способ получения 2-метил-1,4 нафтохинона и катализатор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона путем каталитического окисления 2-метил-1-нафтола (МН) или его смеси с 2,4-диметил-1-нафтолом в двухфазной системе, в которой окисляемое вещество вводят в реакцию в растворе не смешивающегося с водой органического растворителя, а катализатор представляет собой водный раствор молибдованадофосфорной гетерополикислоты или ее кислой соли (ГПК-n), содержащей 10 - 20 об.% уксусной кислоты, причем реакцию окисления проводят при интенсивном перемешивании фаз при температуре 40 - 70^oС, отличающийся тем, что общий состав катализатора отвечает формуле H_aP_xMo_yV_nO_b, где 1 x 3; 8 y 16; 40 b 89; a = 2b - 6y - 5 (x + n); 4 < n 12, n - число атомов ванадия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе реакции используют мольное отношение ГПК-n : МН, не превышающее 2,5.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для регенерации катализатора используют 0,05 - 0,1 мл HNO₃ на 25 мл ГПК-n.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что концентрация катализатора составляет 0,2 - 0,3 М.

5. Катализатор получения 2-метил-1,4-нафтохинона путем каталитического окисления 2-метил-1-нафтола (МН) или его смеси с 2,4-диметил-1-нафтолом в двухфазной системе, представляющий собой водный раствор молибдованадофосфорной гетерополикислоты или ее кислой соли (ГПК-n), отличающийся тем, что общий состав катализатора отвечает формуле H_aP_xMo_yV_nO_b, где 1 x 3; 8 y 16; 40 b 89; a = 2b - 6y - 5 (x + n); 4 < n 12, n - число атомов ванадия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области тонкого органического синтеза, а именно к способу получения 2-метил-1,4-нафтохинона (менадиона), обладающего свойствами витамина K. Менадион (МД) в виде викасола - водорастворимой формы витамина K₃ - широко применяют в медицинской практике для лечения многих заболеваний, а также в животноводстве для повышения продуктивности всех видов животных. МД является также промежуточным продуктом для получения всех других витаминов группы K.

Основным способом промышленного получения МД является некаталитическое окисление 2-метилнафталина хромовой смесью [Шнайдман Л.О. Производство витаминов, 2 изд. - М.: Пищепромиздат, 1973 - С. 330-335]. Производство витамина K₃ по этой технологии неэкологично вследствие обилия сточных вод, содержащих токсичные соединения хрома, смолы и кислоты. Такое производство также и неэкономично, поскольку избирательность целевой реакции не превышает 50%, а 2-метилнафталин является довольно дорогим сырьем.

Существует много способов получения менадиона, из которых более избирательны способы, основанные на каталитическом окислении 2-метил-1-нафтола (МН) кислородом. В способе [патент СССР N 2022958, C 07 C 50/12, Б.И. N 22, 1994] в качестве катализаторов окисления МН используют фосфорномолибдованадиевые гетерополикислоты общей формулы H_3+nPV_nMo_12-nО₄₀, отвечающей структуре Кеггина, где n4.

В способе [патент РФ N 2061669, C 07 C 50/12, Б.И. N 16, 1996] в качестве катализаторов используют водные растворы молибдованадофосфорных гетерополикислот (ГПК-n) или их солей, отвечающих структуре Кеггина, состава Me_a^zH_3+n-zaPV_nMo_12-nO₄₀ (z - заряд катиона M, n - число атомов ванадия в молекуле ГПК-n, n4). В способе [патент РФ N 2142935, C 07 C 46/02, Б.И. N 35, 20.12.99] в качестве катализаторов также используют водные растворы молибдованадофосфорных гетерополикислот структуры Кеггина (ГПК-n) или их солей, однако для повышения избирательности и емкости катализатора в раствор вводят дополнительно 10-20 об. % AcOH и периодически в процессе реакции добавляют перекись водорода. Последний из перечисленных способов выбран нами в качестве прототипа.

