СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 2,5-ДИМЕРКАПТО-1,3,4-ТИАДИАЗОЛА (ДМТД)
METHOD FOR THE PREPARATION OF 2,5-DIMERCAPTO-1,3,4-THIADIAZOLE (DMTD)

Настоящая группа изобретений относится к области химической технологии тиадиазолов, в частности к 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазолу и способу его получения.
2
2
2
3
2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазол - порошкообразный продукт, используется как беззольная мультифункциональная присадка для смазочных материалов, выполняет функции ингибитора коррозии, деактиватора цветных металлов, противоизносной присадки. Может использоваться в составе антифризов, смазочно-охлаждающих жидкостей, в металлообработке. Химическая формула вещества: 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазол, CAS №1072-71-5 (CHNS). Название вещества по номенклатуре UPAC (1993 г.) - 1,3,4-тиадиазол-2,5-дитиол (также его называют висмутол-1, MC 200, DMTD, ДМТД).
Известен способ синтеза 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола и ДМТД, полученный известным способом, с использованием твердого катализатора и растворителей на основе спиртов, включающий следующие стадии: добавление этанола, гидразингидрата, дисульфида углерода и твердого основного катализатора в реакционный сосуд, перемешивание при температуре 20-100°C для реакции в течение 1-10 часов, затем охлаждение до комнатной температуры, фильтрование, отгонку фильтрата при пониженном давлении для удаления растворителя с получением желтоватого твердого вещества и перекристаллизацию с использованием абсолютного этилового спирта с получением продукта ДМТД. При этом используют катализатор на основе КОН/СаО (патент CN 109912536, приоритет 18.03.2019 г., опубликовано 21.06.2019 г.).
К недостаткам известного способа можно отнести сложность технологии синтеза ДМТД, обусловленную необходимостью регенерации растворителя и твердого катализатора, и, как следствие высокими энергозатратами и необходимостью использования при реализации способа дополнительного оборудования.
Известен способ получения бис-ДМТД, на промежуточной стадии которого получают ДМТД, основанный на синтезе натриевой соли тиазола при смешивании гидразингидрата, сероуглерода и гидроксида натрия. ДМТД синтезируют при мольном отношении гидразингидрат:сероуглерод:гидроксид натрия 1:2,2-2,4:1,0-1,2 (патент США US 10316005, приоритет 06.07.2009 г., опубликовано 11.06.2019 г.).
Однако использование указанного соотношения гидразингидрата, сероуглерода и гидроксида снижает селективность реакции образования ДМТД, выход готового продукта и его качество из-за образования побочных продуктов, в частности тиокабогидразидов.
Наиболее близким аналогом для заявляемой группы изобретений выбран способ получения 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола и 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазол, полученный этим способом, в соответствии с которым ДМТД получают при смешивании реагентов в мольном отношении гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия 1:2:3 (патент Великобритании GB 747048, приоритет 03.03.1954 г., опубликовано 28.03.1956 г.).
Основным недостатком ближайшего аналога является невысокая селективность образования ДМТД, связанная с используемым соотношением реагентов. Использование завышенного коэффициента для гидроксида натрия приводит к фиксации побочного продукта реакции - сероводорода в реакционной массе. Кроме того, в ближайшем аналоге применяют 2х стадийный способ нейтрализации натриевой соли тиазола (на первой стадии выделяется фиксированный сероводород, затем нейтрализуют образовавшуюся соль ДМТД), что увеличивает количество стоков и снижает выход готового продукта.
Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемой группой изобретений, является создание нового энергоэффективного и малоотходного способа синтеза 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола и к 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазолу, полученному заявленным способом. Заявляемый способ позволяет получать целевой продукт с высокой чистотой и выходом.
Технический результат, получаемый при использовании заявляемой группы изобретений, заключается в сокращении образования побочных продуктов и в том, что выделяющийся в процессе реакции смешивания сероводород не захватывается реакционной средой и может эффективно отводится, и, как следствие, в увеличении селективности образования 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола и повышении выхода готового продукта.
Технический результат в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения достигается тем, что способ получения 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола, включающий смешивание гидразингидрата, сероуглерода и гидроксида натрия с получением реакционной среды, содержащей соль 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола, с последующим добавлением в реакционную среду нейтрализующего компонента, выбранного из группы, содержащей сильные органические или неорганические кислоты, согласно изобретению предварительно перед смешиванием гидроксид натрия охлаждают до температуры не более 12°С, гидразингидрат при смешивании добавляют в атмосфере инертного газа, смешивание гидразингидрата, сероуглерода и гидроксида натрия проводят в мольном отношении 1:2,2-2,4:1,55-1,95, а нейтрализующий компонент представляет собой раствор серной кислоты 5-85% или соляной кислоты 5-25% или азотной кислоты 5-85% или уксусной кислоты 5-85%, причем реакцию с нейтрализующим компонентом ведут при температуре 10-60°С, а полученное после смешивания с нейтрализующим компонентом вещество фильтруют с получением готового продукта.
В соответствии с изобретением в качестве инертного газа может быть использован азот, гелий или аргон.
При создании настоящей группы изобретений экспериментальным путем было установлено, что использование мольного отношения 1:2,2-2,4:1,55-1,95 гидразингидрата, сероуглерода и гидроксида натрия, а также определенных интервалов концентраций нейтрализующих компонентов, используемых для реализации способа, и условий синтеза ДМТД (температурные режимы, атмосфера инертного газа) сократили образование побочных продуктов (тиокабогидразидов, гидросульфидов, полисульфидов и др.) и привели к тому, что выделяющийся в процессе реакции смешивания сероводород не захватывается реакционной средой и может эффективно отводится, что в конечном итоге приводит к увеличению селективности образования ДМТД и повышению его выхода.
