СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 3-МЕТИЛ-2-ЭТИЛХИНОЛИНА Российский патент 2023 года по МПК C07D215/04 

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, в частности к способу получения 3-метил-2-этилхинолина.

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. США №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, K. 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]. 3-метил-2-этилхинолин может применяться для получения скрытых катализаторов для эпоксидных смол [патент US 5169473 А; патент US 5503937 А].

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 [Meng Т; Мао D; Guo Q; Lu, G. Catalysis Communications, 2012; 21, 52-57].

Взаимодействие анилина с 1,2-пропандиолом обычно используют для получения 3-метилиндола (скатола):

Синтез осуществляют в паровой фазе в присутствии силикагеля, промотированного оксидом циркония ZrO₂/SiO₂ [Campanati М.; Franceschini S.; Piccolo О.; Vaccari A. Journal of Catalysis, 2005; 232 (1), 1-9] или серебром с нанесением оксидов X/Ag/SiO₂ (X = FeO, NiO, CoO, ZnO, MgO, ZrO₂) [Wenhui L.; Xinghai L.; Dongyan L.; Lei S.; Qi S. Chin. J. Catal, 2009; 30(12), 1287-1290; Yang H.; Wenhui L.; Dongyan L.; Jing L.; Lei S.; Qi S. Journal of Natural Gas Chemistry, 2009;18, 445-448; Патент Китай 107540595, 106278985]. Реакцию проводят в паровой фазе при 250 - 325°С, в избытке анилина (PhNH₂: пропандиол-1,2 = 3-10:1), с объемной скоростью подачи сырья 0,4 ч^-1, в присутствии азота или водорода. Максимальный выход скатола (64%) достигнут на образце MgO/NiO/Ag/SiO₂.

Кроме 3-метил индол а, реакцией анилина с 1,2-пропандиолом получают его 2-замещенный

изомер:

Реакцию осуществляют в присутствии комплекса рутения [RuH(CO)(PCy₃)]₄(O)(OH)₂ с добавкой HBF₄⋅OEt₂ [Lee Н; Yi С.S. Organometallics, 2019; 35(11), 1973-1977] или модифицированного алюмосиликата Ni/SiO₂-Al₂O₃ [Charvieux A.; Hammoud A.A.; Duclos M.-Ch.; Duguet N.; Metay Е. Tetrahedron Letters, 2021; 78, 153270].

В работе [Zhang M.; Xie F.; WangXiaoTing; Yan F.; Wang Т.; Chen M; Ding Yu. RSC Adv., 2013; 3, 6022-6029] 2- и 3-метилиндолы получали совместно в соотношении 11:3 с суммарным выходом 62%. Реакцию осуществляли в присутствии комплекса рутения [Ru(СО)₂(Ксанфос)]₂ и п-ТСК при 120°С, мольном соотношении анилин : 1,2-пропандиол = 1.2:1, в течение 16 ч, в качестве растворителя использовали трет-амиловый спирт.

Синтез 3-метил-2-этилхинолина реакцией анилина с 1,2-пропандиолом упоминается только в двух работах.

Авторами [Khusnutdinov R.; Bayguzina A.; Aminov R.; Dzhemilev U. Journal of Heterocyclic Chemistry, 2015;53 (4), 1022-1029; патент РФ 2614251] разработан способ получения метилэтилхинолинов в присутствии гексагидрата хлорида железа FeCl₃⋅6H₂O и четыреххлористого углерода CCl₄, с мольным соотношением анилин : 1,2-пропандиол : FeCl₃⋅6H₂O : CCl₄ = 100 : 400 : 1 : 200, при 150°С, в течение 8 ч. Хинолины получены в виде смеси 3-метил-2-этилхинолина и 4-метил-2-этилхинолина с соотношением 2:1, суммарный выход изомеров составил 94%.

Недостатками данного метода являются: получение трудноразделяемой смеси 3-метил-2-этилхинолина / 4-метил-2-этилхинолина; использование в большом количестве сильнодействующего ядовитого вещества - ССЦ; использование гомогенного катализатора, что приводит к многостадийности процесса, сложному отделению продуктов от катализаторов, невозможность их повторного использования. Этих недостатков лишены гетерогенные катализаторы, в т.ч. цеолитные.

