Способ получения n-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3

Настоящее изобретение относится к способу получения N-нитро-5-азидо-метилоксазолидина-1,3, который может быть использован в качестве энергетического пластификатора полимеров. В качестве исходных соединений используют сульфамат калия и эпихлоргидрин, реакцию присоединения сульфамата калия к эпихлоргидрину проводят при температуре 50…53°С и времени выдержки 50…55 часов при трехкратном избытке сульфамата калия, образующийся N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия без выделения конденсируют в виде водно-спиртового раствора с формальдегидом, а полученный после упаривания водно-спиртового раствора N-(5-хлор-метилоксазолидин-1,3)-сульфамат калия без извлечения из реакционного аппарата суспендируют в уксусном ангидриде и нитруют азотной кислотой при температуре 10…25°С. Образующийся N-нитро-5-хлорметил-оксазолидин-1,3 экстрагируют хлорорганическими растворителями, очищают путем обработки его водным раствором едкого натрия при 70…75°С и азидируют азидом натрия в среде диметилформамида в присутствии активированного угля при 100°С.

 

Изобретение относится к области химии и технологии получения гетероциклических соединений оксазолидинового ряда, а именно N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3, который широко исследуется под названием MANO-5 в качестве энергетического пластификатора полимеров.

Известен способ получения производных N-нитро-оксазолидинов-1,3, содержащих различные группы, в том числе азидометильную в положении 5 [Патент РФ №2181719], взаимодействием N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия с формальдегидом в водной или водно-спиртовой среде с последующим нитрованием продукта реакции нитрующим агентом и превращением полученного N-нитро-5-хлор-метилоксазолидина-1,3 в MANO-5 путем обработки его азидом натрия.

Синтез N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 проводят следующим образом. К раствору N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия в воде или смеси воды со спиртом добавляют 30%-ный раствор формальдегида и полученный раствор упаривают под вакуумом. Получают в остатке твердый N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамат калия, который извлекают из аппарата и нитруют путем добавления его к смеси азотной кислоты и уксусного ангидрида при минус 10°С. После выдержки реакционную массу выливают в смесь воды со льдом и экстрагируют этилацетатом. Экстракт последовательно промывают водой, содой, водой, упаривают и получают N-нитро-5-хлорметилоксазолидин-1,3, который очищают перегонкой под глубоким вакуумом (~1-1,2 мм рт.ст.).

Синтез MANO-5 осуществляют путем добавления при 100°С 40 ммоль N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 к смеси 32 мл диметилформамида (ДМФА), 40 ммоль хлористого кальция и 80 ммоль азида натрия и выдержкой реакционной массы при 100°С в течение 8 часов. Затем реакционную массу выливают в 40 мл воды, осадок отфильтровывают и промывают 10 мл бензола. Фильтрат дополнительно экстрагируют бензолом (5×10 мл), бензольные экстракты промывают водой (5×10 мл), бензол упаривают и получают MANO-5 с выходом 80%.

Указанный выше способ принят в качестве наиболее близкого аналога.

В аналоге не указаны способ и методика получения исходного N-(3-хлор-2-гидро-ксипропил)-сульфамата калия. Описанная ранее в работе [П.В.Булатов. «Синтез функциональных сульфаматов и аминов на основе реакции производных сульфаминовой кислоты с оксиранами», канд. диссертация, ИОХ им. Н.Д.Зелинского РАН, 1999] методика его синтеза заключается в следующем. Водно-спиртовый раствор сульфамата калия и эпихлоргидрина, взятых в мольном соотношении 1:1,1, перемешивают при температуре 70…75°с в течение 25 ч. Раствор упаривают в вакууме, остаток промывают горячим этанолом и экстрагируют двумя порциями по 100 мл 95% водного метанола. Объединенные метанольные экстракты упаривают, остаток обрабатывают ацетоном и получают с выходом 82% N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия.

