Непрерывный способ получения карбонильных соединений посредством содержащего нитроксильный радикал катализатора
Изобретение относится к способу окисления первичного или вторичного спирта предпочтительно до альдегида, соответственно кетона, который включает следующие стадии:
a) приготовление каталитической композиции, включающей по меньшей мере одно содержащее нитроксильный радикал соединение, по меньшей мере один источник NO, по меньшей мере одну карбоновую или минеральную кислоту или один ангидрид карбоновой или минеральной кислоты,
b) приготовление реакционной смеси путем добавления к каталитической композиции, полученной на стадии a), соответственно стадии е), по меньшей мере одного первичного или вторичного спирта и содержащего кислород газа, а также при необходимости одного или нескольких растворителей,
c) инкубация полученной на стадии b) реакционной смеси при температуре от 0 до 100°C или температуре кипения растворителя,
d) выполняемая одновременно со стадией c) или после нее кристаллизация продукта реакции и
e) регенерация каталитической композиции путем удаления кристаллизованного продукта реакции из полученной на стадии d) реакционной смеси. Предлагаемый способ позволяет оптимизировать соотношение между выходом целевого продукта и количеством используемого катализатора без использования токсичных и подлежащих трудоемкому выделению солей. 17 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к способу окисления первичного или вторичного спирта предпочтительно до альдегида или кетона с использованием и регенерацией каталитической композиции, содержащей нитроксильный радикал.
Под карбонильными соединениями, к которым относятся химические продукты класса альдегидов и класса кетонов, подразумевают не только широко распространенные многочисленные природные вещества, но и соединения, которые в значительных объемах используют также в качестве эдуктов и растворителей в промышленном органическом синтезе. Карбонильная группа является одной из важнейших функциональных групп органической химии.
В уровне техники описано множество способов получения карбонильных соединений. При этом в качестве эдуктов, как правило, используют спирты, которые с учетом их постоянного использования для получения карбонильных соединений являются предпочтительными, поскольку они в больших количествах встречаются в природе в форме углеводов (сахаров, сахаридов, крахмалов, гликозидов, гликозилов) и могут быть легко преобразованы в другие производные спиртов (например, ангидросахара, сахарные спирты и так далее) хорошо известными методами.
Описанные в уровне техники способы окисления спиртов в карбонильные соединения обладают недостатками, которые препятствуют промышленному использованию этих способов.
Так, например, Шелдоном и другими (Sheldon, Roger A.; Arends, Isabel W. С.E. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2006), 251(1-2), 200-214), a также Миниски и другими (Minisci, Francesco; Punta, Carlo; Recupero, Francesco. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical (2006), 251(1-2), 129-149) описан способ окисления спиртов посредством кислорода, предусматривающий использование производных нитроксильных радикальных и добавление переходных металлов, которые после синтеза подлежат трудоемкому выделению в виде соответствующих солей. Кроме того, указанные соли являются токсичными.
Другие способы, например, описанные в публикациях L. Anelli, С. Biffi, F. Montanari, S. Quici, J. Org. Chem., 52 (1987) 2559; J.A. Cella, J.A. Kelley, E.F. Kenehan, J. Org. Chem., 40 (1975) 1850; S.D. Rychovsky, R. Vaidyanathan, J. Org. Chem., 64 (1999) 310.; Bolm, Carsten; Magnus, Angelika S.; Hildebrand, Jens P. Organic Letters (2000), 2(8), 1173-1175; S.S. Kim, K. Nehru, Synletter (2002) 616; De Luca, Lidia; Giacomelli, Giampaolo; Porcheddu, Andrea. Organic Letters (2001), 3(19), 3041-3043, предусматривают использование дорогостоящих источников кислорода, например, гипохлорита, хлорпербензойной кислоты, пероксомоносерной кислоты, перйодной кислоты или трихлоризоциануровой кислоты. Кроме того, многие из указанных реагентов содержат галогены, в частности хлор, бром и йод, которые в условиях реакции могут обладать сильным коррозионным действием и нередко обусловливают протекание снижающих выход побочных реакций. Общий недостаток указанных выше окислителей и вспомогательных реагентов состоит в том, что при выделении целевого продукта они обусловливают повышенные затраты, поскольку их при необходимости следует отделять от целевого продукта на нескольких разных технологических стадиях.
