СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 4-АМИНОДИФЕНИЛАМИНА И ЕГО ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ Российский патент 2006 года по МПК C07C209/36 C07C209/38 C07C211/55 

Настоящее изобретение относится к способу получения промежуточных соединений 4-аминодифениламина и алкилированных производных 4-аминодифениламина.

4-Аминодифениламины широко используют в качестве промежуточных соединений при производстве алкилированных производных, которые используют в качестве антиозонантов и антиоксидантов, в качестве стабилизаторов мономеров и полимеров, а также в многообразных специальных применениях. Например, при гидроалкилировании 4-аминодифениламина (4-ADPA) метилизобутилкетоном получают N-(1,3-диметилбутил)-N'-фенил-п-фенилендиамин, который используют как антиозонант для защиты разнообразных продуктов на основе каучуков.

Производные 4-аминодифениламина могут быть получены различными способами. Наиболее интересным синтезом является реакция необязательно замещенного анилина с необязательно замещенным нитробензолом в присутствии основания, который раскрыт, например, в патенте США 5608111 (Stern et al.) и патенте США 5739403 (Reinartz et al.). В патенте США 5608111 описывается способ получения необязательно замещенного 4-ADPA, в котором на первой стадии необязательно замещенный анилин и необязательно замещенный нитробензол, в присутствии основания, вступают в реакцию (сопряженную). В демонстративных примерах анилин и нитробензол взаимодействуют в присутствии гидроксида тетраметиламмония в качестве основания, а воду и анилин удаляют в виде азеотропной смеси в процессе реакции сочетания.

Международная публикация WO 00/35853 раскрывает способ получения промежуточных соединений 4-аминодифениламина посредством реакции анилина с нитробензолом в жидкой среде, где реакционная система состоит из раствора солей истинных цвиттерионов с гидроксидами. Примером служит комбинация гидроксида калия и бетаингидрата. Реакция может происходить в присутствии свободного кислорода.

Публикация ЕР 566783 раскрывает способ получения 4-нитродифениламина взаимодействием нитробензола с анилином в среде полярного апротонного растворителя в сильнощелочной реакционной системе. В данном способе используют межфазный катализатор, такой как гидросульфат тетрабутиламмония. Как требуется в указанной ссылке, эту реакцию необходимо проводить в атмосфере, в которой отсутствует кислород, чтобы предотвратить нежелаемые побочные реакции, вызываемые окислением.

В патенте США N 5117063 и международной публикации WO 01/14312 описываются способы получения 4-нитродифениламина и 4-нитрозодифениламина, при использовании различных оснований, включая гидроксиды тетраалкиламмония, используемые сами по себе, или неорганическое основание, используемое совместно с краун-эфиром в качестве межфазного катализатора. Описано использование аэробных условий, в том числе и на примерах. В меньшей степени упоминают азобензол в реакциях, протекающих в анаэробных условиях и использующих анилин в качестве растворителя, или применение аэробных условий при использовании в качестве растворителя ДМСО и других аналогичных растворителей.

В патенте США N 5612483 описывается способ получения нитрозамещенных ариламинов, в том числе и 4-нитродифениламина, включающий взаимодействие ариламина с нитроариламином, в присутствии оснований, при введении кислорода в полярные растворители. Патент констатирует, что реакции приводят к хорошим выходам соответствующих аминов при использовании простых оснований, предпочтительно, неорганических оснований.

Патент США N 6140538 раскрывает способ получения необязательно замещенного 4-аминодифениламина, включающий взаимодействие необязательно замещенного анилина и необязательно замещенного нитробензола, в присутствии воды и основания, при контроле содержания воды, гарантирующем, что молярное соотношение воды и загружаемого основания составляет не менее чем приблизительно 4:1 при начале реакции сочетания, и не менее чем приблизительно 0,6:1, в конце реакции сочетания, приводящей к получению 4-нитродифениламина и/или 4-нитрозодифениламина и/или их солей. За реакцией сочетания следует реакция гидрирования, где продукт реакции сочетания гидрируют в присутствии катализатора гидрирования и добавляемой воды, таким образом, чтобы гарантировать, что по окончании гидрирования молярное соотношение суммарной воды и основания составляло, по крайней мере, приблизительно 4:1. Получают водную и органическую фазы и необязательно замещенный 4-аминодифениламин регенерируют из органической фазы, а водную фазу, содержащую основание, повторно используют.

В патенте США 6395933 описывается способ получения одного или нескольких промежуточных продуктов 4-аминодифениламина, включающий стадии приведения в химически активный контакт анилина или производного анилина и нитробензола и взаимодействие анилина и нитробензола в закрытой зоне при соответствующих времени и температуре, в присутствии смеси, содержащей сильное основание, пригодный межфазный катализатор и оксидант. Некоторые межфазные катализаторы, такие как гидроксиды тетраалкиламмония, могут также выполнять функцию сильного основания. Приведены примеры, которые показывают увеличение селективности реакций в присутствии воздуха или перекиси водорода, при использовании КОН в качестве сильного основания и хлорида тетраметиламмония в качестве межфазного катализатора. Пример с перекисью водорода не обозначает оптимального количества перекиси при изменении мольного соотношения, H₂O₂/NB, от 0 до 1,0, тогда как с возрастанием мольного соотношения степень превращения устойчиво падает. Отсутствовали примеры оксиданта с межфазными катализаторами, который также выполняет функцию сильного основания.

Целью настоящего изобретения является предоставление наилучшего способа получения одного или нескольких промежуточных соединений 4-ADPA взаимодействием анилина и нитробензола, в присутствии сильного органического основания, или его эквивалента, и оксиданта, содержащего перекись водорода.

В итоге, основной вариант осуществления настоящего изобретения касается способа получения 4-аминодифениламина, содержащего нижеследующие стадии:

а) взаимодействие в закрытой зоне анилина или его производного и нитробензола в присутствии смеси, содержащей основание и оксидант, содержащий перекись водорода в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,60 моль перекиси водорода, приходящихся на число молей нитробензола, для получения, по крайней мере, одного промежуточного соединения 4-аминодифениламина; и

b) восстановление промежуточного соединения до 4-аминодифениламина, и

c) необязательное, гидроалкилирование 4-аминодифениламина до алкилированного производного 4-аминодифениламина.

Следующий вариант осуществления изобретения относится к способу получения промежуточного соединения 4-аминодифениламина, включающему стадию взаимодействия анилина или его производного и нитробензола в закрытой зоне, в присутствии смеси, содержащей основание и оксидант, включающий перекись водорода в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,60 моль перекиси водорода на число молей нитробензола.

В других вариантах осуществления настоящего изобретения заключаются данные о реакционных смесях, соотношениях компонентов, отдельных сильных органических основаниях и условиях реакции, все они раскрыты далее в нижеследующем обсуждении каждой из граней настоящего изобретения.

Настоящее изобретение направлено на способ получения промежуточных соединений 4-ADPA, как описано выше, который обладает наилучшей селективностью и дает наилучший выход данных промежуточных соединений. Такие промежуточные соединения включают 4-нитрозо-и/или 4-нитродифениламины (p-NDPA и 4-NDPA, соответственно) и их соли. Промежуточные соединения затем могут быть подвергнуты гидрированию с получением 4-аминодифениламина.

Хотя анилин наиболее эффективно соединяется с нитробензолом, отдельные производные анилина, включающие такие амиды, как форманилид, фенилмочевина и карбанилид, а также тиокарбанилид или их смеси, могут заменять анилин или использоваться совместно с анилином для получения промежуточных соединений 4-ADPA.

