Способ и установка для изготовления диацетонитрила
METHOD AND INSTALLATION FOR THE MANUFACTURE OF DIACETONITRILE

Группа изобретений относится к области химической промышленности, а именно к области химической технологии с использованием ультразвуковой активации, и может быть использована для производства диацетонитрила на предложенном устройстве.
Диацетонитрил является незаменимым базовым реагентом в синтезе аминопиразолов, аминопиримидинов, аминопиридинов и других, широко применяемых в синтезе субстанций фармацевтических препаратов, в том числе кардиотоников. Также диацетонитрил используется для синтеза полимеров, конденсированных гетероцикличных систем, красителей, агро- и ветеринарных препаратов.
Известно, что общим методом синтеза диацетонитрила является его димеризация.
Известен способ синтеза диацетонитрила (WO2006092032A2 публ. 2006-09-08) путем димеризации двух молекул ацетонитрила при кипячении в среде суспензии расплава натрия в абсолютном бензоле с образованием натриевой соли диацетонитрила, с последующим гидролизом водой и экстракцией дихлорметаном с выходом конечного продукта 20%.
Недостатками способа являются использование токсичного и огнеопасного бензола, взрывоопасного и огнеопасного натрия и низкий выход целевого продукта.
Известен способ синтеза диацетонитрила путем димеризации двух молекул ацетонитрила при нагревании в среде суспензии расплава натрия в абсолютном толуоле или ксилоле (EP0101836 A1 публ. 07.03.1984). Ацетонитрил и расплавленный натрий взаимодействуют при температуре 96-140°C и под давлением от 1 до 10 бар, в присутствии органического растворителя, инертного по отношению к натрию, с образованием натриевой соли диацетонитрила, после чего после гидролиза водой и разделения водной фазы и фазы растворителя высоко-чистый диацетонитрил   кристаллизуется в холодной воде при температуре примерно от -4 до 0°C. Содержание диацетонитрила в готовом продукте превышает 99,5%
Недостатком способа является использование огнеопасных толуола или ксилола, взрывоопасного и огнеопасного натрия и использование избыточного давления.
Известен способ синтеза диацетонитрила путем димеризации двух молекул ацетонитрила при использовании системы натрий – нафталин в сухом этиленгликоле при комнатной температуре (US2307643A публ. 1943-01-05).
Недостатком способа является использование взрывоопасного и огнеопасного натрия и сложность разделения и очистки целевого диацетонитрила от нафталина.
3
Этот недостаток отсутствует в способе синтеза диацетонитрила, опубликованном в открытой печати (Katsuyoshi Shibata, Katsuyoshi Urano, and Masaki Matsui. A Convenient Synthesis of 3-Cyano-2-methylpyridines under Ultrasonic Irradiation. Bull. Chem. Soc. Japan, V.61, Iss. 6, pp. 2199-2200, 1988.) и выбранном в качестве прототипа. Способ включает  облучение на водяной бане в течение 15 минут при комнатной температуре с помощью ультразвукового лабораторного очистителя Branson (45 кГц, 100 Вт) смеси сухой суспензии ацетонитрила в количестве 50 см  и 100 мг β-бутоксида калия.
Недостатком способа является то, что он осуществлен в лабораторных условиях и является частью синтеза 3-циано-2-метилпиридинов, поэтому в способе прототипе не указана возможность выделения и сохранения диацетонитрила, как целевого продукта, не описана установка для проведения синтеза.
Известно, что для осуществления химических реакций можно использовать три типа химических реакторов с ультразвуковой активацией, а именно: классический химический реактор, реактор типа stopflow и проточный химический реактор.
Классический ультразвуковой химический реактор (WO2013147636 A1, публ. 03.10.2013) относится к области одновременной кавитационной обработки жидких сред различного состава. Режим акустической кавитации формируется за счет двойного резонансного эффекта в системе непрерывных механических колебательных каналов с прямоугольным поперечным сечением конечной длины, причем акустические колебания генерируются синфазно на противоположных сторонах.
Основным недостатком этого типа реактора является сложность выгрузки конечного продукта и невозможность использования полного объема реактора, поскольку процесс нейтрализации придется проводить в нем же, а это требует введения большого объема разбавленной соляной кислоты.
Реактор типа stopflow (US6656436 B1, публ. 02.12.2003) относится к системе преобразования химических структур. Содержит резервуар реактора, имеющий нижнюю зону, где поддерживается высокая степень растворимости при первичных условиях давления и температуры.