В соответствии с некоторыми описанными в уровне техники способами окисления спиртов до карбонильных соединений в качестве единственного катализатора или сокатализатора используют производное TEMPO (2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила). Так, например, в публикации Хинусами и других (T. Chinnusamy, O. Reiser, Chem. Sus. Chem. 2010, 3, 1040-1042) описано окисление бензилового спирта кислородом в присутствии твердого катализатора TEMPO, осуществляемое в карбоновой кислоте в качестве растворителя. Недостаток цитируемого способа состоит в использовании значительных количеств солей кобальта и марганца, которые после удаления твердого производного TEMPO подлежат отделению от целевого продукта на дополнительной стадии. Кроме того, сами используемые производные TEMPO получают трудоемким и затратным методом.
Разными авторами описано использование иммобилизованных производных TEMPO для катализа окисления спиртов (смотри (a) A. Michaud, G. Gingras, М. Morin, F. Beland, R. Ciriminna, D. Avnir, M. Pagliaro, Org. Proc. Res. Dev. 2007, 11, 766-768; (b) A. Michaud, V. Pandarus, L. Tremblay, R. Ciriminna, M. Pagliaro, F. Beland, Top. Catal., 2010, 53, 1110-1113; (с) M. Subhani, M. Beigi, P. Eilbracht, Adv. Synth. Catal. 2008, 350, 2903-290 и (d) C: Roben, A. Studer, W. Hemme, H. Eckert, Synlett 2010, 1110-1114). Преимуществом иммобилизованного катализатора является возможность его легкого отделения от жидкой реакционной смеси. Однако иммобилизация представляет собой дополнительную трудоемкую технологическую стадию помимо стадии получения катализатора и, как правило, сопряжена с потерями соответствующего соединения.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача - разработать способ окисления спиртов в карбонильные соединения под действием катализатора и при этом обойтись без использования токсичных или подлежащих трудоемкому выделению солей, а также без иммобилизации катализатора. Другой задачей настоящего изобретения явилась разработка способа окисления спиртов до карбонильных соединений посредством катализатора, позволяющего оптимизировать соотношение между выходом целевого продукта и количеством используемого катализатора по сравнению с соотношениями, достигаемыми в случае использования известных из уровня техники способов.
Согласно изобретению указанные задачи решаются благодаря объекту, представленному в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах.
Согласно изобретению указанные задачи в первом аспекте решаются благодаря способу окисления первичного или вторичного спирта предпочтительно до альдегида, соответственно кетона, который включает следующие стадии:
a) приготовление каталитической композиции, включающей по меньшей мере одно содержащее нитроксильный радикал соединение, по меньшей мере один источник NO, по меньшей мере одну карбоновую или минеральную кислоту или один ангидрид карбоновой или минеральной кислоты,
b) приготовление реакционной смеси путем добавления к каталитической композиции, полученной на стадии а), соответственно стадии е), по меньшей мере одного первичного или вторичного спирта и содержащего кислород газа, а также при необходимости одного или нескольких растворителей,
c) инкубация полученной на стадии b) реакционной смеси при температуре от 0 до 100°C или температуре кипения растворителя,
d) выполняемая одновременно со стадией c) или после нее кристаллизация продукта реакции, и
e) регенерация каталитической композиции путем удаления кристаллизованного продукта реакции из полученной на стадии d) реакционной смеси.
Согласно первому варианту первого аспекта стадии от b) до e) повторяют по меньшей мере один раз, предпочтительно по меньшей мере три раза, причем при каждой повторной реализации стадии b) используют регенерированную на стадии е) каталитическую композицию.
Согласно второму варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения первого варианта, первичный или вторичный спирт является алифатическим, циклоалифатическим или ароматическим спиртом.
Согласно третьему варианту первого аспекта, представляющему собой также вариант исполнения первого и второго вариантов, спирт является многоатомным спиртом.
Согласно четвертому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения первого и второго вариантов, спирт выбирают из группы, включающей алифатические и линейные ω-гидроксикислоты, сахарные спирты, предпочтительно бициклические сахарные спирты, и полиолы.
Согласно пятому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения третьего варианта, спирт выбирают из группы, включающей 1,4:3,6-диангидро-D-маннит (изоманнит), 1,4:3,6-диангидро-D-глюцит (изосорбит) и 1,4:3,6-диангидро-D-идит, и предпочтительно является 1,4:3,6-диангидро-D-глюцитом (изосорбитом).
