Способ получения сахарина Советский патент 1946 года по МПК C07D275/06 

2,3-диш-дро - З-оксю-бенз-изосульфазол, широко известный под наименованием сахарина, уже более 50 лет используется в здравоохранонии и 1пищевой промышленности. В литературе, посвященной сахарину, приведено несколько путей синтеза этого Beiu eoTiBa, npOLMbimленное значение из которого приобрел лишь ОДИН: орто-толуолсульфохлоридСНз / SOjNHjSOg орто-толуолсахарин сульфамид причем в качестве окислителей в последней стадии исдользуются почти исключ,итеЛЬИ1О соли марганцевой или хромовой (двухромовой) кислоты. Впервые соли хромовой (двухрамоБой) кислоты в присутствии серной кислоты или так называемая хромовая смесь были применены для окисления орто-толуолсульфам.ида, именуемого «иже простО амидом, Ремсеном (I. Rems-en, Ann. 178, 304/1875). Нагревая около 1 часа приблизительно при100°амесь из 7 г амида, 20 г двух1ромовоК Ислого калия и 30 г «обыкновенной концентрированной серной кислоты, разбавленной тройным объемом воды, Ремсен смог констатировать, что в избранных им условиях амид практически совершенно не поддается окислению. Несколько позже, применив в качестве окислителя маргаицевокислый калий в ш,елочной среде, он совместно с Фальбергом BnepfEbie получил сахарил (I. Remsen, С. Fahlberg, Бог. 12, 469/1879); этот способ был использован затем промышленностью, не встречая на протяжении более 30 лет конкуренции со стороны других способов окисления. В 1921 г. фирма Societe chimique des usines du Rhone anciennement Gilland, P. Mannet et Cairtier (HaрИж) no заявка(М, сделаннъм годом раньше, (Получила в Германии, а зате.М1 в Англии патент на способ получения сахарина акислениеся амида с помощыо хромовой смеси (авторы споСОб.а Альт-вегг иКоллярдо; герм. пат. № 339920; англ. пат. № 153520). В этом патенте отмечается, что неуспех опытов Ремсена по окислению амида хромовой смесью следует приписать иизкой концентрации серной кислоты (около 24%) и что при повышении концентрации последней окисление амида в сахарин становится возможным.

Для дальнейшего изложения имеют значение следующие моменты, содержаш,иеся в указанном патенте:.

1)Для получения «очеН|Ь хороших (точнее не указано)- выходов сахарина Необходимо «правильно выдержать степень раЗ|бавления серной кислоты при окислении (50-75%), тем1ператур|у реа«ци.онН01Й массы () и 1ПрО(ДОлжительность ШрОЦеоса (не шриведена). Существетано- важным Я|Вляется хорошее размешивание массы пгри окислении. Напротив, «-е нею-бходимо работать в гомогенной среде; весьма значительная часть Вступаюш.аго в реакцию продукта должна, скорее, npincyiTCTiBOBiaTb в твердой форм;е.

2)Способ весьма лелко выполним и может быть применен во многих вариантах. Равным образом не требуется придерживаться определенной последовательности в прибавлении ре-агентов.

3)В условиях даеного способа по окончании О1КИ1Сления сахарин содержит П ри1месь амида: поэтому отфильтрованный шо окончании окисления сахарин 0:Т1деляют от неизменного амида И|звестным образом.

Несколько позже та же фирма запатентовала в Германии, Англии и США новый вариаит способа, отличающийся от предыдущего применением в качестве добавок прк окислении соадинений железа, хрома и марганца или самих указанных металлов; так например, по данным этого варианта окислеН1ке амида протекает более гладко в присутствии части отброской серной кислоты от (Предыдущей операции окисления (герм. пат. № 347140; англ. пат. № 165438; ам. пат. № Г 507 565). В том же 1921 г. Бэби (J. Вев1е) по заявке, сделанной в 1920 г., получил в США патент на способ получения сахарина, принципиально ничем не отличающийся от первого варианта способа Альтвегга и Коллярдо (ам. пат. № 1366349).

В 1921 |Го(ду была опубликована статья Каминского (Журн. научн. хим.-фарм. института, 1921 г., вьш. 2,41-45), в которой описывается опосОб окисления амида в сахарин с помощью хромовой OMiBOHj в присутствии дОбавок хлоридов щелочных металлов.

