Способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона
Владельцы патента RU 2278106:
Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской Академии наук (RU)
Изобретение относится к органическому синтезу, а именно к способу получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ, менадиона, витамина К3), который широко применяется в медицинской практике и животноводстве. 2-Метил-1,4-нафтохинон получают путем окисления 2-метил-1-нафтола кислородом или кислородсодержащим газом в среде малополярного или неполярного органического растворителя или в расплаве 2-метил-1-нафтола при интенсивном перемешивании при давлении не ниже 1 атм и температуре не ниже 20°С. Технический результат - упрощение технологии с получением целевого продукта высокой чистоты при его высоком выходе. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится к органическому синтезу, а именно к способу получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ, менадиона, витамина К3). МНХ является синтетическим аналогом витаминов группы К, которые широко применяются в медицинской практике и животноводстве в качестве препаратов для улучшения свертывания крови, а также играют важную роль при образовании костей.
Большинство способов получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ) основано на окислении 2-метилнафталина (МН). В промышленности МНХ получают главным образом путем стехиометрического окисления 2-метилнафталина (МН) оксидом хрома (VI) в серной кислоте с выходом 40-50% [L.F.Fieser, Convenient procedures for the preparation of antihemorrhagic compounds, J. Biol. Chem. 133 (1940) 391; R.A.Sheldon, Homogeneous and heterogeneous catalytic oxidation with peroxide reagents, Top. Curr. Chem. 164 (1993) 21]. При этом на 1 кг продукта образуется 18 кг хромосодержащих сточных вод. Известен способ получения МНХ, где в качестве стехиометрического окислителя используется раствор Mn2(SO4)3 в серной кислоте; выход 2-метил-1,4-нафтохинона составляет 55% [М.Persiasamy, M.V.Bhatt, Facile oxidation of aromatic rings by Mn2(SO4)3, Tetrahedron Letters 46 (1978) 4561]. Данные способы требуют использования больших количеств дорогих и токсичных окислительных агентов и неприемлемы как с точки зрения экологии, так и с точки зрения экономики.
Известны каталитические способы окисления 2-метилнафталина (МН). Известно каталитическое окисление МН персульфатом аммония в присутствии церий(IV) аммоний сульфата и додецилсульфата натрия с образованием смеси МНХ и 2-метил-1,6-нафтохинона с выходом до 73% [J.Skarzewski, Cerium catalyzed persulfate oxidation of polycyclic aromatic hydrocarbons to quinones, Tetrahedron 40 (1984) 4997].
Известны способы окисления МН бихроматами в присутствии соединений рутения в качестве катализаторов [S.Chocron, М.Michman, Oxidation of 2-methylnaphthalene to 2-methyl-1,4-naphthoquinone with ammonium dichromate catalysed by RuCl3, Appl. Catal. 62 (1990) 119], KHSO5 в присутствии порфиринов железа и марганца [R.Song, A.Sorokin, J.Bernadou, В.Meunier, Metalloporphyrin-Catalyzed Oxidation of 2-methylnaphthalene to vitamin К3 and 6-methyl-1,4-naphtholquinone by potassium monopersulfate in aqueous solution, J. Org. Chem. 62 (1997) 673] и др. Сообщалось об окислении МН трет-бутилгидропероксидом в присутствии Fe- и Mn-содержащих фталоцианинов, закрепленных на поверхности мезопористых (МСМ-41) и аморфных силикатов (SiO2). В данном способе селективность по МНХ не превышала 34% при конверсии 90% [A.Sorokin, A. Tuel, Metallophthalocyanine Functionalized Silicas: Catalysts for the Selective Oxidation of Aromatic Compounds, Catal. Today 57 (2000) 45].
