СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ 1,7-ДИ-(ГИДРОКСИМЕТИЛ)-М-КАРБОРАНА Российский патент 2025 года по МПК C07F5/02 C01B6/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к области борорганической химии, в частности карборанам. 1,7- ди-(гидроксиметил)-м-карборан является одним из компонентов для получения термостойких полимеров с уникальными прикладными свойствами. Такие полимеры могут быть использованы в различных отраслях промышленности, например, в авиастроении и медицине.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен способ получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана взаимодействием ди-Li-производного м-карборана с параформальдегидом в этиловом эфире с последующим подкислением соляной кислотой при охлаждении водой со льдом [US 3226429, C07C255/51; C07C255/58; опубл. 28.12.1965]. Реакция протекает по схеме: LiCB₁₀H₁₀CLi + (CH₂O)_X + 2HX→HOCH₂CB₁₀H₁₀CCH₂OН + 2LiX.

Недостатками способа являются многостадийность, работа с литийорганическими соединениями; низкий выход конечного продукта.

Попытка получить 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан высокотемпературной изомеризацией его о-изомера в автоклаве не увенчалась успехом, так как 1,2- ди-(гидроксиметил)-о-карборан разлагается при температуре выше 400°C c образованием боратов [Inorg Chem 1963, v.2, No.6, 1129].

Прототипом предложенного нами способа получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана является способ, заключающийся в том, что раствор 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана в метаноле кипятят в присутствии соляной кислоты с последующей отгонкой растворителей и перекристаллизацией продукта из толуола [ЖОХ, 1991, т. 61, вып. 6, с. 1349]. Реакция протекает по схеме: CH₃COOCH₂CB₁₀H₁₀CCH₂OOCCH₃ + 2CH₃OH→HOCH₂CB₁₀H₁₀CCH₂OH+2CH₃COOCH₃. Исходный м-карбораниловый эфир получают высокотемпературной изомеризацией под вакуумом его орто-изомера с последующим выделением м-эфира (Tпл. = 193-195°С) путем вакуумной перегонки.

Недостатком метода являются сложности процесса масштабирования. Получить 1,7- ди-(гидроксимети)-м-карборан вышеуказанным способом с выходом выше 90% не удается, что говорит о том, что для описанных выше процессов неверно подобрано операционное окно.

Задачей предлагаемого изобретения является создание простого, эффективного и легкомасштабируемого способа получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с высоким выходом.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническим результатом является получение высокочистого 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления 193-195°С, а также обеспечение высокой производительности предложенного способа по целевому продукту.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана путем алкоголиза низшим алифатическим спиртом 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана или его спиртового раствора в присутствии кислоты, характеризующийся тем, что алкоголиз проводят в два этапа, причем на первом этапе осуществляют кипячение реакционной массы в течение 2-3 часов, а на втором этапе осуществляют отгонку азеотропа алкиловый спирт-алкилацетат, с получением промежуточного продукта, содержащего 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, который выделяют методом водного осаждения из оставшегося спиртового раствора с последующим фильтрованием и промывкой водой, после чего промежуточный продукт сушат и очищают от примесей кипячением с толуолом в весовом соотношении 1:1,2, соответственно, отгоняют азеотроп толуол – вода, охлаждают, фильтруют, промывают осадок на фильтре толуолом и сушат под вакуумом с получением 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления 193-195°С.

Существует вариант, в котором в качестве низшего алифатического спирта используют этанол, пропанол, изопропанол или бутанол.

Существует вариант, в котором в качестве кислоты используют соляную или бромистоводородную кислоту.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Алкоголиз 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана низшими алифатическими спиртами проходит по следующей схеме:

CH₃COOCH₂CB₁₀H₁₀CCH₂OOCCH₃ + ROH → HOCH₂CB₁₀H₁₀CCH₂OH + RCOOCH₃, где R: -CH₃, -C₂H₅, (СН₃)₂СН-, -С₃Н_7, -С₄Н₉.

К полученному 20-40% спиртовому раствору 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана добавляют концентрированную соляную или бромистоводородную кислоту в соотношении на 1 г эфира 0,18-0,27 г кислоты и кипятят реакционную массу в течение 2-3-х часов. Затем реакционную массу упаривают на четверть, отгоняя азеотроп алкиловый спирт - алкилацетат, и после охлаждения до комнатной температуры заливают 3÷5-кратным избытком воды по отношению к оставшемуся алкиловому спирту. Реакционную массу помещают в ледяную баню, выпавшие кристаллы фильтруют и промывают на фильтре водой.

