СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 2', 4, 4'-ТРИНИТРОБЕНЗАНИЛИДА
METHOD OF PRODUCING 21,4,41 -TRINITROBENZANILIDE

Настоящее изобретение относится к области органической химии и касается способа получения 2′,4,4′-тринитробензанилида - полупродукта синтеза 5(6)-амино-2-(4-аминофенил)бензимидазола, используемого в качестве мономера в производстве термостойких и высокопрочных волокон.
Известен способ получения 2′,4,4′-тринитробензанилида (в дальнейшем ТНБА) ацилированием 2,4-динитроанилина 4-нитробензойной кислотой в присутствии активатора - полихлорциклофосфазена и катализатора - N-окисей пиридина или β- и γ-пиколина в среде хлорбензола с последующим выделением целевого продукта путем отгонки хлорбензола с водяным паром (а.с. СССР 1025093, С07С 233/66, опубл. 20.02.1999). Недостатком способа является использование труднодоступных активатора и катализаторов.
Известен способ получения ТНБА нитрованием N-(4′-нитробензоил)анилина азотной кислотой в среде концентрированной серной кислоты (патент США 4109093, НКИ США 548/310.7, опубл. 22.08.1978). Основной недостаток данного способа - большое количество отходов - смеси концентрированной серной и азотной кислот, загрязненных примесями органических веществ.
3
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа получения ТНБА (прототип) является способ, основанный на ацилировании 2,4-динитроанилина 4-нитро-бензоилхлоридом в среде растворителя из ряда хлорбензол, параксилол, техническая смесь ксилолов, толуол или этилбензол при нагревании в присутствии хлорного железа (FeCl) в качестве катализатора с выделением ТНБА из реакционной массы кристаллизацией, фильтрацией образующейся суспензии и последующей нейтрализацией водным аммиаком (патент РФ 2283307, С07D 235/18, опубл. 10.09.2006).
Недостатками данного способа являются:
1. Низкая растворимость хлорного железа в реакционной массе в начальный период синтеза, приводящая к наличию индукционного периода, а затем к слишком бурному протеканию процесса с выделением хлорида водорода, что осложняет его улавливание.
2. Образование большого количества отходов (органического растворителя, содержащего ароматические нитросоединения), загрязняющих окружающую среду. При этом растворенные в маточнике реагенты и продукт (ТНБА) теряются.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения ТНБА, лишенного недостатков, присущих прототипу.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения ТНБА ацилированием 2,4-динитроанилина (ДНА) 4-нитробензоилхлоридом (ПНБХ) с использованием хлорного железа в качестве катализатора при нагревании в среде органического растворителя в присутствии ангидрида 4-нитробензойной кислоты с выделением ТНБА кристаллизацией, фильтрацией и последующей нейтрализацией аммиаком в водной суспензии, причем реакционный маточник, образующийся после кристаллизации и фильтрации ТНБА, возвращают в рецикл на следующую операцию ацилирования.
Предлагаемый способ отличается тем, что процесс ацилирования ведут в присутствии ангидрида 4-нитробензойной кислоты и реакционный маточник, образующийся после кристаллизации и фильтрации ТНБА, возвращают в рецикл на следующую операцию ацилирования.
Рецикл может быть осуществлен неограниченное число раз, при этом весь маточник или часть его могут быть возвращены в рецикл без какой-либо обработки. При необходимости маточник может быть очищен обработкой адсорбентом, например активированным углем.
В качестве органического растворителя при осуществлении предлагаемого процесса получения ТНБА могут быть использованы растворители, образующие с водой азеотроп: хлорбензол, п-ксилол, о-ксилол, техническая смесь ксилолов, этилбензол или толуол.
Для предотвращения накопления в реакционной массе избыточного количества растворителя, который поступает с рециркулируемым маточником, с раствором ПНБХ в соответствующем растворителе или с раствором, суспензией или пастой ДНА, в процессе реакции ведут отгонку части растворителя непосредственно из реактора ацилирования, совмещая процессы ацилирования и отгонки растворителя во времени. В результате отпадает необходимость использования для отгонки растворителя дополнительного оборудования.
