СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАМФОЛЕНОВОГО АЛЬДЕГИДА
CAMPHOLENE ALDEHYDE SYNTHESIS METHOD

Изобретение относится к области синтеза органических соединений, а именно к способам их получения в новых реакционных средах-растворителях и выбору условий проведения реакций, в частности, термической перегруппировки терпеновых соединений и их кислородсодержащих производных.
Интерес к исследованиям химических превращений терпенов пинанового ряда и их кислородсодержащих производных во многом обусловлен доступностью этих веществ, поскольку они являются более распространенными в природе, чем какие-либо другие монотерпены и их производные. Одним из наиболее важных свойств пиненов является их способность подвергаться, главным образом, в присутствии кислотных катализаторов химическим превращениям, которые сопровождаются скелетными перегруппировками пинанового остова. Однако одним из основных факторов, сдерживающих широкое использование терпеноидов пинанового ряда в тонкой органической химии, является тот факт, что в результате кислотно-катализируемых реакций часто образуются сложные смеси.
Среди продуктов термических превращений терпеновых соединений или их кислородсодержащих производных следует выделить камфоленовый альдегид. Камфоленовый альдегид является ценнейшим и востребованным органическим соединением с характерным запахом сандалового дерева, широко используемым в парфюмерии и бытовой химии.
2
w
+
-
Известно, что многие вещества в сверхкритическом состоянии вблизи критической точки являются эффективными реакционными средами для проведения органических реакций гидратации и дегидратации, гидролиза, конденсации и ретро-конденсации, реакций нуклеофильного замещения, гидрирования и окисления большого числа органических веществ, а также других химических превращений [(1) Р.Е.Savage, Organic Chemical Reactions in Supercritical Water. Chem. Rev., 1999, 99, 603-621; (2) P.G.Jessop, W.Leitner (Eds.), Chemical Synthesis Using Supercritical Fluids, Wiley-VCH, July 1999, 478 pages, DM278, ISBN 3-527-29605-0; (3) D.Broll, С.Kaul, A.Kramer, Chemistry in supercritical water, Angew. Chem. Int. Ed., 1999, 38, 2998-3014; (4) E.J.Beckman, Supercritical and near-critical CO in green chemical synthesis and processing. J. Supercrit. Fluids, 2004, 28, 2-3, 121-191]. Среди них наиболее часто используются вода, двуокись углерода, низшие спирты, аммиак. Двуокись углерода является наиболее удобным растворителем для проведения большого класса реакций органических соединений в сверхкритических условиях. Интерес к сверхкритической воде вызван тем, что вблизи критической точки воды (температура 374°С, давление 221 атм) сильно изменяется константа диссоциации K, что приводит к резкому увеличению (на несколько порядков) концентрации ионов Н и ОН. Это обеспечивает возможность проведения в сверхкритической воде химических реакций в условиях основного или кислотного катализа без привлечения дополнительных реагентов или гомогенных и гетерогенных кислотно-основных катализаторов.
2
Химические превращения терпенов пинанового ряда и их кислородсодержащих производных, осуществляемых в сверхкритических растворителях, изучены весьма слабо. Известны лишь единичные примеры каталитического гидрирования в сверхкритическом СО [D.Chouchi, D.Gourgouillon, М.Courel, J.Vital, M.Nunes da Ponte, The influence of phase behavior on reactions at supercritical conditions: the hydrogenation of α-pinene. Ind. Eng. Chem. Res., 2001, 40, 2551-2554] и в докритической воде [J.M.Jennings, Т.A.Bryson, J.M.Gibson, Catalytic reduction in subcritical water. Green Chem., 2000, 87-88], а также образование сложных эфиров терпеновых спиртов [Y.Ikushima, Supercritical fluids: an interesting medium for chemical and biochemical processes. Adv. Colloid Interface Sci, 1997, 71-72, 259-280].
До последнего времени отсутствовали данные по способам термической изомеризации в сверхкритических флюидах терпеновых углеводородов их кислородсодержащих производных. Только недавно были опубликованы данные по исследованиям термолиза α- и β-пиненов, вербенола в сверхкритических низших спиртах [В.И.Аникеев, А.Ермакова, А.М.Чибиряев, И.В.Кожевников, П.Е.Микенин. Термическая изомеризация терпеновых соединений в сверхкритических спиртах. ЖФХ. 2007, 81, 5, 825-831; A.Yermakova, A.M.Chibiryaev, I.V.Kozhevnikov, P.E.Mikenin, V.I.Anikeev. Thermal isomerization of α-pinene in supercritical ethanol. Chemical Engineering Science. 2007 62, 2414-2421; В.И.Аникеев. Превращения органических соединений в сверхкритических флюидах. От эксперимента к кинетике, термодинамике, расчетам и практическим приложениям. Кинетика и катализ, 2009, 50, 2, 284-296].
