СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 5-БРОММЕТИЛФУРФУРОЛА
METHOD OF PRODUCING 5-BROMOMETHYL FURFURAL

Изобретение относится к области органического синтеза, конкретно - к технологии получения 5-бромметилфурфурола (5-БМФ) из фруктозы. 5-БМФ является высокореакционным соединением, используемым в качестве промежуточного реагента для получения фармацевтических препаратов, продуктов сельскохозяйственной химии, присадок к топливам.
Методы получения 5-БМФ можно разделить на две основные группы: получение химической модификацией 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) или его производных и получение непосредственно из гексозных углеводов.
Гидроксильная группа молекулы 5-ГМФ легко подвергается замещению галогенами. 5-БМФ получают действием на 5-ГМФ насыщенного раствора бромоводорода в диэтиловом эфире при комнатной температуре в течение 2 часов. Процесс сопровождается осмолением. После перекристаллизации 5-БМФ из эфира его выход составляет 40% [Newth F.H., Wiggins L.F. The Conversion of Sucrose into Furan Compounds. Part III. Some Amidino-furans. J. Chem. Soc. 1947, 396-398]. Недостаток известного способа заключается в образовании значительного количества смол и низком выходе целевого продукта.
Известен способ получения 5-БМФ действием на 5-ГМФ бромоводорода, бромтриметилсилана, бромидов серы и фосфора [Komla Sanda, Luc Rigal et Antoine Gaset. Synthése du 5-Bromométhyl et du 5-Chlorométhyl-furancecarboxaldéhyde; Carbohydrate Research. 187, 15-23 (1989)]. Действием тионилбромида и сульфурилбромида в этилацетате на 5-ГМФ целевой продукт получают с выходами 60-65%. В присутствии бромтриметилсилана 5-ГМФ превращается в 5-БМФ почти количественно.
Недостатками известного метода получения 5-БМФ из 5-ГМФ является необходимость предварительного получения 5-ГМФ, использование легковоспламеняющихся органических растворителей и дорогостоящих бромирующих агентов.
5-БМФ получают также непосредственно из углеводов.
Известен способ получения 5-БМФ действием пербромида пиридина на фруктозу [Nouvelle methode de preparation du 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde par action de sels d'ammonium ou d'immonium sur les mono-, oligoet poly-saccharides. Acces direct aux 5-halogenomethyl-2-furaldehydes Fayet, Catherine; Gelas, Jacques. Carbohydrate Research, 1983, vol.122, p.59-68]. Реакцию проводят при 80°С в течение 15 минут. Выход 5-БМФ составляет 30%. Недостатки известного способа заключаются в низком выходе целевого продукта и использовании дорогостоящих бромирующих агентов.
Наиболее близким по существу к заявляемому способу является процесс получения 5-БМФ из фруктозы в двухфазной системе водный раствор углевода - неполярный органический растворитель под действием бромида магния и серной кислоты [ЕР 0079206, US 4424390 (Sumitomo chemical company)]. В качестве органического растворителя использовали толуол или хлорбензол. Процесс проводили при 50-75°С с перемешиванием в течение 3-4 часов. Выходы составили 83-87 мол.%.
В соответствии с известным способом в реакционный сосуд помещают 18 г фруктозы, 5 мл воды, 58,4 г гексагидрата бромида магния, приливают 500 мл толуола. Реакционную смесь нагревают до 50°С при перемешивании со скоростью 1800-3500 об/мин. Затем в течение 5 минут добавляют 22 г 97%-ной серной кислоты. Реакцию проводят в течение 3-4 часов. После завершения реакции отфильтровывают гумины, а 5-БМФ после отгонки толуола перегоняют в вакууме.
Основной недостаток данного способа заключается в больших расходах органических растворителей - 80 объемов на один объем воды.
Другим существенным недостатком является большая длительность проведения процесса (3-4 часа).
Цель заявляемого изобретения - сокращение расхода органических растворителей и продолжительности проведения процесса.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения 5-БМФ реакцией дегидратации-бромирования гексозных углеводов согласно изобретению в качестве бромирующего реагента используют бромид калия, а процесс проводят с постепенным введением серной кислоты в течение всего процесса при температуре 80-95°С.