Наибольший интерес представляет использование экологически чистых и дешевых окислителей - молекулярного кислорода и пероксида водорода. Известно окисление МН пероксидом водорода в среде карбоновых кислот без катализатора [US 6579994, С 07 С 46/04, 12.12.02] и в присутствии соединений палладия в качестве катализатора [US 5637741, С 07 С 46/04, 10.06.97]. Высокую каталитическую активность в реакции окисления метилнафталина пероксидом водорода Н2О2 в среде уксусной кислоты/уксусного ангидрида проявляют комплексы рения, в частности метилтриоксорений (VII) (СН3ReO3, МТО) [W.Adam, W.A.Herrmann, W.Lin, Ch.R.Saha-Moller, R.W.Fischer, J.D.G.Correia, Homogeneous catalytic oxidation of arenes and a new synthesis of vitamin К3, Angew. Chem. Int. Ed. 33 (1994) 2475; W.A.Herrmann, J.J.Haider, R.W.Fischer, Rhenium-Catalyzed Oxidation of Arenes - an Improved Synthesis of Vitamin К3, J. Mol. Catal. A: Chem. 138 (1999) 115]. Селективность по МНХ достигает 60% при конверсии МН 65%. Недостатками данного процесса являются 1) использование концентрированного пероксида водорода (85%), который является взрывоопасным реагентом и 2) использование гомогенного катализатора и соответственно трудности, связанные с его отделением и регенерацией. Известно окисление МН пероксидом водорода в уксусной кислоте с использованием солей железа (Fe(ClO4)3, (СН3СОО)3Fe) в качестве гомогенного катализатора [J.Kowalski, J.Ploszynska, A.Sobkowiak, Iron (III)-induced activation of hydrogen peroxide for oxidation of 2-methylnaphthalene in glacial acetic acid, Catal. Commun. 4 (2003) 603]. Селективность данного процесса не превышает 36% при конверсии субстрата 85-90%. Известен способ окисления МН перекисидом водорода с использованием ацетата Pd(II), закрепленного на полистирол-сульфоновых смолах, в качестве катализатора [S.Yamaguchi, M.Inone, S.Enomoto, Oxidation of 2-methylnaphthalene to 2-methyl-1,4-naphthoquinone with hydrogen peroxide in the presence of Pd(II)-polystyrene sulfonic acid resin, Chem. Lett. (1985) 827]. В данном процессе селективность по МНХ достигает 66% при конверсии МН 90%. Известно также окисление МН перокисидом водорода в присутствии титан- и железосодержащих молекулярных сит (TS-1, Ti-Beta, Ti-NCL-1, Fe-Beta, Ti-MCM-41) [O.S.Anunziata, L.B.Pierella, A.R.Beltramone, Synthesis of menadione over selective oxidation zeolites, J. Mol. Catal. A: Chem. 149 (1999) 255; O.S.Anunziata, A.R.Beltramone, J.Cussa, Studies of Vitamin Кз synthesis over Ti-containing mesoporous material, Appl. Catal. A: General 270 (2004) 77]. Максимальная селективность (54%) при конверсии 22% была получена для цеолита Fe-Beta.
Общим недостатком всех процессов получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ) из 2-метилнафталина (МН) является низкая селективность по целевому продукту и, в частности, образование 2-метил-1,6-нафтохинона, близкого по физико-химическим свойствам к МНХ, что сильно осложняет процесс выделения и очистки МНХ.
Избежать образования в качестве побочного продукта 6-метил-1,4-нафтохинона позволяет использование в качестве исходного субстрата 2-метил-1-нафтола (МНЛ) вместо 2-метилнафталина (МН). Разработанный недавно высокоэффективный способ получения МНЛ путем алкилирования дешевого и доступного сырья - 1-нафтола -метанолом в газовой фазе в присутствии катализатора, содержащего смесь оксидов Mg и Fe(II)/Fe(III) [Заявка WO 2004/014832, B 01 J 23/78, 19.02.04], делает МНЛ более перспективным исходным субстратом для получения МНХ, чем МН.
