Способ получения 13 С -мочевины
13
METHOD OF PRODUCING C-UREA

13
13
13
Способ получения С-мочевины относится к органической химии, в частности к способам получения мочевины, содержащей стабильный изотоп углерода С - С-мочевины. Данное соединение используется в качестве препарата для диагностики зараженности желудочно-кишечного тракта бактериями Helicobacter pylori.
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
2
2
2
Анализ научно-технической литературы показывает, что среди большого числа способов получения мочевины наиболее подходящими для получения С-мочевины являются одностадийные процессы взаимодействия монооксида С-углерода (СО) и аммиака в присутствии катализаторов, а также двустадийные процессы на основе диоксида С-углерода (CO), включающие взаимодействие CO и α-окиси (в частности, окиси этилена или пропилена) с последующим аммонолизом образовавшегося карбоната (например, С-пропиленкарбоната) аммиаком с получением С-мочевины. В качестве аналогов приводим ряд способов получения С-мочевины на базе СО и CO.
13
13
13
13
13
3
3
2
В патенте RU 2393141 (кл. C07B 59/00; C07C 273/04; опубл. в 2010 г.) описано превращение СО и NH в С-мочевину в растворе тетрагидрофурана (ТГФ) или ТГФ/метанол при катализе порошком селена в присутствии кислорода с максимальным выходом 63,1% в расчете на СО при температуре 15-25°С, давлении 25-35 атм, соотношении Se : CO от 1:790 до 1:158 и соотношении NH : CO : O от 8,9:2,8:1 до 4:2:1.
13
13
Существенным недостатком данного способа получения С-мочевины является невысокий выход целевого продукта в расчете на дорогое меченое сырье (СО).
3
2
3
2
В статье A.R. Elman and V.I. Smirnov. "Urea Preparation by Oxidative Carbonylation of Ammonia". J. Environ. Sci. Eng., 2011, V. 5, P. 1006-1012 раскрыт усовершенствованный способ получения мочевины из СО и NH в присутствии порошка селена в растворе ТГФ/метанол. При использовании каталитических количеств Se необходимы добавки кислорода в строгом соотношении СО : O 2:1. В отсутствии кислорода для достижения высокого выхода мочевины необходимо использовать стехиометрические количества Se по отношению к СО. При мольном соотношении NH : CO : O от 7,5:2:1 до 15:2:1, Se : CO от 1:123 до 1:1, начальной температуре 45°С и общем начальном давлении ~30 атм выход мочевины в автоклаве объемом 0,2 л за 1 ч составил почти 100% в расчете на СО.
13
13
13
13
13
Известный способ пригоден для получения С-мочевины и позволяет получить количественный выход в расчете на СО. Однако высокая токсичность селена обусловливает необходимость тщательной очистки С-мочевины от этого катализатора, что заметно затрудняет и удорожает процесс производства. Другим недостатком известного способа является заметная коррозионная активность Se-содержащей реакционной массы, что вызывает необходимость применения специальных конструкционных материалов для изготовления реактора. Кроме того, взрывоопасность смесей СО с кислородом также накладывает определенные ограничения на применимость данного способа получения мочевины. С точки зрения необходимости организации промышленного производства С-мочевины, важнейшим недостатком методов на основе СО является отсутствие его производства в России в настоящее время.
13
13
13
13
13
2
2
Синтезы мочевины на основе CO полностью исключают вышеуказанные недостатки, а его промышленное производство обеспечивает значительные потребности в С-мочевине. В патенте RU 2415837 (кл. C07C 273/04; C07C 275/04; C07C 275/06; C07B 59/00; опубл. в 2011 г.) описан способ получения С-мочевины из CO и окиси этилена (ОЭ) при температурах 80-150°С, давлении 21-60 атм в присутствии каталитического комплекса бромида цинка с третичными фосфинами при мольном отношении ОЭ к катализатору 500-5000:1 с последующим аммонолизом С-этиленкарбоната аммиаком при температуре 120-170°С и давлении 28-47 атм. При этом вторую стадию проводят либо в присутствии растворителя (ТГФ или 1,4-диоксан), либо в его отсутствии.
