СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 3-(МЕТИЛТИО)ПРОПАНАЛЯ И 2-ГИДРОКСИ-4(МЕТИЛТИО)БУТАННИТРИЛА
METHOD FOR SYNTHESIS OF 3-(METHYLTHIO)PROPANAL AND 2-HYDROXY-4(METHYLTHIO)BUTANE NITRILE

Настоящее изобретение относится к каталитическому способу получения 3-(метилтио)пропаналя (МТП) и 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила. Изобретение относится прежде всего к способу получения МТП и МТП-циангидрина с использованием новых катализаторов реакции присоединения.
Уровень техники
3-(метилтио)пропаналь (МТП) и 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрил (МТП-циангидрин) представляют собой промежуточные продукты для получения D,L-метионина и 2-гидрокси-4-метилтиомасляной кислоты (ГМК), представляющей собой гидроксианалог метионина. Метионин является незаменимой аминокислотой, которую применяют, в частности, для обогащения пищи и кормов. ГМК представляет собой жидкий заменитель метионина с пониженной биодоступностью.
МТП получают катализируемой реакцией присоединения метилмеркаптана (ММ) к акролеину (АК). Обычно для этого жидкий акролеин подвергают взаимодействию с метилмеркаптаном в реакторе, в котором уже жидкий МТП и катализатор находятся в растворенном виде (DT 2320544). Известно также применение газообразного акролеина для его взаимодействия с метилмеркаптаном (FR 7520183, FR 7917827, WO 97/00858). Реакцию между метилмеркаптаном и акролеином можно проводить в периодическом либо в непрерывном режиме (US 4225515, US 5352837). В качестве катализаторов подобных реакций традиционно используют органические основания, например третичные амины, такие как гексаметилентетрамин, триалкиламины, например триэтил- или триэтаноламин, бензиламины, пиридины, например 2-фторпиридин и 4-диметиламинопиридин, пиколин, пиразин, имидазол и никотинамид, а также ацетат меди(II), метилмеркаптид ртути и органические пероксиды. В публикациях упоминается также использование ионообменников (FR 7520183). Обычно собственно катализатор реакции присоединения, во-первых, для подавления полимеризации акролеина, т.е. во избежание образования нежелательных побочных продуктов, и, во-вторых, для повышения общего выхода за счет кондиционирования используемого основания применяют в комбинации со вспомогательным катализатором, органической кислотой, например уксусной кислотой, лимонной кислотой или муравьиной кислотой, либо минеральной кислотой, например серной или фосфорной кислотой. По завершении реакции катализатор не рекуперируют, и при последующей переработке он полностью теряется.
Обычно катализатор используют в концентрации от 0,001 до 0,005 мол.% в пересчете на метилмеркаптан. Необходимое для проведения реакции количество кислоты, обычно уксусной кислоты, составляет от 0,5 до 50 мол.%. Для упрощения процесса получения МТП катализатор и кислоту можно предварительно смешивать между собой и затем добавлять в реактор в дозированных количествах полученную предварительную смесь в виде раствора. Концентрация содержащей катализатор предварительной смеси в жидкой реакционной среде, в которой происходит образование МТП, обычно составляет от 0,2 до 0,75 мас.%. По завершении реакции МТП отделяют от вспомогательных и побочных продуктов путем перегонки. В процессе дистилляционной очистки полученного таким путем аддукта содержащая катализатор предварительная смесь полностью теряется, и в зависимости от температуры кипения ее необходимо удалять с кубовым продуктом или с отходящим газом. В принципе часть катализатора или добавленной кислоты может во время перегонки выходить через верх колонны и в результате загрязнять чистый МТП.
