Способ получения хинолинов

Изобретение относится к способу получения хинолинов (хинолина, 2- и 4-метилхинолинов), который заключается во взаимодействии этиленгликоля с анилином в присутствии гранулированного цеолита ZnCl₂/H-ZSM-5mmm высокой степени кристалличности, имеющего иерархическую (микро-мезо-макропористую) структуру, при 280-400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 1-5 ч^-1, мольном соотношении анилин:этиленгликоль, равном 1:2-3, этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора в этаноле. Технический результат: разработан способ получения хинолинов (хинолина, 2- и 4-метилхинолинов), который позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина синтезировать 2- и 4-метилхинолины, хинолин. 6 пр., 1 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения хинолина и метилхинолинов.

Практический интерес к производным хинолина вызван широким спектром свойств, проявляемых данным классом соединений. Так, 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, Hoke 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. Set, 2012, 7, 5643-5676], экстрагентов [Collin G, Hoke 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, Hoke 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].

Классическим методом получения метилхинолинов является реакция Дебнера-Миллера - конденсация анилина с альдегидами.

Взаимодействием анилина с кротоновым альдегидом в присутствии катализатора - серной кислоты - получали 2-метилхинолин с выходом 77% при 140°С и мольном соотношении [анилин] : [кротоновый альдегид] : [H₂SO₄] = 1:3:4 [First Examples of Doebner-Miller Reaction in Flow: Efficient Production of 2-Methylquinoline Derivatives in Water / Hasret Yalgin, Denis Luart and Christophe Len // J. Flow Chem. - 2016. - V.6 (2). - P. 80-85]:

Недостатком способа является использование серной кислоты в большом количестве.

В работе [Получение хинолиновых оснований на основе ароматических аминов реакцией с карбонильными соединениями получения гетероциклов в паровой фазе // Universum: Технические науки: электрон, научн. журн. Хошимов Ш.М. и др. - 2019. - №11(68). - URL: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_42311724_76495797.pdf] описано получение 2- и 4-метилхинолинов взаимодействием анилина с кротоновым альдегидом в присутствии смешанного полифункционального катализатора состава CdF₂/ZnO/Cr₂O₃/Al₂O₃/бентонит. Выход 2-метилхинолина составил 35%, 4-метилхинолина - 42% (380-400°С, объемная скорость подачи сырья 0.2 ч^-1 и мольное соотношение [анилин] : [альдегид] = 2:1).

Реакцией анилина с ацетальдегидом в присутствии цеолита NH₄F-Beta получали смесь хинолинов (хинолин, 2-метилхинолин, 4-метилхинолин) с селективностью по метилхинолинам, равной 77% [Vapour-phase synthesis of 2-methyl- and 4-methylquinoline over BEA zeolites / R. Brosius, D. Gammon, F. Van Laar and etc. //J. of Catalysis. - 2006. - V. 239. - P. 362-368]:

Общим недостатком указанных выше методов получения метилхинолинов является применение в качестве реагентов альдегидов. Последние токсичны, склонны к полимеризации, нестабильны при хранении, дороги.

Известен способ получения 2-метилхинолина в смеси с N-этиланилином (в соотношении от 3:1 до 1:2) реакцией анилина с этиленом в присутствии катализатора RhCl₃⋅3H₂O - PPh₃ при 200°С, давлении 100 атм, мольном соотношении [анилин] : [катализатор] : [PPh₃] = 400:1:2, в течение 72 ч [Diamond S.E., Szalkiewicz A., F. Mares. Reactions of Aniline with Olefins Catalyzed by Group 8 Metal Complexes: N-Alkylation and Heterocycle Formation // J. Ant; Chem. Soc. 1979. V. 101. P. 490-491]:

При взаимодействии анилина с этиленом в присутствии 0.3 мол % платиносодержащего катализатора (PtCl₂, PtCl₄ и др.) и водного раствора галогенида натрия в качестве промотора авторы [Dub Р.А., Rodriguez-Zubiri М., Baudequin С, Poli R. Hydroamination of ethylene by aniline: catalysis in water // Green Chem. - 2010. - V. 12. - P. 1392-1396] получали 2-метилхинолин с выходом 8%.

Синтез 2-метилхинолина в присутствии родиевых, палладиевых катализаторов характеризуется следующими недостатками:

1) использованием дорогих катализаторов;

2) большой длительностью реакции (72 ч);

3) использованием высокого давления (100 атм);

4) низкой селективностью образования хинолинов.

В работе [Reddy P. Ram, Subba Rao K. V. and Subrahmanyam M. Selective synthesis of 2-methylquinoline over zeolites // CATAL LETT. 1998. №56. P. 155-158] 2-метилхинолин синтезировали, алкилируя хинолин метанолом в присутствии цеолитов структурного типа FAU и MFI в реакторе с неподвижным слоем катализатора при атмосферном давлении:

Максимальный выход 2-метилхинолина составил 61% при селективности 92% на катализаторе LaKHY (350°С, мольное соотношение [хинолин] : [метанол] = 1:3, объемная скорость подачи сырья 0.5 ч^-1, время работы катализатора 1 ч).

