СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ N-НИТРО-5-АЗИДОМЕТИЛОКСАЗОЛИДИНА-1,3
METHOD OF PRODUCING N-NITRO-5-AZIDOMETHYLOXAZOLIDINE-1,3

Изобретение относится к области химии и технологии получения гетероциклических соединений оксазолидинового ряда, а именно N-нитро-3-азидометилоксазолидина-1,3, который широко исследуется под названием MANO-5 в качестве энергетического пластификатора полимеров.
Известен способ получения производных N-нитро-оксазолидинов-1,3, содержащих различные группы, в том числе азидометильную в положении 5 [Патент РФ №2181719], взаимодействием N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия с формальдегидом в водной или водно-спиртовой среде с последующим нитрованием продукта реакции нитрующим агентом и превращением полученного N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 в MANO-5 путем обработки его азидом натрия.
Синтез N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 проводят следующим образом.
К раствору N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия в воде или смеси воды со спиртом добавляют 30%-ный раствор формальдегида и полученный раствор упаривают под вакуумом. Получают в остатке твердый N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамат калия, который извлекают из аппарата и нитруют путем добавления его к смеси азотной кислоты и уксусного ангидрида при температуре минус 10°С. После выдержки реакционную массу выливают в смесь воды со льдом и экстрагируют этилацетатом. Экстракт последовательно промывают водой, содой, водой, упаривают и получают N-нитро-5-хлорметилоксазолидин-1,3, который очищают перегонкой под глубоким вакуумом (~1-1,2 мм рт.ст.).
Синтез MANO-5 осуществляют путем добавления при 100°С 40 ммоль N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 к смеси 32 мл диметилформамида (ДМФА), 40 ммоль хлористого кальция и 80 ммоль азида натрия и выдержкой реакционной массы при 100°С в течение 8 часов. Затем реакционную массу выливают в 40 мл воды, осадок отфильтровывают и промывают 10 мл бензола. Фильтрат дополнительно экстрагируют бензолом (5×10 мл), бензольные экстракты промывают водой (5×10 мл), бензол упаривают и получают MANO-5 с выходом 80%.
Получение исходного N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия проводят по методике, описанной в работе [П.В.Булатов «Синтез функциональных сульфаматов и аминов на основе реакции производных сульфаминовой кислоты с оксиранами», канд. диссертация, ИОХ им. Н.Д.Зелинского РАН, 1999], сущность которой заключается в следующем. Водно-спиртовый раствор сульфамата калия и эпихлоргидрина, взятых в мольном соотношении 1:1,1, перемешивают при температуре 70…75°С в течение 25 ч. Раствор упаривают в вакууме, остаток промывают горячим этанолом и экстрагируют двумя порциями по 100 мл 95% водного метанола. Объединенные метанольные экстракты упаривают, остаток обрабатывают ацетоном и получают с выходом 82% N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия.
Недостатками указанного способа являются:
- необходимость проведения отдельной стадии синтеза N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата калия и сложность его выделения;
- необходимость упаривания водно-спиртового раствора N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия под вакуумом;
- необходимость извлечения из аппарата N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия, который образуется при отгонке растворителя в виде прилипшей к стенкам аппарата твердой массы;
- использование низкой температуры при реакции нитрования;
- необходимость глубоковакуумной перегонки для очистки 1-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3;
- использование хлористого кальция при азидировании N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, который затрудняет перемешивание реакционной массы и снижает качество целевого продукта.
Известен способ получения MANO-5 [Патент РФ №2404168 от 20.11.10.], согласно которому эпихлоргидрин обрабатывают трехкратным избытком сульфамата калия в водно-спиртовой среде при температуре 50…53°С и времени выдержки 50…55 часов. Затем реакционную массу разбавляют спиртом, охлаждают и отфильтровывают выпавший избыток сульфамата калия. Фильтрат, содержащий N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамат калия, обрабатывают 30%-ным водным раствором формальдегида и отгоняют спирт и воду под вакуумом при 100°С. К твердому остатку N-(5-хлорметилоксазолидин-1,3)-сульфамата калия добавляют уксусный ангидрид, перемешивают до образования суспензии и нитруют азотной кислотой при температуре 10…25°С. По истечении 30 мин реакционную массу разбавляют водой и N-нитро-5-хлорметилоксазолидин-1,3 экстрагируют хлорорганическими растворителями (дихлорэтаном, или хлороформом, или хлористым метиленом), и очищают после отгонки растворителя путем обработки его 5%-ным раствором едкого натрия при температуре 70…75°С. При этом удаляются такие примеси, как тринитротриазациклогексан и динитрат монохлоргидрина глицерина. Очищенный N-нитро-5-хлорметилоксазолидин-1,3 азидируют азидом натрия при 100°С в среде ДМФА в присутствии активированного угля, а полученный MANO-5 выделяют путем экстракции после разбавления реакционной массы водой хлорорганическими растворителями (дихлорэтаном, или хлороформом, или хлористым метиленом).
