ПОЛУЧЕНИЕ 5-МЕТИЛ-2-ПРОПИОНИЛФУРАНА Российский патент 2006 года по МПК C07D307/46 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к синтезу полупродуктов для получения химико-фармацевтических препаратов, в частности мексидола и эмоксипина.

Уровень техники

Метод ацилирования фурана и его производных по реакции Фриделя-Крафтса - известный в промышленности процесс. Обычно он реализуется взаимодействием фурана с ацилирующим агентом, берущимся в избытке, в присутствии кислых катализаторов (кислот Льюиса или протонных кислот, некоторых солей сильных кислот). В лабораторных условиях в качестве катализаторов часто используют ониевые комплексы трехфтористого бора (комплексы с диэтиловым эфиром или уксусной кислотой). В этих случаях реагенты и катализатор смешивают при низкой температуре (приблизительно 0°С), затем проводят реакцию при 65°С - (110-115)°С в течение 15-30 минут, продукт выделяют экстракцией (хлороформом или эфиром) и, после нейтрализации карбоновой кислоты карбонатом натрия, очищают перегонкой. Получают продукт с выходом 52% [Condensations effected by boron fluoride complexes. III. The acylation of certain substituted thiophenes and furans // JACS (1950), 12 (8), 3695-3698], 81% [The acylation of furan and thiophen with aliphatic anhydrides in the presence of boron trifluoride-etherate // J. Org. Chem. (1948), 13, 409-412] и до 92% [Further studies in the acylation of thiophen and furan in the presence of boron fluoride complexes // JACS (1949), 71 (4), 1207-1209] от теоретического.

В [ЕР 0268820 А2 (SUMITOMO CHEMICAL COMPANY LIMITED) опубл. 01.06.1988] предложен способ ацилирования фуранов в среде углеводородов с использованием катализатора - комплекса трехфтористого бора с диэтиловым эфиром. При этом реагенты смешивают при комнатной температуре, реакцию проводят при 50°С в течение 4-7 часов, нейтрализуют карбоновую кислоту карбонатом натрия, продукт упаривают под вакуумом и очищают гель-хроматографией. При этом достигнут выход 5-метил-2-пропионилфурана (41,5-42,8) % от теоретического.

Использование активного и специфичного катализатора позволяет провести процесс быстро и с хорошим выходом при небольшом избытке ацилирующего агента. Недостатком этих способов является использование очень токсичного и дорогого реагента в довольно больших количествах.

Использование концентрированного раствора йодистоводородной кислоты позволяет осуществить процесс еще в более мягких условиях (при 0-25°С) при том же способе выделения (экстракция - нейтрализация карбонатом натрия - перегонка или ректификация). В этом случае достигнут выход 76% [Acylation studies in the thiophene and furan series. I. Iodine and hydriodic acid catalyts JACS (1946), 68 (12), 2639-2641]. Недостатком этого способа является использование очень дорогой и легко окисляющейся при контакте с воздухом йодистоводородной кислоты.

Известны также способы получения ацилфуранов, в т.ч. 5-метил-2-пропионилфурана, ацилированием ангидридом соответствующей кислоты при катализе хлоридами металлов, обладающих свойствами кислот Льюиса - AlCl₃ [Ketonsynthesen in the furanreihe // Helv. Chim. Acta, (1930), 13, 356-360], ZnCl₂ [Acylation studies in the thiophene and furan series. II. Zinc chloride catalyst // JACS (1947), 69 (5), 1012-1013], SnCl₄ [Les dicetones-1,4 a partir des furannes. I. Preparation et caracterisation de queques alcoylfurannes // Bull. Soc. Chim. de France (1957), 12, 1311-1316; Friedel-Crafts-Reaktion von 2-Methylfuran mit gesattigten und α,β-ungesattigten Saureanhydriden // Liebigs Annalen der Chemie, (1985), 10,1935-1950]. В первом случае выход продукта очень незначителен, более мягкие катализаторы ZnCl₂ и SnCl₄ позволяют получить продукт с выходом 50-66% (при традиционном выделении экстракция - нейтрализация - перегонка или ректификация). Применяемые катализаторы ведут к образованию экологически опасных отходов и при недостаточно высоком выходе целевого продукта достаточно дороги.

В [SU 447403 А (Донецкое отделение физико-органической химии Института физической химии АН Украинской ССР), заявл. 16.03.73.] предложено проводить ацилирование фурана в присутствии в качестве катализатора трифторметансульфокислоты (в весовом отношении к фурану 0,004:1) с последующей нейтрализацией реакционной массы карбонатом калия, вакуумной перегонкой при изменяющемся разрежении в интервале от 80 до 10 мм рт.ст. и фракционированием продукта при атмосферном давлении. Выход пропионилфурана достигнут 82,2%. Однако, используемый в этом методе катализатор очень дорог, малодоступен в промышленных количествах, токсичен, создает большие трудности при уничтожении отходов (т.к. при сжигании образует очень токсичные и коррозионноактивные газы). Предложенная процедура выделения целевого продукта технологически сложна и длительна, требует больших затрат энергии.

