СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ПОЛУЧЕНИЯ N-ПРОПИЛАНИЛИНА И 2-ЭТИЛ-3-МЕТИЛХИНОЛИНА Российский патент 2023 года по МПК C07C209/68 C07C211/48 C07D215/04 

Изобретение относится к области органической химии, в частности к способу совместного получения N-пропиланилина и 2-этил-3-метилхинолина.

N-пропиланилин может использоваться в качестве растворителя для перекристаллизации 2-этилгексановой кислоты [AU 2018100422 А4] и для получения N-[3-(триметоксисилил)пропил] анилина, который применяется в производстве резиновых и пластмассовых изделий [Tunlert A.; Prasassarakich P.; Poompradub S. Materials Chemistry and Physics, 2016; 173; 78-88], сенсоров [Gomes R., Bhaumik A. Microporous and Mesoporous Materials, 2015; 207; 71-77], электрохромных и функционализированных материалов [Roosz N., Euvrard M., Lakard В., Viau, L. Colloids and Surfaces A, 2019; 573; 237-245; Byoung-Ju K., Kwang-Sun K. Synthetic Metals, 2013; 169; 55-58; Sasidharan M.,Mal N. K., Bhaumik A. Journal of Materials Chemistry, 2007; 17; 278-283].

Хинолин и его производные обладают широким спектром биологической активности, такой как антималярийная [Vandekerckhove S.; D'hooghe, М. Bioorganic & Medicinal Chemistry, 2015; 23(16), 5098-5119], антибактериальная [Kaya Z. и др. American Journal of Rhinology & Allergy, 2019; 33 (5), 559-566], противораковая [Пат. CШA №10179770], противовоспалительная [Yang C.Y. и др. Molecules, 2019; 24(6), 1162] и т.д. Хинолины находят применение в других отраслях промышленности - в качестве ингибиторов коррозии [Chitra S.; Saranya J.; Lavanya, К. Corrosion Reviews, 2018; 36(4), 365-371], противоизносных присадок к смазочным маслам [Niu W. и др. Industrial Lubrication and Tribology, 2018; 70(8), 1487-1493], красителей [dos Santos G.C. и др. Journal of Fluorescence, 2017; 27(1), 271-280]. 2-этил-3-метилхинолин может применяться для получения скрытых катализаторов для эпоксидных смол [патент US 5169473 А; патент US 5503937 A].

Известные способы получения N-пропиланилина осуществляются преимущественно в присутствии гетерогенных катализаторов.

Авторы van Bokhoven J A. Catal. Sci. Technol, 2013; 3, 94-98] получили N-пропиланилин взаимодействием анилина с н-пропанолом в присутствии катализатора Аu-ТiO₂. Образец приготовлен методом адсорбции активного элемента из раствора соединения с этим элементом (deposition-precipitation). N-пропиланилин синтезировали в фотокаталитическом мультиреакторе, облучаемом четырьмя УФ-лампами, мольном соотношении анилин: н-пропанол = 1: 242, 0,2% масс. катализатора, в течение 4 ч с выходом 89%. Недостатками данного способа является использование дорогого золота для создания каталитической системы, использование большого избытка н-пропанола и специального оборудования для облучения.

Исследован способ получения N-пропиланилина из анилина и н-пропанола в присутствии никеля Ренея [Rice R.G., Kohn E.J. J. Am. Chem. Soc, 1955; 77(15), 4052-4054]. Реакцию осуществляли при температуре кипения н-пропанола (100°С), мольном соотношении анилин:н-пропанол=1:4.8, в течение 16 ч, 14%масс.катализатора. Катализатор перед реакцией обрабатывали смесью этанол-пропанол в течение 6 ч в аппарате Сокслета. Получали N-пропиланилин с выходом до 88%. Недостатками данного способа является длительное время синтеза, использование пирофорного никеля и наличие дополнительных этапов подготовки катализатора.

В работе [Miao Z., Li С., Dong X, Liu J, Shi L., Sun Q.: Chin. J. Catal, 2007; 28(4), 296-298] N-пропиланилин получали с использованием катализатора Cu/SiO₂. Образец готовили методом капиллярной пропитки из SiO₂ в растворе нитрата меди (II) в течение 15 ч, затем сушили при 120°С и прокаливали при 500°С в атмосфере воздуха в течение 4 ч. Перед реакцией прекурсор восстанавливали водородом при 180°С в течение 3 ч.

