Патент на изобретение №2357949
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИС/ТРАНС-ЦИТРАЛЕЙ И (ИЗО)ПИПЕРИТЕНОЛА
(57) Реферат:
Настоящее изобретение относится к способу получения цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола, которые широко используются в парфюмерии, бытовой химии, для синтеза витаминов. Способ заключается в изомеризации цис-транс-вербенола в сверхкритических низших спиртах-растворителях (C1-С3) при температуре не выше 420°С. Как правило, в качестве сверхкритических низших спиртов-растворителей используют сверхкритический метиловый или этиловый спирт, или сверхкритический 1-пропанол. Обычно термическую изомеризацию осуществляют при температуре 280-420°С и давлении 100-120 атм. Способ позволяет получать целевые продукты с высоким выходом при контролируемой селективности и высокой скорости химического процесса. 5 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к области синтеза органических соединений, таких как цис/транс-цитрали и (изо)пиперитенол, а именно к способам их получения в новых реакционных средах-растворителях и выбору условий проведения реакций, в частности термической изомеризации терпеновых соединений. Цис/транс-цитрали и (изо)пиперитенол являются ценнейшими и востребованными органическими соединениями, широко используемыми в парфюмерии, бытовой химии, для синтеза витаминов. Известно, что многие вещества в сверхкритическом состоянии вблизи критической точки являются эффективными реакционными средами для проведения органических реакций гидратации и дегидратации, гидролиза, конденсации и ретроконденсации, реакций нуклеофильного замещения, гидрирования и окисления большого числа органических веществ, а также других химических превращений [Р.Е.Savage, Organic Chemical Reactions in Supercritical Water. Chem. Rev., 1999, 99, 603-621; P.G.Jessop, W.Leitner (Eds.), Chemical Synthesis Using Supercritical Fluids, Wiley-VCH, July 1999. 478 pages, DM 278, ISBN 3-527-29605-0; D.Broll, C.Kaul, A.Kramer, Chemistry in supercritical water, Angew. Chem. Int. Ed., 1999, 38, 2998-3014; E.J.Beckman, Supercritical and near-critical CO2 in green chemical synthesis and processing. J. Supercrit. Fluids, 2004, 28, 2-3, 121-191.}. Низшие спирты, в частности этиловый спирт, также являются удобными растворителями для проведения реакций органических соединений в сверхкритических условиях. Сверхкритическое состояние растворителя или реакционной среды изменяет силы сольватации и неспецифическое взаимодействие с молекулами реагирующего вещества, что может приводить к увеличению скорости реакции, изменению ее селективности по целевым продуктам. В окрестности критической точки растворителя происходит также значительное изменение его теплофизических и термодинамических свойств. Экспериментально показано, что, например, теплоемкость и вязкость углекислого газа, как и ряда других индивидуальных веществ, в сверхкритической области вблизи критической точки увеличивается с изменением температуры или давления в десятки раз. Вблизи критической точки воды (374°С, 221 атм) сильно изменяется константа диссоциации Kw, что приводит к резкому увеличению (на несколько порядков) концентрации ионов H+ и ОН–. Это обеспечивает возможность проведения реакций в условиях основного или кислотного катализа без привлечения дополнительных реагентов или кислотно-основных катализаторов. Химические превращения терпеновых соединений, осуществляемых в сверхкритических растворителях, изучены весьма слабо. Известны лишь единичные примеры каталитического гидрирования в сверхкритическом СО2 [D.Chouchi, D.Gourgouillon, M.Courel, J.Vital, M.Nunes da Ponte, The influence of phase behavior on reactions at supercritical conditions: the hydrogenation of Отсутствуют данные по способам термической изомеризации в сверхкритических флюидах терпеновых углеводородов – составных компонентов различных видов скипидаров, являющихся многотоннажными продуктами лесохимической и целлюлозно-бумажной промышленности. Только для Вместе с тем известны исследования реакций изомеризации терпеновых соединений в газовой и жидкой фазах при пониженном и атмосферном давлении [см., например, K.J.Crowley, S.G.Traynor, Ground state sigmatropic and electrocyclic rearrangements in some monoterpenes. The pyrolysis of К основным недостаткам известных способов термической изомеризации терпеновых соединений можно отнести большие времена контакта, которые в некоторых случаях достигали величины десятки часов, требуемых для достижения 90-95% степени их превращения. Другим недостатком описанных способов является низкая селективность реакции по целевым продуктам. Наиболее близким по достигаемому эффекту является способ термической изомеризации вербенола с целью получения цис/транс-цитралией и (изо)пиперитенола [Maksimchuk N., Simakova I., Semikolenov V. Kinetic study on isomerization of verbenol to isopiperitenol and citral. Reaction Kinetics and Catalysis Letters, 82, 1, 2004, 165-172], в котором процесс изомеризации вербенола в газовой фазе проводят следующим образом. Исходный 5-40 мол.