Способ получения 3,5-диметилпиридина
METHOD OF PRODUCING 3,5-DIMETHYLPYRIDINE

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 3,5-диметилпиридина (3,5-лутидина).
3,5-Диметилпиридин является важным интермедиатом при синтезе противоязвенных препаратов (омепразол, лансопразол, рабепразол) [1. S. Shimizu, N. Watanabe, Т. Kataoka, Т. Shoji, N. Abe, S. Morishita, H. Ichimura. Pyridine and pyridine derivatives. Encyclopedia of industrial chemistry. 2012, vol. 30, p. 558-589; 2. Shinkichi Shimizua, Nobuyuki Abe, Akira Iguchi and Hiroshi Sato. Synthesis of pyridine bases: general methods and recent advances in gas phase synthesis over ZSM-5 zeolite // Catalysis Surveys from Japan, 1998, 2, p. 71-76], ингибиторов коррозии, как катализатор при реакциях сшивки эпоксидов, как высокотемпературный растворитель [3. Henry G.D. De novo synthesis of substituted pyridines // Tetrahedron, 2004, 60, p. 6043-6061; 4. Reddy K.S.K., Scrinivasa Kannan C., Raghavan K.V. Catalytic vapor phase pyridine synthesis: A process review // Catal. Surv. Asia, 2012, 16, p. 28-35; и др.].
Известны различные способы получения 3,5-лутидина. Один из первых способов получения 3,5-лутидина взаимодействием аммиака с пропиональдегидом и диэтоксиметаном упоминается в патенте [5. Пат. США №2,851,461]. К недостаткам этого способа относится низкий выход 3,5-лутидина, кроме того, исходные вещества являются труднодоступными.
Запатентован [6. Пат. США №3,803,152] способ получения 3,5-диметилпиридина реакцией 2-метиленпропан-1,3-диола или его сложных эфиров с аммиаком, метиламином или диметиламином в присутствии различных минеральных или органических кислот или аммонийных солей этих кислот. 3,5-диметилпиридин получали с выходом 10-58%. Реакцию проводили в титановом автоклаве при 210-250°C, давлении 50-55 атм, в течение 3-10 ч.
Известен способ получения диалкилпиридинов из триметилолалканов и аммиака (метиламина или диметиламина) в присутствии полярного растворителя и кислотных катализаторов при 180-600°C в течение 6-10 ч [7. Пат. США №3,689,496]. В качестве катализатора могут быть использованы органические и неорганические кислоты или аммонийные соли этих кислот. При взаимодействии 1,1,1-триметилолэтана с аммиаком в среде метанола под действием хлорида аммонии выход 3,5-лутидина достигает 45,7% (270°C, 10 ч).
Существенным недостатком указанных способов является применение в качестве катализаторов сильных минеральных или органических кислот, что приводит к образованию кислотных стоков и коррозии оборудования.
Известен способ получения 3,5-лутидина взаимодействием ацетилена, метанола и аммиака [8. Ishiguro and Kuboto, J. Pharm. Soc. Japan 72, 987 (1952)]. Выход 3,5-лутидина очень низкий.
2
3
2
2
3
2
3
2
2
2
Описан способ получения 3,5-лутидина и 3-пиколина [9. Пат. EP №0929523 B1] взаимодействием 2-метил-1,5-пентандиамина с водородом или со смесью водорода с инертным газом в присутствии оксидного катализатора (AlO, SiO, γ-ΑlO, Y-AlO/SiO, TiO, ZrO) или смеси оксидов. Реакцию проводят в U-образном стеклянном реакторе, в котором одно колено большего диаметра содержит стеклянные шарики и работает как испарительная секция. Второе колено меньшего диаметра, и в него помешен катализатор. Реакцию проводят при 350-550°C. Выход 3,5-лутидина составляет 10-25 мас. % от выходного потока, остальное представляет собой 3-пиколин и/или непрореагировавший 2-метил-1,5-пентандиамин.