Синтез N-пропиланилина проводили в проточной установке при 260°С, атмосферном давлении, мольном соотношении анилин:н-пропанол = 5:1, в течение 150 ч, выход N-пропиланилина составил 92%. Недостаток данного способа - чрезмерно длительное время синтеза (150 ч).

Изучен синтез N-пропиланилина на γ-Аl₂О₃ [Valot F., Fache F., Jacquot R., Spagnol M., Lemaire M. Tetrahedron Letters, 1999; 40(19), 3689-3692]. Реакцию проводили при 300°C, мольном соотношении анилин:н-пропанол = 1:20, объемном расходе сырья 2 мл/ч, 2 г катализатора, в течение 1 ч. Выход N-пропиланилина - 72%. Недостатком данного способа является большой избыток н-пропанола.

Авторы [Rammohan K, Kumar Das V.G., Pillai R.B.C. Hungarian journal of industrial chemistry, 1999; 27, 13-16] получали N-пропиланилин из анилина и н-пропанола в присутствии цеолитов ZSM-5 и Y в Na-, Н- и Се-формах. Н-форму цеолитов получали из Na-формы путем четырехкратного ионного обмена в растворе NH₄Cl с последующей сушкой при 100°С в течение 6 ч и термообработкой при 500°С (4 ч). Се-форму получали из Na-формы аналогично в растворе Се(NO)₃)₃.

Взаимодействие анилина с н-пропанолом проводили в проточном реакторе при 450°С, мольном соотношении анилин:н-пропанол = 1:2, объемном расходе сырья 5 мл/ч, 4 г катализатора. Максимальный выход N-пропиланилина зафиксирован в присутствии цеолита Ce-Y - 52%. Недостаток данного способа - высокодисперсный катализатор, что неудобно в использовании, особенно в проточных установках, где он может создавать существенное гидравлическое сопротивление потоку сырья, а также использование дорогого церия.

Известные синтетические способы получения хинолинов основаны на реакциях конденсации анилина или его производных с карбонильными соединениями, которые катализируются кислотами или основаниями (реакции Фридлендера, Пфитцингера, Конрада-Лимпаха, Комба) Джилкрист Т. Химия гетероциклических соединений. Изд.: Москва "Мир" 1996. - 464 с.]. Использование карбонильных соединений, в т.ч. альдегидов, приводит к образованию продуктов их конденсации, смол, «тяжелых» соединений. Кроме того, альдегиды нестабильны и это создает ряд сложностей при их хранении и использовании. Решение данной проблемы достигается путем замены карбонильных соединений на доступные, дешевые и стабильные спирты, которые можно производить путем ферментации из возобновляемого сырья биомассы, такого как кукуруза, сахарный тростник и целлюлоза [Meng Т; Мао D; Guo Q; Lu, G. Catalysis Communications, 2012; 21, 52-57].

Исследована реакция анилина с н-пропанолом в присутствии гомогенных катализаторов, таких как Ni- [Khusnutdinov R.I.; Baygusina A.R., Aminov R.I.; Dzhemilev, U.M. Russian Journal of Organic Chemistry, 2012; 48, 690-693], Pd-содержащие металлорганические комплексы [Jixing Li; Jinlong Zhang; Huameng Yang; Gaoxi, Jiang J. Org. Chem, 2017; 82(6), 3284-3290], FeCl₃⋅6H₂O [Патент РФ №2514424. Makhmutov, A.R. Journal of Siberian Federal University, 2017; 10, 154-164. Makhmutov, A.R. Zhurnal Obshchei Khimii, 2018; 88 (5), 747-753], максимальный выход 2-этил-3-метилхинолина - 87% в присутствии FeCl₃⋅6H₂O (мольное соотношение [катализатор]:[анилин]:[ССl₄]:[СН₃СН₂СН₂ОН]=1:100:100:200, двухэтапная загрузка реагентов, 140°С, 4 ч).

Использование указанных выше гомогенных катализаторов приводит к многостадийности процесса, сложному отделению продуктов от катализаторов, невозможность их повторного использования и появлению кислых стоков. В связи с этим, в последнее время развиваются методы синтеза хинолинов на гетерогенных катализаторах.

