Способ получения 3-метилтиопропаналя

Способ получения 3-метилтиопропаналя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу получения 3-метилтиопропаналя, в частности к способу получения 3-метилтиопропаналя с использованием катализатора на основе N-алкилморфолина. 3-Метилтиопропаналь, далее называемый МТПА, является хорошо известным интермедиатом при производстве метионина и гидроксильного аналога метионина, 2-гидрокси-4-(метилтио)бутановой кислоты, далее называемой ГМТБН. Метионин, в частности, является незаменимой аминокислотой, добавляемой в комбикорма для животных. Гидроксильный аналог метионина является источником метионина, и его широко используют в качестве метиониновой добавки в комбикормах для животных.

В промышленном масштабе МТПА получают при помощи катализируемой реакции между акролеином и метилмеркаптаном. В традиционных коммерческих способах жидкий или газообразный акролеин и жидкий или газообразный метилмеркаптан вводят в реактор, в котором находится МТПА в жидком состоянии и подходящее органическое основание, которое действует как катализатор реакции присоединения олефина к меркаптану. Реакция происходит в жидкой фазе. Традиционные катализаторы на основе органических оснований, применяемые в реакции между акролеином и метилмеркаптаном, включают амины, такие как пиридин, гексаметилентетрамин, триэтиламин, N-метилдифенэтилен и N-этил-3,3'-дифенилдипропиламин. Катализатор, используемый в реакции присоединения олефина к меркаптану, обычно применяют в сочетании с органической кислотой, такой как уксусная кислота, для замедления полимеризации МТПА и акролеина и повышения выхода реакции. ГМТБН затем получают по реакции присоединения цианида водорода к МТПА в присутствии подходящего катализатора реакции присоединения, который может включать органические основания, применяемые для катализа реакции между акролеином и метилмеркаптаном. Метионин может быть получен по реакции ГМТБН с избытком аммиака при высоком давлении; при этом получают 2-амино-4-(метилтио)бутаннитрил, который затем подвергают гидролизу минеральной кислотой до конечного продукта с получением метионина. Альтернативно, метионин может быть получен по реакции ГМТБН с карбонатом аммония с образованием гидантоина, который затем подвергают гидролизу под действием основания с получением метионина. Гидроксильный аналог метионина можно получить гидролизом ГМТБН под действием минеральной кислоты.

Реакция между акролеином и метилмеркаптаном может быть осуществлена как в непрерывном, так и в периодическом режиме.

При периодическом способе пары акролеина или акролеин в жидком состоянии могут быть прибавлены к метилмеркаптану, по существу в эквимолекулярном соотношении. В альтернативном случае акролеин и метилмеркаптан могут быть введены одновременно с практически стехиометрически эквивалентными скоростями прибавления в жидкую реакционную среду, содержащую МТПА. Реакционную среду для каждой одноразовой загрузки удобно приготавливать, оставляя в реакторе для каждой одноразовой загрузки остаток МТПА от предыдущей загрузки. Таким образом, периодический реактор может работать в полунепрерывном режиме, при котором акролеин и метилмеркаптан вводят с практически постоянными скоростями в течение значительной части цикла периодической работы, а продукт реакции периодически извлекают из реактора, оставляя остаток для следующей загрузки.

Полностью непрерывные процессы описаны в патентах США 4225516, 5352837, 5744647 и 6320076. Непрерывную реакцию проводят путем введения паров акролеина и метимеркаптана в поток реакционной среды, содержащей МТПА, либо противотоком, либо прямотоком в зоне контакта газ/жидкость. В альтернативном случае, начальная реакция может быть проведена в емкостном реакторе с перемешиванием, снабженном внешним охладителем, через который циркулирует реакционная смесь. Если реакция не завершается в течение времени пребывания в исходной контактной зоне газ/жидкость, реакционную среду для МТПА, содержащую непрореагировавший акролеин и метилмеркаптан, направляют во второй реактор (например, в вытеснительный реактор или сборную емкость) для завершения реакции. Предпочтительно, температура проведения реакции не превышает примерно 70°С в любой из зон реакции.