Согласно шестому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до четвертого, по меньшей мере одним содержащим нитроксильный радикал соединением является соединение формулы (I) или (II):
,
причем R1, R2, R3, R4, R5 и R6 соответственно независимо друг от друга выбирают из группы, включающей алкил с 1-10 атомами углерода, алкенил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле и гетероарил с 3-18 атомами углерода,
причем заместители типа R1, R2, R3, R4, R5 и R6 являются одинаковыми или разными и заместители типа R5 и R6 совместно могут образовать алкиленовый мостик с 1-4 атомами углерода, который может быть насыщенным или ненасыщенным, незамещенным или замещенным, в частности, одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, включающей R1, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино,
и причем Y- означает любой анион, не содержащий атомов галогена.
Согласно седьмому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения шестого варианта, по меньшей мере под одним содержащим нитроксильный радикал соединением подразумевают 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO) и/или производные 2,2,6,6-тетра-метилпиперидин-1-оксила, замещенные в положении 4 гетероцикла,
причем указанные производные содержат один или несколько заместителей, выбранных из группы, включающей R7, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино,
и причем R7 выбран из группы, включающей алкенил с 1-10 атомами углерода, алкил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле и гетероарил с 3-18 атомами углерода.
Согласно восьмому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до шестого, источник NO выбран из группы, включающей кислоты с содержащим кислород и азот анионом, а также их соли, предпочтительно азотную кислоту, азотистую кислоту и газы, содержащие оксид азота.
Согласно девятому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до седьмого, минеральная кислота, соответственно ее ангидрид, выбрана из группы, включающей H2CO3, H3PO4, HNO3, NHO2, H2SO4, H2SO3, H3BO3 и соответствующие ангидриды.
Согласно десятому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до девятого, стадии c) и d) осуществляют раздельно.
Согласно одиннадцатому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до девятого, стадии c) и d) осуществляют одновременно.
Согласно двенадцатому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения вариантов от первого до одиннадцатого, стадию c) осуществляют при температуре ниже 70°C.
Согласно тринадцатому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения двенадцатого варианта, стадию с) осуществляют при температуре ниже 50°C, предпочтительно ниже 45°C, более предпочтительно ниже 35°C.
Согласно четырнадцатому варианту первого аспекта, представляющему собой также форму исполнения тринадцатого варианта, стадию c) осуществляют при температуре от 0 до 100°C, предпочтительно от 0 до 70°C, от 10 до 50°C или от 10 до 45°C, более предпочтительно от 10 до 45°C, от 15 до 40°C или от 20 до 40°C, еще более предпочтительно от 20 до 35°C.
В основу настоящего изобретения положен неожиданно полученный вывод о том, что каталитическую композицию, которая включает содержащее нитроксильный радикал соединение, например, катализатор TEMPO, после выполненного реакционного превращения можно регенерировать в весьма активной форме и вновь использовать благодаря удалению продукта реакции из реакционной смеси посредством кристаллизации.
На технологической стадии b) получают реакционный раствор, который содержит все необходимые для протекания реакции компоненты. При этом в качестве каталитической композиции используют свежеприготовленную на стадии a) каталитическую композицию или возвращаемую со стадии e) каталитическую композицию, которая уже была использована на этой стадии для катализа по меньшей мере одного цикла реакции. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения следует добавлять по меньшей мере один эдукт. При этом используемым в подобном предпочтительном варианте эдуктом является любой необходимый для протекания реакции компонент, который отличается от компонентов каталитической композиции, предпочтительно от содержащего нитроксильный радикал соединения. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения можно также заменять часть первоначально добавляемого катализатора, если, например, на стадии e) присутствует сохранившая активность каталитическая композиция, однако для достижения более высокого выхода целевого продукта последнюю необходимо пополнять.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения термин «содержащее нитроксильный радикал соединение» используют для обозначения соединения, содержащего атомную группировку:
Атомы водорода у α-атома углерода соответствующих нитроксильных радикалов, соседнего по отношению к атому азота, отсутствуют. В предпочтительном варианте используемые в данном случае и ниже термины «нитроксильный радикал» и «содержащее нитроксильный радикал соединение» являются взаимозаменимыми синонимами, которые означают соединение, содержащее по меньшей мере один нитроксильный радикал.
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом в качестве нитроксильных радикалов в каталитической композиции предпочтительно используют соединения со структурой (I) и/или солеподобные соединения со структурой (II):
,
причем заместители R1, R2, R3, R4, R5 и R6 независимо друг от друга выбраны из группы, включающей алкил с 1-10 атомами углерода, алкенил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле и гетероарил с 3-18 атомами углерода, и причем заместители типа R5 и R6 совместно могут образовать алкиленовый мостик с 1-4 атомами углерода, который может быть насыщенным или ненасыщенным, незамещенным или замещенным, в частности, одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, включающей R1, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино. Y- в структуре (II) означает любой анион, не содержащий атомов галогена.
