Патент на изобретение №2227134

(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАМЕЩЕННЫХ МОНОЦИКЛИЧЕСКИХ КЕТОНОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу получения замещенных моноциклических кетонов С₄-С₂₀. Способ основан на реакции жидкофазного окисления замещенных моноциклических алкенов формулы C_nH_(2n-2-m)Rⁱ_m , где n имеет значения от 4 до 20, m имеет значение от 1 до (2n-2), Rⁱ означает заместители в цикле, которые представляют атом водорода, алкильные, алкенильные или арильные радикалы, в том числе содержащие функциональные группы, кроме радикалов, которые включают в свой состав неароматические карбо- или гетероциклы, имеющие двойные связи С=С, закисью азота в присутствии инертного газа-разбавителя, при температуре 100-350⁰С и давлении закиси азота 1,5-100 атм. Процесс обеспечивает высокую селективность по целевым продуктам, взрывобезопасность работы и является перспективным для промышленного применения. 1 с. и 4 з.п.ф-лы, 3 табл.

Изобретение относится к способу получения замещенных моноциклических кетонов С₄-С₂₀, более конкретно к способу их получения путем жидкофазного окисления закисью азота (N₂O) замещенных моноциклических алкенов, содержащих 4-20 атомов углерода в цикле.

Замещенные моноциклические кетоны С₄-С₂₀ являются исходными веществами для синтеза разнообразных органических продуктов, в том числе, синтетических полимерных материалов, агрохимикатов, фармацевтических препаратов и т.п.

Известно несколько способов получения замещенных моноциклических кетонов. Например, с этой целью широко используется жидкофазное окисление алкилзамещенных циклоалканов кислородом воздуха. Окисление может проводиться как в присутствии катализатора, так и без катализатора. В обоих случаях в качестве продуктов реакции образуется смесь циклических кетонов и спиртов. Например, моно- и диалкилзамещенные циклоалканы C₅-C₈ окисляют некаталитическим путем в смесь соответствующих кетонов и спиртов при температуре 150-210°С и давлении 3-40 атм. В случае метилциклогексана образуется смесь метилциклогексанонов и 3-метилциклогексанола, в которой доля кетонов составляет около 50% [US Pat. №2609395, 1952, C.F.Doungherty et al.].

Смесь алкилзамещенных циклических кетонов и спиртов может быть получена также из соответствующих циклоалкенов с использованием в качестве катализатора солей Со и Мn при 120-180°С и давлении 5-25 атм [US Pat. №2223494, 1940, J.Loder; US Pat. №3093686, 1963, W.Simon et al.; US Pat. №3917708, 1975, A.Kuessner et al.]. Общим недостатком этих способов является образование, наряду с кетоном, большого количества циклического спирта, а также значительное снижение селективности реакции с увеличением конверсии.

Алкилзамещенные моноциклические кетоны могут быть получены также путем декарбоксилирования и циклизации алкилзамещенных дикарбоновых кислот [US Pat. 5600013, 1997, Alas et al.]. Процесс ведут при 200-300°С, используя в качестве катализаторов фосфаты металлов 1а, 2а или 3b групп периодической системы элементов. Так, из 2,2-диметиладипиновой кислоты в присутствии фосфата натрия образуется 2,2-диметилциклопентанон. Помимо высокой стоимости исходного сырья недостатком этого способа является наличие агрессивной кислой среды при высокой температуре.

Согласно патенту [US Pat. №2863923, 1958, N.M.Bortnick] 2,5-диметилциклопентанон может быть получен путем циклизации эфиров 2,5-диметиладипиновой кислоты при 350-600°С в присутствии оксидов Мn или Cd. Недостатком этого способа является необходимость дополнительной стадии получения эфиров, что усложняет технологическую схему.

Известен способ получения моноциклических кетонов, содержащих метильные группы в -положении, путем алкилирования соответствующих циклических кетонов метанолом при 350-500°С в присутствии оксида Mn [US Pat. №4618725, 1986, H.H.Lenz]. Однако селективность этой реакции недостаточно высока.

В патенте GB Pat. 649680 (1951) заявлен способ окисления олефинов в карбонильные соединения закисью азота. Согласно этому способу, в частности, возможно получение 2-метилциклопентанона путем окисления 1-метилциклопентена, а также 2-фенилциклогексанона и циклопентилфенилкетона путем окисления 1-фенилциклогексена.

