Способ получения хинолинов реакцией скраупа в присутствии иерархического цеолита н-ymmm

Изобретение относится к области органической химии, а именно к способу получения хинолинов взаимодействием анилина с 20%-ным водным раствором глицерина в присутствии цеолитного катализатора, отличающийся тем, что в качестве цеолитного катализатора используют гранулированный цеолит H-Ymmm высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-Ymmm при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.2-1.0 ч^-1, мольном соотношении анилин:глицерин, равном 1:1-3. Технический результат: разработан эффективный гетерогенно-каталитический способ получения хинолина, широко используемого в качестве исходного компонента в синтезе биологически активных веществ. 1 ил., 1 табл., 5 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения хинолина и его метилпроизводных:

Хинолин и его производные нашли широкое применение в качестве исходных соединений для получения высокоэффективных лекарственных препаратов в медицине [Nainwal L. М, Tasneem S, Akhtar W, Verma G, Khan M. F, Parvez S, Shaquiquzzaman M, Akhter M, Alam M.M. European Journal of Medicinal Chemistry, 2019; 164: 121-170], фунгицидов и гербицидов в сельском хозяйстве [Collin G, Н, in: Elvers В, Hawkins S, Ravenscroft M, Schulz G. (Eds.). Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1989; Vol. A14, VCH, Weinheim, p. 167; Larsen R. D, Corley E. G, King A. O, Carroll J. D, Davis P, Verhoeven T. R, Reider P. J, Labelle M, Gauthier J. Y, Xiang Y. B, Zamboni R. J. The Journal of Organic Chemistry, 1996; 61(10), 3398-3405; Chauhan P. M. S, Srivastava S. K. Current medicinal chemistry, 2001; 8: 1535-1542], ингибиторов коррозии металлов [Ebenso E. E, Kabanda M. M, Arslan T, Saracoglu M, Kandemirli F, Murulana L, Singh A. K, Shukla S. K, Hammouti B. and Khaled K. Int. J. Electrochem. Sci., 2012, 7, 5643-5676], экстрагентов [Collin G, H, in: Elvers B, Hawkins S, Ravenscroft M, Schulz G. (Eds.). Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1989; Vol. A14, VCH, Weinheim, p. 167], сорбентов [Pozharskii A.F, Soldatenkov A.T, Katritzky A.R. Heterocycles in Life and Society, Wiley, New York, 1997], красителей в промышленности [Collin G, H, in: Elvers B, Hawkins S, Ravenscroft M, Schulz G. (Eds.). Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 1989; Vol. A14, VCH, Weinheim, p. 167], высококипящих растворителей [Gilchrist T.L. Heterocyclic Chemistry, 1993; Chap. 5; Frank H.G, Stadelhofer J. W, Industrial Aromatic Chemistry, 1988; Berlin].

Классические методы получения хинолинов основаны на конденсации анилина и его производных с карбонильными соединениями. К этим методам относятся реакции Дебнера-Миллера, Фридлендера, Пфитцингера, Конрада-Лимпаха, Комба [Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. Издательство Москва "Мир" 1996. - 464 с]. Указанные пути синтеза хинолинов характеризуются существенными недостатками: в качестве реагентов выступают альдегиды и кетоны, которые токсичны, склонны к полимеризации, что может служить причиной дезактивации катализатора; используются летучие органические растворители; сложная утилизация катализатора.

Одним из часто применяемых методов синтеза хинолина и его производных является реакция Скраупа, заключающаяся в конденсации анилина с глицерином в присутствии серной кислоты [Skraup Z. Н, Monatsh. Chem., 1880; 1: 316-318; Manske R. H. F. and M. Kukla. Org. React, 1953; 7: 59; Theoclitou M.E, Robinson L. A. Tetrahedron Letters, 2002; 43(21), 3907-3910; Panda K, Siddiqui I, Mahata P, Ila H, Junjappa H. Synlett, 2004; (3): 449-452]. В настоящее время интерес к этой реакции усилился в связи с тем, что используемый в реакции глицерин образуется в больших масштабах как побочный продукт при получении биодизельного топлива. Избыток глицерина препятствует дальнейшему развитию биодизельной промышленности, поэтому эффективное использование глицерина имеет большое значение [Katryniok В, Paul S. and Dumeignil F. ACS Catal., 2013; 3, 1819-1834]. Глицерин - дешевый, возобновляемый и экологически чистый продукт.

Реакция Скраупа может катализироваться гомогенными катализаторами. Так, например, в работе [Saggadi Н, Luart D, Thiebault N, Polaert I, Estel L, Len C. RSC Advances, 2014; 4(41) 21456-21464] хинолин и его производные синтезировали из анилина или его замещенных и глицерина в присутствии гомогенного катализатора - H₂SO₄ - при микроволновом излучении. Выход хинолина и его производных составляет 10-66 % при температуре 200°С и мольном соотношении анилин (его производные) : глицерин : серная кислота = 1:3:3.