Из МТП его взаимодействием с цианистым водородом (синильной кислотой) с использованием соответствующих катализаторов можно получать МТП-циангидрин, а именно: 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрил. В качестве катализаторов такой реакции могут использоваться вышеназванные основания, катализирующие также реакцию присоединения метилмеркаптана к акролеину, например пиридин или триэтиламин. Путем гидролиза МТП-циангидрина с использованием, например, минеральных кислот получают ГМК. Метионин получают взаимодействием МТП-циангидрина с гидрокарбонатом аммония с образованием гидантоина, который можно омылять взаимодействием с соответствующим основанием, например карбонатом калия или гидроксидом натрия. Метионин высвобождают с использованием в этих целях диоксида углерода или серной кислоты.
Задача изобретения
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать каталитический способ указанного в начале описания типа, которым можно было бы не только присоединять метилмеркаптан к акролеину, но и превращать в последующем продукт реакции в МТП-циангидрин без расходования при этом катализатора или дополнительной кислоты.
Описание изобретения
В настоящем изобретении предлагается способ получения 3-(метилтио)пропаналя с использованием каталитической системы нового типа, обеспечивающей присоединение метилмеркаптана к акролеину. В настоящем изобретении предлагается далее способ получения МТП-циангидрина путем катализируемой такой каталитической системой нового типа реакции между МТП и синильной кислотой.
В настоящем изобретении предлагается прежде всего способ непрерывного получения МТП и МТП-циангидрина с использованием гетерогенных катализаторов, которые не растворимы в реакционной среде и поэтому не расходуются. Благодаря этому отпадает необходимость в добавлении вспомогательных катализаторов, таких как органические кислоты, например уксусная кислота.
Новые катализаторы соответствуют следующей общей формуле (I)
,
1
2
1
12
1
2
в которой R и R представляют собой водород, алкил с длиной цепи от C до C, арил или гетероарил, при этом R может иметь значения, отличные от R, x обозначает число от 0 до 6 и А обозначает природную или синтетическую смолу, например полистирол. В качестве гетерогенных катализаторов предлагается преимущественно использовать связанные с полимером основания из ряда гомологических диалкиламиноалкилполистиролов и диалкиламиномакросетчатых смол, прежде всего диметиламиноэтилполистирол, диэтиламиноэтилполистирол, диметиламинометилполистирол, диэтиламинометилмакросетчатую смолу и главным образом диэтиламинометилполистирол. Указанные основания отчасти уже применяются в других областях твердофазной химии (WO 03/009936, US 4440676), а некоторые из них являются коммерчески доступными продуктами. Помимо этого из подобных смол можно простым путем синтезировать специальные производные, например смолу Меррифилда.
Катализаторы, поскольку они не растворимы ни в продукте реакции, ни в одном из участвующих в реакции реагентов, можно применять в реакции в любом количестве, достаточном для достижения необходимой степени превращения реагентов и селективности катализатора. С целью облегчить проведение реакции, т.е. упростить дозирование реагентов, транспорт эдуктов к активным центрам катализатора и отвод теплоты реакции необходимо наличие реакционной среды, которая обеспечивает хорошее набухание в ней катализатора. Смола считается обладающей хорошей набухаемостью в растворителе в тех случаях, когда она способна поглотить растворитель в количестве, которое в 1-5 раз превышает ее собственную массу. В результате поглощения растворителя смола увеличивается в объеме. В предпочтительном варианте МТП, соответственно МТП-циангидрин, сам может служить матрицей для реакции. Однако в принципе можно также использовать все традиционные растворители, в которых по меньшей мере частично растворимы реагенты, но не катализатор, например углеводороды, галогенированные углеводороды или простые эфиры. Реакционноспособные растворители, такие как вода, спирты и кетоны, которые могут образовывать с эдуктами или целевыми продуктами нежелательные побочные продукты, пригодны в меньшей степени и применимы лишь в ограниченной степени. По результатам экспериментов по получению МТП в периодическом режиме было установлено, что в пересчете на активные центры катализатора его и акролеин целесообразно использовать в молярном соотношении между ними от 0,001 до 0,02, предпочтительно от 0,001 до 0,01, особенно предпочтительно от 0,001 до 0,005. При проведении реакций в непрерывном режиме, в которых реагенты и реакционная среда движутся через катализатор непрерывным потоком, массовое соотношение между акролеином и катализатором в час (среднечасовая скорость подачи жидкости, масса/масса-ч) должно составлять от 0,1 до 100, предпочтительно от 1 до 50, особенно предпочтительно от 5 до 50.