Существует возможность использования более одного соединения, содержащего нитроксильный радикал.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа в качестве нитроксильных радикалов используют 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (TEMPO) и/или производные 2,2,6,6-тетра-метилпиперидин-1-оксила, замещенные в положении 4 гетероцикла, причем указанные производные содержат один или несколько заместителей, выбранных из группы, включающей R1, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино, и причем R1 означает алкил с 1-10 атомами углерода, алкенил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле или гетеро-арил с 3-18 атомами углерода. Примерами соответствующих соединений являются 4-метокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (4-MeO-TEMPO), 4-оксо-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (4-оксо-TEMPO), 4-гидрокси-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (4-гидрокси-TEMPO), 4-бензоилокси-2,2,б,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (BnO-TEMPO), 4-ацетамидо-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил, 4-ацетамино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (AA-TEMPO), 4-амино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил, N,N-диметиламино-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил (NNDMA-TEMPO), 3,6-дигидро-2,2,6,6-тетраметил-1(2H)-пиридинилоксил (DH-TEMPO) или бис(2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксил-4-ил)себацинат, причем указанные соединения могут содержать один или несколько заместителей, выбранных из группы, включающей R1, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино.
В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа в качестве нитроксильных радикалов используют указанные выше соединения AA-TEMPO, 4-гидрокси-TEMPO, TEMPO и 4-оксо-TEMPO. В еще более предпочтительном варианте осуществления изобретения используют AA-TEMPO, 4-гидрокси-TEMPO и TEMPO, прежде всего AA-TEMPO.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения количество нитроксильного радикала в пересчете на количество используемого спирта составляет (в порядке возрастающего предпочтения) от 0,001 до 10 мол.%, от 0,01 до 5 мол.% или от 0,1 до 2 мол.%.
Предлагаемый в изобретении способ можно использовать для окисления первичных и вторичных спиртов. Особенно предпочтительно речь идет о сахарном спирте, в качестве которого в рассматриваемом предпочтительном варианте используют углевод по меньшей мере с одной гидроксильной группой. В особенно предпочтительном варианте осуществления способа речь идет о бициклическом сахарном спирте. Под бициклическим сахарным спиртом, используемым в рассматриваемом особенно предпочтительном варианте, подразумевают сахарный спирт, который по меньшей мере временно может образовывать две кольцевые системы. В еще более предпочтительном варианте осуществления способа под сахарным спиртом подразумевают диангидрогекситол или соединение, выбранное из группы, включающей 1,4:3,6-диангидро-D-маннит, 1,4:3,6-диангидро-D-глюцит (изосорбид) и 1,4:3,6-диангидро-L-идит.
Кроме того, в каталитической композиции, используемой в соответствии с предлагаемым в изобретении способом, присутствует по меньшей мере один источник NO. В предпочтительном варианте осуществления способа в качестве источника NO можно использовать нитрат аммония или нитрит аммония. В еще более предпочтительном варианте осуществления способа в качестве источника NO можно использовать содержащие оксид азота газы, такие как N2O, NO, N2O3, NO2, N2O4 и N2O5. В другом еще более предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве источника NO используют кислоту с содержащим кислород и азот анионом, в частности, азотную кислоту или азотистую кислоту. В качестве источника NO можно использовать также смеси разных указанных выше источников NO. В предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа количество используемого(-ых) источника(-ов) NO составляет от 0,001 до 10 мол.%, предпочтительно от 0,01 до 5 мол.% и еще более предпочтительно от 0,1 до 2 мол.% в пересчете на количество используемого спирта. В особенно предпочтительном варианте осуществления способа источник NO можно регенерировать посредством кислорода и/или выделять в условиях кристаллизации. В другом особенно предпочтительном варианте осуществления способа водосодержание источника NO составляет менее 10 мас./об.%, более предпочтительно менее 7,5, 5, 2,5, 1,5, 1 или 0,5 мас./об.%.
