СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ N-МОРФОЛИНОЭТИЛМЕТАКРИЛАТА
METHOD OF PRODUCING N-MORPHOLINOETHYL METHACRYLATE

Изобретение относится к области синтеза органических соединений, а именно к способу получения N-морфолиноэтилметакрилата общей структурной формулы:
N-морфолиноэтилметакрилат широко применяется в стоматологических (дентальных) фотоотверждающихся композициях, в фотополимеризующихся композициях для лазерной стереолитографии, в синтезе биосовместимых сополимеров и для получения гидрогелей.
Перед авторами изобретения стояла задача разработки способа получения N-морфолиноэтилметакрилата, который позволял бы простыми технологическими приемами быстро осуществлять реакцию и получать продукт с высоким выходом при минимальном количестве отходов.
В связи с недостаточностью патентной информации по получению непосредственно N-морфолиноэтилметакрилата, ниже представлены, в качестве примеров, способы получения морфолиноалкил(мет)акрилатов, являющихся его аналогами.
Известен способ получения 2-морфолинопропилметакрилата переэтерификацией метилметакрилата 2-морфолинопропанолом в присутствии метилата натрия (патент Японии № Н1072433, опубл. 17.03.1998). Синтез проводят в реакторе, совмещенном с ректификационной колонной. Реакцию переэтерификации проводят в токе азота при непрерывном отборе азеотропной смеси метилметакрилат - метанол в течение 7,5 часов при температуре 82-90°С. Выход 2-морфолинопропилметакрилата составляет 91,0% масс. (по данным ГЖХ).
В патенте Японии №2006290850, опубликованном 26.10.2006 г, заявлен способ получения N-морфолиноэтилакрилата, переэтерификацией метилакрилата N-морфолиноэтанолом в присутствии катализатора оксида дибутилолова. Синтез проводят в кубе ректификационной колонны в течение 8 ч. при температуре кипения реакционной массы 85-95°С. В процессе переэтерификации сверху колонны непрерывно отбирается часть азеотропа метилакрилата с метанолом, с одновременной подачей во флегму 1% ингибитора в метилакрилате. Выход N-морфолиноэтилакрилата составляет 97,0% масс. (по данным ГЖХ).
Для поддержания постоянного избытка метил(мет)акрилата в зоне реакции в приведенных патентах предлагают отделение метанола из реакционной массы осуществлять методом ректификации совмещенным с синтезом. Поэтому реакцию переэтерификации необходимо проводить при относительно высокой температуре и общее время проведения процесса получения N-морфолиноэтилметакрилата будет лимитироваться временем ректификации. Таким образом, основными недостатками известных способов получения близких аналогов N-морфолиноэтилметакрилата являются сложность аппаратурного оформления, связанная с необходимостью применения реакционно-ректификационной установки, длительность синтеза и высокая температура реакции переэтерификации. Получение мономера в выше указанных условиях существенно повышает вероятность протекания нежелательной спонтанной полимеризации целевого продукта.
Прототипом предлагаемого способа получения N-морфолиноэтилметакрилата является способ его получения путем переэтерификации метилметакрилата N(2-гидроксиэтил)морфолином в реакторной установке, совмещенная с ректификационной колонной, в токе азота и в присутствии фосфата калия при температуре 70-76°С в течение 6 часов и остаточном давлении 300 мбар (патент США, №2012/077977 А, опубл. 29.03.2012). Данный способ обеспечивает получение N-морфолиноэтилметакрилата с выходом 86 масс. %.
Недостатками заявленного в прототипе способа получения N-морфолиноэтилметакрилата являются сложность технологического оформления, относительно высокая температура реакции и продолжительное время синтеза.
Целью предлагаемого изобретения является упрощение технологии получения N-морфолиноэтилметакрилата, снижение температуры, сокращение продолжительности синтеза и увеличение выхода готового продукта.