При проведении экспериментов по получению МТП в периодическом режиме соотношение между реакционной средой и акролеином выбирают в пределах от 0,1 до 2. При проведении же процесса в непрерывном режиме соотношение между массовым расходом реакционной среды и массовым расходом акролеина должно составлять от 0,5 до 20. Для достижения высокой степени превращения реагентов и для обеспечения малой степени их разложения количества используемых эдуктов регулируют с таким расчетом, чтобы метилмеркаптан постоянно присутствовал в реакционной смеси в небольшом избытке. В молярном выражении избыток метилмеркаптана должен составлять от 0,01 до 1%, предпочтительно от 0,05 до 0,2%. Присутствие же акролеина в реакционной смеси в избыточном количестве приводит к образованию больших количеств высококипящих остатков и поэтому нежелательно.
При проведении реакции давление не имеет решающего значения. Оно может варьироваться в широких пределах. Поскольку, однако, слишком высокое давление может в результате сжатия слоя катализатора снизить его активность, следует избегать давлений выше 10 бар. Предпочтительно же проводить реакцию при атмосферном давлении.
Температуру реакции можно в зависимости от давления и особенностей реакционной среды выбирать в интервале от -20 до 100°С. При проведении реакции при атмосферном давлении и при использовании МТП в качестве матрицы реакцию целесообразно проводить при температуре в интервале от 0 до 60°С, прежде всего от 30 до 50°С. При проведении реакции при температурах, превышающих указанный верхний предел, снижается селективность катализатора касательно образования МТП, тогда как при проведении реакции при температурах ниже 0°С скорость реакции падает до экономически неэффективного уровня.
При получении МТП в периодическом режиме в реактор предварительно загружают начальное количество МТП, соответственно реакционной среды. В этой реакционной среде затем суспендируют катализатор. При этом катализатору до начала реакции, т.е. при его первоначальном применении, необходимо дать набухнуть в реакционной среде с целью обеспечить наилучшую доступность к его активным центрам. Затем в реактор одновременно подают исходные метилмеркаптан и акролеин. Теплоту реакции отводят с помощью пригодных для этой цели встроенных в реактор элементов или размещенных снаружи реактора элементов.
В реактор предпочтительно сначала загружать около 10% от всего количества метилмеркаптана и лишь после этого начинать подачу в реактор акролеина и остальной части метилмеркаптана. Растворение метилмеркаптана в МТП сопровождается тепловым эффектом и образованием гемитиоацеталя. Таким путем в ходе реакции обеспечивается постоянное наличие избытка метилмеркаптана. Благодаря избытку метилмеркаптана повышается селективность катализатора и тем самым минимизируется образование высококипящих побочных продуктов. При предварительной загрузке в реактор достаточного количества МТП в реактор можно затем загрузить все количество метилмеркаптана и лишь затем начать добавление акролеина.
По завершении реакции от катализатора отфильтровывают продукт, который при необходимости можно подвергать дальнейшей очистке. Если полученный МТП не растворим в реакционной среде, его можно отделять от реакционной среды путем разделения фаз. Реакционную среду и катализатор можно без последующего его набухания непосредственно повторно использовать в последующих реакциях. При использовании МТП в качестве реакционной среды из реактора предпочтительно отбирать только часть образовавшегося МТП и оставлять соответствующее его "рабочее" количество вместе с катализатором для последующих проводимых в периодическом режиме реакций.