% раствор вербенола в октане подавался в нагреваемый трубчатый реактор, выполненный из нержавеющей стали, в котором и осуществлялась реакция. Температура проведения реакции варьировалась в интервале 460-600°С. Основными продуктами пиролиза вербенола, по данным авторов, являются изопиперитенол-2, нераль (цис-цитраль)-3 и гераниаль (транс-цитраль) – 4 (фиг.1). Причем при низких температурах образуется в основном изопиперитенол, а повышение температуры приводит к увеличению выхода цис- и транс-цитралей. Как следует из чертежа, даже при температуре около 600°С и времени контакта реакционной смеси около 520 с, достигалась лишь 80% степень превращения вербенола. К существенным недостаткам известного способа получения цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола при осуществлении химических превращений вербенола можно отнести, во-первых, образование большого количества побочных (нецелевых) продуктов реакции в виде ненасыщенных изомерных C10H14, C10H16-углеводородов, а также легких углеводородов в результате пиролиза, поскольку реакция изомеризации в газовой фазе проводится при температурах от 460 до 600°С, что приводит к пиролизу целевых продуктов реакции. Во-вторых, малая скорость реакции, поскольку при температуре проведения реакции 600°С и времени контакта реакционной смеси около 530 с, достигалась низкая степень превращения вербенола. Изобретение решает задачу эффективной термической изомеризации цис- и транс-вербенола с целью получения узкого спектра целевых продуктов – (изо)пиперитенол, цис- и транс-цитралей с высокой производительностью. Технический результат – увеличение скорости химического процесса, его контролируемая селективность и повышение выхода целевых продуктов, независимость селективности целевых продуктов от начальной концентрации и скорости подачи реагентов. Основные идеи практической реализации термической изомеризации вербенола в сверхкритических флюидах-растворителях, с целью получения (изо)пиперитенола и цис- и транс-цитралей, предложенные в настоящем изобретении, заключаются в том, что реакцию осуществляют в низших спиртах-растворителях (C1-С3), находящихся в сверхкритических состояниях при температуре не выше 420°С и давлении не выше 120 атм. Реакцию можно осуществлять в сверхкритическом метиловом спирте, в сверхкритическом этиловом спирте, в сверхкритическом 1-пропаноле. Способ получения цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола в процессе изомеризации вербенола в сверхкритических низших спиртах осуществляют с применением экспериментальной установки на основе трубчатого реактора проточного типа. Состав продуктов реакции анализируют методом хроматомасс-спектрометрии на газовом хроматографе Hewlett-Packard 5890/II с квадрупольным масс-спектрометром (HP MSD 5971) в качестве детектора. Применяют 30 м кварцевую колонку НР-5 (сополимер 5%-дифенил-95%-диметилсилоксана) с внутренним диаметром 0.25 мм и толщиной пленки неподвижной фазы 0.25 µм. После оптимизации на конкретной установке условий осуществления реакции процессом изомеризации управляют, варьируя длительность времени контакта при фиксированных значениях давления и температуры. Получение цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола при изомеризации цис- и транс-вербенола в сверхкритических низших спиртах осуществляют при температуре 280-420°С и давлении 100-120 атм. В ходе проведенных исследований изучают влияние температуры и времени контакта на выход основных продуктов реакции и селективность изомеризации цис- и транс-вербенола в сверхкритическом этилом спирте. Экспериментальные данные в виде относительных концентраций цис- и транс-вербенола и (изо)пиперитенола, цис- и транс-цитралей в продуктах реакции представлены в таблице. Показано, что концентрация изопиперитенола, цис- и транс-цитралей проходит через максимум при повышении температуры реакции.