Способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-n,n-диуксусной кислоты

Способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-n,n-диуксусной кислоты

Реферат

Изобретение относится к химии комплексонов и непосредственно касается способа получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты, относящейся к группе амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-дикарбоновых кислот, применяемых в качестве исходных реагентов для получения полифункциональных хелантов.

Как известно, реакционноспособными комплексонами, широко используемыми в качестве узловых соединений для синтеза полифункциональных хелантов, являются комплексоны, содержащие первичные и вторичные аминогруппы [Н.М. Дятлова, В.Я. Темкина, И.Д. Колпакова. Комплексоны. М.: Химия. 1970. С. 192-229; А.Е. Martell, I. Murase, K.B. James. Inorg. Synth. 1998. Vol. 32. P. 120-122]. Для этих же целей применяются комплексоны, содержащие в своей структуре взамен реакционноспособных аминогрупп атом хлора и гидроксигруппу, благодаря наличию которых подобные комплексоны могут служить синтонами для введения в структуры органических соединений [K. Moriyasu, Н. Miruta, J. Nishikawa. Bunseki Kagaku. 1990. Vol. 39. No. 9. P. 475-480; T.-C. Zin, F.-H. Zin, J.-C. Zin. J. Biomaterials Sci., Polimer Edition. 2013. Vol. 24. No. 9. P. 1152-1163]. К числу комплексонов-синтонов, содержащих первичные и вторичные аминогруппы и известных для использования в синтезе полифункциональных хелантов, могут быть отнесены следующие соединения: иминодиуксусная, 1,3-диамино-2-гидроксипропан-N,N'-диуксусная, этилендиамин-N,N'-ди-β-пропионовая и другие аналогичные кислоты. К этой же группе реакционноспособных соединений относится и известная амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусная кислота структурной формулы:

Данную кислоту, которую, согласно публикации 1990 года [K. Moriyasu, Н. Miruta, J. Nishikawa. Bimseki Kagaku. 1990. Vol. 39. No. 9. P. 475-480] получают взаимодействием эпихлоргидрина с иминодиуксусной кислотой, осуществляемым в водно-щелочной среде при нагревании. Выделение целевого продукта (амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты) из полученной реакционной массы осуществляется после подкисления ее соляной кислотой до pH 1.5-2.0, последующего упаривания кислого реакционного раствора и кристаллизации при охлаждении. Дополнительный экспериментальные исследования по воспроизведению описанного способа получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты) показывают, что при таком выделении происходит загрязнение целевого продукта хлоридом натрия, образующимся при подкислении щелочного раствора соляной кислотой. В самой публикации не приведены результаты физико-химических исследований, подтверждающих природу и качество получаемого продукта, а также не приводится выход целевого продукта.

В другой более поздней работе [Т.-С. Zin, F.-H. Zin, J.-C. Zin. J. Biomaterials Sci., Polimer Edition. 2013. Vol. 24. No. 9. P. 1152-1163] получаемую аналогичным методом амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусную кислоту из реакционной массы не выделяют, а используют ее непосредственно для следующих химических превращений, предварительно очистив реакционную массу фильтрацией от непрореагировавшей иминодиуксусной кислоты.

Способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты, выбранный в качестве ближайшего аналога предлагаемого способа, описан в чешском патенте [CS 225505, B01J 45/00, С07С 101/30]. Амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусную кислоту в данном способе получают реакцией взаимодействия иминодиуксусной кислоты с эпихлоргидрином, взятыми в молярном соотношении 0,6:1,35, осуществляемой в водно-щелочном растворе при нагревании при температуре 30-100°C в течение 60 минут с последующим подкислением соляной кислотой до pH 1.5-2. Затем полученную смесь упаривают на 2/3 от первоначального объема и после охлаждения до 0°C конечный продукт отделяют фильтрацией. Выход амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты в зависимости от температуры реакции колеблется в интервале 36.2-52.7%, т.пл. 151-157°C, содержание хлора 15,66-15,95 мас. %. Однако нестабильная температура плавления получаемой кислоты (в примерах ее значение колеблется в интервалах: 155-157°C, 151-154°C, 154-156°C) свидетельствует о низкой степени чистоты получаемого продукта. Делать же заключение о чистоте получаемого продукта по приводимой величине массовой доли хлора нельзя, поскольку хлор содержится не только в целевом веществе, но и в хлориде натрия, являющемся сопродуктом реакции. Специальная очистка от хлора в рассматриваемом аналоге не проводится.

К недостаткам данного способа также можно отнести:

использование в процессе нецелевых агрессивных жидкостей (щелочи и соляной кислоты), что приводит к расходу подобных веществ и ухудшает экологические показатели процесса;

повышенные энергетические затраты из-за проведения процесса при повышенной температуре (30-100°C), а также из-за использования в процессе энергоемкой стадии упаривания реакционной массы, проводимой с целью выделения целевого продукта и одновременного концентрирования сопродуктов и примесей.

Для получения чистой амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты с использованием экономичного, мало энергоемкого и удовлетворяющего экологическим требованиям технологического процесса предлагается способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты, осуществляемый реакцией взаимодействия эпихлоргидрина с диметиловым эфиром иминодиуксусной кислоты при использовании 10%-ного избытка эпихлоргидрина от его стехиометрического количества, проводимой в водно-диоксановом растворе при перемешивании и при комнатной температуре с последующим выдерживанием реакционной массы при комнатной температуре, фильтрацией и промывкой этилацетатом отфильтрованной амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты и ее сушкой.