Заявляемая группа изобретений поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная технологическая схема для осуществления способа получения 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазолу и способу его получения (фиг. 1).
Способ получения ДМТД осуществляют по технологической схеме (см. фиг. 1), при этом способ включает такие основные стадии, как синтез натриевой соли тиазола и нейтрализация натриевой соли тиазола, фильтрация готового продукта.
Получение ДМТД происходит в реакторе с теплообменной рубашкой, перемешивающим устройством и обратным холодильником. Расчетное количество гидразингидрата и гидроксида натрии смешивают с расчетным количеством сероуглерода с получением реакционной среды, содержащей соль 2,5-димеркапто-1,3,4-тиадиазола. Затем проводят нейтрализацию натриевой соли тиазола нейтрализующим компонентом до получения пасты белого цвета. Полученный продукт фильтруют и сушат.
Синтез натриевой соли тиазола проводят в реакторе, представляющий из себя вертикальный стальной эмалированный аппарат объемом 6,3 м³, снабженный якорной мешалкой и теплообменной рубашкой. Закачивается навеска раствора NaO, и он захолаживается до температуры не более 12°С холодной водой, подаваемой в рубашку реактора. Для предотвращения контакта гидразингидрата с воздухом используется инертный газ, например, азот, гелий или аргон. При достижении температуры Т=10-12°С начинается дозировка сероуглерода. Температура в реакторе поддерживается 44-46°С (не выше температуры кипения сероуглерода). По окончании дозировки сероуглерода в рубашку реактора подается горячая вода для достижения температуры реакционной смеси 55-65°С. Смесь выдерживается в течение 4-12 часов.
Готовая соль тиазола используется на стадии нейтрализации. Нейтрализацию соли тиазола проводят раствором нейтрализующего компонента. В качестве нейтрализующего компонента могут быть использованы сильные органические или неорганические кислоты, в частности раствор серной кислоты 5-85% или соляной кислоты 5-25% или азотной кислоты 5-85% или уксусной кислоты 5-85%. Нейтрализацию соли тиазола проводят, например, серной кислотой в том же реакторе. Расчетное количество готового раствора серной кислоты из емкости хранения перекачивается насосом дозатором в реактор с солью тиазола по трубопроводу. Выдерживается температура в интервале 10-60°С. По окончании дозировки кислоты отбирается проба на анализ реакционной массы. В случае положительного анализа суспензия насосом перекачивается на стадию фильтрации и сушки.
Заявленная группа изобретений получения ДМТД более детально иллюстрируются следующими примерами.
Пример 1.
3
50%
Используется следующее соотношение компонентов гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,24:1,7. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 647 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 783 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 764 кг  серной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 2.
3
20%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,34:1,6. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 609 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 818 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 1421 кг  соляной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 3.
3
50%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,4:1,8. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 585 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 839 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 982 кг  азотной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 4.
3
50%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,3:1,9. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 722 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 804 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 936 кг  уксусной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 5.
2,2
85%
3
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1::1,9. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 722 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 769 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 550 кг  уксусной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 6.
1,95
85%
3
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,4:. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 633 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа аргона подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 839 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 577 кг  азотной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 7.
3
25%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,34:1,6. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 609 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа гелия подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 838 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 1137 кг  соляной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 8.
1,55
85%
3
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,24:. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 710 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 783 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 449 кг  серной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 9.
1,55
5%
3
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,24:. В эмалированный реактор объемом 20 м загружается 200 кг воды, 710 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 783 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 7633 кг  серной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 10.
3
5%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,34:1,6. В эмалированный реактор объемом 20 м загружается 200 кг воды, 609 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 838 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 30°С и добавляют 5685 кг  соляной кислоты, поддерживая температуру на уровне 30°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 11.
1,9
5%
3
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,4:. В эмалированный реактор объемом 20 м загружается 200 кг воды, 633 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 839 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 10°С и добавляют 9809 кг  азотной кислоты, поддерживая температуру на уровне 10°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Пример 12.
3
5%
Гидразингидрат : сероуглерод : гидроксид натрия - 1:2,3:1,9. В эмалированный реактор объемом 6 м загружается 200 кг воды, 722 кг NaOH 48,3%, смесь охлаждается до 10°С. Далее в среде инертного газа азота подают гидразингидрат 230 кг. Затем дозируется 804 кг сероуглерода таким образом, чтобы температура не была выше 46°С. После дозировки смесь нагревают до 65-85°С. Выделяющийся сероводород улавливают раствором гидроксида натрия. Смесь выдерживают при заданной температуре в течении 6-12 часов. Затем реакционную массу охлаждают до 60°С и добавляют 9360 кг  уксусной кислоты, поддерживая температуру на уровне 60°С. Образовавшийся порошок ДМТД фильтруют и сушат.
Примеры 1-4 и табличные данные показывают эффективность предлагаемой группы изобретений технического решения для способа получения ДМТД.
Номер примера
Выход ДМТД
Температура плавления ДМТД, °С
Селективность
1
>96%
162
98%
2
92.2%
160
95%
3
93.0%
160
95,5%
4
90.1%
158
91%
5
82.1%
157
84%
6
86.3%
155
87%
7
84.0%
158
84.5%
8
89.2%
159
91.2%
9
78%
157
86%
10
81%
156
85.2%
11
80%
158
84.5%
12
82%
161
92.2%
Температуру плавления определяли на приборе фирмы STUART model SMP50. Данные для расчета селективности получали на ИК спектрометре фирмы BRUKER model ALFA PLATINUM-ATR. Выход определяли весомым методом.