Во влажный осадок, содержащий 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, добавляют толуол из расчета на 1 г м-карборанилового спирта 1,3 мл растворителя, нагревают и отгоняют азеотроп толуол-вода. Далее смесь охлаждают в морозильной камере, фильтруют, промывают на фильтре толуолом, а затем сушат на кипящей водяной бане при остаточном давлении Рост= 1-15 мм рт. ст.

Полученные кристаллы 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана анализируют на содержание бора «В» титриметрическим способом, гидроксильных групп «ОН^-» газометрическим способом, определяют температуру плавления. Чистоту продуктов дополнительно контролируют по ¹¹В и ¹Н спектрам ЯМР.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами осуществления.

Пример 1

В 1280 г метанольного раствора 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана, полученных после изомеризации 520,8 г 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана в 781,2 г метанола, загружают 80,2 г концентрированной соляной кислоты и кипятят реакционную массу в течение 2-3 часов. Затем после отгонки 450г смеси метанола с метилацетатом в реакционную массу загружают 3,0л воды и помещают ее в ледяную баню. Выпавший осадок фильтруют и промывают на фильтре водой, после чего к нему добавляют 400 мл толуола и кипятят смесь на кипящей водяной бане, отгоняя азеотроп толуол-вода с использованием насадки Дина-Старка. Оставшуюся смесь помещают в морозильную камеру. Выпавшие кристаллы фильтруют и промывают на фильтре охлажденным толуолом. Далее осадок сушат на кипящей водяной бане при остаточном давлении Рост=1-15 мм рт. ст. Получают 308,4 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана. Выход составляет 83,1% (относительно исходного о-эфира). Температура плавления Т=194-195°C. Найдено,%: В 52,43; ОН^- 16,7. Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Пример 2

После изомеризации 1257,8г 20%-ого раствора 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана в метаноле получают 1212,8 г метанольного раствора 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана. Метанол отгоняют, а куб разгоняют при нагревании и остаточном давлении Рост=1-2 мм рт. ст., собирая фракцию с температурой в парах Т=110-112°C. Получают 188,5 г 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана. Выход эфира составляет 74,8%. Затем м-карбораниловый эфир растворяют в 555 мл метанола, добавляют 50,9 г концентрированной соляной кислоты и кипятят раствор в течение 5 часов. Далее охлажденную до комнатной температуры реакционную массу выгружают в емкость с 1300 мл воды, которую помещают в ледяную баню. Осадок фильтруют и промывают на фильтре водой, гексаном, а затем сушат на кипящей водяной бане при остаточном давлении Рост=1-15 мм рт. ст. Получают 121,6 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления Т=192-193°C. Выход составляет 68,2% относительно1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана и 91,1% относительно 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана. Найдено, %: В 52,8; ОН^- 17,6. Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Пример 3

14,4 г этанольного раствора 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана, полученного после изомеризации 250 г 40% раствора 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана в этаноле, подвергают алкоголизу в присутствии 13,4 г концентрированной соляной кислоты, как описано в примере 1. При этом отгоняют 100 г азеотропа этанол-этилацетат. Для водного осаждения м-карборанилового спирта используют 500 мл воды. Получают 48,4 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления Т=193-195°C. Выход составляет 68,4% (относительно 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана). Найдено, %: В 52,52; ОН^- 16,8. Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Пример 4

Алкоголиз 13,1 г 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана в 26 мл метанола проводят в присутствии 3,9 мл 40%-ого раствора HBr, как описано в примере 1. При этом отгоняют 15,6 г азеотропа, а для водного осаждения используют 200мл воды. Получают 8,3 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления Т=193-195°C. Выход составляет 90,4%. Найдено, %: В 52,7; ОН^- 16,9. Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Пример 5

Получение 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана проводят, как описано в примере 1, используя 18,3 г 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана, 72,6 г изопропилового спирта, 1,7 г концентрированной соляной кислоты и 100 мл воды, и отгоняя 33,1 г смеси изопропанола с изопропилацетатом. Получают 6,1 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления Т=193-195°C. Выход составляет 79,0% (относительно о-эфира). Найдено, %: В 52,8; ОН^- 16,6 . Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Пример 6