Наиболее экономичны методы ацилирования, в которых в качестве катализатора используют фосфорную кислоту, при этом в лабораторных условиях удается достичь выход 62% [Acylation studies in the thiophene and furan series. IV. Strong inorganic oxyacids as catalysts // JACS (1947), 69 (12), 3093-3099] - 93% [Synthesis of 3-hydroxy-2-alkylpyridines // Canad. J. Chem. (1953), 31, 564-568]. Недостатком этих методов является использование большого избытка (двукратного) ацилирующего агента, что отчасти связано с использованием водной (85%-ной) фосфорной кислоты, при этом часть ангидрида расходуется на реакцию с водой. В итоге образуется очень много карбоновой кислоты, при нейтрализации которой применяемым в этих методах карбонатом натрия выделяется много углекислоты, и часть продукта неминуемо уносится в виде паров, аэрозоля и пены.

Наиболее близок к заявляемому способ [Synthesis of 3-hydroxy-2-alkylpyridines // Canad. J. Chem. (1953), 31, 564-568], согласно которому проводят синтез при 60°С при мольном соотношении фуран: пропионовый ангидрид: ортофосфорная кислота = 1:2:0,09 в течение двух часов, затем продукты реакции выделяют традиционным способом (см. пример 11), однако ему присущи недостатки:

1. Большой избыток дорогостоящего пропионового ангидрида.

2. Большая длительность собственно реакции синтеза.

3. Длительное, сложное, энергоемкое выделение и очистка целевого продукта, включающее экстракцию хлороформом, нейтрализацию, отгонку растворителя и перегонку под вакуумом продукта.

4. Нейтрализация карбонатом натрия небезопасна (возможен выброс реакционной массы из реактора) и сопровождается уносом с газовым потоком токсичного растворителя и продукта.

Сущность изобретения

В предлагаемом способе вышеперечисленные недостатки устраняются тем, что реагенты одномоментно смешивают в оптимальном для синтеза мольном соотношении 2-метилфуран: пропионовый ангидрид: полифосфорная кислота = 1:(1,02-1,06):(0,025-0,04). При этом при условии отсутствия отвода тепла (адиабатические условия проведения реакции) реакционная смесь за счет экзотермичности реакции самопроизвольно в течение 10 минут разогревается до оптимальной температуры 130-140°С без кипения летучего 2-метилфурана. Через 30 минут компоненты полностью вступают в реакцию, после чего массу при охлаждении нейтрализуют водным раствором основания, не образующего газовую фазу в процессе реакции с пропионовой кислотой (раствором щелочи, аммиака или органических аминов). Концентрацию раствора основания подбирают таким образом, чтобы плотность водно-солевого слоя при температуре выше 60°С превышала плотность продукта, в этом случае происходит быстрое и полное разделение фаз без образования эмульсионных систем.

Целевой продукт отделяют от водной фазы и получают 5-метил-2-пропионилфуран достаточной чистоты для дальнейшей переработки (n²⁰≥1,5080), к примеру, для синтеза 5-метил-2-этил-3-гидроксипиридина. Общее время процесса в производственных условиях составляет 2-2,5 часа, тогда как время синтеза, выделения и очистки продукта по прототипу составляет 20-30 часов. Использование вместо водной фосфорной кислоты полифосфорной позволяет сократить предельно избыток пропионового ангидрида и катализатора, в то же время обеспечивает высокую скорость реакции и достаточную селективность. Использование вместо карбоната натрия не газообразующих растворов оснований исключает потери продукта с газовым потоком. В предлагаемом процессе отсутствует необходимость затрат тепла на нагрев реакционной массы, отгонку растворителя и перегонку продукта, не требуется расход воды на охлаждение обратного холодильника реактора синтеза и прямого холодильника на установке для перегонки. Получаемый на промышленной установке выход продукта не уступает выходу, достигнутому в лабораторных условиях по прототипу.

Найденные условия проведения процесса оптимальны и при отклонении от указанных параметров нужный результат не достигается. Так, при увеличении избытка пропионового ангидрида или снижении количества катализатора оптимальная температура не достигается, и требуется либо дополнительный нагрев реакционной массы и увеличение длительности процесса, либо происходит резкое снижение выхода и качества продукта (см. примеры 8, 9).

