato (una molecola di acqua per molecola di acido), che fonde a 45 e 46 °C.
La rimozione dell’acqua produce acido benzensolfonico anidro. Questa forma possiede un punto di fusione più elevato (65 e 66 °C) e può essere distillata senza decomposizione a 171 e 172 °C a bassa pressione (0,13 mbar).
L’acido benzensolfonico è altamente solubile in acqua e alcoli, è leggermente solubile in benzene ed è insolubile in etere dietilico e disolfuro di carbonio.
La costante dielettrica dell’acido benzensolfonico in una soluzione acquosa è 0,2.
Le proprietà fisiche importanti dell’acido benzensolfonico sono elencate nella Tabella 1.
| Proprietà | Valore |
|---|---|
| Numero CAS | [98-11-3] |
| Formula chimica | C6H6SO3 |
| Massa molecolare | 158,17 g/mol |
| Punto di fusione | 51 °C |
| Punto di ebollizione | 190 °C |
| Densità | 1,3 g/cm3 |
| pKa | -2,8 |
| Densità di vapore | 5,5 |
| Punto di infiammabilità | 113 °C |
2. Reazioni chimiche dell’acido benzensolfonico
L’acido benzensolfonico presenta reazioni tipiche di un acido solfonico aromatico forte. L’idrolisi acida a 175 °C produce benzene e acido solforico.
Un’ulteriore solfonazione con acido solforico fumante produce acido 1,3-benzenolisolfonico, che può essere convertito in acido 1,3,5-benzenetrisulfonico e acido disolfonico difenil solfone.
L’acido benzensolfonico subisce una reazione di tipo Friedel-Crafts con il benzene per formare difenilsolfone.
L’acido benzensolfonico reagisce con l’idrossido di sodio alcalino a 320-350 °C per produrre fenolato di sodio secondo la seguente equazione:
C6H5SO3Na + 2 NaOH → C6H5ONa + Na2SO3 + H2O
Questa reazione costituì la base della prima produzione industriale del fenolo.
Trattando l’acido benzensolfonico con alogenuri di fosforo (PCl5, PBr5), acido clorosolforico, cloruro di tionile o fosgene si ottengono alogenuri di solfonile:
C6H5SO2OH + PCl5 → C6H5SO2Cl + POCl3 + HCl
Quando viene utilizzato un eccesso di PCl5, si forma clorobenzene secondo a:
C6H5SO2Cl + PCl5 → C6H5Cl + SOCl2 + POCl3
L’anidride benzensolfonica viene sintetizzata facendo reagire l’acido benzensolfonico con P2O5, SOCl2 o SO3. Può anche essere formata come sottoprodotto durante la preparazione dell’acido benzensolfonico o del cloruro di benzenesolfonile. Tuttavia, in questi casi, spesso non vengono osservati a causa della loro rapida idrolisi in acido acquoso.
Gli esteri benzensolfonico sono prodotti dalla reazione di acido solfonico o cloruri di solfonile con alcoli; ad esempio, metil benzensolfonato da metanolo, etil benzensolfonato da etanolo e isopropil benzensolfonato da isopropanolo.
3. Produzione di acido benzensolfonico
L’acido benzensolfonico è prodotto da una reazione esotermica tra benzene e acido solforico, come descritto dall’equazione:
C6H6 + H2SO4 → C6H5SO3H + H2O
La reazione raggiunge l’equilibrio a una specifica concentrazione di acido solforico tra il 74 e il 78%, che dipende dalla temperatura e dalla formazione di acqua.
Una parte significativa dell’acido solforico, pari a circa il 45% nel processo tradizionale, rimane inutilizzata, agendo come solvente e diluente. Questo eccesso aiuta a ridurre al minimo la formazione di sottoprodotti come il difenilsolfone. In contesti industriali, il carbonato di calcio viene utilizzato per rimuovere l’acido in eccesso.
Sono stati implementati diversi metodi a livello industriale per ridurre l’eccesso di acido solforico, tutti con un leggero aumento della formazione di solfone:
- Sostituzione dell’acido solforico con oleum (acido solforico fumante) o triossido di zolfo puro.
- Estrazione dell’acido benzensolfonico dalla miscela di reazione mediante benzene.
- Rimozione continua dell’acqua formata durante la reazione mediante benzene mediante distillazione azeotropica.
Il processo classico non è più rilevante a livello commerciale perché era collegato alla produzione di fenolo (l’uso di solfito dalla produzione di fenolo per neutralizzare l’acido benzensolfonico).
3.1. Produzione di acido benzensolfonico mediante solfonazione continua con oleum (processo Monsanto)
Questo processo prevede l’alimentazione simultanea di benzene e oleum in una cascata di sei recipienti di solfonazione dotati di agitatori. I primi due recipienti vengono raffreddati, mentre gli altri vengono riscaldati. Un controllo ottimale della temperatura assicura una reazione completa al momento in cui la miscela esce dal recipiente finale.
L’eccesso di acido solforico viene neutralizzato con una soluzione di solfito di sodio o idrossido di sodio, che porta alla precipitazione di solfato di sodio. La soluzione contenente benzensolfato di sodio viene concentrata, causando un’ulteriore precipitazione di solfato di sodio.
Dopo la separazione, l’acido benzensolfonico può essere convertito direttamente in fenolo o essiccato. Questo processo in genere utilizza oleum con il 35,6% di triossido di zolfo e mantiene temperature comprese tra 70-80 °C e 110 °C rispettivamente nel primo e nell’ultimo recipiente. Circa l’1% del benzene viene convertito in difenilsolfone.
