Спосіб одержання 2,5-диформілфурану

Реферат: Спосіб одержання 2,5-диформілфурану формули I H H O O O . (I) Галузь застосування - органічна хімія. Задача винаходу полягає у створенні простої екологічної технології одержання 2,5-диформілфурану, що досягається шляхом використання каталітичної системи на основі Сu(NО3)2×3Н2О та N-гідроксифталіміду або його похідних. Спосіб забезпечує ефективне окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу молекулярним киснем при 50 °C та тиску кисню 1 атм. Технічний результат - зниження температури, тиску, запобігання утворенню шкідливих відходів, суттєве зниження витрат і підвищення виходу 2,5-диформілфурану. UA 107400 C2 (12) UA 107400 C2 UA 107400 C2 Винахід належить до галузі органічної хімії і стосується способу одержання 2,5диформілфурану формули І H H O O 5 10 15 O . (I) 2,5-Диформілфуран - вихідна сполука для одержання незаміщеного фурану, фурфуролу, 2,5-фурандикарбонової кислоти, основ Шиффа та 2,5-біс(амінометил)фурану, який є альтернативою гексаметилендіаміну при отриманні поліамідів. 2,5-Диформілфуран та 2,5фурандикарбонова кислота в перспективі можуть замінити мономери нафтохімічного походження - терефталеву, ізофталеву та адипінову кислоти, що використовують при виробництві поліамідів, поліестерів і поліуретанів. Крім того, 2,5-диформілфуран застосовують в фармацевтичній промисловості при виробництві протигрибкових препаратів, для одержання макроциклічних лігандів, флуоресцентних матеріалів. Висока комерційна вартість 2,5-диформілфурану (30-60 євро за 100 мг) обумовлена тим, що на сьогодні не існує його промислового виробництва, а запропоновані способи одержання є досить складними й дорогими. 2,5-Диформілфуран одержують селективним окисненням 5-гідроксиметилфурфуролу формули II молекулярним киснем у присутності каталітичних систем за схемою O O H CH2OH O2 , O T 25 30 35 40 45 H H каталізатор II 20 O O I . Вихідна речовина для синтезу 2,5-диформілфурану 5-гідроксиметилфурфурол, який одержують з високим виходом з відновлювальної рослинної сировини, наприклад фруктози, глюкози, сахарози, крохмалю та різних залишків агропромислового комплексу, що вміщують фруктозу або її прекурсори, шляхом кислотної дегідратації [1]. Запропонований спосіб одержання 2,5-диформілфурану, який складає суть винаходу, дозволяє використовувати як сировину не тільки чистий 5-гідроксиметилфурфурол, але й одержаний дегідратацією з сахарози або фруктози і спеціально не виділений, який містить домішки. Рослинна біомаса є дуже перспективною вихідною хімічною сировиною для одержання багатьох важливих сполук, що мають високі споживчі властивості. Увага хіміків до біомаси обумовлена необхідністю пошуку нових джерел сировини та альтернативних технологій "зеленої хімії" для одержання кисневмісних сполук, які можуть замінити невідновлювальні нафто- та вуглехімічні продукти. У літературі наведено багато прикладів селективного окиснення гідроксильної групи 5гідроксиметил фурфуролу з утворенням 2,5-диформілфурану. Загалом, усі описані способи можна поділити на некаталітичні або стехіометричні та каталітичні з використанням різноманітних за складом окисників та каталізаторів. Некаталітичні процеси синтезу 2,5диформілфурану з використанням неорганічних окисників, наприклад Pb(OAc) 2, CrO3, HNO3, N2O4, BaMnO4, K2Cr2O7, (NH4)2[Ce(NO3)6] [2], дозволяють одержувати 2,5-диформілфуран з виходом 40-100 %. Але окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу такими токсичними окисниками є проблематичним з точки зору навантаження на довкілля: значно зростають витрати на зберігання, транспортування, утилізацію відходів та запобігання викидів в атмосферу. Знизити ризики можна при використанні каталітичних процесів, які допомагають скоротити час реакції, знизити температуру процесу. Каталіз