СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГАЛОГЕНЗАМЕЩЕННЫХ АРОМАТИЧЕСКИХ АМИОВ
METHOD OF PRODUCING HALOGEN-SUBSTITUTED AROMATIC AMINES

Изобретение относится к области синтеза органических соединений, а именно к способам их получения в новых реакционных средах-растворителях с участием гетерогенных катализаторов, выбору условий проведения реакций, в частности, получению галогензамещенных ароматических аминов из галогензамещенных ароматических нитросоединений.
Галогензамещенные ароматические амины широко используются в качестве промежуточных соединений в производстве полимеров, пигментов, пестицидов, красителей и лекарственных препаратов (Т. Kahl, K.-W. Schröder, F.R. Lawrence, W.J. Marshall, H. Höke, Rudolf Jäckh. Aniline. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2012, vol.3, 465-478).
В промышленности галогензамещенные ароматические амины получают гидрированием галогензамещенных ароматических нитросоединений водородом в присутствии платиновых катализаторов с добавками морфолина или пиперазина, или их производных, для подавления побочной реакции гидродегалогенирования (J.R. Kosak, L. Spiegler, patent US 3361819, 1968; A.J. Bird, G.G. Ferrier, patent US 4375550, 1983). Недостатком этого варианта проведения процесса является необходимость использования дорогостоящих благородных металлов в качестве компонентов катализаторов.
2
3
2
Наилучшие выходы, достигнутые при восстановлении 4-хлорнитробензола 1 в 4-хлоранилин 2, составляют 92% при использовании в качестве катализатора NiO-AlO (Т.М. Jyothi, Т. Raja, M.B. Talawar, K. Sreekumar, R. Rajagopal, B.S. Rao. Chemoselective transfer hydrogenation reactions over calcined-layered double hydroxides. Bulletin of the Chemical Society of Japan. 2000, vol.73 No. 6, 1425-1427) и 96% в присутствии ZrO-NiO (S.U. Sonavane, R.V. Jayaram. Catalytic transfer hydrogenation of nitro arenes, aldehydes, and ketones with propan-2-ol and KOH/NaOH over mixed metal oxides. Synthetic Communications. 2003, vol.33, No. 5, 843-849). Существенным недостатком этого метода получения галогензамещенных ароматических аминов является необходимость использования эквимолярных количеств активатора - KOH или NaOH, без которых реакция не идет. В сочетании с длительным временем реакции (1 ч и более) это делает затруднительным перенос реакции в реактор проточного типа, что является важным для практического применения.
Изобретение решает задачу эффективного синтеза галогензамещенных ароматических аминов из галогензамещенных ароматических нитросоединений с высокой производительностью в непрерывном режиме за времена контакта в несколько минут без использования дорогостоящих катализаторов.
Для решения этой задачи используются:
1) сверхкритический растворитель-реагент, предпочтительно, изопропиловый спирт;
2
3
2) гранулированный оксид алюминия AlO в качестве катализатора;
3) трубчатый реактор проточного типа.
2
3
Способ получения галогензамещенных ароматических аминов из галогензамещенных ароматических нитросоединений осуществляют в сверхкритическом спирте в реакторе трубчатого типа, заполненным гранулированным гетерогенным катализатором оксидом алюминия AlO.
Исходную смесь подают в реактор двумя потоками. Первый поток - сверхкритический изопропиловый спирт - при помощи шприцевого насоса подают в смеситель, расположенный на входе в реактор, через теплообменник, где нагревают спирт до температуры реакции. Второй поток - раствор галогензамещенного ароматического нитросоединения в изопропиловом спирте подают в тот же смеситель при помощи поршневого насоса.
Реакцию проводят в интервале температур Т=250-340°C, предпочтительно, 270-300°C, и давления Р=150-220 атм. Время контакта реакционной смеси составляет менее 6 мин. Продукты на выходе реактора охлаждают и собирают. Состав жидких продуктов реакции анализируют методом хроматомасс-спектрометрии на газовом хроматографе Agilent 6890N с квадрупольным масс-анализатором Agilent 5973N в качестве детектора. Для анализа используют кварцевую колонку HP-5MS (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксапа) длиной 30 м, внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0.25 мкм. Развертка - от m/z 29 до m/z 500. Качественный анализ продуктов реакции осуществляют сравнением полных масс-спектров с соответствующими литературными данными и с данными библиотек NIST (190825 соединений) и Wiley7 (375000 масс-спектров). Состав смесей рассчитывают, исходя из площадей пиков компонентов в хроматограммах.
Для демонстрации возможности метода в качестве субстратов используют 4-хлорнитробензол 1, 2-хлорнитробензол 3, 4-бромнитробензол 5 и 2-бромнитробензол 7. Полученные результаты приведены в таблице 1.
Восстановление 4-хлорнитробеизола 1 протекает с высокой конверсией уже при 270°C и почти 100%-ной селективностью по 4-хлоранилину 1. При повышении температуры до 300°C конверсия становится количественной, но селективность несколько снижается из-за побочных процессов гидродехлорирования и алкилирования соединения 2 по атому азота, ведущего к образованию 4-хлор-N-изопропиланилина.
Образование 2-хлоранилина 4 из соединения 3 протекает с высокой селективностью, составляющей ~98%, и при 270°C, и при 300°C, в последнем случае конверсия была количественной.
Таблица 1
Синтез галогензамещенных ароматических аминов из галогензамещенных ароматических нитросоединений в реакторе проточного типа в присутствии Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в сверхкритическом (sc)-изопропиловом спирте.