Вместе с тем известны исследования реакций получения камфоленового альдегида в газовой и жидкой фазах при атмосферном давлении [см., например: (1) Kunkeler P.J., Vander Waal J.C, Bremmer J., Zuurdeeg B.J., Downing R.S., Van Beekum H. Application of zeolite titanium Beta in the rearrangement of α-pinene oxide to campholenic aldehyde. Catal. Lett. 1998, 53, 135; (2) Половинка M.П., Корчагина Д.В., Гатилов Ю.В., Выглазов О.Г., Бархаш В.А. Перегруппировка 2,3-эпокси-цис-пинана в кислых средах. ЖОрХ. 1999, 35, 1324-1329; (3) B.C.Ranu, U.Jana. Indium (III) Chloride-Promoted rearrangement of epoxides: A selective synthesis of substituted benzylic aldehydes and ketones. J.Org.Chem. 1998, 63, 8212-8216]. При проведении этих исследований температура реакции варьируется от 115 до 500°С. Продуктом рассматриваемых каталитических вариантов превращений эпоксида α-пинена преимущественно является камфоленовый альдегид, который находит широкое применение в парфюмерно-косметической и фармацевтической промышленностях [Hydroxylic campholenic aldehyde derivatives, their utilization as perfume ingredients and perfuming compositions containing same. US Pat. 4610813, C11D 3/50, A61K 8/34, 09.09.1986].
К основным недостаткам рассматриваемых и известных способов получения камфоленового альдегида в реакциях превращения терпеновых соединений можно отнести большие времена контакта, которые в некоторых случаях достигали величины нескольких часов, требуемых для достижения высокой степени их превращения. Другим недостатком описанных способов является использование гетерогенных катализаторов, которые, например, при комнатной температуре проведения реакции быстро теряют активность, снижая селективность и производительность реакции.
Известен метод превращений эпоксида α-пинена с целью синтеза камфоленового альдегида, принятый нами за прототип (T.R.Spalding, J.D.Holmes, M.A.Morris. Pat. IE 20040590A1, B01J 37/00 20/09/2006, example 10 (p.27)), в котором процесс изомеризации эпоксида α-пинена в жидком растворителе проводят следующим образом. В жидкий эпоксид α-пинена массой 6 гр добавлялся 0.1 гр AlSi катализатора. Смесь перемешивалась в отсутствие какого-либо растворителя. Температура реакции была комнатная, давление атмосферное. Через 30 сек по данным химического анализа в отобранном образце содержалось 85% камфоленового альдегида. После этого, с целью восстановления катализатора, он отделялся от реакционной смеси, сушился при 60°С и прокаливался при 550°С. Это повторялось 10 раз без видимых изменений катализатора.
К существенным недостаткам известного способа получения камфоленового альдегида, при осуществлении химических превращений эпоксида α-пинена, можно отнести, во-первых, периодичность процесса. Во-вторых, быстрое падение активности катализатора, вследствие чего возникает необходимость его удаления из реакционной смеси и дальнейшего длительного восстановления прокаливанием при высокой температуре. В-третьих, сильная зависимость селективности и производительности от свойств катализатора, в частности, его пористой структуры.
Изобретение решает задачу эффективного синтеза камфоленового альдегида в реакциях превращения эпоксида α-пинена с высокой производительностью в непрерывном режиме за времена контакта в несколько минут.
Технический результат - увеличение скорости и производительности химического процесса, отсутствие катализаторов, его контролируемая селективность и повышение выхода целевых продуктов, независимость селективности целевых продуктов от начальной концентрации и скорости подачи реагентов.
Основные идеи практической реализации получения камфоленового альдегида в реакциях превращения кислородсодержащих терпеновых соединений, предложенные в настоящем изобретении, заключаются в том, что реакцию перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе при температурах не выше 230°С и давлении не выше 140 атм.
Способ получения камфоленового альдегида в реакциях превращения кислородсодержащих терпеновых соединений в сверхкритическом растворителе осуществляется с применением экспериментальной установки на основе трубчатого реактора проточного типа. Состав продуктов реакции анализируют методом хроматомасс-спектрометрии на газовом хроматографе Hewlett-Packard 5890/II с квадрупольным масс-спектрометром (HP MSD 5971) в качестве детектора. Применяют 30 м кварцевую колонку НР-5 (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксана) с внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0.25 µм.
В процессе проведения экспериментальных исследований менялась температура реакции при постоянном времени контакта реакционной смеси, состав сверхкритического растворителя.