Предлагаемый способ осуществляется по следующей схеме:

Исходными продуктами в предлагаемом способе являются эпихлоргидрин и диметиловый эфир иминодиуксусной кислоты, в то время как в способе-прототипе исходными продуктами являются эпихлоргидрин и иминодиуксусная кислота. Оба соединения, как иминодиуксусная кислота, так и ее диметиловый эфир, можно по их структурным формулам рассматривать как дизамещенные производные аммиака, содержащие вторичную аминогруппу.

Такая замена иминодиуксусной кислоты на ее диметиловый эфир позволяет исключить применение в процессе агрессивных жидкостей (щелочи и соляной кислоты), что упрощает процесс и повышает его экологические показатели.

На эффективность процесса также влияют выбранные количественные соотношения исходных продуктов и среда, в которой протекает реакция. В предлагаемом способе реакция осуществляется в водно-диоксановом растворе при мольном соотношении эпихлоргидрина и диметилового эфира иминодиуксунсой кислоты, равном 1,1:1. что соответствует 10%-ному избытку эпихлоргидрина от стехиометрического количества. В способе-прототипе реакция взаимодействия эпихлоргидрина с иминодиуксусной кислотой осуществляется при 125%-ном избытке эпихлоргидрина (соотношение кислоты и эпихлоргидрина составляет 0,6:1,35).

Экспериментальные исследования показали, что существенное влияние на взаимодействие исходных реагентов оказывает и температурный режим его проведения. Процесс синтеза в предлагаемом изобретении технологически прост, не требует больших энергозатрат, поскольку осуществляется при комнатной температуре (20-25°C) в отличие от известного способа, в котором синтез проводят при 30-100°C.

Дополнительные экспериментальные исследования показали, что повышение температуры реакционной массы выше комнатной (выше 25°C) снижает выход целевого продукта и способствует протеканию побочных процессов, таких как гидролиз галоидной группы, элиминирование хлористого водорода. В свою очередь, побочные реакции приводят к образованию химически активного оксиранового цикла, который затем подвергается атаке субстратом, находящимся в реакционном растворе и содержащим реакционноспособный вторичный атом азота.

Таким образом, предлагаемый способ технологически прост, экономически приемлем, имеет улучшенные экологические показатели по сравнению с прототипом, поскольку не предусматривает использование щелочи и соляной кислоты, а также обеспечивает получение чистого продукта в виде кристаллического вещества, не содержащего неорганических примесей.

Ниже изобретение иллюстрируется примером

Пример - Способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты

В 2-горлую колбу, снабженную механической мешалкой, термометром и капельной воронкой, при 20°C загружают смесь 10 мл воды, 10 мл диоксана и 11.00 г (68.0 ммоль) диметилового эфира иминодиуксусной кислоты, а затем при 20-25°C при перемешивании прибавляют по каплям в течение 15 минут 6.92 г (74.8 ммоль) эпихлоргидрина. Реакционную массу перемешивают в течение 9 часов, затем выдерживают сутки при комнатной температуре. Образовавшийся осадок 1-амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты отфильтровывают, дважды промывают этилацетатом и сушат в вакууме. Получают 7.41 г (53%) белого кристаллического продукта. Т.пл.=152-153°C. Спектр ЯМР ¹Н (DMSO-d6) δ_Н 2.67 м.д., дд, ²J=13.6 Гц, ³J=6.4 Гц, (1Н, CH₂Cl); 2.75 м.д., дд, ²J=13.6 Гц, ³J=5.4 Гц (1Н, CH₂Cl); 3.52 м.д., дд, ²J=10.9 Гц, ³J=5.5 Гц, (1H, NCH₂CH); 3.69 м.д., дд, ²J=10.9 Гц, ³J=4.2 Гц, (1Н, NCH₂CH); 3.75 м.д., дддд, ³J=6.4 Гц, ³J=5.5 Гц, ³J=5.4 Гц, ³J=4.2 Гц, (1Н, СН). Спектр ЯМР ¹³С{¹H} (DMSO-d6) δ_С 48.23 м.д. (CH₂Cl); 55.76 м.д. (CH₂C=O); 57.88 м.д. (СН₂СН); 69.00 м.д. (СН); 172.90 м.д. (C=O)

Образование амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты подтверждено методами спектроскопии ЯМР ¹Н и ¹³C. В спектрах ЯМР ¹³С полученной амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты наблюдаются пики, характерные для атомов углерода амино-3-хлор-2-пропанола, а также уксусных групп. Спектры ЯМР ¹Н также подтверждают строение полученных соединений: в спектре амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты наблюдаются характерные дублеты будлетов диастереотопных CH₂N и CH₂Cl протонов. Метановый протон регистрируется как мультиплет в области 3.60-3.90 м.д.

Способ получения амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты реакцией взаимодействия эпихлоргидрина с дизамещенным производным аммиака, содержащим вторичную аминогруппу, с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что в качестве дизамещенного производного аммиака используют диметиловый эфир иминодиуксусной кислоты, а реакция взаимодействия эпихлоргидрина с диметиловым эфиром иминодиуксусной кислоты осуществляется при использовании 10%-ного избытка эпихлоргидрина от его стехиометрического количества и проводится в водно-диоксановом растворе при перемешивании и при комнатной температуре с последующим выдерживанием реакционной массы при комнатной температуре, фильтрацией, промывкой этилацетатом отфильтрованной амино-2-гидрокси-3-хлорпропан-N,N-диуксусной кислоты и ее сушкой.