Субстрат
Т, °C
Конверсия, %
Продукт
Селективность, %
1
270
92.8
2
99.9
300
100
93.5
3
270
62.6
4
98.6
300
100
97.6
5
270
73.4
6
97.8
300
100
90.1
7
270
65.9
8
86.5
300
100
82.3
Восстановление бромсодержащих ароматических нитросоединений часто осложняется дебромированием как исходных соединений, так и образующихся продуктов. При восстановлении 4-бромнитробензола 5 конверсия при 270°C составила 73%, основным продуктом с селективностью около 98% был целевой 4-броманилин 6. Повышение температуры реакции до 300°C привело к увеличению конверсии до количественной, селективность при этом несколько снизилась и составила 90% из-за побочных реакций гидродебромирования и алкилирования соединения 6 по атому азота.
В случае использования в качестве исходного соединения 2-бромнитробензола 7 целевой 2-броманилин 8 был получен с селективностью от 82 до 86.5%, практически единственной побочной реакцией оказалось гидродебромирование, ведущее к образованию нитробензола (при 270°C) или анилина (при 300°C). Отметим, что значительная разница в температурах кипения 2-броманилина 8 и анилина позволяет легко отделить последний получив, таким образом, чистый 2-броманилин 8.
Таким образом, предложенный метод позволяет получать галоген-замещенные ароматические амины из галоген-замещенных ароматических нитросоединений с высокой конверсией и селективностью за времена контакта менее 6 мин с использованием недорогих катализаторов.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. Синтез 4-хлоранилина 2.
2
3
2
3
2
3
3
2
Синтез 4-хлоранилина 2 из 4-хлорнитробензола 1 осуществляют с применением экспериментальной установки с использованием трубчатого проточного реактора (6.0×8.0 мм, длина 3.0 м), загруженного оксидом алюминия AlO объемом ~42 см (39.1 г) гранулированного гетерогенного катализатора AlO. В реактор загружают AlO (Macherey-Nagel, pH 7±0.5, свободная поверхность по BET ~130 м/г) с размером зерна 50-200 мкм.
Исходную смесь подают в реактор двумя потоками. Первый поток - сверхкритический изопропанол (расход 7.0 мл/мин) - при помощи шприцевого насоса подают в смеситель, расположенный на входе в реактор, через теплообменник, где нагревают до температуры реакции. Второй поток (расход 3.0 мл/мин) - 1%-ный раствор 4-хлорнитробензола 1 в изопропиловом спирте подают в тот же смеситель при помощи поршневого насоса.
Реакцию проводят в интервале температур Т=250-340°C, предпочтительно, 270-300°C, и давления Р=150-220 атм. Время контакта составляет менее 6 мин. Реакционную смесь на выходе реактора охлаждают и собирают. Полученные результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2
Синтез 4-хлоранилина 2 из 4-хлорнитробензола 1 в реакторе проточного типа в присутствии Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в sc-изопропиловом спирте
Т, °C
Конверсия, %
Селективность, %
270
92.8
99.9
300
100
93.5
Пример 2. Синтез 2-хлоранилина 4.
Синтез 2-хлоранилина 4 из 2-хлорнитробензола 3 осуществляют с применением экспериментальной установки и методик, описанных в примере 1.
Реакцию проводят в интервале температур Т=250-340°C, предпочтительно, 270-300°C, и давления Р=150-220 атм. Время контакта реакционной смеси составляет менее 6 мин. Продукты реакции (смесь) на выходе реактора охлаждают и собирают. Полученные результаты представлены в таблице 3.
Таблица 3
Синтез 2-хлоранилина 4 из 2-хлорнитробензола 3 в реакторе проточного типа в присутствии Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в sc-изопропиловом спирте
Т, °C
Конверсия, %
Селективность, %
270
62.6
98.6
300
100
97.6
Пример 3. Синтез 4-броманилина 6.
Синтез 4-броманилина 6 из 4-бромнитробензола 5 осуществляют с применением экспериментальной установки и методик, описанных в примере 1.
Реакцию проводят в интервале температур Т=250-340°C, предпочтительно 270-300°C, и давления Р=150-220 атм. Время контакта реакционной смеси составляет менее 6 мин. Продукты реакции на выходе реактора охлаждают и собирают. Полученные результаты представлены в таблице 4.
Таблица 4
Синтез 4-броманилина 6 из 4-бромнитробензола 5 в реакторе проточного типа в присутствии Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в sc-изопропиловом спирте.
Т, °C
Конверсия, %
Селективность, %
270
73.4
97.8
300
100
90.1
Пример 4. Синтез 2-броманилина 8.
Синтез 2-броманилина 8 из 2-бромнитробензола 7 осуществляют с применением экспериментальной установки и методик, описанных в примере 1.
Реакцию проводят в интервале температур Т=250-340°C, предпочтительно, 270-300°C, и давления Р=150-220 атм. Время контакта реакционной смеси составляет менее 6 мин. Продукты реакции на выходе реактора охлаждают и собирают. Полученные результаты представлены в таблице 5.
Таблица 5
Синтез 2-броманилина 8 из 2-бромнитробензола 7 в реакторе проточного типа в присутствии Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub> в sc-изопропиловом спирте.
Т, °C
Конверсия, %
Селективность, %
270
65.9
86.5
300
100
82.3
2
3
Как видно из примеров и таблиц изобретение решает задачу контролируемого получения галогензамещенных ароматических аминов из галогензамещенных ароматических нитросоединений в выбранном сверхкритическом растворителе на гетерогенном катализаторе оксиде AlO и направлено на получение ценных промежуточных соединений, использующихся в производстве полимеров, пигментов, пестицидов, красителей и лекарственных препаратов.
Осуществление химических превращений в сверхкритических флюидах-растворителях может быть положено в основу современных технологий получения широкого класса промышленно важных органических соединений, лекарственных и душистых веществ.