Увеличение количества катализатора приводит к более резкому подъему температуры, что сопровождается вскипанием реакционной массы и ведет к потере части 2-метилфурана; соответственно снижается выход продукта, а также резко возрастает количество окрашенных побочных продуктов (см. пример 10).

Проведение процесса при отсутствии адиабатических условий ведет к снижению выхода продукта, значительному увеличению времени процесса, усложнению аппаратурной схемы и возрастанию энергозатрат. Процесс в этом случае становится трудноуправляемым, что увеличивает вероятность аварий (см. примеры 16, 17).

Применение для нейтрализации массы обычно используемых с этой целью карбонатов и бикарбонатов щелочных и щелочноземельных металлов вместо указанных в формуле изобретения реагентов приводит к вспениванию реакционной массы и потере части продукта с газовым потоком.

Деление слоев при температуре ниже 60°С невозможно, т.к. образуется устойчивая эмульсия (см. пример 12). При делении слоев выше 90°С реакционная масса кипит и деление становится невозможным.

При превышении температуры в процессе нейтрализации пропионовой кислоты выше 90°С реакционная масса кипит и часть щелочного агента теряется (см. пример 13).

Снижение концентрации щелочного агента ниже оптимальной приводит к тому, что в условиях процесса плотность водно-солевого слоя становится равной плотности продукта, что также ведет к образованию устойчивых эмульсий (см. пример 18). Еще большее снижение концентрации щелочного агента приводит к значительному увеличению объема реакционной массы вследствие сильного разбавления, при этом требуется охлаждение до 20-30°С для более качественного деления слоев, в результате чего увеличивается время процесса, снижается производительность оборудования (см. пример 19).

Найденный катализатор - полифосфорная кислота с содержанием фосфорного ангидрида 73-81% наиболее активен в процессе. При снижении содержания фосфорного ангидрида ниже 73% (см. примеры 9, 22) и увеличении выше 81% (см. примеры 20, 21) резко снижается скорость процесса, выход и качество продукта. Полифосфорную кислоту с параметрами, определяющими ее применимость для данного процесса, можно получить либо смешением водных растворов ортофосфорной кислоты с фосфорным ангидридом, либо термической дегидратацией (упариванием) растворов ортофосфорной кислоты. В последнем случае (см. пример 24) процесс проводят до достижения температуры в реакционной массе 260-320°С. При меньшей температуре дегидратация ортофосфорной кислоты не завершается, и полученный катализатор не позволяет провести процесс без образования побочных продуктов (см. пример 9). При превышении температуры упаривания свыше 320°С начинает интенсивно разрушаться стекло, кислотостойкие эмалевые покрытия, а также тефлон, что делает невозможным проведение процесса без применения очень дорогих конструкционных материалов. Кроме того, если при температуре ниже 320°С в газовой фазе над поверхностью полифосфорной кислоты присутствуют только пары воды, то при температуре выше 320°С начинается интенсивное выделение токсичных кислых газов (см. пример 24). Указанные эффекты делают целесообразным проведение дегидратации ортофосфорной кислоты до достижения температуры 260-320°С.

Использование в качестве щелочных агентов аммиака или органических аминов позволяет легко выделить из водно-солевого слоя амин (с использованием его далее в указанном процессе) и пропионовую кислоту известными методами с получением экологически безопасного раствора неорганических солей (см. пример 15). При использовании растворов гидроокисей калия или натрия аналогично из водно-солевого слоя выделяют пропионовую кислоту. При использовании водного раствора аммиака или едкого калия получают водно-солевой слой, который может найти применение в сельском хозяйстве соответственно как азотно-фосфорное или фосфорно-калийное удобрение (см. пример 14).

Таким образом, в предлагаемом решении выход 5-метил-2-пропионилфурана составляет выше 93%, чистота продукта (n²⁰≥1,5080) соответствует справочным данным для чистого продукта [Les dicetones-1,4 a partir des furannes. I. Preparation et caracterisation de queques alcoylfurannes // Bull. Soc. Chim. de France (1957), 12, 1311-1316], при общей продолжительности процесса 2-2,5 часа и отсутствии энергозатрат на нагрев реакционной массы и конденсацию паров. Кроме того, в процессе отсутствуют токсичные газовые выбросы и не утилизируемые отходы.

Изобретение иллюстрируют примеры:

Пример 1 (предлагаемый процесс в промышленном варианте).