Хотя реагенты в способе по изобретению обозначают как "анилин" и "нитробензол" и, в случае получения 4-ADPA, эти реагенты в действительности являются анилином и нитробензолом, понятно, что такие реагенты могут также включать замещенный анилин и замещенный нитробензол. Типичные примеры замещенных анилинов, которые могут быть использованы согласно способу по настоящему изобретению, включают, в числе прочих, 2-метоксианилин, 4-метоксианилин, 4-хлоранилин, п-толуидин, 4-нитроанилин, 3-броманилин, 3-бром-4-аминотолуол, п-аминобензойную кислоту, 2,4-диаминотолуол, 2,5-дихлоранилин, 1,4-фенилендиамин, 4,4'-метилендианилин, 1,3,5-триаминобензол и их смеси. Типичные примеры замещенных нитробензолов, которые могут быть использованы согласно способу по настоящему изобретению, включают, в числе прочих, о- и м-метилнитробензол, о- и м-этилнитробензол, о- и м-метоксинитробензол и их смеси.

Молярное соотношение анилина и нитробензола в способе по настоящему изобретению не является особенно существенным, способ будет эффективен при избытке любого из них.

В способе по изобретению перекись водорода могут подавать в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 3 мас.% до приблизительно 50 мас.% перекиси водорода.

Промежуточные соединения по изобретению могут быть восстановлены для получения 4-аминодифениламина. Восстановление может быть выполнено любым известным способом, включая использование водорода, что подразумевает использование катализатора гидрирования. Подробности, касающиеся выбора катализатора и других сторон реакции гидрирования, таких как добавление воды, можно найти в патенте США 6140538. Конечные точки гидрирования можно определить по времени протекания реакции и/или по профилю расхода водорода и/или посредством одной из разнообразных инструментальных методик, которые известны специалисту в данной области. Другие способы восстановления, которые не включают непосредственного использования водорода и известны специалисту в данной области, также могут быть использованы для восстановления промежуточных соединений 4-ADPA или их замещенных производных до 4-ADPA или его замещенных производных.

Полученный 4-аминодифениламин может быть подвергнут гидроалкилированию до получения алкилированного производного 4-аминодифениламина, который используют для защиты продуктов на основе каучука; в этом способе необязательно замещенный анилин и необязательно замещенный нитробензол сочетают, затем восстанавливают согласно способу по изобретению, после чего таким образом полученный 4-аминодифениламин подвергают гидроалкилированию согласно способам, известным специалисту в данной области техники, до получения алкилированного производного 4-аминодифениламина. Обычно 4-ADPA и соответствующий кетон, или альдегид, взаимодействуют в присутствии водорода и платины на углеродном носителе, используемой в качестве катализатора. Конечные точки гидрирования можно определить по времени протекания реакции и/или по профилю расхода водорода, и/или с помощью одной из многообразных инструментальных методик, которые известны специалисту в данной области. Пригодные кетоны включают метилизобутилкетон, ацетон, метилизоамилкетон и 2-октанон. Смотри, например, патент США 4463191, внесенный в настоящий документ в виде ссылки, и Banerjee et al., J. Chem. Soc. Chem. Comm. 18, 1275-1276 (1988). Пригодные катализаторы могут быть, в числе прочих, такими же, как те, которые были описаны выше для получения 4-ADPA.

Перекись водорода представляет собой оксидант, превосходящий воздух, так как количество воздуха, необходимое для получения значительного увеличения селективности, привело бы к сильным перегрузкам любой экономичной компрессорной системы, выпускаемой промышленностью, что привело бы к большим потерям органических соединений через компрессорное устройство. Более того, несмотря на то, что чистый кислород был бы более эффективен, чем воздух, использование чистого кислорода создает небезопасную реакционную среду. В дополнение, перекись водорода не требует иного растворителя, кроме избыточного количества анилина.

Оксидант может быть введен в закрытую зону после начала введения нитробензола в закрытую зону, или введение оксиданта в закрытую зону может быть закончено до окончания введения нитробензола в закрытую зону, или можно использовать оба варианта.

Нитробензол и анилин взаимодействуют с образованием Meisenheimer комплекса, и оптимально, если оксидант вводят в закрытую зону в той точке, где концентрация указанного Meisenheimer комплекса максимальна. Оксидант могут подавать с регулируемой скоростью, такой чтобы оптимально соответствовала кинетике реакции образования и исчезновения Meisenheimer комплекса, получаемого из нитробензола и анилина. Место ввода оксиданта в закрытую зону может находиться у места ввода нитробензола или вблизи него.

Сочетание анилина с нитробензолом в присутствии основания происходит через образование Meisenheimer комплекса, который претерпевает внутримолекулярное окисление до соли p-NODPA и межмолекулярное окисление нитробензолом и некоторыми примесями, появляющимися в ходе процесса, до соли 4-NDPA. Перекись улучшает селективность, окисляя комплекс быстрее чем это делают нитробензол и примеси, и преимущественно окисляя комплекс, а не анилин. Таким образом, любой технологический параметр, который воздействует на скорости образования и внутримолекулярного окисления Meisenheimer комплекса, такой как уровни примесей в потоках рециклического продукта, температура реакции, скорость удаления воды и скорость подачи нитробензола, будет влиять на оптимальную мольную концентрацию перекиси и эффективный диапазон ее изменения. Более того, концентрация перекиси может влиять на локальную селективность взаимодействия перекиси с Meisenheimer комплексом, по сравнению с анилином. Таким образом, хотя эффективный диапазон соотношения H₂O₂/NB, показанный на примере конкретной методики реакции с рециклическим основанием, составляет 0,01-0,2, а при использовании свежего основания он составляет 0,01-0,46, предусмотрена возможность подбора таких условий, при которых эффективный диапазон для соотношения H₂O₂/NB составляет 0,01-0,6. В дополнение, профили реакции показывают, что в начале реакции, когда уровень основания наиболее высок, нитробензол реагирует быстро, и реагирует более медленно около конца реакции, когда уровень основания наиболее низкий. Поэтому по альтернативной методике ввода перекиси подачу перекиси замедляют на старте и заканчивают рано, добавляя ее с фиксированной или переменной скоростью, в то время когда скорость реакции нитробензола находится в среднем диапазоне. Еще по одной альтернативной методике перекись добавляют на всем протяжении реакции, но в начале и в конце реакции ее добавляют более медленно. Еще по одной альтернативной методике скорость добавления перекиси меняют на всем протяжении реакции. Способ по изобретению подразумевает использование свежего основания, рециклического основания и рециклического основания, регенерированного путем электролиза, как описано в WO 2002034372, введенной в настоящий документ в виде ссылки, или посредством любой иной методики, и их смеси.

Для максимально эффективного использования перекиси водорода перекись следует подавать в реактор в том месте, где концентрация Meisenheimer комплекса, полученного из анилина и нитробензола, является максимальной. Это обеспечивает наибольшую возможность для взаимодействия перекиси с Meisenheimer комплексом, вместо анилина. Следует ожидать, что оптимальное место для ввода перекиси в реактор промышленного типа должно находиться в месте ввода нитробензола или рядом с ним, так как концентрация Meisenheimer комплекса в этом месте должна быть наибольшей. Однако, в зависимости от формы и функционирования реактора промышленного типа, оптимальное место ввода может каким-то образом меняться, и это способен определить специалист в данной области.

Главным преимуществом использования перекиси в способе по изобретению в сравнении со способом, не использующим перекиси, является значительное уменьшение количества азобензола, которое необходимо гидрировать до анилина для осуществления рециркуляции. При существующем промышленном производственном оборудовании для получения 4-ADPA это трансформируется в значительные избыточные мощности для операции регенерирования анилина (из азобензола). Эта избыточная мощность может быть использована в процессе подачи нитробензола в реактор гидрирования азобензола для производства некоторого количества анилина, который является более дорогим сырьем в способе по изобретению. Для нового производственного оборудования для получения 4-ADPA значительно уменьшенное количество азобензола может быть трансформировано в сильное уменьшение капиталовложений в систему регенерирования анилина (из азобензола). Или, наоборот, это может быть трансформировано в незначительные капиталовложения в систему, которая способна превращать как нитробензол, так и азобензол в анилин для повторного использования.

