Способ получения хинолина реакцией Скраупа в присутствии иерархического цеолита H-ZSM-5mmm
METHOD OF PRODUCING QUINOLINE BY SKRAUP REACTION IN PRESENCE OF HIERARCHICAL ZEOLITE H-ZSM-5MMM

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности, к способу получения хинолина:
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,  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. Sci., 2012, 7, 5643-5676], экстрагентов [Collin G,  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,  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 H.G, Stadelhofer J.W, Industrial Aromatic Chemistry, 1988; Berlin].
Классические методы получения хинолинов основаны на конденсации анилина и его производных с карбонильными соединениями. К этим методам относятся реакции Дебнера-Миллера, Фридлендера, Пфитцингера, Конрада-Лимпаха, Комба [Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. Издательство Москва "Мир" 1996. - 464 с]. Указанные пути синтеза хинолинов характеризуются существенными недостатками: в качестве реагентов выступают альдегиды и кетоны, которые токсичны, склонны к полимеризации, что может служить причиной дезактивации катализатора; используются летучие органические растворители; сложная утилизация катализатора.
Одним из часто применяемых методов синтеза хинолина и его производных является реакция Скраупа, заключающаяся в конденсации анилина с глицерином в присутствии серной кислоты [Skraup Z.Н, Monatsh. Chem., 1880; 1: 316-318; Manske R. H. F. and M. Kukla. Org. React, 1953; 7: 59; Theoclitou M.E, Robinson L.A. Tetrahedron Letters, 2002; 43(21), 3907-3910; Panda K, Siddiqui I, Mahata P, Ila H, Junjappa H. Synlett, 2004; (3): 449-452]. В настоящее время интерес к этой реакции усилился в связи с тем, что используемый в реакции глицерин образуется в больших масштабах как побочный продукт при получении биодизельного топлива. Избыток глицерина препятствует дальнейшему развитию биодизельной промышленности, поэтому эффективное использование глицерина имеет большое значение [Katryniok В, Paul S. and Dumeignil F. ACS Catal, 2013; 3, 1819-1834]. Глицерин - дешевый, возобновляемый и экологически чистый продукт.
2
4
Реакция Скраупа может катализироваться гомогенными катализаторами. Так, например, в работе [Saggadi Н, Luart D, Thiebault N, Polaert I, Estel L, Len С RSC Advances, 2014; 4(41) 21456-21464] хинолин и его производные синтезировали из анилина или его замещенных и глицерина в присутствии гомогенного катализатора - HSO - при микроволновом излучении. Выход хинолина и его производных составляет 10-66% при температуре 200°С и мольном соотношении анилин (его производные) : глицерин : серная кислота = 1 : 3 : 3.
Авторы работы [Amarasekara A.S, Hasan М. A. Tetrahedron Letters, 2014; 55(22): 3319-3321] осуществляли синтез хинолинов по реакции Скраупа в присутствии Бренстедовских ионных жидкостей (ИЖ) в условиях микроволнового излучения. Выход хинолина составил 78% при мольном соотношении анилин : глицерин : ИЖ, равном 1 : 3 : 1.5 и времени реакции 100 с.
Использование гомогенных катализаторов в синтезе хинолинов нерационально, так как приводит к появлению большого количества отходов и сточных вод при обработке реакционной массы, образованию побочных продуктов, удаление которых затруднительно и неэкономично.
-1
Авторы работы [Campanati М, Vaccari A. and Piccolo О. Catalysis Today, 2000: 60 (3-4), 289-295] в качестве гетерогенного катализатора использовали кислую глину К10, а вместо глицерина применяли этиленгликоль. Взаимодействием анилина/алкиланилинов с этиленгликолем при 250-330°С синтезировали хинолин и алкилхинолины, при более низких температурах 225-250°С - индолы и алкилиндолы. Лучший выход 2-метил-8-этилхинолина (41%) получали при 330°С, мольном соотношении анилин : этиленгликоль = 1 : 2, объемной скорости подачи сырья 0.1 ч.
2
3
2
3
3
2
3
2
3
3
Известно [Reddy В.М, Ganesh I. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2000; 151(1-2), 289-293] получение хинолинов парофазным синтезом анилина с глицерином в присутствии смешанных оксидов ZnO - CrO, CuO - ZnO/AlO, NiO/MoO/AlO в присутствии воздуха при 350-450°С. Выход хинолина составил 65% в следующих условиях реакции: 425°С; мольное соотношение анилин : глицерин = 1 : 2; 5 см катализатора CuO - ZnO/AlO, скорость подачи сырья 3 мл/ч.