Авторы работы [Amarasekara A. S, Hasan М. A. Tetrahedron Letters, 2014; 55(22): 3319-3321] осуществляли синтез хинолинов по реакции Скраупа в присутствии Бренстедовских ионных жидкостей (ИЖ) в условиях микроволнового излучения. Выход хинолина составил 78% при мольном соотношении анилин : глицерин : ИЖ, равном 1:3:1.5 и времени реакции 100 с.

Использование гомогенных катализаторов в синтезе хинолинов нерационально, так как приводит к появлению большого количества отходов и сточных вод при обработке реакционной массы, образованию побочных продуктов, удаление которых затруднительно и неэкономично.

Авторы работы [Campanati М, Vaccari A. and Piccolo О. Catalysis Today, 2000: 60 (3-4), 289-295] в качестве гетерогенного катализатора использовали кислую глины К10, а вместо глицерина применяли этиленгликоль. Взаимодействием анилина/алкиланилинов с этиленгликолем при 250-330°С синтезировали хинолин и алкилхинолины, при более низких температурах 225-250°С - индолы и алкилиндолы. Лучший выход 2-метил-8-этилхинолина (41%) получали при 330°С, мольном соотношении анилин : этиленгликоль = 1:2, объемной скорости подачи сырья 0.1 ч^-1.

В работе [Cui Y, Zhou X, Sun Q, Shi L. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2013; 378: 238-245] при взаимодействии анилина с глицерином при 220°С, объемной скорости подачи анилина 0.4 ч^-1 и мольном соотношении анилин : глицерин = 3:1 в присутствии цеолитного катализатора Cu/HZSM-5 получали 3-метилиндол с выходом 18 %, в присутствии катализатора Cu/NaY выход 3-метилиндола составил 40 %, а в присутствии катализатора Cu/NaY-Na₂O выход 3-метилиндола составил 50 %.

Известно [Reddy В. М, Ganesh I. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2000; 151(1-2), 289-293] получение хинолинов парофазным синтезом анилина с глицерином в присутствии смешанных оксидов ZnO - Cr₂O₃, CuO - ZnO/Al₂O₃, NiO/МоО₃/Al₂O₃ в присутствии воздуха при 350-450°С. Выход хинолина составил 65 % в следующих условиях реакции: 425°С; мольное соотношение анилин : глицерин = 1:2; 5 см катализатора CuO - ZnO/Al₂O₃, скорость подачи сырья 3 мл/ч.

В работе [Li A, Huang С, Luo C-W, Yi W.-J, Chao Z.-S. RSC Advances, 2017; 7(16): 9551-9561] синтез хинолинов по Скраупу осуществлен конденсацией анилина с глицерином в присутствии цеолитного катализатора Ni/Beta-At. Выход хинолинов при оптимальных условиях реакции (1 г катализатора, скорость подачи анилина 0.13 ч^-1, 470°С, мольное соотношение анилин : глицерин = 1:4, 20 %-ный раствор глицерина в воде, время работы катализатора - 2 ч) составил 71 %. Данный метод синтеза хинолинов характеризуется следующими недостатками: низкая скорость подачи анилина, длительный многостадийный процесс приготовления катализатора Ni/Beta-At (щелочная постобработка образца цеолита H-Beta с последующей модификацией металлом).

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного гетерогенно-каталитического способа синтеза хинолина и метилхинолинов реакцией анилина с дешевым и экологически чистым глицерином.

Решение этой задачи достигается тем, что синтез хинолинов осуществляют взаимодействием анилина с глицерином в присутствии гранулированного цеолита Y в Н-форме высокой степени кристалличности, имеющего микро-мезо-макропористую структуру (H-Ymmm). Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора Н-Ymmm (1 см³) при 350-450°C, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0.2-1.0 ч^-1, мольном соотношении анилин : глицерин, равном 1:1-3, используя 20 %-ный раствор глицерина в воде.

Основными продуктами реакции анилина с глицерином в присутствии исследованного цеолитного катализатора H-Ymmm являются хинолин 1 и метилхинолины 2a, 2b - смесь 2- и 4-изомеров (схема). Кроме них в реакционной массе идентифицированы продукты трансформации акролеина - промежуточного продукта, образующегося при дегидратации глицерина - обозначенные «другие» (схема):

Цеолит H-Ymmm синтезирован в виде гранул без связующих веществ; его гранулы представляют собой единые сростки цеолитных кристаллов и обладают степенью кристалличности, близкой к 100%. Пористая структура гранул состоит из микропористой структуры самого цеолита Y и мезопористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов. Существенным преимуществом цеолита H-Ymmm перед высокодисперсными цеолитами является то, что он синтезируется в гранулах. Гранулированный катализатор обладает лучшими физическими свойствами: не пылит, не слеживается, легко рассеивается и легко отделяется от реакционной массы фильтрованием (в отличие от высокодисперсного, который быстро забивает фильтр или проходит через полотно фильтра).