Особенно эффективные основания в способе по настоящему изобретению включают сильные органические основания, такие как четвертичные аммониевые соли, выбранные из гидроксида тетраметиламмония, гидроксида тетрабутиламмония, гидроксида метилтрибутиламмония, гидроксида бензилтриметиламмония, гидроксида трикаприлметиламмония, гидроксида цетилтриметиламмония, гидроксида холина. Вместо гидроксидов могут быть использованы эквивалентные четвертичные аммониевые соли, такие как алкоксиды, ацетаты, карбонаты, гидрокарбонаты, цианиды, фенолальдегидные смолы, фосфаты, гидрофосфаты, гипохлориты, бораты, гидробораты, дигидробораты, сульфиды, силикаты, гидросиликаты, дигидросиликаты и тригидросиликаты. Наиболее предпочтительным органическим основанием является гидроксид тетраметиламмония (ТМАН).

Промежуточные соединения могут быть восстановлены до 4-аминодифениламина, и основание может быть возвращено из продуктов реакции восстановления на повторный цикл, одно или вместе с приготовленными, согласно стандарту, количествами свежего основания, или очищенного рециклического основания, или обоих, для использования в реакции по способу данного изобретения. Точнее говоря, промежуточные соединения могут быть восстановлены до получения 4-аминодифениламина, и основание в продуктах реакции восстановления может быть подвергнуто очистке, для удаления некоторых или всех примесей четвертичной аммониевой соли, образованных в реакции сочетания способа по данному изобретению и в реакции восстановления. Очищенное основание может быть возвращено на повторный цикл как единственное основание, так и в комбинации с неочищенным рециклическим основанием и/или вместе с приготовленными, согласно стандарту, количествами свежего основания.

Химически активный контакт в способе по изобретению осуществляют в присутствии оксиданта, содержащего перекись водорода. Когда органическим основанием является гидроксид тетраметиламмония, перекись водорода могут подавать в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 3 мас.% до приблизительно 50 мас.% перекиси водорода, или, более предпочтительно, в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 3 мас.% до приблизительно 7 мас.% перекиси водорода в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,5 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола. Более предпочтительно, когда перекись водорода подают в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 15 мас.% до приблизительно 25 мас.% перекиси водорода, в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,45 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола. Наиболее предпочтительно, когда перекись водорода подают в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 25 мас.% до приблизительно 40 мас.% перекиси водорода, в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,35 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола.

Органическое основание, в частности гидроксид тетраметиламмония, может быть возвращено из продуктов реакции восстановления на повторный цикл, само по себе или вместе с приготовленными, согласно стандарту, количествами свежего основания, или вместе с очищенным рециклическим основанием, или вместе с обоими, для использования в реакции по указанному способу. Перекись водорода может затем быть подана в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 20 мас.% до приблизительно 40 мас.% перекиси водорода, в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,25 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола, или, более предпочтительно, где перекись водорода предусмотрена в количестве от приблизительно 0,06 до приблизительно 0,21 моль перекиси водорода, по отношению к числу молей нитробензола, или, еще более предпочтительно, там, где перекись водорода подают в количестве от приблизительно 0,08 до приблизительно 0,17 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола. Перекись водорода могут подавать в виде водного раствора, содержащего от приблизительно 3 мас.% до приблизительно 7 мас.% перекиси водорода, в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,20 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола, предпочтительно, от приблизительно 0,03 до приблизительно 0,16 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола или, еще более предпочтительно, там, где перекись водорода подают в количестве от приблизительно 0,06 до приблизительно 0,12 моль перекиси водорода по отношению к числу молей нитробензола. Аналогичные эффективные диапазоны мольных соотношений специалисты в данной области могут определить для других концентраций перекиси водорода, в интервале от 3 мас.% до 50 мас.% Кроме того, возможно получить эквивалентную селективность, используя меньшее количество перекиси водорода при любой концентрации перекиси, содержащейся в настоящем документе, путем подачи перекиси, в течение только части времени подачи нитробензола, или меняя скорость подачи перекиси, или используя оба этих фактора.

Очищенное рециклическое основание может быть использовано как единственное основание или вместе с приготовленными, согласно стандарту, количествами свежего основания, а время подачи нитробензола может составлять приблизительно 100 минут или меньше.

Химически активный контакт в реакции сочетания в способе по изобретению может быть осуществлен при температуре от приблизительно 20°С до приблизительно 125°С, предпочтительно, от приблизительно 65°С до приблизительно 95°С. Другие условия для химически активного контакта включают давление в диапазоне от приблизительно 20 мбар до приблизительно атмосферного давления. Время реакция обычно оказывается меньше, чем приблизительно 4 ч. Полезно перемешивать реакционную смесь в течение всего времени протекания реакции.

Изобретение иллюстрируют нижеследующими неограничивающими примерами.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Выходы отдельных компонентов определяли наружной стандартной ВЭЖХ как среднюю величину повторных анализов. Приблизительно 0,06 граммов анализируемого вещества, аккуратно взвешивают в 50-мл мерной колбе и разбавляют буферным раствором, содержащим 39% об./об. воды, 36% об./об. ацетонитрила, 24% об./об. метанола и 1% об./об. буфера при рН 7. Раствор инжектируют через петлю объемом в 10 мкл на колонку (250×4,6 мм) для ВЭЖХ с обращенной фазой, ODS типа, фирмы Zorbax, используя насоснотрубопроводную систему с двойным градиентом и следующее градиентное элюирование, при постоянной скорости потока, составляющей 1,5 мл/мин (см. Табл. 1).

Таблица 1.

Время, минуты% Элюента А% Элюента В0100025257535010037,50100381000401000

Элюент А состоит из 75% об./об. воды, 15% об./об. ацетонитрила и 10% об./об. метанола. Элюент В состоит из 60% об./об. ацетонитрила и 40% об./об. метанола. Определение разделенных компонентов осуществляют УФ-детектором на длине волны 254 нм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИМЕРЫ

Экспериментальные методики описаны при описании каждого примера. Эксперименты с рециклическим основанием использовали типичные образцы, которые получали от промышленного предприятия, работающего без добавления перекиси, и для которых количественное определение содержания ТМАН (24,4 мас.% и 26,8 мас.%) проводили с помощью титрования. Рециклическое основание содержало разнообразные соли тетраметиламмония вместе с анилином и низкие уровни других органических примесей. Одной из солей является (ТМА)₂СО₃, которая вносит вклад в количественный анализ рециклического основания, так как ее первый эквивалент титруют вместе с ТМАН.

Степень превращения для примеров рассчитывали на основе количества непрореагировавшего нитробензола, остающегося в конечной массе реакции сочетания. Если нитробензол не был обнаружен, то полагали, что превращение составляет 100%. Селективность определяли по следующему молярному соотношению: (p-NDPA + 4-NDPA)/(p-NDPA + 4-NDPA + азобензол + феназин). 4-NDPA представляет собой 4-нитродифениламин, а p-NDPA является 4-нитрозодифениламином. В примерах "NB" представляет собой нитробензол, "т-Азо" является транс-азобензолом, "Фен" представляет собой феназин, а "Другой" относят к побочным продуктам сочетания анилина и нитробензола, главным образом, к 4-фенилазодифениламину, и любым неизвестным побочным продуктам.

ПРИМЕР 1

Данный пример предоставляет справочную информацию для обсуждения влияния использования перекиси водорода, в процессе реакции сочетания, в других примерах. Методика опытов 1-3 аналогична методике примера 2, исключая использование промышленного рециклического ТМАН (26,8 мас.%) и промышленного рециклического анилина, с концентрированием и высушиванием основания при давлении 62 торр и проведением реакции при давлении 60 торр. Методика опытов 4-6 состоит в загрузке 145,28 г свежего анилина (1,56 моль) и 87,36 г предварительно сгущенного свежего водного раствора ТМАН (36,0 мас.%, 0,345 моль ТМАН) в 500-мл круглодонную колбу, оборудованную термопарой, нагревающей оболочкой, расположенными подповерхностно трубками подачи нитробензола и перекиси или воды и тефлоновой лопастной мешалкой. При давлении 70 торр смесь нагревают до удаления 18 мл воды вместе с анилином (около 30 мин) и затем начинают подачу нитробензола (36,93 г, 0,30 моль). Температура поднимается в течение времени протекания реакции от приблизительно 66-67°С до 80°С, тогда как вода и анилин выкипают. Таблица 2 приводит времена подачи нитробензола и проведения реакции для всех шести опытах. Вода и анилин выкипают в течение реакции. Порции для опытов 4-6 гасят 20 мл воды после периода реакции. Загрузка перекиси водорода, осуществляемая одновременно с загрузкой нитробензола, составляет 20,40 г (0,03 моль) 5 мас.% водного раствора. Так как вода может воздействовать на селективность, путем защиты ТМАН от разложения и сдвига равновесия реакции, воду подают одновременно с нитробензолом для возможности непосредственного сравнения с перекисью.