Несколько позже, в 1926 году, Орелоп (J. W. Orelup) по заявке, сделанной в 1921 г., получил в США патент на способ получения сахарина, отличающийся от ранее опубликованных способов лишь тем, что сахарин, получаемый и в этом случае окислением амида хромовой смесью и тоже содержащий .непсСредственно ПОсле этого окисления примесь неиспользованного амида, отфильтровывают от отбросной серной кислоты, растворяют в 25-|Процентном растворе едкого натра и подвергают дополнительному окислению марганцевокислым калием, добавляя окислитель до появлени-я устойчивой фиолетовой окраски раствора. После удаления избытка окислителя с помощью бисульфита натрия и отделения двуокиси марганца путем фильтрования, фильтрат подкисляют соляной кислотой и отделяют выпавший Б осадок чистый сахарин (ам. пат. № 1601.505).

В конце 1926 года, была опубликована работа SaBKOiB-a и Соколова (Жур. хим. пром., 3, вып. 16/22, 1304-071926), в которой авторы, основываясь на изучении гидролиза сахарина в серной кислоте различных концентраций и при разных температурах, лриходят к выводу, что при получении сахарина путем окисления амида хромовой смесью температура массы не должна превышать 60° и что опти1М1альна.я концентрация серной кислоты должна

лежать около 70%. Соблюдение этих условий позволяет, «о свидетельству авторов, получать сахарин с выходами, превышающими 90%. однако прописи рецепта в статье не дапо.

В 1934 году появилась статья Зильберга (Хим-фармацевтич. пром., 1934 г., вып. 4, 22-24); в ней излагаются результаты эмпирпческих поисков оптимального варианта окисления амида хромовой смесью. Из материала статьи ъюжн-о усмотреть, что постановка опытов в OiCiHOBHOM удовлетворяла условиям герм. пат. Л° 339920; наибольший выход сахарина, полученный автором, был равен 79%, считая на воше(дший в реакцию ами.д; ни в одном из длинной серии (свыше 40) опытов автору «е удалось добиться полного окисления амида. Работа Зильберга не вносит пнчего принципиально нового в ранее накопленный материал, если не считать кажущегося сомнительным утверждения автора, что замена двухромовокнслого калия на двухромовокислый натрий ведет к понижению выходов сахарина.

Вышеп риведенНым исчер п ыв ается, .в ОСНОВНОМ, весь литературный материал, относящийся к окислению амида в сахарин хромовой смесью.

OnncajHHbie выше способы обнаруживают при экспериментальной проверке один или несколько недостатков, причем из числа приводимых ниже имеются в виду лишь те недостатки, с которыми приходится встречаться в случае применения чистых исходных .веществ и реактивов.

1) Почти вселда сахарин, по-лучаемый вышеупомянутыми способами, за исключевием способа Орелопа, имеет желтоватую или даже желтую акраску, от которой в производственных условиях ПрИХОДИТся изба1влятьс1я путем дополнительной операции обесцвечивания животным или активиргованным древесным углем или осторожным окислением окрашиваюшИх при-месей небольшими Количествами марганцевокисло1го калия.

Автору удалось установить, что без дополнительного обесцвечивания сахарин получается неокрашенным лишь в том случае, если концентрация свободной с-ерной кислоты в реакционной массе не превышает 60%, принимая в расчет как взятую, так и образовавшуюся при реакции воду и лишь то количество серной кислоты, которое для каждого момента реакции определяется как разность между введенным IB массу общИМ количеством 100-процентной кислоты и количеством, уже израсходовавшимся при окислении в соответствии со следующим уравнением: СНз

SOjNHj + Mej CrjOi -f 8 H.SOi 2 Me HSO4 + 2 Ci (HSOA-f

CO

I

-f-NH-ЬбНзО,

/ /

SOg где Me Nj, К или Nilj.

Поскольку при ладении концентрации свободной серной кислоты в реакциовной массе ниже 58 - 60% реакция окисления сильно замедляется, что бо.тее всего характерно для вариантов с постепенным Биодом 01лислителя в массу, постольку выделяющуюся во время реакции и вводилгую с реагенто.м воду необходимо в ходе реакции превращать в 60-процентную кислоту. Для этого в реакционную массу параллельно с добавлением других реагентов постепенно вводят в рассчитанных количествах более концентрированную серную кислоту.

2) Получаемый в результате окисления сахарин почти всегда содержит примесь непрореагировавщего амида.

Автором установлено, что причина этого явления кроется в двух обстоятельствах:

а) Частицы твердого амида служат центра.ми кристаллизации для

выделяющегося при окислении сахаркн.а; образующаяся оболочка из кристаллов сахаряна ,в сильнейщей степени затрудняет дост}та жидкой фазы :к заключенным е эту оболочку частицам амида, в .результате чего они оказываются изолированными от воздействия окислителя.

