Способ синтеза 1,6-гексаметилендиамин-n, n'-диянтарной кислоты

Способ синтеза 1,6-гексаметилендиамин-n, n'-диянтарной кислоты

Реферат

Изобретение относится к способам синтеза химического соединения -1,6-гексаметилендиамин -N,N′-диянтарной кислоты общей формулы

используемой в качестве комплексона.

Известен способ получения декаметилендиамин-N,N′-тетрауксусной кислоты. Способ заключается в обработке декаметилендиамина монобромуксусной кислотой в щелочной среде при легком нагревании. К раствору 27,8 г монобромуксусной кислоты, нейтрализованной 20 мл 10 н. раствора КОН, прибавляют 8,6 г декаметилендиамина так, чтобы температура не поднималась выше 50°C. Затем при той же температуре равномерно в течение 1 часа приливают 20 мл 10 н. раствора КОН, следя за тем, чтобы величина pH не поднималась выше 11-12. После этого смесь выдерживают еще в течение 5 часов при той же температуре и оставляют стоять 20 часов при комнатной температуре. Затем смесь упаривают до половины первоначального объема, охлаждают до комнатной температуры и подкисляют концентрированной HBr до pH 1. Выпадает 17,8 г технической декаметилендиамин-N,N′-тетрауксусной кислоты, которую очищают перекристаллизацией из воды (АС №215944, 1968, бюл. №14).

К недостаткам этого известного способа следует отнести загрязнение конечного продукта (декаметилендиамин-N,N′-тетрауксусной кислоты) неорганическим продуктом - бромидом натрия, образующимся в результате взаимодействия бромоводорода с гидроксидом калия.

Также известен способ получения гексаметилендиаминтетрауксусной кислоты, заключающийся в следующем:

к раствору 152 г монохлоруксусной кислоты, предварительно нейтрализованной едким натром, прибавляют 53 мл 50% раствора едкого натра и 32,5 г гексаметилендиамина, растворенного в 50 мл воды. Реакционную массу нагревают при температуре 50°C в течение 6 часов. Охлажденный раствор подкисляют концентрированной соляной кислотой до pH 3, обрабатывают при нагревании активированным углем и упаривают на водяной бане до густой кашеобразной массы. При этом выделяется комплексон в смеси с большим количеством хлористого натрия. Последний удаляют многократным промыванием осадка ледяной водой. Выход продукта 58 г, что составляет 62% теории. (Р.П. Ластовский, Ю.И. Вайнштейн, Н.М. Дятлова, В.Я. Темкина, И.Д. Колпакова, Ж. аналит. химии, 1955, 10, 28.; В.Я. Темкина, Р.П. Ластовский, Н.М. Дятлова, «Сборник научно-технической информации ИРЕА», 1959, 3-4, стр.5).

К недостаткам данного известного способа следует отнести протекание побочных химических реакций в реакционном растворе, а именно реакция гидроксида натрия NaOH с соляной кислотой HCl на стадиях синтеза и переосаждения, в результате чего образуется побочный неорганический продукт - хлорид натрия NaCl, загрязняющий конечный продукт - выпадающие в осадок кристаллы 1,6-гексаметилендиамин- N,N′-диянтарной кислоты.

Также известен способ синтеза диэтилентриамин -N, N′, N′′-триянтарной кислоты заключающийся в следующем:

В 100 мл воды растворяют при перемешивании 19,2 г (0,165 моль) малеиновой кислоты и 13,8 г (0,33 моль) LiOH·H₂O. После полного растворения добавляют 5,0 г (0,05 моль) диэтилен триамина, тщательно перемешивают и помещают смесь в стеклянную ампулу, которую запаивают и нагревают на песочной бане при 140÷150°C в течение 24 ч. Затем, охладив до комнатной температуры, ее вскрывают и переносят ее содержимое в стакан емкостью 500 мл, подкисляют раствор концентрированной HBr до pH 2,0÷2,5 и добавляют 200 мл ацетона, тщательно перемешивают и оставляют стоять в холодильнике при 3÷6°C 3÷4 ч. Выпавший белый кристаллический осадок ДТТЯК отфильтровывают на воронке с пористым фильтром, трижды промывают его смесью воды и ацетона в соотношении 1:5 и сушат на воздухе при температуре 65÷70°C. Выход продукта ~80%. (АС №771088, 1980, бюл. №38).

