Способ получения орто- и пара-аминофенолов
METHOD FOR OBTAINING ORTHO- AND PARA-AMINOPHENOLS

Изобретение относится к органической химии, конкретно к синтезу орто- и пара-аминофенолов, которые являются важным сырьем для химической и фармацевтической промышленности. Так, орто-аминофенол используется в составе красителя для меха, в фотографии как проявитель, в синтезе некоторых лекарственных препаратов. Пара-аминофенол используется как компонент красителей для меха, черно-белый проявитель в фотографии, в синтезе лекарственных препаратов, в частности парацетамола.
Известен двухстадийный способ получения орто- и пара-аминофенолов. На первой стадии проводят нитрование фенола, на второй - восстановление соответствующего нитрофенола в присутствии железных опилок в кислой среде (А.Е. Чичибабин «Основные начала органической химии», т. II).
Нитрофенолы, в свою очередь, можно получить нитрованием фенола [US 3663261 (1973), US 3517075 (1971), US 3510527 (1971)], гидроперекиси кумола [US 3388173 (1968)], из нитрохлорбензола [US 3263011 (1966)], окислением нитрозофенола [пат. СРР 53445 (1971), RU 2076095 (1997)].
Так, при нитровании фенола нитрующей смесью, состоящей из азотной, серной кислот и оксидов азота [US 3663261 (1973), US 3517075 (1971)] либо жидкими оксидами азота в азотной кислоте [US 3510527 (1971)] получают смесь орто- и пара-нитрофенолов с выходом 17 и 73% соответственно. Недостатком данного метода является использование токсичных оксидов азота.
При нитровании гидроперекиси кумола смесью азотной кислоты и оксидов азота в хлороформе также получают смесь орто- и пара-нитрофенолов с выходами 30 и 7% соответственно [US 3388173 (1968)]. Недостатками этого метода наряду с использованием токсичных оксидов азота является применение неустойчивой гидроперекиси кумола, а также необходимость разделения орто- и пара-нитрофенолов перегонкой с водяным паром.
Согласно [US 3263011 (1966)] при нагревании 4- или 2-нитрохлорбензолов в автоклаве в 2-4%-ном водном растворе щелочи при 160°С при непрерывном продувании воздухом получают соответствующий нитрофенол. Недостатком данного способа получения нитрофенолов является проведение процесса под давлением, а также неселективность нитрования хлорбензола, требующая разделения орто- и пара-изомеров перегонкой с водяным паром.
2
4
2
Пара-нитрофенолы можно также получить окислением пара-нитрозофенола. Так, по [пат. СРР 53445 (1971)] пара-нитрозофенол окисляют азотной кислотой, а согласно [RU 2076095 (1997)] - 33% перекисью водорода в присутствии катализатора NaWO⋅2НО. Общим недостатком метода является труднодоступность исходного пара-нитрозофенола, кроме того в первом случае происходит выделение токсичных оксидов азота в ходе окисления, а во втором - используется дорогостоящий и токсичный катализатор.
3
Пара-нитрозофенол можно восстановить до пара-аминофенола в этилацетате в присутствии катализатора Pd/C при давлении водорода 2,0-4,- атм и температуре 20-50°С [RU 2461543 (2012)]. Недостатком метода является проведение процесса под давлением, использование дорогостоящего катализатора (Pd), а также экологически небезопасных растворов концентрированных кислот (HCl, HNO) и щелочей.
Известен способ получения аминофенолов путем фотоокисления ароматических аминов кислородом при облучении видимым светом в водно-органическом растворителе в присутствии активных и стабильных фотосенсибилизаторов, представляющих собой замещенные фталоцианины [RU 2567552 (2015)]. Выход п-аминофенола составляет 70%. Однако данный способ предполагает использование сложного специального оборудования - лазера или светодиодов.
Наиболее близким к заявляемому способом получения орто- и пара-аминофенолов является двухстадийный процесс, на первой стадии которого анилин окисляют персульфатом аммония в щелочной среде при 40-60°С, в присутствии 0,01-0,03 вес% фталоцианинового катализатора окисления (фталоцианина кобальта, железа (II), железа (III), марганца, никеля или цинка), с последующим охлаждением реакционной смеси, выделением промежуточных 4(2)-аминофенилсульфатов. При гидролизе последних в кислой среде при 85-95°С получают смесь орто- и пара-аминофенолов, из которой орто-аминофенол выделяют экстракцией хлороформом. Пара-аминофенол остается в водной фазе. В зависимости от продолжительности окисления анилина выход и соотношение образующихся орто- и пара-изомеров варьируется. Максимальный выход пара-аминофенола (72%) достигается при продолжительности окисления анилина 15 ч, при этом их реакционной смеси выделен также орто-аминофенол (13%) (Заявка на патент РФ №2021130569).
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в увеличении выхода целевых соединений.
Поставленная задача решается предлагаемым способом получения орто- и пара-аминофенолов. Анилин окисляют персульфатом аммония (ПСА) или калия (ПСК) или натрия (ПСН), в щелочной среде при мольном соотношении Анилин:NaOH:ПСА (ПСК, ПСН) равном 1:5:1,5 при 40-50°С в течение 2-18 ч при непрерывном барботировании воздухом. Затем реакционную смесь охлаждают до комнатной температуры, гидролизуют соляной кислотой при 85-95°С и получают смесь о- и п-аминофенолов, из которой экстракцией хлороформом выделяют о-аминофенол (о-АФ) (выход до 30%), п-аминофенол (п-АФ) остается в водной фазе (выход до 72%). Следует отметить, что продолжительность окисления анилина (2-15 ч) влияет на соотношение орто- и пара-аминофенолов, выделяемых после гидролиза промежуточных 4(2)-аминофенилсульфатов (табл.). Так, при окислении анилина в течение 15 ч из реакционной смеси выделен только один изомер - пара-аминофенол с выходом 72% (табл. 1, п. 6).