В стеклянном реакторе объемом 30 л смешивают при 20°С 15 кг (115,3 моля) пропионового ангидрида и 9,2 кг (112,06 моль) 2-метилфурана, затем одномоментно приливают полифосфорную кислоту (4,065 моль в пересчете на фосфорный ангидрид), приготовленную из 450 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 300 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес.). При этом масса приобретает зеленоватый цвет, и температура в течение 10 минут самопроизвольно возрастает до 135°С (при отсутствии охлаждения). Дают выдержку при перемешивании при температуре 125-135°С в течение 30 минут; затем охлаждают массу до 80°С, приливают одномоментно 1,6 кг воды, за 15 минут охлаждают до 60°С; затем в течение 30 минут приливают 8 л 25%-ного раствора аммиака, температура к концу поднимается до 80°С. Отключают охлаждение и перемешивание, через 10 минут делят слои. Получают 14,430 кг 5-метил-2-пропионилфурана, n²⁰=1,5103. Выход 93,2% (от теоретич. в пересчете на 2-метилфуран). Общее время процесса 1 час 55 минут.

Пример 2 (предлагаемый процесс в лабораторных условиях).

4-х горлую колбу объемом 3 литра, снабженную эффективной мешалкой (фторопластовая лопасть), термометром и капельной воронкой, теплоизолируют асбестовой тканью. Затем в нее помещают 1,5 кг (11,53 моль) пропионового ангидрида и 0,92 кг (11,206 моль) 2-метилфурана; и, при интенсивном перемешивании, одномоментно вносят полифосфорную кислоту (0,347 моль в пересчете на фосфорный ангидрид). Для приготовления полифосфорной кислоты 80 г 85%-ной ортофосфорной кислоты упаривают до достижения температуры в растворе полифосфорной кислоты 300°С, с последующим охлаждением до 120°С (содержание фосфорного ангидрида 77,9% вес). Температура реакционной массы в течение 9 минут поднимается до 140°С; дают тепловую выдержку в течение 1 часа. Затем снимают теплоизоляцию, в боковое горло колбы помещают охлаждаемый проточной водой стеклянный змеевик и колбу дополнительно охлаждают обдувом вентилятора. Через 10 минут температура падает до 80°С, при этой температуре приливают 60 мл дистиллированной воды и продолжают охлаждение. Через 8 минут температура массы опускается до 60°С, и при прежнем режиме через капельную воронку приливают 900 мл 25%-ного раствора аммиака. Прилив ведут таким образом, чтобы температура к концу прилива достигла 80°С; время прилива 16 минут. Отключают перемешивание и прекращают охлаждение, через 10 минут делят слои. Получают 1,490 кг 2-метил-5-пропионилфурана, n²⁰=1,5090, содержание основного вещества 96,8% (методом оксимирования). Выход продукта по 100% веществу на 2-метилфуран 93,2% от теории.

Пример 3 (предлагаемый процесс в лабораторных условиях).

3-х горлую колбу объемом 1 литр, снабженную эффективной мешалкой, термометром и капельной воронкой, теплоизолируют ватой и асбестовой тканью. Затем в нее помещают 150 г (1,15 моль) пропионового ангидрида и 92 г (1,12 моль) 2-метилфурана, затем при интенсивном перемешивании одномоментно вносят полифосфорную кислоту (0,04 моль в пересчете на фосфорный ангидрид), полученную из 4,5 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 3,0 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес). Температура реакционной массы от 20°С за 10 минут поднимается до 142°С; дают выдержку при интенсивном перемешивании 1 час. После выдержки теплоизоляцию снимают, колбу охлаждают обдувом вентилятора. При 80°С вносят 20 мл воды, при достижении температуры 60°С начинают прилив 10%-ного раствора NaOH с такой скоростью, чтобы к концу прилива температура реакционной массы поднялась до 80°С. Всего приливают 450 г раствора щелочи. Выключают перемешивание и прекращают охлаждение, через 10 минут разделяют слои. Получают 150 г 2-метил-5-пропионилфурана; n²⁰=1,5100, содержание 95,9% (метод оксимирования), выход 92,9% от теории.

Пример 4

Синтез проводят аналогично примеру 3, но для нейтрализации используют 450 г 15%-ного раствора КОН. Получают 151 г 2-метил-5-пропионилфурана, n²⁰=1,5080, содержание 96,3%, выход 93,9% от теории.

Пример 5.

Синтез проводят аналогично примеру 3, но для нейтрализации используют 120 г 30%-ного раствора метиламина. Получают 156 г 2-метил-5-пропионилфурана, n²⁰=1,5080, содержание 94,3%, выход 95,0% от теории.

Пример 6.

Синтез проводят аналогично примеру 3, но для нейтрализации используют 180 г 20%-ного раствора этилендиамина. Получают 155 г 2-метил-5-пропионилфурана, n²⁰=1,5085, содержание 93,9%, выход 94,0% от теории.

Пример 7.

Синтез проводят аналогично примеру 3, но для нейтрализации используют 250 г 20%-ного раствора диметиламина. Получают 156 г 2-метил-5-пропионилфурана, n²⁰=1,5095, содержание 94,6%, выход 95,3% от теории.

