КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 2,3:4,6-ДИИЗОПРОПИЛИДЕН- α -L-СОРБОФУРАНОЗЫ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК B01J27/19 B01J37/04 C07H3/02 B01J27/19 B01J103/50 

Изобретение относится к химии гетероциклических соединений, в частности к усовершенствованию катализаторов получения 2,3:4,6-диизопропилиден- α -L-сорбофуранозы (диацетонсорбозы, ДАС) формулы

которая используется в медицинской промышленности как полупродукт синтеза витамина C.

В настоящее время ДАС производят реакцией L-сорбозы и ацетона в присутствии олеума, как катализатора [1] Катализатор нейтрализуют в конце каждого цикла реакции. Выход ДАС 75 80% Главный недостаток такого процесса большое количество отходов (главным образом, Na₂SO₄) до 4 кг на 1 кг ДАС.

Предложено проводить синтез ДАС в присутствии, как катализаторов, гетерополикислот (ГПК) состава: H₄SiW₁₂O₄₀•nH₂O, H₃PW₁₂O₄₀•nH₂O, H₅BW₁₂O₄₀•nH₂O, H₄GeW₁₂O₄₀•nH₂O (n 13 30), в количестве 0,015 0,02 кг на 1 кг сорбозы. Выход ДАС до 80% Применение ГПК позволяет исключить образование отходов Na₂SO₄, а образующиеся соли ГПК после соответствующей обработки могут быть возвращены в процесс [2, прототип] Однако способ "соответствующей обработки" не указан. Анализ известных данных по химии ГПК показал, что экологически чистых методов регенерации W-ГПК нет, а известные методы (например, эфирной экстракцией из водного раствора в присутствии HCl или H₂SO₄ [3] ) сопровождаются потерей 20 30% W, использованием посторонних реагентов и столь большим количеством сточных вод, что преимущества применения W-ГПК для синтеза ДАС теряются. Использовать ГПК лишь 1 раз, без регенерации, также экономически не целесообразно. Кроме того, при использовании W-ГПК выход ДАС недостаточно велик.

Изобретение решает задачи разработки более активных катализаторов синтеза ДАС на основе ГПК и метода их приготовления.

Поставленные задачи решаются применением для синтеза ДАС катализаторов на основе фосфорномолибденовых ГПК, полученных с помощью механохимической активации. Наши исследования показали, что ГПК H₃PMo₁₂O₄₀, H₇PMo₁₁O₃₉, H₃PMo₉O₃₁, H₆P₂Mo₅O₂₃ более активны в синтезе ДАС, чем W-ГПК. Причем их активность увеличивается при увеличении отношения Mo P. Однако синтез этих ГПК в индивидуальном виде сложен, а устойчивость их невелика в растворах они находятся в равновесном состоянии друг с другом. Смеси этих ГПК также проявляют высокую каталитическую активность, что позволяет с успехом применять их для синтеза ДАС. Практически полезны катализаторы с суммарным молярным отношением Mo P 3 12. Верхний предел этого отношения соответствует предельной растворимости MoO₃ в растворах H₃PO₄. При Mo:P<3 получаются недостаточно активные катализаторы.

Известен способ синтеза смесей фосфорномолибденовых ГПК с суммарным молярным отношением Mo: P= 1 10 путем взаимодействия MoO₃ и водного раствора H₃PO₄ при 100 140^oC и давлении 0 5 ати в течение 6 24 ч [4, прототип] Недостатки способа: длительность синтеза, большая энергоемкость, необходимость применения гидротермальных условий, невозможность получения катализаторов с высокими отношениями Mo P (по примерам Mo:P≅7,7).

Указанные недостатки преодолеваются, если исходные соединения для синтеза катализаторов предварительно подвергнуть механохимической активации. Исходными соединениями служат оксид молибдена MoO₃ или фазы состава P₂O₅•xMoO₃ (x 6 24), полученные после термической обработки отработанных катализаторов синтеза ДАС. Исходные соединения подвергают механохимической активации в любом аппарате, пригодном для этих целей. Активированный MoO₃ растворяют в растворе H₃PO₄ при молярном отношении Mo:P=3 12. Активированные фазы состава P₂O₅•xMoO₃ растворяют в воде. Растворение производят при перемешивании при температуре 20 100^oC и концентрации в воде исходных соединений 5 50 мас. Время полного растворения 1 30 мин. Уменьшение температуры растворения ведет к резкому увеличению времени синтеза катализатора. Увеличение концентрации исходных соединений свыше 50% приводит к неполному их растворению. После растворения раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор. Выход катализатора 100% по Mo во всех случаях.