Недостатками метода является использование в качестве реагента токсичного метанола.

Авторы [Синтез N-алкиланилинов и замещенных хинолинов по реакции анилина со спиртами и CCl₄ под действием Ni-содержащих катализаторов / Р.И. Хуснутдинов, А.Р. Байгузина, Р.И. Аминов, У.М. Джемилев // ЖОрХ. - 2012. - Т.48. - Вып. 5. - С. 693-696] осуществили синтез 2-метилхинолина взаимодействием анилина с этанолом в присутствии катализаторов на основе соединений никеля: NiF₂, NiCl₂⋅6H₂O, Ni(OAc)₂⋅4H₂O, Ni(acac)₂, Ni(NO₃)₂⋅6H₂O, Ni(BF₄)₂.

В присутствии катализатора Ni(OAc)₂⋅4H₂O выход 2-метилхинолина составил 86% при нагревании в течение 8 ч при 140°С и мольном соотношении [катализатор] : [триэтиламин] : [анилин] : [CCl₄] : [спирт] = 1:5:100:100:200.

Реакцией анилина с этиловым спиртом получали 2-метилхинолин с выходом 94% в присутствии катализатора FeCl₃⋅6H₂O в среде CCl₄ при мольном соотношении [катализатор] : [анилин] : [CCl₄] : [спирт] = 1:100:100:200 при 140°С [Способ получения 2- и 2,3-замещенных хинолинов // Патент России №2504540. 2014. Бюл. №2. /Джемилев У.М., Хуснутдинов Р.И., Байгузина А.Р. и др.]:

Описанные способы характеризуются:

1) многостадийностью при выделении целевого продукта;

2) использованием высокотоксичного четыреххлористого углерода;

3) сложностью отделения катализаторов;

4) 2-х этапной загрузкой исходных реагентов.

В работе [Fe(CrO₂)₂-catalyzed, photoactivated oxidative one-pot tandem synthesis of substituted quinolines from primary alcohols and arylamines / A. R. Makhmutov, A. G. Mustafin, S. M. Usmanov // Chemistry of Heterocyclic Compounds. - 2015. - V.54(3). - P. 369-374.] 2-метилхинолин синтезировали фотокаталитически с выходом 95% реакцией анилина с большим избытком этанола в присутствии катализатора Fe(CrO₂)₂ и окислителя пероксида водорода:

Взаимодействием анилина с этиленгликолем при 175°С в присутствии смешанного катализатора Pt/Al₂O₃ и ZnO получали индол с выходом 43% [Straight Access to Indoles from Anilines and Ethylene Glycol by Heterogeneous Acceptorless Dehydrogenative Condensation / Pedro Juan Llabres-Campaner, Rafael Ballesteros-Garrido, Rafael Ballesteros, and Belen Abarca // J. Org. Chem. -. 2018. - V.83. - P.521-526]:

Авторы работы [Campanati M, Vaccari A. and Piccolo O. Catalysis Today, 2000: 60 (3-4), 289-295] использовали в реакции анилина с этиленгликолем в качестве гетерогенного катализатора кислую глину К10. В изученных условиях (330°С, мольное соотношение анилин : этиленгликоль = 1:2, объемная скорость подачи сырья 0.1 ч^-1) получали 2-метил-8-этилхинолин с выходом 41%. При более низких температурах 225-250°С авторы получали индолы и алкилиндолы.

Катализатор - кислую глину К10 - получают обработкой монтмориллонита кислотами. Известно [Gales W.P., Anderson J.S., Raven M.D., Churchman G.J. Ibid. - 2002. - V.20. - P. 189-197], что жесткая обработка кислотами может приводить к полному разрушению исходной кристаллической структуры монтмориллонита. Более того, использование кислот в синтезах нерационально с экологической точки зрения.

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного гетерогенно-каталитического способа синтеза метилхинолинов.

Решение этой задачи достигается тем, что синтез метилхинолинов осуществляют взаимодействием анилина с этиленгликолем в присутствии гранулированного цеолита ZSM-5 в Н-форме высокой степени кристалличности, имеющего микро-мезо-макропористую структуру, промотированного кислотой Льюиса ZnCl₂ (ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm). Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора ZnCl₂ / Н-ZSM-5mmm при 280-400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 1-5 ч^-1, мольном соотношении анилин : этиленгликоль, равном 1:2-3, в токе азота. Этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора в этаноле.

Основными продуктами реакции анилина с этиленгликолем в присутствии цеолитного катализатора ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm являются 2- и 4-метилхинолины:

Кроме 2- и 4-метилхинолинов, в реакционной массе идентифицированы хинолин и алкиланилины (N-метиланилин, N-этиланилин).