Указанный выше способ принят нами в качестве наиболее близкого аналога.
Недостатками аналога являются:
- использование большого избытка сульфамата калия и необходимость удаления его избытка путем фильтрации после добавления спирта;
- использование водно-спиртовой среды для реакции взаимодействия сульфамата калия с эпихлоргидрином;
- использование 30%-ного водного раствора формальдегида для реакции циклизации N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата;
- сложность процесса, связанная с выделением промежуточного продукта путем упаривания воды и спирта под вакуумом;
- использование дорогостоящего растворителя - диметилформамида при реакции азидирования N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3 (MANO-5), не имеющего вышеуказанных недостатков.
Технический результат достигается тем, что в качестве соли сульфаминовой кислоты используют растворимую в эпихлоргидрине триэтиламмониевую соль сульфаминовой кислоты, взаимодействие которой с эпихлоргидрином осуществляют при эквимолярных соотношениях реагентов без использования растворителя, в качестве источника формальдегида для реакции циклизации N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата используют параформ (полимер формальдегида) с уксусной кислотой, и процесс до стадии азидирования ведут без выделения промежуточных продуктов.
Для реакции азидирования N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3 в качестве растворителя применяют воду и процесс азидирования проводят в присутствии катализатора межфазного переноса - солей тетраалкиламмония, например тетрабутиламмоний бромида или триэтилбензиламмоний хлорида.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
- использование растворимой в эпихлоргидрине триэтиламмониевой соли сульфаминовой кислоты вместо сульфамата калия;
- использование сульфамата триэтиламмония и эпихлоргидрина в эквимолярных соотношениях;
- проведение реакции взаимодействия сульфамата триэтиламмония с эпихлоргидрином без растворителя;
- использование в качестве источника формальдегида для реакции циклизации N-(3-хлор-2-гидроксипропил)-сульфамата параформа с уксусной кислотой вместо водного раствора формальдегида;
- проведение реакции до стадии азидирования без выделения промежуточных продуктов;
- применение воды в качестве растворителя при реакции азидирования вместо диметилформамида;
- использование катализатора межфазного переноса для реакции азидирования.
Способ получения N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3 иллюстрируется следующими примерами.
1. Получение N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3.
К 27,28 г (0,14 моль) триэтиламмониевой соли сульфаминовой кислоты добавляют 13,0 г (11,0 мл, 0,141 моль) эпихлоргидрина, поднимают температуру до 62…63°С и перемешивают при этой температуре 16 часов, получают N-(3-xлop-2-гидроксипропил)-сульфамат триэтиламмония.
К полученному продукту добавляют 40 мл ледяной уксусной кислоты и после его растворения при перемешивании и температуре 20…30°С присыпают 5,05 г (0,168 моль) параформа (избыток ~12%). Реакционную массу нагревают до 55…60°С и выдерживают при этой температуре 2 часа.
К полученной реакционной массе приливают 64 мл уксусного ангидрида и охлаждают до 15°С, затем дозируют 42 мл концентрированной азотной кислоты с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы не превышала 30°С. Перемешивают смесь при температуре 25…30°С в течение 40 минут и выливают в смесь 1000 мл воды и льда и 60 г гидроксида натрия. Продукт реакции экстрагируют хлороформом (3×200 мл), объединенные экстракты промывают водой (200 мл), 40%-ным раствором соды (200 мл), водой (2×200 мл) и упаривают в вакууме. Получают 7,53 г (33%) N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3.
2. Получение N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3.
А. К раствору 8,8 г (0,135 моль) азида натрия и 2,16 г (0,00668 моль) тетрабутиламмоний бромида в 32 мл воды при интенсивном перемешивании приливают 7,49 г (0,045 моль) N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, нагревают до 98…100°С и выдерживают при этой температуре 12 часов. Охлаждают до 25°С, отделяют выпавшее масло, а водную часть экстрагируют бензолом (2×20 мл). Экстракты объединяют с маслом, промывают водой (2×20 мл), растворитель отгоняют в вакууме и получают 6,6 г (84,4%) N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3.
Б. К раствору 6,2 г (0,095 моль) азида натрия и 1,52 г (0,00668 моль) триэтилбензиламмоний хлорида в 32 мл воды при интенсивном перемешивании приливают 5,3 г (0,032 моль) N-нитро-5-хлорметилоксазолидина-1,3, нагревают до 98…100°С и выдерживают при этой температуре 20 часов. Охлаждают до 25°С,
отделяют выпавшее масло, а водную часть экстрагируют бензолом (2×20 мл). Экстракты объединяют с маслом, промывают водой (2×20 мл), растворитель отгоняют в вакууме и получают 4,46 г (81,1%) N-нитро-5-азидометилоксазолидина-1,3.