Пример иллюстрирует то, что как более короткое время подачи нитробензола, так и добавление воды могут увеличить селективность, хотя вода, вследствие более длительного времени подачи, не является очень эффективной. Однако перекись приводила к наиболее высокой селективности, которая оказывалась на 1,9% выше, чем при добавлении воды. Более существенно для промышленного способа, который включает повторные циклы и удаление отходов, то, что водная перекись значительно понижает, в сравнении с одной водой, уровни двух ключевых побочных продуктов, а именно, азобензола (на 39%) и феназина (на 36%). Повторение основных опытов по слегка измененной методике приводило к селективностям, составляющим 92,7% и 92,6%, что указывает на очень хорошую воспроизводимость приведенных здесь экспериментальных результатов. Более того, повторения указывают на то, что незначительные различия в селективности, такие как увеличение селективности на 1,9% при использовании перекиси по сравнению с использованием воды действительно существенны.

Таблица 2
Накопленные данные для сравнения с перекисью водородаДобавкаВремя (мин)Превр. (%)Селек. (%)Состав порции продукта (мас.%)ПодачиРеакцииp-NDPA4-NDPAт-АзоФен1. ничего11020-9991,525,362,302,010,322. Вода¹11020-9991,926,242,302,010,293. Вода²11020-9891,525,912,452,140,254. ничего8040100,094,026,612,321,310,375. Вода³8040100,095,330,112,021, 040,396. Перекись⁴8040100,097,231,422,420,630,25

¹ Н₂О/NB=0,56, молярное; ²Н₂<Э/NB=1,9 молярное, среднее из двух порций

³ Масса загрузки воды, равная 5 мас.% массы загрузки перекиси, Н₂О/NB=3,8, молярное

⁴ 5,0 мас.% водный раствор перекиси водорода при H₂O₂/NB=0,10

ПРИМЕР 2

Некоторые опыты в нижеследующих примерах имеют относительно низкую степень превращения, так как способ использовал фиксированное время подачи нитробензола плюс время проведения реакции, а не удерживал состав порций до окончания реакции. Этот пример показывает влияние увеличенного времени проведения реакции на селективность.

Согласно методике в реактор в рубашке, содержащей 1:1 смесь вода/гликоль, загружают 432,85 г промышленного рециклического основания (24/4 мас.% ТМАН, 1,16 моль). Начинают перемешивание при 150 об./мин, и 92 мл воды удаляют кипячением при постоянном давлении 65 торр при начальной температуре водяной бани 72°С и повышении ее на 1°С на каждые 10 мл удаляемой воды. Затем в вакууме загружают 301,50 г (3,24 моль) свежего анилина. Продолжают удаление воды вместе с анилином при давлении 65 торр, поднимая температуру бани на 1°С на каждые 9 мл удаляемой воды, при этом непрерывно загружая 120 мл анилина из капельной воронки с боковым вентилем, регулирующим давление. После удаления 72 мл воды (всего 164 мл) начинают совместную подповерхностную подачу через перистальтический насос 123,11 г нитробензола (1,00 моль) и 27,20 г перекиси водорода (10 мас.% водный раствор, 0,08 моль), на протяжении периода в 80 минут. В течение стадии реакции непрерывно добавляют 60 мл анилина, поддерживая давление 65 торр и удаляя воду вместе с анилином кипячением. Постепенно поднимают температуру бани с шагом, составляющим 0,5°С, до достижения к моменту окончания стадии реакции температуры бани 91°С и температуры реактора 80-82°С. Снижением давления до 60 торр и увеличением температуры бани и реактора еще на 1°С инициируют далее период проведения реакции. Продолжают удаление воды вместе с анилином в течение увеличенного периода проведения реакции.

Этот пример показывает, что проведение серии превращений при низкой степени превращения до, по существу, полного превращения оказывало минимальное влияние на селективность. В примерах, следующих за этим примером, степень превращения попадает в диапазон от 73,4% до 100%. Эти результаты показывают, что изменение степени превращения от 89,3% до 99,8% снижает селективность только на 0,5%, а изменение степени превращения от 96% до 99,8% снижает селективность только на 0,2%. Поэтому низкие степени превращения, полученные в некоторых опытах нижеследующих примеров, не меняют общих выводов.

Таблица 3
Профиль порции, полученной при длительном времени проведения реакции, в присутствии перекисиВремя реакции (минуты)Превращение (%)Селек. (%)Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA4-NDPAт-АзоФен089,397,522,781,500,360,201093,997,224,371,720,490,212095,997,225,001,820,490,203097,197,125,051,860,510,224097,997,125,451,910,530,215098,597,125,701,950,530,216098,997,126,072,000,550,227099,297,126,222,010,560,228099,597,126,482,040,570,229099,797,026,592,060,580,2210099,897,026,832,090,610,22

ПРИМЕР 3

Осуществляли дизайн экспериментов (DOE), составленных из 8 опытов, основанных на исследовании 3 показателей, где параметрами были давление, скорость подачи нитробензола и перекись. Концентрацию перекиси (5 мас.% водный раствор) и соотношение H₂O₂/NB (молярное соотношении 0,1) произвольно выбирали для четырех опытов, использующих перекись. В 500-мл круглодонную колбу, оборудованную нагревающей оболочкой, термопарой, подповерхностно расположенными трубками подачи нитробензола и перекиси и тефлоновой лопастной мешалкой, загружали 130,02 г рециклического основания (24,4 мас.%), которое затем концентрировали до 31 мас.%, посредством удаления 28 мл воды кипячением при давлении, указанном в таблице 4. Затем добавляли 145,28 г анилина и еще 16 мл воды удаляли вместе с анилином (всего 44 мл воды). Затем начинали подачу 36,93 г нитробензола, продолжая удалять воду и анилин кипячением. При использовании перекиси, совместно подавали 20,40 г 5 мас.% раствора перекиси и нитробензол, при соответствующей скорости подачи, для того чтобы закончить подачу нитробензола. Порции поддерживали такими, как описано ниже, затем гасили водой (20 мл). Реакции проводили на уровне 0,3 моль, при 80°С, при давлении 65 или 95 торр (подробно обозначено в проекте). Периоды проведения реакции фиксировали при 20 минутах, при подаче нитробензола в течение 110 минут и при 45 минутах, при подаче нитробензола в течение 70 минут, в обоих случаях, продолжая удалять воду и анилин кипячением.

Результаты, приведенные в таблице 4, показывают, что селективность последовательно выше, когда используют низкие уровни перекиси, и диапазон изменения селективности, при изменениях давления реакции и скорости подачи нитробензола, оказывается значительно уже (от 96,1 до 96,6%, в присутствии перекиси, по сравнению с интервалом от 89,8 до 94,8%, в отсутствии перекиси). Кроме того, в присутствии перекиси получали относительно большее количество 4-NDPA по отношению к количеству азобензола, тогда как в отсутствие перекиси получали почти эквимолярные количества. При более длительном времени подачи нитробензола, в присутствии перекиси, получали уменьшение количества 4-NDPA (на 30-40%); и во всех опытах, проходящих в присутствии перекиси, получали много меньше азобензола и феназина. Пример 1 показал, что скорость подачи нитробензола, в отсутствии перекиси, может воздействовать на селективность, и этот пример показывает, что присутствие перекиси понижает как влияние скорости подачи нитробензола, так и влияние давления реакции, что является неожиданным.