Аналогичным способом (при Mo:P=9), но со специфической выдержкой, можно получать индивидуальную ГПК H₆P₂Mo₁₈O₆₂ [5] которая, однако, мало активная и в синтезе ДАС не используется.

Применение механохимической активации исходных соединений позволяет полностью и быстро перевести их в раствор с минимальными затратами энергии.

Практическая полезность предлагаемых катализаторов и метода их синтеза заключается в следующем:
1) увеличение выхода ДАС до 90%
2) уменьшение стоимости катализаторов (Mo дешевле, чем W);
3) экологическая чистота метода синтеза (полное отсутствие отходов, низкая энергоемкость);
4) возможность регенерации и многократного использования катализаторов.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
1) использование в качестве катализаторов получения ДАС смесей фосфорномолибденовых ГПК с суммарным молярным отношением Mo:P=3-12 без их разделения на компоненты;
2) использование для синтеза катализаторов как исходных реагентов MoO₃ и фаз состава P₂O₅•xMoO₃ (x=6 24);
3) предварительная механохимическая активация исходных реагентов.

Активность фосфорномолибденовых катализаторов проверяли в синтезе ДАС, как в [2]
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. 20 г MoO₃ подвергают механохимической активации в центробежной планетарной мельнице при числе оборотов 10 с^-1 в течение 20 мин. Затем MoO₃ суспендируют в 400 мл воды, добавляют 7,72 мл раствора H₃PO₄ концентрации 3 моль/л. Молярное отношение Mo:P 6. Суспензию перемешивают при 20^oC 30 мин, при этом образуется чистый зеленый раствор. Раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор.

Синтез ДАС ведут в термостатируемом реакторе объемом 20 л, снабженном мешалкой и аппаратом Сакслета. В реактор помещают 15 л ацетона, 1 кг сорбозы и полученный катализатор, а в аппарат Сакслета загружают 10 кг цеолита марки NaA. Включают обогрев реактора и доводят смесь до кипения. Перемешивание при кипении продолжают 3 часа. Затем перемешивание прекращают, реактор охлаждают до -20^oC и выдерживают 0,5 ч. Реакционную смесь нейтрализуют 20%-ным раствором аммиака до pH 8. Из раствора отгоняют ацетон. К сиропу добавляют 5 л воды, затем отгоняют под вакуумом 3 л воды с окисью мезитила. Из водного раствора ДАС экстрагируют дихлорэтаном (2 раза по 10 л). Экстракт упаривают досуха и получают 1,156 кг ДАС (выход 80%).

Для идентификации продукта используют метод газо-жидкостной хроматографии. Условия: колонка 2 м x 3 мм, наполненная фазой 10% ПЭГ-3000 на хроматоне N-AW зернения 0,2 0,25 мм, промытой кислотой, температура термостата 195^oC, температура испарителя 250^oC, 60 мл/мин. N₂, датчик ионизации в пламени. Анализ подтвердил, что выделенный продукт ДАС.

Пример 2. 20 г MoO₃ подвергают механохимической активации, как по примеру 1. Затем MoO₃ суспендируют в 200 мл воды, добавляют 5,15 мл раствора H₃PO₄ концентрации 3 моль/л. Молярное отношение Mo:P 9. Суспензию перемешивают при 60^oC 10 мин, при этом MoO₃ полностью растворяется с образованием зеленого раствора. Раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 1,228 кг ДАС (выход 85%).

Пример 3. 20 г MoO₃ подвергают механохимической активации, как по примеру 1. Затем MoO₃ суспендируют в 40 мл воды, добавляют 3,86 мл раствора H₃PO₄ концентрации 3 моль/л. Молярное отношение Mo:P 12. Суспензию нагревают до кипения и перемешивают 2 мин, при этом MoO₃ полностью растворяется. Раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 1,3 кг ДАС (выход 90%).