Сущность заявленного технического решения подтверждается примерами конкретного выполнения.
Пример 1. Получение орто- и пара-аминофенолов (табл. 1, п. 3)
3
4
В трехгорлой колбе, снабженной барботером, обратным холодильником и механической мешалкой, перемешивают 5 мл (0,055 моль) анилина в 30 мл дистиллированной воды при 40°С до полного растворения анилина, затем в реакционную смесь приливают раствор 11 г NaOH (0,275 моль) в 70 мл воды и прикапывают раствор 18,7 г (0,082 моль) персульфата аммония в 40 мл воды. После полного прибавления персульфата аммония начинают барботаж воздуха. Реакционную смесь перемешивают при температуре 40°С в течение 6 ч при непрерывном барботировании воздухом, охлаждают до комнатной температуры, экстрагируют этилацетатом (2×30 мл) для удаления непрореагировавшего анилина. В водную фракцию прикапывают 3,34 мл (0,11 моль) соляной кислоты, нагревают до 90°С и выдерживают при этой температуре при постоянном перемешивании в течение 3 ч, контролируя по ТСХ (элюент этанол:аммиак 4:1), охлаждают до комнатной температуры, подщелачивают раствором NaHCO до рН 7-8, экстрагируют хлороформом (3×20 мл), органический слой сушат MgSO, после удаления растворителя получают 1,8 г (30%) орто-аминофенола в виде темно-коричневых кристаллов. В пересчете на исходный анилин выход орто-аминофенола составляет 30%.
пл
3
2
3
2
1
13
Орто-аминофенол (3). Кристаллы темно-коричневого цветы. Т = 172-175°С. Спектр ЯМР Н (CDCl, δ, м.д.): 4.4 (2Н, уш. с, NH), 6.42 (1Н, м, H-5), 6.54-6.58 (2Н, м, ArH), 6.64 (1Н, м, H-6). Спектр ЯМР С (CDCl, δ, м.д.): 115.21 (C-6), 116.17 (C-3), 118.98 (C-4), 120.47 (C-5), 134.02 (C-NH), 144.62 (C-OH).
Водную фазу упаривают досуха, остаток растворяют в этиловом спирте, этанольный экстракт упаривают при пониженном давлении и получают 1,2 г (20%) пара-аминофенола в виде светло-коричневых кристаллов. В пересчете на исходный анилин выход пара-аминофенола составляет 20%.
пл
6
2
6
2
1
13
Пара-аминофенол (4). Кристаллы светло-коричневого цвета. Т = 185-188°С. Спектр ЯМР Н (DMSO-d, δ, м.д.): 4.37 (2Н, уш. с, NH), 6.37-6.44 (2Н, м, ArH), 6.44-6.50 (2Н, м, ArH), 8.33 (1Н, уш. с, ОН). Спектр ЯМР С (DMSO-d, δ, м.д.): 115.90, 116.08 (4 СН, ArH), 140.97 (C-NH), 148.80 (C-OH).
Таблица 1. Зависимость выхода орто- и пара-аминофенолов от продолжительности окисления, окислитель - персульфат аммония (мольное соотношение Анилин:NaOH:ПСА 1:5:1,5; температура 40°С), при барботировании воздухом*
№ п/п
Время реакции, ч
Выход АФ, %
общий
о-АФ
п-АФ
1
2
28
20
8
2
4
43
30
13
3
6
50
30
20
4
8
61
18
43
5
10
65
10
55
6
15
72
-
72
7
18
70
-
70
Таблица 2. Зависимость выхода орто- и пара-аминофенолов от продолжительности окисления, окислитель - персульфат калия (мольное соотношение анилин:NaOH:ПСК 1:5:1,5; температура 40°С) при барботировании воздухом
№ п/п
Время реакции, ч
Выход АФ, %
общий
о-АФ
п-АФ
1
2
23
18
5
2
4
35
25
10
3
6
40
25
15
4
8
45
15
30
5
10
52
8
44
6
15
68
-
68
7
18
65
-
65
Таблица 3. Зависимость выхода орто- и пара-аминофенолов от продолжительности окисления, окислитель - персульфат натрия (мольное соотношение анилин:NaOH:ПСН 1:5:1,5; температура 40°С) при барботировании воздухом
№ п/п
Время реакции, ч
Выход АФ, %
общий
о-АФ
п-АФ
1
2
20
15
5
2
4
29
22
7
3
6
35
23
12
4
8
40
12
28
5
10
46
6
40
6
15
60
-
60
7
18
58
-
58
Таблица 4. Зависимость выхода орто- и пара-аминофенолов от температуры и продолжительности окисления, окислитель - персульфат аммония (мольное соотношение анилин:NaOH:ПСА 1:5:1,5)*
№ п/п
Время реакции , ч
Температура, <sup>о</sup>С
Выход АФ, %
общий
о-АФ
п-АФ
1
15
20
12
6,5
5,5
2
5
40
18
11
7
3
15
40
35
18
17
4
5
50
18
10
8
5
15
50
33
16
17
6
5
60
15
9
6
7
15
60
25
12
13
* - реакция проводилась без барботирования воздухом
Таким образом, предложен способ получения орто- и пара-аминофенолов, позволяющий увеличить выход легкоразделяемых целевых орто- и пара-аминофенолов, соотношение которых возможно варьировать в зависимости от продолжительности окисления анилина.