3, 8
Способ получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана
3.8
METHOD FOR PRODUCING 1,3,6,8-TETRAAZATRICYCLO[4.4.1.1]DODECANE

Область техники
3,8
8
16
4
Изобретение относится к области органической химии, конкретно к способу получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана (брутто-формула CHN), который имеет следующую структуру:
3,8
3,8
В научно-технической литературе для 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана известны следующие торговые и общепринятые наименования: теотропин, дезант и тетраметилендизтилентетрамин. Соединение известно своими дезинфицирующими свойствами: оно обладает широким спектром вирусоцидного и бактерицидного действия в отношении грамотрицательных и грамположительных бактерий. Важно отметить, что при этом соединение нетоксично для человека и теплокровных животных. Указанные свойства обуславливают применение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана в качестве дезинфицирующего средства в ветеринарии и для обеззараживания поверхностей.
Уровень техники
3,8
В аналогах настоящего изобретения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекан получают согласно общей схеме:
2
2
2
2
2
8
16
4
2
4 CHO+2 HNCHCHNH=CHN+4 HO
В качестве исходных соединений используют формальдегид и этилендиамин. В уровне техники предложено несколько методик проведения реакции и выделения продукта.
3,8
Известен способ получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, включающий конденсацию этилендиамина и формальдегида (в виде формалина) [RU 2123337 С1, Препарат "теотропин" для дезинфекции объектов санитарного надзора, 20.12.1998]. Согласно известному способу реагенты смешивают в соотношении этилендиамин: формальдегид 1:4, реакцию охлаждают до температуры 10-12°С, выдерживают при этой температуре 4 ч, добавляют КОН или NaOH, осадок отфильтровывают и кристаллизуют. Выход продукта 70%. Указанный способ характеризуется умеренным выходом и дополнительными стадиями, связанными с выделением и очисткой продукта. Представляется также неясным, почему авторы синтеза используют избыток формальдегида.
3,8
3,8
Известен способ получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, включающий конденсацию этилендиамина и формальдегида [RU 2253441 С1, Состав дезинфицирующего средства "дезигрин" и способ получения тетраметилендиэтилентетрамина, 10.06.2005]. Согласно известному способу реакционную смесь перемешивают в течение 60-70 минут при температуре 50°С, затем охлаждают до 18-20°С и выдерживают при этой температуре в течение 12-18 часов. После этого продукт отфильтровывают. Поскольку осаждение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана протекает в течение длительного промежутка времени, необходимы другие подходы к проведению синтеза и выделению продукта.
3,8
3,8
Известен способ получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, включающий взаимодействие суспензии параформальдегида в Ν,Ν-диметилформамиде и этилендиамина [M.B.PEORI, Synthesis and Characterization of Novel Bis-Triazenes: 3,8-Di[2-aryl-l-azenyl]-l,3,6,8-tetraazabicyclo[4.4.l]undecanes and l,3-Di-2-[(4-methoxyphenyl)-l-diazenyl]imidazolidine. The reaction of diazonium ions with ethylenediamine/formaldehyde mixtures, THE JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY, 1998, V. 63, No. 21, p. 7437-7444]. Согласно известному способу реакционную смесь кипятят с обратным холодильником в течение 2 часов, в результате чего твердая суспензия параформальдегида растворяется, давая прозрачный раствор. В этот момент нагревание убирают, и примерно при 60°С начинают образовываться большие количества игольчатых кристаллов. После охлаждения до комнатной температуры твердое вещество выделяют с помощью вакуумной фильтрации. Недостатком указанного способа является трудоемкая процедура выделения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана.
3,8
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, включающий взаимодействие параформальдегида и этилендиамина [A.I.KUZNETSOV, A.H.SHUKKUR, K.KAMARA, Synthesis of 4,5-dihydro-l,6:3,8-dimethano-1,3,6,8-benzotetrazecine, RUSSIAN CHEMICAL BULLETIN, 2008, V. 57, No. 7, p. 1575-1577]. Согласно известному способу параформальдегид добавляют небольшими порциями в течение 6 часов к интенсивно перемешиваемому этилендиамину, не допуская разогрева смеси выше 50°С. Затем реакционную смесь оставляют на 12 часов. Выпавший осадок отфильтровывают и перекристаллизовывают из изопропилового спирта. Из недостатков указанного способа следует отметить значительное время синтеза, умеренный выход и необходимость перекристаллизации.
3,8
Как следует из уровня техники, техническая проблема, которая не была решена ближайшими аналогами, заключается в значительном времени, которое необходимо для полной конверсии исходных соединений и в необходимости включения стадий, связанных с выделением, очисткой или высушиванием образующегося продукта. Указанные недостатки не позволяют реализовать эффективное и экологичное производство 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана.