Наиболее распространенные способы получения пиридинов основаны на взаимодействии карбонильных соединений (альдегидов и/или кетонов) с аммиаком.
Так, 3,5-лутидин может быть получен реакцией масляного альдегида с аммиаком [10. М. Prostenik, L. Filipovir. Arhiv. Khem. 21, 175-181 (1949)]. Недостатком этого способа является то, что основным продуктом реакции является 2-пропил-3,5-диэтилпиридин, а 3,5-лутидин образуется в качестве побочного продукта.
В реакции ацетальдегида, формальдегида, пропиональдегида и аммиака 3,5-лутидин образуется с выходом 9% при 440°C [11. Пат. США №4,481,361 A; 12. Пат. США №3,946,020]. Еще более низкий выход (0,5-3%) 3,5-лутидина наблюдали при взаимодействии ацетальдегида, формальдегида и аммиака.
Описан способ получения 3,5-диметилпиридина газофазной реакцией аммиака и метакролеина [13. Пат. Великобритании №654,443]. Выход 3,5-лутидина очень низкий.
Достичь более высокого выхода и селективности образования 3,5-диметилпиридина позволило применение кислотных катализаторов.
4
2
4
В патенте [14. Пат. США №4,429,131] описан способ получения 3,5-лутидина в присутствии анионов органических или неорганических кислот. Реакция пропиональдегида, формальдегида и этанола в присутствии водного раствора гидрофосфата аммония (ΝΗ)ΗΡO проходит с образованием 3,5-лутидина с выходом 38-48%. При использовании водного раствора ацетата аммония выход 3,5-лутидина составляет 44%, а гидрофосфата калия - 28,8%. Взаимодействие 1,1-диэтоксипропана и диметоксиметана в присутствии раствора гидрофосфата аммония приводит к образованию 3,5-лутидина с выходом 48,6%. Реакцию проводят в автоклаве при 230-232°C и давлении 210-470 кПа. К недостаткам способа относится повышенное давление, а также применение анионов органических или неорганических кислот в большом количестве, что приводит к образованию кислых стоков и коррозии оборудования.
-1
3,5-Лутидин образуется при взаимодействии альдегидов (формальдегида, ацетальдегида или пропиональдегида) с аммиаком в присутствии алюмосиликатов, промотированных галогенидами аммония [12. Пат. США №3,946,020]. Максимального выхода 3,5-лутидина (54,7%) достигали при взаимодействии формальдегида, пропиональдегида и аммиака (мольное соотношение 1:2:3) при 440°C, объемной скорости подачи сырья 372 ч.
-1
2
5
2
В ряде работ показана высокая каталитическая активность цеолитов для получения 3,5-лутидина. Авторы [15. S.J. Kulkarni, R. Ramachandra Rao, Y.V. Subba Rao. Synthesis of 3,5-lutidine from propionaldehyde over modified ZSM-5 catalysts // Applied Catalysis A: General, 1996, 136, p. 1-6] проводили синтез 3,5-диметилпиридина, используя в качестве сырья пропиональдегид, формальдегид и аммиак, на цеолите H-ZSM-5, модифицированном различными металлами: Pb, Pt, Pd, Sm, La, Ti/K, Fe/Cr. Выход 3,5-диметилпиридина составляет 55-59%. Максимальный выход (около 59%) и конверсия пропиональдегида (89,7%) в присутствии цеолита PbZSM-5 (400°C, объемная скорость подачи сырья 0.5 ч, мольное соотношение CHCHO:CHO=1:1). Конверсия пропиональдегида в этих условиях достигала 68%.
