СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛЕНДИАМИН-N,N,N',N'-ТЕТРАПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ
METHOD FOR SYNTHESIS OF ETHYLENEDIAMINE-N,N,N',N'-TETRAPROPIONIC ACID

Изобретение относится к способам получения этилендиаминтетракарбоновых кислот, в частности этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты (ЭДТП), используемой в качестве комплексообразующего агента в аналитической химии, биологии, медицине и других областях.
Известен способ получения этилендиаминтетрапропионовой кислоты из этилендиаминтетрапропионитрила, предварительно полученного из этилендиамина и акрилонитрила и выделенного из реакционной массы вакуум-дистилляцией (A.E. Martell, S. Chaberek. The preparation and properties of some N,N'-Disubstituted-ethylenediaminedipropionic acids. J. Amer. Chem. Soc. V. 72, p. 5357-5360, 1950). Согласно данной публикации предварительно полученный этилендиаминтетрапропионитрил добавляют к смеси дистиллированной воды и 12 н. соляной кислоты, после чего реакционную смесь кипятят с обратным холодильником в течение 6 часов, выдерживают в течение 15-20 часов и затем отгоняют под вакуумом растворитель, а остаток подщелачивают водным раствором гидроксида натрия и удаляют отгонкой паром образовавшийся аммиак. Полученный раствор подкисляют до pH 2 и выдерживают на холоде до выделения этилендиаминтетрапропионовой кислоты, которую четырежды очищают перекристаллизацией из горячей дистиллированной воды. Основные недостатки данного способа - многостадийность, высокая энергоемкость и отсутствие экологической безопасности, связанной с использованием токсичных нитрилов.
Кроме того, позднее было установлено, что при подкислении до pH 2 водного раствора тетранатриевой соли этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты, полученной щелочным гидролизом этилендиаминтетрапропионитрила, этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовая кислота выделяется в виде дигидрохлорида (RU 2308448, С07С 227/04, 2007). В приведенном способе (RU 2308448, С07С 227/04, 2007), лишенном вышеперечисленных недостатков и выбранном в качестве прототипа предлагаемому способу, получение этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты осуществляют реакцией взаимодействия этилендиамина с натриевой солью β-хлорпропионовой кислоты, предварительно полученной нейтрализацией β-хлорпропионовой кислоты водным раствором гидроксида натрия. Основную реакцию в данном способе осуществляют при температуре не выше 85°C и при pH реакционной массы на уровне 9-11, для чего в реакционную массу вводят водный раствор гидроксида натрия, после чего ее охлаждают, обессоливают, подкисляют охлажденный фильтрат соляной кислотой до pH 1,5-2,0. Затем отфильтровывают выделившийся осадок дигидрохлорида этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты, обрабатывают триэтиламином до pH 4,0-4,5 и выделяют этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовую кислоту. Подкисление маточника после фильтрации хлористого натрия проводят при температуре 10-15°C. Обработку дигидрохлорида этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты триэтиламином осуществляют при 5-10°C. Конечный продукт очищают промывкой дистиллированной водой. Выход этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты данным известным способом составляет порядка 50%, что значительно превышает выход кислоты (12%), получаемой аналогичным способом (A.E. Martell, S. Chaberek. The preparation and properties of some N,N'-Disubstituted-ethylenediaminedipropionic acids. J. Amer. Chem. Soc. V. 72, p. 5357-5360, 1950). Однако несмотря на достаточно высокий выход данный известный способ не является оптимальным, поскольку предполагает использование непрофильных вспомогательных реагентов для осуществления химического взаимодействия этилендиамина с β-хлорпропионовой кислотой. При этом процесс ведут в присутствии щелочи при взаимодействии этилендиамина с β-хлорпропионовой кислотой, а затем в присутствии соляной кислоты для подкисления щелочного раствора и переводом дигидрохлорида ЭДТП, образующегося при нейтрализации щелочного раствора в ЭДТП обработкой его триэтиламином, в результате чего при реализации этого метода сохраняется многостадийность и расход непрофильного достаточно токсичного сырья, что отражается на экономических показателях процесса.
С целью создания технологичного, экологически и экономически приемлемого процесса получения этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты предлагается способ, осуществляемый карбоксиалкилированием этилендиамина с использованием в качестве карбоксиалкилирующего агента акриловой кислоты, к водному раствору которой, предварительно нагретому до температуры 40-45°C, при перемешивании добавляют этилендиамин в количестве, соответствующем мольному соотношению этилендиамина к акриловой кислоте, равному 1:4,0-4,4, после чего реакционную массу перемешивают при температуре 60-65°C, охлаждают и фильтрацией выделяют целевой продукт.
Оптимальное мольное соотношение этилендиамина к акриловой кислоте составляет 1:4,2-4,3.
Из фильтрата после частичного упаривания, предпочтительно на 2/3 объема, и охлаждения фильтрацией дополнительно выделяют целевой продукт.
Полученную этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовую кислоту промывают дистиллированной водой и сушат.
Основным существенным признаком предлагаемого способа является: выбор в качестве исходных реагентов этилендиамина и акриловой кислоты при мольном соотношении, равном 1:4,0-4,4.