Таблица 4
Экспериментальный проект для перекиси, на основе трех показателейОпыт №№12345678Цели проекта Скорость подачи NB (мин)75751101107575110110Давление (торр)9565956595659565ПерекисьДаДаДаДаНетНетНетНетФактическая Подача NB (мин)74761131117374115112РезультатыПревращение (%)98,199,889,696,899,7100,098,9100,0Селективность (%)96,196,496,696,594,892,894,589,8Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA24,0526,0622,7624,3124,3124,2323,7822,34-NDPA1,782,131,201,831,662,211,712,98т-Азобензол0,850,770,620,681,091,581,112,28Феназин0,120,180,140,200,210,300,250,34

ПРИМЕР 4

Усовершенствующий проект DOE выполняли, для того чтобы оценить 1) количество перекиси и 2) концентрацию перекиси в реакции сочетания. Методика была аналогична приведенной в примере 3, исключая мольные соотношения и концентрации перекиси, перечисленные в таблице 5, а время подачи нитробензола составляло приблизительно 70 минут, при времени проведения реакции, составляющем 30 минут. Таблица 5 показывает, что при быстрой скорости подачи нитробензола селективность относительно независима от концентрации перекиси, в особенности, при более низком молярном соотношении. Это кажется удивительным, потому что пример 1 показал, что добавление воды может увеличить селективность, а опыты с 5 мас.% перекисью имели в 6,33 раза большее количество воды, чем опыты с 25 мас.% перекисью. Результаты также показывают, что на селективность может воздействовать количество оксиданта. Сравнение опытов, в которых присутствуют равные концентрации перекиси, приведенное в таблице 5, показывает, что наиболее высокое мольное соотношение в каждом случае давало более низкую селективность. И снова это кажется удивительным, так как при более высоком мольном соотношении добавляли двойное количество воды. Так что преимущества, приносимые совместным присутствием воды и перекиси, не являются аддитивными, так как влияние перекиси преобладает.

Таблица 5
Проект усовершенствования опытовОпыт №1234Цели проектаМолярное соотношение Н₂O₂: NB0,100,100,200,20Концентрация перекиси5 мас.%25 мас.%5 мас.%25 мас.%Время подачи ND(мин)68727070Относительная загрузка воды6,331,012,72,0РезультатыПревращение(%)98,198,398,697,8Селективность (%)96,496,092,893,8Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA25,6224,4127,8625,404-NDPA2,062,082,842,45т-Азобензол0,800,792,051,53Феназин0,140,210,130,16

ПРИМЕР 5

Этот пример далее иллюстрирует влияние давления на селективность при использовании перекиси. Порции получали по способу, аналогичному описанному в примере 2, при времени подачи нитробензола, составляющем 110 минут, времени протекания реакции, составляющем 20 минут, при использовании другого образца промышленного рециклического основания (26,8 мас.%) и использовании промышленного рециклического анилина вместо свежего. Результаты, приведенные в таблице 6, показывают, что при использовании 30 мас.% перекиси давление не оказывает влияния на селективность, точно так же как в примере 3, который использовал 5 мас.% перекись. Это является дополнительным свидетельством того, что присутствие перекиси ослабляет влияние других параметров реакции.

Таблица 6
Влияние давления реакции, в присутствии перекисиДавление (мбар)80160Селективность (%)95,5695,52

ПРИМЕР 6

Пример 1 показал, что более короткое время подачи одного нитробензола (80 минут) или вместе с водой, или вместе с водной перекисью, может увеличивать селективность. Пример 3 показал, что при фиксированных концентрации перекиси и молярного соотношения время подачи нитробензола (около 75 мин, по сравнению с приблизительно 110 мин) оказывает незначительное влияние на селективность. Пример 4 показал, что при коротком времени подачи нитробензола (около 70 мин) селективность относительно независима от концентрации перекиси, в особенности, при более низком мольном соотношении.

Данный пример изучает влияние концентрации перекиси на селективность при более длительном времени подачи нитробензола. Была получена серия порций способом, аналогичным приведенному в примере 5. Кроме того, подачу перекиси для опытов с мольным соотношением, составляющим 0,064, осуществляли с помощью поршневого насоса (смотри пример 14). Концентрацию перекиси меняли от 5 до 35 мас.%, при H₂O₂/NB=0,1 и 0,064. Результаты, приведенные в таблице 7, показывают, что и при более длительном времени подачи нитробензола селективность также, по существу, не зависит от концентрации перекиси. Более того, когда вместе с перекисью загружают существенно меньшее количество воды, уровень феназина возрастает лишь незначительно, что согласуется с примером 4. При более длительном времени подачи нитробензола скорость удаления воды, относительно скорости загрузки нитробензола, больше, чем в случае более короткого времени подачи нитробензола. Таким образом, когда меньше воды загружают вместе с перекисью, порции становятся даже суше. Однако даже наименьшая загрузка воды, показанная в таблице 6, дает существенно большую селективность, чем только одна вода, при подаче нитробензола, осуществляемой в течение 110 минут, как показано в таблице 2. Это иллюстрирует тот факт, что хотя вода и перекись, обе способны оказывать влияние на увеличение селективности, влияние перекиси более существенно. Более того, так как вода способна влиять на скорость образования Meisenheimer комплекса и на скорость его окисления нитробензолом, то было бы возможно улучшить селективность в присутствии перекиси, посредством подбора соотношения H₂O₂/NB таким образом, чтобы оно соответствовало концентрации Meisenheimer комплекса в порции.

Таблица 7
Влияние концентрации перекисиПерекись мас.%H₂O₂/NB
молярное соотношениеH₂O/NB молярное соотношениеСелек. (%)Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA4-NDPAт-АзоФен00091,525,362,302,010,3250,103,59.96,127,562,990,980,16100,101,7096,026,823,240,960,17200,100,7695,127,222,751,220,18200,100,7695,326,533,021,160,1924,30,0640,3895,826,632,530, 920,2424,30,0640,3896,126,382,550,860,21300,100,4495/726,952,591,000,22300,100/4495,126,723,071,210,20350,0640,2296,126,412,630,870,21350,0640,2296,426,422/640,790,20

ПРИМЕР 7

Для определения влияния температуры на селективность была выполнена серия реакций сочетания при постоянной концентрации перекиси, составляющей 5 мас.%.

Методика была следующей:

загружают 130,02 г рециклического основания (24,4 мас.% ТМАН) в 500 мл градуированную промежуточную емкость и удаляют 28 мл воды кипячением. Добавляют 145,28 г анилина и удаляют еще 16 мл воды вместе с анилином (всего 44 мл воды). Одновременно подают подповерхностно 36,93 г нитробензола, и 5 мас.% водного раствора перекиси, при молярном соотношении H₂O₂/NB, составляющем 0,08, удаляя воду и анилин кипячением. Заканчивают одновременную подачу через 100-110 мин при температурах, указанных в таблице 8, и при постоянном давлении 65 торр. Реакцию проводят в течение 30 мин, сопровождая удалением воды и анилина кипячением, и затем гасят водой (20 мл).

Результаты, приведенные в таблице 8, иллюстрируют влияние, которое скорости образования и внутримолекулярного окисления Meisenheimer комплекса, в присутствии перекиси, оказывают на селективность. При повышении температуры селективность достигает максимума при температуре около 80°С. При более низких температурах скорость образования Meisenheimer комплекса слишком низкая для скорости добавления перекиси, так что возрастает окисление анилина перекисью до азобензола. При более высоких температурах более высокая скорость внутримолекулярного окисления Meisenheimer комплекса до p-NDPA понижает количество Meisenheimer комплекса, доступного для взаимодействия с перекисью, так что снова окисление анилина перекисью до азобензола возрастает. Кроме того, селективность при 70°С выше, чем селективность, полученная в отсутствие перекиси, при сопоставимости других условий реакции. Поэтому эффективный диапазон в данном примере может быть увеличен в сторону низких температур до приблизительно 65°С.