Недостатком является размещение ультразвуковых излучателей у боковых стенок реактора, что создает мертвую зону для облучения в центре реактора и замедляет процесс массопереноса в реакционной смеси.
Проточный химический реактор (US5384508 A, публ. 24.01.1995) представляет собой модульный реакторный блок для непрерывной ультразвуковой обработки веществ и/или реагентов, отличающийся наличием трубчатого металлического корпуса, имеющего цилиндрическую внутреннюю поверхность и прямую круглую поперечную секцию, открытую на концах подачи и выпуска. Поверхность указанной трубчатой детали металлического корпуса имеет в области узловой зоны выступающую в радиальном направлении манжетку, коаксиальную упомянутой трубке. На периферии муфты радиально располагается ультразвуковой преобразователь, при этом частота преобразователя равна частоте вибрации кольца и частоте продольной вибрации упомянутого трубчатого металлического тела.
Использование проточного реактора предполагает многократную циркуляцию реакционной смеси вокруг излучателя (источника ультразвука). Подобная система чрезвычайно удобна для реакций, которые осуществляются в одной жидкой фазе, но крайне неудобны для реакций, осуществляющихся гетерофазно.
Задачей, на решение которой направлены предлагаемые технические решения является создание устройства и способа, позволяющих осуществлять синтез диацетонитрила в промышленных условиях без использования легковоспламеняющихся жидкостей, высоких температур и агрессивных сред.
Технический результат заключается в возможности воспроизведения заявленного синтеза диацетонитрила чистотой 88% и устройства для его осуществления в промышленном масштабе без использования легковоспламеняющихся жидкостей, высоких температур и агрессивных сред.
Предлагаемое устройство для синтеза диацетонитрила состоит из цилиндрического реактора, выполненного из нержавеющей химически стойкой стали, оснащенного крышкой с патрубками для введения ультразвукового излучателя, реактивов, ректификации паров, отвода газов и датчика контроля температуры. Внешняя поверхность реактора оборудована рубашкой для подогрева реакционной смеси до нужной температуры эксплуатации за счет циркуляции теплоносителя. Кроме того, реактор содержит патрубок слива продуктов реакции в приемник, также оснащенный рубашкой для охлаждения продукта реакции за счет циркуляции хладагента, которая, как и рубашка реактора, соединена с теплообменником, выполненным на основе элемента Пельтье. Технические операции в реакторе, включая подачу исходных реагентов, перекачку продуктов реакции из реактора в приемник, циркуляцию теплоносителя и хладагента при помощи насосов, регулируются блоком управления.
Первое преимущество предлагаемого устройства и способа заключается в возможности осуществления синтеза диацетонитрила димеризацией двух молекул ацетонитрила во взрыво- и пожаробезопасных условиях в промышленных условиях. Второе преимущество состоит в значительном упрощении проведения синтеза диацетонитрила за счет использования предложенного реактора с ультразвуковой активацией, оснащенного всем необходимым для успешного протекания реакции. Третьим преимуществом является использование элемента Пельтье для контроля температуры реакционной смеси во время проведения реакции, и охлаждении продукта реакции в приемнике, что позволяет снизить энергозатраты и минимизировать загрязнение окружающей среды за счет многократного использования воды в качестве тепло- и хладо-носителя.
Изобретение поясняется следующими изображениями:
Фиг. 1. Функциональная схема устройства для синтеза диацетонитрила.
6
Фиг. 2 . ЯМР 1Н спектр сырого продукта диацетонитрила, полученный на ЯМР спектрометре AGILENT MR400+ в растворе DMSO D.
Устройство состоит из реактора 1, снабженного внешней рубашкой 2, сливного патрубка 3 для слива готового диацетонитрила в приемник 4, также снабженный внешней рубашкой 5. Ультразвуковой излучатель 6 размещен в центре реактора 1. Крышка реактора 1 снабжена фиксаторами 7, термодатчиком 8, пробоотборником 9, патрубком 10 для ввода реагентов. Внешняя рубашка 2 реактора 1 и внешняя рубашка 5 приемника 4 соединены с элементом Пельтье 11, содержащим термопасты 12, теплообменник нагрева 13, теплообменник охлаждения 14. Блок управления 15 связан с источником ультразвука 6, насосом 16 отвода метана, подачи реагентов и воздуха для перекачки готового продукта, насосом 17 циркуляции теплоносителя и насосом 18 циркуляции хладагента.
