способ получения 2-[3-(n,n,n-триалкиламмонио)-пропионамидо]- 2-метилпропансульфонатов

Формула изобретения

1. Способ получения 2-[3-(N,N,N-триалкиламмонио)- пропионамидо]-2-метилпропансульфонатов общей формулы

(R)₃⁺NCH₂CH₂CONHC(CH₃)₂CH₂SO^-₃,

где R₃N (CH₃)₃N, (CH₃)₂NCH₂OH, (CH₃)₃NHCOC(CH₃)=CH₂, (CH₃)₂NCH₂CH₂C(CH₃)₂ NHCO(CH₃)=CH₂, CH₃N(C₂H₅)₂, (C₂H₅)₃N, N)CH₂CH₂)₃N,

отличающийся тем, что соответствующий третичный амин подвергают взаимодействию с 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислотой в водной среде.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс проводят при молярном соотношении третичный амин: 2-акриламидо-2-метил- пропансульфокислота 1,02 - 2,1 1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области органической химии, в частности к пролучению (N,N,N- триалкиламмониоалкилсульфонатов) общей формулы



где R₃N (CH₃)₃N, (CH₃)₂NCH₂CH₂OH, (CH₃)₂N(CH₂)₃NHCOC(CH₃)=CH₂,

(CH₃)₂NCH₂CH₂C(CH₃)₂NHCOC(CH₃) CH₂, CH₃N(C₂H₅)₂, (C₂H₅)₃N, N(CH₂CH₂)₃N.

В настоящее время сульфобетаины используются при получении фармацевтических и косметических препаратов, фотоматериалов, моющих средств. Синтезируются указанные соединения обычно взаимодействием третичных аминов с галогеналкилсульфоновыми кислотами или с сультонами. Второй способ является более удобным, поскольку в первом случае реакция идет с выделением галогенводорода, который на второй стадии процесса нейтрализуется щелочью, и в качестве побочного продукта образуется соль.

В качестве прототипа выбран один из вариантов одностадийного и исключающего образование побочных продуктов способа получения сульфобетаинов на основе сультонов. Данный способ выбран в качестве прототипа, поскольку в нем достигается высокий (до 87,8%) выход бетаинов и, кроме того, исходящий третичный амин может содержать разнообразные заместители, например акриловые фрагменты и амидные группы. Так, ненасыщенный сульфобетаин (II), пригодный в качестве антистатического препарата, получают следующей реакцией:

IV

Для осуществления процесса к раствору 243 г амина (II) и 1 г фентиазина ( ингибитор радикальной полимеризации) в 1500 г ацетонитрила при температуре 20^oC добавляют по каплям раствор 130 г сультона (III) в 100 г ацетонитрила, смесь выдерживают 12-16 ч при температуре 20^oC и еще 24 ч при температуре 80^oC, после чего выделяют 290 г сульфобетаина (IV). Недостатками процесса являются необходимость применения дополнительного оборудования для дозирования сультона, а также использование токсичного (ПДК 10 мг/м³) и пожароопасного (ЛВЖ 3 класса) растворителя ацетонитрила.

Задачей предлагаемого изобретения является одностадийное облучение насыщенных и ненасыщенных сульфобетаинов в водных растворах с высоким выходом. Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении процесса (не требуется дозирования реагентов) и снижении токсичности за счет применения нетоксичного и допустимого растворителя воды. Технический результат достигается тем, что третичные амины подвергают взаимодействию с 2-акриламидо-2-метилпропансульфокислотой (АМПСК) в водной среде с последующим выделением целевого продукта удалением растворителя и непрореагировавших исходных веществ, а мольное соотношение третичного амина и АМПСК составляет (1,02-2,10):1,00.

Реакция осуществляется путем присоединения третичных аминов к C=C-связи АМПСК:



В отличие от прототипа, вместо пропансультона серосодержащим реагентом является АМПСК. Это относительно новый и малоизученный мономер, получаемый на основе допустимых промышленных реагентов (акрилонитрила, изобутилена и олеума) и находящий в последние годы все более широкое применение.

Способ осуществляют следующим образом. Сульфобетаины получают взаимодействием третичных аминов с АМПСК в водных растворах при температуре 15-80^oC. Реакция протекает путем нуклеофильной атаки атома азота третичного амина на -углеродный атом АМПСК с последующим протонированием a-углеродного атома подвижным водородом сульфокислотной группы. Поскольку АМПСК является сильной кислотой, полностью связывающей амины в соли (что приводит к потере аминогруппой нуклеофильных свойств), то реакцию требуется проводить при избытке амина по отношению к АМПСК. В предлагаемой заявке соотношение амин АМПСК (1,02-2,10): 1,00. Расчетные количества исходных веществ смешиваются при комнатной температуре. Перемешивание реагентов осуществляют лишь в начале процесса для получения раствора с равномерным распределением исходных веществ. После выдерживания смесей при заданной температуре в течение 0,5-72 ч (в зависимости от строения третичного амина, соотношения реагентов и температуры) и достижения равновесной конверсии целевые сульфобетаины выделяют удалением растворителя управлением под током воздуха с последующей отмывкой непрореагировавших исходных реагентов ацетоном, изопропиловым спиртом или диметилацетамидом. Полученные продукты представляют собой белые гигроскопичные порошки, растворимые в воде, ограниченно растворимые в спиртах, не растворимые в ацетоне, ароматических или алифатических углеводородах, хлорорганических растворителях.