В соответствии с предлагаемым в изобретении способом в качестве окислителя используют кислородсодержащий газ. В предпочтительном варианте осуществления способа в качестве кислородсодержащего газа используют чистый кислород, однако можно использовать также смеси кислорода с инертным газом или воздухом или участвующий в реакции газ. Пригодными инертными газами являются, например, азот, диоксид углерода, гелий и аргон. В качестве участвующих в реакции газов можно использовать, например, оксиды азота, которые выше названы источником NO. Парциальное давление кислорода предпочтительно составляет от 0,1 до 100 бар, особенно предпочтительно от 0,2 до 50 бар. В предпочтительном варианте осуществления способа понятие «кислородсодержащий газ» используют для обозначения газа или газовой смеси, которая содержит свободный молекулярный кислород, то есть O2.
Реакцию окисления можно осуществлять в отсутствие или в присутствии растворителя, причем предпочтительным является осуществление реакции в растворителе. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения в качестве растворителя используют растворитель, в котором спиртовый эдукт при данной температуре растворяется лучше, чем образующееся из него в процессе окисления карбонильное соединение.
При этом предпочтительно используют полярные растворители, в особенности полярные органические растворители. В качестве растворителя предпочтительно используют ацетонитрил, тетрагидрофуран, этилацетат, ацетон, диэтиловый эфир, метил-трет-бутиловый эфир, третичные спирты, такие как трет-амиловый спирт и трет-бутиловый спирт, сложные эфиры угольной кислоты, такие как диметилкарбонат и диэтилкарбонат, углеводороды, карбоновые кислоты, ангидриды карбоновых кислот или смесь указанных растворителей. В предпочтительном варианте осуществления изобретения используют от 0,1 до 70 об.%, от 0,5 до 60 об.% или от 1 до 50 об.% растворителя (в порядке возрастающего предпочтения) в пересчете на используемое количество спирта. Особенно предпочтительными растворителями являются карбоновые кислоты, соответственно их ангидриды, без ограничения возможных растворителей этой группой соединений. В качестве карбоновой кислоты или ангидрида карбоновой кислоты в соответствии с предлагаемым в изобретении способом можно использовать, например, уксусную кислоту, пропионовую кислоту, масляную кислоту, пентанкарбоновую кислоту, 2-этилгексановую кислоту, их ангидриды или другую карбоновую кислоту или другой ангидрид, которые растворяются в реакционной смеси. В особенно предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа используют растворитель, выбранный из группы, включающей уксусную кислоту, пентанкарбоновую кислоту и 2-этилгексановую кислоту. Можно использовать также смеси разных пригодных карбоновых кислот или растворы карбоновых кислот в пригодном растворителе. В каждом случае следует выбирать растворитель, в котором достаточно хорошо растворим содержащий нитроксильный радикал катализатор. Специалисты могут определить растворимость того или иного вещества, в частности катализатора, в том или ином растворителе в рамках обычного эксперимента и констатировать, в каком количестве следует использовать растворитель, чтобы избежать осаждения катализатора или подобных нежелательных эффектов.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения стадию c) реализуют при температуре To от 0 до 100°C или температуре кипения растворителя. Стадию с) особенно предпочтительно реализуют при To в интервале от >10°C до <80°C, еще более предпочтительно при To в интервале от >15°C до <50°C.
Общее давление при окислении в соответствии с предлагаемым в изобретении способом предпочтительно составляет от 1 до 300 бар, предпочтительно от 1 до 50 бар, еще более предпочтительно от 1 до 5 бар.
Технологическую стадию c) можно осуществлять в периодическом, полупериодическом или непрерывном режиме. Кроме того, технологическую стадию c) необязательно следует осуществлять в реакторах определенного типа, а, напротив, ее можно реализовать в реакторе с мешалкой, трубчатом реакторе, каскаде резервуаров или комбинации реакторов подобных типов. В одном варианте осуществления изобретения сначала спирт растворяют или суспендируют в пригодном растворителе, после чего к полученному раствору или суспензии добавляют каталитическую композицию в виде отдельных компонентов или их смеси. Затем устанавливают необходимые давление и температуру. Возможным является также вариант, в соответствии с которым сначала загружают каталитическую композицию, к которой добавляют раствор или суспензию спирта. В случае непрерывного осуществления способа спирт совместно с реакционными газами предпочтительно направляют в устройство с орошаемым слоем или барботажную колонну. В соответствии с предлагаемым в изобретении способом особенно предпочтительным является как можно более низкое содержание воды в реакционной смеси, поскольку высокое содержание воды может приводить к снижению выхода целевого продукта. Кроме того, скорость реакции может быть повышена посредством удаления реакционной воды из процесса.
