Способ получения альфа,омега-хлоралканолов (хлоргидринов)

Изобретение относится к способу получения α,ω-хлоралканолов (хлоргидринов), которые применяют для получения моноэфиров диолов, используемых в качестве растворителей в лакокрасочной промышленности, в производстве полиоксиамидов (лак Ниплон-2), предназначенных для пропитки стеклоуглетканей с целью придания им теплозащитных свойств, а также в качестве промежуточных веществ при производстве красителей, галогензамещенных полимеров, фармацевтических препаратов, катализаторов полимеризации, пластификаторов. Способ включает каталитическое хлорирование диолов с помощью четыреххлористого углерода при повышенной температуре. При этом процесс ведут в присутствии 0,1 ммоля молибденсодержащего катализатора Мо(СО)₆ при температуре 120-140°С, в течение 3-8 часов, при мольном соотношении [Мо(СО)₆]:[диол]:[CCl₄]=1:200:1000. Способ позволяет снизить расход катализатора, уменьшить продолжительность реакции, проводить процесс селективно, а также снизить себестоимость и упростить технологию. 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения хлоралканолов (хлоргидринов).

Хлоргидрины применяют для получения моноэфиров диолов, используемых в качестве растворителей в лакокрасочной промышленности, а также в производстве полиоксиамидов (лак Ниплон-2), предназначенных для пропитки стеклоуглетканей с целью придания им теплозащитных свойств. Хлоргидрины используют в качестве промежуточных веществ при производстве красителей, галогензамещенных полимеров, фармацевтических препаратов, катализаторов полимеризации, пластификаторов.

Одним из методов получения α, ω-галоидгидринов является метод восстановления эфиров Cl(СН₂)_nCO₂С₂Н₅ действием LiAlH₄ при низкой температуре. Выходы Cl(CH₂)_n+1OH составляют 45-95% и повышаются с увеличением числа n (Salmon - Legagneur F., Neveu C., C.r. Acad. sci., Vol.248, №15, 2217-2219 (1959) [1]).

Восстановление ClCH₂CH₂COOEt действием LiBH₄ в присутствии (МеО₃)B (эфир, кипячение, 1 ч) с последующим гидролизом раствором NaOH приводит к 3-хлорпропанолу с выходом 84% (Brown H.C., Narasimhan S., J. Org. Chem., Vol.49, №21, 3891-3898 (1984) [2]).

Метод имеет ряд недостатков:

1. Труднодоступность и дороговизна восстановителей (LiAlH₄, LiBH₄).

2. Многостадийный синтез исходных эфиров.

3. Сложности в процессе выделения хлоргидринов из-за образования побочных продуктов и значительного количества отходов.

Смесь α, ω-диолов и хлорспиртов с нечетным числом атомов углерода получают гидролизом α, ω-хлорбромалканов при 150°С в присутствии диметилформамида (Афанасьев И.Б., Енговатова С.А., Леонова Н.П. Способ получения смеси α, ω-диолов и хлорспиртов. Авт.св. СССР. №169101 (1965) [3]).

Недостатки метода:

1. Труднодоступность α, ω-хлорбромалканов.

2. Образование смеси продуктов, неселективность процесса.

3. Сложности при выделении целевого продукта.

Взаимодействие диоксациклоалканов с эквимолярным количеством Me₃SiCl в присутствии апротонных катализаторов протекает с разрывом С-O-связи цикла и образованием неустойчивых α-хлоралкиловых эфиров, изомеризация которых приводит к соответствующим хлоргидринам и дихлоралканам (Муллахметова З.Ф. Новые реактивы на основе ацеталей, ортоэфиров, их аналогов и производных. М., 1986, 124-129 [4]).

Недостатками метода является неселективность процесса и низкий выход целевого продукта.

4-Хлорбутанол получают взаимодействием тетрагидрофурана с HCl (газ) в присутствии катализатора. В качестве катализаторов используют смолу, содержащую заместители - галогенид тетраалкиламмония формулы S]-NR³Х (R=алкил C₁-С₁₀, Х=Cl, Br, J) или аминогруппу формулы NR₂ (например, сополимер стирола с дивинилбензолом, содержащий S]-NMe₃Cl-и NMe₂-группы). Реакцию ведут при температуре 20-87°, используя катализатор (например, "Amberlyst-26", "Amberlyst-21") в количестве 9-30 ч на 100 ч ТГФ. В качестве катализатора используют смолу (обычно в форме гранул), которая не разлагается в процессе реакции и не растворяется в конечном продукте реакции (Hammond K.G. Synthesis of 4-haloalkyl alcohols. Пат.4334109, США (1982) [5]).

Недостатки метода:

1. Использование газообразного HCl в большом количестве.

2. Большой расход катализатора (10%).

3. Умеренный выход целевого продукта.