Реакция ацилирования 2,4-динитроанилина (ДНА) 4-нитробензоилхлоридом (ПНБХ) в присутствии хлорного железа в среде органического растворителя начинает протекать с заметной скоростью уже при температуре 80-90°С и при 100-120°С процесс ацилирования в начальный период идет очень интенсивно с выделением хлористого водорода, что затрудняет процесс его улавливания. Для предотвращения слишком интенсивного выделения хлорида водорода и выброса реакционной массы процесс ведут в присутствии ангидрида 4-нитробензойной кислоты.
Ангидрид 4-нитробензойной кислоты (в дальнейшем НБА) образует с хлорным железом донорно-акцепторный комплекс с высоким значением константы устойчивости.
Комплекс
Константа устойчивости, дм<sup>3</sup>/моль
ПНБХ·FeCl<sub>3</sub>
3,6
4-НБК·FeCl<sub>3</sub>
45,5
НБА·FeCl<sub>3</sub>
200,0
Это, с одной стороны, повышает растворимость хлорного железа в реакционной массе и, с другой стороны, обеспечивает гладкое, равномерное протекание реакции.
ДНА может быть введен в процесс в виде сухого вещества или в виде пасты с соответствующим растворителем, в котором проводится ацилирование, или в виде водной пасты. В последнем случае перед добавлением маточника и ПНБХ необходимо провести обезвоживание ДНА. Обезвоживание ведут азеотропной отгонкой воды с растворителем.
ПНБХ может быть введен в процесс в виде твердого вещества или в виде раствора в соответствующем растворителе, в котором ведут ацилирование.
3
3
2
Хлорное железо может быть введено в процесс в виде сухого безводного хлорного железа FeCl путем загрузки его непосредственно в реактор ацилирования или путем добавления его к раствору ПНБХ. Хлорное железо может быть введено в процесс также в виде кристаллогидрата FeCl·6НО или в виде водного раствора путем добавления его к ДНА с последующим обезвоживанием азеотропной отгонкой с растворителем.
Ангидрид 4-нитробензойной кислоты (НБА) может быть введен в виде порошка или может быть получен и введен в процесс ацилирования путем нагрева раствора ПНБХ в органическом растворителе, используемом в процессе. При этом НБА образуется в результате взаимодействия 4-нитробензоилхлорида с 4-нитробензойной кислотой, присутствующей в нем в качестве примеси, обычно в качестве 0,2-1,0 мас.%.
В последующие операции ацилирования НБА может быть введен с рециркулируемым маточником, в котором он хорошо растворим.
Осуществление процесса по предлагаемому способу обеспечивает более гладкое, равномерное протекание процесса ацилирования, что предотвращает слишком интенсивное выделение хлорида водорода в начальный период реакции, сопряженное с возможным выбросом реакционной массы, упрощает организацию процесса улавливания хлорида водорода. Предлагаемый способ обеспечивает также значительное сокращение количества отходов производства, снижение расхода сырья, повышение выхода ТНБА.
Изобретение иллюстрируется нижеследующими примерами.
Пример 1.
3
В трехгорлую колбу емкостью 2 дм, снабженную мешалкой, обратным холодильником, подключенным к системе улавливания хлорида водорода, и термометром, загружают 139,7 г 2,4-динитроанилина (ДНА), 162,0 г 4-нитробензоилхлорида (ПНБХ) в виде твердых чашуек, 0,68 г безводного хлорного железа, 1,0 г ангидрида 4-нитро-бензойной кислоты (НБА) и 530 г хлорбензола.
Реакционную массу нагревают при перемешивании. При температуре 80°С начинается равномерное выделение хлорида водорода. Массу нагревают до 133-135°С и выдерживают в режиме кипения в течение 2 часов. К этому времени выделение хлорида водорода завершается.
Далее реакционную массу охлаждают до 5-10°С, образовавшуюся суспензию фильтруют на воронке Бюхнера, осадок ТНБА на фильтре промывают 230 г хлорбензола. Основной и промывной фильтраты объединяют и используют в следующей операции ацилирования.
Из пасты ТНБА с водяным паром отгоняют хлорбензол, суспензию охлаждают до 40-70°С и нейтрализуют 0,25%-ным раствором аммиака до рН 8. Водную суспензию ТНБА фильтруют, промывают водой для удаления аммонийной соли НБК. Получают 247,2 г ТНБА (97,5% от теоретического). Температура плавления 195°С, содержание, %: ДНА 0,10; НБК 0,06; рН водной вытяжки 7,0.