Для обеспечения как можно более низкого содержания воды существует несколько вариантов осуществления способа. В соответствии с эффективным технологическим процессом, предусматривающим предотвращение образования дополнительных сопряженных продуктов, следует отказаться от добавления к реакционной смеси вспомогательных веществ, которые химически или физически удаляют воду. Вместо этого можно выполнять непрерывную отгонку высвобождающейся на технологической стадии c) воды из реакционной смеси. Предпочтительный вариант осуществления способа состоит в том, что реакционную воду химически присоединяют к получаемому карбонильному соединению, причем образование соответствующих карбонилгидратов происходит самопроизвольно. После выполненного на последующей стадии d) выделения карбонилгидратов их можно вновь разделять на воду и карбонильное соединение при необходимости на реализуемой соответствующей стадии. Подобная стадия может включать, например, сушку или вакуумную сублимацию. Однако в случае, если рассматриваемые в настоящем изобретении карбонильные соединения являются исходными продуктами для последующего синтеза, в качестве альтернативы карбонилгидраты можно использовать также в неизменной форме, то есть без предварительного отщепления воды. Подобный последующий синтез может включать, например, реакции конденсации карбонильной группы, в частности, реакции с нуклеофилами, например аммиаком, аминами, гидразинами и так далее.
В зависимости от растворимости спирта и карбонильного соединения, соответственно карбонилгидрата, а также от используемой концентрации эдукта кристаллизацию карбонильного соединения, соответственно карбонилгидрата, можно реализовать на стадии d) после осуществления реакции окисления или одновременно с ней на технологической стадии c). В случае последовательно выполняемых окисления и кристаллизации их предпочтительно осуществляют в периодическом режиме, однако возможным является также непрерывный режим, если места осуществления реакции и кристаллизации пространственно отделены друг от друга, например, посредством последовательно присоединенных аппаратов. Точные условия, при которых может быть выполнена кристаллизация карбонильных соединений, специалисты могут определить в соответствующих обычных экспериментах. Соответствующие методы и подлежащие контролю параметры описаны в уровне техники, например, в “Organikum - Organisch-chemisches Grundlagen-praktikum”, 22-издание, издательство Wiley-VCH.
Стадия е) предлагаемого в изобретении способа предусматривает регенерацию каталитической композиции путем удаления кристаллизованного продукта реакции из полученной на стадии d) реакционной смеси. Специалистам известны простые в осуществлении методы удаления кристаллизованного продукта реакции из жидкого реакционного раствора. Для этого, например, можно выполнять центрифугирование реакционной смеси или просто оставлять ее в емкости, пока не произойдет оседание нерастворимых кристаллов на дне, после чего водный раствор просто отделяют путем декантирования. В качестве альтернативы раствор можно подвергать фильтрованию. Удаление кристаллизованного продукта реакции может включать также операцию удаления связанной им воды. Указанные операции выделения можно осуществлять также в непрерывном режиме.
В случае последовательно выполняемой кристаллизации температура кристаллизации Tk на технологической стадии d) может отличаться от температуры окисления To на технологической стадии c). При этом температуру кристаллизации Tk следует выбирать таким образом, что при данных концентрациях не был понижен ни предел растворимости при необходимости остающегося в реакционной смеси спиртового эдукта, ни предел растворимости содержащейся в реакционной смеси каталитической системы. В предпочтительном варианте кристаллизацию выполняют путем снижения температуры по меньшей мере на 10°C и/или до температуры от 0 до 25°C, предпочтительно от 0 до 20°C, более предпочтительно от 5 до 18°C, еще более предпочтительно от 10 до 17,5°C.
В случае параллельной кристаллизации ее температура Tk совпадает с температурой окисления To, причем растворимость карбонильного соединения, соответственно карбонилгидрата, при To гораздо ниже растворимости содержащегося в реакционной смеси эдукта, в связи с чем карбонильное соединение, соответственно карбонилгидрат, в процессе окисления выпадает в осадок. В подобном случае предпочтительным является непрерывный режим, в соответствии с которым реакционную смесь непрерывно пропускают через при необходимости пространственно отделенный от реактора разделительный аппарат (например, фильтр-пресс), причем образующуюся реакционную смесь, обедненную карбонильным соединением, соответственно карбонилгидратом, возвращают в реактор.
Предпочтительной является техника параллельной кристаллизации, выполняемой в рамках непрерывно осуществляемой технологической стадии c).
Полученный на описанной выше технологической стадии е) продукт, при необходимости содержащий карбонилгидрат, в предпочтительном варианте осуществления изобретения на при необходимости реализуемой стадии удаления воды преобразуют в безводное карбонильное соединение.