C16H25N3O12	C	H	N
Вычислено, %	42,57	5,54	9,31
Найдено, %	48,40	5,66	9,22

К недостаткам ближайшего аналога (прототипа) следует отнести:

- содержание азота в конечном продукте доходит до 9,31%;

- синтез осуществляется при высокой температуре 150°C;

- для поддержания температуры 150°C в водном растворе синтез приходится осуществлять в запаянной ампуле; на стадии очистки ацетон используется при комнатной температуре, что препятствует полной очистке готового продукта от неорганических примесей (бромид лития - LiBr), продукта взаимодействия гидроксида лития и бромоводородной кислоты;

- на стадии очистки смесью воды с ацетоном часть готового продукта растворяется в воде, тем самым уменьшая выход готового продукта;

- на стадии очистки осуществляется многократная промывка смесью воды и ацетона, что усложняет процесс промывки.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) выбран способ синтеза 1,6-гексаметилендиамин-N,N′-диянтарной кислоты (H₄L), описанный в патенте США №3158635, опубл. 24.11.1964 и заключающийся в следующем: к раствору 100 г малеинового ангидрида (1,02 моль) в 200 мл воды добавляли 160 г 50%-ного раствора NaOH (2 моль). К полученному раствору добавляли 58 г 1,6-гексаметилендиамина и кипятили 48 часов. Подкислением соляной кислотой до pH 2,6 осаждали целевой продукт с последующей очисткой перекристаллизацией, т.е. растворением осадка 10%-ной щелочью с последующим высаждением 1,6-гексаметилендиамин-N,N′-диянтарной кислоты доведением pH раствора до 2,6 с помощью HCl.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- протекание побочных химических реакций, указанных в патенте. Побочные продукты загрязняют конечное вещество;

- загрязнение целевого продукта неорганическими примесями (NaCl);

- выделение готового продукта с применением только водных растворов приводит к получению кристаллогидрата H₄L·2H₂O (молекулярная масса 384 у.е.).

Задачей изобретения является получение безводной 1,6-гексаметилендиамин -N,N′-диянтарной кислоты, не загрязненной примесями.

Технический результат достигается благодаря тому, что на стадии очистки используется горячий ацетон, который обеспечивает получение целевого продукта не в виде кристаллогидрата H₄L·2H₂O (как в прототипе), а в виде H₄L, о чем свидетельствуют результаты элементного анализа:

	C	H	N
Вычислено C14H24N2O8, %	48,28	6,90	8,05
Найдено, %	48,09	7,18	7,99

Таким образом, выход готового продукта H₄L (молярная масса 348 у.е.) после очистки по предложенному нами способу составляет 64,6%, тогда как в прототипе выход 64,6% включает кристаллогидрат H₄L·2H₂O (молярная масса 384 у.е.). В расчете на безводный продукт выход в прототипе составляет 75·348/384=68 г, т.е. 58,6%.

Кроме того, при использовании горячего ацетона в синтезе 1,6-гексаметилендиамин-N,N′-диянтарной кислоты с помощью LiOH и HBr для очистки конечного продукта по сравнению с аналогичной процедурой, с применением холодного ацетона, описанной в SU №771088 и SU №785302, обеспечивается неожиданный технический результат за счет того, что в предлагаемом нами способе очистка готового продукта H₄L от LiBr осуществляется в одну стадию горячим ацетоном. В горячем ацетоне бромид лития растворяется значительно лучше, чем в холодном (39,7 г при 60°C и 18,2 при 20°C [Справочник химика, Т.3, гл. редактор Никольский Б.П., Л., Химия, 1964, С.301]).

Значительное увеличение растворимости LiBr в ацетоне с повышением температуры квалифицируется как неожиданный технический результат, потому что растворимость литиевых солей в ацетоне при повышении температуры меняется неоднозначно. Так, растворимость LiCl, в отличие от LiBr, понижается с 1,18 г при 20°C до 0,61 г при 50°C, растворимость NaI в ацетоне также понижается с ростом температуры с 30,0 г при 20°C до 21,8 г при 60°C [Справочник химика, Т.3, гл. редактор Никольский Б.П., Л., Химия, 1964, С.302]. Поведение литиевых солей в воде также неоднозначно.

Кроме того, в процессе очистки готового продукта не используется вода или смеси, содержащие воду, что предотвращает потерю части готового продукта.

Сущность предложенного способа заключается в следующем.

В отличие от неразлагаемых в живой природе классических комплексонов типа этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) (Позняк А.Л., Стельмашок В.Е. Стоплянская Л.В. Синтез и фотодекарбоксилирование дициано-(этилендиаминтетраацетато) кобальта (III)-иона. Координационная химия. Т.17. Вып.2. 1991. С.188-191.) новый комплексон является экологически безопасным, т.к. в условиях природных сбросов разлагается (как и все комплексоны, производные янтарной кислоты) на составляющие аминокислоты и не загрязняют окружающую среду (Sirpa Metsarinne, Tuula Tuhkanen, Reijo Aksela. Photodegradation of hylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and ethylenediamine disuccinic acid (EDDS) within natural UV radiation range. Chemosphere, 45. 2001. P.949-955).