дозволяє замінити токсичні реагенти на менш шкідливі, що не призводять до великої кількості побічних продуктів або які легше утилізувати і при цьому вони не є менш ефективними. Для окиснення органічних сполук економічно і екологічно виправданим є використання кисню, а не неорганічних окисників. Заміна хроматів, перманганатів, азотної кислоти на молекулярний кисень - це приклад виконання принципів "зеленої хімії". У процесах окиснення спиртів молекулярним киснем зазвичай використовують каталізатори на основі Ru, Pd, Pt, Аu, Сu. Особливо актуальним є використання міді замість дорогих благородних металів. Сполуки міді легко взаємодіють з молекулярним киснем з утворенням дуже активних супероксо-, пероксо- та оксокомплексів. 1 UA 107400 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Запатентовано селективний спосіб окиснення 5-гідроксиметифурфуролу молекулярним киснем при використанні ванадійвмісних каталізаторів, наприклад VО(РО3)2, VOHPO4·0,5H2O, V2O5, (VO)2P2O7, при температурі 150 °C і 1 атм з 82 % виходом 2,5-диформілфурану [3]. Недоліком запропонованого способу є висока температура процесу, що призводить до "переокиснення" субстрату з утворенням монооксиду та діоксиду вуглецю, а також висока вартість ванадійвмісних каталізаторів. В літературі [4] описано спосіб отримання 2,5-диформілфурану шляхом рідиннофазного окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу молекулярним киснем з використанням кобальтбромідного каталізатору Co/Mn/Br або Co/Mn/Zr/Br. Як компоненти каталітичної системи використовують розчинні в оцтовій кислоті солі Co, Mn, наприклад ацетати, джерелом броміданіону може бути НВr або NaBr. Але запропонований спосіб є неселективним, в результаті реакції утворюється багато побічних продуктів. Відомий спосіб одержання 2,5-диформілфурану шляхом каталітичного рідиннофазного окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу молекулярним киснем в присутності Co/Mn/Br в розчині оцтової кислоти при 50-75 °C і тиску 1-70 атм з виходом продукту від 23 до 63 %. Найкращий вихід 2,5-диформілфурану в присутності Co/Mn/Br (0,0401/0,0378/0,1102 мас. %:) через 2 години при 75 °C і тиску 70 атм в розчині оцтової кислоти складає 63 % [5]. Спосіб одержання 2,5диформілфурану шляхом окиснення молекулярним киснем, каталізованого Co/Mn/Br [5], прийнято як прототип, оскільки за суттю технічного рішення і отриманого результату є найбільш близьким до об'єкта, що заявляється. Недоліками прототипу є: 1) невисокий вихід 2,5диформілфурану (23-63 %); 2) високий тиск (70 атм); 3) агресивність реакційної суміші і необхідність використовувати титанові реактори; 4) утворення в результаті реакції бромпохідних, які важко утилізувати. Наведені недоліки роблять процес дуже затратним. Реакція окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу молекулярним киснем перебігає за радикально-ланцюговим механізмом. Участь вільних радикалів у реакціях рідиннофазного окиснення не може забезпечити достатньо високої селективності процесу через їх високу реакційну здатність. Процес, як правило, ускладнюється наявністю проміжних стадій, що йдуть з утворенням великої кількості інтермедіатів та побічних продуктів. У випадку окиснення гідроксильної групи 5-гідроксиметилфурфуролу труднощі виникають внаслідок присутності фуранового кільця та високореакційної альдегідної групи в молекулі субстрату. Для підвищення селективності використовують каталітичні системи, до складу яких, крім металів змінної валентності, входять органічні каталізатори, до яких належить N-гідроксифталімід та його похідні, які легко синтезувати із доступних, недорогих реагентів - фталевого ангідриду та гідроксиламіну. Це нетоксичні, високоселективні радикальні каталізатори процесів окиснення молекулярним киснем різних класів органічних сполук, у тому числі