Способ получения сахарина

Способ получения сахарина

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Класс 12о, 18 № 66878

СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зарегистрировано в Бюро изобретений Госплана СССР

В. К. Матвеев

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРИНА

Заявлено 20 декабря 1945 года в Наркомхимпром за № 713-45 (341845) Опубликовано 31 августа 1946 года

2,3-дитидро - З-.оиоо- бенз-изосульфазол, широко известный под наименованием сахарина, уже более

50 лет используется в здравоохранени и и пищевой промышленности.

В литературе, посвященной сахарину, приведено несколько путей синтеза этого вещест1ва, промышленное значение из которого |приобрел лишь один: ной кислоты ил и так называемая хромовая смесь были ар именены для окисления орто-толуолсульфамида, именуемого iHH?KB 1просто амидом, Ремсеном (I. Remsen, Апп.

178, 304/1875). Нагревая около ) часа приблизительно при 100 смесь иэ 7 г амида, 20 г 1пвухромовокислого калия и 30 г «обыкновенной концентрированной серной кислоты», разбавленной TpoHIIIbIM объемом воды, Ремсен смог констатировать, что в избранных,им условиях амид практически совершеыно не поддается окислению. Несколько позже, применив в качестве окислителя марганцевокислый калий в щелочной среде, он совместно с Фальбергом впервые получил саха раин (I.

Remsen, С. Fahlberg, Bor. 12, 469/1879); этот способ был использован затем промышленностью, не встречая на протяжении более 30 лет конкуренции со оторочены других способов окисления.

В 1921 г. фирма Societe chimique

des usines du Rhone anciennement

Gilland, P. Маппе1 et Cartier (Париж) по заявкам, сделанныи годом раньше, получила в Германии, а затем в Англии патент на способ получения сахарина окислением амиСНа СН

" 1" г "

SO2Cl толуол орто-толуолсульфохлорил

СНа со Л

8о,i Н, S0 б орта-толуол сульфамид сахарин причем в качестве окислителей в последней стадии рспользуются почти исключителино соли марта нцевой или хромовой (двухромовой) кислоты.

Впервые соли хромовой (двухромовой) кислоты в присутствии сер№ 66878 да с помощью хромовой смеси (авторы способа Альтвегг |иКоллярдю; герм. пат. № 339920; англ. пат. № 153520). В этом патенте отмечается, что неуспех опытов Ремсена по окислению амида хромовой смесью следует приписать низкой концентрации серной кислоты (около 24%) и что при повышении концентрации последней окисление амида в сахарин становится возможным.

Для дальнейшего изложения имеют значение следующие моменты, содержащиеся в указанном патенте:, 1) Для получения «очень хороших» (точнее не указа но), выходов сахарина необхо|димо «правильно выдержать» степень разбавления серной кислоты при окислении (50 — 75%), температур у реаиционно и массы (25 — 45 ) и прод олжительно сть процесса, (не п р и в едена).

Существенню важным является хорошее размеши вание м ассы п|ри оиислении. Напротив, не неюбхо димо работать в гомогенной среде; весьма эначителнная часть вступающе го в реакцию продукта должна, скорее, прису тст вю в|ать в твер дой форм,е.

2) Способ весьма лепко выполним и может быть применен во многих вариантах. Равным образом не требуется при держ иваться определен|ной,последовательности в прибавлении реагентов.

3) В условиях данного способа по окончаниии окисления сахарин содержит примесь амида.: поэтому от фильтрованный <110 окончании окисления сахарин отделяют от неизменного амида известным образо м.

Несколько позже та же фирма запат ентовала в Герман,ии, Англии и США новый вариант способа, отличающийся от предыдущего при|менением в качестве добавок при окислении. соединений железа, хрома и марганца или самих указанных металлов; так например, по данным это го варианта окисление амида протекает более гладко в присутствии части ютбросно и серной кислоты от предыдущей операции окисления (герм. пат. № 347140; англ. пат. № 165438; ам. пат. № 1507565). В том же

1921 г. Бэби (J. Вев1е) по заявке, сделанной в 1920 г., получил в

США патент на способ получения сахарина, принципиально ничем не отличающийся от первого варианта способа Альтвегга и Коллярдо (ам. пат. № 1 366349).

В 1921 го(ду была опубликована статья Каминского (5Курн. научн.

xHM. — фарм. института, 1921 г., вып. 2,41- — 45), в ко тю рой описывается способ окисления амида в сахарин с помощью хромовой см еси в присутствии добавок хлори дов щелочных металло в.