Обычно гранулированные цеолиты синтезируют следующим образом: смешивают высокодисперсный цеолит со связующим материалом, а затем полученную смесь формуют в гранулы. Введение связующего материала в состав гранул снижает адсорбционную емкость и каталитическую активность цеолитов по сравнению с высокодисперсными цеолитами, а в ряде случаев не удается обеспечить механическую прочность получаемых таким образом гранулированных материалов. Гранулы катализатора H-Ymmm на 100% состоят из цеолита Y, в них отсутствует связующее вещество.

Цеолит H-Ymmm имеет комбинированную микро-мезо-макропористую кристаллическую структуру, которая высокостабильна и не разрушается в процессе ионного обмена катионов Na⁺ на H⁺.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известным:

1. Катализатор цеолит H-Ymmm используется в виде гранул, в то время как в известном способе используют высокодисперсный цеолит Ni/Beta-At. Применение гранулированного катализатора гораздо технологичнее, чем высокодисперсного.

2. Катализатор H-Ymmm позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина селективно синтезировать хинолины при более высокой объемной скорости подачи сырья и более низкой температуре.

3. Катализатор проявляет высокую активность даже через 6 часов работы (см. рис.).

Гранулированный цеолитный катализатор H-Ymmm синтезируют в Na-форме по методу, приведенному в [Travkina O.S, Agliullin M.R, Filippova N.A, Khazipova A.N, Danilova I.G, Grigor'eva N.G, Narender N, Pavlov M.L, Kutepov B.I // RSC Advances. 7 (2017) 32581-32590. Павлов M. Л, Травкина О. С, Хазипова А. Н, Басимова Р. А, Шавалеева Н. Н, Кутепов Б. И // Нефтехимия, 2015, т.55, №5, С.406. Патент РФ №2540086. Патент РФ №2553876]. Путем ионного обмена из раствора NH₄NO₃ цеолит Na-Ymmm переводят в NH₄-форму; последующей прокалкой при 540°С в течение 4 ч переводят в Н-форму. В процессе ионного обмена с промежуточными термообработками аморфизации кристаллического каркаса цеолита не происходит. Удельная поверхность образцов, определяемая методом ртутной порометрии, составляет 12.1 м²/г, а объемы микро-, мезо- и макропор составляют 0.27; 0.15 и 0.15 см³/г, соответственно. Транспортные поры, в основном, представлены порами с радиусом 50-100 нм и 100-1000 нм.

Реакцию анилина с глицерином проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-Ymmm (1 см³) при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0.2-1.0 ч-1, мольном соотношении анилин : глицерин = 1:1-3, в инертной атмосфере азота. Глицерин подают в реактор в виде 20 %-ного раствора в воде.

Продукты реакции, собранные в охлаждаемый льдом приемник, экстрагируют хлористым метиленом и анализируют с помощью газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Хроматографический анализ продуктов реакции выполняют на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (стеклянная капиллярная колонка длиной 25 м, фаза SE-30, температура анализа 50-280°С с программированным нагревом со скоростью 8°С/мин, температура детектора 250°С, температура испарителя 300°С). Масс-спектры получают на хромато-масс-спектрометре SHIMADZU GCMS-QP2010Plus (капиллярная колонка SPB-5 30 м × 0,25 мм, газ-носитель - гелий, температура программирования от 40 до 300°С со скоростью подъема 8°С/мин, температура испарения 280°С, температура ионного источника 200°С, энергия ионизации 70 эВ).

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

ПРИМЕР 1. Сырье (смесь анилина и 20 %-ного водного раствора глицерина в мольном соотношении анилин : глицерин = 1:3) подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора H-Ymmm (1 г) с помощью шприцевого микро-насоса при 450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.2 ч^-1, в токе азота. Продукты собирают в охлаждаемый льдом приемник, расположенный в нижней части установки. По окончании синтеза реактор продувают азотом в течение 30 минут. Из реакционной массы, состоящей из водного и органического слоев, продукты экстрагируют хлористым метиленом, после чего сушат и анализируют методом газожидкостной хроматографии.

Конверсия анилина составляет 85%. Селективность образования хинолина 1 составляет 86%, смеси метилхинолинов 2a, 2b - 4 %, «других» соединений - 10 %.

ПРИМЕРЫ 2-5. Аналогично примеру 1. Условия и результаты примеров представлены в таблице.

Способ получения хинолинов взаимодействием анилина с 20%-ным водным раствором глицерина в присутствии цеолитного катализатора, отличающийся тем, что в качестве цеолитного катализатора используют гранулированный цеолит H-Ymmm высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-Ymmm при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.2-1.0 ч^-1, мольном соотношении анилин:глицерин, равном 1:1-3.