При необходимости последующего превращения сырого МТП в МТП-циангидрин обеспечить подобное превращение можно простым путем, дозируя в реакционную среду с предлагаемым в изобретении катализатором эквимолярные количества синильной кислоты. При проведении процесса в периодическом режиме обязательным условием для этого является полное завершение реакции между акролеином и метилмеркаптаном. Необходимость очистки сырого МТП в данном случае отпадает.
При проведении процесса в непрерывном режиме синильную кислоту можно дозировать в том месте слоя катализатора, где уже завершилось образование МТП. Возможно также использование последующего реакционного контура с отдельным собственным слоем катализатора. Во избежание образования нежелательных побочных продуктов реакцию необходимо проводить с определенным избытком синильной кислоты. Молярный избыток синильной кислоты в пересчете на МТП должен составлять от 0,01 до 10%, предпочтительно от 0,05 до 1%. Температура реакции должна лежать в интервале от 0 до 100°С, предпочтительно от 20 до 70°С. Синильную кислоту можно использовать и в жидком, и в газообразном состоянии.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана схема установки для получения МТП в непрерывном режиме в реакторе со стационарным слоем предлагаемого в изобретении гетерогенного твердофазного катализатора.
На фиг.2 показана схема установки, которая предназначена для получения МТП в непрерывном режиме в реакторе со стационарным слоем предлагаемого в изобретении гетерогенного твердофазного катализатора и которая для превращения МТП в МТП-циангидрин дополнена системой дозирования синильной кислоты, соответственно при необходимости дополнена отдельным реакционным контуром синтеза циангидрина.
Основным аппаратом показанной на фиг.1 установки является реактор со стационарным слоем катализатора и циркуляционным насосом. Реакционный контур помимо теплообменника содержит также дозировочные устройства для подачи метилмеркаптана и акролеина, а также выпускное устройство для отбора образовавшейся реакционной МТП-смеси. При использовании отличной от МТП реакционной смеси из-за непрерывного отбора реакционной смеси из реактора в него необходимо дополнительно дозировать растворитель в количестве, которое соответствует его отобранному количеству. Дозировочное устройство для подачи метилмеркаптана предпочтительно располагать перед дозировочным устройством для подачи акролеина. Подобное расположение дозировочных устройств для подачи метилмеркаптана и акролеина обеспечивает заблаговременное наличие метилмеркаптана в избытке к началу реакции. Тем не менее может оказаться предпочтительным добавлять небольшой в среднем избыток метилмеркаптана по сравнению с его необходимым стехиометрическим количеством. Такой избыток метилмеркаптана может составлять от 0,01 до 1%. Добавление метилмеркаптана в больших количествах не приводит к дальнейшему увеличению степени превращения акролеина.
Продолжительность контактирования реагентов с катализатором определяется объемом катализатора и расходом реагентов, соответственно реакционной смеси. В предпочтительном варианте соотношение между массой акролеина и массой катализатора в час (среднечасовая скорость подачи жидкости, масса/масса-ч) должна составлять от 0,1 до 100, предпочтительно от 1 до 50, особенно предпочтительно от 5 до 50. Массовое соотношение между реакционной средой и акролеином должно составлять от 1 до 20. Количество отводимого от катализатора тепла регулируют таким образом, чтобы температура реакции лежала в пределах от 30 до 50°С. Реакцию проводят без создания давления. В принципе реакцию можно проводить и при повышенном давлении, что, однако, не оказывает никакого влияния на степень превращения реагентов.
При необходимости последующего превращения полученного МТП в МТП-циангидрин установку, как показано на фиг.2, дополняют системой дозирования синильной кислоты, соответственно при необходимости дополняют отдельным реакционным контуром синтеза циангидрина.
Одно из преимуществ предлагаемого в изобретении способа состоит в том, что при его осуществлении не расходуется катализатор или вспомогательное каталитическое вещество. Этот эффект позволяет существенно снизить материально-технические затраты и сохраняется постоянно. Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении способа заключается в том, что продукт реакции, т.е. МТП, соответственно МТП-циангидрин, не загрязняется катализаторами или вспомогательными каталитическими веществами. Благодаря этому, во-первых, упрощается дальнейшая переработка продуктов, а во-вторых, удается минимизировать нежелательные побочные реакции на последующих стадиях, инициируемые остатками катализаторов.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примерах его осуществления. Эти примеры лишь иллюстрируют изобретение и не ограничивают его объем.