Известно [Huang С; Li A.; Chao, Z. RSC Adv., 2017; 7, 48275 - 48285] получение алкилхинолинов реакцией анилина с 1,2-пропандиолом 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. После этого 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, Cu, 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 в проточной установке при мольном соотношении анилин : 1,2-пропандиол = 1:3, 410°С, скорости подачи анилина 0,4 ч^-1, в присутствии водорода. Суммарный выход хинолинов в присутствии образца ZnCl₂/Ni-USY-acid составил 44,7%, 3-метил-2-этилхинолина - 29,8%.

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, обычно приводит к частичной аморфизации его кристаллической структуры. Образуется смесь хинолинов, которую тяжело разделять.

Задачей настоящего изобретения является разработка более эффективного гетерогенно-каталитического способа синтеза 3-метил-2-этилхинолина.

Решение этой задачи достигается тем, что синтез 3-метил-2-этилхинолина осуществляют взаимодействием анилина с 1,2-пропандиолом в присутствии гранулированного цеолита ZSM-5 в Н-форме высокой степени кристалличности, имеющего микро-мезо-макропористую структуру (H-ZSM-5_h). Реакцию проводят в автоклаве при 200-260°С, мольном соотношении анилин : 1,2-пропандиол = 1 : 2-4, в присутствии 5-10% катализатора H-ZSM-5_h, в течение 9 ч, в хлорбензоле.

Основным продуктом реакции анилина с 1,2-пропандиолом в присутствии цеолитного катализатора H-ZSM-5_h является 3-метил-2-этилхинолин:

Кроме 3-метил-2-этилхинолина, в реакционной массе идентифицированы его прекурсоры (3-метил-2-этил-N-фенил-1,2,3,4-тетрагидрохинолин-4-амины, дигидрохинолины) и другие соединения (пропиланилины, продукты конденсации альдегидов).

Цеолит Na-ZSM-5_h синтезировали в виде гранул без связующих веществ [Патент РФ 2739350. Гранулированный цеолит H-ZSM-5 без связующего и способ его получения/ Травкина О.С, Куватова Р.З., Кутепов Б.И., и др. // 2020]; его гранулы представляют собой единые сростки цеолитных кристаллов и обладают степенью кристалличности, близкой к 100%. Пористая структура гранул состоит из микропористой структуры самого цеолита ZSM-5 и мезо- и макропористой структуры, сформировавшейся между сростками кристаллов.

Существенным преимуществом цеолита Na-ZSM-5_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).

Традиционный способ приготовления гранулированных цеолитов осуществляют следующим образом: смешивают высокодисперсный цеолит со связующим материалом, а затем полученную смесь формуют в гранулы. Введение связующего материала в состав гранул снижает адсорбционную емкость и каталитическую активность цеолитов по сравнению с высокодисперсными цеолитами, а в ряде случаев не удается обеспечить механическую прочность получаемых таким образом гранулированных материалов. Готовые гранулы Na-ZSM-5_h состоят только из цеолита ZSM-5, в них отсутствует связующее вещество.

Комбинированная микро-мезо-макропористая кристаллическая структура цеолита Na-ZSM-5_h высокостабильна и не разрушается в процессе ионного обмена катионов Na⁺ на Н⁺. Цеолит Na-ZSM-5_h переводили в Н-форму ионным обменом из раствора NH₄NO₃ с последующей прокалкой.

Использование предлагаемого способа имеет следующие преимущества перед известными:

1) В прототипе исходный цеолит подвергали сложным постсинтетическим обработкам, которые приводят к аморфизации исходного кристаллического материала и большим потерям цеолита; в предлагаемом способе гранулированный иерархический цеолит H-ZSM-5_h получают прямым синтезом.

2) Синтез 3-метил-2-этилхинолина в присутствии цеолита H-ZSM-5_h протекает без водорода и при меньшей температуре, чем на цеолите ZnCl₂/Ni-USY-acid.