Основным недостатком этого способа является возможность образования воспламеняемых смесей “циклоалкен – закись азота” при проведении процесса. Чтобы исключить взрывоопасность, авторы патента предлагают дополнительно вводить в реакционную смесь насыщенные углеводороды. Однако, как показали более поздние исследования, смеси насыщенных углеводородов с N₂O столь же взрывоопасны, как и смеси олефинов [G.Panetier, A.Sicard, V Symposium on Combustion, 620 (1955); Б.Б.Брандт, Л.А.Матов, А.И.Розловский, В.С.Хайлов, Хим. пром., 1960, №5, с.67-73]. Поэтому насыщенные углеводороды, несмотря на их меньшую реакционную способность, не могут служить средством для исключения взрывоопасности.

Настоящий патент раскрывает способ получения замещенных моноциклических кетонов путем окисления замещенных моноциклических алкенов закисью азота, N₂O, в присутствии инертного газа, который не имеет указанных недостатков. Согласно этому способу реакцию ведут в присутствии инертного газа в условиях, когда циклоалкен присутствует в виде жидкой фазы, в которой реакция окисления протекает с высокой селективностью. Излишнее повышение температуры и/или давления N₂O является нежелательным, так как может приводить к понижению селективности за счет вклада газофазного окисления.

Состав исходных замещенных моноциклических алкенов выражается формулой

где Rⁱ – одинаковые или разные заместители в цикле, n имеет значения от 4 до 20, m имеет значения от 1 до (2n-2). Заместители Rⁱ в формуле (I) могут быть представлены атомами галогена, алкильными, алкенильными, арильными или другими неорганическими или органическими радикалами, в том числе содержащими функциональные группы, кроме радикалов, которые включают в свой состав неароматические карбо- или гетероциклы, имеющие двойные связи С=С. Например, в случае метилциклогексена радикал Rⁱ представлен группой СН₃, n=6, m=1.

Взрывобезопасные условия работы по предлагаемому способу обеспечиваются добавлением в реакционную смесь инертного газа, не вступающего в реакцию с N₂O, например азот, гелий, аргон, углекислый газ и т.д., либо их смесь. Роль инертного газа могут играть отходящие газы реакции или рециркулирующие газы. На разных стадиях процесса, в зависимости от соотношения “циклоалкен:закись азота”, доля инертного газа, необходимая для обеспечения взрывобезопасной работы, может быть различной и создаваться путем его раздельной подачи. С точки зрения простоты и максимальной безопасности процесса целесообразно иметь такое разбавление закиси азота инертным газом, чтобы реакционная смесь была невзрывоопасной при любом содержании циклоалкена. Это условие выполняется, если содержание N₂O в смеси с инертным газом составляет не более 25%. Применение такой смеси исключает возникновение взрывоопасных ситуаций на всех стадиях процесса.

Для уменьшения взрывоопасности в реакционную смесь могут добавляться ингибиторы горения, такие как трифторбромметан, дифторхлорбромметан, дибромтетрафторэтан и др.

В соответствии с данным изобретением окисление замещенных моноциклических алкенов C₄-C₂₀ в соответствующие циклические кетоны закисью азота в присутствии инертного газа может быть осуществлено в широком интервале условий как в статическом, так и проточном реакторе, который может быть изготовлен из стали, титана, стекла или другого пригодного материала. При этом могут быть использованы все известные технологические приемы, повышающие эффективность газожидкостных реакций.

В случае статического варианта в автоклав помещают циклоалкен в таком количестве, чтобы при нагревании до температуры реакции он присутствовал в виде жидкой фазы. Кислород в реакторе замещают на смесь закиси азота с инертным газом и доводят давление до заданной величины. Количество закиси азота подбирают таким образом, чтобы ее давление при температуре реакции составляло 1,5-100 атм. Концентрацию инертного газа в смеси с закисью азота подбирают таким образом, чтобы она не превышала 99%. После этого реактор закрывают и нагревают до температуры реакции в области 100-350°С. Время реакции подбирается в зависимости от условий ее проведения, а также требований, предъявляемых к процессу, и может изменяться от нескольких десятков минут до нескольких десятков часов.

Предлагаемый процесс может осуществляться без растворителей. Однако возможно проведение процесса и с применением растворителей, которые могут выбираться из широкого круга веществ, применяемых в практике органического синтеза. Реакция с достаточно высокой скоростью протекает без катализатора, хотя может проводиться и в присутствии катализатора.

Предлагаемый способ не предполагает высокой чистоты исходных реагентов. Так, закись азота может быть использована как в чистом виде, так и с примесями различных газов, не оказывающими вредного влияния на показатели процесса. Замещенные моноциклические алкены также могут содержать примеси других органических соединений, особенно, если они не содержат двойных С=С связей.

Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Примеры 1-2

Пример 1. Этот пример является сравнительным. В реактор объемом 100 см³, выполненный из нержавеющей стали и снабженный мешалкой (фирма Parr), заливают 25 см³ 4-метил-1-циклогексена (Aldrich, 99%). Реактор продувают закисью азота и затем доводят ее давление до 10 атм. Реактор герметично закрывают, нагревают до 220°С и выдерживают при этой температуре в течение 12 час. Давление закиси азота при температуре реакции составляет 30 атм. После окончания реакции реактор охлаждают до комнатной температуры и анализируют конечный состав газовой и жидкой фаз методами газовой хроматографии, хроматомасс-спектрометрии и ЯМР. Из полученных данных рассчитывают конверсию 4-метил-1-циклогексена (X) и селективность реакции по образующимся продуктам (S_i)

где С_i – концентрация i-го продукта реакции, – начальная концентрация 4-метил-1-циклогексена. В случае больших конверсии величина Х может быть рассчитана также по разнице между начальной и конечной концентрациями 4-метил-1-циклогексена

Основными продуктами реакции являются 3-метилциклогексанон и 4-метилциклогексанон. В табл. 1 указана суммарная селективность по 3- и 4-метилциклогексанонам, которые образуются примерно в равных количествах.

Пример 2 аналогичен примеру 1 с тем отличием, что вместо чистой закиси азота в реактор подают ее смесь с инертным газом – азотом, в которой концентрация N₂O составляет 20% (табл.1).

Начальное давление смеси в реакторе, Р°, устанавливают 90 атм. Давление закиси азота при температуре реакции составляет 30 атм.

Этот пример показывает, что реакция жидкофазного окисления замещенных моноциклических алкенов в циклические кетоны протекает с сохранением конверсии и высокой селективности при использовании в качестве окислителя смеси закиси азота с инертным газом.

Примеры 3-10

Примеры 3-10 показывают возможность проведения реакции с использованием смесей закиси азота с инертными газами различного состава (табл.2).

Пример 3 аналогичен примеру 2 с тем отличием, что для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%, и начальное давление в реакторе устанавливают 80 атм. Опыт проводят при 100 С в течение 90 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 100 атм.

Пример 4 аналогичен примеру 2 с тем отличием, что для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 1%, азота – 99%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 100 атм. Опыт проводят при 250°С в течение 24 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 1.5 атм.

Пример 5 аналогичен примеру 2 с тем отличием, что для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 95%, азота – 5%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 28 атм. Опыт проводят при 198°С в течение 15 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 70 атм.

Пример 6 аналогичен примеру 2 с тем отличием, что концентрация N₂O в смеси с азотом составляет 70%, и начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Опыт проводят при 250°С в течение 5 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 77 атм.

Пример 7 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что концентрация N₂O в смеси составляет 20%. Опыт проводят при 250°С в течение 12 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 15 атм.

Пример 8 аналогичен примеру 2 с тем отличием, что для окисления используют смесь закиси азота с аргоном, в которой концентрация N₂О составляет 50%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 30 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 30 атм.

Пример 9 аналогичен примеру 8 с тем отличием, что вместо аргона используют углекислый газ.

Пример 10 аналогичен примеру 7 с тем отличием, что опыт проводят при 350°С в течение 2 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 20 атм.

Пример 11

Этот пример является сравнительным. Опыт проводят аналогично примеру 6 с тем отличием, что в реактор загружают 3 мл 4-метил-1-циклогексена. При таком количестве весь 4-метил-1-циклогексен в условиях реакции находится в газовой фазе. Опыт проводят при 250°С в течение 5 часов, используя смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. В результате опыта конверсия 4-метил-1-циклогексена составила около 0,5%. Это показывает, что при данных условиях реакция в газовой фазе практически не идет.

Примеры 12-13

Примеры 12-13 (табл.3) показывают возможность проведения процесса в присутствии катализатора.

Пример 12 аналогичен примеру 5 с тем отличием, что окисление 4-метил-1-циклогексена ведут в присутствии 0.5 г Fе₂О₃/SiO₂ (2.8 маc.% Fе₂O₃). Катализатор готовят путем пропитки SiO₂ раствором FeCl₃, сушат при 110°С и прокаливают на воздухе при 500°С в течение 2 час. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 95%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 28 атм. Опыт проводят при 198°С в течение 15 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 70 атм.