Известно окисление МНЛ KHSO5 в присутствии порфиринов железа и марганца [R.Song, A.Sorokin, J.Bernadou, В.Meunier, Metalloporphyrin-Catalyzed Oxidation of 2-methylnaphthalene to vitamin К3 and 6-methyl-1,4-naphtholquinone by potassium monopersulfate in aqueous solution, J. Org. Chem. 62 (1997) 673]. Выход МНХ максимален в присутствии FeTDCPPS и составляет 30%. Известно окисление МНЛ в МНХ водным пероксидом водорода в присутствии мезопористых титан-силикатных катализаторов (выход МНХ 46% при конверсии МНЛ 97%) [Пат. РФ 2196764, С 07 С 46/06, 20.01.03].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ) путем каталитического окисления 2-метил-1-нафтола (МНЛ) или его смеси с 2,4-диметил-1-нафтолом в двухфазной системе, в которой окисляемое вещество вводят в реакцию в растворе не смешивающегося с водой органического растворителя, а катализатор представляет собой водный раствор молибдованадофосфорной гетерополикислоты или ее кислой соли (ГПК-n), содержащей 10-20 об.% уксусной кислоты, причем реакцию окисления проводят при интенсивном перемешивании фаз при температуре 40-70°С, общий состав катализатора отвечает формуле HaPxMoyVnOb, где 1≤х≤3; 8≤у≤16; 40≤b≤89; a=2b-6у-5(х+n); 4<n<A2, n - число атомов ванадия. В процессе реакции используют мольное отношение ГПК-n: МН, не превышающее 2,5. Максимальный выход 2-метил-1,4-нафтохинона достигает 88% в случае применения водно-уксуснокислого раствора ГПК и хлорсодержащего растворителя (Пат. РФ 2162837, С 07 С 50/12, 10.02.01).
Недостатками данного процесса являются 1) двухстадийность, 2) низкая производительность (нельзя использовать концентрацию МНЛ в реакционной смеси больше 0.1М) и 3) использование стехиометрических количеств гетерополисоединений ГПС, содержащих ядовитый ванадий. Даже при проведении процесса окисления в двухфазной системе органический растворитель - вода нельзя полностью избежать загрязнения органической фазы комплексами ванадия, образующимися в результате взаимодействия ГПС (или продуктов его деструкции) с органическими компонентами реакционной смеси.
Задачей данного изобретения является создание способа окисления МНЛ в МНХ кислородом или кислородсодержащим газом, использование которого приведет к существенному упрощению технологии процесса, повышению его производительности и повышению чистоты получаемого продукта за счет исключения наличия ядовитых примесей переходных металлов в продукте.
Поставленная задача достигается тем, что процесс окисления 2-метил-1-нафтола (МНЛ) в 2-метил-1,4-нафтохинон (МНХ) проводят в отсутствие катализатора в среде органического растворителя или в расплаве МНЛ при давлении (Р) кислорода или кислородсодержащего газа не менее 1 атм (преимущественно Р(O2) не менее 3 атм) и температуре не менее 20°С. Процесс осуществляют при интенсивном перемешивании.
В качестве органического растворителя используют неполярные и малополярные ароматические и неароматические углеводороды и хлорсодержащие углеводороды, или их любые смеси, преимущественно толуол, четыреххлористый углерод, циклогексан.
Ограничения по концентрации окисления 2-метил-1-нафтола (МНЛ) для заявляемого процесса нет, что позволяет существенно повысить производительность процесса по сравнению с прототипом.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1. В термостатируемый при 80°С стеклянный («пирекс») реактор, снабженный магнитной мешалкой и конденсором, помещают 55 мг 2-метил-1-нафтола МНЛ (0.1 моль/л) и 3.5 мл толуола. Смесь интенсивно перемешивают при 80°С и давлении кислорода 3 атм. Через 8 ч конверсия МНЛ и выход 2-метил-1,4-нафтохинона МНХ в расчете на прореагировавший МНЛ (селективность), определенные методом ГЖХ, составляют 76 и 80% соответственно.
Пример 2. Процесс проводят, как в примере 1, но вместо толуола берут 3.5 мл CCl4. Через 4 ч конверсия МНЛ и выход МНХ в расчете на прореагировавший МНЛ (селективность) составляют 58 и 80% соответственно.
Пример 3. Процесс проводят, как в примере 2, но при давлении кислорода 1 атм. Через 10 ч конверсия МНЛ и селективность по МНХ составляют 43 и 74% соответственно. Данный пример в сравнении с примером 2 демонстрирует, что с уменьшением давления кислорода существенно уменьшается скорость реакции.
