СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕТ-БУТИЛГИПОХЛОРИТА
METHOD OF PRODUCING TERT-BUTYLHYPOCHLORITE

Изобретение относится к способу получения алкилгипогалогенитов, в частности к способу получения трет-бутилгипохлорита, являющегося эффективным окислителем и «мягким» хлорирующим агентом. Благодаря этим свойствам трет-бутилгипохлорит широко используется в качестве хлорирующего агента при производстве хлорбутилкаучуков, при получении эпоксидных соединений, преимущественно пропиленоксида, для свободно-радикального хлорирования углеводородов в «мягких» условиях, например толуола до бензилхлорида.
Известно несколько способов получения трет-бутилгипохлорита и других органических гипогалогенитов.
3
2
1
3
2
1
1
2
3
В известном способе (патент Франции №2625497, опубл. 7 июля 1989 г.) органические гипогалогениты, имеющие общую формулу RRRCOCl, получают реакцией третичного спирта (RRRCOH) с трихлорциануровой и/или дихлорциануровой кислотой и/или солями дихлорциануровой кислоты, где RR и R - алкильные радикалы, имеющие от 1 до 4 атомов углерода. Синтез трет-алкилгипохлорита проводят с использованием в качестве катализатора добавок пара-толуолсульфоновой кислоты или кислот Льюиса. Выход целевого продукта достигает 65%, а в случае проведения синтеза в среде диоксана, взятого по весу в 4-5 раз больше, чем исходного третичного спирта, выход трет-алкилгипохлорита составляет 70-95%. Кроме диоксана используют четыреххлористый углерод, хлороформ, ацетонитрил, воду. По окончании синтеза реакционную смесь подвергают фильтрованию для отделения выпавшей в осадок циануровой кислоты. Затем фильтрат перегоняют с целью выделения целевого продукта, например трет-бутилгипохлорита. В синтезе используют растворители, катализаторы, и возникает необходимость в стадиях фильтрования, перегонки с целью выделения целевого продукта.
В известном способе (патент Франции №2342267, опубл. 23 сентября 1977 г.) н- и трет-бутилгипогалогениты получают воздействием гипохлорита или гипобромита натрия на соответствующий бутиловый спирт в присутствии уксусной кислоты и органического растворителя (пентана), вводимого в реакционную зону для экстракции образующегося алкилгипогалогенита из водно-спиртовой смеси. Экстракт промывают водой и сушат над безводным хлористым кальцием. Выход трет-бутилгипохлорита составляет 73% от расчетного. К недостаткам известного способа можно отнести многокомпонентность реакционной смеси, многостадийность процесса и низкий выход целевого продукта.
В известном способе («Bull. Soc. Chim. France», 1963, №3, 470-472, РЖХим., 1963 г., 24Ж62) синтез трет-бутилгипохлорита и трет-бутилгипобромита проводят взаимодействием трет-бутилового спирта с соответствующим гипогалогенитом натрия в присутствии уксусной кислоты и значительного количества соли, хлорида натрия или бромида натрия соответственно. Присутствие соли обеспечивает выделение целевого продукта из реакционной смеси за счет высаливающего эффекта. При этом в отделяющемся от водно-солевого раствора органическом слое содержание трет-бутилгипохлорита составляет 90%, а выход целевого продукта (100%-ного) соответствует 70-80% от теоретически возможного. Трет-бутилгипогалогенит значительно загрязнен примесями, что вызывает необходимость в дополнительной очистке.
Известен способ («Синтезы органических препаратов», сб. №4, изд-во «Иностранная литература», М., 1953, с.114-116) получения трет-бутилгипохлорита прямым хлорированием трет-бутилового спирта в водном растворе щелочи, которое проводят при значительном избытке исходного гидроксида натрия (NaOH) по отношению к третичному бутиловому спирту. Температура синтеза 0-20°С, лучше 0-5°С. В качестве исходных щелочных растворов применяют разбавленные растворы, содержащие NaOH в количестве от 5,5 до 7,0 мас.%. Низкоконцентрированные щелочные растворы используют для обеспечения гомогенности щелоче-спиртовой смеси, подвергаемой затем хлорированию. По окончании хлорирования полученный трет-бутилгипохлорит (после отделения от водно-солевого слоя) промывают раствором соды, затем водой и сушат над безводным хлористым кальцием. Выход трет-бутилгипохлорита составляет от 72 до 99%. Если в технологический процесс получения трет-бутилгипохлорита включена стадия разгонки, то выход целевого продукта снижается, соответственно, и составляет 69-96%. Использование низкоконцентрированных щелочных растворов (5,5-7,0 мас.%) приводит к неэффективному использованию технологического оборудования, к низкому съему целевого продукта с единицы объема реактора; недостаточно высокое качество получаемого трет-бутилгипохлорита не позволяет применять данный продукт без проведения дополнительной очистки (разгонки).