Пример 1
1.1. Получение диметиламинометилполистирола
В имеющийся в продаже лабораторный автоклав загружают 5 г (4,5 ммоль) смолы Меррифилда [CAS 55844-94-5] (0,9 ммоль Cl на грамм), 6,9 г (50 ммоль) триэтиламина и 200 мл раствора диметиламина (400 ммоль, 2-молярного в тетрагидрофуране (ТГФ)). Полученную смесь нагревают до 85°С с выдержкой при этой температуре в течение пяти часов. После охлаждения и сброса давления смесь подвергают вакуум-фильтрации через стеклянную фритту и осадок на фильтре промывают сначала водой до полного удаления хлоридов, а затем еще 200 мл ТГФ. Высушенную при 60°С смолу можно после набухания непосредственно использовать в последующих экспериментах. Таким путем получают 4,8 г продукта, который по данным ЯМР-анализа более чем на 90% состоит из функционализованной диметилбензиламином смолы. Наряду с непрореагировавшим бензилхлоридом продукт содержит бензиловый спирт в качестве побочной функциональной группы.
1.2. Получение 3-(метилтио)пропаналя в периодическом режиме
В реакционную колбу, снабженную капельной воронкой и устройством для подачи газа, предварительно добавляют 25 мл дистиллированного чистого МТП, в котором затем диспергируют 0,5 г диметиламинометилполистирола (активность приблизительно 18 ммоль/л МТП). Этой смоле дают набухнуть в течение 1 ч. Затем при 0°С в течение 10 мин подают 10 г (208 ммоль) метилмеркаптана, который сразу же растворяется с образованием МТП-полумеркапталя. По завершении подачи метилмеркаптана по каплям добавляют 11,5 г (205 ммоль) акролеина и далее перемешивают при 0°С. Через два часа катализатор отфильтровывают и анализируют образовавшийся МТП. По данным анализа степень превращения акролеина достигает 98%, а выход продукта составляет 95%. На долю кубового остатка, образующегося при дистилляции сырого МТП, приходится 0,19%.
Отфильтрованный катализатор можно непосредственно, без дополнительного набухания использовать в дальнейших экспериментах. Даже после десятикратного применения катализатор не утрачивает свою первоначальную активность.
1.3. Получение 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила в периодическом режиме
Для последующего взаимодействия МТП с синильной кислотой катализатор не отфильтровывают от реакционной МТП-смеси, а при охлаждении при температуре около 35°С в течение 30 мин по каплям добавляют к ней синильную кислоту (12,6 г, 466 ммолей, 1,05 экв.). По завершении реакции катализатор отфильтровывают. Таким путем получают 62 г МТП-циангидрина с чистотой более 98%. После неоднократного повторного использования катализатора он не теряет свою активность.
1.4. Получение 3-(метилтио)пропаналя в непрерывном режиме
В трубчатый реактор загружают 4 ммоля предварительно набухшего в МТП диметиламинометилполистирола (соответствует 4,4 г в сухом состоянии). Затем трубчатый реактор подключают к снабженному насосом циркуляционному контуру с находящимся в нем чистым МТП. Рабочая вместимость контура составляет около 5 мл. В контуре предусмотрен еще один насос, которым в контур в точке перед трубчатым реактором подают акролеин. Помимо этого в контуре имеется клапан, позволяющий подавать в циркулирующий поток жидкий или газообразный метилмеркаптан. Для поддержания температуры в циркуляционном контуре на уровне 50°С предусмотрен соответствующий теплообменник. Реакцию инициируют добавлением акролеина с расходом 0,25 г/мин и метилмеркаптана с расходом 0,21 г/мин. Поданную в реакционный контур реакционную смесь отбирают в необходимом объеме без создания давления в соответствующей точке. Объемное соотношение между подаваемыми в реакционный контур потоками и циркулирующим в нем потоком составляет 1:5. По истечении примерно 30 мин реакция стабилизируется. По данным анализа репрезентативного образца сырого МТП степень превращения акролеина превышает 99%, а чистота полученного МТП составляет примерно 93%.