Нагреванием смеси 1 моля тетрагидрофурана, 1 моля SiCl₄ и 1 г ZnCl₂ до кипения в течение 5 часов получены Cl(СН₂)₄Cl, выход 15%, и [СН₂Cl(СН₂)₃О]₂-SiCl₂, при гидролизе которого в эфирном растворе водным раствором Na₂СО₃ образуется кремневая кислота и 1-хлорбутанол-4 СН₂Cl(СН₂)₃ОН. В отсутствие катализатора реакция не проходит (Шуйкин Н.И., Бельский И.Ф. Докл. АН СССР, т.113, №2, 366-667 (1957) [6]).

Недостатки метода:

1. Использование дорогостоящего хлорирующего агента (SiCl₄) в эквимольном количестве.

2. Образование побочных продуктов (Н₂SiO₃).

3. Образуется значительное количество неорганических отходов и сточных вод, которые необходимо утилизировать, что требует больших затрат (трудо- и энергозатраты).

α, ω-Хлоралканолы можно получать частичным хлорированием α, ω-диолов с помощью HCl. Так, 1,3-пропиленгликоль насыщают сухим HCl при 170°С и получают триметиленхлоргидрин с выходом 59%.

Аналогичная реакция 1,5-пентандиола с HCl (185°С) приводит 1-хлорпентанолу-5 с выходом 20%, а при взаимодействии HCl (кислоты) с 1,6-гександиолом в присутствии толуола образуется 1-хлоргексанол-6 с выходом 54% (Vejdeiek Z.J., Trcka V., Vysatova V. Chem. listy, Vol.48, №5, 685-691 (1954) [7]).

Для получения 1-хлор-12-оксидодекана 1,12-додекандиол нагревают с раствором концентрированной HCl до 95-100°С в растворе бензола и получают целевой продукт с выходом 63% (Захаркин Л.И., Гусева В.В. Способ получения ω-окситетрадекановой кислоты. Авт.св. СССР №413141 (1974) [8]).

Нагревание 1,10-декандиола с концентрированной HCl в присутствии воды сокращает время реакции до 12 часов, а выход соответствующего хлоралканола составляет 72% (Anand N., Wadia P.S., Dhar M.L., J. Scient and Jndustr. Res., Vol.13, №4, Sec. В., 260-269 (1954) [9]).

Недостатки указанных методов:

1. Агрессивная кислая среда.

2. После нейтрализации реакционной массы образуется большое количество неорганических отходов и сточных вод, которые необходимо утилизировать.

3. Значительная продолжительность процессов и связанные с этим энерго- и трудозатраты.

4. Невысокий выход целевых продуктов.

Различные диолы взаимодействуют с реагентом Ph₃Р-трет-BuOCl с образованием, в зависимости от строения, циклических эфиров, региоизомерных хлоргидринов и дихлоридов. К смеси 5 ммолей 1,3-пропиленгликоля, 6.25 ммоля Ph₃Р в 10 мл хлороформа, охлажденному до -70°С, по каплям прибавляют 6.25 ммоля трет-BuOCl, дают нагреться до ˜20°С, кипятят 24 ч и получают смесь, состоящую из трех продуктов: исходного диола, хлоргидрина и 1,3-дихлорпропана (Barry С.N., Evans Jr S. A. J. Org. Chem, Vol.48, №17, 2825-2828 (1983) [10])

Недостатки метода:

1. Большой расход дорогостоящего и токсичного катализатора (стехиометрические количества PPh₃).

2. Образование сложной смеси продуктов реакции.

3. Низкая селективность процесса.

4. Труднодоступность хлорирующего агента (трет-BuOCl).

5. Сложность обеспечения низкотемпературных (-70°С) условий проведения реакции.

Реагент трифенилфосфин - этиловый эфир трихлоруксусной кислоты эффективен для последовательного замещения гидроксильных групп галогеном в α, ω-диолах. Так, при взаимодействии PPh₃ - CCl₃CO₂С₂Н₅ с НО(СН₂)_nОН (n=7, 9) в ацетонитриле при 10-15°С образуется смесь хлоргидрина Cl(СН₂)_nОН и дихлорида Cl(СН₂)_nCl. Соотношение продуктов реакции существенно зависит от концентрации диола и реагента. При введении в реакцию 0.5 экв. галогенирующего агента удается практически полностью устранить образование дихлорида, однако выход хлоргидрина в этом случае не превышает 17%. Оптимальным для получения хлоргидрина является использование одного эквивалента галогенирующего агента. При этом соотношение хлоргидрина и дихлорида в случае 1, 9 - нонандиола составляет 47% и 16% (Матвеева Е.Д., Курц А.Л., Яловская А.И., Никишова Н.Г., Бундель. Ж. орган, химии, т.25, №4, 716-721 (1979) [11]).