Из 1168,0г метанольного раствора 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана, полученного после изомеризации 260,6 г 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана в 1049,0 г метанола, отгоняют 605,3 г метанола. Оставшийся раствор кипятят в присутствии 39,8 г концентрированной соляной кислоты в течение 3-х часов. Затем отгоняют растворитель, подсушивая реакционную массу под вакуумом 1-5 мм рт. ст. Далее добавляют 1л толуола. Осадок растворяется при 98°C и перемешивании. Горячую массу переносят в химический стакан и охлаждают в морозильной камере. Выпавшие кристаллы фильтруют и промывают охлажденным толуолом. Получают 137,1 г 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана (кристаллы серого цвета) с температурой плавления Тпл ˂190°C. Выход составляет 74,3% (относительно исходного о-эфира). Найдено, %: В 52,5; ОН^- 16,6. Вычислено, %: В 52,92; ОН^- 16,7.

Предложенное техническое решение открывает возможности масштабирования процесса алкоголиза, направленного на достижение требуемых характеристик целевого продукта независимо от масштабов производства.

Преимущества предложенного способа заключаются в следующем.

Введение стадии отгонки органического эфира в виде азеотропа со спиртом, образующегося во время алкоголиза, позволяет сохранить высокий выход карборанилового спирта при масштабировании процесса;

Метод водного осаждения промежуточного продукта, содержащего 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, из спиртового раствора, полученного в процессе алкоголиза, с последующей очисткой карборанилового спирта небольшим количеством толуола позволяет получать 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан с выходом более 90% по сравнению со обычной процедурой перекристаллизации продукта из толуола, при которой выход составил 80-83% и ди-(гидроксиметил)-замещенный м-карбораниловый спирт получили в виде серых кристаллов с температурой плавления менее 190°C;

Способ осушки и очистки промежуточного продукта, содержащего 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, от примесей кипячением влажного осадка с толуолом, смешанных в весовом соотношении 1:1,2, позволяет получить 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан в виде белых кристаллов с температурой плавления Тпл =193-195°C.

В качестве исходного сырья для алкоголиза может быть использован спиртовой раствор 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана, полученный высокотемпературной изомеризацией раствора 1,2-ди-(ацетоксиметил)-о-карборана, минуя стадию выделения чистого м-карборанилового эфира, что сокращает время процесса, упрощает схему получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана и увеличивает его выход на 15-20%.

Изобретение относится к способу получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана. Способ включает двухэтапный алкоголиз низшим алифатическим спиртом 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана или его спиртового раствора в присутствии кислоты, состоящий из кипячения реакционной массы в течение 2-3 часов и отгонки азеотропа алкиловый спирт-алкилацетат с получением промежуточного продукта, содержащего 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, последующим выделением 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана методом водного осаждения из оставшегося спиртового раствора, фильтрованием и промывкой водой. Затем промежуточный продукт сушат и очищают от примесей кипячением с толуолом в весовом соотношении 1:1,2, соответственно. Отгоняют азеотроп толуол-вода, охлаждают, фильтруют, промывают осадок на фильтре толуолом и сушат под вакуумом с получением 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана. Технический результат - получение высокочистого 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана с температурой плавления 193-195°С, а также обеспечение высокой производительности способа по целевому продукту. 2 з.п. ф-лы, 6 пр.

1. Способ получения 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана путем алкоголиза низшим алифатическим спиртом 1,7-ди-(ацетоксиметил)-м-карборана или его спиртового раствора в присутствии кислоты, отличающийся тем, что алкоголиз проводят в два этапа, причем на первом этапе осуществляют кипячение реакционной массы в течение 2-3 часов, а на втором этапе осуществляют отгонку азеотропа алкиловый спирт-алкилацетат с получением промежуточного продукта, содержащего 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборан, который выделяют методом водного осаждения из оставшегося спиртового раствора с последующим фильтрованием и промывкой водой, после чего промежуточный продукт сушат и очищают от примесей кипячением с толуолом в весовом соотношении 1:1,2 соответственно, отгоняют азеотроп толуол-вода, охлаждают, фильтруют, промывают осадок на фильтре толуолом и сушат под вакуумом с получением 1,7-ди-(гидроксиметил)-м-карборана.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве низшего алифатического спирта используют этанол, пропанол, изопропанол или бутанол.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислоты используют соляную или бромистоводородную кислоту.