Несколько позже, в 1926 году, Орелоп (J. W. Orelup) по заявке, сделанной в 1921 г., получил в

США патент на способ получения сахарина, отличающийся от ранее опубликованных способов лишь тем, что сахарин, получаемый и в этом случае окислением амида хромовой см есью и то же содержащий непосредственно IIIîñëå этого окисления примесь неиспользован,ного амида, отфильтровывают от отбросной сер ной кислоты, растворяют в 25 процентном растворе едкого натра и подвергают дополнительному окислению марганцевоиислым калием, добавляя окислитель до появления устойчивой фиолетовой окраски раствора. После удалени я избытка окислителя с помощью бисульфита натрия и отделения двуокиси марганца путем фильтрования, фильтрат подкисляют соляной кислотой и отделяют вы павший в осадок чистый сахарин (ам. пат. № 1 601.505).

В конце 1926 года была опубликована работа Зайкова и Соколова ()Kyp. хим. пром., 3, вып. 16/22, 1304 †0719), в которой авторы, основываясь;на изучении ги дролиза сахарина в серной кислоте различных концентраций и при разных температурах, приходят к выводу, что при получении сахарина путем оиисления амида хромо вой смесью температура массы,не должна превышать 60 и что оптимальная концентрация серной кислоты должна

¹ 66878 лежать около 70 4. Соблюдение этих условий позволяет, го свидетельству авторов, получать сахарин с выходами, превышающими 90ф, однако прописи рецепта в статье не .дано.

В 1934 году .появилась статья

Зильберга (Хим-фармацевтич. пром., 1934 r., вып. 4, 22 — 24); в ней излагаются результаты эмпирических поисков оптимального варианта окисления амида хромовой смесью.

Из материала статьи можно усмотреть, что постановка опытов в основном удовлетворяла условиям герм. пат. М 339920; наибольший выход сахарина, полученный автором, был равен 79%, считая на вошедший в реакцию амид; ни в одном из длинной серии (свыше 40) опытов автору не удалось добиться полного окисления амида. Работа Зильберга не вносит ничего принципиально нового в ранее накопленный материал, если не считать кажущегося сомнительным утверждения автора, ч-о замена двухромовокислого калия на,двухромовокислый натрий ведет к по инженерию выходов сахарина.

Вышеприведенным исчерпывается. в основном:, весь литературный материал, относящийся к окислению амида в сахарин хромовой смесью.

Описанные выше способы обнаруживатот при экспериментальной проверке один или несколько недостатков. причем из числа приво димых ниже имеются в виду лишь те недостатки, с которыми приходится встречаться в слу чае применения чистых исходных веществ и реакти,во в.

1) Почти всепда сахарин, получаемый вышеупомянутыми способами, за исключением с поеоба Орелопа, имеет желтоватую или даже желтую окраску, от которой в производственных условиях приходится изба влятьая путем дополнительной операции обесцвечивания живот ным или активированныя древесным углем или осторожным окислением окрашивающих примесей небольшими количествами марганцовокислого калия.

Автору удалось установить, что без дополнительного обесцвечивания сахарин получается неокрашенным лишь в том случае, если концентрация свободной серной кислоты в реакционной массе не превышает 60О О, принимая в расчет как взятую, так и образовавшуюся при реакции воду и лишь то количество серной кис IOTbI. которое для каждого момента реакции определяется как разность между введенным в массу общим количеством

100-процентной кислоты н количеством, уже израсходовавшимся при окислении в соответствии со след сщим уравнением:

СН, !

1 "

80;ХН2 + Ме Сг;0; + 8 Н,SO4 =

=2 Ne HSU4+2 Cr (НЯ .4)4+

CO

Лб (+! NH+ 6 Н23;

V"

Я О где Ъ1е = N;, К вли Nil4.

Поскольку при падении концентрации свободной серной кислоты в реакционной массе ниже 58—

60 /О реакция окисления сильно замедляется, что более всего характерно для вариантов с постепенным вводом сс<ислителя в массу, постольку выделяющуюся во время реакции и вводимую с реагентом воду необходимо в ходе реакции превращать в 60-процентную кислоту. Для этого в реакционную массу параллельно: с добавлением других реагентов постепенно вводят в рассчитанных количествах более концентрированную серную кислоту.

2) Получаемый в результате окисления сахарин почти всегда содержит примесь непрореагнровавшего амида.