Недостатки метода:

1. Большой расход катализатора (PPh₃).

2. Низкий выход целевого продукта (7-17%).

3. Образование большого количества побочных продуктов.

В работе (Barry С.N., Evans Jr S.A. J. Org. Chem., Vol.46, №16, 3361-3364 (1981) [12]) для замещения НО-группы в диолах предложен реагент PPh₃ - CCl₄. Реакция проходит при длительном кипячении в ацетонитриле (24 ч), а продуктами ее являются хлоргидрины и дихлориды.

На основании сходства по четырем признакам (исходный реагент - диол, присутствие галоидметана (CCl₄), использование катализатора (PPh₃), образование в результате реакции хлоргидрина) за прототип взят метод хлорирования диолов с помощью системы PPh₃ - CCl₄ [12].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Длительность процесса (24 ч).

2. Использование стехиометрического количества дорогостоящего и токсичного катализатора (PPh₃).

3. Низкая селективность (образование дихлоридов).

4. Умеренный выход целевого продукта.

5. Невозможность повторного использования катализатора из-за его окисления в трифенилфофиноксид (Ph₃Р=О).

Авторами предлагается способ получения хлоргидринов, не имеющий указанных недостатков.

Сущность способа заключается в хлорировании диолов с помощью CCl₄ под действием молибденсодержащего катализатора Мо(СО)₆ при 120-140°С в течение 3-8 часов, при мольном соотношении [Мо]:

[диол]:[CCl₄]=1:200:1000.

В оптимальных условиях при конверсии диола 96-99% единственным продуктом реакции является хлоргидрин.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа.

1. Для получения хлоргидринов в хлорировании диолов используется система Мо(СО)₆ - CCl₄.

Преимущества предлагаемого метода

1. Низкий расход катализатора.

2. Уменьшении продолжительности реакции (3-8 часов).

3. Отсутствие агрессивных хлорирующих агентов.

4. Удешевление себестоимости и упрощение технологии в целом за счет уменьшения энерго- и трудозатрат и из-за отсутствия стадии ректификационной очистки продукта и утилизации отходов.

5. Селективность процесса.

Предлагаемый способ поясняется примерами.

Пример I. В микроавтоклав (ампулу) под аргоном помещали 0.1 ммоль Мо(СО)₆, 20 ммоль 1.3-пропандиола и 100 ммоль CCl₄ (который играет роль реагента и растворителя одновременно), автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 120°С в течении 8 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждали до ˜20°С, вскрывали, реакционную массу фильтровали через слой силикагеля (2 г), CCl₄ отгоняли, остаток перегоняли при атмосферном давлении или в вакууме.

Пример II. В микроавтоклав (ампулу) под аргоном помещали 0.1 ммоль Мо(СО)₆, 20 ммоль 1.10-декандиола и 100 ммоль CCl₄, автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 140°С в течении 3 часов. После соответствующей обработки (как в примере I) был выделен 10-хлордекан с выходом 62%.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 1.

Выделенные хлоргидрины имели следующие константы.

3-Хлорпропанол. Выход 96%, т.кип.82°С (80 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 59.49 (С¹), 34.89 (С²), 43.30 (С³). Масс-спектр, m/z (I_отн (%)): [М]⁺отсут., 76(11), 58(72), 57(48), 41(16), 39(8), 31(100), 30(36), 29(55) (лит.: т.кип.67°С (19 мм рт.ст.) Edward J. D., GerrardW., Lappert M. F. J. Chem. Soc., №1, 348-356 (1957) [13]).

4-Хлорбутанол. Выход 98%, т.кип.73-74°С (7 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.87 (С¹), 28.58 (С²), 29.36 (С³), 44.85 (С⁴). Найдено, %: С 44.29; Н 8.21; С1 31.98. С₄Н₉ClO. Вычислено, %: С 44.25; Н 8.35; С1 32.65; О 14.75. (лит.: т.кип.90-95°С (20 мм рт.ст.[1]).

5-Хлорпентанол. Выход 95%, т.кип.57-58°С (1 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.28 (С¹), 32.08 (С²), 23.07 (С³), 32.30 (С⁴), 44.25 (С⁵). Найдено, %: С 49.05; Н 9.11; С1 29.01. С₅Н₁₁ClO. Вычислено, %: С 48.98; Н 9.04; С1 28.92; О 11.02. (лит.: т.кип.96-97°С (13 мм рт.ст.[13]).