Для достижения поставленной цели в способе получения N-морфолиноэтилметакрилата, включающем переэтерификацию метилметакрилата N-(2-гидроксиэтил)морфолином при температуре 35-50°С, отгонку метанола в виде азеотропа, избытка метилметакрилата и выделение целевого продукта, синтез проводят в токе азота в течение 3,0-3,5 ч в присутствии катализатора метилата натрия, ингибитора полимеризации и мольном соотношении N-(2-гидроксиэтил)морфолина, метилметакрилата и метилата натрия, равном 1:(4,0-5,0):(0,04-0,08) с общим содержанием влаги в реакционной смеси меньше 0,15% мас. Удаление влаги из исходных реагентов метилметакрилата и морфолиноэтанола осуществляется двумя способами: азеотропная осушка исходной реакционной смеси метилметакрилата и морфолиноэтанола или путем совмещения процесса переэтерификации метилметакрилата с его гидролизом остаточной влагой под действием метилата натрия до метакриловой кислоты, которая в виде натриевой соли будет выпадать в осадок. В общем виде данный процесс можно представить схемой:
Реакцию синтеза в выше указанных условиях проводят в вакуумном дистилляторе при остаточном давлении 90-170 мм. рт.ст., которое обеспечивает эффективное удаление метанола из реакционной смеси в виде азеотропа с метил метакрилатом.
Сущность изобретения иллюстрируется нижеприведенными примерами.
Пример №1
Синтез N-морфолиноэтилметакрилата проводят в колбе вакуумного дистиллятора при постоянном барботаже азота через реакционную массу. Катализатор реакции метилат натрия загружают в реакционную смесь тремя одинаковыми порциями в течение всего синтеза N-морфолиноэтилметакрилата.
В колбу дистиллятора загружают 763,4 г метилметакрилата (7,63 моль), 200,0 г (1,52 моль) N-(2-гидроксиэтил)морфолина (мольное соотношении морфолиноэтанол а и метилметакрилата 1:5,0, общее содержание влаги 0,02% масс.) и 1,5 г ингибитора полимеризации (п-метоксифенол, гидрохинон и др.). Реакционную смесь, нагревают до 50°С и добавляют первую порцию метилата натрия 1,2 г, далее через каждые 40 минут добавляют две последующие порции катализатора по 1,2 г (общее мольное количество катализатора 0,067 моля). Реакцию проводят при остаточном давлении 170 мм. рт.ст. В ходе проведения синтеза из реакционной смеси непрерывно удаляется метанол в виде азеотропа с метилметакрилатом. Общее время реакции составляет 3 часа, по завершении которой из реакционной массы отгоняется избыток метилметакрилата.
Выход N-морфолиноэтилметакрилата составляет 95,0% масс. (по данным ГЖХ).
Из полученной реакционной смеси стандартными методами (дистилляция, ректификация) получен целевой продукт N-морфолиноэтилметакрилат с содержанием основного вещества 97,5% масс.
Пример №2
Синтез N-морфолиноэтилметакрилата проводят в колбе вакуумного дистиллятора при постоянном барботаже азота через реакционную массу.
В колбу дистиллятора загружают 756,0 г метилметакрилата (7,55 моль), 200,0 г (1,52 моль) N-(2-гидроксиэтил)морфолина (мольное соотношении морфолиноэтанола и метилметакрилата 1:5,0; общее содержание влаги 0,15% масс.) и 1,5 г ингибитора полимеризации (п-метоксифенол, гидрохинон и др.). Исходную реакционную смесь нагревают до 50°С и добавляют первую порцию метилата натрия 2,4 г (0,044 моль). Затем через каждые 40 минут добавляют две последующие порции катализатора по 1,2 г (общее мольное количество катализатора 0,089 моля). Реакцию проводят при остаточном давлении 170 мм. рт.ст. В ходе проведения синтеза из реакционной смеси непрерывно удаляется метанол в виде азеотропа с метилметакрилатом. Общее время реакции составляет 3 часа, по завершении которой из реакционной массы отгоняется избыток метилметакрилата.
Выход N-морфолиноэтилметакрилата составляет 93,6% мас. (по данным ГЖХ). Из полученной реакционной смеси стандартными методами (дистилляция, ректификация) получен целевой продукт N-морфолиноэтилметакрилат с содержанием основного вещества 97,2% масс.