3) Катализатор позволяет селективно получить только 3-метил-2-этилхинолин без примесей других хинолинов, отделение которых представляет большую сложность в связи с близкой полярностью и температурами кипения. В прототипе селективность по 3-метил-2-этилхинолину -29,8% (14,9% - другие хинолины), в настоящем изобретении - 60%.

Гранулированный цеолитный катализатор H-ZSM-5_h синтезируют следующим образом. Смешивают порошкообразный цеолит ZSM-5 и предварительно полученный аморфный алюмосиликат с мольным соотношением SiO₂/Al₂O₃ = 30, увлажняют полученную смесь водой, формуют гранулы, затем их сушат и прокаливают в атмосфере воздуха. Полученные гранулы помещают в автоклав, в котором осуществляют гидротермальную кристаллизацию из реакционных смесей состава (3,0-4,0)Na₂O ⋅ (0,5-2,3)R ⋅ Al₂O₃ ⋅ (60-90)SiO₂ ⋅ (450-900)Н₂О, где R - органический темплат, при 115±5°С в течение 48-72 часов.

Полученные в результате гидротермальной кристаллизации цеолитные гранулы Na-ZSM-5_h дважды промывают водой, сушат и прокаливают при 550-600°С в течение 3-4 часов. Затем гранулы подвергают ионному обмену и последующему прокаливанию с использованием стандартных методик.

Реакцию анилина с 1,2-пропандиолом проводят в автоклаве при 200-260°С, мольном соотношении анилин : 1,2-пропандиол = 1 : 2-4, в присутствии 5-10% катализатора H-ZSM-5_h, в течение 9 ч, в хлорбензоле. Продукты реакции экстрагируют хлористым метиленом и анализируют с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на приборе HP-1090 («Hewlett Packard», США) с ультрафиолетовым детектором. Условия съемки: прибор-SHIMADZU LC-20AT, колонка - Agilent С18 (4,6⋅250 мм), элюент-CH₃CN/H₂O - 80/20, скорость подачи элюента-1 мл/мин.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

ПРИМЕР 1.

В металлический автоклав загружают 0.204 г (2.2 ммоль) анилина, 0.500 г (6.6 ммоль) 1,2-пропандиола, 1 мл хлорбензола и 0.0704 г (10% мае. в расчете на исходную смесь) цеолита H-ZSM-5_h, автоклав герметично закрывают и помещают в термостатируемый шкаф. Реакцию проводят при температуре 260°С в течение 9 ч при непрерывном вращении автоклава.

После окончания реакции автоклав охлаждают до комнатной температуры, продукты реакции экстрагируют дихлорметаном, после отгонки растворителя анализируют методом высокоэффективной жидкостной хроматографии.

Конверсия анилина составляет 100%, селективность образования 3-метил-2-этилхинолина -

60%.

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

Изобретение относится к способу получения алкилхинолинов, широко используемых при изготовлении лекарственных препаратов, фунгицидов и гербицидов, ингибиторов коррозии металлов, экстрагентов и сорбентов, красителей и высококипящих растворителей. Способ получения 3-метил-2-этилхинолина заключается во взаимодействии 1,2-пропандиола с анилином в присутствии гранулированного цеолита H-ZSM-5_h высокой степени кристалличности, имеющего иерархическую (микро-мезо-макропористую) структуру в автоклаве при 200-260°С, мольном соотношении анилин:1,2-пропандиол=1:2-4, в присутствии 5-10% катализатора H-ZSM-5_h, в течение 9 ч, в хлорбензоле. Использование изобретения позволяет повысить выход 3-метил-2-этилхинолина, упростить его синтез, снизить энерго- и материалоемкость процесса гетероциклизации. 1 табл., 6 пр.

Способ получения 3-метил-2-этилхинолина взаимодействием анилина с 1,2-пропандиолом в присутствии цеолитного катализатора, отличающийся тем, что в качестве цеолитного катализатора используют гранулированный цеолит H-ZSM-5_h высокой степени кристалличности с иерархической пористой структурой, реакцию проводят в автоклаве при 200-260°С, мольном соотношении анилин:1,2-пропандиол=1:2-4, в присутствии 5-10% катализатора H-ZSM-5_h, в течение 9 ч, в хлорбензоле.