-1
3
7
2
3
Синтез 3,5-диметилпиридина реакцией пропанола-1, формальдегида, метанола и аммиака в присутствии модифицированного катионами металлов цеолита H-ZSM-5 описан в работе [16. R. Ramachandra Rao, N. Srinivas, S.J. Kulkarni, M. Subrahmanyam, K.V. Raghavan. A new route for the synthesis of 3,5-lutidine over modified ZSN-5 catalysts // Applied Catalysis A: General, 1997, 161, р. 37-42]. Показано, что 3,5-диметилпиридин образуется с селективностью 90.5% (при конверсии н-пропанола 97.6%) при 400°C, объемной скорости подачи сырья 0.25 ч, мольном соотношении н-CHOH:CHO:CHOH=1:0.9:0.9 в присутствии цеолита LaZSM-5. В случае использования 2-пропанола селективность образования 3,5-диметилпиридина снижается до 20%.
Следует отметить, что синтез пентасилов ZSM-5 довольно сложен, требует использования дорогостоящих темплатов. Кроме того, в способах [9, 12] в качестве растворителя используется метанол, который, как известно, является сильным нервным и сосудистым ядом с резко выраженным кумулятивным эффектом.
-1
2
5
2
Кроме цеолита H-ZSM-5 для получения 3,5-лутидина реакцией альдегидов и кетонов с аммиаком использовали цеолит H-Beta [17. Пат. США №5,780,635]. При взаимодействии пропиональдегида и формальдегида с аммиаком выход 3,5-лутидина составляет 44,6% при 450°C, объемной скорости подачи сырья 0.6 ч, мольном соотношении CHCHO:CHO=1:2. Конверсия пропиональдегида в этих условиях достигает 99%.
Наиболее близким к заявляемому способу получения 3,5-лутидина является способ, описанный в патенте [5. Пат. США №2,851,461], согласно которому 3,5-лутидин синтезируют реакцией формальдегида, пропанола-1 и аммиака в присутствии аморфного алюмосиликатного катализатора при 250-500°C и атмосферном давлении. Выход 3,5-лутидина составляет 3,5-39% при конверсии пропанола 15-29% (350-400°C).
Недостатками данного способа является низкая конверсия и невысокий выход 3,5-лутидина.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения 3,5-диметилпиридина с более высоким выходом и селективностью.
-1
Решение поставленной задачи достигается тем, что способ получения 3,5-диметилпиридина осуществляют путем газофазной конденсации пропанола-1 с формальдегидом и аммиаком в присутствии кристаллического алюмосиликата - гранулированного без связующих веществ цеолитного катализатора Y в Η-форме (цеолит HY-БС). Реакцию проводят при температуре 250-450°C и объемной скорости подачи сырья (w), равной 2-7 ч атмосферном давлении. Мольное соотношение пропанол:формальдегид:аммиак составляет 1,0:0,2-2,0:1,5-5,0. Формальдегид и аммиак используют в виде водных растворов 37% и 28% соответственно.
Катализатор имеет кристаллическую решетку цеолита Y (структурный тип FAU). Особенностью предлагаемого катализатора является его пористая структура, которая состоит из микропористой структуры самого цеолита Y и мезопористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов цеолита. Благодаря присутствию мезо- и макропор в кристаллической решетке катализатора облегчен доступ реагирующих молекул к активным центрам цеолита, локализованным внутри пор, и транспорт продуктов реакции из катализатора в объем реакционной массы.
Применение цеолита Y-БС в синтезе 3,5-лутидина неизвестно.
-1
Сравнительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от прототипа тем, что в процессе синтеза 3,5-диметилпиридина реакцией пропанола-1 с формальдегидом и аммиаком используют гранулированный без связующих веществ цеолитный катализатор HY-БС. Синтез осуществляют при 250-450°C, преимущественно при 400°C, атмосферном давлении, с объемной скоростью подачи сырья 2-7 ч. Конверсия пропанола-1 составляет - 31-76%, селективность образования 3,5-лутидина достигает 90%.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
4
3
+
+
2
2
В качестве катализатора используют гранулированный без связующих веществ цеолит Y-БС, синтезированный в Na-форме по методу, приведенному в [18. Патент РФ №2456238]. Декатионированием из раствора ΝΗΝΟ и последующим прокаливанием при 540°C цеолит NaY-БС переводят в Η-форму со степенью декатионирования ионов Na на Η - 95%. В процессе ионного обмена с промежуточными термообработками аморфизация кристаллического каркаса цеолита не происходит. Удельная поверхность образцов, определяемая методом ртутной порометрии, составляет 4-7,5 м/г, а объем пор 0,21-0,32 см/г. Транспортные поры, в основном, представлены порами с радиусом 50-100 нм и 100-1000 нм.