Процесс кислотно-каталитической дегидратации-бромирования фруктозы проводят в двухфазной системе: водный раствор углевода и бромида калия - толуол при нормальном давлении и температуре 80-95°С. Концентрация бромида калия в водной фазе составляет 500 г/л, фруктозы 180 г/л. Серная кислота в количестве 40 г вводится прикапыванием в течение всего процесса.
Таким образом, технический результат заявляемого изобретения заключается в сокращении расхода органических растворителей и продолжительности проведения процесса.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показывает, что общими признаками заявляемого способа и прототипа являются:
- использование в качестве катализатора реакции дегидратации-бромирования смеси серная кислота-бромид металла;
- использование в качестве сырья фруктозы;
- проведение процесса при нормальном давлении;
- использование в качестве органической фазы толуола.
Отличительные признаки заявляемого изобретения:
- проведение процесса при более высокой температуре 80-95°С;
- использование схемы постепенного введения серной кислоты для генерирования бромоводорода;
- использование в качестве бромирующего реагента бромида калия вместо бромида магния.
Исследования показали, что постепенное введение серной кислоты, а также применение бромида калия вместо бромида магния позволяет сократить расход толуола при проведении процесса в 10 раз. Повышение температуры процесса приводит к сокращению его продолжительности.
Следовательно, технические результаты и отличительные признаки заявляемого способа находятся в причинно-следственной связи друг с другом.
Способ подтверждается конкретными примерами.
Пример 1. Для проведения эксперимента 100 мл реакционного раствора, содержащего 18 г фруктозы и 50 бромида калия, помещают в реакционный сосуд, оборудованный обратным холодильником и системой перемешивания, добавляют 200 мл толуола. Реакционную массу нагревают на водяной бане до 80°С, включают перемешивание и в течение 1 часа прикапывают 20 мл концентрированной серной кислоты, затем охлаждают, отфильтровывают гумины. Отделяют органическую фазу, которую промывают 10%-ным раствором бикарбоната натрия для удаления примеси катализатора. На ротационном испарителе отгоняют толуол и получают сиропообразный темно-коричневый 5-БМФ, кристаллизующийся при 60°С.
В результате проведенного эксперимента получают в расчете на 18 г фруктозы 2 г 5-БМФ (выход 11 мол.%).
1
1
2
5-БМФ идентифицирован методами хромато-масс-спектрометрии и Н-ЯМР спектроскопией: Н-ЯМР δ 3,9 м.д. соответствует -СН-группе, сигналы δ 5,9 и 6,6 м.д. - принадлежат протонам фуранового кольца, сигнал δ 9,3 м.д. - альдегидный протон.
+
Масс-спектр 5-БМФ: М 188 (7), 161 (1), 109 (100), 97 (2), 81 (15), 53 (30).
Примеры 2-8. Опыты проводят, как в примере 1, но с использованием реакционного раствора с различной концентрацией фруктозы, различным способом подачи серной кислоты и разного объема органической фазы. Результаты опытов 1-8 приведены в таблице.
Таблица 1. Результаты опытов 1-8 получения 5-БМФ. Температура 80°С, концентрация КВr 50 г/100 мл водной фазы, продолжительность процесса 60 минут. Активное перемешивание.
№
Объем в.ф./о.ф.
Масса фруктозы, г
Выход 5-БМФ
Примечание
1
100/200
18
4 г (22 мол.%)
20 мл серной кислоты добавляется постепенно в течение часа
2
100/200
9
4 г (44 мол.%)
-//-
3
100/300
9
5 г (52 мол.%)
-//-
4
100/200
9
6,6 г (70 мол.%)
10 мл серной кислоты добавляется в начале реакции,10 мл постепенно в течение часа
5
100/300
9
8 г (89 мол.%)
-//-
6
100/300
9
8,5 г (94 мол.%)
-//-, 95°С
(состав реакционной массы, массовых частей: толуол - 260, вода - 60, фруктоза - 9, бромид калия - 50)
7
100/200
6,3
3 г (44 мол.%)
20 мл серной кислоты добавляется постепенно в течение часа
8
100/200
2,7
1 г (30 мол.%)
-//-