В известном способе (Патент США №4342703, опубл. 03.08.1982) трет-алкилгипогалогениты, в том числе трет-бутилгипохлорит, получают взаимодействием гипохлорита натрия, трет-бутилового спирта в органическом растворителе и хлора. Реакцию проводят при температуре ниже 100°С, давлении 0-3,63 атм, мольном соотношении хлор: трет-бутиловый спирт (0,8-1,2:1). При этом получают трет-бутилгипохлорит с выходом 96,29% (в расчете на загруженный трет-бутиловый спирт) в виде раствора в органическом растворителе. Недостатками известного способа получения трет-бутилгипохлорита являются: недостаточно высокий выход целевого продукта; в процессе получения трет-бутилгипохлорита используют дополнительный органический растворитель и в результате получают целевой продукт не в чистом виде, а в форме раствора в применяемом растворителе, и его дальнейшее применение может быть затруднено без проведения дополнительной очистки; неэффективное использование технологического оборудования из-за применения в процессе получения трет-бутилгипохлорита исходных водно-щелочных растворов с невысоким (не выше 10 мас.%) содержанием в них гидроксида натрия.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение третбутилгипохорита с высоким выходом 97,5-99,5 мас.% в товарной форме непосредственно после стадии синтеза.
Авторы предлагают получать трет-бутилгипохлорит взаимодействием трет-бутилового спирта с хлором в щелочной среде. Подачу трет-бутилового спирта и хлора осуществляют в свежеприготовленный раствор гипохлорита натрия концентрацией 8,0-18,0 мас.% при величине рН раствора не ниже 10 единиц. В конце синтеза после прекращения дозирования трет-бутилового спирта хлор продолжают подавать в реакционную смесь до достижения рН 4,8-5,5 единиц. Подачу трет-бутилового спирта можно осуществлять также непосредственно во время получения раствора гипохлорита натрия хлорированием водного раствора гидроксида натрия. Исходный трет-бутиловый спирт может использоваться в виде водного раствора концентрацией 70-86 мас.%. Избыточный хлор, выделяющийся в конце синтеза трет-бутилгипохлорита, поглощают водно-щелочным раствором с образованием гипохлорита натрия, который возвращают в цикл для последующей операции получения трет-бутилгипохлорита.
Для предварительного получения раствора гипохлорита натрия используют водный раствор гидроксида натрия концентрацией 10-23 мас.%. В результате синтеза после расслоения реакционной смеси получают органический слой, представляющий собой товарную форму трет-бутилгипохлорита, стабильную при хранении и транспортировке. Товарная форма трет-бутилгипохлорита имеет вид жидкости желтовато-зеленого цвета с массовой долей активного хлора 62-65,4 мас.%, служащего показателем стабильности при хранении и транспортировке.
Получение трет-бутилгипохлорита по предлагаемому способу иллюстрируется примерами 1-16 и таблицей.