Пример №3
Синтез N-морфолиноэтилметакрилат проводят по примеру №1, в качестве метилметакрилата используется отогнанный метилметакрилат с содержанием основного вещества не менее 99,4% масс.
Выход N-морфолиноэтилметакрилата составляет 91,6% мас. (по данным ГЖХ). Из полученной реакционной смеси стандартными методами (дистилляция, ректификация) получен целевой продукт N-морфолиноэтилметакрилат с содержанием основного вещества 97,5% мас.
Концентрационные и температурно-временные параметры реакции переэтерификации метилметакрилата морфолиноэтанолом и выходы N-морфолиноэтилметакрилата представлены в таблице.
Пример №4
Синтез N-морфолиноэтилметакрилат проводят по примеру №2, катализатор метилат натрия в реакционную смесь загружают в один прием.
Выход N-морфолиноэтилметакрилата составляет 94,7% мас. (по данным ГЖХ). Из полученной реакционной смеси стандартными методами (дистилляция, ректификация) получен целевой продукт N-морфолиноэтилметакрилат с содержанием основного вещества 96,3% мае.
Концентрационные и температурно-временные параметры реакции переэтерификации метилметакрилата морфолиноэтанолом и выходы N-морфолиноэтилметакрилата представлены в таблице.
Примеры №№5, 6
Способ получения N-морфолиноэтилметакрилата по примеру №№2, 3 только меняются условия осуществления реакции синтеза. Общее содержание воды в реакционной системе, концентрационные и температурно-временные параметры реакции переэтерификации метилметакрилата N-(2-гидроксиэтил)морфолина и выходы N-морфолиноэтилметакрилата представлены в таблице.
Пример №7 по прототипу
Пример №№8-15 для сравнения
Способ получения N-морфолиноэтилметакрилата по примеру 2, только меняются условия осуществления реакции синтеза за пределами заявляемых. Концентрационные и температурно-временные параметры реакции переэтерификации метилметакрилата морфолиноэтанолом и выходы N-морфолиноэтилметакрилата представлены в таблице.
Способ получения N-морфолиноэтилметакрилата переэтерификацией метилметакрилата N-(2-гидроксиэтил)морфолином в среде метилметакрилата при найденном оптимальном мольном соотношении N-(2-гидроксиэтил)морфолина, метилметакрилата и метилата натрия, равном 1:(4,0-5,0):(0,04-0,08) осуществляется при температуре 35-50°С за 3,0-3,5 часа, что в 2 раза быстрее по времени и существенно ниже по температуре, чем при проведении синтеза по способу, заявленного в прототипе. Выход N-морфолиноэтилметакрилата составляет не менее 91,0 масс. % (см. примеры 1-6 в сравнении 7).
Заявляемый способ получения N-морфолиноэтилметакрилата осуществляется в вакуумном дистилляторе, что значительно упрощает организацию проведения синтеза. Проведение переэтерификации метилметакрилата морфолиноэтанолом в мягком температурном режиме существенно минимизирует риск протекания спонтанной полимеризации продукта.
Проведение реакции при мольном соотношении N-(2-гидроксиэтил)морфолина, метилметакрилата и метилата натрия, равном 1:(4-5):(0,04-0,08) обеспечивает высокий выход N-морфолиноэтилметакрилата. Снижение мольного избытка метилметакрилата (см. пример №10), метилата натрия (см. пример №11) и увеличение влаги в реакционной системе (см. пример №14) приводит к снижению выхода целевого продукта. Увеличение избытка реагентов (см. примеры №12, 13) по сравнению с оптимальным соотношением приводит к повышению расхода сырья, но не влияет на выход N-морфолиноэтилметакрилата и является нецелесообразным, а сокращение времени реакции переэтерификации и температуры синтеза (см. примеры №9, 15) приводит к снижению его выхода.
Предлагаемый способ получения N-морфолиноэтилметакрилата за счет упрощения технологического оформления проведения синтеза, сокращения времени реакции и снижения температуры синтеза позволяет повысить выход N-морфолиноэтилметакрилата, уменьшить трудоемкость процесса и тем самым интенсифицировать процесс.