Способ получения простых эфиров 5-гидроксиметилфурфурола

 

Изобретение относится к области органического синтеза, конкретно к технологии получения простых эфиров 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) из сахарозы, которые могут применяться в фармацевтической и парфюмерной промышленности, а также в качестве сырья для широкого ряда синтезов. В соответствии с заявляемым способом целевой продукт получают дегидратацией сахарозы или фруктозы в двухфазной системе в присутствии бисульфата натрия или смеси бисульфата натрия и серной кислоты в качестве катализатора и алифатических спиртов в качестве алкилирующих агентов при нормальном давлении. Отличительными признаками процесса является использование в качестве начального реагента сахарозы или фруктозы. Технический результат, обеспечиваемый заявляемым изобретением, заключается в применении более дешевых и легкодоступных исходных веществ для получения целевых продуктов и возможности многократного использования кислотного катализатора. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области органического синтеза, конкретно к технологии получения простых эфиров 5-гидроксиметилфурфурола (5-ГМФ) из сахарозы, которые могут применяться в фармацевтической и парфюмерной промышленности, а так же в качестве сырья для широкого ряда синтезов.

Основные способы получения 5-ГМФ заключаются в кислотно-каталитической переработке углеводов, например фруктозы или глюкозы.

Известен способ кислотно-каталитической дегидратации углеводов в 5-ГМФ и левулиновую кислоту в проточной системе, в которой через водный раствор углевода, содержащий взвесь гетерогенного катализатора ("Lewatit SPC 108" и другие катионообменные смолы), пропускают поток несмешивающихся с водной фазой спиртов [US 4339387, 13.07.1982.]. Использование катионообменной смолы снижает потери 5-ГМФ от образования гуминов и левулиновой кислоты. Максимальный выход 5-ГМФ - 40 мас.%. Возможность получения соответствующих эфиров 5-ГМФ в этом патенте, однако, не описана.

Алифатические спирты используются при получении эфиров левулиновой кислоты [US 4236021, 25.11.1980, US 2763665, 09.1956]. По данному способу фурфуриловый спирт этерифицируют в присутствии C₁-С₁₀ спиртов и небольших количеств минеральных кислот в качестве катализатора.

Известен способ получения эфиров левулиновой кислоты при нагревании углеводов со смесью алифатических спиртов в присутствии растворителей из группы хлорированных углеводородов и простых эфиров [US 2917537, 15.12.1959]. Температура проведения процесса 150-250^oС. Возможность получения соответствующих эфиров 5-ГМФ в этом патенте так же не указана.

Наиболее близким по существу к заявляемому способу является процесс получения простых эфиров 5-ГМФ (5-метоксиметилфурфурол, 5-этоксиметилфурфурол, 5-н-бутоксиметилфурфурол, 5-н-пропоксиметилфурфурол, 5-изо-пентилоксиметилфурфурол) взаимодействием 5-хлорметилфурфурола и соответствующего спирта в присутствии карбоната бария [Drechsler Gerhard, Kopperschlager Gerhard. Uber die reaction von furfurolderivaten mit acrylnitril in alkalischen medium. "J. Prakt. Chem", 1965, 27, 5-6, 258-270]. В соответствии с данным способом раствор 100 г 5-хлорметилфурфурола в 700 мл соответствующего алифатического спирта и 100 г карбоната бария нагревают, фильтрат концентрируют, из остатка целевые продукты экстрагируют эфиром.

Основной недостаток данного способа заключается в труднодоступности сырья, а именно 5-хлорметилфурфурола: его получают двухстадийным синтезом из углеводов. Другими словами, целевые продукты, согласно известному способу, получают из углеводов трехстадийным методом, что обусловливает невысокие (около 20% в расчете на сахарозу) выходы целевых продуктов. Другой недостаток известного способа заключается в применении достаточно дорогих реагентов (карбонат бария).

Цель заявляемого изобретения - снижение затрат на получение целевого продукта путем использования более дешевого сырья, исключение дорогого реагента - карбоната бария.

Поставленная цель достигается тем, что, в способе получения простых эфиров 5-ГМФ алкилированием алифатическими спиртами, согласно изобретению в качестве сырья используют сахарозу или фруктозу. Процесс кислотно-каталитической дегидратации углеводов проводят в двухфазной системе: водный раствор кислотного катализатора (бисульфат натрия или смесь бисульфат натрия - серная кислота) - алифатические спирты, при нормальном давлении и температуре 85-105^oС, причем концентрация бисульфата натрия в реакционной массе составляет 200-600 г/л, серной кислоты - 19,6 г/л, концентрация сахарозы или фруктозы 50-200 г/л.

Таким образом, формально технический результат заявляемого изобретения заключается в использовании принципиально более дешевого и доступного сырья - сахарозы - вместо труднодоступного 5-хлорметилфурфурола, а также в устранении необходимости использования дорогого карбоната бария в процессе. С другой стороны, технический результат заявляемого изобретения заключается, по существу, в сокращении числа стадий заявляемого способа до одной по сравнению с тремя в известном способе, т.к. 5-хлорметилфурфурол получают из углеводов в две стадии.

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения с прототипом показывает, что общими признаками заявляемого способа и прототипа являются: - использование в качестве алкилирующих агентов алифатических спиртов; - проведение процесса при нормальном давлении.