-1
В работе [Li A, Huang С, Luo C-W, Yi W.-J, Chao Z.-S. RSC Advances, 2017; 7(16): 9551-9561] синтез хинолинов по Скраупу осуществлен конденсацией анилина с глицерином в присутствии цеолитного катализатора Ni/Beta-At. Выход хинолинов при оптимальных условиях реакции (1 г катализатора, скорость подачи анилина 0.13 ч, 470°С, мольное соотношение анилин : глицерин = 1 : 4, 20%-ный раствор глицерина в воде, время работы катализатора - 2 ч) составил 71%. Данный метод синтеза хинолинов характеризуется следующими недостатками: низкая скорость подачи анилина, длительный многостадийный процесс приготовления катализатора Ni/Beta-At (щелочная постобработка образца цеолита H-Beta с последующей модификацией металлом).
-1
2
2
В работе [Cui Y, Zhou X, Sun Q, Shi L. Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2013; 378: 238-245] при взаимодействии анилина с глицерином при 220°С, объемной скорости подачи анилина 0.4 ч и мольном соотношении анилин : глицерин = 3 : 1 в присутствии цеолитного катализатора Cu/HZSM-5 получали 3-метилиндол с выходом 18%, в присутствии катализатора Cu/NaY выход 3-метилиндола составил 40%, а в присутствии катализатора Cu/NaY-NaO выход 3-метилиндола составил 50%. Хинолины в указанных условиях и в присутствии цеолитных катализаторов Cu/HZSM-5, Cu/NaY, Cu/NaY-NaO не образуются.
Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного гетерогенно-каталитического способа синтеза хинолина реакцией анилина с дешевым и экологически чистым глицерином.
-1
Решение этой задачи достигается тем, что синтез хинолина осуществляют взаимодействием анилина с глицерином в присутствии гранулированного цеолита ZSM-5 в Н-форме высокой степени кристалличности, имеющего микро-мезо-макропористую структуру (H-ZSM-5mmm). Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-ZSM-5mmm при 400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0.1-1.0 ч, мольном соотношении анилин : глицерин, равном 1 : 1-3, используя 10-30%-ный раствор глицерина в воде.
Основным продуктом реакции анилина с глицерином в присутствии цеолитного катализатора H-ZSM-5mmm является хинолин:
Кроме хинолина, в реакционной массе идентифицированы метилхинолины (2- и 4-изомеры) в количестве 4-8% и продукты трансформации акролеина - промежуточного продукта, образующегося при дегидратации глицерина.
Цеолит H-ZSM-5mmm 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 ZSM-5 и мезопористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов. Существенным преимуществом цеолита H-ZSM-5mmm перед высокодисперсными цеолитами является то, что он синтезируется в гранулах. Гранулированный катализатор обладает лучшими физическими свойствами: не пылит, не слеживается, легко рассеивается и легко отделяется от реакционной массы фильтрованием (в отличие от высокодисперсного, который быстро забивает фильтр или проходит через полотно фильтра).
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-ZSM-5mmm на 100% состоят из цеолита H-ZSM-5, в них отсутствует связующее вещество.
+
+
Цеолит H-ZSM-5mmm имеет комбинированную микро-мезо-макропористую кристаллическую структуру, которая высокостабильна и не разрушается в процессе ионного обмена катионов Na на H.
Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известным:
1. Катализатор цеолит H-ZSM-5mmm используется в виде гранул, в то время как в известных способах используют высокодисперсные цеолиты Ni/Beta-At, Cu/HZSM-5, Cu/NaY. Применение гранулированного катализатора гораздо технологичнее, чем высокодисперсного.
2
2. В известном способе реакцией анилина с глицерином в присутствии цеолитных катализаторов Cu/H-ZSM-5, Cu/Na-Y, Cu/Na-Y-NaO получали 3-метилиндол с выходом 18-50%. Хинолины в указанных условиях не образуются. Катализатор H-ZSM-5mmm позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина, селективно синтезировать хинолин.
3. Синтез хинолина в присутствии цеолита H-ZSM-5mmm проходит при более низкой температуре и более высокой объемной скорости подачи сырья, чем на цеолите Ni/Beta-At.
4. Катализатор проявляет высокую активность даже через 6 ч работы (см. рис. ).