Пример 8 (увеличение избытка пропионового ангидрида).

Синтез проводят аналогично примеру 2, но в качестве реактора берут колбу объемом 6 л, в которую загружают 0,92 кг (11,2 моль) 2-метилфурана, 2,912 кг (22,374 моль) пропионового ангидрида и полифосфорную кислоту (0,406 моль в пересчете на фосфорный ангидрид), полученную из 45 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 30,0 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес). Температура реакционной массы в течение 26 минут поднимается до 115°С; при этой температуре массу выдерживают 1 час. Для осуществления нейтрализации расходуется 1,7 л 25%-ного раствора аммиака (до рН водного слоя 8). Получают 0,96 кг продукта с n²⁰=1,4880 и содержанием 5-метил-2-пропионилфурана 56,6% (метод оксимирования). Полученный продукт для дальнейшего синтеза непригоден без очистки методом вакуумной ректификации.

Пример 9 (снижение содержания фосфорного ангидрида в катализаторе ниже 73% вес.).

Синтез проводят аналогично примеру 2, но в качестве катализатора используют 45 г (0,195 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) 85%-ной ортофосфорной кислоты (содержание фосфорного ангидрида 61,6% вес). Температура в течение 18 минут поднимается до 109°С. Получают в результате синтеза 1,080 кг продукта с n²⁰=1,490 и содержанием 5-метил-2-пропионилфурана 72,8%. Продукт непригоден для дальнейшего использования без очистки.

Пример 10 (увеличение количества катализатора).

Синтез проводят аналогично примеру 2, но в качестве катализатора используют 0,813 моль полифосфорной кислоты, полученной из 90 г ортофосфорной кислоты и 60 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес). Через 3 минуты после смешения температура достигает 120°С, масса вскипает и значительная часть в виде пены выбрасывается из реактора. Максимальная температура остатка через 10 минут 156°С. В результате синтеза получают черный продукт, коэффициент преломления измерить невозможно, содержание основного вещества 96,4%; количество 0,568 г.

Пример 11 (по прототипу).

В 4-х горлой колбе объемом 3 литра, снабженной мешалкой, термометром и капельной воронкой, смешивают 781 г пропионового ангидрида (6 моль) и 246 г 2-метилфурана (3 моль); смесь подогревают до 40°С и приливают 60 г (0,26 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) 85%-ной ортофосфорной кислоты (содержание фосфорного ангидрида 61,6% вес). Температура в течение 38 минут поднимается до 62°С; при температуре 60-62°С массу выдерживают 2 часа (используя подогрев на водяной бане). После этого реакционную массу охлаждают, и при охлаждении через капельную воронку приливают в течение 1 часа 1,2 л воды. Отделяют органический слой и переносят в емкость с 6,5 л 10%-ного раствора Na₂СО₃; первые порции приливают осторожно, т.к. масса сильно вспенивается. Раствор оставляют на 24 часа; к концу процесса при перемешивании не должно наблюдаться выделение газа. К смеси добавляют 1 л хлороформа, перемешивают, отделяют; затем дополнительно экстрагируют 0,5 л хлороформа водную фазу. Хлороформные экстракты объединяют, промывают 1 раз водой (1 л), оставляют на 12 часов с 100 г безводного сульфата натрия. После этого хлороформ отгоняют при помощи роторно-пленочного испарителя; остаток дважды перегоняют в вакууме (10 мм рт.ст.) с использованием колонки длиной 200 мм, заполненной кольцами Рашига. Получают 1,456 кг продукта с n²⁰=1,5099, содержанием основного вещества 92,4%. Выход 5-метил-2-пропионилфурана 92,4% от теории. Общее время процесса более 54 часов.

Пример 12.

Синтез проводят аналогично примеру 1, но после прилива аммиака продолжают охлаждение до 30°С. Получается устойчивая эмульсия, стабилизированная мелкими кристаллами пропионата аммония, разделить которую не удается.

Пример 13.

Синтез проводят аналогично примеру 1, но прилив аммиака ведут с большой скоростью, при этом температура возрастает до 105°С и масса интенсивно кипит, при этом создается загазованность аммиаком. В результате синтеза получают 16,860 кг продукта, n²⁰=1,4860, содержание основного вещества 84,7%, продукт без дополнительной обработки не пригоден для дальнейшего синтеза.

Пример 14 (использование водного слоя в качестве удобрения).