Настоящее изобретение направлено на устранение указанных недостатков ближайших аналогов.
3,8
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении настоящего изобретения, заключается в разработке простого, безотходного и экологичного способа получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана из доступных исходных соединений.
Раскрытие сущности изобретения
Технический результат, достигаемый в процессе решения поставленной технической проблемы, заключается в
3,8
1) повышении выхода 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана (99-100% выход), обеспечении полной конверсии исходных соединений;
3,8
2) исключении из способа получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана стадий, связанных с выделением и очисткой продукта;
3) исключении из способа получения любых дополнительных реагентов и растворителей.
3,8
Технический результат достигается способом получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, заключающимся во взаимодействии параформальдегида и этилендиамина, при этом реакцию проводят при обработке ультразвуковыми колебаниями с частотой от 23 до 120 кГц.
3,8
Другие наименования 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана: теотропин, дезант, тетраметилендиэтилентетрамин и тетраазатрициклододекан.
3,8
В предпочтительном варианте в способе получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана ультразвуковую обработку завершают после полного растворения параформальдегида или после полного испарения образующейся в ходе реакции параформальдегида и этилендиамина воды.
3,8
В другом предпочтительном варианте в способе получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана этилендиамин и параформальдегид в пересчете на формальдегид используют в молярном соотношении 1:2 (стехиометрические количества).
Заявляемый способ реализуется следующим образом. Кристаллический параформ обрабатывают при перемешивании стехиометрическим количеством этилендиамина, воздействуя на реакционную смесь ультразвуковыми колебаниями. Температура реакционной смеси при этом не регулируется. Реакция завершается в течение 20-30 минут полным растворением параформа.
2
n
Параформальдегид (параформ) представляет собой аморфное вещество формулы (СНО) и слабо в твердом виде взаимодействует с этилендиамином. Поэтому для ускорения реакции и достижения полной конверсии реагентов применяется обработка реакционной смеси ультразвуковыми колебаниями с частотой от 23 до 120 кГц.
Уравнение реакции:
Было найдено, что деполимеризовэнный под воздействием УЗ параформ в виде молекулярного формальдегида количественно связывается этилендиамином. Взаимодействие формальдегида с этилендиамином протекает по следующей схеме:
2
2
2
2
2
8
16
4
2
4 CHO+2 HNCHCHNH=CHN+4 HO
3,8
8
16
4
В результате образуется 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекан CHN.
3,8
3,8
При воздействии на реакционную смесь ультразвуковыми колебаниями с частотой 23-120 кГц выделяется оптимальное количество теплоты реакции, которое способно испарить всю избыточную воду из реакционной смеси за 20-30 минут с получением сухого продукта. Смесь после естественного охлаждения представляет собой однородную кристаллическую массу, идентифицированную по результатам элементного анализа и температуре плавления смешанной пробы как 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекан. Таким образом, достигается ускорение процесса получения 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана, снижение трудоемкости способа (не надо фильтровать продукт), в процессе реакции не образуются побочные продукты, требующие утилизации.
3,8
Необходимость проведения сонохимического процесса подтверждается также результатами холостого опыта без применения ультразвуковых колебаний. Полученный в указанном варианте продукт растворяется в воде только частично (в отличие от известного вещества), имеет температуру плавления значительно ниже температуры плавления известного вещества, а растянутый интервал плавления свидетельствует о наличии примесей в продукте, т.е. полученный в холостом способе продукт не является индивидуальным 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додеканом.
Осуществление изобретения
Заявляемое изобретение подтверждается приведенными ниже примерами, которые не ограничивают объем настоящего изобретения.
3,8
Пример 1. Получение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана заявляемым способом.
Стакан из термостойкого стекла с 60 г (2 моль в пересчете на формальдегид) кристаллического параформа помещали в ультразвуковую ванну и включали ультразвук с частотой 23 кГц. После этого в стакан добавляли 60 г (1 моль) этилендиамина при перемешивании стеклянной палочкой при комнатной температуре. В течение 3 минут развивалась экзотерма до кипения реакционной смеси. Постепенно, в течение 20-25 минут, реакция затухала. Выделяющаяся в процессе взаимодействия вода испарялась, а остывший продукт кристаллизовывался в однородную массу желтоватого цвета со специфическим запахом.
3,8
Получено 84 г продукта. Выход количественный. Достигнута полная конверсия исходных соединений. Дополнительная очистка 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана не потребовалась.
Отсутствие примесей в продукте подтверждено определением температуры плавления пробы в смеси с известным продуктом (приведено в примере 5), а также данными элементного анализа, совпадающими с расчетными (см. таблица 1).
3,8
Пример 2. Получение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана заявляемым способом.