Недостатками аналога являются:

- необходимость проведения отдельной стадии синтеза N-(3-хлор-2-гидрокси-пропил)-сульфамата калия и сложность его выделения;

- необходимость извлечения из аппарата N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия, который образуется при отгонке растворителя в виде прилипшей к стенкам аппарата твердой массы;

- использование низкой температуры при реакции нитрования;

- необходимость глубоковакуумной перегонки для очистки N-нитро-5-хлор-метилоксазолидина-1,3;

- использование хлористого кальция при азидировании N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, который затрудняет перемешивание реакционной массы и снижает качество целевого продукта.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения N-нитро-5-азид ометилоксазолидина-1,3, лишенного вышеуказанных недостатков.

Технический результат достигается тем, что синтез N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-N-сульфамата калия проводят в водно-спиртовой среде при трехкратном избытке сульфамата калия, температуре 50…53°С и времени выдержки 50…55 часов, избыток сульфамата калия отфильтровывают после разбавления спиртом и охлаждения реакционной массы, полученный N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия не выделяют в свободном виде, а используют в виде водно-спиртового раствора для конденсации с формальдегидом. После добавления к раствору 30%-ного профильтрованного формалина отгоняют спирт и воду в вакууме при 100°С, и твердый остаток нитруют без извлечения его из реакционного аппарата, для чего к твердому остатку добавляют уксусный ангидрид, перемешивают до образования суспензии и нитруют путем добавления азотной кислоты при температуре 10…25°С и выдержке в течение 30 мин. Образующийся N-нитро-5-хлорметилоксазолидин-1,3 экстрагируют хлорорганическими растворителями (дихлорэтаном или хлороформом или хлористым метиленом) и очищают после отгонки растворителя путем обработки его 5%-ным раствором едкого натрия при температуре 70…75°С. При этом удаляются такие примеси, как тринитротриазациклогексан и динитрат монохлоргидрина глицерина. Очищенный N-нитро-5-хлорметил-оксазолидин-1,3 азидируют при 100°С в среде ДМФА в присутствии активированного угля без использования хлористого кальция, а полученный MANO-5 выделяют путем экстракции после разбавления реакционной массы водой хлорорганическими растворителями (дихлорэтаном или хлороформом или хлористым метиленом).

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

- оптимизированные условия синтеза N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия, исключение трудоемкой стадии его выделения и очистки, использование его в виде водно-спиртового раствора;

- исключение трудоемкого процесса извлечения прилипшего к стенкам аппарата N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия;

- исключение из процесса использование низкой температуры при нитровании N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия;

- замена трудоемкой и небезопасной технологии очистки N-нитро-5-хлор-метилоксазолидина-1,3 путем перегонки его в глубоком вакууме на более технологичный метод очистки обработкой его 5%-ным раствором едкого натрия;

- исключение из процесса хлористого кальция при азидировании N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3.

Способ получения N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3 иллюстрируется следующим примером.

1. Получение N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-N-сульфамата калия

К раствору 40,5 г (0,3 моль) сульфамата калия в 130 мл воды и 130 мл спирта добавляют 9,3 г (0,1 моль) эпихлоргидрина и рН раствора доводят до 7,3±0,2 при помощи едкого калия или соляной кислоты. Полученный раствор перемешивают при температуре 50…53°С и в течение 50…55 часов, охлаждают до 20…25°С, добавляют 185 мл спирта, раствор охлаждают до ~5°С и выдерживают при этой температуре ~8 часов. Выпавший избыточный сульфамат калия отфильтровывают и получают ~20 г (88%) N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-N-сульфамата калия в растворе 130 мл воды и 225 мл спирта. Полученный раствор, кроме целевого продукта, содержит в качестве примеси до ~2 г монохлоргидрина глицерина.