Пример 1. В стеклянный реактор, снабженный мешалкой с электроприводом, термометром, капельной воронкой-дозатором и барботером для подачи газа, загружают 220 г 10%-ного водного раствора гидроксида натрия, содержащего 0,55 моль NaOH. С помощью водяной бани со льдом содержимое реактора охлаждают до температуры 10°С и через барботер в жидкую фазу реактора при работающей мешалке подают 19,38 г (6,12 л) газообразного хлора с расходом 11,2 л/час с целью получения гипохлорита натрия (NaOCl). B процессе хлорирования щелочного раствора в реакторе поддерживают заданную температуру (10°С) и контролируют величину рН раствора. По достижении рН 10 в раствор гипохлорита натрия с концентрацией 8,51 мас.% в реактор, не прекращая перемешивания реакционной смеси, приливают из капельной воронки-дозатора половину расчетного количества трет-бутилового спирта (0,25 моль). Вторую половину трет-бутилового спирта (0,25 моль) дозируют в реактор со скоростью примерно 0,7 мл/мин одновременно с продолжающейся подачей в реакционную смесь газообразного хлора с расходом 11,2 л/час. При дозировании трет-бутилового спирта и подаче хлора в реактор не допускают понижения рН реакционной смеси ниже 7 единиц, а также появления свободного хлора на выходе из реактора. По окончании дозирования трет-бутилового спирта в реактор продолжают подавать хлор до достижения величины рН реакционной смеси 5,2 единицы, при этом отмечено появление хлора на выходе из реактора. После прекращения подачи 0,277 моль хлора (19,7 г) перемешивание реакционной смеси продолжают при температуре синтеза 10°С еще в течение 5 минут с целью более полного связывания хлора другими реагентами. После этого проводят кратковременную (в течение 2 мин) отдувку хлора из свободного объема реактора газообразным азотом, подаваемым с расходом 6 л/час. Абгазный хлор, выходящий из реактора в конце синтеза трет-бутилгипохлорита, а также во время отдувки азотом, улавливают в склянке Дрекселя, заполненной 10%-ным раствором гидроксида натрия.
2
Реакционная смесь сразу по окончании синтеза трет-бутилгипохлорита представляет собой ярко-желтую дисперсную смесь, расслоившуюся в течение 5 минут после прекращения перемешивания. После отделения от водно-солевого раствора, количество которого составило 237,7 г, получают органический слой массой 54,71 г, представляющий собой 96,84%-ный трет-бутилгипохлорит (примеси - остаточный трет-бутиловый спирт и растворенный свободный хлор). Выход 100%-ного трет-бутилгипохлорита составил 97,6 мас.% от теоретически возможного (по загруженному на синтез трет-бутиловому спирту). Концентрация хлорида натрия в водно-солевом растворе, полученном после отделения органического слоя, составила 11,8 мас.%, активного хлора (обусловленного присутствием в водно-солевом растворе гипохлорита натрия и растворенного свободного хлора) - 1,16 мас.% (в пересчете на Cl), примесь остаточного трет-бутилового спирта - 0,09 мас.%.
В примерах 2-9 синтез трет-бутилгипохлорита выполняют аналогично примеру 1. В примере 5 в качестве спиртового компонента используют водный раствор трет-бутилового спирта концентрацией 70 мас.%.
Пример 10. Синтез трет-бутилгипохлорита проводят без предварительного получения раствора гипохлорита натрия. В охлажденный до температуры 15°С 10%-ный водно-щелочной раствор дозируют трет-бутиловый спирт и газообразный хлор. В реактор загружают 220 г исходного щелочного раствора, содержащего 22 г NaOH (0,55 моль). Трет-бутиловый спирт в количестве 0,5 моль дозируют в реактор со скоростью примерно 0,78 мл/мин, хлор подают в жидкую фазу реактора с расходом 11,2 л/час. В процессе всего периода хлорирования контролируют рН реакционной смеси, величина которого изменялась от начальной 13,2 до 8 единиц - в конце дозирования трет-бутилового спирта. В процессе ввода хлора в реактор отмечают, что дозируемый одновременно с хлором трет-бутиловый спирт практически не вступает в реакцию с образованием трет-бутилгипохлорита, пока не произошло исчерпывающее хлорирование гидроксида натрия до гипохлорита натрия. И только по достижении рН реакционной смеси, близкого к 10, произошло интенсивное образование трет-бутилгипохлорита из находящегося к этому моменту в реакторе трет-бутилового спирта (примерно 0,25 моль) и полученного гипохлорита натрия. Дальнейшее нарабатывание трет-бутилгипохлорита в реакционной смеси происходило аналогично предыдущим примерам. Дозирование трет-бутилового спирта в реактор закончили при рН, равного 7,5, хлор - при рН реакционной смеси 5,3 единицы. Выход трет-бутилгипохлорита 97,5 мас.%.