Стакан из термостойкого стекла с 60 г (2 моль в пересчете на формальдегид) кристаллического параформа помещали в ультразвуковую ванну и включали ультразвук с частотой 120 кГц. После этого в стакан добавляли 60 г (1 моль) этилендиамина при перемешивании стеклянной палочкой при комнатной температуре. В течение 2 минут развивалась экзотерма до кипения реакционной смеси. Постепенно, в течение 20-25 минут, реакция затухала. Выделяющаяся в процессе взаимодействия вода испарялась, а остывший продукт кристаллизовывался в однородную массу желтоватого цвета со специфическим запахом.
3,8
Получено 84 г продукта. Выход количественный. Достигнута полная конверсия исходных соединений. Дополнительная очистка 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана не потребовалась.
Отсутствие примесей в продукте подтверждено определением температуры плавления пробы в смеси с известным продуктом (приведено в примере 5), а также данными элементного анализа, совпадающими с расчетными (см. таблица 1).
3,8
Пример 3. Получение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана заявляемым способом.
Стакан из термостойкого стекла с 60 г (2 моль в пересчете на формальдегид) кристаллического параформа помещали в ультразвуковую ванну и включали ультразвук с частотой 60 кГц. После этого в стакан добавляли 60 г (1 моль) этилендиамина при перемешивании стеклянной палочкой при комнатной температуре. В течение 2-3 минут развивалась экзотерма до кипения реакционной смеси. Постепенно, в течение 20-25 минут, реакция затухала. Выделяющаяся в процессе взаимодействия вода испарялась, а остывший продукт кристаллизовывался в однородную массу желтоватого цвета со специфическим запахом.
3,8
Получено 84 г продукта. Выход количественный. Достигнута полная конверсия исходных соединений. Дополнительная очистка 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана не потребовалась.
Отсутствие примесей в продукте подтверждено определением температуры плавления пробы в смеси с известным продуктом (приведено в примере 5), а также данными элементного анализа, совпадающими с расчетными (см. таблица 1).
3,8
Пример 4 (сравнительный). Получение 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекана без ультразвуковой обработки.
В стакан из термостойкого стекла помещали 60 г (2 моль) кристаллического параформа, после чего добавляли 60 г (1 моль) этилендиамина при перемешивании стеклянной палочкой при комнатной температуре. В течение 5-6 минут развивалась экзотерма до кипения реакционной смеси и постепенно, в течение 30-40 минут, реакция затухала. При этом параформ остался частично не растворившимся. После естественного охлаждения продукт представлял собой твердую белую массу с запахом формальдегида.
Температура плавления продукта +148-176°С, что свидетельствует о наличии примесей в продукте.
При экстракции полученного продукта водой большая часть массы растворялась, нерастворимый остаток представлял собой белый порошок, идентифицированный как непрореагировавший параформ.
3,8
В водном экстракте содержался 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекан и непрореагировавший этилендиамин. Продукт выделяли обработкой экстракта насыщенным раствором гидроксида натрия при комнатной температуре.
Количество целевого продукта 59,6 г. Выход 71%.
Количество остаточного параформа 8,4 г. Степень конверсии по параформу 72%.
Пример 5. Определение температуры плавления смешанной пробы продуктов.
Несколько миллиграммов каждого продукта, полученного по примерам 1, 2 и 3, растирали совместно с таким же количеством продукта, полученного по известному способу [A.I.KUZNETSOV, A.H.SHUKKUR, K.KAMARA, Synthesis of 4,5-dihydro-1,6:3,8-dimethano-l,3,6,8-benzotetrazecine, RUSSIAN CHEMICAL BULLETIN, 2008, V. 57, No.7, p. 1575-1577]. Смешанную пробу загружали в стеклянный капилляр, запаянный с нижнего конца, и помещали в прибор Сиволобова. В тот же прибор помещали капилляры, заполненные для сравнения индивидуальными продуктами, полученными по заявляемому и известному способам. При нагревании пробы во всех трех капиллярах плавились одновременно при температуре +196-201°С, что свидетельствует об идентичности продуктов.
3,8
Несколько миллиграммов продукта, полученного по примеру 4, растирали совместно с таким же количеством продукта, полученного по известному способу. Смешанную пробу загружали в стеклянный капилляр, запаянный с нижнего конца, и помещали в прибор Сиволобова. В тот же прибор помещали капилляры, заполненные для сравнения индивидуальными продуктами, полученными по примеру 4, и известному способу. При нагревании проба продукта, полученного по примеру 4, начинала плавиться при+148°С, и полностью расплавлялась при температуре +176°С. Смешанная проба начинала плавиться при температуре +115°С. Проба сравнения, содержащая индивидуальный 1,3,6,8-тетраазатрицикло[4.4.1.1]додекан, полученный по известному способу, в данном интервале не плавилась.