После синтеза 5-метил-2-пропионилфурана по примеру 1 в качестве отхода получают 19,360 кг водно-солевого раствора, содержащего по результатам анализа 7,7 вес.% N в виде солей аммония, и 1,3 вес.% Р в виде фосфата аммония. К горячему раствору приливают 19,4 л воды, получают раствор, содержащий 3,85 вес.% N и 0,65 вес.% Р, рН 8,1; раствор содержит незначительное количество окрашенных продуктов (производных фурана). Полученный раствор вносят в период вегетации под луговые травы (преимущественно разнотравье с преобладанием видов Phleum pratence L., Calamagrostis epigeios, Dactylis glomerata L., Poa pratensis L. и др.), в количестве 200 мл/м², что соответствует 9 г азота/м² и 2,6 г фосфора/м². Внесение раствора не сопровождается повреждением зеленой части растений в отличие от раствора аммиака с идентичным содержанием азота, полностью уничтожающего наземные части растений. Через месяц срезают растения с 1 м² опытного участка и 1 м² контрольного участка. Получают в первом случае 256 г зеленой массы со значительно более выраженным темно-зеленым цветом, во втором случае 216 г, т.е. увеличение массы составило 18,5%. Таким образом, водно-солевой слой после синтеза 5-метил-2-пропионилфурана представляет собой ценное азотно-фосфорное удобрение.

Пример 15 (извлечение из водного слоя ценных компонентов).

Собирают установку из следующих элементов:

1. Колба-реактор объемом 6 л, снабженная мешалкой с герметичным сальником, капельной воронкой и газоотводной трубкой.

2. Системы ловушек, исключающих перебрасывание растворов.

3. Колба-поглотитель объемом 3 л, снабженная барботером (соединенным через систему ловушек и газоотводную трубку с колбой-реактором), термометром и эффективной мешалкой. Колба охлаждается смесью льда и соли.

В колбу-реактор переносят горячий водно-солевой слой (полученный в опыте по примеру 3); в колбу-поглотитель помещают 700 мл воды и охлаждают при перемешивании до 5°С. Затем к содержимому колбы-реактора приливают 1500 мл 40%-ного раствора гидроокиси натрия с такой скоростью, чтобы пену не перебрасывало в ловушки, прилив ведут при интенсивном перемешивании. Выделяющийся аммиак поглощается во второй колбе, при этом температура раствора поднимается, охлаждением поддерживают ее в пределах (+5)±(+10)°С. После слива всей щелочи, в колбе-поглотителе получают 820 мл раствора аммиака с концентрацией 26,8%, пригодного для использования в синтезе.

К солевому слою в колбе-реакторе приливают 1 л бензола, затем при охлаждении медленно при помощи капельной воронки приливают 1,2 л концентрированной серной кислоты; при этом содержимое колбы интенсивно перемешивают. После слива серной кислоты делят слои, получают 1820 мл раствора пропионовой кислоты в бензоле с содержанием последней 46,8%; пригодной для синтеза хлорангидрида или ангидрида пропионовой кислоты.

Водный слой содержит практически только неорганические соли и не нуждается в термическом обезвреживании.

Пример 16 (проведение процесса в промышленном варианте в адиабатических условиях).

Синтез проводят в эмалированном стальном реакторе объемом 63 л. Реактор снабжен якорной мешалкой, термодатчиком и загрузочным люком. С внешней стороны рубашки обечайка теплоизолирована минеральной ватой слоем толщиной 60 мм. Реактор может через рубашку охлаждаться подачей воды, при этом предусмотрена возможность слива воды из рубашки.

В реактор, предварительно освободив рубашку от теплоносителя, загружают 19,0 кг (231,4 моль) 2-метилфурана и 32,0 кг (245,87 моль) пропионового ангидрида, затем включают мешалку и одномоментно приливают 1,15 кг (0,2065 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) полифосфорной кислоты, приготовленной из 700 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 450 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес). Полифосфорную кислоту используют свежеприготовленную с температурой 110°С. Температура реакционной массы в течение 10 минут поднимается до 130,5°С. Содержимое реактора перемешивают в течение 30 минут и затем в рубашку реактора подают воду. Через 12 минут температура реакционной массы достигает 90°С, при этой температуре приливают 1 л дистиллированной воды. При 80°С начинают прилив аммиака с такой скоростью, чтобы температура реакционной массы поддерживалась в интервале 75-95°С; всего приливают 20 л 25%-ного раствора аммиака в течение 17 минут. В конце прилива щелочного агента закрывают подачу воды в рубашку реактора и освобождают ее от теплоносителя; перемешивание продолжают 10 минут и затем останавливают мешалку. Через 20 минут (температура реакционной массы сохраняется на уровне 80°С) отстоявшиеся слои разделяют. Верхний (органический) слой взвешивают и анализируют. Получают 30,4 кг 5-метил-2-пропионилфурана с n²⁰=1,5109, выход 95,1% от теоретического. Весь процесс, включая загрузку реагентов и деление слоев, проведен за 1 час 49 минут.