6-Хлоргексанол. Выход 98%, т.кип.97 ¹³С (10 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 1.10-1.92 (8Н, 4СН₂), 3.42-3.80 м (4Н, СН₂Cl, СН₂ОН). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.99 (С¹), 32.49 (С²), 26.59 (С³), 25.00 (С⁴), 32.07 (С⁵), 45.03 (С⁶). Масс-спектр, m/z (I_отн (%)): [M]⁺отсут., 92(10), 90(12), 83(12), 82(30), 81(5), 76(5), 70(8), 69(65), 68(8), 67(47), 63(5), 57(11), 56(40), 55(100), 54(29), 53(8), 49(5), 45(5), 44(7), 43(34), 42(76), 41(99), 40(12), 39(28), 31(77), 30(7), 29(41). Найдено, %: С 52.70; Н 9.56; С1 26.08. С₆Н₁₃ClO. Вычислено, %: С 52.74; Н 9.59; Cl 25.95; О 11.72. (лит.: т.кип.105-108°С (20 мм рт.ст.[7]).

7-Хлоргептанол. Выход 87%, т.кип.80°С (15 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹Н, 5, м.д.: 1.15-2.0 м (10Н, 5СН₂), 3.25-3.75 м (4Н, СН₂Cl, СН₂OH). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.69 (С¹), 32.39 (С²), 25.57 (С³), 27.69 (С⁴), 28.02 (С⁵), 30.63 (С⁶), 44.54 (С⁷). Найдено, %: С 55.74; Н 10.10; Cl 23.68. C₇H₁₅ClO. Вычислено, %: С 55.81; Н 10.04; Cl 23.53; О 10.62. (лит.: т.кип.128-130°С (10 мм рт.ст.[11]).

9-Хлорнонанол. Выход 74%, т.кип.142-143°С (20 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 1.2-2.0 м (14Н, 7СН₂), 3.40-3.65 м (4Н, CH₂Cl, CH₂OH). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.79 (С¹), 32.50 (С²), 26.17 (С³), 27.55 (С⁴), 27.23 (С⁵), 27.89 (С⁶), 28.00 (С⁷), 28.74 (С⁸), 44.40 (С⁹). Найдено, %: С 60.12; Н 10.54; Cl 19.76. С₉Н₁₉ClO. Вычислено, %: С 60.48; Н 10.72; Cl 19.84; О 8.96.

10-Хлордеканол. Выход 62%, т.кип.144-145°C (2 мм рт.ст.). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 63.05 (С¹), 32.84 (С²), 26.31 (С³), 27.61 (С⁴), 27.80 (С⁵), 27.22 (С⁶), 28.12 (С⁷), 28.00 (С⁸), 28.74 (С⁹), 44.49 (С¹⁰). Найдено, %: С 62.28; Н 10.85; Cl 18.42. C₁₀H₂₁ClO. Вычислено, %: С 62.32; Н 10.98; Cl 18.39; О 8.31. (лит.: т.кип.164-165°С (20 мм рт.ст.[9]).

12-Хлордодеканол. Выделен колоночной хроматографией (элюент-эфиртексан=1:2). Выход 48%. Спектр ЯМР ¹Н, δ, м. д.: 1.31-1.95 (20Н, 10СН₂), 3.42-3.64 м (4Н, CH₂Cl, CH₂ОН). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д., ТМС: 62.87 (С¹), 32.81 (С²), 26.28 (С³), 27.55 (С⁴), 27.76 (С⁵), 27.22 (С⁶), 27.89 (С⁷), 28.02 (С⁸), 28.64 (С⁹), 28.70 (С¹⁰), 29.36 (С¹¹), 45.05 (С¹²). Найдено, %: С 65.32; Н 14.30; Cl 15.67. С₁₂H₂₅ClO. Вычислено, %: С 65.57; Н 14.46; С115.68-04.29.

Таблица 1 Результаты опытов по синтезу хлоргидринов с помощью CCl4 под действием Мо(СО)6.
№№п/ п	Диол	Мольное соотношение [Мо]:[диол]: [CCl4]	Температура, °C	Время реакции, ч	Выход хлоргидрина %
1	2	3	4	5	6
1.	1,3-пропандиол	1: 200: 1000	120	6	72
2.	-//-	-//-	140	3	98
3.	1,4-бутандиол	-//-	-//-	-//-	98
4.	1,5-пентандиол	-//-	-//-	-//-	95
5.	1,6-гександиол	-//-	-//-	-//-	98
6.	1,7-гептандиол	-//-	-//-	-//-	87
7.	1,9-нонандиол	-//-	-//-	-//-	74
8.	1,12-додекандиол	-//-	-//-	-//-	48

Способ получения α,ω-хлоралканолов (хлоргидринов) каталитическим хлорированием диолов с помощью четыреххлористого углерода при повышенной температуре, отличающийся тем, что процесс ведут в присутствии 0,1 ммоля молибденсодержащего катализатора Мо(СО)₆ при температуре 120-140°С в течение 3-8 ч при мольном соотношении [Мо(СО)₆]:[диол]:[CCl₄]=1:200:1000.