ГМДДЯК, как и другие комплексоны, производные янтарной кислоты, например, этилендиаминдиянтарная кислота (ЭДДЯК), диэтилентриамин-N,N′,N′′-триянтарная кислота (ДТТЯК - прототип) является хорошим экологически чистым транспортным средством металлов, например, для извлечения тяжелых металлов из почвы (Tandy S., Bossart К., Mueller R. et all. Environmental Science and technology. V.38. 3. P.937-944) или из живого организма. Для живого организма критерием пригодности комплексона при выведении металлов служит минимальная комплексообразующая способность по отношению к кальцию - основе минеральной части костной ткани (чтобы не вымывался кальций из костей). Этому критерию полностью удовлетворяет ГМДДЯК. Являясь гексадентатным лигандом, он образует с ионами кальция комплексы низкой устойчивости (lgK_CaL=4,00) (Яковлев А.А., Никольский В.М., Толкачева Л.Н., Симонова М.В. Гексаметилендиаминдиянтарная кислота как новое средство доставки лекарственных веществ / VII Международная научная конференция «Кинетика и механизм кристаллизации. Кристаллизация и материалы нового поколения. Тезисы докладов. Иваново, сентябрь 2012. С.252-253), тогда как устойчивость комплексов кальция с ЭДДЯК (lgK_CaL=4,44) (Горелов И.П., Никольский В.М., Самсонов A.M. и др. Синтез и комплекообразующие свойства комплексонов, производных дикарбоновых кислот. V. Синтез комплексонов, производных янтарной кислоты // Журнал общей химии, 1979, т.49, №3, С.659-663), а ДТТЯК образует комплексы с кальцием большей устойчивости (lgK_CaL=6,80) (Горелов И.П., Капустников А.И., Малахаев Е.Д. А.С. №771088. Диэтилентриамин-N,N′,N′′-триянтарная кислота в качестве комплексона. 1980. Бюл. №38).

1,6-гексаметилендиамин -N,N′-диянтарную кислоту получают путем кипячения раствора, содержащего дилитиевую соль малеиновой кислоты и 1,6-гександиамин в соотношении 2:1 в течении 48 часов с последующей очисткой с помощью горячего ацетона. Выход вещества ~65%.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом

Таблица

Виды технического результата и их размерность	Показатели фактические или расчетные	Объяснение, за счет чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным
Прототипа и аналогов	Заявляемого объекта	улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом и аналогами
Увеличение выхода конечного продукта	58,6	64,6	Конечный продукт по прототипу получается в виде H4L·2H2O, тогда как по предлагаемому способу конечный продукт получается в виде H4L
Способ очистки готового продукта	Очистка готового продукта с использованием ацетона комнатной температуры и смеси воды с ацетоном.	Одностадийная очистка с использованием горячего ацетона.	Побочный продукт реакции - бромид лития - имеет большую растворимость в горячем ацетоне, поэтому продукт по предлагаемому способу имеет более высокую чистоту за счет отсутствия побочных продуктов синтеза, а также отсутствует потеря части готового продукта, растворенного в воде.

Изобретение позволяет в результате синтеза получить продукт - 1,6-гексаметилендиамин-N,N′-диянтарную кислоту с большим выходом и без загрязнений побочными продуктами.

Промышленная применимость

Способ может быть реализован в стандартной химической лаборатории.

Полученный в результате синтеза экологически безопасный продукт находит применение во всех отраслях человеческой деятельности, где используются не разлагающиеся в условиях живой природы комплексоны.

Пример выполнения способа.

В 200 мл воды растворяют 100 г (1,02 моль) малеинового ангидрида. Полученный раствор смешивают с 96 г 50% раствора LiOH. В разогретый в процессе нейтрализации раствор добавляют 58 г (0,5 моль) 1,6-гександиамина и кипятят 48 часов с обратным холодильником. После охлаждения реакционную смесь подкисляют концентрированным раствором HBr до pH=2,6 и выдерживают в течение нескольких часов для формирования белого осадка. Затем осадок отфильтровывают и промывают дистиллированной водой. Для очистки полученного продукта его растворяют в 10%-ном растворе LiOH и переосаждают подкислением до pH=2,6 раствором HBr. После прекращения выпадения осадка его отфильтровывают и смешивают с 200 мл горячего ацетона. Нерастворившуюся часть осадка отфильтровывают, промывают ледяной водой и сушат при температуре не выше 120°C. Выход 75 г (64,6% от теоретического).

Способ синтеза 1,6-гексаметилендиамин-N,N′-диянтарной кислоты, включающий приготовление реакционного раствора путем растворения в воде малеинового ангидрида, добавление растворов щелочного реагента, представляющего собой гидроксид лития, и 1,6-гександиамина, кипячение раствора, доведение pH раствора до 2,6 с помощью концентрированного раствора бромоводородной кислоты, кристаллизацию продукта, отделение кристаллов от раствора, очистку продукта от неорганических веществ - побочных продуктов протекающих в растворе реакций, отличающийся тем, что очистка готового продукта от бромида лития производится в одну стадию с помощью горячего ацетона.