В способе-прототипе окисление МН проводят в двухфазной системе. Органическая фаза является раствором субстрата МН в не смешивающемся с водой негорючем органическом растворителе (ОР), а водной фазой является раствор ГПК-n - катализатора суммарной реакции (3). Процесс окисления МН проводят в два этапа. На первом этапе по реакции (1) МН окисляют при 50^oC гетерополикислотой в МД в инертной атмосфере. Для этого раствор МН в ОР в виде 4-6 порций постепенно прикапывают в интенсивно перемешиваемый раствор катализатора. После введения каждой порции МН к реакционной смеси при перемешивании добавляют расчетное количество H₂O₂ для частичного окисления восстановившейся ГПК-n по реакции (2a), после этого реактор в течение нескольких минут продувают инертным газом для удаления выделившегося кислорода (часть H₂O₂ разлагается с выделением O₂). Далее вводят следующую порцию МН. После введения половины всего раствора МН и достижения его полной конверсии от катализатора отделяют органическую фазу с продуктом реакции МД. К раствору ГПК-n добавляют H₂O₂, продувают реактор инертным газом (CO₂, N₂) и вводят аналогичным образом оставшиеся порции раствора МН в ОР. По окончании реакции (1) органическую фазу с продуктом отделяют от восстановленной формы катализатора. На втором этапе (регенерации катализатора) восстановленную форму ГПК-n окисляют молекулярным кислородом по реакции (2) при 100^oC с добавлением небольших количеств HNO₃. Стадии окисления МН в МД и регенерации катализатора кислородом, составляющие суммарный процесс, описываются уравнениями реакций (1), (2) и (3).

Способ-прототип имеет три существенных недостатка:

1. Недостаточная избирательность катализатора в целевой реакции (3). Этот недостаток обусловлен тем, что основная часть известных катализаторов имеет избирательность 78-79% при мольном отношении ГПК-n:МН = 3,33 (см. табл. 1). Из таблицы следует, что лучшие значения избирательности 83-90% достигаются только при высоких мольных отношениях ГПК-n:МН (5,0-6,7), что в 1,5-2 раза выше таких отношений для предлагаемых катализаторов, то есть во столько же раз производительность катализатора-прототипа ниже.

2. Недостаточная производительность катализатора - П (см. расчет после примеров). П зависит от числа атомов ванадия в молекуле ГПК-n. Рекомендованные в способе-прототипе ГПК-n структуры Кеггина с 1n4 способны принять не более n электронов на одну молекулу ГПК-n, поэтому в процессе проведения стадии (1) окисления субстрата в раствор ГПК-n периодически добавляют 30% H₂O₂ для частичной регенерации окисленной формы ГПК-n по реакции (2a).

3. Значительный расход азотной кислоты. HNO₃ необходима для регенерации ГПК-n в способе-прототипе (см. табл. 1). Скорость реакции (2), являющейся стадией окисления восстановленной формы катализатора кислородом, существенно возрастает при увеличении n - числа атомов ванадия в молекуле ГПК-n. Для низкованадиевых ГПК-n структуры Кеггина с2n4 невысокую скорость окисления восстановленных форм кислородом удавалось скомпенсировать повышенными добавками HNO₃ при регенерации (0,5 мл HNO₃ на 50 мл раствора катализатора на каждом цикле), обеспечивавшими быстрое окисление восстановленных форм ГПК-n по реакции (4):

H_mГПК-n+m/5HNO₃--->ГПК-n+6/10mH₂O +m/10N₂ (4)

Изобретение решает задачу повышения производительности катализатора и упрощение технологии получения МД.

Задача решается способом получения 2-метил-1,4-нафтохинона путем каталитического окисления 2-метил-1-нафтола (МН) или его смеси с 2,4-диметил-1-нафтолом в двухфазной системе, в которой окисляемое вещество вводят в реакцию в растворе не смешивающегося с водой органического растворителя, предпочтительно трихлорэтилена, а катализатор представляет собой водный раствор молибдованадофосфорной гетерополикислоты или ее кислой соли (ГПК-n), содержащей 10-20 объемных % уксусной кислоты, причем реакцию окисления проводят при интенсивном перемешивании фаз при температуре 40-70^oC, при этом, общий состав катализатора отвечает формуле H_aP_xMo_yV_nO_b (где 1х3; 8у16; 40b89; a = 2b-6y-5 (x+n); 4n12, n - число атомов ванадия). Концентрация катализатора составляет 0,2-0,3 М. В процессе реакции используют мольное отношение ГПК-n:МН, непревышающее 2,5. Для регенерации катализатора используют 0,05-0,1 мл HNO₃ на 25 мл ГПК-n.

Задача решается также катализатором получения 2-метил-1,4-нафтохинона путем каталитического окисления 2-метил-1-нафтола (МН) или его смеси с 2,4-диметил-1-нафтолом в двухфазной системе, представляющим собой водный раствор молибдованадофосфорной гетерополикислоты или ее кислой соли (ГПК-n), состава H_aP_xMo_yV_nO_b (где 1х3; 8y16; 40b89; a = 2b-6y-5(x+n); 4<n12, n - число атомов ванадия).