Пример 13 аналогичен примеру 5 с тем отличием, что реакцию ведут в присутствии 0.3 г Ag/SiO₂ (1 маc.% Ag). Катализатор готовят путем пропитки SiO₂ раствором AgNO₃, сушат при 110°С и прокаливают на воздухе при 500°С в течение 2 час.

Примеры 14-15

Эти примеры демонстрируют возможность окисления 3-циклогексен-1-ил-метанола и 5-метилциклооктена-1 с помощью закиси азота, разбавленной инертным газом, в том числе, с использованием растворителей.

Пример 14 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что в реактор заливают 25 см³ смеси 3-циклогексен-1-метанола и циклогексана в объемном отношении 1:1, и опыт проводят при 150°С в течение 20 часов. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 60 атм. Конверсия 3-циклогексен-1-метанола составляет 2,5%. Реакция протекает с образованием 3-оксоциклогексил-1-метанола и 4-оксоциклогексил-1-метанола в отношении, близком к 1:1, с суммарной селективностью более 90%.

Пример 15 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что вместо 4-метил-1-циклогексена используют 5-метил-циклооктен-1, и опыт ведут при 198°С в течение 12 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 70 атм. Конверсия 5-метилциклооктена-1 составляет 30,5%. В результате реакции образуются 4-метилциклооктанон и 5-метилциклооктанон в отношении 1:1 с суммарной селективностью 95%.

Примеры 16-17

Эти примеры демонстрируют возможность окисления 1-метил-1-циклогексена с помощью закиси азота, разбавленной инертным газом, в том числе с использованием растворителей.

Пример 16 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что в реактор заливают 25 см³ 1-метил-1-циклогексена (Aldrich, 99%), и опыт проводят при 250°С в течение 12 часов. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 77 атм. Конверсия 1-метил-1-циклогексена составляет 35% при суммарной селективности образования 2-метилциклогексанона и циклопентилэтанона (в приблизительном отношении 1:1) 79%.

Пример 17 аналогичен примеру 16 с тем отличием, что в реактор заливают 70 см³ смеси 1-метил-1-циклогексена и толуола в объемном отношении 1:6. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 40%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 40 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 38 атм. Конверсия 1-метил-1-циклогексена составляет 22% при суммарной селективности образования 2-метилциклогексанона и циклопентилэтанона 80,3%.

Примеры 18-26

Эти примеры демонстрируют возможность окисления с помощью закиси азота, разбавленной инертным газом, в том числе, с использованием растворителей, различных замещенных моноциклических алкенов, включающих в качестве заместителей атомы галогена, различные функциональные группы, алкильные, алкенильные или арильные (в том числе гетероциклические) радикалы.

Пример 18 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 1-метил-1-циклопентена и опыт проводят при 198С в течение 10 часов. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 70 атм. В качестве кислородсодержащих продуктов образуются 2-метилциклопентанон и 1-гексен-5-нон в приблизительном отношении 1,5:1 с суммарной селективностью 86%. Конверсия 1-метил-1-циклопентена составляет 13,2%.

Пример 19 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см 3-бромциклогексена и опыт проводят при 198°С в течение 12 часов. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Давление N₂O при температуре реакции составляет 70 атм. В качестве кислородсодержащих продуктов образуются 2-бромциклогексанон и 3-бромциклогексанон в приблизительном отношении 1:1 с суммарной селективностью 84%. Конверсия 3-бромциклогексена составляет 6%.

Пример 20 аналогичен примеру 19 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 3-циклогексен-1-карбоксальдегида и бензола в объемном отношении 1:1. Конверсия 3-циклогексен-1-карбоксальдегида составляет 8,8% при суммарной селективности образования (циклогексанон-3-ил)карбоксальдегида и (циклогексанон-4-ил)карбоксальдегида 85,6%.

Пример 21 аналогичен примеру 19 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 3-циклогексен-1-ола. В качестве кислородсодержащих продуктов образуются 3-гидроксициклогексанон и 4-гидроксициклогексанон в приблизительном отношении 1:1 с суммарной селективностью 84% при конверсии З-циклогексен-1-ола 5,6%.

Пример 22 аналогичен примеру 19 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 4-винилциклогексена. В качестве кислородсодержащих продуктов образуются 3-этенил-1-циклогексанон, 4-этенил-1-циклогексанон, 3-циклогексен-1-карбоксальдегид, 1-(3-циклогексен-1-ил)этанон и 3-циклогексен-1-ацетальдегид с суммарной селективностью 73% при конверсии 4-винилциклогексена 10,5%.