13
13
13
13
13
2
Данный способ обеспечивает выход С-мочевины до 91% в расчете на CO, что недостаточно для организации высокоэффективного производства. Кроме того, применение взрывоопасной и весьма летучей окиси этилена усложняет технологию процесса, а образование токсичного этиленгликоля на стадии получения С-мочевины может привести к загрязнению диагностического препарата. Другими недостатками способа являются снижение выхода С-мочевины до 80,4% в отсутствии растворителя и необходимость при этом поддерживать достаточно жесткие условия (не менее 140°С), а также невысокая производительность второй стадии (не более 0,3 г/ч С-мочевины в реакторе объемом 0,3 л при общем времени синтеза 8 ч).
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
2
2
2
2
В патенте RU 2440826 (кл. A61K 49/06; C07C 273/04; C07C 275/06; C07B 59/00; опубл. в 2012 г.) раскрыт способ получения С-мочевины, аналогичный изложенному в патенте RU 2415837, в котором окись этилена заменена на окись пропилена (ОП). Взаимодействие CO с ОП проводят без растворителя при температуре 120-130°С и давлении 13-15 атм в присутствии каталитического комплекса бромида цинка с третичным фосфином или хлоридом 1-бутил-3-метилимидазолия при мольном отношении ОП к катализатору 500-2000:1; реакция завершается в течение 3-4 часов. Эту стадию проводят при постоянном давлении CO до полного превращения ОП; поэтому оставшийся в реакторе дорогой CO собирают с помощью специальной процедуры в отдельный баллон насосом высокого давления для использования в последующих операциях (рецикл). Аммонолиз полученного С-пропиленкарбоната (ПК-13) проводят также без растворителя при температуре 130-150°С и давлении 50-70 атм. Однако в целях увеличения производительности процесса при больших загрузках в реактор вначале подают только 90% аммиака (от стехиометрии), а затем периодически дозируют остальное его количество, поддерживая давление в ходе синтеза на уровне 50-55 атм. При этом используют большой избыток аммиака: его общее количество по отношению к ПК-13 более чем в 3 раза превышает теоретически необходимое (2 моль/моль ПК-13). Процедура выделения и очистки целевой С-мочевины (при увеличенных загрузках сырья) включает получение трех порций продукта: основной, 1-й дополнительной и 2-й дополнительной. Основную порцию С-мочевины получают с выходом 87,07% путем отмывки сырца продукта от побочного 1,2-пропиленгликоля (ПГ) тетрагидрофураном, дальнейшей экстракцией следов ПГ эфиром в аппарате Сокслета и сушкой продукта. Дополнительную порцию 1 с выходом 4,30% получают из фильтратов и экстрактов от выделения основной порции путем отгонки растворителей и ~80% ПГ на роторном испарителе. Затем следуют: осаждение С-мочевины из кубового остатка при помощи ТГФ (с промывкой продукта на фильтре ТГФ и эфиром), перекристаллизация С-мочевины из ацетонитрила с горячим фильтрованием, окончательная промывка продукта эфиром и сушка. Дополнительную порцию 2 С-мочевины получают с выходом 3,83% из фильтратов от выделения дополнительной порции 1 путем их упаривания, отгонки из куба остатка ПГ (~20%), и затем - аммонолизом кубового остатка в автоклаве при температуре 150°С и давлении 70 атм в течение 3 часов. После этого следует процедура выделения продукта, аналогичная используемой при выделении дополнительной порции 1. Такой способ позволяет получить целевую С-мочевину с общим выходом 94,05% в расчете на загруженный CO.
13
13
13
-1
13
13
13
13
2
В раскрытом способе заметно увеличен выход С-мочевины и повышена общая производительность процесса, в том числе за счет замены взрывоопасной ОЭ на ОП на первой стадии. При этом исключен риск загрязнения мочевины токсичным этиленгликолем, поскольку образующийся 1,2-пропиленгликоль нетоксичен и используется в качестве пищевой добавки Е-1520. В то же время способ обладает существенными недостатками с точки зрения организации промышленного производства С-мочевины. Так, на первой стадии необходим рецикл дорогого непрореагировавшего сырья - CO, что заметно усложняет технологию процесса, кроме того, используются относительно высокие температуры - 120-130°С, а также труднодоступный (импортный) хлорид 1-бутил-3-метилимидазолия. При этом активность катализаторов («число оборотов») невысока - не более 665 ч. Технология проведения второй стадии для получения больших количеств продукта осложнена дозированием аммиака в реактор при высоком давлении (до 55 атм) и использованием большого избытка аммиака по отношению к С-пропиленкарбонату (7,3 моль/моль вместо 2 моль/моль по стехиометрии). Весьма сложна также стадия выделения и очистки целевой С-мочевины, состоящая в получении трех порций продукта, включая экстракцию в аппарате Сокслета, перекристаллизацию продукта из ацетонитрила с горячим фильтрованием, а также дополнительный аммонолиз остаточных количеств С-пропиленкарбоната в жестких условиях (150°С, 70 атм) для получения 2-й дополнительной порции С-мочевины. При этом сырец продукта многократно обрабатывается ТГФ и эфиром. В результате способ весьма трудоемок и характеризуется большими коэффициентами расхода растворителей (кг/кг): ТГФ (11,9), эфира (7,6) и токсичного ацетонитрила (2,3), примеси которого остаются в конечном продукте.
