Способ получения 2-алкил-2-имидазолинов
Владельцы патента RU 2599989:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Волгоградский государственный технический университет" (ВолгГТУ) (RU)
Изобретение относится к области органической химии, а именно к способу получения 2-алкил-2-имидазолинов, заключающемуся во взаимодействии карбоновой кислоты с этилендиамином при нагревании в присутствии катализатора, согласно изобретению в качестве карбоновой кислоты используют уксусную, масляную, изомасляную, валериановую или изовалериановую, в качестве катализатора - наночастицы меди или 50% водную суспензию оксида железа Fe3O4, а реакцию ведут при 80°С в среде бензола с азеотропной отгонкой воды при мольном соотношении карбоновая кислота:этилендиамин:катализатор равном 1:1.2-1.5:0.008-0.025. Технический результат: разработан упрощеннный способ получения 2-алкил-2-имидазолинов, которые находят применение в качестве ингибиторов коррозии.
Изобретение относится к способу получения гетероциклических соединений, в частности к новому способу получения 2-алкил-2-имидазолинов общей формулы
которые находят применение в качестве ингибиторов коррозии вследствие их способности к пленкообразованию и антикоррозионным свойствам. Также данные вещества применяются как компоненты моющих средств, основа неполярных растворителей для гидрофобизации древесины, бетона, металла, смягчители и антистатики тканей, обеспечивая стойкость их цвета. Наиболее широко 2-имидазолины применяются в фармацевтической промышленности. Например, нафтизин [нитрат 2-(1-нафтилметил)-2-имидазолина] - один из наиболее эффективных и известных препаратов против насморка. К этому же классу соединений относятся такие препараты, как галазолин, клофелин и некоторые другие.
Имидазолины получают высокотемпературным взаимодействием нитрилов карбоновых кислот с моногидрохлоридом или иными солями этилендиамина. Также описаны методы замыкания имидазолинового цикла при использовании вместо нитрилов сложных эфиров или амидов кислот альдегидов имидатов и других соединений. Недостатком указанных способов является необходимость использования в качестве исходных реагентов вместо карбоновых кислот их менее доступных производных, использование повышенных температур.
Известен способ получения имидазолинов по реакции жирных кислот, сложных эфиров с 1,2-диаминосоединениями или полиэтиленполиаминами. Для некаталитического синтеза имидазолинов реакцию проводят при повышенной температуре 120-300°C. Процесс протекает 6-20 часов. Выход продукта 75% [Patent US 3743256, F28F 25/00, B01F 3/04, 1973-07-23].
Недостатком способа является то, что в процессе синтеза помимо целевой продукта - имидазолина может образоваться ряд соединений, например аминные мыла, амидоамины, диамиды. Образование амидоаминов и диамидов начинается при температуре 120-180°C. Дальнейшее повышение температуры способствует циклизации амидоаминов в имидазолины, диамиды дальнейшим превращениям не подвергаются.
Известен способ получения имидазолинов по реакции этилендиамина с карбоновыми кислотами. Сначала процесс проходит энергично при 120-140°C в среде толуола или без растворителя с образованием амидов соответствующих кислот. Нагревание последних в токе азота при 180-220°C приводит к циклизации 2-алкилимидазолинов.
Недостатком способа являются относительно невысокие выходы 2-алкилимидазолинов. Невысокий выход объясняется тем, что в результате бурного протекания реакции этилендиамина с кислотами наряду с монозамещенными амидами кислот образуются 1,2-дизамещенные амиды, которые при 180-220°C циклизуются с образованием 3-амидоалкилимидазолинов [Мазитова И.Ш. Многоосновные амины. Сообщение V. Синтез производных 1,2-имидазолина / И.Ш. Мазитова [и др.] // Башкирский химический журнал. - 2207. - Т. 14, вып. 4. - С. 21-28].
Известен способ получения имидазолинов из технического стеарина, жирных кислот соевого и льняного масла, а также бисимидазолинов димеризованных жирных кислот конденсацией соответствующих жирных кислот с диэтилентриамином и последующим нагреванием реакционной смеси до 260-300°C при остаточном давлении 5 мм рт. ст. Выход имидазолинов при этом составляет 91-95% [US 2994585, C10B 17/00, С018 17/60, 1961-08-01].
Недостатком метода является высокая температура процесса, данным способом не получали вещества заявляемой структурной формулы.