Катализаторы реакции присоединения олефина к меркаптану, применяемые в коммерческом производстве МТПА, предпочтительно оценивают на основании нескольких критериев, включающих степень превращения и выход МТПА, кинетику реакции и тенденцию катализатора катализировать нежелательные побочные реакции, в результате которых получаются высокомолекулярные побочные продукты и снижается чистота продукта, что может происходить как во время реакции получения МТПА, так и во время последующего хранения конечного продукта. Кроме того, такие катализаторы предпочтительно применяют при дальнейшем катализе реакции между МТПА и цианидом водорода, при которой получают ГМТБН, так чтобы смесь продуктов реакции получения МТПА, содержащую катализатор присоединения, можно было непосредственно обработать цианидом водорода с получением ГМТБН без промежуточной очистки. Таким образом, для промышленного производства всегда актуальны повышение степени превращения реагентов и выхода, улучшение кинетики реакции и устойчивости получаемого МТПА при дальнейшем хранении. Кроме того, катализатор, применяемый для получения МТПА, также должен катализировать последующую реакцию между МТПА и цианидом водорода, приводящую к ГМТБН. Такие усовершенствования могут сэкономить время и деньги, особенно в том случае, когда МТПА получают в промышленном масштабе.

В настоящее время авторы обнаружили, что применение некоторых органических оснований, которые не были ранее признаны в качестве продуктивных катализаторов реакции присоединения олефина к меркаптану для получения МТПА, может привести к достижению вышеуказанных усовершенствований.

Соответственно, в настоящем изобретении предложен способ получения 3-метилтиопропаналя, включающий метилмеркаптана с акролеином, в присутствии катализатора, содержащего органическое основание и органическую кислоту, отличающийся тем, что органическое основание представляет собой N-алкилморфолин.

Применение такого специфического катализатора дает возможность осуществить промышленный способ, при котором выход продукта превышает 99%, что является значительным улучшением по сравнению с выходом, получаемым при помощи вышеописанных традиционных способов. Кроме того, в результате применения катализатора для получения МТПА в соответствии с настоящим изобретением улучшаются кинетика реакции и устойчивость получаемого МТПА при дальнейшем хранении.

Способ в соответствии с настоящим изобретением включает реакцию метилмеркаптана с акролеином в реакционной среде в присутствии катализатора. Катализатор настоящего способа включает N-алкилморфолин. Подходящее соединение морфолина представляет собой C₁-C₆-алкилморфолин, предпочтительно метилморфолин.

N-алкилморфолин может присутствовать в количестве, достаточном для осуществления реакции между метилмеркаптаном и акролеином. Предпочтительно, молярное отношение N-алкилморфолина к метилмеркаптану составляет от 0,0001 до 0,05, предпочтительнее от 0,001 до 0,01.

Реакционную среду, включающую метилмеркаптан и акролеин, приводят в контакт с катализатором. Подходящее молярное отношение метилмеркаптана к акролеину составляет от 0,9 до 2, предпочтительно от 1 до 1,2. Оба реагента могут быть введены в реакционную камеру раздельно или в виде смеси.

Катализатор, применяемый в способе в соответствии с настоящим изобретением, включает органическую кислоту. Подходящие органические кислоты включают муравьиную кислоту, уксусную кислоту, пропановую кислоту и бутановую кислоту. Молярное соотношение N-алкилморфолина и кислоты находится в диапазоне от 0,1 до 2, предпочтительно от 0,2 до 1.

Кроме указанных двух реагентов реакционная среда может также включать небольшое количество продукта реакции, МТПА, который может быть отделен и отобран из потока продукта для повторного использования. Если МТПА присутствует в смеси, подходящая его концентрация находится в диапазоне от 5 до 99 мас.%.

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен при температуре от 20 до 70°С, предпочтительно от 30 до 50°С. Реакция может быть проведена как при атмосферном, так и при повышенном давлении. Предпочтительно реакцию проводят при атмосферном давлении.

Способ в соответствии с настоящим изобретением может быть осуществлен в любом подходящем реакторе и может быть осуществлен как в периодическом режиме, так и в непрерывном или полунепрерывном режиме.

Поток продуктов вышеуказанного способа включает МТПА и катализатор. МТПА затем может быть использован для получения 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила. Особым преимуществом настоящего способа является то, что поток продуктов не нужно подвергать дополнительной обработке для отделения каталитической композиции. Поток продуктов можно вводить в контакт с цианидом водорода без предварительной обработки.

Таким образом, согласно следующему аспекту настоящего изобретения предложен способ получения 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила, включающий (а) первую стадию - взаимодействие метилмеркаптана с акролеином, в присутствии катализатора, содержащего органическое основание и органическую кислоту, с получением потока продуктов, включающего 3-метилтиопропаналь и указанный катализатор; и (б) вторую стадию - реакцию указанного потока продуктов с цианидом водорода в присутствии катализатора с получением 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила, отличающийся тем, что в качестве органического основания используют N-алкилморфолин.