2
13
В обзоре W. Cheng, Q. Su, J. Wang, J. Sun and F.T.T. Ng. "Ionic Liquids: The Synergistic Catalytic Effect in the Synthesis of Cyclic Carbonates". Catalysts, 2013, V. 3, P. 878-901 представлены многочисленные данные о способах получения ПК из CO и аммиака, которые позволяют выбрать более эффективный и доступный катализатор синтеза С-пропиленкарбоната по сравнению со способами, изложенными в указанных выше патентах - на основе бромида тетрабутиламмония (ТБАБ).
13
13
13
13
13
2
2
В данном изобретении решается задача разработки двустадийного способа получения С-мочевины путем реакции CO с ОП и последующего аммонолиза образовавшегося С-пропиленкарбоната с высокой производительностью и высокой экономической эффективностью процесса, обеспечивающего минимальные затраты изотопного сырья - CO, а также значительное упрощение технологии производства, включая стадию выделения и очистки готовой С-мочевины.
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
13
2
2
2
2
2
2
Поставленная задача решается тем, что мочевину со стабильным изотопом углерода С также получают путем двустадийного процесса на базе CO, ОП и аммиака без дополнительных растворителей. Однако на первой стадии реакцию CO с окисью пропилена проводят при температуре 90-100°С и давлении 13-15 атм в присутствии каталитической системы в составе бромида цинка и ТБАБ, взятых в мольном соотношении 1:2,0-6,2, при мольном отношении ОП к катализатору 2000-5150:1. При этом процесс проводят в недостатке CO по отношению к окиси пропилена: когда общее количество поданного в реактор CO достигает 0,93-0,98 моль/моль ОП, подачу газа прекращают, что приводит практически к полному поглощению оставшегося CO и обеспечивает количественный выход С-пропиленкарбоната в расчете на С-изотопное сырье. Последующий аммонолиз С-пропиленкарбоната проводят, сразу загружая весь необходимый аммиак в количестве не более 4 моль/моль по отношению к С-пропиленкар-бонату, при температуре 130°С и давлении не более 50 атм (в зависимости от количества загруженного аммиака). Для выделения полученной С-мочевины к реакционной массе добавляют ТГФ, охлаждают и выдерживают полученную взвесь, отфильтровывают сырец С-мочевины, промывают его эфиром и сушат. Из фильтратов отгоняют большую часть ПГ, кубовый остаток перемешивают с ТГФ и выдерживают при охлаждении для осаждения дополнительной порции С-мочевины, которую затем отфильтровывают, сушат, растворяют в воде и полученный раствор пропускают через слой активированного угля. Затем из очищенного раствора отгоняют воду, С-мочевину промывают ТГФ, эфиром и высушивают окончательно. Способ позволяет получить целевую С-мочевину с выходом на уровне 97% (в расчете на CO).
13
13
13
13
13
2
2
2
При отклонении значений параметров процесса за указанные пределы выход С-мочевины в расчете на загруженный CO уменьшается либо технология процесса становится неудобной и менее эффективной. В частности, при уменьшении концентрации катализатора на первой стадии (т.е. при увеличении отношения ОП к бромиду цинка) ее скорость (и производительность) значительно уменьшается, а при увеличении концентрации катализатора процесс становится трудноуправляемым за счет существенного роста скорости и выделения тепла. То же происходит и при отклонении температуры и давления за нижний (торможение процесса) и верхний (усиленное тепловыделение) пределы. Превышение мольного соотношения CO к ОП приведет к неполной конверсии дорогого CO, а уменьшение - к необоснованным потерям непрореагировавшей ОП. Для второй стадии снижение температуры приводит к уменьшению скорости (и производительности) процесса, а ее увеличение - к уменьшению селективности за счет образования побочных продуктов. При этом давление в ходе синтеза С-мочевины меняется по экстремальной зависимости, а значение максимума зависит от количества загруженного аммиака и свободного объема реактора.