Пример 4. Процесс проводят, как в примере 2, но при температуре 50°С. Через 10 ч конверсия МНЛ 40%, селективность по МНХ 74%. Данный пример в сравнении с примером 2 демонстрирует, что с уменьшением температуры реакции уменьшается ее скорость.
Пример 5. Процесс проводят, как в примере 2, но при комнатной температуре (около 20°С). Через 72 ч конверсия МНЛ 43%, выход МНХ 84%. Через 171 ч конверсия МНЛ 80%, селективность по МНХ 75%. Данный процесс демонстрирует возможность получения МНХ с высоким выходом при комнатной температуре.
Пример 6. Процесс проводят, как в примере 1, но берут 110 г МНЛ (0.2 моль/л). Через 7.5 ч конверсия МНЛ 83%, селективность по МНХ 82%.
Пример 7. Процесс проводят, как в примере 1, но берут 220 г МНЛ (0.4 моль/л). Через 7.5 ч конверсия МНЛ 91%, селективность по МНХ 88%.
Примеры 6 и 7 в сравнении с примером 1 показывают, что увеличение концентрации МНЛ выше 0.1 М приводит к увеличению скорости и производительности процесса и не приводит к уменьшению селективности по МНХ.
Пример 8. Процесс проводят, как в примере 2, но берут 220 г МНЛ (0.4 моль/л) и проводят процесс при комнатной температуре (около 20°С). Через 119 ч конверсия МНЛ 75%, селективность по МНХ 80%. Через 162 ч конверсия МНЛ 87%, селективность по МНХ 80%. Данный пример демонстрирует, что при увеличении концентрации МНЛ в 4 раза селективность процесса не ухудшается, а также что при комнатной температуре селективность процесса не ухудшается с увеличением конверсии МНЛ.
Пример 9. Процесс проводят, как в примере 2, но берут 277 г МНЛ (0.5 моль/л). Через 4.5 ч конверсия МНЛ 89%, выход МНХ 70%.
Пример 10. Процесс проводят, как в примере 9, но без растворителя и при температуре 75°С. Через 3.5 ч конверсия МНЛ 55%, выход МНХ 47%. Данный пример демонстрирует возможность проведения процесса в расплаве МЫЛ, без использования органического растворителя.
Пример 11. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве окислителя используют воздух при давлении 3 атм. Через 10 ч конверсия МНЛ и селективность по МНХ составляют 40 и 70% соответственно. Данный пример демонстрирует, что в качестве окислителя можно использовать кислородсодержащий газ, например воздух.
Пример 12. Процесс проводят, как в примере 1, но в качестве растворителя используют циклогексан. Через 6 ч конверсия МНЛ и селективность по МНХ составляют 41 и 84% соответственно.
Пример 13. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве растворителя используют хлороформ. Через 3 ч конверсия МНЛ и селективность по МНХ составляют 33 и 45% соответственно. Данный пример демонстрирует уменьшение селективности процесса при увеличении полярности растворителя.
Пример 14. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве растворителя используют уксусную кислоту. Через 3 ч конверсия МНЛ и селективность по МНХ составляют 14 и 60% соответственно.
Пример 15. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве растворителя используют этиловый спирт. Через 3 ч конверсия МНЛ 6%, выход МНХ 0%.
Пример 16. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве растворителя используют циклогексанон. Через 3 ч конверсия МНЛ 0%, выход МНХ 0%.
Пример 17. Процесс проводят, как в примере 2, но в качестве растворителя используют ацетонитрил. Через 5 ч конверсия МНЛ 20%, выход МНХ 2%.
Примеры 14-17 демонстрируют, что в полярных растворителях процесс протекает неэффективно.
Примеры 18-19 иллюстрируют применение смеси растворителей.
Пример 18. Процесс проводят, как в примере 1, но вместо 3.5 мл толуола берут смесь растворителей, состоящую из 2.5 мл толуола и 1.0 мл CCl4. Через 6 ч конверсия МНЛ и выход МНХ в расчете на прореагировавший МНЛ (селективность), составляют 63 и 78% соответственно.