Так, в работе [Makhmutov, A.R. Zhurnal Organicheskoi Khimii, 2018; 54(8), 1156-1161] для получения 2-этил-3-метилхинолина использовали в качестве катализатора хромит железа Fe(CrO₂)₂. Реакцию проводили в 2 этапа: окисляли н-пропанол в альдегид в 5% водном растворе Н₂O₂ в присутствии 4 моль % Fe(CrO₂)₂ при облучении светом с длиной волны λ<400 nm в течение 2 ч при 20°С, затем добавляли анилин (анилин:н-пропанол = 5:12 моль/моль) и проводили реакцию в течение 5 мин. В приведенных условиях выход 2-этил-3-метилхинолина составил 87%. Данный метод синтеза характеризуется следующими недостатками: использование Н₂О₂ в качестве окислителя; использование специального оборудования для облучения; 2 этапа.

В патенте [Патент Китай №CN 110759861 А] 2-этил-3-метилхинолин синтезировали в присутствии MoS_2-xO_y, полученного путем гидротермального синтеза, исходя из молибдата аммония (молибдата натрия), тиомочевины и сульфида натрия, при 190°С в течение 4 ч под давлением воздуха (4 атм) при мольном соотношении анилин: н-пропанол = 1:67. Выход 2-этил-3-метилхинолин в приведенных условиях составил 73%. Недостатки этого способа - осуществление процесса под давлением с большим избытком н-пропанола.

Известно [Huang С.; Li A.; Chao, Z. RSC Adv., 2017; 7, 48275-48285] получение алкилхинолинов и алкиланилинов реакцией анилина с пропанолом в присутствии цеолитного катализатора ZnCl₂/Ni-USY-acid. Катализатор получали следующим образом: высокодисперсный ульрастабильный цеолит Y (USY) прокаливали в течение 8 ч при 550°С, а затем подвергали постобработкам. Для получения образца USY-acid цеолит USY нагревали в 0.5 М растворе соляной кислоты 30 мин при 60°С и сильном перемешивании. Затем суспензию фильтровали, промывали водой и сушили при 100°С. Полученный порошок USY-acid модифицировали солями нитратов переходных металлов. Для этого порошок цеолита смешивали с водным раствором соли металла, нагревали при 90°С 6 ч при сильном перемешивании. Затем суспензию фильтровали, промывали водой, сушили при 100°С, затем прокаливали при 550°С 4 ч. Процедуру повторяли трижды со свежим раствором соли. Получали образцы Me-USY-acid (Fe, Со, Ni, Сu, Zn). Для получения образца ZnCl₂/Ni-USY-acid цеолит Ni-USY-acid пропитывали рассчитанным количеством 0,1 м водного раствора ZnCl₂ при комнатной температуре в течение 12 ч при энергичном перемешивании. Суспензию сушили при 120°С одну ночь, с последующим прокаливанием при 500°С в течение 4 ч в воздухе.

Синтез хинолинов в присутствии приготовленных катализаторов проводили при мольном соотношении анилин: пропанол = 1:3, 410°С, скорости подачи сырья 0,4 ч^-1, в присутствии водорода. Суммарный выход хинолинов в присутствии образца ZnCl₂/Ni-USY-acid составил 79,7%, 2-этил-3-метилхинолина - 61%.

Недостатком данного способа является длительный многостадийный процесс приготовления катализатора ZnCl₂/Ni-USY-acid, сопровождающийся потерями цеолита. Кислотная обработка цеолита, которую проводят с целью деалюминирования цеолита, приводит обычно к частичной аморфизации его кристаллической структуры. Порошкообразный цеолит неудобен в использовании, особенно в проточных установках, где он может создавать существенное гидравлическое сопротивление потоку сырья.

Близким к указанному выше является способ [Huang С.; Li A.; Li L.; Chao, Z. RSC Adv., 2017; 7, 24950-24962] получения алкилхинолинов реакцией анилина с пропанолом в присутствии цеолитного катализатора ZnCl₂/Ni-USY. Цеолит Ni-USY получали трехкратным ионным обменом в водном растворе Ni(NO₃)₂ в условиях кипения (100°С) в течение 6 ч, последующей промывкой, сушкой и прокалкой при 550°С в течение 4 ч. Образец ZnCl₂/Ni-USY получали пропиткой образца Ni-USY водным раствором ZnCl₂ (массовое соотношение ZnCl₂/Ni-USY=1/9) при комнатной температуре в течение 24 ч в условиях перемешивания. Затем смесь упаривали при 90°С до удаления воды, сушили при 250°С одну ночь.