В предлагаемом способе, как и в известных способах синтеза производных этилендиамина, содержащих четыре пропионовые группы, в качестве одного из исходных реагентов используется этилендиамин. Отличие предлагаемого метода от описанных ранее состоит в том, что в качестве карбоксиалкилирующего агента используется акриловая кислота.
В предлагаемом способе акриловая кислота может вводиться как в количестве, соответствующем ее стехиометрическому соотношению к этилендиамину (мольное соотношение этилендиамина к акриловой кислоты составляет 1:4,0), так и с небольшим мольным избытком от стехиометрического по отношению к этилендиамину, а именно в количестве, соответствующем мольному соотношению этилендиамина к акриловой кислоте, равному 1:4,0-4,4.
Из приведенных ниже примеров видно, как величина мольного соотношения исходных реагентов влияет на выход получаемого продукта. Максимальный выход достигается при 5-7%-ном мольном избытке акриловой кислоты по отношению к стехиометрическому количеству этилендиамина, что соответствует мольному соотношению этилендиамина к акриловой кислоте, равному 1:4,2-4,3.
Существенно на процесс влияют и температурные режимы на разных стадиях: как на стадии введения этилендиамина (температура 40-45°C), так и при проведении основной реакции (температура 60-65°C).
Предлагаемый способ обладает технологическими и экономическими преимуществами по сравнению со способом-прототипом и другими его известными аналогами: он экономичен, поскольку протекает с достаточно высоким (около 60%) выходом, технологичен, является одностадийным и экологически менее напряженным, поскольку в качестве сырья не используются вспомогательные токсичные и опасные вещества: щелочь, соляная кислота, триэтиламин.
14
24
2
8
пл.
Получаемая этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовая кислота (ЭДТП) идентифицирована данными элементного анализа: найдено, % C 48.28, H 6.72, N 7.96 CHNO; вычислено, %: C 48.27, H 6.94, N 8.04, O 36.74; по температуре плавления: Т 218-222°C (с разложением).
Получаемая данным способом этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовая кислота (ЭДТП) характеризуется высокой чистотой и может быть использована в качестве комплексообразующего агента в аналитической химии, биологии, медицине и других областях.
Способ иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (мольное соотношение этилендиамин:акриловая кислота 1:4,2)
К 30 мл воды приливают 47,2 г (45,0 мл, 0,656 моль) акриловой кислоты. Смесь нагревают до 45°C. При перемешивании к водному раствору акриловой кислоты добавляют 9,4 г (10,4 мл, 0,156 моль) этилендиамина. Реакционную массу нагревают до 65°C, выдерживают при перемешивании в течение 2 часов, охлаждают и выделяют целевой продукт фильтрацией. Из фильтрата после упаривания на 2/3 объема и охлаждения фильтрацией дополнительно выделяют продукт. Целевой продукт промывают дистиллированной водой и сушат. Выход этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты составляет 62%.
Пример 2 (мольное соотношение этилендиамин:акриловая кислота 1:4,28)
К 30 мл воды приливают 48,1 г (45,8 мл, 0,668 моль) акриловой кислоты. Смесь нагревают до 40°C. При перемешивании к водному раствору акриловой кислоты добавляют 9,4 г (10,4 мл, 0,156 моль) этилендиамина. Реакционную массу нагревают до 60°C, выдерживают при перемешивании в течение 2 часов, охлаждают и выделяют целевой продукт фильтрацией. Из фильтрата после упаривания на 2/3 объема и охлаждения фильтрацией дополнительно выделяют продукт. Целевой продукт промывают дистиллированной водой и сушат. Выход этилендаамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты составляет 63%.
Пример 3 (мольное соотношение этилендиамин:акриловая кислота 1:4,4)
К 30 мл воды приливают 49,4 г (47,0 мл, 0,686 моль) акриловой кислоты. Смесь нагревают до 43°C. При перемешивании к водному раствору акриловой кислоты добавляют 9,4 г (10,4 мл, 0,156 моль) этилендиамина. Реакционную массу нагревают до 62°C, выдерживают при перемешивании в течение 2 часов, охлаждают и выделяют целевой продукт фильтрацией. Из фильтрата после упаривания на 2/3 объема и охлаждения выделяют дополнительно фильтрацией продукт. Целевой продукт промывают дистиллированной водой и сушат. Выход этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты составляет 62%.
Пример 4 (мольное соотношение этилендиамин:акриловая кислота 1:4,0)
К 30 мл воды приливают 45,0 г (47,3 мл, 0,624 моль) акриловой кислоты. Смесь нагревают до 43°C. При перемешивании к водному раствору акриловой кислоты добавляют 9,4 г (10,4 мл, 0,156 моль) этилендиамина. Реакционную массу нагревают до 62°C, выдерживают при перемешивании в течение 2 часов, охлаждают и выделяют целевой продукт фильтрацией. Из фильтрата после упаривания на 2/3 объема и охлаждения фильтрацией дополнительно выделяют продукт. Целевой продукт промывают дистиллированной водой и сушат. Выход этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты составляет 57%.