Автором установлено, что причина этого явления кроется в двух обстоятельствах: а) Частицы твердого амида служат центрами кристаллизации для № 66878 выделяющегося при окислении сахарина; образующаяся оболочка из кристаллов саха рина,в сильнейшей степени затрудняет доступ жидкой фазы к заключенным в эту оболочку частицам амида, в,результате чего они оказываются изолированными ст воздействия окислителя.

Этот недостаток, как показывает опыт автора. может быть сведен к минимуму, путем, постепенного ввода амида в массу. По могает также тщательное предварительное измельчение или растворение, амида, энергичное размешивание массы при окисле нии,,медленное;проведение процесса. б) Часть окислителя расходуется при реакции на глубокое окисление побочно образующихся при реакции продуктов и. следовательно, рассчитанного ino вышеприведенному равенству количества окислителя нехватает,для окисления всего амида.

Та часть амида, которая остается в реакционной массе, доступной воздействию окислителя, может быть скислена в сахарин только после почти полного «сожжения» порубочных продуктов; это требует, естественно, дополнигельного расхода окислителя и серной кислоты.

3) Органическим недостатком всех упомянутых выше способов является о бразова ние побочных продуктов конденсаци:и, частью нестойких к действию о(кислителя даже в 60-процентной серной кислоте. Одним из признаков их образования и последующего окисления служит явление вспениван ия реакционной массы при окислении; следствием их образования является необходимость дс полнительной траты окислителя и серной кислоты при адновременной потере части взятого для окисления амида; так, например, в опытах Зильберга даже там, где по мнению автора, выход сахар ина был «хорошим», потеря амида составляла все же около 17% от взятого количества.

Причины этого не достатка вытекают из недооценки а вторами вышеуказанных способов одного важного следствия из основных положений химической кинетики. Ясно, что в цепи элементарных превращений, которые испытывает амид при окислении в сахарин, образование изотиазольного цикла есть реакция циклизации. Скорость реакций циклизации, как моном олекулярных реакций, не зависит от степени разбавления среды. Известно далее, что реакции циклизации часто сопровождаются процессами конденсации; например, при получении «нормальвого»,ангидрида адипиновой кислоты в известных условиях получают ее полиангидриды; при попытках получения лактонов тех алифатических оксикарбонавых кислот, у которых оксигруппа от делена ог карбоксильной группы несколькими м етиленовыми ripyninaIми, часто наблюда|ст образование так называемых эстолидсв и т. п. При получении сахарина констат ированы побочные продукты, образование которых объясняется конденсацией промежуточно образующихся при окислении амида орта-сульфаминс бензиловогс спирта и орта-сульфаминсбензальдегида как между собой так и с амллд ом (см. I. u P. Koetschet, Helv. chim, Acta, 12,669 — 669 (1929)MotvoiI

J. pr, Ch. (2). 116, 163 (1927); Bull. (41 42, 1599 (1927); W, Herzog, Z.

ang. Ch, 39, 728 (19 - 6); Herzog, Chem.

Technologie (1912); Muspratts

Chemic, Ergbd. IV, 2, 1448).

Известно, что скор ость реакций конденсаций, как ipeaKiuий би- и полимолекулярных, зависи т ог степени разбавления среды, а именно с увеличением разбавления — уменьшается. Отсюда ясен путь для подавления побочных процессов при циклизации: проведение реакций цлклизаций в возможно более разбавленной среде при незначительных концентрациях циклизируемото соединения. Ценный пр имер блестящего применения этого «принципа разбавления» можно найти в работах Руггли (P. Ruggli, Апп., — 5

М 66878

392, 92 — 100 (1912), 399, 174—

182 (1913); 412, 1 — 3 (1917) и Циглера (К. Ziegler, Ann. 504, 94—

130 (1933), хотя эти работы и относятся к совершенно другим объектам.

Поскольку стадию циклизации в реакции образования сахарина при окислениями амида невозможно осуществить изолированно от ряда последовательных превращений на пути от амида к сахарину и желая соблюсти вышеуказанный «принцип разбавления» следуег стремиться— в отличие от цитированного выше указания герм. пат. № 339920— весь процесс окисления проводить в условиях наиболее возможного разбавле ния среды и iB отсутствии твeppого амида в реакционной массе.

Результаты опытов автора подтвердили правильность только что упомянутых соображений: выходы сахарина при окислении амида в условиях большого разбавления среды неизменно оказывались, при прочих равных условиях, выше выходов, получаемых пр л наличии амида в реакционной среде в виде твердой фазы.