Сущность изобретения поясняется следующими примерами его реализации.
Пример 1.
2
2
2
2
13
13
На первой стадии в автоклав объемом 185 мл загружают 193 мг (0,857 ммоль) безводного ZnBr и 1103,8 мг (3,424 ммоль) ТБАБ. Затем в дозатор помещают около 130 мл ОП. Для удаления атмосферного CO автоклав вакуумируют до остаточного давления 2-3 мм рт.ст. и загружают 120 мл (99,6 г; 1,715 моль) ОП. Затем включают перемешивание и подают в автоклав CO (99,2% ат) из предварительно взвешенного баллона до начального давления 5 атм. Реакционную смесь выдерживают 10-15 мин до насыщения жидкой фазы газом (до постоянного давления), после чего подачу CO прекращают и включают обогрев автоклава. Этот момент принимают за начало процесса.
13
13
13
13
13
13
2
2
2
2
2
В ходе нагрева давление в автоклаве повышается до ~10 атм, а затем начинает падать; в этот момент в реактор снова подают CO, до давления 15 атм. Процесс проводят при температуре 100°С и давлении в интервале 13-15 атм, периодически подавая газ в реактор. Когда мольное соотношение общего количества поданного CO (контроль - по счетчику расхода газа) и ОП достигает 0,94, подачу CO прекращают и выдерживают реакционную массу, пока давление в автоклаве не снизится до 0,4 атм (абс), оставаясь постоянным за счет практически полного исчерпания CO. Реакция завершается примерно за 1,5 часа. После этого обогрев автоклава отключают и, не выключая мешалку, охлаждают автоклав (самопроизвольно) до 60°С. Затем автоклав вакуумируют (3-5 мм рт.ст.) на малых оборотах мешалки в течение 30 мин для удаления непрореагировавшей ОП, выключают мешалку, вскрывают и выгружают реакционную массу. Для расчета выхода С-пропиленкарбоната (ПК-13) определяют уменьшение массы питающего баллона. Получают 164,76 г сырца ПК-13 с выходом в расчете на CO 100,36%.
13
13
13
-1
2
После отгонки на роторном испарителе и сбора остатков ПК-13 со стенок путем их обдува воздухом получают готовый С-пропиленкарбонат в виде бесцветной жидкости с температурой кипения 82-84°С/3 мм рт.ст. и показателем преломления n=1,4210 (лит. знач. 241,7°С/760 мм рт.ст. и n=1,4209 - Химическая энциклопедия: в 5 т.: Т. 4, М.: Большая Российская энцикл., 1995, С. 104-105). Механические потери вещества при перегонке составляют не более 1,5% масс. В результате получают 162,3 г (1,59 моль) С-пропиленкарбоната с выходом в расчете на загруженный СО 98,85%; при этом активность катализатора составляет 1318 ч. Посторонние примеси по данным ГЖХ не обнаружены.
3
На второй стадии в аналогичный автоклав помещают 80 мл (96,4 г; 0,94 моль) ПК-13 и герметизируют реактор. Затем в дозатор помещают 107,0 мл (64,2 г; 3,78 моль) NH из баллона и под собственным давлением (8-9 атм при комнатной температуре) вводят его в автоклав. Включают перемешивание (при этом давление в автоклаве составляет ~10 атм) и обогрев реактора. Этот момент принимают за начало процесса.
Реакцию проводят при температуре 130°С. В ходе нагрева давление в автоклаве повышается, а по достижении 47,5 атм начинает снижаться. Процесс продолжается примерно 4 часа и завершается при давлении в автоклаве 33,1 атм. После этого обогрев автоклава отключают и, не выключая мешалку, дают температуре снизиться до 30-40°С. Затем автоклав вакуумируют при перемешивании и слабом вакууме (~0,5 атм) 30 мин, а затем при 0,1 атм. 3 часа для удаления непрореагировавшего аммиака, после чего выключают мешалку, реактор вскрывают и выгружают реакционную массу.