Пример 11. Синтез трет-бутилгипохлорита проводят аналогично примеру 10, но с использованием исходного водно-щелочного раствора с более высоким содержанием NaOH - 20 мас.%. В реактор загружают 220 г щелочного раствора, содержащего 44 г NaOH (1,1 моль). После охлаждения загруженного щелочного раствора до 15°С в реактор дозируют одновременно трет-бутиловый спирт, взятый для синтеза в количестве 1 моль, со скоростью примерно 1 мл/мин и подают газообразный хлор с расходом 16 л/час. По окончании дозирования трет-бутилового спирта хлор продолжают подавать в реакционную смесь до достижения величины ее рН 4,9 единицы. Расход хлора составляет 1,12 моль (79,5 г). Затем содержимое реактора перемешивают в течение 5 мин при температуре синтеза 15°С для полного связывания хлора с другими исходными реагентами, после чего производят быструю (в течение 2 мин) отдувку хлора из свободного объема реактора газообразным азотом, подаваемым с расходом 6 л/час. После расслоения реакционной массы получают органический слой массой 109,71 г, содержащий 107,8 г 100%-ного трет-бутилгипохлорита, выход которого составил 99,3% от расчетного.
Полученный продукт представляет собой товарную форму трет-бутилгипохлорита с содержанием активного хлора 64,3 мас.%. При хранении его в течение 3 месяцев при температуре не выше 20°С массовая доля активного хлора уменьшилась и в конце срока хранения составила 63,5 мас.%.
Абгазный хлор, выходящий из реактора в конце синтеза и при отдувке из свободного объема реактора, поглощается в склянке Дрекселя, заполненной 30 г 20%-ного водно-щелочного раствора. После связывания абгазного хлора масса поглотительного раствора увеличивается и составляет 33,55 г. Состав поглотительного раствора при этом стал следующий, мас.%: NaOH - 5,96; NaOCl - 11,12; NaCl - 8,70; остальное - вода.
Примеры 12-16. Синтез трет-бутилгипохлорита проводят аналогично примеру 10.
В примере 12 в качестве спиртового компонента используют водный раствор трет-бутилового спирта концентрацией 70 мас.%. В примере 13 в качестве спиртового компонента используют водный раствор трет-бутилового спирта концентрацией 80 мас.%. В примере 14 в качестве спиртового компонента используют водный раствор трет-бутилового спирта концентрацией 86 мас.%.
Пример 15. Получение трет-бутилгипохлорита проводят аналогично примеру 11, но с использованием возвратного поглотительного раствора, полученного при улавливании абгазного хлора синтеза (пример 11), с целью замещения данным раствором части загружаемого в реактор (на синтез трет-бутилгипохлорита) исходного водно-щелочного раствора. В реактор загружают 193 г исходного 20%-ного водно-щелочного раствора, содержащего 38,6 г NaOH (0,965 моль), возвратный поглотительный раствор после синтеза примера 11 в количестве 30 г, содержащий в своем составе: NaOH - 1,79 г (0,045 моль), NaOCl - 3,34 г (0,045 моль), что в пересчете на NaOH составляет 0,090 моль, NaCl - 2,60 г, остальное - вода. В сумме количество NaOH (0,965+0,045+0,090) составляет 1,1 моль.
Содержимое реактора охлаждают до температуры 15°С и осуществляют дозировку трет-бутилового спирта (1 моль) со скоростью примерно 1,1 мл/мин и газообразного хлора с расходом 16 л/час. Хлор подают в реакционную смесь до достижения рН 4,8 единицы. Расход хлора 76,32 г (1,075 моль), что на 3,2 г (~1 л) меньше, чем в примере 11, в котором не применяли рецикл поглотительного раствора с абгазной линии. Выход трет-бутилгипохлорита составляет 99,2 мас.% (на загруженный трет-бутиловый спирт).
Пример 16. Синтез трет-бутилгипохлорита проводят аналогично примерам 10, 11, но с использованием низкоконцентрированного по NaOH исходного водно-щелочного раствора - 5,64%-ного. В реактор загружают 390 г данного раствора, содержащего в своем составе 22 г NaOH (0,55 моль), и после охлаждения до температуры 15°С в реактор одновременно дозируют 0,5 моль трет-бутилового спирта со скоростью примерно 0,78 мл/мин и газообразный хлор с расходом 11,2 л/час. Хлор прекращают подавать в реакционную смесь при рН, равного 5. Количество израсходованного хлора составляет 0,56 моль. Выход трет-бутилгипохлорита - 86,5% (на загруженный исходный трет-бутиловый спирт).