первинних спиртів. Переробка відновлювальної сировини, у першу чергу, рослинних жирів, вуглеводів, лігніну, терпенів, целюлози та інших природних сполук - це нова галузь використання Nгідроксифталімідів. В основу винаходу поставлена задача розробки способу одержання 2,5-диформілфурану, що забезпечує високу конверсію 5-гідроксиметилфурфуролу й високий вихід продукту при низькому тиску й температурі з урахуванням екологічних показників, а також суттєво знижує витрати. Поставлена задача вирішується шляхом використання нової каталітичної системи на основі Сu(NО3)2×3Н2О та N-гідроксиіміду або його похідних формули III O N OH R 45 50 O , (III) де R є замісники, такі як водень, алкіл-, арил-, галоген-, алкокси-, карбокси-. Окремі складові N-гідроксифталімід та Cu(NO3)2×3Н2О не проявляють каталітичну активність при окисненні 5-гідроксиметилфурфуролу в м'яких застосовуваних умовах. Але в присутності системи N-гідроксифталімід / Cu(NO3)2×3Н2О в мольному співвідношенні 1:0,2 при 50 °C, 1 атм О2 через 6 годин окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу досягається 96 % селективності по цільовому продуктові. Наявність в системі Cu(NO 3)2×3Н2О дозволяє прискорити каталітичний цикл перетворень N-гідроксифталіміду. Спосіб забезпечує підвищення виходу 2,5-диформілфурану до 96 % і зниження собівартості продукту за рахунок використання звичайного, а не антикорозійного обладнання, недорогих та 2 UA 107400 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 доступних компонентів каталітичної системи - Сu(NО3)2×3Н2О і N-гідроксифталімідів. Запропонований спосіб не призводить до утворення шкідливих відходів і, таким чином, дозволяє значно знизити екологічно шкідливі викиди хімічного виробництва. На відміну від прототипу процес перебігає при атмосферному тиску кисню і з використанням дешевого нетоксичного розчинника - ацетонітрилу. N-гідроксифталімід та його похідні у процесі окиснення дезактивуються (причиною є спонтанний неефективний розпад фталімід-N-оксильного радикалу, який бере участь у реакції продовження ланцюга). Наслідком дезактивації каталізатора є уповільнення швидкості окиснення з часом і, як видно з прикладу І, низький вихід 2,5-диформілфурану (62 %). Для зберігання концентрації каталізатора на початковому рівні й досягнення високого виходу цільового продукту необхідно додавати N-гідроксифталіміди невеликими порціями протягом всього терміну процесу окиснення. Для одержання сполуки формули І були використані N-гідроксифталімід фірми "Fluka", Cu(NO3)2×3Н2О марки "чда", 5-гідроксиметилфурфурол синтезовано з сахарози [3], ацетонітрил "чда", циклогексан "чда". Похідні N-гідроксифталіміду одержано відомим способом [6]. Приклад 1. Одержання 2,5-диформілфурану: Суміш 0,504 г 5-гідроксиметифурфуролу (4 ммоль), 0,065 г N-гідроксифталіміду (0,4 ммоль), 0,0193 г Cu(NO3)2×3Н2О (0,08 ммоль) та 2 мл ацетонітрилу поміщають в реактор барботажного типу і витримують 6 годин при температурі 50 °C. Кисень подають зі швидкістю 30 л/год. Реакційну суміш охолоджують, декантують, ацетонітрил випаровують у вакуумі. Продукт екстрагують циклогексаном (5 × 5 мл). Екстракт спочатку промивають 1 % водним розчином NaHCO3, потім відганяють циклогексан. Остаток, що утворився, очищають сублімацією у вакуумі. Одержано білі кристали з температурою топлення 109 °C. Згідно з даними [3] Т. топл. 2,5-диформілфурану складає 110-111 °C. Вихід 0,315 г (62 %). Знайдено, %: 57,30 С; 4,22 Н. 1 С6Н4О3. Розраховано, %: 58,06 С; 3,23 Н. Спектр Н ЯМР сполуки І (CDCl3), , м.ч.: 7,4 (с, 2Н, 13 фуран Н); 9,8 (с, 2Н, СНО); Спектр С ЯМР сполуки І (CDCl3), , м.