Пример 2.
3
В трехгорлую колбу емкостью 2 дм, снабженную мешалкой, обратным холодильником, подключенным к системе улавливания хлорида водорода, и термометром, загружают 687 г раствора 4-нитробензоилхлорида (ПНБХ) в хлорбензоле, содержащего 163 г ПНБХ, 0,5% 4-нитробензойной кислоты (НБК) и 524 г хлорбензола. Раствор перемешивают при кипении в течение 2 часов. Конверсия НБК в ангидрид 4-нитробензойной кислоты (НБА) составляет 64%, количество образовавшегося НБА 0,987 г. Далее в колбу загружают 139,7 г 2,4-динитроанилина (ДНА) и 0,68 г безводного хлорного железа.
Реакционную массу нагревают при перемешивании. При температуре 85°С начинается равномерное выделение хлорида водорода. Массу нагревают до 134-135°С и дают при этой температуре в режиме кипения выдержку в течение 2-х часов до завершения выделения хлорида водорода.
3
Далее колбу охлаждают водой, а затем в холодильнике до температуры 5-10°С и образовавшуюся суспензию фильтруют на воронке Бюхнера с отсасыванием с помощью вакуума. Осадок ТНБА промывают 230 г хлорбензола. Основной и промывной фильтраты объединяют. Получают 740 г хлорбензольного маточника, содержащего, г: ДНА 0,48; ПНБХ 13,4; ТНБА 6,63; НБК 2,60; FeCl 0,34 и НБА 2,62.
Из пасты ТНБА с водяным паром отгоняют хлорбензол, суспензию охлаждают до 30-70°С и нейтрализуют 0,25%-ным раствором аммиака до рН 8. Водную суспензию ТНБА отфильтровывают, промывают водой для удаления аммонийной соли НБК. Получают 246,5 г ТНБА (97,2% от теоретического). Температура плавления 195°С, содержание, %: ДНА 0,12; НБК 0,05; рН водной вытяжки 7,0.
Пример 3.
3
3
3
В колбу, описанную в примере 2, загружают 730 г маточника, полученного в примере 2, 139,2 г ДНА, 149,77 г ПНБХ и 0,48 г FeCl. Количество НБА, введенного с маточником, составляет 2,58 г. Реакционную массу нагревают при перемешивании до 132°С (кипение реакционной массы) и выдерживают в течение 2 часов. В процессе выдержки отгоняют 80 см хлорбензола, используя прямой холодильник и совмещая процессы отгонки растворителя и ацилирования. При этом температура в реакционной массе повышается до 134-135°С. Далее реакционную массу обрабатывают, как описано в примерах 1 и 2. Получают 866 г хлорбензольного маточника, содержащего, г: ДНА 0,52; ПНБХ 14,40; ТНБА 7,96; НБК 2,34; FeCl 0,41; НБА 2,72. Этот маточник используют в следующей операции рецикла (синтеза ТНБА). Хлорбензольную пасту ТНБА помещают в 1200 мл воды и отгоняют хлорбензол в виде азеотропа с водой. ТНБА в водной суспензии нейтрализуют 0,25%-ным водным раствором аммиака при температуре 50-70°С, доводя реакцию среды до устойчивого значения рН 8. Нейтрализованную суспензию ТНБА фильтруют и промывают водой. Выход ТНБА 250,8 г (99,0% от теоретического). Температура плавления 194°С; содержание, %: ДНА 0,2; НБК 0,1; рН водной вытяжки 6,8.
Пример 4.
3
3
3
В трехгорлую колбу емкостью 2 дм, снабженную мешалкой, термометром, трехрогой насадкой с капельной воронкой, дефлегматором с прямым холодильником и приемником, загружают 154,4 г влажной пасты ДНА, содержащей 139,15 г основного вещества, 1 г водного раствора FeCl, содержащего 0,48 г хлорного железа и 330 г хлорбензола. Содержимое колбы нагревают при перемешивании и отгоняют воду в виде азеотропа до начала отгонки безводного хлорбензола. Затем смесь ДНА с хлорбензолом в колбе охлаждают до 70°С при перемешивании, в трехгорлую насадку устанавливают обратный холодильник, загружают 840 г хлорбензольного маточника, полученного в примере 3 и содержащего 0,5 г ДНА, 14,0 г ПНБХ, 7,7 г ТНБА, 2,3 г НБК, 0,4 г FeCl и 2,64 г НБА.