13
13
13
13
К полученной реакционной массе добавляют 418 мл ТГФ, перемешивают 30-40 мин и охлаждают эту массу при -18°С в течение 15-20 часов. С-Мочевину-сырец отфильтровывают, промывают на фильтре 200 мл диэтилового эфира и сушат на фильтре (1-я фракция сырца, ~53 г). Из фильтратов (ТГФ и эфира) отгоняют жидкую фазу на роторном испарителе под вакуумом (4-5 мм рт.ст., температура в бане 110-120°С) до прекращения отгонки ПГ, а из кубового остатка осаждают вторую фракцию продукта 50 мл ТГФ, фильтруют, промывают 70 мл эфира и сушат на фильтре (2-я фракция сырца ~3 г). Затем вторую фракцию С-мочевины-сырца растворяют в 55-60 мл воды и пропускают раствор через колонку (3,5×10 см) с активированным углем БАУ-А (фракция 0,3-0,7 мм) со скоростью 3-4 мл/мин. Из полученного раствора удаляют воду на роторном испарителе, С-мочевину промывают 10 мл ТГФ, 10 мл эфира и сушат на фильтре. Обе фракции сырца С-мочевины объединяют и сушат 4,5 часа в вакуум-сушильном шкафу (80°С; 0,05 атм).
13
13
13
-1
1
13
13
13
2
2
Масса обеих фракций С-мочевины составляет 55,68 г с выходом в расчете на ПК-13 98,3%, а на исходный CO - 97,2%. Температура плавления готовой С-мочевины составляет 131-133°С и совпадает с литературными данными (Химическая энциклопедия: в 5 т.: Т. 3, М.: Большая Российская энцикл., 1992, С. 144); ИК-спектр (ν, см): 3494 ср., 3389 ср., 1691 с., 1610 с., 1030 о.с., 919 с. - идентичен спектру стандартного образца. Содержание примесей по данным Н ЯМР: ТГФ - 0,3%, диэтиловый эфир - 0,1%. Изотопную чистоту (ИЧ) определяли путем кислотного гидролиза С-мочевины и изотопного анализа образовавшегося CO на приборе МИ-1201В; ИЧ С-мочевины составила 99,1% ат.
13
Поскольку первая и вторая стадии синтеза С-мочевины проводятся в периодических условиях и являются независимыми процессами (в т.ч. имеют разную производительность), в дальнейших примерах они представлены раздельно.
2
2
2
13
13
В примерах 2-6 на первой стадии реакцию карбоксилирования окиси пропилена проводят аналогично примеру 1, однако меняют соотношения компонентов катализатора (TБAБ/ZnBr), загрузку ОП, начальное давление CO, температуру и соотношение CO/ОП (табл. 1).
13
13
В примерах 7-12 на второй стадии реакцию аммонолиза С-пропиленкарбоната проводят аналогично примеру 1, однако изменяют загрузки ПК-13 и аммиака, а также условия процедуры выделения готовой С-мочевины (табл. 2).
13
13
13
13
2
Преимущество данного способа состоит в том, что он позволяет получать С-мочевину с изотопной чистотой и содержанием основного вещества не ниже 99% на базе отечественного промышленного сырья (CO) в две стадии, исключая использование высокотоксичных продуктов, взрывоопасных и коррозионных сред. Способ характеризуется относительно мягкими условиями и простотой технологических операций, поскольку исключает рецикл дорогого изотопного сырья и дозирование аммиака при высоком давлении. Предложенный катализатор первой стадии отличается повышенной активностью и включает недорогие компоненты, выпускаемые отечественной промышленностью. Существенно упрощена процедура выделения и очистки готовой С-мочевины за счет исключения ее перекристаллизации из ацетонитрила с горячим фильтрованием, а также дополнительного аммонолиза остаточного пропиленкарбоната. Подбор соотношений между компонентами, а также режимов процедуры выделения и очистки С-мочевины позволили значительно снизить коэффициенты расхода растворителей, особенно ТГФ (до 7,3 кг/кг), а также эфира (до 6,5 кг/кг), полностью исключить токсичный ацетонитрил и обеспечить высокую степень извлечения продукта из реакционной массы. При этом степень использования изотопного сырья при получении конечного продукта превышает 97%.
13
13
Способ позволяет разработать высокоэффективный технологический процесс серийного производства С-мочевины. Кроме того, способ позволяет получать изотопные диагностические препараты на базе С-мочевины, не содержащие опасных радиоактивных изотопов.