Цеолит Na-ZSM-5mmm синтезировали в виде гранул без связующих веществ [Патент РФ 2739350. Гранулированный цеолит H-ZSM-5 без связующего и способ его получения/ Травкина О.С., Куватова Р.З., Кутепов Б.И., и др. // 2020]; его гранулы представляют собой единые сростки цеолитных кристаллов и обладают степенью кристалличности, близкой к 100%. Пористая структура гранул состоит из микропористой структуры самого цеолита ZSM-5 и мезо- и макропористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов. Цеолит Na-ZSM-5mmm переводили в Н-форму ионным обменом в растворе NH₄NO₃ с последующей прокалкой.

Комбинированная микро-мезо-макропористая кристаллическая структура цеолита H-ZSM-5mmm высокостабильна и не разрушается в процессе ионного обмена катионов Na⁺ на Н⁺.

Промотирование образца H-ZSM-5mmm кислотой Льюиса (ZnCl₂) осуществлялось методом капиллярной пропитки. Концентрация ZnCl₂ в образце составляла 6%.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известными:

1) Катализатор ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm используется в виде гранул, что гораздо технологичнее, чем использование высокодисперсных материалов.

2) В известных способах синтеза в качестве реагентов используются нестабильные альдегиды, окислители, дорогие токсичные растворители. В предлагаемом способе в качестве реагента используется стабильный и доступный этиленгликоль, не используются окислители.

3) В известных способах реакцией анилина с этиленгликолем получают или индол (на катализаторе Pt/Al₂O₃ и ZnO), или 2-метил-8-этилхинолин с выходом 41% (глина К-10).

Катализатор ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина синтезировать 2- и 4-метилхинолины, хинолин.

4) Синтез метилхинолинов в присутствии цеолита ZnCl₂/H-ZSM-5mmm проходит при меньшей температуре и более высокой объемной скорости подачи сырья, чем на глине К10.

Гранулированный цеолитный катализатор H-ZSM-5mmm синтезируют следующим образом.

Смешивают порошкообразный цеолит ZSM-5 и предварительно полученный аморфный алюмосиликат с мольным соотношением SiO₂/Al₂O₃ = 30, увлажняют полученную смесь водой, формуют гранулы, затем их сушат и прокаливают в атмосфере воздуха. Полученные гранулы помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную кристаллизацию из реакционных смесей состава (3,0-4,0)Na₂O⋅(0,5-2,3)R⋅Al₂O₃⋅(60-90)SiO₂⋅(450-900)H₂O, где R - органический темплат, при 115±5°С в течение 48-72 часов.

Полученные в результате гидротермальной кристаллизации цеолитные гранулы Na-ZSM-5mmm дважды промывают водой, сушат и прокаливают при 550-600°С в течение 3-4 часов. Затем гранулы подвергают ионному обмену и последующему прокаливанию с использованием стандартных методик.

Для модифицирования образца H-ZSM-5mmm навеску предварительно прокаленного цеолита H-ZSM-5mmm пропитывают по водопоглощению водным раствором ZnCl₂. После пропитки образцы выдерживают при комнатной температуре в течение суток, затем подвергают термообработке в атмосфере воздуха при 500°С 4 часа. Концентрация ZnCl₂ в образце составляла 6%.

Реакцию анилина с этиленгликолем проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm при 280-400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 1-5 ч^-1, мольном соотношении [анилин] : [этиленгликоль] = 1:2-3, в инертной атмосфере. Этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора в этаноле.;*

Продукты реакции, собранные в охлаждаемый льдом приемник, экстрагируют хлористым метиленом и анализируют с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на приборе HP-1090 («Hewlett Packard», США) с ультрафиолетовым детектором. Условия съемки: прибор-SHIMADZU LC-20AT, колонка - Agilent С18 (4,6*250 мм), элюент - CH₃CN/Н₂О - 80/20, скорость подачи элюента-1 мл/мин.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1. Сырье - смесь анилина и этиленгликоля в мольном соотношении анилин : этиленгликоль = 1:3 - подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора ZnCl₂ / H-ZSM-5mmm (1 г) с помощью шприцевого микро-насоса при 350°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 3 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. Органический слой сушат и анализируют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Конверсия анилина составляет 85%. Суммарная селективность образования хинолинов составляет 73%.

ПРИМЕРЫ 2-6. Аналогично примеру 1. Условия и результаты примеров представлены в таблице.

Способ получения хинолинов (хинолина, 2- и 4-метилхинолинов) каталитическим взаимодействием анилина с этиленгликолем, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гранулированный цеолит ZnCl₂/H-ZSM-5mmm высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой и концентрацией ZnCl₂ 6 мас.%, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора при 280-400°С, объемной скорости подачи сырья 1-5 ч^-1, мольном соотношении анилин:этиленгликоль, равном 1:2-3, в азоте, при атмосферном давлении, этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора в этаноле.