Отличительные признаки заявляемого изобретения: - использование сахарозы или фруктозы в качестве сырья; - получение простых эфиров 5-ГМФ одноступенчатой кислотно-каталитической дегидратацией сахарозы в присутствии алифатических спиртов; - использование в качестве катализатора раствора бисульфата натрия или смеси бисульфат натрия и серной кислоты вместо карбоната бария; - проведение процесса при температуре 85-105^oС.

Исследования показали, что применение в высоких концентрациях бисульфата натрия в качестве кислотного катализатора позволяет достичь эффективного расслоения водно-органической системы. Кроме того, использование данного катализатора вместо минеральных кислот позволяет снизить экстракцию последних в органическую фазу.

Следовательно, технические результаты и отличительные признаки заявляемого способа находятся в причинно-следственной связи друг с другом.

Способ подтверждается конкретными примерами.

Пример 1. Для проведения эксперимента 100 мл реакционного раствора, содержащего 150 г/л сахарозы и 400 г/л бисульфата натрия помещают в реакционный сосуд, оборудованный обратным холодильником, системой перемешивания и системой отбора проб, добавляют 200 мл бутанола. Реакционную массу доводят до кипения (102-103^oС) и нагревают в течение 6 ч, затем охлаждают и отделяют органическую фазу, которую затем нейтрализуют 10%-ным раствором бикарбоната натрия до рН 6-7 и определяют концентрацию образовавшегося простого эфира 5-ГМФ методом газожидкостной хроматографии. Она составляет 17-18 г/л. Далее отгоняют непрореагировавший спирт и полученный концентрат (20 г) перегоняют под вакуумом (2 мм рт.ст.).

В результате проведенного эксперимента получают в расчете на 150 г сахарозы: (в скобках дан выход в мас.% в расчете на сахарозу) 14-15 г (9-10) 5-бутоксиметилфурфурола.

Структура 5-бутоксиметилфурфурола установлена с помощью спектроскопии ПМР и ЯМР¹³С.

Хромато-масс спектр 5-бутоксиметилфурфурола: М⁺ 182 (8), 153 (10), 125 (4), 109 (100), 97 (75), 81 (30), 69 (7), 57 (8), 53 (20).

Пример 2. Опыт проводят, как в примере 1, но с использованием реакционного раствора с концентрацией бисульфата натрия 480 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 26-27 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 23-25 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 15,3-16,6 мас.% в расчете на сырье.

Пример 3. Опыт проводят, как в примере 1, но с использованием реакционного раствора с концентрацией бисульфата натрия 560 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 33-34 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 29-30 г целевого продукта, что составляет 19,3-20,0 мас.% в расчете на сырье.

Пример 4. Опыт проводят, как в примере 1, но с использованием реакционного раствора с концентрацией бисульфата натрия 600 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 12-14 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 10-11 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 6,6-7,3 мас.% в расчете на сырье.

Пример 5. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием реакционного раствора с концентрацией сахарозы 100 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 20-21 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 18-19 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 18-19 мас.% в расчете на сырье.

Пример 6. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием реакционного раствора с концентрацией сахарозы 200 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 31-32 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 28-29 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 14-14,5 мас.% в расчете на сырье.

Пример 7. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием реакционного раствора с содержанием свободной серной кислоты 19,6 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 36-38 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 35-36 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 23,3-24,0 мас.% в расчете на сырье.

Пример 8. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием реакционного раствора с содержанием свободной серной кислоты 39,2 г/л. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 25-27 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 23-24 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 15,3-16,0 мас.% в расчете на сырье.

Пример 9. Опыт проводят, как в примере 3, но при температуре 95^oС. Понижение температуры проведения процесса на 7-10^oС приводит к увеличению времени проведения процесса, вместе с тем, достигаемая концентрация продукта остается практически без изменений. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 31-32 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 28-29 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 18,6-19,3 мас.% в расчете на сырье.

Пример 10. Опыт проводят, как в примере 3, но при температуре 85^oС. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 25-27 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 23-25 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 15,3-16,6 мас.% в расчете на сырье.

Пример 11. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием фруктозы. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 30-32 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 28-29 г 5-бутоксиметилфурфурола, что составляет 19,0-19,3 мас.% в расчете на сырье.

Пример 12. Опыт проводят, как в примере 3, но с использованием в качестве алифатического спирта пентанола. Концентрация продукта в реакционной массе, определенная методом газожидкостной хроматографии, составила 30-31 г/л.

В результате проведенного эксперимента получают 27-28 г 5-пентилоксиметилфурфурола, не описанного в литературе вещества, что составляет 18-18,6 мас.% в расчете на сырье. Хромато-масс cпектр 5-пентилоксиметилфурфурола хорошо согласуется со спектром 5-бутоксиметилфурфурола (различие молекулярных масс на 14 у.е.): М⁺ 196 (6), 167 (5), 137 (2), 125 (3), 111 (6), 110 (61), 109 (100), 97 (68), 81 (25), 69 (11), 53 (16).

Формула изобретения

1. Способ получения простых эфиров 5-гидроксиметилфурфурола алкилированием алифатическими спиртами, отличающийся тем, что в качестве исходного вещества используют сахарозу или фруктозу, а процесс их кислотно-каталитической дегидратации проводят в двухфазной реакционной массе: вода - бисульфат натрия и алифатический спирт или вода - бисульфат натрия - серная кислота и алифатический спирт при 85-105^oС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алифатических спиртов используют бутанол и пентанол.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что водная фаза реакционной массы содержит сахарозы или фруктозы 100-200 г/л, бисульфата натрия 400-600 г/л, серной кислоты до 19,6 г/л.