Реакционную массу постепенно нагревают при перемешивании в течение 1 часа до кипения (132°С). Затем обратный холодильник убирают и при кипении реакционной массы и перемешивании из капельной воронки в течение 1,5 часов прибавляют 331 г 45%-ного раствора ПНБХ в хлорбензоле, содержащего 148,9 г ПНБХ.
3
В процессе прибавления раствора ПНБХ через дефлегматор и прямой холодильник отгоняют 630 г хлорбензола. Далее реакционную массу обрабатывают, как в примерах 1 и 2. Получают 744 г хлорбензольного маточника, содержащего, г: ДНА 0,6; ПНБХ 12,1; ТНБА 9,6; НБК 1,4; FeCl 0,39 и НБА 2,4. Этот маточник направляют на следующую операцию рецикла (синтеза ТНБА). Хлорбензольную пасту ТНБА помещают в 1200 мл воды, отгоняют хлорбензол и нейтрализуют 0,25%-ным водным аммиаком. После фильтрации водной суспензии и промывки водой получают 249,9 г ТНБА (98,5% от теоретического). Температура плавления 194°С; содержание, мас.%: ДНА 0,2; НБК 0,05; рН водной вытяжки 6,9.
Пример 5.
3
680 г маточника, выделенного в примере 4, обрабатывают перед вводом в синтез ТНБА активированным углем ОУ-Б. Для этого в трехгорлую колбу емкостью 1 дм, снабженную мешалкой, прямым холодильником и термометром, загружают 140 г водной пасты активированного угля ОУ-Б, содержащей 75 г угля в пересчете на 100%-ный, добавляют 280 г хлорбензола и отгоняют 65 мл воды в виде азеотропа с хлорбензолом до достижения температуры в парах 131°С. Далее в колбу вносят 680 г маточника, полученного после синтеза ТНБА в примере 4. Массу нагревают при перемешивании до 80°С, выдерживают в течение 0,5 часа, охлаждают до комнатной температуры, далее маточник отфильтровывают от угля на воронке Бюхнера с отсасыванием.
3
Получают 730 г хлорбензольного маточника, содержащего, г: ДНА 0,52; ПНБХ 11,3; ТНБА 4,7; НБК 1,5; FeCl 0,29 и НБА 2,1. Этот маточник направляют в следующую операцию рецикла. В реакционную колбу, как в примерах 1 и 2, загружают 703 г очищенного маточника, содержащего 0,50 г ДНА, 10,7 г ПНБХ, 4,5 г ТНБА, 1,4 г НБК и 2,0 г НБА. Добавляют 139,1 г ДНА, 151,9 г ПНБХ и 0,5 г хлорного железа. Ацилирование ведут, как описано в примерах 1-3. В ходе выдержки при кипении отгоняют 200 г хлорбензола. ТНБА выделяют и нейтрализуют в водной суспензии 0,25%-ным водным аммиаком при 50-70°С до устойчивого значения рН 8. После фильтрации и промывки водой получают 248,8 г ТНБА (98,2% от теоретического). Температура плавления 194°С; содержание, мас.%: ДНА 0,12; НБК 0,01; рН водной вытяжки 6,8.
Хлорбензольный маточник в количестве 720 г, содержащий, г: ДНА 1,1; ПНБХ 19,8; НБК 2,2; ТНБА 7,8; НБА 3,1, используют в следующей операции синтеза ТНБА.
Пример 6.
3
Процесс проводят с загрузками, аналогично примеру 1, но в качестве растворителя используют толуол, а НБА вводят непосредственно в синтез на стадии ацилирования. Максимальная температура реакции 112°С. Получают 245,5 г ТНБА (96,9% от теоретического). Т пл. 196°С, содержание ДНА 0,3 мас.%; НБК отс. и 570 г толуольного маточника, содержащего 0,49 г ДНА; 13,1 г ПНБХ; 7,0 г ТНБА; 1,4 г НБК; 0,32 г FeCl и 2,1 г НБА.