Пример 17 (проведение процесса в промышленном варианте при исключении адиабатических условий).

Промышленная установка исполнена на основе реактора по примеру 16. Реактор дополнительно снабжен обратным стеклянным холодильником площадью 0,4 м² и системой, обеспечивающей циркуляцию теплоносителя через рубашку реактора (термостат и теплообменник на линии теплоносителя, при необходимости охлаждаемый водой).

В реактор загружают 19,0 кг (231,4 моль) 2-метилфурана и 32,0 кг (245,87 моль) пропионового ангидрида, включают мешалку. Открывают подачу охлаждающей воды на обратный холодильник и на теплообменник на линии теплоносителя, включают термостат (насос циркуляции теплоносителя). Загружают 1,15 кг (0,2065 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) полифосфорной кислоты, приготовленной из 700 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 450 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 76,96% вес). Полифосфорную кислоту используют свежеприготовленную с температурой 110°С. Температура реакционной массы от 20°С медленно, в течение часа, поднимается до 44°С, затем начинает снижаться. Закрывают подачу воды на теплообменник на линии теплоносителя, устанавливают на термостате задание 120°С и включают ТЭНы. Температура реакционной массы поднимается, при 86°С масса начинает интенсивно кипеть. Для снижения интенсивности кипения выключают мешалку и циркуляцию теплоносителя. Через 48 минут температура в массе поднимается до 98°С, кипение становится незначительным. На термостате устанавливают задание 160°С, включают осторожно мешалку и циркуляцию теплоносителя. Через 39 минут температура массы достигает 130°С. Выдерживают реакционную массу при температуре 130-135°С и перемешивании в течение часа. При этом масса продолжает незначительно кипеть, конденсат возвращается по каплям. По окончании выдержки выключают нагрев на термостате, открывают воду на теплообменник на линии теплоносителя и далее процесс проводят аналогично примеру 16. Получают 22,6 кг 5-метил-2-пропионилфурана с n²⁰=1,4998, выход 70,7% от теоретич. Весь процесс, включая загрузку реагентов и деление слоев, проведен за 9 час 06 минут.

Пример 18 (влияние снижения концентрации щелочного агента).

Синтез проводят аналогично примеру 1, но в качестве щелочного агента используют аммиачную воду с содержанием 18,0% аммиака в количестве 12 л. По окончании прилива щелочного агента получают мелочно-белую эмульсию, которая при охлаждении не разделяется (образуется густая суспензия из продукта, водного раствора солей, мелких кристаллов солей).

Пример 19 (влияние снижения концентрации щелочного агента).

Синтез проводят аналогично примеру 1, но в качестве щелочного агента используют 5%-ный раствор аммиака в количестве 20 л. Реактор используют объемом 63 л (вместо 30 л по опыту 1). Щелочной агент приливают при непрерывном охлаждении. По окончании прилива щелочного агента массу охлаждают до 20°С и отключают мешалку. Слои разделяются через 2,5 часа. Отделяют нижний слой (5-метил-2-пропионилфуран), при этом продукт содержит эмульгированную воду. Получают 12,6 кг 5-метил-2-пропионилфурана, выход 81,4% от теории, n²⁰=1,5010. Общее время процесса 8,2 часа.

Пример 20 (влияние увеличения содержания фосфорного ангидрида в катализаторе до 81,0% вес.)

Синтез проводят аналогично примеру 16, но в качестве катализатора используют 1,2 кг (6,829 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) полифосфорной кислоты, приготовленной из 0,6 кг 85%-ной ортофосфорной кислоты и из 0,603 кг фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 81,0% вес). Процесс протекает аналогично примеру 16, но скорость подъема температуры меньше - максимальная температура 130°С достигается через 36 минут. Получают 29,8 кг 5-метил-2-пропионилфурана, выход 93,2% от теории, n²⁰=1,5080.

Пример 21 (влияние увеличения содержания фосфорного ангидрида в катализаторе до 88,7% вес.)

Синтез проводят аналогично примеру 16, но в качестве катализатора используют 1,096 кг (6,829 моль в пересчете на фосфорный ангидрид) метафосфорной кислоты (содержание фосфорного ангидрида 88,7%), которую вводят в виде расплава, нагретого до 120°С. Реакционная масса вначале нагревается до 43°С вследствие смешения реагентов, затем температура растет очень медленно и через 2,5 часа достигает максимального значения 96°С. Дают тепловую выдержку в течение 1 часа и далее процесс проводят аналогично примеру 16. Получают 22,5 кг 5-метил-2-пропионилфурана, выход 70,4% от теории, n²⁰=1,5115.