Этот недостато;к, как показывает опыт йвтора. может бы1ть сведен к минимуму Яутем лостепенного ввода ачмида в массу. Помогает также то ательное предварительное измельчение или растворен ие амида, энергичное размешивание массы при оки.сле1Н1Ии, .медленное ироведение процесса.

б) Часть окислителя расходуется при реакции на глубокое окисление побочно образующихся при реакЦИи (Продуктов и. следовательно, рассчитанного по вышеприведенному равенству .количества окислителя .нехватает для окисления всего амида.

Та часть ам«да, которая остается в реакционной массе, доступной воздействию окислителя, может быть окислена в сахарил только после почти полного «сожжения побочных 1ПродуктО(В; .это требует, естественно, до;полнительного расхода окислителя и серной кислоты. 3) Органичеоким недостатком всех упомянутых выше способов является образование побочных продуктов конденсации, частью неСТОЙ1КИХ к. действию окислителя даже в 60-.цроцентной серной кислоте. Одним из признаков их образования :И .последующего окисления служит явление в€пенива.нйя реакционной массы при окислении; следствием их образования является необходи/моатъ дополнительной траты окислителя и серной кислоты при оДнов.рвм.енной потере части В.ЗЯТОГО для 0 кисления амида; так, например, в опытах Зильберга даже там, где .по мнению автора, выход сахарина был «хорошим, потеря амида составляла iBce же около 17% (ОТ взятого .Количества. Причи.нъ1 этото недостатка вытекают из Не дооцен1ки а1вторами вышеуказанных способов одного важного следствия из основных положений химической кинетики. Ясно, что в цепи элементарных иревращ.ений, которые испытывает амид при окислении в сахарин, образование изотиазольного цикла есть реакция циклизации. Скорость реакций циклизации, как мономолекулярн.ых реакций, не зависит от степени разбавления среды. Известно далее, что реакции циклизации часто сопровождаются процессами конденсации; на1при1мер„ нри получении «норМального ангидрида адипиновой-кислоты в известных условиях получают ее полиангидриды; при нопьшках получения лактонов тех алифатических оксикарбоновых кислот, у ко.тор(ЫХ окси.пруппа ОТ|делен.а от карбо ссильной группы не1сколь(к}ими метиленовыми. рруп1па1ми, часто наблюдают образование так называемых эстолидов и т. о. При получении сахарина констатированы побочные продукты, образование которых объясняется конденсацией промежуточно образующихся ори Окислении амида орто-сульфаминобенЗИЛОВ.О.ГО спирта и орто-сульфаминобензальдегида как между собой так н с амидюм (см. I. и Р. .Koetschet, Helv. chlm. Acta, 12,669 - -669 (1929)Motv.OKiMatsui TetsunosuKe Sawamura, Feruzo AdacKi, Memoirs Coll. Science, Kyoto Jmp. Univ., Serie A, 15,151-55 (1932); A. Klages, Z. .ang Ch. 39, 671 (1926); J. pr. Ch. (2). 116, 163 (1927); BuJl. (4 42, 1599 (1927); W. Herzog, Z. ang. Ch. 39, 728 (); Herzog, Chem. Technologie (1912); Muspratts Chemie, Ergbd. IV, 2, 1448).

Из-вестно, что скорость реакций конденсаций, как реакций би- и поли-мюлекулярных, зависит от степени разбавления среды, а именно с увеличением разбавления-уменьидается. Отсюда ясен .путь для подавления побочных процессов при циклизации: проведение реакций циклизаций .в возможно более разбавленной среде при незначительных концентрациях циклизируемого соединения. Ценный пример блестящего применения этого «принципа разбавления можно найти в работах Руггли (Р. Ruggli, Ann.,

392, 92 - 100 (1912), 399, 174 - 182 (1913); 412, 1-3 (1917) и Циглера (К. Ziegler, Ann. 504, 94 - 130 (1933), хотя эти работы и относятся к совершенно другим объектам.

Поскольку стадию циклизации в реакции образования сахарина при Окислении амида невозможно осуществить изолированно от ряда последовательных превращений на пути от амида к сахарину и желая соблюсти вышеуказанный «принцип разбавления следует стремиться - Б отличие от цитированного выше указания герм. пат. № 339920 - весь процесс окисления проводить в условиях наиболее возможното разбаелеиня среды и е отсутствии тв.ер|дого амида в реакционной массе.