2
2
3
2
2
3
2
2
Гранулированный цеолитный катализатор H-ZSM-5mmm синтезируют следующим образом. Смешивают порошкообразный цеолит ZSM-5 и предварительно полученный аморфный алюмосиликат с мольным соотношением SiO/AlO=30, увлажняют полученную смесь водой, формуют гранулы, затем их сушат и прокаливают в атмосфере воздуха. Полученные гранулы помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную кристаллизацию из реакционных смесей состава (3,0-4,0)NaO⋅(0,5-2,3)R⋅AlO⋅(60-90)SiO⋅(450-900)НО, где R - органический темплат, при 115±5°С в течение 48-72 часов.
Полученные в результате гидротермальной кристаллизации цеолитные гранулы Na-ZSM-5mmm дважды промывают водой, сушат и прокаливают при 550-600°С в течение 3-4 часов. Затем гранулы подвергают ионному обмену и последующему прокаливанию с использованием стандартных методик.
-1
Реакцию анилина с глицерином проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора H-ZSM-5mmm при 400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0.1-1.0 ч, мольном соотношении анилин : глицерин = 1 : 1-3, в инертной атмосфере азота. Глицерин подают в реактор в виде 10-30%-ного раствора в воде.
Продукты реакции, собранные в охлаждаемый льдом приемник, экстрагируют хлористым метиленом и анализируют с помощью газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Хроматографический анализ продуктов реакции выполняют на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (стеклянная капиллярная колонка длиной 25 м, фаза SE-30, температура анализа 50-280°С с программированным нагревом со скоростью 8°С/мин, температура детектора 250°С, температура испарителя 300°С). Масс-спектры получают на хромато-масс-спектрометре SHIMADZU GCMS-QP2010Plus (капиллярная колонка SPB-5 30 м × 0,25 мм, газ-носитель - гелий, температура программирования от 40 до 300°С со скоростью подъема 8°С/мин, температура испарения 280°С, температура ионного источника 200°С, энергия ионизации 70 эВ).
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
ПРИМЕР 1. Синтез цеолитного катализатора H-ZSM-5mmm.
2
2
2
3
Для получения аморфного алюмосиликата смешивают 131,3 г силиката натрия (77% масс.SiO, 23% масс. NaO) и 26,8 г раствора сернокислого алюминия (7% масс. AlO), полученную суспензию выдерживают при 30°С в течение 24 ч, затем полученный осадок отделяют от раствора, дважды промывают водой и сушат при 120°С в течение 5 ч.
Для получения гранул смешивают следующие компоненты, % мас:
- порошкообразный цеолит ZSM-5
60
- аморфный алюмосиликат
40
2
2
3
2
2
Смесь при необходимости увлажняют водой для обеспечения возможности экструдирования. Полученную смесь экструдируют с получением гранул. Гранулы сушат, прокаливают при температуре 550°С в течение 4 часов в атмосфере воздуха. Далее гранулы кристаллизуют при температуре 115±5°С в течение 48 часов из реакционной смеси, состав которой отвечал формуле: 3,4NaO⋅2,3 R⋅AlO⋅80SiO⋅750НО, где R - органический темплат, которым является н-бутанол.
По окончании кристаллизации гранулы выгружают из кристаллизатора, отмывают, высушивают при 100°С в течение 16 ч и прокаливают при 550°С в течение 4 ч. Получают цеолит ZSM-5mmm в виде формованных частиц без связующего, который затем переводят в протонную форму путем стандартной процедуры трехкратного ионного обмена в 0,1 М растворе нитрата аммония с последующими отмывкой, высушиванием и прокаливанием.
2
3
3
Полученный материал обладает степенью кристалличности 100% отн., удельной поверхностью 333 м/г, объемом микропор 0,13 см/г, объемом мезопор 0,17 см/г.
-1
ПРИМЕР 2. Сырье (смесь анилина и 20%-ного водного раствора глицерина в мольном соотношении анилин : глицерин = 1 : 3) подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора H-ZSM-5mmm (1 г) с помощью шприцевого микро-насоса при 400°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.2 ч, 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, после чего сушат и анализируют методом газожидкостной хроматографии.
Конверсия анилина составляет 87%. Селективность образования хинолина составляет 90%, метилхинолинов - 5%, «других» соединений - 5%.
ПРИМЕРЫ 3-8. Аналогично примеру 2. Условия и результаты примеров представлены в таблице.
Температура реакции 400°С