Температура реакции на стадии c), с одной стороны, должна способствовать достижению оптимального выхода и быстрому протеканию реакции, а, с другой стороны, обеспечению стойкости реагентов и продуктов реакции при хранении и их стабильности. В предпочтительном варианте осуществления изобретения стадию с) реализуют при температуре ниже 70°C, 65°C, 60°C, 55°C, 50°C, 45°C, 40°C или 30°C (в порядке возрастающего предпочтения). В предпочтительном варианте под указанными выше температурами подразумевают средние значения (в градусах Цельсия) в пределах времени реализации стадии c).
Ниже настоящее изобретение, включая его отличительные признаки, варианты осуществления и преимущества, более подробно рассмотрено на примере осуществления со ссылкой на прилагаемый чертеж.
На Фиг.1 показаны количества эдукта, целевого продукта и промежуточных продуктов при окислении изосорбида в эксперименте с девятиразовым повторным использованием катализатора TEMPO.
Пример 1. Окисление изосорбида
В нагреваемой на водяной бане четырехгорлой колбе объемом 250 мл, снабженной магнитной мешалкой, обратным холодильником, внутренним термометром и линией подачи газа (с пористым стеклянным фильтром), 14,63 г (100 ммол) изосорбида при перемешивании растворяют в 78,94 г ледяной уксусной кислоты. Полученную реакционную смесь в течение 20 мин насыщают кислородом. Одновременно в 25,03 г ледяной уксусной кислоты растворяют 1,5 г (7 ммол) AA-TEMPO. После насыщения реакционной смеси кислородом к ней добавляют раствор AA-TEMPO совместно с 0,47 г (7 ммол) дымящей азотной кислоты, и, таким образом, инициируют реакцию. После шестичасового перемешивания при 25°C реакционную смесь охлаждают до 15°C и кристаллизуют в течение 12 ч. Выпавший в осадок дикетон отсасывают на фильтре, и образующийся маточный щелок вновь смешивают с таким количеством изосорбида, AA-TEMPO, азотной кислоты и уксусной кислоты, чтобы вновь были достигнуты первоначальные исходные концентрации трех веществ в первоначальном количестве уксусной кислоты. По завершении повторной реакции выполняют указанную выше кристаллизацию и выделение дикетона. Процесс, включающий реакцию и кристаллизацию, повторяют десять раз, причем количества исходных веществ (изосорбида и катализатора), а также количества полученного дикетона приведены на Фиг.1 и в таблице 1. Из соответствующих данных следует, что катализатор AA-TEMPO может быть повторно использован 3,5 раза, а HNO3-катализатор 2,6 раза, причем общий выход дикетона достигает 93% (в пересчете на исходный изосорбид).
| Таблица 1 | ||||
| Исходные количества изосорбида, AA-TEMPO и азотной кислоты, а также количества получаемого в результате окисления изосорбида дикетона (эксперимент с десятикратным рецитированием) | ||||
| Номер опыта | mизосорбид [г] | mAA-TEMPO [г] | mHNO3 [г] | mдикетон [г] |
| 1 | 14,64 | 1,50 | 0,47 | 3,77 |
| 2 | 14,00 | - | - | 10,19 |
| 3 | 14,70 | - | - | 9,89 |
| 4 | 14,66 | - | - | 1,12 |
| 5 | 11,17 | 0,70 | - | 0,86 |
| 6 | - | - | 0,47 | 8,56 |
| 7 | 14,17 | 0,30 | - | 44,57 |
| 8 | 14,72 | - | - | 0,00 |
| 9 | 7,77 | 0,75 | 0,24 | 26,66 |
| 10 | 14,77 | - | 0,24 | 0,00 |
| Сумма [г] | 120,60 | 3,25 | 1,42 | 105,63 |
| Сумма [ммоль] | 825,24 | 16,31 | 22,54 | 743,30 |
| мол.% | 100,0 | 2,0 | 2,7 | 92,6 |
1. Способ окисления первичного или вторичного спирта предпочтительно до альдегида, соответственно кетона, который включает следующие стадии:
a) приготовление каталитической композиции, включающей по меньшей мере одно содержащее нитроксильный радикал соединение, по меньшей мере один источник NO, по меньшей мере одну карбоновую или минеральную кислоту или один ангидрид карбоновой или минеральной кислоты,
b) приготовление реакционной смеси путем добавления к каталитической композиции, полученной на стадии a), соответственно стадии е), по меньшей мере одного первичного или вторичного спирта и содержащего кислород газа, а также при необходимости одного или нескольких растворителей,
c) инкубация полученной на стадии b) реакционной смеси при температуре от 0 до 100°C или температуре кипения растворителя,
d) выполняемая одновременно со стадией c) или после нее кристаллизация продукта реакции и
e) регенерация каталитической композиции путем удаления кристаллизованного продукта реакции из полученной на стадии d) реакционной смеси.