Вышеуказанные недостатки не позволяли считать способы получения сахарина, основанные на окислении амида хромовой смесью, конкурентоспособными со старым способом Ремсена |и Фальберга ни по качеству получаемого продукта. ни по выходам его (см. например, оценку способов Альтвегга, Коллярдо и Бэби в рецензии Hempel ÿ, /. апд. Ch. 37, 214 — 215 (1924).

Анализ причин, вызывающих появления указанных недостатков, позволил автору создать ссвершенно новую комбинацию условий для пол учения сахарина, дающую новый технический эффект, характеризуемый тем, что: 1) сахарин получается неокрашенным, 2) амид полностью используется при окислении и 3) выходы сахарина отказываются даже несколько выше выходов, получаемых по перманганагному способу Ремсена и Фальберга, Нижеприводимые примеры иллюстрируют предлагаемый новый способ.

Пример 1. 171, 1 г чистого сухого орто-толуолсульфамида размешивают при обыкновенной температуре с 1864 г 90-процентной серной кислоты до полного исчезновеvèÿ частиц твердого амида. Полученный раствор прибавляют равно мерно в течение 10 — 15 час. параллельно с постепенным прибавлением 602 г 50-процентного во диого раствора двухромовокислого натрия к 1937 г 60-процентной серной кислоты.

Температура реакционной массы должна все время поддерживаться в пределах 35 — 40 при достаточно энергичном размешивании; масса все время должна содержать небольшой избыток окислителя (дифениламиновая проба).

Через 1 час п осле,начала окисления из массы начинает выпадать кристаллический осадок сахарина (под микроокопом — ромбоэдры или призматические таблицы), а сама масса приобретает зеленую окраску. Масса не должна содержать кристаллов амида (октаэдры или плоские иглы).

По окончании прибавления растворов амида и двухромовакислого натрия полученную массу размешивают еще 1 час при 35 — 40, причем к концу размешиван ия она должна еще показывать .незначиs ельный избыток окислителя. После этого массу разбавляют равным объемом воды, охлаждают до

5 — 15, а затем отфильтровывают осадок сахарина и промывают его на фильтре небольшим количествы воды. Для разбавления массы и промывки осадка сахарина вместо воды целесообразно применять промь вные волы и ф.lëüòðàò от,выделсчия чисгого сахарина из предыдущих операций.

Для отделения от случайных ме. :анических примесей отфильтрованный и промытый сахарин переводят с помощью соды, поташа. магнезита или мела и достаточного количества теплой воды в раствор. № 66878 риевой или аммснпйнсй соли в

2842 г 60-процентной серной кислоты, поступая в остальном, как в примере 1. Выход и качество полученного сахарина — те же, что и выше.

Отв. редактор В. Н. Костров Техн. редактор Г. Ф. Соколова

А04521. Подписано к печати 11/V-!948 г Тираж 500 экз. Цена 65 к. Зак. 39

Типография Госпланиздата им. Воровского, г. Калуга

К пслученному раствору добавля1от небольшое количество раствора бисульфита натрия гдля раскисл ения следов окислит еля и отфильтровыва!От м!уть. Фильтр ат подкисля!От соеляной кислотой до полного осаждения сахарина; осадок сахарина отфильтровывают, промывают водой и сушат при

30 — 40 до постоянногс веса. Выход сахарина 87 — 92 о от теоретически возможного; тем п, пл. полученного безцветного сахарина

224 — 227 (без попр.).

Г1ример 2. 171,1 г чистого и сухог0 ОртО-толуолсульфааида растворя1ст в условиях, аналогичных у "ловиям примера 1, в 1261 г 90процентной сер ной кислоты.

Полученный раствор вносят в условиях примера 1 параллельно с постепенным при бавлением 338 г

МЕЛКОИЗгМЕЛЬЧЕННОГО ДВУХРОМО!Окислого калия или эKIBи в».". cн гнсго количеств» соответствующей IIBTПредмет изобретения

Способ получения сахарина путсм Окисления cipro-тслуслсульфахида хромовой смесью, о т л и ч а, юIg и и ся тем, что IB серну!о кислоту с концентрацией около 60% вводят постепенно водный раствор хромпигка или танко измельченный хрсмпик и раствор орто-толуолсульфамида в серной кислоте такой концснтрап!ии, какая достаточна для образс вания с вводимой с

pai"твсром хромпи ка и с выделяющейся в процессе окисления водой раствора серной кислоты с концснт-,.ацией о:<слс 60 1о с целью непосредствен lo 0 получения неокрашенного сахарина.