Пример 23 аналогичен примеру 19 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 1,3,5-триметил-1-циклогексена, и опыт проводят при 220С в течение 12 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 72 атм. В качестве кислородсодержащих продуктов образуются 2,4,6-триметилциклогексанон и 1-(2,4-диметил)циклопентилэтанон в приблизительном отношении 1,4:1 с суммарной селективностью 80,4% при конверсии 1,3,5-триметил-1 -циклогексена 17,5%.

Пример 24 аналогичен примеру 6 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 6-метил-3-циклогексен-1-метанола. Для окисления используют смесь закиси азота с азотом, в которой концентрация N₂O составляет 70%. Начальное давление смеси в реакторе устанавливают 45 атм. Опыт проводят при 250°С в течение 5 часов. Давление N₂O при температуре реакции составляет 77 атм. Конверсия 6-метил-3-циклогексен-1-метанола составляет 16,7%. Реакция протекает с образованием 2-метил-4-оксоциклогексил-1-метанола и 2-метил-5-оксоциклогексил-1-метанола с суммарной селективностью 75%.

Пример 25 аналогичен примеру 24 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 4-(3-циклогексен-1-ил)пиридина. Конверсия 4-(3-циклогексен-1-ил)пиридина составляет 15,7%. Реакция протекает с образованием 4-(3-циклогексанон-1-ил)пиридина и 4-(4-циклогексанон-1-ил)пиридина с суммарной селективностью 97%.

Пример 26 аналогичен примеру 24 с тем отличием, что в реактор загружают 25 см³ 1-фенил-1-циклогексена. Конверсия 1-фенил-1-циклогексена составляет 12,6%. Реакция протекает с образованием 2-фенилциклогексанона и циклопентилфенилкетона с суммарной селективностью 91%.

Примеры 2-10 и 12-26 показывают, что замещенные моноциклические алкены с высокой селективностью окисляются в соответствующие кетоны с помощью закиси азота, разбавленной инертным газом. Проведение процесса без использования инертного газа-разбавителя приводит к образованию взрывоопасных композиций циклоалкен-N₂О в газовой фазе при заполнении реактора закисью азота, его разогреве или в условиях реакции. Например, проведение процесса по примеру 1 без добавления инертного газа приводит к образованию смесей, содержащих до 15% паров алкена в закиси азота, взрывоопасность которых описана в работах [G. Panetier, A. Sicard, V Symposium on Combustion, 620 (1955); Б.Б. Брандт, Л.А. Матов, А.И. Розловский, В.С. Хайлов, Хим. пром., 1960, №5, с.67-73]. Проведение процесса в аналогичных условиях, но с использованием смеси N₂O-инертный газ, в которой концентрация N₂O составляет 20% (пример 2), позволяет исключить образование взрывоопасных смесей и обеспечить безопасность процесса.

Согласно предлагаемому способу содержание N₂O в инертном газе может изменяться в широких пределах, включая область концентраций закиси азота 25% и менее, в которой исключается возможность взрывоопасных ситуаций на всех стадиях процесса при любых композициях с циклоалкеном. Как показывают примеры 2, 7 и 10, реакция окисления в этой области протекает с высокой эффективностью.

В настоящем изобретении предложен новый способ получения замещенных моноциклических кетонов, основанный на реакции жидкофазного окисления замещенных моноциклических алкенов смесью закиси азота с инертным газом. Процесс обеспечивает высокую селективность, взрывобезопасность и является перспективным для промышленного применения.

Формула изобретения

1. Способ получения замещенных моноциклических кетонов, осуществляемый путем контакта с закисью азота в жидкой фазе замещенных моноциклических алкенов формулы , где n имеет значения от 4 до 20, m имеет значения от 1 до (2n-2), где Rⁱ – заместители в цикле, которые могут быть представлены атомами галогена, алкильными, алкенильными или арильными радикалами, в том числе содержащими функциональные группы, кроме радикалов, которые включают в свой состав неароматические карбо- или гетероциклы, имеющие двойные связи С=С, отличающийся тем, что реакцию проводят при температуре 100-350⁰С и давлении N₂O от 1,5 до 100 атм в присутствии инертного газа-разбавителя.

2. Способ по п.1, в котором концентрация инертного газа в реакционной смеси не превышает 99%.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором концентрацию инертного газа подбирают таким образом, чтобы содержание N₂O в смеси с инертным газом составляло не более 25% для исключения возможности образования взрывоопасных композиций на всех стадиях процесса.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором реакцию проводят в присутствии катализатора.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором реакцию проводят в присутствии растворителя.