-1
2
3
Реакцию взаимодействия пропанола-1, формальдегида и аммиака проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора HY-БС при температуре 250-450°C, атмосферном давлении, с объемной скоростью подачи сырья (w) 2-7 ч, в токе азота. Мольное соотношение пропанол-1:CHO:NH изменяют в пределах 1,0:0,2-2,0:1,5-5,0. Продукты собирают в охлаждаемый льдом приемник. Из реакционной массы продукты экстрагируют диэтиловым эфиром и анализируют.
Количественный анализ реакционной массы осуществляют методом газожидкостной хроматографии на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором. Условия анализа: стальная насадочная колонка длиной 3 м, неподвижная фаза - 15% полиэтиленгликоля на хроматоне HMDS, температура анализа 50-180°C с программированным нагревом 8°C/мин, температура детектора 200°C, температура испарителя 200°C, газ-носитель - гелий - 30 мл/мин.
Идентификацию продуктов осуществляют сравнением хромато-масс-спектров и хроматографического поведения выделенных и эталонных соединений (пиколинов и лутидинов).
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
2
3
3
-1
ПРИМЕР 1. Сырье (10 мл смеси пропанола-1, водных растворов формальдегида (37%) и аммиака (28%) в мольном соотношении пропанол-1:CHO:NH=1.0:0.2:1.5) подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора HY-БС (1 см) с помощью шприцевого микронасоса при 400°C, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 7 ч, в токе азота. Продукты собирают в охлаждаемый льдом приемник, расположенный в нижней части установки. По окончании синтеза реактор продувают азотом в течение 30 минут. Из реакционной массы, состоящей из водного и органического слоев, продукты экстрагируют диэтиловым эфиром, после чего анализируют методом газожидкостной хроматографии.
ПРИМЕР 2-10. Аналогично примеру 1.
Условия и результаты примеров представлены в таблице 1. «Легкие» - соединения, пики которых на хроматограмме выходят до пиридина; «тяжелые» - соединения с температурой кипения 180°C.
Таблица 1
Синтез 3,5-диметилпиридина взаимодействием пропанола-1 с формальдегидом и аммиаком в присутствиицеолитного катализатора HY-БС
№
Условия реакции
Конверсия пропанола, %
Селективность образования, %
Мольное соотношение C<sub>3</sub>H<sub>7</sub>OH:CH<sub>2</sub>O:NH<sub>3</sub>
T, °C
w, ч<sup>-1</sup>
Легкие
α-Пиколин
β-Пиколин
2,6-Лутидин
3,5-Лутидин
3,4-Лутидин
Другие лутидины
Тяжелые
1
1:0,2:1,5
400
7
32
1
0,5
6
1
70
6
5.5
11
2
1:0,4:1,5
400
7
35
5
1
8,5
1
59
7
6
12,5
3
1:1,2:1,5
400
7
40
9
0,5
10
2
46
11
6
15,5
4
1:2:1,5
400
7
56
14
0,5
11,5
1,5
43
10
2
17,5
5
1:0,8:5
450
7
76
-
-
5,5
-
65
15
0,5
14
6
1:0,8:5
400
7
50
0,5
0,5
7
0,5
69
14
-
8,5
7
1:0,8:5
350
7
39
0,5
0,5
5
0,5
74
11,5
1,5
6,5
8
1:0,8:5
300
7
35
0,5
2
2
2,5
90
2
-
1
9
1:0,8:5
300
2
35
1
0,5
3
-
84
4
4
3,5
10
1:0,8:5
250
2
31
0,5
2
6,5
-
73
-
18
-