3.2. Produzione di acido benzensolfonico mediante processo di estrazione continua
Questo metodo prevede l’agitazione vigorosa di benzene in eccesso e triossido di zolfo introdotti separatamente sul fondo di un recipiente. Uno strato di benzene saturo di acido benzensolfonico si raccoglie in cima e trabocca in un secondo recipiente.
Qui, l’acido benzensolfonico viene estratto dal benzene mediante lavaggio continuo con acqua o soluzione di idrossido di sodio. Lo strato di benzene separato viene quindi essiccato e riciclato nuovamente nel recipiente di reazione.
Questo processo consente di ottenere un consumo di acido solforico di 1260 kg per 1000 kg di benzene convertito, con formazione di difenilsolfone inferiore al 2%.
3.3. Produzione di acido benzensolfonico mediante rimozione azeotropica dell’acqua di reazione
Questo processo comporta il riscaldamento dell’acido solforico (concentrazione di circa il 79%) a 170 °C in un recipiente. Il vapore di benzene finemente suddiviso viene introdotto attraverso una piastra perforata sul fondo. Una parte del vapore di benzene in eccesso subisce solfonazione, mentre il benzene rimanente rimuove continuamente l’acqua formata tramite distillazione azeotropica.
La miscela di benzene e vapore acqueo che esce dal recipiente viene condensata e il benzene separato viene riciclato all’evaporatore. Il funzionamento continuo produce un prodotto finale contenente circa l’80,2% di acido benzensolfonico e il 14,3% di acido solforico.
Le operazioni in batch possono produrre un prodotto con il 93,1% di acido benzensolfonico e il 4,8% di acido solforico. L’aggiunta di benzensolfonato di sodio alla miscela di reazione può ridurre ulteriormente la formazione di solfone al di sotto del 2%.
4. Usi dell’acido benzensolfonico
L’acido benzensolfonico è utilizzato per diverse applicazioni in vari settori, come segue:
Produzione di fenolo: l’acido benzensolfonico è utilizzato per produrre fenolo mediante fusione con idrossido di sodio o idrolisi dei suoi sali, in genere il sale di sodio.
Sintesi di tensioattivi: l’acido benzensolfonico è un componente chiave nella creazione di tensioattivi, in particolare se combinato con sali di metallo o ammine. I sali dell’acido benzensolfonico, come il benzenesolfonato di sodio (Ludigol) e il benzenesolfonato di monoetanolammina, sono impiegati come tensioattivi nelle formulazioni di detersivi per bucato.
Sintesi di farmaci farmaceutici: l’acido benzensolfonico è coinvolto nella sintesi di farmaci farmaceutici, dove questi farmaci sono prodotti come sali di benzenesolfonato. Questi sali sono riconosciuti dalla denominazione comune internazionale come besilati o dalla denominazione adottata negli Stati Uniti come besilati.
Catalizzatore acido: la natura acida dell’acido benzensolfonico lo rende prezioso come catalizzatore acido in varie reazioni chimiche.
Standardizzazione dei coloranti: il sale sodico dell’acido benzensolfonico svolge un ruolo nella standardizzazione dei coloranti, garantendo l’accuratezza dei processi di colorazione.
Recupero di petrolio migliorato con tensioattivi (SEOR): l’acido benzenesolfonico è essenziale nel SEOR, una tecnica che prevede l’uso di tensioattivi per facilitare l’estrazione di petrolio dai giacimenti, nota anche come lavaggio con tensioattivi.
5. Tossicologia dell’acido benzenesolfonico
L’acido benzenesolfonico presenta potenziali rischi per la salute derivanti dall’esposizione per inalazione e ingestione.
L’inalazione può causare irritazione respiratoria, caratterizzata da tosse, mal di gola, mancanza di respiro e sensazione di bruciore nei polmoni. Mal di testa e nausea possono anche accompagnare questi sintomi.
Il contatto della pelle con l’acido provoca irritazione e ustioni, con rossore, dolore bruciante e potenziale formazione di vesciche.
Allo stesso modo, l’esposizione degli occhi può causare gravi ustioni e danni permanenti alla vista.
L’ingestione di acido benzenesolfonico provoca irritazione e bruciore alla gola e al torace, insieme a dolore addominale e potenzialmente anche shock o collasso.
I dati sulla tossicità acuta includono:
- LD50 orale (ratti): 890 uL/kg
- LDLo cutanea (gatti): 10 mg/kg
- LD50 orale (uccelli): 75 mg/kg
L’esposizione all’acido benzensolfonico può portare a problemi di salute più gravi. La natura corrosiva dell’acido può causare ustioni sulla pelle e sugli occhi. L’inalazione dell’acido può infiammare i polmoni, una condizione nota come polmonite tossica.
Sebbene generalmente non si ritenga che causi effetti sulla salute a lungo termine, si consiglia comunque cautela. Il contatto con vapori riscaldati o la forma sublimata (solidi che passano direttamente allo stato gassoso) può irritare le vie respiratorie superiori, gli occhi e la pelle.
Studi sugli animali supportano i potenziali rischi dell’esposizione all’acido benzensolfonico. Le cavie hanno sviluppato una grave irritazione cutanea al contatto e i test sugli occhi dei conigli hanno indicato lesioni significative.
Riferimenti
- Benzenesulfonic Acids and Their Derivatives; Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. – https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/14356007.a03_507
- BENZENESULFONIC ACID – ILO
- https://www.acs.org/molecule-of-the-week/archive/b/benzenesulfonic-acid.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/Benzenesulfonic_acid
- Benzenesulfonic Acid (Surfactant)