Результаты опытов автора подтвердили Правильность только что упомянутых соображений: выходы сахарина при окислении амида в условиях больщого разбавления среды неизменно оказывались, при .прОЧих равных условиях, выше выходов, получаемых npiH наличии амйда в реакционной среде в виде твердой фазы.

Вышеуказанные не)достатки не позволяли считать способы получения сахарина, основанные «а окислении амИ|Д,а хромовОй смесью, конкурентоспособными со старым способом Ремсвна « Фальберга ни по качеству .получаемого продукта, ни -но выхода,м его (см. например, оценку спюсобо® Альтвегта, Коллярдо и Бэби в рецензии Нетре1я, Z. ang. Ch. 37, 214 - 215 (1924).

Анализ причин, вызывающих появления указанных недостатков, позволил автору создать совершенно новую комбинацию условий для получения сахарина, дающую новый технический эффект, характеризуемый тем, ЧТО: 1) сахарин получается неокрашенным, 2) полностью используется при окислении и 3) выходы сахарина оказываются даже несколько выше выходов, получаемыХ но пермангаHaTHOtMy способу Ремсена и Фальберга.

Нижеприводимые примеры иллюстрируют предлагаемый новый

способ.

пример 1. 171, 1 г чистого сухого орто-толуолсульфамида размешивают при обыкновенной температуре с 1864 г 90-процентной серной кислоты до полного исчезновения частиц твердого амида. Полученный раствор прибавляют равномерно в течение 10-15 час. параллельно с постепенным прибавлением 602 г 50-процентного во1дного раствора двухромовокислого натрия к 1937 г 60-процентной серной кислоты.

Температура реакционной массы должна все время поддерживаться в пределах 35 -40° при достаточно энергичном размешивании; масса все время должна содержать небольшой избыток окислителя (дифениламиновая проба).

Через 1 час после начала окисления из начинает выпадать кристаллический осадок сахарина (под микроскопом - ромбоэдры или призматические таблицы), а сама масса приобретает зеленую окраску. Масса не содержать кристаллов амида (октаэдры или плоские иглы).

По окончании прибавления растворов амида и двухромовюкислого натрия полученную массу размеш.ивают еще 1 час при 35 - 40°, причем к концу размешивания она должна еще показывать незначи1ельны1 1 .избытОК окислителя. После этсго массу разбавляют равным обьемом воды, охлаждают до 5-15°, а затем отфильтровывают осадок сахарина н промывают его на фильтре небольшим количеством воды. Для разбавления массы и промывки осадка сахарина вместо воды целесообразно применять пpo ЫБныe воды и фильтрат от выделения чистого сахарина из предыдущих слераций.

Для отделения от случайных механических при.месей отфильтр1эванный и промытый сахар.ин переводят с помощью соды, потаща. магнезита или 1мел.а и достаточного количества теплой воды в раствор.

К полученному раствору добавляют небольшое количество расгвора бисульфита натри-я |для раскисления следов окислителя и отфильтровывают 1М|утъ. Фильтрат подкисляют сОЛяной кислотой до полного осаждения сахарина; осадок сахарина отфильтровывают, промывают водой и сушат при 30 - 40° до постоянного веса. Выход сахарина 87-92% от теоретически возможно-го; темп. пл. полученного безцветного сахарина 224-227° (без попр.).

Пример 2. 171,1 г чистого « суХОго орто-толуолсульфамида рЗстворяЮТ в условиях, аналогичных условиям примера 1, в 1261 г 90продбнтной сериой кислоты.

Пол|учен1ный раствор в.но.сят в Зсловиях примера 1 параллельно с постепенным прибавлением 338 г мел ко излье л ьч ен,н о го дв у х р о м о зо КИС-ЛОГО калия «ли эквивалентного количества соответствующей натриевой или аммонийной соли в 2842 г бО-проценткой кислоты, пО;СтуПа-я в остал1 но,м, как п примере I. Выход и качество полученного сахарина - те же. что и выше.

П р е: д м е т изобретения

Способ получения сахарина путем оа ;исления орто-толуолс ульфам-ида хрОАЮ(вой смесью, о т л и ч г, ющ И: и с я тем, что IB серную кислоту с концентрацмей около 60% вводят постепенно жадный раствор хромпнка или тонко ИЗмельченный хромпик и раствор орто-толуолсульфамида в серной кислоте такой концентрации, какая достаточна ДЛЯ Образования с вводимой с растворам хромлика и с выделя юш,ейся в процессе окисления водой раствора серно-й кислоты с концситрацней около 60% с целью непосредственного получения неокрашенного сахарина.