ч.: 120,4 (с, СН); 154,8 (с, qC); 179,7 (с, СНО). Приклад 2. Одержання 2,5-диформілфурану: Суміш 0,504 г 5-гідроксиметифурфуролу (4 ммоль), 0,065 г N-гідроксифталіміду (0,4 ммоль), 0,0193 г Cu(NO3)2×3Н2О (0,08 ммоль) та 8 мл ацетонітрилу поміщають в реактор барботажного типу і витримують 6 годин при температурі 50 °C. Кисень подають зі швидкістю 30 л/год. Кожні 2 години в реакційну суміш додають 0,050 г N-гідроксифталіміду (0,3 ммоль). Всього додано 0,15 г N-гідроксифталіміду (0,9 ммоль). Реакційну суміш обробляють як у прикладі 1. Одержано білі кристали з температурою топлення 109 °C. Вихід 0,481 г (96 %). Знайдено, %: 58,92 С; 3,51 Н. 1 С6Н4О3. Розраховано, %: 58,06 С; 3,23 Н. Спектр Н ЯМР сполуки І (CDCl3), , м.ч.: 7,4 (с, 2Н, 13 фуран Н); 9,8 (с, 2Н, СНО); Спектр С ЯМР сполуки І (CDCl3), , м.ч.: 120,4 (с, СН); 154,8 (с, qC); 179,7 (с, СНО). Приклад 3. Одержання 2,5-диформілфурану: Суміш 0,252 г 5-гідроксиметифурфуролу (2 ммоль), 0,09356 г Nгідрокситетрафенілфталіміду (0,1 ммоль), 0,00966 г Cu(NO 3)2×3Н2О (0,08 ммоль) та 2 мл ацетонітрилу поміщають в реактор барботажного типу і витримують на протязі 3-х годин при температурі 50 °C. Кисень подають зі швидкістю 30 л /год. Реакційну суміш обробляють як у прикладі 1. Одержано білі кристали з температурою топлення 111 °C. Вихід 0,341 г (68 %). 1 Знайдено, %: 58,33 С; 3,09 Н. С6Н4О3. Розраховано, %: 58,06 С; 3,23 Н. Спектр Н ЯМР сполуки І 13 (CDCl3), , м.ч.: 7,4 (с, 2Н, фуран Н); 9,8 (с, 2Н, СНО); Спектр С ЯМР сполуки І (CDCl3), , м.ч.: 120,4 (с, СН); 154,8 (с, qC); 179,7 (с, СНО). Аналогічні результати отримано при використанні інших похідних N-гідроксифталіміду. Таким чином, запропонований спосіб одержання 2,5-диформілфурану має переваги перед прототипом: 1) Підвищення виходу до 96 %; 2) Спосіб є менш затратним за рахунок використання звичайного, а не антикорозійного обладнання, недорогих та доступних компонентів каталітичної системи - Cu(NO3)2×3Н2О, Nгідроксифталімідів та розчинника - ацетонітрила; 3) Зниження тиску кисню до 1 атм; 4) Зниження температури до 50 °C; 5) Спосіб є більш екологічним порівняно з прототипом, оскільки не призводить до утворення шкідливих відходів. Джерела інформації: 1. A. Corma, S. Iborra, A. Velty. Chemical routes for the transformation of biomass into chemicals // Chem Rev. - 2007. - Vol. 107. - P. 2411-2502. 3 UA 107400 C2 5 10 2. A.A. Rosatella, S.P. Simeonov, R.F.M. Frade, С.А.М. Afonso. 5-Нуdroxymethylfurfural (HMF) as a building block platform: Biological properties, synthesis and synthetic applications / Green chem. - 2011. - Vol.13. - P. 754-793. 3. Pat. 6706900 US опуб. 16.03.2004. Process for preparing 2,5-diformylfuran from carbohydrates. V. Grushin, N. Herron, G.A. Halliday. W. 4. Partenheimer, V. Grushin. Synthesis of 2,5-diformylfuran and furan-2,5-dicarboxylic acid by catalytic air-oxidation of 5-hydroxymethhylfurfural. Unexpectedly selective aerobic oxidation of benzyl alcohol to benzaldehyde with metal/bromide catalysts // Adv. Synth. Catal. - 2001. - Vol. 343, № 1. P. 102-111. 5. Pat. 8129550 US опубл. 06.03.2012. Oxidation of 5-(hydroxymethyl)furfural to 2,5-diformylfuran and subsequent decarbonylation to unsubstituted furan. V. Grushin, W. Partenheimer, L.E. Manzer. 6. K.V. Novikova, M.O. Kompanets, O.V. Kushch, S.P. Kobzev, M.M. Khliestov, I.O. Opeida. Substituted N-hydroxyphthalimides as oxidation catalysts //Reaction Kinetics, Mechanism and Catalysis. - 2011. - V.103, № 1. - P. 31-40. 15 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб одержання 2,5-диформілфурану формули I H H O O 20 O (I) шляхом каталітичного рідиннофазного окиснення 5-гідроксиметилфурфуролу молекулярним киснем, який відрізняється тим, що як каталітичну систему використовують суміш Сu(NO3)2×3Н2О і N-гідроксифталіміду або його похідних, що мають загальну формулу III O N OH R O , (III) де R є замісники, такі як водень, алкіл-, арил-, галоген-, алкокси-, карбокси-. 25 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4