Пример 4. 20 г MoO₃ подвергают механохимической активации, как по примеру 1. Затем MoO₃ суспендируют в 200 мл воды, добавляют 15,44 мл раствора H₃PO₄ концентрации 3 моль/л. Молярное отношение Mo:P 3. Суспензию перемешивают при 60^oC 10 мин, при этом MoO₃ полностью растворяется с образованием зеленого раствора. Раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 1,055 кг ДАС (выход 73%).

Пример 5. Получают катализатор и используют его в синтезе ДАС, как по примеру 2. Водный раствор, оставшийся после экстракции ДАС дихлорэтаном, упаривают досуха. Сухой остаток прокаливают при 600^oC в течение двух часов и получают 20 г фазы состава P₂O₅•19MoO₃. Фазу подвергают механохимической активации, как по примеру 1. Порошок растворяют в 100 мл воды при перемешивании при 50^oC за 15 мин. Раствор зеленого цвета упаривают досуха и получают сухой катализатор с молярным отношением Mo:P 9.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 1,228 кг ДАС (выход 85%).

Пример 6. Получают катализатор и используют его в синтезе ДАС, как по примеру 3. Водный раствор, оставшийся после экстракции ДАС дихлорэтаном, упаривают досуха. Сухой остаток прокаливают 2 ч при 600^oC и получают 20 г фазы состава P₂O₅•24MoO₃. Фазу подвергают механохимической активации, как по примеру 1. Полученный порошок растворяют в 100 мл воды при перемешивании при 20^oC за 30 мин. Раствор упаривают досуха и получают сухой катализатор с молярным отношением Mo:P 12.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 1,3 кг ДАС (выход 90%).

Пример 7 (сравнительный, по прототипу [4])
20 г MoO₃ суспендируют в 400 мл воды, добавляют 7,72 мл раствора H₃PO₄ концентрации 3 моль/л. Молярное отношение Mo:P 6. Смесь перемешивают при кипении. Полное растворение MoO₃ происходит не менее, чем за 10 ч. Раствор упаривают досуха и получают катализатор, содержащий 30 - 60% ГПК H₆P₂Mo₁₈O₆₂, образовавшейся за счет значительной длительности синтеза.

Активность катализатора в синтезе ДАС проверяют, как по примеру 1. Получают 0,867 кг ДАС (выход 60%).

При увеличении отношения Mo:P > 6 растворение MoO₃ при 100^oC происходит только частично (до достижения отношения Mo:P 6).

Пример 8 (сравнительный). Фазу состава P₂O₅•18MoO₃ получают, как по примеру 4, но не подвергают механохимической активации. Порошок перемешивают в 200 мл кипящей воды. Через 10 ч в раствор переходит 67% фазы с достижением отношения Mo:P 6. Оставшийся в осадке MoO₃ растворить не удается. Таким образом, без предварительной механохимической активации фазы регенерировать фосфорномолибденовый катализатор с отношением Mo:P > 6 невозможно, а регенерация катализаторов с Mo:P=3-6 связана с большими энергозатратами.

Как видно из приведенных примеров, применение фосфорномолибденовых катализаторов позволяет повысить выход ДАС до 90% а применение для их синтеза механохимической активации позволяет резко сократить время синтеза, уменьшить энергозатраты, получать и регенерировать катализаторы с отношениями Mo:P= 6-2.

Предложено использовать для получения 2,3:4,6-ди-изопропилиден- a -L-сорбофуранозы (полупродукт синтеза витамина C) форсфорномолибденовые катализаторы с молярным отношением Mo : P = 3 - 12. Катализаторы синтезируют растворением в воде или растворе фосфорной кислоты фаз состава P₂O₅•xMoO₃ (x = 6 - 24) или MoO₃, предварительно подвергнутых механохимичекой активации, при 20 - 100^oC и концентрации исходных соединений 5 - 50% мас. Применение этих катализаторов позволяет повысить выход продукта до 90% и решить проблему регенерации катализаторов. 2 с. и 1 з.п. ф-лы.

Катализатор для получения 2,3:4,6-диизопропилиден-α-L- сорбофуранозы на основе гетерополикислот, отличающийся тем, что представляет собой смесь фосфорномолибденовых гетерополикислот с суммарным молярным отношением Мо Р=3 12.