Особенности первой стадии способа уже были описаны. Поток продуктов может быть использован непосредственно без дальнейшей обработки с целью отделения катализатора. Каталитическая реакция между МТПА и цианидом водорода с получением ГМТБН хорошо известна, и при осуществлении настоящего изобретения эта реакция может быть проведена любым удобным образом, без особых ограничений различных условий осуществления процесса. Получаемый МТПА может быть введен в реакцию с цианидом водорода как в реакционной системе непрерывного типа, так и в системе периодического действия. Предпочтительно цианид водорода присутствует в небольшом молярном избытке, составляющем 2% по отношению к МТПА. Реакцию удобно проводить при температуре от 30 до 70°С, предпочтительно от 50 до 70°С. Как и при выполнении первой стадии, вторая стадия способа может быть проведена при повышенном давлении или при атмосферном давлении. Предпочтительно осуществлять вторую стадию при атмосферном давлении.

Взаимодействие МТПА и цианида водорода следует проводить в присутствии количества катализатора, достаточного для эффективной активации реакции. Катализатором, необходимым для проведения второй стадии настоящего способа, может быть тот же катализатор, что и катализатор, применяемый на первой стадии, а именно N-алкилморфолин. В самом деле, катализатор, применяемый для проведения второй стадии настоящего способа, может быть тем же самым катализатором, что и катализатор, применяемый на первой стадии способа. Для некоторых каталитических систем можно использовать при этой реакции большее количество катализатора, чем количество катализатора, используемое при проведении реакции между акролеином и метилмеркаптаном. Если и на первой, и на второй стадии присутствует один и тот же катализатор, то в начале реакции, а именно при проведении первой стадии, в реактор может быть введен избыток катализатора с целью обеспечения присутствия достаточного количества катализатора в промежуточной смеси реакционного продукта для эффективного катализа реакции между МТПА и цианидом водорода. Предпочтительно катализатор, применяемый для второй стадии, вводят при осуществлении второй стадии, а именно, непосредственно перед вводом цианида водорода, для дальнейшей активации реакции цианирования. В альтернативном случае добавляемый катализатор может включать традиционный катализатор на основе органического основания (например, пиридина, триэтиламина, гексаметилентетрамина и т.д.).

Поток продуктов, получаемый на первой стадии, может содержать от 0,001 до 1 мас.%, предпочтительно от 0,01 до 0,7 мас.% катализатора присоединения, и после введения дополнительного количества катализатора в промежуточную смесь реакционного продукта, эта промежуточная смесь реакционного продукта может преимущественно содержать от 0,02 до 1 мас.%, предпочтительно от 0,05 до 0,5 мас.% катализатора присоединения.

ГМТБН, получаемый способом в соответствии с настоящим изобретением, можно непосредственно, без очистки, превращать в гидроксильный аналог метионина при помощи традиционных способов, описанных, например, в патентах США 4524077 и 4912257, содержание которых включено в настоящее описание путем ссылки. При осуществлении способа в соответствии с патентом США 4524077 ГМТБН может быть подвергнут гидролизу в серной кислоте, продукт - гидроксильный аналог - экстрагируют из гидролизата при помощи растворителя, по существу не смешиваемого с водой, а полученный экстракт перегоняют с водяным паром, получая водный раствор гидроксильного аналога метионина с концентрацией последнего от 85 до 90 мас.%. При осуществлении способа в соответствии с патентом США 4912257 гидролизат может быть нейтрализован аммиаком, что приводит к разделению гидролизата на две фазы; органическую фазу выпаривают и отфильтровывают, получая водный раствор гидроксильного аналога метионина с концентрацией последнего от 85 до 90 мас.%.

Настоящее изобретение проиллюстрировано ниже при помощи следующих примеров.

Пример 1: Исследование кинетических характеристик

В нижеследующем примере были оценены выход и кинетические характеристики катализатора присоединения олефина к меркаптану в соответствии с настоящим изобретением (Катализатор 1) в сравнении с катализаторами, соответствующими известному уровню техники (Катализатор 1А).

40 г МТПА (7,09 ммол) и 0,41 г акролеина (чистота 97%) ввели в закрытый реактор, нагретый до 40°С. Температуру реактора затем установили на уровне 40°С. Затем в реактор через шприц прибавили 0,4 мл (7,10 ммоль) жидкого метилмеркаптана (далее называемого MSH). В течение 60 минут из реактора через каждые 2 минуты извлекали 0,1 мл аликвоты и анализировали их, определяя мас.% акролеина. Остаточную концентрацию акролеина определяли при помощи жидкостной хроматографии (ВЭЖХ). Были исследованы два различных катализатора при различных концентрациях.

