Способ получения хинолинов в присутствии иерархического цеолита h-ymmm

Изобретение относится к области органической химии, а именно к способу получения монометилхинолинов, широко используемых при изготовлении лекарственных препаратов, фунгицидов и гербицидов, ингибиторов коррозии металлов, экстрагентов и сорбентов, красителей и высококипящих растворителей. Способ заключается во взаимодействии этиленгликоля с анилином в присутствии гранулированного цеолита H-Ymmm высокой степени кристалличности, имеющего иерархическую (микро-мезо-макропористую) структуру, при 350-450°С, объемной скорости подачи сырья (w) 2-3 ч^-1, мольном соотношении анилин:этиленгликоль, равном 1:1-3, в азоте, при атмосферном давлении, этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора. Технический результат: разработан простой эффективный гетерогенно-каталитический способ синтеза монометилхинолинов, позволяющий снизить энерго- и материалоемкость процесса гетероциклизации. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 8 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения метил- и диметилхинолинов.

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, Höke 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, Höke 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, Höke 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 HG, Stadelhofer J.W, Industrial Aromatic Chemistry, 1988; Berlin].

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

Взаимодействием анилина с кротоновым альдегидом в присутствии серной кислоты в качестве катализатора получали 2-метилхинолин с выходом 77% при мольном соотношении реагентов [анилин]: [кротоновый альдегид]: [H₂SO₄]=1:3:4, при 140°С [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. ги/download/elibrary_42311724_76495797.pdf] описано получение 2- и 4-метилхинолинов взаимодействием анилина с кротоновым альдегидом в присутствии смешанного полифункционального катализатора следующего состава: CdF₂/ZnO/Cr₂O₃/Al₂O₃/бентонит. Выход 2-метилхинолина при 380-400°С, 0.2 ч^-1 и мольном соотношении [анилин]: [альдегид]=2:1 составил 35%, его изомера 4-метилхинолина - 42%:

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. Am. Chem. Soc. 1979. V. 101. P. 490-491]:

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

1) использованием дорогих катализаторов;

2) длительностью реакции (72 ч);

3) использованием высокого давления (100 атм);

4) низкой селективностью образования хинолинов.

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%.

К недостаткам способа относится низкий выход хинолина, использование дорогих платиновых солей.

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 цеолитных катализаторов 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 являются:

1) использование в качестве реагентов токсичного метанола;

2) использование в качестве реагентов дорогостоящего хинолина. 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] осуществляли 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(NO)₃)₂⋅6H₂O, Ni(BF₄)₂. Наиболее эффективными катализаторами являются ацетат никеля(II) Ni(OAc)₂⋅4H₂O и ацетилацетонат никеля Ni(acac)₂, активированные триэтил амином:

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. Mustqfin, 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 Y в Н-форме высокой степени кристалличности, имеющего микро-мезо-макропористую структуру (H-Ymmm). Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-Ymmm при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 2-3 ч^-1, мольном соотношении анилин: этиленгликоль, равном 1: 1 -3, в токе азота. Этиленгликоль подают в виде 20%-ного раствора в спирте или в воде.

Основными продуктами реакции анилина с этиленгликолем в присутствии цеолитного катализатора H-Ymmm являются 2- и 4-метилхинолины:

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

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 [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. - Р. 32581-32590].

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

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известными:

1) Катализатор цеолит H-Ymmm 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 H-Ymmm позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина синтезировать 2- и 4-метилхинолины, диметилхинолины.

4) Синтез метилхинолинов в присутствии цеолита H-Ymmm проходит при более высокой объемной скорости подачи сырья, чем на глине К10.

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.

Реакцию анилина с этиленгликолем проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-Ymmm при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 2-3 ч^-1, мольном соотношении [анилин]: [этиленгликоль] от 1: 1 - 3, в инертной атмосфере. Этиленгликоль подают в виде 20%-ного раствора в спирте или в воде.

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/H2O - 80/20, скорость подачи элюента - 1 мл/мин.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1. Сырье (смесь анилина и этиленгликоля в мольном соотношении анилин:этиленгликоль (20%-ый раствор в воде)=1:3) подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора H-Ymmm (1 г) с помощью шприцевого микро-насоса при 430°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 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. Органический слой сушат и анализируют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Конверсия анилина составляет 74%. Суммарная селективность образования хинолинов составляет 71%.

ПРИМЕРЫ 2-8. Аналогично примеру 1. Условия и результаты примеров представлены в таблице.

1. Способ получения монометилхинолинов каталитическим взаимодействием анилина с этиленгликолем, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют гранулированный цеолит H-Ymmm высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора при 350-450°С, объемной скорости подачи сырья 2-3 ч^-1, мольном соотношении анилин:этиленгликоль, равном 1:1-3, в азоте, при атмосферном давлении, этиленгликоль подают в реактор в виде 20%-ного раствора.

2. Способ получения монометилхинолинов по п. 1, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют этанол или воду.