2. Получение N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия

К полученному по вышеописанной методике водно-спиртовому раствору N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-N-сульфамата калия добавляют 9.68 г 30%-ного, предварительно профильтрованного формалина, pH раствора доводят до 8,3±0,2 при помощи раствора едкого калия или соляной кислоты, затем полученный раствор упаривают при перемешивании в вакууме при температуре 100°С до образования твердой массы. Получают ~21 г (100%) целевого продукта, прилипшего к стенкам аппарата, содержащего ~2 г монохлоргидрина глицерина.

3. Получение N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3

К полученному по вышеописанной методике N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамату калия добавляют 84 мл уксусного ангидрида и перемешивают до образования суспензии (~1 час) и дозируют при перемешивании 26 мл концентрированной азотной кислоты, поддерживая температуру реакционной массы в пределах 10…25°С. Затем реакционную массу перемешивают при этой температуре 30 мин и выливают в 800 мл ледяной воды. Экстрагируют хлорорганическими растворителями (дихлорэтаном или хлороформом или хлористым метиленом) 2 раза по 100 мл. Объединенные экстракты промывают водой, содовым раствором и водой до нейтральной реакции промывных вод и сушат сульфатом магния. После отгонки растворителя получают 11 г (75,3%) N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3-сырца, содержащего в качестве примесей тринитротриазациклогексан и динитрат монохлоргидрина глицерина.

4. Очистка N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3-сырца

К перемешиваемому раствору 5% едкого натра (50 мл) добавляют 11 г N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3-сырца, полученную эмульсию нагревают до 70…75°С и перемешивают при этой температуре 3 часа. Далее эмульсию охлаждают до 20…25°С и делят в делительной воронке. Нижний слой - стабилизированный N-нитро-5-хлор-метилоксазолидин-1,3 отделяют, из верхнего слоя экстрагируют растворенный продукт дихлорэтаном или хлористым метиленом (2×20 мл). Объединенные экстракты смешивают со стабилизированным N-нитро-5-хлорметилоксазолидином-1,3 и промывают водой (2×20 мл), сушат и упаривают. Получают 9,5 г (77,2%) очищенного N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3.

5. Азидирование N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, синтез MANO-5.

9,5 г N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, очищенного по вышеуказанной методике, растворяют в смеси 6,9 г азида натрия, 27 мл ДМФА и 1,4 г активированного угля. Реакционную массу перемешивают при температуре 95…100°С в течение 20 часов, охлаждают и отфильтровывают от угля, выливают в 60 мл воды. Целевой продукт экстрагируют дихлорэтаном или хлористым метиленом (2×20 мл). Объединенные экстракты промывают водой (6×30 мл), сушат и упаривают. Получают 8 г (81,5%) MANO-5.

Способ получения N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3 путем конденсации N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия с формальдегидом, выделения продукта циклизации N-(5-хлорметилоксазолидина-1,3)-сульфамата калия упариванием раствора и нитрованием его нитрующей смесью, экстракцией продукта нитрования этилацетатом, очисткой полученного N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 вакуум-перегонкой и его азидированием азидом натрия в присутствии хлористого кальция, отличающийся тем, что в качестве исходных соединений используют сульфамат калия и эпихлоргидрин, реакцию присоединения сульфамата калия к эпихлоргидрину проводят при температуре 50…53°С и времени выдержки 50…55 ч при трехкратном избытке сульфамата калия, образующийся N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия без выделения конденсируют в виде водно-спиртового раствора с формальдегидом, а полученный после упаривания водно-спиртового раствора N-(5-хлор-метилоксазолидин-1,3)-сульфамат калия без извлечения из реакционного аппарата суспендируют в уксусном ангидриде и нитруют азотной кислотой при температуре 10…25°С; образующийся N-нитро-5-хлорметил-оксазолидин-1,3 экстрагируют хлорорганическими растворителями, очищают путем обработки его водным раствором едкого натра при 70…75°С и азидируют азидом натрия в среде диметилформамида в присутствии активированного угля при 100°С.