Пример 19. Процесс проводят, как в примере 1, но вместо 3.5 мл толуола берут смесь растворителей, состоящую из 1.0 мл толуола и 2.5 мл CCl4. Через 4 ч конверсия МНЛ и выход МНХ в расчете на прореагировавший МНЛ (селективность), составляют 48 и 79% соответственно.
Обобщенные результаты проведения процесса по примерам 1-17 приведены в таблице.
Приведенные примеры показывают, что предлагаемый настоящим изобретением способ получения МНХ является высокопроизводительным, дешевым и простым в реализации. Применение данного способа позволяет получить целевой продукт высокой чистоты (без примесей переходных металлов) и с высоким выходом. Органический растворитель отделяется перегонкой и может быть использован многократно. Отделение МНХ от побочных продуктов (главным образом, смол) может быть осуществлено путем перегонки с водяным паром. Смолы можно сжечь с образованием СО2 и H2O.
| Таблица | ||||||||
| Окисление 2-метил-1-нафтола (МНЛ) в 2-метил-1,4-нафтохинон (МНХ) кислородом | ||||||||
| Пример | [МНЛ], моль/л | Р(О2), атм | Растворитель | t, °C | Время, ч | Выход МНХ, а мол.% | Конверсия МНЛ, мол.% | Селективность по МНХ, % |
| 1 | 0.1 | 3 | толуол | 80 | 8 | 61 | 76 | 80 |
| 2 | 0.1 | 3 | CCl4 | 80 | 4 | 46 | 58 | 80 |
| 3 | 0.1 | 1 | CCl4 | 80 | 10 | 32 | 43 | 74 |
| 4 | 0.1 | 3 | CCl4 | 50 | 10 | 30 | 40 | 74 |
| 5 | 0.1 | 3 | CCl4 | 20 | 72 171 | 36 60 | 43 80 | 84 75 |
| 6 | 0.2 | 3 | толуол | 80 | 7.5 | 68 | 83 | 82 |
| 7 | 0.4 | 3 | толуол | 80 | 7.5 15 | 80 85 | 91 99 | 88 86 |
| 8 | 0.4 | 3 | CCl4 | 20 | 119 | 60 | 75 | 80 |
| 9 | 0.5 | 3 | CCl4 | 80 | 4.5 | 62 | 89 | 70 |
| 10 | - б | 3 | - | 75 | 3.5 | 26 | 55 | 47 |
| 11 | 0.1 | 3в | CCl4 | 70 | 10 | 28 | 40 | 70 |
| 12 | 0.1 | 3 | циклогексан | 80 | 6 | 34 | 41 | 84 |
| 13 | 0.1 | 3 | хлороформ | 80 | 3 | 15 | 33 | 45 |
| 14 | 0.1 | 3 | уксусная кислота | 80 | 3 | 8 | 14 | 60 |
| 15 | 0.1 | 3 | этанол | 80 | 3 | 0 | 6 | - |
| 16 | 0.1 | 3 | циклогексанон | 80 | 3 | 0 | 0 | - |
| 17 | 0.1 | 3 | ацетонитрил | 80 | 5 | 2 | 20 | - |
| а) ГЖХ выход в расчете на исходный субстрат. | ||||||||
| б) В расплаве МНЛ. | ||||||||
| в) Вместо кислорода используют воздух. |
1. Способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона путем окисления 2-метил-1-нафтола кислородом или кислородсодержащим газом, отличающийся тем, что процесс проводят в среде малополярного или неполярного органического растворителя или в расплаве 2-метил-1-нафтола.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя используют неполярные и малополярные ароматические и неароматические углеводороды и хлорсодержащие углеводороды или их любую смесь, преимущественно толуол, четыреххлористый углерод, циклогексан.
3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс ведут при интенсивном перемешивании при давлении кислорода или кислородсодержащего газа не ниже 1 атм, преимущественно не ниже 3 атм.
4. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что процесс ведут при температуре не ниже 20°С.