Таким образом, очевидным оптимальным значением является значение 80°С, которое зависит от методики проведения реакции. Любое изменение методики, которое приведет к изменению скорости образования Meisenheimer комплекса, такое как изменение скорости удаления воды, будет воздействовать на селективность в присутствии перекиси. Это могло бы сместить оптимальную селективность к другой температуре. Более того, селективность может быть увеличена при более низких и более высоких температурах просто с помощью корректирования молярного соотношения H₂O₂/NB таким образом, чтобы оно согласовывалось со скоростью образования или скоростью внутримолекулярного окисления Meisenheimer комплекса. Таким образом, селективность максимальна при 80°С для данной конкретной методики реакции, при молярном соотношении H₂O₂/NB, составляющем 0,08. Однако оптимальная температура будет меняться при изменении других параметров, таких как уровень воды в реакторе и мольное соотношение H₂O₂/NB. Более того, изменяющаяся температура будет требовать для максимальной селективности другого мольного соотношения H₂O₂/NB. Поэтому эффективные диапазоны, приводимые в других примерах, не являются абсолютными.

Таблица 8
Влияние температуры реакции, в присутствии перекисиТемп.
(°С)Прев.
(%)Селек.
(%)Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA4-NDPAт-АзоФенДругие7073,494,216,931,640,940,110,137593,896,624,601,780,670,180,228097,497,026,351,940,610,180,298599,895,826,682,800,920,270,2790100,089,825,114,162,740,270,67

ПРИМЕР 8

Было выполнено два набора реакций сочетания с фиксированными концентрациями перекиси для определения эффективного диапазона мольного соотношения, который мог бы дать увеличенную селективность. Методика проведения реакции при концентрации перекиси 5 мас.% была, в основном, такой же, как в примере 3. Перекись и нитробензол подавали на протяжении времени от 105 до 110 мин, при 20 минутном периоде проведения реакции, при температуре 80°С и давлении 65 торр. Методика проведения реакции, при концентрации перекиси 30 мас.%, была аналогична приведенной в примере 5.

Фиг.1 и таблица 9 показывают, что эффективный диапазон соотношения H₂O₂/NB, при 5 мас.% концентрации перекиси, составляет приблизительно от 0,01 до 0,20, предпочтительный диапазон соотношения H₂O₂/NB составляет приблизительно от 0,03 до 0,16 и наиболее предпочтительный диапазон соотношения H₂O₂/NB составляет приблизительно от 0,06 до 0,12. Оптимальное молярное соотношение при 5 мас.% концентрации перекиси для этой методики соответствовало Н₂O₂/NB=0,07-0,09, которое приблизительно такое же, как и мольный % 4-NDPA, который получали из нитробензола. Таким образом, перекись реагирует с образованием 4-NDPA с высокой селективностью и минимальным образованием азобензола. Этот результат кажется удивительным, вследствие очень большого молярного избытка анилина, который может быть окислен до азобензола.

Эффективный диапазон для мольного соотношения при 30 мас.% концентрации перекиси составляет приблизительно от 0,01 до 0,25. Оптимальное значение не может быть выведено из этих данных, но представляется, что оно находится в диапазоне от 0,06 до 0,21, который смещен в сторону больших значений, по сравнению с 5 мас.% концентрацией перекиси. Более предпочтительным кажется диапазон от 0,08 до 0,17. Таким образом, полагают, что диапазон эффективного мольного соотношения для перекиси, предпочтительный диапазон и наиболее предпочтительный диапазон, варьируют вместе с параметрами способа, такими как концентрация перекиси, уровни примесей в рециклических потоках, температура реакции, скорость удаления воды и скорость подачи нитробензола. Поэтому эти диапазоны не являются абсолютными для перекиси, но скорее показательными. Предусмотрено, что с рециклическим основанием эффективный диапазон соотношения H₂O₂/NB мог бы быть расширен до интервала 0,01-0,4 или возможно даже несколько шире.

Таблица 9

Оптимизация молярной загрузки перекиси при рециклическом основанииH₂O₂ мас.%H₂O₂/NB молярн.Превр. (%)Селект. (%)Состав порции продукта (мас.%)p-NDPA4-NDPAт-АзоФен50,00100,091,723,782,761,840,350,0499,293,724,162,391,310,330,0698,996,025,142,360,750,290,0798,096,925,221,950,550,240,0898,396,925,662,040,570,230,0997,696,925,461, 940,590,200,1097,696,725,801,970,680,190,1298,396,026,022,150,910,170,1697,593,925,052,111,420,200,2097,092,225,192,271,970,16300,00˜99,091,525,362,302,010,320,05˜98,592,126,003,082,040,230,10˜96,595,726,952,591,000,220,10˜97,095,126,723,071,210,200,20˜94,592,725,943,041,920,16

ПРИМЕР 9

Изучение оптимальных условий, для оценки влияния качества основания, выполняли для свежей порции основания в присутствии перекиси. Методика была аналогична приведенной в примере 3 для концентраций перекиси, составляющих 5 и 20 мас.%, при загрузке 126,89 г 25 мас.% основания, и приведенной в примере 10, для концентрации перекиси, составляющей 35 мас.%. Как можно видеть на Фиг.2 и в таблице 10, свежее основание дает более пологие и широкие оптимизационные кривые по сравнению с рециклическим основанием. Более того, оптимальное мольное соотношение и эффективный диапазон варьировали вместе с концентрацией; максимальная селективность была ниже в сравнении с рециклическим основанием, и селективность возрастала, после того как начальное оптимальное значение было пройдено. Повороты вверх на кривой обусловлены большей загрузкой воды при возрастании мольного соотношения, чего не происходило при 35 мас.% концентрации перекиси, при которой добавляли минимальное количество воды. Селективность возрастала, потому что вода ингибирует окисление Meisenheimer комплекса нитробензолом, так что большую его часть окисляет перекись.

Результаты показывают, что при условиях, примененных в примерах 8 и 9, перекись более эффективна при рециклическом основании. Более того, соли рециклического основания должны смягчать действие воды, так как при рециклическом основании не происходит подъема селективности. Даже при этом возрастание селективности в случае свежего основания существенно. Эффективный диапазон при концентрации перекиси 35 мас.% составляет приблизительно 0,01-0,33, и если при концентрации перекиси 20 мас.% воду удаляют быстрее, то по кривой можно проследить эффективный диапазон, составляющий приблизительно 0,01-0,46. Так как скорость подачи нитробензола в промышленном процессе может быть сильно увеличена сверх 110 мин, то и эффективный диапазон может быть значительно расширен до 0,01-0,5 или даже несколько больше. Как обсуждали выше, увеличение скорости подачи нитробензола дает более влажные порции со свежим основанием, что увеличивает селективность и должно приводить к более крутым кривым оптимизации. Таким образом, эффективный диапазон будет варьировать вместе с такими параметрами, как скорость подачи нитробензола и скорость удаления воды, но эффективный диапазон, составляющий приблизительно от 0,01 до 0,6 должен охватывать все эти возможности. Результаты, полученные при свежем основании, должны также относиться и к рециклическому основанию, которое регенерировали путем электролиза, как описано в WO 2002034372, или посредством любой другой процедуры.