Пример 22 (влияние снижения содержания фосфорного ангидрида в катализаторе до 73,0% вес.).

Синтез проводят аналогично примеру 16 (пропионовый ангидрид берут в количестве 30,8 кг - 326,65 моль), но в качестве катализатора используют 1,2 кг кислоты, полученной смешением 843 г 85%-ной ортофосфорной кислоты и 357 г фосфорного ангидрида (содержание фосфорного ангидрида 73,0%). Температура возрастает до 131°С в течение 17 минут, далее процесс проводят аналогично примеру 16. Получают 29,7 кг 5-метил-2-пропионилфурана, выход 92,9% от теории, n²⁰=1,5065.

Пример 23 (минимальное количество катализатора, обеспечивающее получение требуемых результатов)

Процесс проводят по примеру 16, но количество катализатора (с содержанием фосфорного ангидрида 76,6%) уменьшают до 1,073 кг (5,789 моль в пересчете на фосфорный ангидрид). При этом наблюдается максимальный подъем температуры до 128,6°С, в остальном процесс протекает аналогично. Получают 29,8 кг 5-метил-2-пропионилфурана, выход 93,2% от теории, n²⁰=1,5078.

Пример 24 (получение полифосфорной кислоты дегидратацией ортофосфорной кислоты).

Круглодонную колбу из стекла "Пирекс" объемом 6 л с широким горлом помещают в баню со сплавом Вуда. В колбу загружают 3 л 85%-ной ортофосфорной кислоты и 1-2 кусочка фарфора. Баню нагревают на мощной электроплите. Периодически измеряют температуру в реакционной массе и отбирают пробы, в которых известным методом определяют содержание фосфорного ангидрида. При 260°С содержание фосфорного ангидрида составляет 73,0%, при 300°С - 77,9%, при 320°С - 79,6%. При дальнейшем нагревании начинают выделяться белые токсичные пары и происходит быстрое разрушение стекла, что делает невозможным дальнейшее проведение процесса. Для использования в качестве катализатора продукт дегидратации охлаждают до 100-120°С.

Изобретение относится к способу получения 5-метил-2-пропионилфурана, являющегося полупродуктом синтеза широко известного антиоксиданта 2-этил-5-метил-3-оксипиридина и его солей, применяемых в технике, сельском хозяйстве и медицине (препараты "эмоксипин", "мексидол" и др.). Способ заключается в том, что процесс ацилирования проводят одномоментным смешением реагентов и катализатора - полифосфорной кислоты в адиабатических условиях, при мольном соотношении 2-метилфуран: пропионовый ангидрид: полифосфорная кислота = 1:(1,02-1,06):(0,025-0,04); при этом температура самопроизвольно возрастает до оптимальной 130-140°С, при которой проводят тепловую выдержку 30-60 минут. Реакционную массу охлаждают и выделяют чистый продукт нейтрализацией образовавшейся в результате реакции пропионовой кислоты водным раствором щелочного агента, не выделяющего газ при реакции нейтрализации. Технический результат - этот способ позволяет за общее время всего процесса 2-2,5 часа получить с минимальными энергозатратами 5-метил-2-пропионилфуран с выходом более 93% достаточной чистоты (т²⁰=1,5080, содержание более 96%), при отсутствии токсичных газовых выбросов и не утилизируемых отходов. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ получения 5-метил-2-пропионилфурана по реакции Фриделя-Крафтса ацилированием 2-метилфурана пропионовым ангидридом при катализе фосфорной кислотой, отличающийся тем, что процесс проводят одномоментным смешением реагентов и катализатора (полифосфорной кислоты) в адиабатических условиях при мольном соотношении 2-метилфуран: пропионовый ангидрид: полифосфорная кислота (в пересчете на Р₂O₅) = 1:(1,02-1,06):(0,025-0,04) и выделяют чистый продукт нейтрализацией образовавшейся в результате реакции пропионовой кислоты водным раствором щелочного агента, не выделяющего газ при реакции нейтрализации, и имеющим концентрацию, обеспечивающую получение водно-солевого слоя с плотностью, большей плотности 5-метил-2-пропионилфурана, при этом процесс нейтрализации и деление слоев проводят при 60-90°С.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве щелочного агента, не выделяющего газ при реакции нейтрализации, используют водные растворы аммиака, органических аминов, гидроокисей натрия или калия.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полифосфорной кислоты используют продукт реакции ортофосфорной кислоты и фосфорного ангидрида с содержанием фосфорного ангидрида 73-81 вес.%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве полифосфорной кислоты используют продукт, получаемый термической дегидратацией ортофосфорной кислоты нагревом до 260-320°С в открытом сосуде.