Номер катализатора	Испытуемый катализатор	% органического основания (по отношению к массе MSH)	Соответствующее молярное отношение (органическое основание/MSH)
1	N-метилморфолин (NMM)/уксусная кислота (в молярном соотношении 1/2)	0,015	0,00342
1А	Пиридин (Pyr.)/уксусная, кислота (в молярном; соотношении 1/2)	0,015	0,00317
1А	Пиридин (Pyr.)/уксусная кислота (в молярном соотношении 1/2)	0,5	0,12495

Результаты показаны на фиг.1 и 2.

Из фиг.1 видно, что применение N-метилморфолина/уксусной кислоты (Катализатор 1) в качестве катализатора реакции в количестве 0,015% от массы MSH заметно повышает расходование акролеина и улучшает кинетику реакции в сравнении с действием пиридина/уксусной кислоты (Катализатор 1А) в качестве катализатора реакции при том же количестве в массовых процентах.

Из фиг.2 видно, что применение N-метилморфолина с уксусной кислотой в качестве катализатора реакции в количестве 0,015% от массы MSH в сравнении с применением пиридина/уксусной кислоты в качестве катализатора реакции в количестве 0,5% от массы MSH более эффективно с кинетической точки зрения. Полученные результаты показывают, что применение катализатора в соответствии с настоящим изобретением заметно снижает время получения МТПА по сравнению с действием катализатора, соответствующего известному уровню техники, что, таким образом, позволяет уменьшить размеры реактора. С промышленной точки зрения это приводит к снижению затрат на производство МТПА. Также оказалось, что применение катализаторов в соответствии с настоящим изобретением повышает степень превращения реагента даже при использовании небольших количеств катализатора.

Пример 2: Степень превращения реагента и количество получаемого продукта

Степень превращения реагента и количество получаемого продукта определяли при использовании двух различных алкилморфолинов в отсутствие (Катализаторы 2.1 и 2.3) или в присутствии органической кислоты (Катализаторы 2.2 и 2.4). Сравнительные испытания проводили с использованием пиридина и имидазолов, также в отсутствие (Катализаторы 2А и 2С) или в присутствии органической кислоты (Катализаторы 2В и 2D).

Испытуемый катализатор смешивали с 0,41 г акролеина (чистота 97%) при молярном соотношении органического основания к алкилмеркаптану, равном 0,00342, и с 40 г МТПА (7,09 ммол). Эту смесь соединяли с избытком метилмеркаптана (от 5 до 10 мас.% по сравнению с массой акролеина) в 10 мл реакционном флаконе с мембранной пробкой. Подачу метилмеркаптана осуществляли при охлаждении сухим льдом как флакона с меркаптаном, так и реакционного флакона.

Реакцию проводили при температуре 40°С. Спустя приблизительно 30 минут реакционный флакон отделили и остаточную концентрацию акролеина измеряли при помощи ВЭЖХ. Образцы реакционной смеси, содержащейся во флаконе, анализировали при помощи газовой хроматографии и определяли количество высокомолекулярных олигомеров (примесей), присутствующих в смеси.

Полученные результаты показаны в таблице 1.

Таблица 1
Номер катализатора	Катализатор МТПА	Акролеин (мас.%/мас.)	Высокомолекулярные олигомеры (мас.%/мас.)
2.1	N-метилморфолин	0,23	0,88
2.2	N-метилморфолин/уксусная кислота	0,32	0,29
2.3	N-этилморфолин	0,28	0,91
2.4	N-этилморфолин/уксусная кислота	0,42	0,38
2А	Пиридин	0,86	1,86
2В	Пиридин/уксусная кислота	0,52	1,35
2С	Имидазол	0,75	1,13
2D	Имидазол/уксусная кислота	0,63	1,82

Эти результаты показывают, что содержащая МТПА реакционная смесь, получаемая при помощи катализатора в соответствии с настоящим изобретением (Катализаторы 2.1-2.4), содержит меньшее количество акролеина (что указывает на более высокую степень его превращения в МТПА) и меньшие количества высокомолекулярных олигомеров (что указывает на протекание минимального количества побочных реакций и, следовательно, лучшее качество получаемого продукта), по сравнению с содержащей МТПА реакционной смесью, полученной при помощи известных катализаторов (Катализаторы 2А-2D).

Пример 3: Устойчивость полученного МТПА

Устойчивость МТПА, полученного при помощи катализатора в соответствии с настоящим изобретением (Катализатор 3), сравнивали с устойчивостью МТПА, полученного при помощи катализаторов, соответствующих известному уровню техники (Катализаторы 3.А и 3.В).

МТПА, полученный в соответствии с предыдущим примером 1, испытывали на устойчивость при хранении при 50°С. Для сравнения устойчивости при хранении МТПА, полученный при помощи пиридина и триэтиламина в сочетании с уксусной кислотой, также выдерживали при 50°С. Для испытания устойчивости МТПА при хранении 30 г альдегидного продукта поместили в стеклянный флакон, который затем поместили в печь, поддерживаемую при температуре 50°С. Пробы продукта были извлечены из флакона спустя 42 и 60 суток и были проанализированы при помощи газовой хроматографии. Результаты показаны в таблице 2.

Таблица 2
Номер катализатора	Катализатор (молярное соотношение)	Высокомолекулярные олигомеры (мас.%/мас.) через 42 суток	Высокомолекулярные олигомеры (мас.%/мас.) через 60 суток
3	N-метилморфолин/уксусная кислота (2/1)	3,78	3,79
З.А	Пиридин/уксусная кислота (2/1)	4,92	5,92
З.В	Триэтиламин/уксусная кислота (2/1)	4,35	6,35

Из таблицы видно, что МТПА, полученный при помощи катализатора в соответствии с настоящим изобретением, более устойчив по сравнению с МТПА, получаемым при помощи катализаторов, соответствующих известному уровню техники.

Пример 4: Синтез ГМТБН

Продукт, полученный в соответствии с примером 1 с использованием N-метилморфолина в сочетании с уксусной кислотой (молярное соотношение 2/1) для катализа реакции получения альдегида, был превращен в ГМТБН путем реакции потока продуктов с цианидом водорода. В 150 мл стеклянный реактор, снабженный рубашкой, при перемешивании загрузили 40,5 г (0,388 молль) МТПА и 26,4 г воды.

Среда была гетерогенной. Температуру поднимали до 20°С и поддерживали на этом уровне. Показатель рН составлял от 4,7 до 5,5. Через капельную воронку как можно быстрее ввели 36,60 г водного раствора цианида водорода с концентрацией 30 мас.%. Температура реакционной среды немедленно выросла до 68°С. Такую температуру реакционной массы поддерживали в течение 5 минут, пропуская в рубашку горячую жидкость. В течение всей реакции рН оставался равным 5. Охлажденный образец полученного нитрила анализировали при помощи жидкостной и газовой хроматографии на состав, определяя выход ГМТБН по отношению к МТПА и определяя количество высокомолекулярных олигомеров, присутствующих в смеси. Образец содержал лишь 0,02% МТПА и 0,4% высокомолекулярных олигомерных оснований. Выход ГМТБН, получаемого в соответствии с настоящим изобретением, превышал 99%.

1. Способ получения 3-метилтиопропаналя, включающий взаимодействие метилмеркаптана с акролеином, в присутствии катализатора, содержащего органическое основание и органическую кислоту, отличающийся тем, что органическое основание представляет собой N-алкилморфолин.

2. Способ по п.1, в котором N-алкилморфолин представляет собой С₁-С₆-алкилморфолин.

3. Способ по п.2, в котором N-алкилморфолин представляет собой метилморфолин или этилморфолин.

4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором молярное отношение органического основания к метилмеркаптану составляет от 0,0001 до 0,05.

5. Способ по п.4, в котором молярное отношение органического основания к метилмеркаптану составляет от 0,001 до 0,01.

6. Способ по п.1, в котором молярное отношение метилмеркаптана к акролеину составляет от 0,9 до 2.

7. Способ по п.6, в котором молярное отношение метилмеркаптана к акролеину составляет от 1 до 1,2.

8. Способ по п.1, в котором органическую кислоту выбирают из муравьиной кислоты, уксусной кислоты, пропановой кислоты и бутановой кислоты.

9. Способ по п.8, в котором органическая кислота представляет собой уксусную кислоту.

10. Способ по любому из пп.8 и 9, в котором молярное отношение органического основания к органической кислоте составляет от 0,1 до 2.

11. Способ по п.10, в котором молярное отношение органического основания к органической кислоте составляет от 0,2 до 1.

12. Способ по п.1, осуществляемый при температуре от 20 до 70°С.

13. Способ по п.12, осуществляемый при температуре от 30 до 50°С.

14. Способ по п.1, осуществляемый при атмосферном давлении.

15. Способ получения 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила, включающий (а) первую стадию - взаимодействие метилмеркаптана с акролеином, в присутствии катализатора, содержащего органическое основание и органическую кислоту, с получением потока продуктов, включающего 3-метилтиопропаналь и указанный катализатор; и (б) вторую стадию - реакцию указанного потока продуктов с цианидом водорода в присутствии катализатора с получением 2-гидрокси-4-(метилтио)бутаннитрила, отличающийся тем, что в качестве органического основания используют N-алкилморфолин.