Таблица 10
Оптимизация молярной загрузки перекиси при свежем основанииСила ПерекисиH₂O₂/NB моляр.Превр.%Селек.%Состав порции загрузки (мас.%)AnNB4-NO4-Nт-АзоФен5 мас.%0,00100,091,644,70,0025,12,101,850,420,04100,093,443,20,0126,62,081,450,410,08100,094,241,40,0026,71,921,270,350,12100,094,3.41,80,0027,02,111,240,360,16100,094,439,70,0027, 62,371,280,350,20100,095,238,30,0028,42,291,210,200,3099,996,237,60,0027,12,630,880,1920 мас.%0,00100,092,246,80,0025,41,881,690,400,10100,095,145,70,0025,62,100, 940,360,15100,095,945,60,0026,62,200,850,280,2099,996,044,20,0227,02,130, 840,270,25100,095,642, 60,0027,52,551,050,220,30100,095,043,20,0027,12,621,200,220,4098,995,243,00,2026,12,561,110,2035 мас.%0,00100,092,846,70,0025,51,731, 550,380,00100,092,746,50,0025,41,951,560,410/10100,094,845,60,0025,82,021,050,350,15100,095,345,40,0026,61,951,000,280,2099,995,044,90,0226,42,071,110,260,30100,093,443,90,0026,42,431,630,230,4099,692,443,20,0826,02,561,950,200,5098,891,441,80,2125,82,671,280,17

ПРИМЕР 10

Этот пример далее иллюстрирует влияние на селективность времени подачи нитробензола и качества основания. Методика была аналогична приведенной в примере 3, исключая то, что для свежего основания использовали 87,36 г предварительно концентрированного основания (36 мас.%) и после добавления анилина удаляли только 18 мл воды. Все порции имели молярное соотношение H₂O₂/NB, равное 0,1. Результаты, приведенные в таблице 11, показывают, что в отсутствие перекиси свежее основание дает более высокую селективность, чем рециклическое основание, независимо от времени подачи нитробензола. Однако при использовании перекиси ситуация меняется существенно. В присутствии перекиси рециклическое основание дает более высокую селективность, чем свежее основание, при более длительном времени подачи нитробензола, но эквивалентную селективность при более коротком времени подачи.

Такие результаты могут быть частично объяснены влиянием времени подачи нитробензола и качества основания на уровень воды в порции. Например, соли, растворенные в рециклическом основании, повышают точку кипения, так что при постоянных температуре реакции и давлении порции рециклического основания будут более влажными, чем порции свежего основания. Однако свежее основание содержит более высокую концентрацию ТМАН при определении титрованием, чем рециклическое основание. Наибольшей примесью рециклического основания является ТМА₂СО₃, и первый эквивалент ТМА₂СО₃ титруют как ТМАН. Например, 25 мас.% рециклическое основание, содержащее 10 мас.%. ТМА₂СО₃, фактически является только 20,6 мас.% ТМАН. Так как ТМА₂СО₃ является менее эффективным основанием для реакции сочетания чем ТМАН, то свежее основание обнаруживает лучшую реакционную способность. В отсутствие перекиси лучшая реакционная способность объясняет более высокую селективность при свежем основании, несмотря на более сухие условия. Таким образом, равнозначность присутствия перекиси для рециклического основания более высокой селективности кажется удивительной, в особенности, потому что в действительности использованное рециклическое основание, согласно титрованию, имело концентрацию только 24,4 мас.%. Перекись способна преодолеть неэффективность, обусловленную низким уровнем ТМАН и солями, растворенными в рециклическом основании.

Таблица 11
Влияние перекиси при меняющемся качестве основанияДавление, торр9565-706565-7065-70Плановое время подачи NB(мин)75-8075-80105-11075-80110-130Перекись (5 мас.%)ДаДаДаНетНетКачество основанияСелективность (%)Рециклическое96,196,496,592,889,8Свежее96,497,294,2^*94,091,8^* Средние мольные соотношения в диапазоне от 0,08 до 0,12, взятые из таблицы 10; начиная с 25 мас.% ТМАН

ПРИМЕР 11

Как сообщали в патенте США 5117063, введенном в настоящий документ в виде ссылки, и в родственных патентах количество воды, присутствующей во время реакции сочетания, оказывает сильное влияние на молярное соотношение (p-NDPA + 4-NDPA)/(2-NDPA + Феназин). Данные, приведенные в примере 4, показывают, что вода, добавляемая вместе с перекисью, оказывает незначительное влияние на количество получаемого феназина (образование 2-NDPA вообще не наблюдали). Это далее иллюстрируют на фиг.3 и 4. Данные, приведенные на фиг.3 (из примера 6), показывают, что семикратное увеличение концентрации перекиси лишь незначительно повышает уровень феназина, несмотря на 16-кратное уменьшение количества воды, добавляемой вместе с перекисью. Данные, приведенные на фиг.4, (из примера 8) показывают, что при возрастании мольного соотношения H₂O₂/NB уровень феназина значительно понижается. Однако уровень феназина, по существу, не зависел от концентрации перекиси, несмотря на увеличение количества воды, добавляемой вместе с 5 мас.% перекисью, в восемь раз по сравнению с 30 мас.% перекисью. Поскольку добавляемая вода, при постоянном количестве добавленной перекиси, оказывает незначительное влияние, то это указывает на то, что добавление перекиси оказывает большее влияние, чем добавление воды. Это является дополнительным свидетельством того, что перекись модифицировала систему реакции сочетания, сводя к минимуму побочные реакции.

ПРИМЕР 12

Данный пример иллюстрирует, что частичная подача перекиси может привести к увеличению эффективности действия перекиси. Оборудование аналогично оборудованию примера 2, и основная методика также аналогична. Загружают 432,85 г 24,4 мас.% рециклического основания, начинают перемешивание при 150 об./мин и затем при давлении 65 торр нагревают до выкипания 92 мл воды. Добавляют 301,50 г анилина, при давлении 65 торр удаляют кипячением воду вместе с анилином, продолжая добавлять еще анилин. После того как удалили 164 мл воды вместе с анилином, начинают подачу 123,11 г нитробензола на протяжении времени, указанного в таблице 12, продолжая добавлять еще анилин и удаляя кипячением воду вместе с анилином. Загрузка анилина в течение времени высушивания и протекания реакции составляет 180,90 г. Водный раствор перекиси подают одновременно с нитробензолом на протяжении времен, указанных в таблице 12. Температура 80°С и давление 65 торр являются условиями реакции. После окончания подачи нитробензола, реакцию проводят, в течение 30 минут, при давлении 60 торр и затем гасят водой (50 мл).

Опыты 1 и 2, приведенные в таблице 11, показывают, что возможно получить несколько более высокую селективность, если перекись подают в течение только части времени подачи нитробензола. Получаемыми в результате преимуществами могли бы быть или увеличение селективности или, при том же уровне селективности, уменьшение загрузки перекиси (а, следовательно, и уменьшение расходов). Например, опыты 3 и 4 показывают лишь очень незначительное падение селективности (0,37%) при 25% уменьшении загрузки перекиси в результате использования частичной подачи.

Таблица 12
Сравнение полной и частичной подачи перекисиНомер опыта1234Профиль подачи H₂O₂полнаячастичнаячастичнаяполнаяПодача H₂O₂, % от времени подачи NB996178100Концентрация H₂O₂, мас.%15,015,022,522,5*Итоговое мольное соотношение H₂O₂/NB0,040,040,060,08Мольное соотношение H₂O₂/NB, в течение подачи0,040,0660,0770,08Время подачи NB, (мин)107109110107Начало подачи H₂O₂ (мин)021110Конец подачи H₂O₂ (мин)1068797107Превращение, %99,1298,7197,8097,55Селективность, %94,1294,7496,3396,70^* Среднее из фактически идентичных результатов для 15% и 30% перекиси; это согласуется с примером 5, который показывает одинаковые результаты для концентраций перекиси от 20 до 30%.

ПРИМЕР 13

Этот пример сравнивает влияние качества основания при частичной подаче перекиси. Оборудование аналогично описанному в примере 2 и основная процедура тоже аналогична. Главное различие заключается в том, что начало подачи перекиси запаздывало приблизительно на 5 минут и подачу перекиси прекращали приблизительно на 10 минут раньше, по сравнению со временем подачи нитробензола, плановое время загрузки которого составляло 105 минут. Перекись загружали в виде 24,3 мас.% водного раствора при молярном соотношении H₂O₂/NB = 0,064. Результаты, приведенные в таблице 12, показывают, что в условиях эксперимента, промышленное рециклическое основание, свежее основание и основание, регенерированное из промышленного рециклического основания с помощью электролиза, дают эквивалентные результаты. Это наглядно показывает, что регенерированное основание пригодно для использования вместе с перекисью или как единственное основание, или в комбинации с рециклическим основанием и/или свежим основанием. Это, кроме того, дополнительно указывает на то, что присутствие перекиси дает преимущества, превосходящие те, которые имеет свежее основание в отсутствие перекиси.