2. Способ по п.1, причем стадии от b) до e) повторяют по меньшей мере один раз, предпочтительно по меньшей мере три раза, и причем при каждой повторной реализации стадии b) используют каталитическую композицию со стадии e).
3. Способ по п.1, причем первичный или вторичный спирт является алифатическим, циклоалифатическим или ароматическим спиртом.
4. Способ по п.1, причем спирт является многоатомным спиртом.
5. Способ по п.1, причем спирт выбирают из группы, включающей алифатические и линейные ω-гидроксикислоты, сахарные спирты, предпочтительно бициклические сахарные спирты, и полиолы.
6. Способ по п.4, причем спирт выбирают из группы, включающей 1,4:3,6-диангидро-D-маннит, 1,4:3,6-диангидро-D-глюцит (изосорбит) и 1,4:3,6-диангидро-D-идит, и он предпочтительно является 1,4:3,6-диангидро-D-глюцитом (изосорбитом).
7. Способ по п.1, причем по меньшей мере одним содержащим нитроксильный радикал соединением является соединение формулы (I) или (II):
,
причем R1, R2, R3, R4, R5 и R6 соответственно независимо друг от друга выбраны из группы, включающей алкил с 1-10 атомами углерода, алкенил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле и гетероарил с 3-18 атомами углерода,
причем заместители типа R1, R2, R3, R4, R5 и R6 являются одинаковыми или разными и заместители типа R5 и R6 совместно могут образовать алкиленовый мостик с 1-4 атомами углерода, который может быть насыщенным или ненасыщенным, незамещенным или замещенным, в частности, одним или несколькими заместителями, выбранными из группы, включающей R1, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино,
и причем Y- означает любой анион, не содержащий атомов галогена.
8. Способ по п.7, причем по меньшей мере одним содержащим нитроксильный радикал соединением является 2,2,6,6-тетраметил-пиперидин-1-оксил (TEMPO) и/или замещенные в положении 4 гетероцикла производные 2,2,6,6-тетраметилпиперидин-1-оксила,
причем производные содержат один или несколько заместителей, выбранных из группы, включающей R7, амидо с 1-8 атомами углерода, галоген, окси, гидрокси, амино, алкиламино, диалкиламино, ариламино, диариламино, алкилкарбонилокси, арилкарбонилокси, алкилкарбониламино и арилкарбониламино,
и причем R7 выбран из группы, включающей алкенил с 1-10 атомами углерода, алкил с 1-10 атомами углерода, алкокси с 1-10 атомами углерода, арил с 6-18 атомами углерода, аралкил с 7-19 атомами углерода, аралкил с 6-18 атомами углерода в ариле и 1-8 атомами углерода в алкиле и гетероарил с 3-18 атомами углерода.
9. Способ по п.1, причем источник NO выбирают из группы, включающей кислоты с содержащим кислород и азот анионом, а также их соли, предпочтительно азотную кислоту, азотистую кислоту и газы, содержащие оксид азота.
10. Способ по п.1, причем минеральную кислоту, соответственно ее ангидрид, выбирают из группы, включающей H2CO3, H3PO4, HNO3, HNO2, H2SO4, H2SO3, H3BO3 и соответствующие ангидриды.
11. Способ по п.1, причем стадии c) и d) осуществляют раздельно.
12. Способ по п.1, причем стадии c) и d) осуществляют одновременно.
13. Способ по одному из пп.1-12, причем стадию c) осуществляют при температуре от 0 до 100°C.
14. Способ по п.13, причем стадию c) осуществляют при температуре от 0 до 70°C.
15. Способ по п.14, причем стадию c) осуществляют при температуре ниже 50°C, предпочтительно ниже 45°C.
16. Способ по п.15, причем стадию c) осуществляют при температуре от 15 до 40°C.
17. Способ по п.16, причем стадию c) осуществляют при температуре от 20 до 40°C.
18. Способ по п.17, причем стадию c) осуществляют при температуре от 20 до 35°C.