Получение камфоленового альдегида в реакциях превращения эпоксида α-пинена в сверхкритическом растворителе, состоящем из смеси двуокиси углерода, пропанола-2 и воды осуществляют при температуре не выше 240°С, предпочтительно, 160-240°С и давлении не выше 220 атм, предпочтительно, 130-220 атм.
Реакцию перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритической двуокиси углерода с мольным отношением вода/эпоксид α-пинена -5-8.
В ходе проводимых исследований изучают влияние температуры и времени контакта на выход основных продуктов реакции и селективность термических превращений эпоксида α-пинена в сверхкритическом растворителе в проточном реакторе идеального вытеснения.
Экспериментальные данные в виде относительных концентраций камфоленового альдегида, пинокамфона, изокамфоленового альдегида, транс-карвеола, пинокарвеола и n-цимола, содержащихся в продуктах реакции, представлены в таблицах. Проанализировано поведение каждого образующегося соединения в зависимости температуры проведения реакции.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
2
2
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа. Реакционную смесь, представляющую собой 0.28% мольных эпоксида α-пинена в смеси СO, пропанол-2, вода (мольный состав потока: эпоксид α-пинена - 0.28%, CO - 77.02%, вода - 2.2%, пропанол-2 - 20.5%) подают на вход в реактор.
Температуру в реакторе, равную 164°С, и давление, равное 136 атм, поддерживают постоянными.
Расход смеси, равный 3.5 мл/мин, обеспечивает время контакта реакционной смеси, рассчитанное, как отношение объема реактора к объемному расходу реагентов на его входе, равным ~4 мин, в эксперименте поддерживают постоянными.
Пример 2.
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа. Температуру реакции поддерживают равной 182°С, все другие условия реакции аналогичные условиям примера 1.
Пример 3.
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа при температуре 212°С. Все другие условия реакции аналогичные условиям примера 1.
Пример 4.
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа при температуре 226°С. Все другие условия реакции аналогичные условиям примера 1.
Пример 5.
2
2
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа. Реакционную смесь, представляющую собой 0.28% мольных эпоксида α-пинена в смеси СО, пропанол-2, вода (мольный состав потока: эпоксид α-пинена - 0.28%, СО - 77.02%, вода - 2.2%, пропанол-2 - 20.5%) подают на вход в реактор. Температура в реакторе 213°С, давление 175 атм и расход смеси - 3.5 мл/мин, который обеспечивает время контакта реакционной смеси, рассчитанное, как отношение объема реактора к объемному расходу реагентов на его входе, равным ~2 мин, в эксперименте поддерживают постоянными.
Пример 6.
Получение камфоленового альдегида при проведении реакции перегруппировки эпоксида α-пинена осуществляют в сверхкритическом сложном растворителе - двуокиси углерода, пропанол-2 и вода в реакторе проточного типа при температуре 240°С и давлении 215 атм. Все другие условия реакции аналогичные условиям примера 5.
Таблица.Изменение состава реакционной смеси на выходе реактора от температуры и давления реакции
Пример
Содержание компонентов смеси в %, про данным ХМС
Т, °С
эпоксид α-пинена
I
II
III
IV
V
VI
Не идентифицированные соединения
1
164
78.59
9.61
2.72
2.28
4.53
-
-
2.28
2
182
67.17
17.55
2.84
3.14
4.1
1.3
-
3.89
3
212
42.93
26.32
5.26
6.24
10.49
2.88
-
5.89
4
226
2.21
47.47
14.04
13.73
2.07
1.64
4.70
13.36
5
213
80.78
9.91
1.63
3.14
1.72
2.82
6
240
75.87
13.12
3.18
3.75
2.00
2.08
I - камфоленовый альдегид; II - пинокамфон; III - фенхоленовый (изокамфоленовый) альдегид; IV - транс-карвеол; V - пинокарвеол; VI - n-цимол.
В результате исследования состава продуктов реакции предложена схема превращений эпоксида α-пинена в сверхкритическом сложном растворителе.
Приведенные примеры демонстрируют, что проведение реакции термической перегруппировки эпоксида α-пинена с целью синтеза камфоленового альдегида, обеспечивает почти 50% его выход в непрерывном режиме его получения в отсутствие какого-либо катализатора.
Как видно из описания, изобретение решает задачу контролируемого получения камфоленового альдегида в реакциях превращения эпоксида α-пинена в выбранных сверхкритических растворителях и направлено на получение ценнейших соединений для парфюмерно-косметического и фармацевтического применения, таких как камфоленовый альдегид.
Осуществление химических превращений в сверхкритических флюидах-растворителях может быть положено в основу современных технологий получения широкого класса промышленно важных органических соединений, лекарственных и душистых веществ.