Пример 7.
Синтез ТНБА проводят в условиях примера 6, используя 560 г толуольного маточника из примера 6. В процессе синтеза отгоняют 80 г толуола. Получают 248,8 г ТНБА (98,2% от теоретического). Тпл. 196°С, содержание ДНА 0,25 мас.%; НБК 0,25 мас.%; рН водной вытяжки 6,9.
Пример 8.
3
Процесс проводят с загрузками, аналогично примеру 2, но в качестве растворителя используют п-ксилол. Максимальная температура на стадиях синтеза НБА и ацилирования 139°С. Получают 251 г ТНБА (99,1% от теоретического). Т пл. 195°С, содержание ДНА 0,1 мас.%; НБК отс.; рН водной вытяжки 6,8 и 565 г п-ксилольного маточника, содержащего 0,45 г ДНА; 11,9 г ПНБХ; 7,8 г ТНБА; 1,8 г НБК; 0,40 г FeCl и 2,3 г НБА.
Пример 9.
Синтез ТНБА проводят в условиях примера 8, используя 550 г п-ксилольного маточника из примера 8. Получают 251 г ТНБА (99,1% от теоретического). Т пл. 194°С; содержание ДНА 0,18 мас.%; НБК отс.; рН водной вытяжки 6,9.
Пример 10.
3
Процесс проводят с загрузками аналогично примеру 2, но качестве растворителя используют о-ксилол. Максимальная температура на стадиях синтеза НБА и ацилирования 144°С. Получают 244 г ТНБА (96,3% от теоретического). Т пл. 194°С, содержание ДНА 0,32 мас.%; НБК 0,1 мас.%; рН водной вытяжки 6,8 и 574 г о-ксилольного маточника, содержащнго 0,49 г ДНА; 12,2 г ПНБХ; 7,5 г ТНБА; 1,5 г НБК; 0,37 г FeCl и 2,5 г НБА.
Пример 11.
Синтез ТНБА проводят в условиях примера 10, используя 565 г о-ксилольного маточника из примера 10. Получают 250,4 г ТНБА (98,8% от теоретического). Т пл. 194°С; содержание ДНА 0,19 мас.%; НБК отс.; рН водной вытяжки 6,9.
Пример 12.
3
Процесс проводят с загрузками, аналогично примеру 2, но в качестве растворителя используют техническую смесь ксилолов. Максимальная температура на стадии синтеза НБА и ацилирования 142°С. Получают 242,7 г ТНБА (95,8% от теоретического). Т пл. 194°С; содержание ДНА 0,17 мас.%; НБК 0,03 мас.%; рН водной вытяжки 7,0 и 540 г ксилольного маточника, содержащего 0,48 г ДНА; 12,0 г ПНБХ; 8,4 г ТНБА; 1,59 г НБК; 0,41 г FeCl и 2,2 г НБА.
Пример 13.
Синтез ТНБА проводят в условиях примера 12, используя 530 г ксилольного маточника из примера 12. Получают 249 г ТНБА (98,3% от теоретического). Т. пл. 194°С; содержание ДНА 0,11 мас.%; НБК 0,02 мас.%; рН водной вытяжки 6,8.
Пример 14.
3
Процесс проводят с загрузками аналогично примеру 2, но в качестве растворителя используют этилбензол. Максимальная температура на стадиях синтеза НБА и ацилирования 137°С. Получают 242,7 г ТНБА (95,8% от теоретического). Т пл. 195°С; содержание ДНА 0,10 мас.%; НБК 0,01 мас.%; рН водной вытяжки 6,7 и 554 г этилбензольного маточника, содержащего 0,44 г ДНА; 12,9 г ПНБХ; 7,6 г ТНБА; 1,52 г НБК; 0,35 г FeCl и 2,6 г НБА.
Пример 15.
Синтез ТНБА проводят в условиях примера 14, используя 545 г этилбензольного маточника из примера 14. Получают 250,3 г ТНБА (98,8% от теоретического). Т пл. 195°С; содержание ДНА 0,14 мас.%; НБК 0,02 мас.%; рН водной вытяжки 6,8.