Реакцию анилина с пропанолом проводили при мольном соотношении анилин: н-пропанол = 1:2, 410°С, скорости подачи водорода 300 ч^-1, объемной скорости подачи сырья 0,8 ч^-1). Конверсия анилина составила 96%, суммарная селективность по хинолинам - 81%, селективность по 2-этил-3-метилхинолину - 60%.

К недостаткам данного способа можно отнести длительный многостадийный процесс приготовления катализатора ZnCl₂/Ni-USY. Катализатор представляет собой высокодисперсный материал, что неудобно в использовании, особенно в проточных установках, где он может создавать существенное гидравлическое сопротивление потоку сырья. Образуется смесь хинолинов, которую тяжело разделять.

Задачей настоящего изобретения является разработка эффективного гетерогенно-каталитического способа совместного получения N-пропиланилина и 2-этил-3-метилхинолина реакцией анилина с н-пропанолом.

Решение этой задачи достигается тем, что синтез N-пропиланилина и 2-этил-3-метилхинолина осуществляют взаимодействием анилина с н-пропанолом в присутствии гранулированного цеолита Y в Na-форме высокой степени кристалличности, имеющего иерархическую (микро-мезо-макропористую) структуру и модифицированного оксидом никеля и хлоридом цинка (ZnCl₂/NiO/Na-Y_h). Реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора (ZnCl₂/NiO/Na-Y_h (1 г) при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0,4-2,0 ч^-1, мольном соотношении анилин: н-пропанол = 1: 2-3, в атмосфере азота.

Основными продуктами реакции анилина с н-пропанолом в присутствии исследованного цеолитного катализатора (ZnCl₂/NiO/Na-Y_h) являются N-пропиланилин 1, 2-этил-3-метилхинолин 2 (схема). Кроме них в реакционной массе идентифицированы имины, обозначенные «другие».

Цеолит Na-Y_h синтезирован в виде гранул без связующих веществ; его гранулы представляют собой единые сростки цеолитных кристаллов и обладают степенью кристалличности, близкой к 100%. Пористая структура гранул состоит из микропористой структуры самого цеолита Y и мезо-макропористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов. Существенным преимуществом цеолита Na-Y_h перед высокодисперсными цеолитами является то, что он синтезируется в гранулах. Гранулированный катализатор обладает лучшими физическими свойствами: не пылит, не слеживается, легко рассеивается и легко отделяется от реакционной массы фильтрованием (в отличие от высокодисперсного, который быстро забивает фильтр или проходит через полотно фильтра). Гранулы катализатора Na-Y_h на 100% состоят из цеолита Y, в них отсутствует связующее вещество.

Цеолит Na-Y_h имеет комбинированную микро-мезо-макропористую кристаллическую структуру.

Цеолит NiO/Na-Y_h получают методом капиллярной пропитки, обрабатывая раствором Ni(NO₃)₂^⋅6H₂O исходный цеолит Na-Y_h с последующим разложением соли до NiO путем термообработки. Далее образец NiO/Na-Y_h пропитывают кислотой Льюиса ZnCl₂ с получением модифицированного цеолита ZnCl₂/NiO/Na-Y_h.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известным:

1. Цеолит Na-Y_h используется в виде гранул, в то время как в известном способе используют высокодисперсный цеолит H-USY. Применение гранулированного катализатора гораздо технологичнее, чем высокодисперсного.

2. Для введения соединений никеля в предлагаемом способе используется более простая технологически капиллярная пропитка, тогда как в прототипе применяют трехкратный ионный обмен.

3. Катализатор ZnCl₂/NiO/Na-Y_h позволяет эффективно, с высокой конверсией анилина селективно синтезировать N-пропиланилин и 2-этил-3-метилхинолин при более высокой объемной скорости подачи сырья и в присутствии азота.

4. Катализатор позволяет селективно получить только 2-этил-3-метилхинолин без примесей других хинолинов, отделение которых представляет большую сложность в связи с близкой полярностью и температурами кипения. В прототипе селективность по 2-этил-3-метилхинолину - 60% (21% диметилхинолины), в настоящем изобретении - 65%.