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1. Синтез цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола при проведении реакции изомеризации цис- и транс-вербенола проводят в сверхкритическом растворителе – этиловом спирте в реакторе проточного типа. Реакционная смесь, представляющая собой 0,1 молярный раствор вербенола в 96%-ном этиловом спирте-ректификате (мольный состав потока: вербенол 0,1%, этанол 88,8%, вода 9,5%) подается на вход в реактор. От опыта к опыту изменяют температуру в реакторе в сторону ее увеличения от 280 до 440°С. Давление, равное 120 атм, и расход смеси 6 мл/мин, который обеспечивает время контакта реакционной смеси, равное 70 с, в экспериментах поддерживают постоянными. Исследуют зависимость степени превращения цис- и транс-вербенола и выхода основных продуктов реакции его изомеризации от температуры при времени контакта 70 сек (фиг.2). Здесь, зависимость 1 – степень превращения цис-транс-вербенола в зависимости от температуры. Основными продуктами превращения являются: 2 – цис-транс-цитрали, 3 – (изо)пиперитенол, 4 – изогераниаль. Приведенный пример демонстрирует, во-первых, что проведение реакции изомеризации цис-транс-вербенола в сверхкритическом этиловом спирте приводит к значительному увеличению скорости реакции и достижению практически полного превращению цис-транс-вербенола уже при температуре реакции 380°С (в то время как в условиях прототипа при этой температуре еще не наблюдается какого-либо заметного превращения цис-транс-вербенола). Во-вторых, выход (селективность) целевого продукта – цис- и транс-цитралей увеличивается с 8 до 38% по сравнению с условиями реакции прототипа. Интересно отметить следующий факт в обоснование преимуществ предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Из сравнения зависимостей фиг.1 и 2 следует, что выходы (изо)пиперитенола и цис- и транс-цитралей на фиг.1 проходят через максимум уже при 80% степени превращения цис-транс-вербенола вследствие имеющей место их термической деструкции при температуре выше 500°С. В случае термической изомеризации цис-транс-вербенола в сверхкритическом растворителе, фиг.2, выход цис- и транс-цитралей проходит через максимум только при температуре, при которой достигается полное превращения цис-транс-вербенола. Пример 2. Аналогичен примеру 1, но в качестве сверхкритического растворителя используют метиловый спирт. Пример 3. Аналогичен примеру 1, но в качестве сверхкритического растворителя используют 1-пропанол. Как видно из описания, изобретение решает задачу управляемой термической изомеризации вербенола в сверхкритических спиртовых растворителях и направлено на получение ценнейших соединений для фармацевтического применения, таких как (изо)пиперитенол, цис- и транс-цитрали. Осуществление химических превращений в сверхкритических флюидах-растворителях может быть положено в основу современных технологий получения широкого класса промышленно важных органических соединений, лекарственных и душистых веществ.
Формула изобретения
1. Способ получения цис/транс-цитралей и (изо)пиперитенола, характеризующийся тем, что реакцию изомеризации цис-транс-вербенола осуществляют в сверхкритических низших спиртах-растворителях (С1-С3) при температуре не выше 420°С. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию осуществляют в сверхкритическом метиловом спирте. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию осуществляют в сверхкритическом этиловом спирте. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию осуществляют в сверхкритическом 1-пропаноле. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую изомеризацию цис-транс-вербенола проводят при температуре 280-420°С. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что термическую изомеризацию цис-транс-вербенола проводят при давлении 100-120 атм.
РИСУНКИ
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1, с.165-172. RU 2300514 C1, 10.06.2007. JP 55002628 A, 10.01.1980. GB 755667 A, 22.08.1956.
-pinene. Ind. Eng. Chem. Res., 2001, 40, 2551-2554} и в докритической воде [J.M.Jennings, Т.A.Bryson, J.M.Gibson, Catalytic reduction in subcritical water. Green Chem., 2000, 87-88}, а также образование сложных эфиров терпеновых спиртов [Y.Ikushima, Supercritical fluids: an interesting medium for chemical and biochemical processes. Adv. Colloid Interface Sci., 1997, 71-72, 259-280}.