Способ на предложенном устройстве реализуют путем подачи через патрубок 10 для ввода в реактор 1 суспензии измельченного трет-бутоксида калия в сухом ацетонитриле в соотношении 200 г трет-бутоксида калия на 1 литр ацетонитрила и дальнейшего нагрева реакционной смеси до 60°С путем подачи теплоносителя в рубашку 2 реактора 1.  Перемешивание реакционной смеси и массоперенос в гетерогенной системе трет-бутоксид калия – ацетонитрил осуществляют за счет воздействия ультразвукового облучения на частоте 35 кГц ультразвуковым излучателем 6 мощностью 300 Вт. Образующийся в ходе реакции метан отводят через устройство 10. Окончание реакции определяют посредством взятия пробы при помощи пробоотборника 9 и контроля состава реакционной смеси методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) или ядерно-магнитного резонанса (ЯМР). После окончания реакции прореагировавшую реакционную смесь посредством подачи воздуха через патрубок 10 сливают из реактора 1 в приемник 4, где, после охлаждения до комнатной температуры с помощью внешней рубашки 5, производят её нейтрализацию 10% соляной кислотой до рН=2. При этом целевой диацетонитрил отделяется в виде светло-желтого масла, которое промывают холодной водой до нейтральной реакции и оставляют стоять на 10 часов под слоем холодной воды. Маслообразный сырой диацетонитрил достаточно быстро застывает, после чего его отделяют фильтрованием на нутч-фильтре.
Схема синтеза диацетонитрила из ацетонитрила по предлагаемому способу
Пример конкретного выполнения заявленного способа синтеза диацетонитрила.
В реактор 1 объемом 2 литра через патрубок 10  при помощи насоса 16 подают суспензию из 1,5 л ацетонитрила и 300 г измельченного трет-бутилата калия. Реактор 1 герметизируют с помощью фиксаторов 7, после чего температуру в реакторе поднимают до 60°С с помощью теплоносителя в рубашке 2, который подается насосом 17 от элемента Пельтье 11 и запускают непрерывную обработку ультразвуком на частоте 35 кГц реакционной смеси с использованием ультразвукового излучателя 6. Образующийся в ходе реакции метан отводят через патрубок 10. Через 2,5 ч установлено окончание реакции по результатам контроля состава реакционной смеси методом ЯМР в пробе, отобранной через пробоотборник 9 (Фиг.2).  После этого посредством подачи воздуха через патрубок 10 реакционную смесь сливают в приемник 4, где охлаждают до комнатной температуры с помощью хладагента, который подают в рубашку 5 насосом 18 от элемента Пельтье 11. Циркуляция теплоносителя во внешней рубашке 2 реактора 1 и хладагента во внешней рубашке 5 приемника 4, работа  ультразвукового излучателя 6, подача исходных ингридиентов и отвод побочного продукта реакции - метана, а также слив готового продукта диацетонитрила в приемник 4 регулируется блоком управления 15. В приемнике 4 после охлаждения реакционной смеси проводят её нейтрализацию 10% соляной кислотой до рН=2. Полученный диацетонитрил отделяется в виде светло-желтого масла, после чего его промывают холодной водой температурой 4-5°С до нейтральной реакции и оставляют стоять в приемнике под слоем холодной воды температурой 4-5°С в течение 10 часов. Выпавший осадок сырого диацетонитрила отфильтровывают на нутч-фильтре и получают 640 г целевого продукта чистотой 88%.  Выход конечного продукта 64%.
1
Полученный сырой продукт существует в виде смеси ен-амино- и имино-таутомеров и содержит в качестве минорного продукта тример ацетонитрила - 4-амино-2,6-диметилпиримидин в соотношении Ен-амин : Имин : Tример = 35:53:12 , что подтверждает ЯМР Н спектр на фиг.2. и схема, характеризующая содержание изомеров диацетонитрила и количества примесей в сыром продукте:
Как видно из приведенных в примере и на фигуре 2 сведений, использование предложенного устройства и способа, позволило достичь результата, заключающегося в получении технического диацетонитрила чистотой 88% в промышленных условиях без использования легковоспламеняющихся жидкостей, высоких температур и агрессивных сред.