Гранулированный иерархический цеолитный катализатор Y_h синтезируют в Na-форме по методу, приведенному в [Travkina O.S., Agliullin M.R, Filippova N.A, Khazipova A.N, Danilova I.G, Grigor'eva N.G, Narender N, Pavlov M.L, Kutepov B.I // RSC Advances. 7 (2017) 32581-32590; Павлов M.Л, Травкина О.С, Хазипова А.Н, Басимова Р.А, Шавалеева П.Н, Кутепов Б.И // Нефтехимия, 2015, т. 55, №5, С. 406; Патент РФ №2540086; Патент РФ №2553876].

Навеску прокаленного цеолита Na-Y_h пропитывают по водопоглощению раствором соли Ni(NO₃)₂^⋅6Н₂O. После пропитки образцы выдерживают в закрытых бюксах, затем подвергают термообработке в атмосфере воздуха при 120, 300 и 540°С в течение 12, 2 и 4 часов, соответственно. Далее полученный образец NiO/Na-Y_h пропитывают по водопоглощению водным раствором ZnCl₂. После пропитки образцы выдерживают в закрытых бюксах 10 часов, затем сушат при комнатной температуре в течение 8 часов, последняя стадия приготовления - прокалка в атмосфере воздуха при 500°С 4 часа.

Реакцию анилина с н-пропанолом проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора ZnCl₂/NiO/Na-Y_h (1 г) при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья (w) 0,4-2,0 ч^-1, мольном соотношении анилин: н-пропанол = 1: 2-3, в атмосфере азота.

Продукты реакции, собранные в охлаждаемый льдом приемник, экстрагируют хлористым метиленом и анализируют с помощью газожидкостной хроматографии (ГЖХ). Хроматографический анализ продуктов реакции выполняют на хроматографе с пламенно-ионизационным детектором (стеклянная капиллярная колонка длиной 25 м, фаза SE-30, температура анализа 50-280°С с программированным нагревом со скоростью 8°С/мин, температура детектора 250°С, температура испарителя 300°С).

Изобретение иллюстрируется следующим примером:

ПРИМЕР 1. Сырье (смесь анилина и н-пропанола в мольном соотношении анилин: н-пропанол=1:2) подают в проточный реактор с неподвижным слоем цеолитного катализатора ZnCl₂/NiO/Na-Y_h (1 г) с помощью шприцевого микро-насоса при 450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 1,2 ч^-1, в токе азота. Продукты собирают в охлаждаемый льдом приемник, расположенный в нижней части установки. По окончании синтеза реактор продувают азотом в течение 30 минут. Из реакционной массы, состоящей из водного и органического слоев, продукты экстрагируют хлористым метиленом, после чего сушат и анализируют методом газожидкостной хроматографии.

Конверсия анилина составляет 83%. Селективность образования N-пропиланилина 1 составляет 34%, 2-этил-3-метилхинолина 2- 65%, «других» соединений - 1%.

ПРИМЕРЫ 2-6. Аналогично примеру 1. Условия и результаты примеров представлены в таблице.

Изобретение относится к способу совместного получения N-пропиланилина и 2-этил-3-метилхинолина. Способ заключается во взаимодействии анилина с н-пропанолом в присутствии цеолитного катализатора. Способ характеризуется тем, что в качестве цеолитного катализатора используют промотированный оксидом Ni и хлоридом Zn гранулированный цеолит ZnCl₂/NiO/Na-Y_h высокой степени кристалличности с иерархической (микро-мезо-макропористой) структурой, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.4-1.2 ч^-1, мольном соотношении анилин:н-пропанол, равном 1:2-3, в среде азота. Предлагаемый способ позволяет совместно получать N-пропиланилин и 2-этил-3-метилхинолин без примесей других хинолинов, а также снизить энерго- и материалоемкость процесса гетероциклизации. 1 табл., 6 пр.

Способ совместного получения N-пропиланилина и 2-этил-3-метилхинолина взаимодействием анилина с н-пропанолом в присутствии цеолитного катализатора, отличающийся тем, что в качестве цеолитного катализатора используют промотированный оксидом Ni и хлоридом Zn гранулированный цеолит ZnCl₂/NiO/Na-Y_h высокой степени кристалличности с иерархической (микро-мезо-макропористой) структурой, реакцию проводят в проточном реакторе с неподвижным слоем катализатора при 350-450°С, атмосферном давлении, объемной скорости подачи сырья 0.4-1.2 ч^-1, мольном соотношении анилин:н-пропанол, равном 1:2-3, в среде азота.