Таблица 13
Сравнение типов основанийТип основанияОбразец основания (мас.%)Селективность (%)Промышленное рециклическое24,496,04Свежее25,096,20Регенерированное электролизом20,296,16

ПРИМЕР 14

Этот пример иллюстрирует то, что хороший контакт перекиси с Meisenheimer комплексом является существенным для получения оптимальной селективности. Таблица 14 сравнивает подачу перекиси перистальтическим насосом в лабораторных условиях, с подачей, осуществляемой поршневым насосом, который подает перекись с шагом в 20 мкл. Методика была аналогична методике, приведенной в примере 2, исключая то, что для опытов с более низким мольным соотношением подачу перекиси начинали на 5 минут позже и заканчивали на 10 минут раньше подачи нитробензола. Данные, приведенные в таблице 14, показывают, что перистальтический насос дает более низкую и неустойчивую селективность по сравнению с поршневым насосом. Пример 12 показывают, что сравнение двух мольных соотношений при частичной подаче, по сравнению с полной подачей, является обоснованным. Подачи малыми объемами, осуществляемые поршневым насосом, обеспечивают быстрое диспергирование перекиси и тесный контакт с Meisenheimer комплексом. Подача больших порций перекиси, осуществляемая перистальтическим насосом, дает худшее диспергирование, которое снижает эффективность взаимодействия перекиси, что ведет к снижению селективности. Хорошее диспергирование особенно существенно при более высоких концентрациях перекиси из-за более высокого локального мольного соотношения перекиси (в капле перекиси) в реакционной массе. Это подтверждает необходимость ввода перекиси в месте максимально высокой концентрации Meisenheimer комплекса.

Таблица 14
Сравнение влияния на процесс диспергирования типа насосов, подающих перекисьНасос подачи H₂O₂№№ опытовКонцентрация H₂O₂ (мас.%)H₂O₂/NB, молярн.Селективность (%)Перистальтический124,30,06496,05Поршневой224,30,06495,82-96,09Перистальтический335,00,1093,61-94,36Поршневой235,00,06496,07-96,39

ПРИМЕР 15

Этот пример демонстрирует пригодность водной 50 мас.% перекиси водорода для сочетания анилина с нитробензолом в присутствии сильного органического основания. Следовали методике примера 13, исключая использование водной 50 мас.% перекиси водорода. Раствор перекиси осторожно подповерхностно подавали в реактор с помощью ручного регулирования перистальтического насоса для осуществления, по возможности, плавного добавления, полагая загружать вещество малыми порциями (4,35 г). Была получена селективность в 95,56%, которая лишь незначительно ниже, чем селективности, получаемые с более низкими концентрациями перекиси. Результаты, полученные в примере 14, показывают, что если бы небольшой поршневой насос был доступен для проведения этого эксперимента, 50 мас.% перекись, наиболее вероятно, дала бы селективность, идентичную селективностям, получаемым с более низкими концентрациями перекиси водорода. В любом случае, выводом является то, что 50 мас.% концентрация является пригодной концентрацией для перекиси водорода.

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 1

Этот пример наглядно показывает, что перекись водорода является лучшим оксидантом, чем воздух, для сочетания анилина с нитробензолом в присутствии сильного органического основания. Было получено несколько порций сочетания посредством методики, аналогичной приведенной в примере 1, где в качестве оксиданта использовали воздух с различными скоростями потока. Результаты, приведенные в таблице 15, показывают, что воздух не пригоден в качестве оксиданта, так как скорости потока, необходимые для значительного увеличения селективности, привели бы к перегрузке стандартного промышленного компрессора. Более того, полученная максимальная селективность оказывается значительно ниже селективностей, получаемых с перекисью в диапазоне рассматриваемых условий.

Таблица 15
Влияние воздуха на селективностьПоток воздуха, при 700 г общей массы (масштаб лабораторной порции)Селективность (%)Подача воздухаЛабораторный поток (мл/мин)Заводской эквивалент (Нм³/ч}Отсутствие воздуха (3 порции)0,00,093,0-93,1Подповерхностно2,62093,1Подповерхностно14,211093,5Зона у верхнего днища14,211093,9Подповерхностно58,445094,0Скорость потока в компрессоре стандартной конструкции:18 

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ПРИМЕР 2

Этот пример изучает влияние перекиси в присутствии сильного неорганического основания и межфазного катализатора (РТС) с помощью нижеследующей процедуры. Анилин (99%, 22,58 г, 240 ммоль), нитробензол (99%, 4,97 г, 40 ммоль), водную перекись водорода (50 мас.%, молярное количество указано ниже, на фиг.5), воду (воду добавляли таким образом, что общее количество воды сохранялось постоянным и составляло приблизительно 2,16 г), гидроксид калия (86%, измельченный порошок, 7,83 г, 120 ммоль) и хлорид тетраметиламмония (97%, 4,52 г, 40 ммоль) загружали в 50-мл круглодонную колбу, оборудованную магнитной мешалкой. Перекись в реакционную смесь загружали до добавления КОН и ТМАС1. Затем колбу быстро закупоривали, и реакцию оставляли протекать при 60°С, в течение еще 1 ч. В этом примере азоксибензол и 2-NDPA получали как побочные продукты реакции, которые не получали при использовании ТМАН. Поэтому эти побочные продукты включали в расчет селективности.

Фиг.5 показывает, что при сильном неорганическом основании и межфазном катализаторе, селективность возрастает стабильно с возрастанием мольного соотношения перекись/NB от 0 до 1. Однако при сильном органическом основании, а именно ТМАН, существовали оптимальные мольные соотношения как для свежего, так и для рециклического оснований. Неожиданным является то, что существует оптимальное мольное соотношение при сильном органическом основании, но не при сильном неорганическом основании и РТС, которые генерируют аналогичное сильное органическое основание in situ. Более того, неорганическая система дает уровни 2-NDPA + азоксибензол, составляющие от 1,1% до 2,4%, тогда как при ТМАН образования 2-NDPA + азоксибензола не происходит. И снова удивительно, что такие побочные продукты образуются при сильном неорганическом основании, но не при сильном органическом основании.

Изобретение относится к способам получения 4-аминодифениламина, его промежуточных соединений 4-нитродифениламино и/или 4-нитрозодифениламино или алкилированного производного 4-аминодифениламина. Способы включают стадии: а) взаимодействие анилина или его производного и нитробензола в закрытой зоне в присутствии смеси, включающей основание и оксидант, содержащий перекись водорода в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,60 моль перекиси водорода, приходящихся на число молей нитробензола, для получения, по крайней мере, одного промежуточного соединения 4-аминодифениламина; указанные оксидант и нитробензол подают одновременно в указанную закрытую зону, удаляя воду и анилин кипячением; и b) восстановление промежуточного соединения до 4-аминодифениламина; и с) необязательное гидроалкилирование 4-аминодифениламина до получения алкилированного производного 4-аминодифениламина. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 табл., 5 ил.

1. Способ получения 4-аминодифениламина или его алкилированного производного, включающий стадии:

a) взаимодействия анилина или его производного и нитробензола в закрытой зоне в присутствии смеси, включающей основание и оксидант, содержащий перекись водорода в количестве от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,60 моль перекиси водорода, приходящихся на число молей нитробензола, для получения, по крайней мере, одного промежуточного соединения 4-аминодифениламина; указанные оксидант и нитробензол подают одновременно в указанную закрытую зону, удаляя воду и анилин кипячением;

b) восстановления промежуточного соединения до 4-аминодифениламина и

c) необязательного гидроалкилирования 4-аминодифениламина до получения алкилированного производного 4-аминодифениламина.

или в котором рециклическое основание, которое представляет собой четвертичную соль аммония, которую отделяют и очищают для удаления, по крайней мере, некоторых из примесей четвертичной аммониевой соли, используют как единственное основание или как основание в комбинации с неочищенным рециклическим основанием и/или с приготовленными согласно стандарту количествами свежего основания.

Приоритет по пунктам формулы изобретения: