Способ получения пиразинамида и катализатор для его осуществления

Способ получения пиразинамида и катализатор для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к получению пиразинамида. Пиразинамид обладает большим разнообразием физиологических свойств, благодаря чему он находит широкое применение в медицине. Так, в частности, пиразинамид является действующим веществом противотуберкулезного препарата 2-го ряда, эффективного к микробактериям туберкулеза, устойчивым к действию антибиотиков.

Известны жидкофазные способы получения пиразинамида из пиразинкарбоновой кислоты [PL 59330, 15.04.1970, PL 96910, 21.07.1978, PL 111547, 31.02.1982] или пиразинонитрила [JP 57-11971, 21.01.1982, JP 62-11971, 22.05.1987].

В первом случае проводят этерификацию пиразинкарбоновой кислоты с большим избытком 100% метилового или бутилового спирта кипячением в течение 3-6 ч в присутствии концентрированной серной кислоты в качестве катализатора с последующим взаимодействием полученного эфира с газообразным аммиаком (при температуре 5-20°С) и отделением образующегося осадка пиразинамида фильтрацией или центрифугированием. Для получения чистого вещества проводят его многократную перекристаллизацию. Выход пиразинамида составляет 64-73%.

Во втором случае проводят гидролиз пиразинонитрила в водном растворе аммиака в токе газообразного аммиака при температуре 60-90°С при перемешивании в течение 5-8 ч. Выпавшие кристаллы отделяют от маточного раствора и перекристаллизовывают. Выход пиразинамида составляет 90-93%.

Основными недостатками данных методов являются периодичность процесса, использование агрессивных растворителей и соединений 1-го класса опасности (метилового спирта), большое количество сточных вод и твердых отходов. Кроме того, к недостатку известных методов можно отнести использование в качестве исходных соединений веществ, которые, в свою очередь, необходимо получать путем многостадийного жидкофазного синтеза из более доступных соединений. Так, например, пиразинкарбоновую кислоту получают циклизацией глиоксаля и предрарительно синтезированого гидрохлорида 2,3-диаминопропионовой кислоты в растворе метилового спирта и последующим дегидрированием образующейся тетрагидропиразиновой карбоновой кислоты.

Альтернативой жидкофазным методам синтеза пиразинонитрила может служить гетерогенно-каталитический окислительный аммонолиз метилпиразина на смешанных оксидных катализаторах.

Наиболее близким способом получения пиразинамида по достигаемому результату является 2-стадийный процесс, включающий стадии получения пиразинонитрила гетерогенно-каталитическим окислительным аммонолизом метилпиразина (МП) на смешанных оксидных катализаторах [DE 3107756, B01J21/00, 16.09.1982, US 4931561, С07С241/20, 05.06.1990] с его последующим гидролизом в присутствии щелочных катализаторов [JP 57-11971, 21.01.1982, JP 62-11971, 22.05.1987].

Реакцию окислительного аммонолиза метилпиразина проводят в трубчатом реакторе, пропуская парогазовую смесь, содержащую МП, аммиак и кислород, через слой оксидного катализатора. Температурный интервал проведения реакции 310-460°С, состав реакционной смеси - МП:NН₃:O₂=1:3-7:30-70, давление до 3 атм, скорость подачи МП составляет 1-4.5 моль/л·ч. В качестве катализаторов используются ванадий- и молибденсодержащие композиции следующего состава: V_aSb_bM_cO_x, где М - Fe, Са, Сu, Mn, Ni, Ti, b; a=1.1-50:1, b:c=2-20:1 [DE 3107756, B01J 21/00, 16.09.1982] или Mo_aP_bA_cZ_dO_x, где A-Се, Mn, W, Z-Те, Ti, Nb, Al, a=1, b=0.1-7, с=0-5, d=0-5 [US 4931561, C07C 241/20, 05.06.1990].

Гидролиз проводят в статическом реакторе при температуре 60-90°С при пропускании газообразного аммиака и постоянном перемешивании пиразинонитрила с водным раствором нашатырного спирта. Соотношение MП:NH₄OH=1:15. В качестве катализаторов используют NaOH, (C₂H₅O)₃N или анионобменные смолы.

Выход пиразинонитрила на первой стадии в зависимости от используемого катализатора составляет 70-80%, выход пиразинамида на второй стадии составляет 91-93%. Таким образом, с использованием 2-стадийного метода из метилпиразина получается пиразинамид с выходом 63-74%.

В процессе реакции окислительного аммонолиза метилпиразина наряду с пиразинонитрилом образуются побочные соединения - пиразин, оксиды углерода, HCN и смолообразные продукты не идентифицированного состава.

К недостаткам данного способа получения следует отнести необходимость стадии выделения пиразинонитрила, осуществляемой с использованием органических растворителей. При этом жидкие отходы содержат вредные вещества и требуют дополнительной утилизации. Для обеспечения высокого выхода нитрила требуется повышенная температура реакции (до 460°С), что приводит к образованию высокотоксичного соединения - HCN, а также смол, загрязняющих целевой продукт и усложняющих его выделение и очистку.

Однофазный процесс получения пиразинамида из метилпиразина в литературе не описан.

Изобретение решает задачу получения пиразинамида одностадийным методом и устранения вредных газовых выбросов и смол.

Задача решается способом получения пиразинамида окислительным аммонолизом метилпиразина в присутствии водяных паров и азота в газовой фазе в одну стадию в присутствии катализатора состава, мас.%: 5-75 V₂O₅, 95-25 ТiO₂ (анатаз), и имеющего удельную поверхность 10-120 м²/г.

Процесс проводят в интервале температур 250-320°С, при молярных соотношениях NH₃:метилпиразин 10-20, O₂:метилпиразин 5-1 и Н₂O:метилпиразин 15-20. Пиразинамид выделяют сразу после реактора кристаллизацией в емкости при температуре 50-80°С.

Газовую смесь, содержащую метилпиразин, аммиак, кислород, водяной пар и азот пропускают через катализатор, находящийся в стеклянном трубчатом реакторе диаметром 10 мм в проточной установке. При этом объемная скорость газовой смеси составляет 2400-3600 ч^-1 (время контакта 1.2-1.8 с), мольные отношения NH₃:МП=10-20, O₂:МП=5-10, Н₂O:МП=15-20, температура реакции 250-320°С. Состав реакционной смеси на входе и выходе из реактора анализируют хроматографически.

Катализатор содержит, мас.%: 5-75 V₂O₅ и 95-25 ТiO₂ (анатаз). Катализатор готовят терморазложением смеси анатаза и оксалата ванадила при 450°С в течение 4-х ч. Удельная поверхность полученных таким способом катализаторов составляет 10-120 м²/г. В реактор катализатор загружают в виде гранул 0.5-1 мм. При проведении процесса в данных условиях максимальный суммарный выход пиразинамида и пиразинонитрила составляет 60%.

Кроме соответствующего амида и нитрила продуктами реакции являются пиразин и оксиды углерода (преимущественно СO₂). HCN в продуктах реакции не содержится. Газовые выбросы содержат O₂, N₂, СO₂ и незначительное количество СО. В конденсате содержится непрореагировавший метилпиразин, пиразинонитрил и водный раствор аммиака, которые могут быть направлены в реактор для допревращения без дополнительного разделения. Пиразинамид, не загрязненный смолами, и пиразинонитрил выделяют из парогазовой смеси сразу после реактора в трубке-кристаллизаторе, где поддерживается температура 50-80°С. После очистки простой кристаллизацией из аммиачного раствора температура плавления пиразинамида соответствует справочной - 117°С.

Отличительным признаком предлагаемого способа получения пиразинамида являются катализатор, включающий, мас.%: 5-75 V₂O₅ и 95-25 ТiO₂ (анатаз), температура реакции 250-320°С, мольные соотношения NН₃:МП = 10-20, О₂:МП=5-10, Н₂О:МП=15-20 и способ выделения пиразинамида.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

В реактор загружают 2.5 г оксидного ванадийтитанового катализатора, содержащего, мас.%: 5 V₂O₅ и 95 ТiO₂, и при температуре 250°С подают газовую смесь следующего состава, об.%: метилпиразин - 1, О₂ - 8, NH₃ - 17, Н₂О - 17, остальное - азот. Время контакта 1.4 с. Степень превращения метилпиразина в этом примере составляет 31.4%, селективности по пиразинамиду, пиразинонитрилу, пиразину и оксидам углерода составляют, соответственно, 54%, 2.5%, 32% и 8%.

При повышении температуры проведения реакции до 300°С (примеры 1'-1'') увеличивается как степень превращения метилпиразина (с 31.4% до 84.7%), так и суммарный выход целевых продуктов - пиразиамида и пиразинонитрила (с 17% до 30%).

Другие примеры осуществления предлагаемого способа окислительного аммонолиза метилпиразина представлены в таблице.

Примеры 1-6 иллюстрируют способ получения пиразинамида на катализаторах разного состава.

При уменьшении содержания V₂O₅ ниже 5 мас.%, а также при увеличении содержания V₂O₅ выше 75 мас.%, выход пиразинамида резко снижается. Лучшие результаты достигаются на катализаторах состава, мас.%: 10-75 V₂O₅ и 90-25 ТiO₂ (примеры 2-6).

Примеры 1'-6' - 1''-6'' иллюстрируют эффективность проведения процесса в температурном интервале 250-320°С и приведены в таблице.

При уменьшении температуры реакции ниже 250°С уменьшается активность катализаторов и появляется опасность кристаллизации пиразинамида непосредственно в реакторе. При увеличении температуры реакции выше 320°С снижается выход пиразинамида за счет увеличения его доокисления в пиразин и оксиды углерода. Лучшие результаты достигаются при температуре 280-300°С.

Предлагаемый способ позволяет получать пиразинамид из метилпиразина в одну стадию и устранить вредные газовые выбросы (в частности, HCN) и смолы. При этом упрощается выделение чистого амида. Состав конденсата позволяет использовать его без дополнительного разделения для подачи в реактор для допревращения в пиразинамид.

Tаблица
Пример	Состав катализатора, мас.%	Sуд,м2/г	Т, °С	X, %	Селективность, %	Выход ПН+ПА, %
COx	П	ПН	ПА
1	5 V2O5 - 95 TiO2	120	250	31.4	8.0	32.0	2.5	54.0	17.0
1'	270	52.9	10.9	43.5	1.5	41.1	22.5
1''	300	84.7	11.8	47.9	5.1	30.3	30.0
2	10 V2O5 - 90 TiO2	73	250	43.6	1.9	9.0	5.2	78.9	37.1
2'	300	84.3	6.8	27.2	6.8	55.0	50.6
2''	310	95.4	8.0	32.1	6.4	52.5	57.1
3	20 V2O5 - 80 TiO2	27	250	33.5	1.6	5.9	11.8	80.1	31.6
3'	280	74.7	4.0	16.7	22.3	56.7	59.4
3''	320	90.4	8.8	34.0	20.4	36.4	51.1
4	30 V2O5 - 70 TiO2	25	250	37.5	1.7	5.3	10.2	80.4	35.6
4'	300	79.9	4.8	19.3	19.7	55.1	59.8
4''	320	91.7	9.0	35.0	17.7	37.6	51.6
5	50 V2O5 - 50 TiO2	17	250	40.5	2.1	8.0	8.9	79.4	36.6
5'	300	85.2	5.5	22.0	14.5	55.0	59.2
5''	310	90.5	8.7	35.2	13.7	40.1	48.4
6	75 V2O5 - 25 TiO2	10	250	33.6	0.9	4.5	8.7	82.0	31.8
6'	300	73.5	4.3	17.6	17.7	57.5	52.0
6''	310	89.0	5.9	25.0	14.5	50.8	57.5
Примечание. Sуд - поверхность катализатора, Т - температура реакции, Х - степень превращения метилпиразина, СОx - оксиды углерода - СО2+СО, П - пиразин, ПН - пиразинонитрил, ПА - пиразинамид.

1. Способ получения пиразинамида окислительным аммоколизом метилпиразина в присутствии водяных паров и азота в газовой фазе на оксидном ванадийтитановом катализаторе с последующим выделением пиразинамида, отличающийся тем, что процесс осуществляют в одну стадию в присутствии катализатора состава, мас.%: 5-75 V₂O₅, 95-25 TiO₂ (анатаз), и имеющего удельную поверхность 10-120 м²/г.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят в интервале температур 250-320°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при молярных соотношениях NН₃: метилпиразин 10-20, O₂: метилпиразин 5-1 и Н₂O: метилпиразин 15-20.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что пиразинамид выделяют сразу после реактора кристаллизацией в емкости при температуре 50-80°С.

5. Катализатор для получения пиразинамида окислительным аммонолизом метилпиразина, включающий пентоксид ванадия и диоксид титана, отличающийся тем, что он имеет состав, мас.%: 5-75 V₂О₅, 95-25 TiO₂ (анатаз), и его удельная поверхность составляет 10-120 м²/г.