Известен способ получения имидазолинов, где предлагаемая в качестве катализатора катионная смола КУ-2/8 позволила значительно снизить температуру реакции и осуществить процесс при мягких условиях, однако в ее присутствии выход продукта 65-75%. Конденсацию лауриновой, миристиновой, пальмитиновой или стеариновой кислот с этилендиамином при мольном соотношении 2:1 осуществляли нагреванием реакционной смеси в растворителях (бензол, толуол) в присутствии катионообменной смолы КУ-2/8 в количестве 20% от массы исходного сырья при 80-120°C в течение 6-8 часов [Авт. свид. СССР 189437, МКИ C07D 233/06, 1967. БИ №24. С. 25].
Недостатком способа являются относительно невысокие выходы 2-алкилимидазолинов, значительные количества применяемого катализатора.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ получения имидазолинов взаимодействием карбоновых кислот с 1,2-этилендиамином с использованием в качестве катализатора HCl или солянокислых солей этилендиамина [Пат. US 2155877, МПК C07D 233/10, 25.04.1939]. Смесь карбоновой кислоты и дихлоргидрата этилендиамина нагревают 90 минут от 120 до 185°C, далее 30 минут при 230°C и 15 минут при 290-300°C. Образуется хлоргидрат 2-алкил-2-имидазолина, который переводят в свободный имидазолин подщелачиванием водного раствора, экстракцией бензолом и перекристаллизацией.
Недостатками данного способа является использование высоких температур, образование солянокислой соли продукта, требующей дальнейшей обработки для получения свободного имидазолина.
Задачей заявляемого способа является разработка технологичного способа получения 2-алкил-2-имидазолинов в мягких условиях с высоким выходом.
Техническим результатом является упрощение способа получения 2-алкил-2-имидазолинов.
Поставленный результат достигается в способе получения 2-алкил-2-имидазолинов общей формулы
заключающемся во взаимодействии карбоновой кислоты с этилендиамином при нагревании в присутствии катализатора, при этом в качестве карбоновой кислоты используют уксусную, масляную, изомасляную, валериановую или изовалериановую, в качестве катализатора - наночастицы меди или 50% водную суспензию оксида железа Fe3O4, а реакцию ведут при 80°C в среде бензола с азеотропной отгонкой воды при мольном соотношении карбоновая кислота:этилендиамин:катализатор равном 1:1.2-1.5:0.008-0.025.
Сущность изобретения заключается в способе получения 2-алкил-2-имидазолинов по реакции:
Способ осуществляется следующим образом. В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают выбранную из ряда карбоновую кислоту, этилендиамин, бензол, катализатор - 50% водную суспензию оксида железа Fe3O4 или наночастицы меди при мольном соотношении карбоновая кислота:этилендиамин:катализатор равном 1:1.2-1.5:0.008-0.025, и кипятят смесь при 80°C в течение 3-7 часов. При этом отгоняется два эквивалента (по исходной кислоте) воды. По выделившейся реакционной воде определено, что реакция протекает с количественным выходом 2-алкил-2-имидазолинов. После выделения (отгонкой бензола) и очистки 2-алкил-2-имидазолинов перегонкой в вакууме выход составляет 70-88%.
Найдено, что прибавление новых порций катализатора к реакционной смеси ускоряет выделение воды, что подтверждает его каталитическое действие. Все продукты выделялись индивидуально методом перегонки в вакууме при пониженном давлении. Строение имидазолинов подтверждено с помощью метода масс-спектроскопии. Свойства известных имидазолинов соответствуют литературным данным.
На селективность реакции оказывает сильное влияние соотношение кислота:этилендиамин. Так, при уменьшении количества этилендиамина относительно заявленного соотношения или увеличении количества карбоновой кислоты наблюдается образование побочного диацильного производного этилендиамина, которое не может далее превращаться в имидазолины в применяемых условиях реакции. Минимальное значение заявленного количества катализатора обеспечивает его каталитическое действие на процесс. Увеличение количества катализатора сверх заявленного количества не сказывается на результатах реакции и нецелесообразно.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1
2-Метил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 12 г (0.24 моль) этилендиамина, 14.4 г (0.2 моль) уксусной кислоты, 15 мл бензола, 0.1 г наночастиц меди и выдерживают при кипении в течение 5 часов, при этом отгоняется 7.2 мл (0.4 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 12.6 г (0.15 моль, 75%) 2-метил-2-имидазолина, т. кип. 110-114°C / 100 мм рт. ст., т. пл. 86-88°C. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 85.0 [М+1] (100), 83 (25), 55.0 (49), 42.0 (22).
Пример 2
2-Метил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 10.8 г (0.18 моль) этилендиамина, 7 г (0.117 моль) уксусной кислоты, 15 мл бензола, 1 г водной 50%-ной суспензии наноразмерного оксида железа Fe3O4 и выдерживают при кипении в течение 3 ч, при этом отгоняется 4.7 мл (0.26 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 8.3 г (0.1 моль, 85%) 2-метил-2-имидазолина, т. кип. 110-114°C / 100 мм рт. ст., т. пл. 86-88°C. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 84.9 [М+1] (93), 84 [М+] (40), 83 [M-1] (59), 55.1 (87), 40.1 (11).
Пример 3
2-Пропил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 6.6 г (0.11 моль) этилендиамина, 7 г (0.08 моль) масляной кислоты, 15 мл бензола и 1 г 50%-ной водной суспензии наноразмерного оксида железа Fe3O4 и выдерживают при кипении в течение 4 часов при этом отгоняется 3,4 мл (0.19 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 6.3 г (0.056 моль, 70%) 2-пропил-2-имидазолина, т. кип. 145-150°C / 30 мм рт.ст., т. пл. 40-43°C. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 112.0 [М+] (33), 97.0 (80), 83.0 (58), 41.0 (100).
Пример 4
2-Изопропил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 10.8 г (0.18 моль) этилендиамина, 13.2 г (0.15 моль) изомасляной кислоты, 15 мл бензола, 0.2 г наночастиц меди и выдерживают при кипении в течение 6 часов, при этом отгоняется 5,4 мл (0.3 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 14.8 г (0.132 моль, 88%) 2-изопропил-2-имидазолина, т. кип.145-150°C / 30 мм рт. ст., т. пл. 40-43°C. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 112.0 [М] (33), 97.0 (80), 83.0 (58), 41.0 (100).
Пример 5
2-Бутил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 15 г (0.25 моль) этилендиамина, 20.4 г (0.2 моль) валериановой кислоты, 15 мл бензола, 0.2 г наночастиц меди и выдерживают при кипении в течение 7 часов, при этом отгоняется 7.2 мл (0.4 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 17.6 г (0.14 моль, 70%) 2-бутил-2-имидазолина, т. кип. 165-170°C / 30 мм рт. ст. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 112.9 [М+] (100), 83.9 (33), 55.0 (28), 41.0 (13).
Пример 6
2-Изобутил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником, загружают смесь 16.8 г (0.28 моль) этилендиамина, 20.4 г (0.2 моль) изо-валериановой кислоты, 15 мл бензола и 0.2 г наночастиц меди и выдерживают при кипении в течение 7 часов, при этом отгоняется 7.2 мл (0.4 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 18.1 г (0.144 моль, 72%) 2-изобутил-2-имидазолина, т. кип. 165-170°C / 30 мм рт. ст. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 128.0 [М+1] (8.0), 127.0 [M+] (100), 97.1 (64.0), 82.0 (12), 41.0 (25).
Пример 7
2-Изобутил-2-имидазолин 
В круглодонную колбу, снабженную насадкой Дина-Старка и обратным холодильником загружают смесь 6 г (0.1 моль) этилендиамина, 8 г (0.078 моль) изо-валериановой кислоты, 15 мл бензола и 1 г 50%-ной водной суспензии Fe3O4 и выдерживают при кипении в течение 4 часов, при этом отгоняется 3.3 мл (0.184 моль) воды. Затем растворитель отгоняют, остаток перегоняют в вакууме. Получают 6.9 г (0.055 моль, 70%) 2-изобутил-2-имидазолина, т. кип. 165-170°C / 30 мм рт. ст. Масс-спектр (ЭУ, 70 эВ), m/е (Iотн, %): 128.0 [М+1] (8.0), 127.0 [M+] (100), 97.1 (64.0), 82.0 (12), 41.0 (25).
Таким образом, разработан технологичный способ синтеза 2-алкил-2-имидазолинов, заключающийся во взаимодействии карбоновых кислот с этилендиамином в присутствии наночастиц меди или 50%-ной водной суспензии Fe3O4 в мягких условиях с высоким выходом.
Способ получения 2-алкил-2-имидазолинов общей формулы
R=Me, Pr, i-Pr, Bu, i-Bu
заключающийся во взаимодействии карбоновой кислоты с этилендиамином при нагревании в присутствии катализатора, отличающийся тем, что в качестве карбоновой кислоты используют уксусную, масляную, изомасляную, валериановую или изовалериановую, в качестве катализатора - наночастицы меди или 50% водную суспензию оксида железа Fe3O4, а реакцию ведут при 80°С в среде бензола с азеотропной отгонкой воды при мольном соотношении карбоновая кислота:этилендиамин:катализатор равном 1:1.2-1.5:0.008-0.025.