Для доказательства строения сульфобетаинов (I) использовались ПМР-, ИК-спектроскопия и данные химических анализов. Спектры ПМР снимали на спектрометре "GEMINI-300" (300 МГц) с использованием в качестве растворителя D₂O и внешнего стандарта. ИК-спектры снимали на спектрофотометре UR-20 в таблетках из КВг. Содержание C=C-связей в исходных a, -ненасыщенных соединениях, в реакционных смесях и в выделенных продуктах определяли бромид-броматным титрованием, содержание азота в продуктах по методу Къельдаля.

Пример 1. К раствору 4,75 г (0,0228 М) АМПСК и 0,05 г гидрохинона в 10 мл воды добавляли 10,4 мл раствора триметиламина в воде (концентрация 3,3 М), и выдерживали смесь в течение 4 ч при комнатной температуре. После этого раствор упаривали под током воздуха, промывали ацетоном, диметилацетамидом и сушили в вакууме (20^oC, 2 мм рт.ст.). Получено 5,78 г 2-[3-(N,n,n-триметиламмонио)пропионамидо] -2-метилпропансульфоната (выход - 95%). Найдено: C= C-связи отсутствуют, N 10,44% C₁₀H₂₂N₂O₄S. Вычислено: C=C-связи отсутствуют, N 10,51% ПМР-спектр, d, м.д. 3,60-3,65 3,42 (-CH₂SO^-₃) 3,18 2,80-2,86 , 1,51 , ИК-спектр (характерные сигналы),, см ^-1 : 1677 (C=0, амид-I), 1541 (N-H, амид-II), 1040 и 1193 RSO^-₃.

Пример 2. К раствору 1,53 г (0,0137 м) 1,4-диаза-(2,2,2,)-бициклооктана в 3 мл воды добавили 1,85 г (0,0091 М) АМПСК, и выдерживали смесь в течение суток при комнатной температуре. После этого раствор упаривали под током воздуха, промывали ацетоном, диметилацетамидом и сушили в вакууме (20^oC, 2 мм рт. ст. ). Порлучено 2,76 г 2-[3-(1,4-диаза- (2,2,2)-бициклооктаметилен)пропионамидо] -2-метилпропансульфоната (выход - 95%). Найдено: C=C-связи отсутствуют, N 13,36% C₁₃H₂₅N₃O₄S. Вычислено: C=C-связи отсутствуют, N 13,16% ПМР-спектр, ,м.д. 3,24-3,61 , 2,75-2,85 , 1,50 . ИК-спектр (характерные сигналы), , см^-1: 1663 (C=0, амид-I), 1560 (N-H, амид II), 1040 и 1192 RSO^-₃.

Пример 3. К раствору 17,0 г (0,1 М) N-диметиламинопропилметакриламида и 0,1 г гидрохинона в 65 мл воды добавляли 14,5 г (0,07 м) АМПСК, и выдерживали смесь в течение 3 суток при комнатной температуре. После этого раствор упаривали под током воздуха, промывали ацетоном, изопропиловым спиртом и сушили в вакууме (20^oC, 2 мм рт.ст.). Получено 18,7 г 2-[3-(N,N,N-диметил-N-(3-метакриламидопропил)аммонио)пропионамидо] -2-метилпропансульфоната (выход 71% ). Найдено: связи C=C 0,00256 г-экв./г, 10,81% C₁₆H₃₁N₃O₅S. Вычислено: связи C= C 0,00265 г-экв./г, N 11,14% ПМ-спектр, м.д. 5,32-5,38, 5,65-5,77 , 3,15-3,65 , 3,03 , 1,80-2,10 , 1,41 . ИК-спектр (характерные сигналы), , см^-1: 1632 (C=C), 1676 (C=0, амид-I), 1548 (N-H, амид-II), 1040 и 1210 RSO^-₃.

Остальные эксперименты были проведены аналогично примерам 1-3, их данные сведены в таблицу.

Как видно из представленных данных, скорость протекания реакции и равновесная конверсия сильно зависят от строения амина наиболее легко процесс протекает для сильноосновных аминов со стерически доступными атомами азота (триметиламин, триэтилендиамин). По мере уменьшения основности амина и увеличения объема заместителей при атоме азота скорость и равновесная конверсия уменьшаются. Скорость и равновесная конверсия увеличиваются при увеличении соотношении амин: АМПСК, а повышение температуры приводит к ускорению реакции, но снижению равновесной конверсии. Выбор соотношения реагентов и температуры процесса обусловлен тем, что уменьшение соотношения амин:АМПСК до значения менее 1,02 приводит к подавлению образования сульфобетаина, а увеличение этого соотношения более 2,1 приводит к излишнему расходу амина без заметного увеличения выхода продукта; снижение температуры ниже 20^oC является нецелесообразным из-за значительного понижения скорости реакции и необходимости использования хладагентов, а при повышении температуры выше 80^oC начинается сильное испарение растворителя (что усложняет проведение процесса). Кроме того, заметно снижается равновесная конверсия.

Таким образом, предлагаемый способ получения сульфобетаинов позволяет упростить технологию процесса (исключается необходимость дозирования одного из реагентов, как в прототипе), снизить токсичность за счет применения нетоксичного и доступного растворителя воды.