Отобранный из этого реакционного контура МТП подают во второй реакционный контур, где его превращают в МТП-циангидрин. По своей конструкции и принципу работы этот второй реакционный контур в основном соответствует реакционному контуру, в котором происходит реакция между акролеином и метилмеркаптаном. Во втором реакционном контуре катализатор используют в количестве 4 ммоля, a HCN подают в него с расходом 0,12 г/мин. Поданную во второй реакционный контур реакционную смесь отбирают в необходимом объеме без создания давления в соответствующей точке. Объемное соотношение между подаваемым в реакционный контур потоком и циркулирующим в нем потоком составляет 1:5, а температуру в нем поддерживают на уровне 40°С. По истечении примерно 30 мин реакция стабилизируется. По данным анализа репрезентативного образца сырого МТП-циангидрина степень превращения МТП превышает 99%, а чистота продукта составляет около 92%.
Пример 2
2.1. Получение диметиламинометилполистирола
В колбе, снабженной мешалкой и обратным холодильником, 30 г (27 ммоль) смолы Меррифилда [CAS 55844-94-5] (0,9 ммоль Cl на грамм), 30,4 г (300 ммоль) триэтиламина и 87,8 г (1,20 моль) диэтиламина суспендируют в 420 мл метилизобутилкетона. Затем полученную смесь в течение 6 ч кипятят с обратным холодильником. После охлаждения до комнатной температуры смесь подвергают вакуум-фильтрации через стеклянную фритту и осадок на фильтре промывают водой до полного удаления хлоридов. Высушенную при 60°С смолу можно после набухания непосредственно использовать в последующих экспериментах. Таким путем получают 32 г продукта, который по данным ЯМР-анализа более чем на 90% состоит из функционализованной диэтилбензиламином смолы. Наряду с непрореагировавшим бензилхлоридом продукт содержит бензиловый спирт в качестве побочной функциональной группы.
2.2. Получение 3-(метилтио)пропаналя в периодическом режиме
Аналогично примеру 1 0,5 г диэтиламинометилполистирола подвергают взаимодействию с акролеином и метилмеркаптаном. По истечении 2 ч степень превращения акролеина достигает более 99%, а выход продукта превышает 96%. На долю кубового остатка, образующегося при дистилляции сырого МТП, приходится 0,15%. В результате последующего превращения МТП в МТП-циангидрин его получают при степени превращения исходного МТП более 99% с чистотой более 95%.
Отфильтрованный катализатор можно непосредственно, без дополнительного набухания использовать в дальнейших экспериментах. Даже после десятикратного применения катализатор не утрачивает свою первоначальную активность.
2.3. Получение 3-(метилтио)пропаналя в непрерывном режиме
Аналогично примеру 1 4,4 г (около 4 ммоль) диэтиламинометилполистирола подвергают взаимодействию с акролеином и метилмеркаптаном. По данным анализа репрезентативного образца сырого МТП степень превращения акролеина превышает 99%, а чистота полученного МТП составляет примерно 94%, тогда как по данным анализа репрезентативного образца МТП-циангидрина степень превращения МТП после добавления синильной кислоты превышает 99%, а чистота полученного продукта составляет примерно 93%.
Пояснения к чертежам
(1) Подача акролеина
(2) Катализатор
(3) Теплообменник
(4) Циркуляционный насос
(5) Отбор МТП
(6) Подача метилмеркаптана
(7) Подача синильной кислоты
(8) Отбор МТП-циангидрина.