Предлагаемый способ получения МД, как и прототип, основан на использовании ГПК-n и их солей в качестве катализаторов окисления кислородом МН в МД по реакциям (1)-(2) в двухфазной системе, однако способ получения МД и состав катализатора имеют существенные отличия.

Основным отличием нового способа от способа-прототипа является использование высокованадиевых ГПК-n некеггиновской структуры (с n>4), которые обеспечивают существенно большую производительность и не требуют проведения стадии (2a), связанной с введением перекиси водорода в ходе реакции (1).

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. В водно-уксуснокислый (10-20 об.% AcOH) раствор 0,2-0,3 М ГПК-n или ее кислой соли при интенсивном перемешивании раствора в атмосфере инертного газа прикапывают в течение заданного времени раствор МН в негорючем органическом растворителе, не смешивающемся с водой (предпочтительно трихлорэтилен). После введения всего раствора МН реакцию ведут еще несколько минут до полного окисления МН. По окончании реакции фазы разделяют. Из раствора катализатора несколькими порциями хлороформа экстрагируют продукт реакции МД. Объединенные порции органического раствора промывают небольшим объемом воды от следов ГПК-n и уксусной кислоты. Раствор восстановленной ГПК-n, в который вливают и промывные воды, упаривают и окисляют кислородом воздуха при температуре кипения, вводя при необходимости малую добавку HNO₃ для окисления водорастворимых смол, побочных продуктов реакции (1), накопившихся в растворе. Продукт реакции, находящийся в органической фазе, без выделения МД направляется на синтез викасола -ВС (водорастворимой формы витамина K₃) по реакции (4) с бисульфитом натрия [патент РФ N 2126792, C 07 C 309/26, A 61 K 31/185, Б.И. N 6, 27.02.99].

Другим существенным отличием нового способа получения МД является значительное увеличение производительности катализатора за счет увеличения его избирательности, снижения мольного отношения ГПК-n:МН и сокращения времени реакции (1) (см. расчет после примеров). Высокованадиевые некеггиновские ГПК-n, содержащие более 4 атомов ванадия в молекуле, обладают существенно большим окислительным потенциалом по сравнению с низкованадиевыми ГПК-n (n4). Окислительный потенциал высокованадиевых ГПК-n в ходе реакции (1) снижается существенно медленнее, чем у ГПК-n способа-прототипа. В результате за один цикл реакции (1) окисляется большее количество МН и производительность катализатора повышается. Высокая окислительная способность рекомендуемых ГПК-n не требует их промежуточного окисления в ходе реакции (1). Поэтому исключается стадия (2a), связанная с введением перекиси водорода. Это приводит к существенному снижению времени реакции (1). Кроме того, высокая окислительная способность ГПК-n с n>4 обеспечивает более высокую, чем в способе-прототипе, избирательность катализатора при более низком (в 1,3 раза) мольном отношении ГПК-n: МН (см. табл. 2), что также увеличивает производительность катализатора.

Следующим отличием предлагаемого способа является то, что для регенерации восстановленных форм некеггиновских ГПК-n (4<n12) требуется в 3-4 раза меньшее количество HNO₃ (0,1-0,15 мл на 25 мл раствора ГПК-n), которую нужно вводить в раствор катализатора при окислении по реакции (2) один раз через 2-3 цикла (см. табл. 2).

Методы приготовления катализаторов некеггиновской структуры с 5-12 атомами ванадия в молекуле ГПК-n полностью аналогичны методам приготовления катализаторов способа-прототипа, а также описанным в [Одяков В.Ф., Жижина Е. Г. , Максимовская Р. И., Матвеев К.И. "Новые методы синтеза ванадомолибдофосфорных гетерополикислот//Кинетика и катализ. - 1995. - Т. 36, N 5 - С. 795-800]; для синтеза берут стехиометрические количества компонентов.

Для опытов в примерах использовался МН, полученный каталитическим метилированием 1-нафтола методами технологии "Викасиб" [Матвеев К.И., Жижина Е. Г. , Одяков В.Ф. "Новые методы синтеза витаминов K и E" //Химическая промышленность. - 1996 - N 3 - С. 173-179]. МН содержит: 2-метил-1-нафтол - 92,8%, 2,4-диметил-1-нафтол (ДМН) - 5,2%, тяжелые примеси - 2,0%. ДМН в присутствии ГПК-n окисляется также, как МН, в МД. Поэтому расчет количества субстрата ведут по общему содержанию МН и ДМН, равному 98%.

Сущность изобретения иллюстрируется приведенными ниже примерами 1-3 и табл. 1-2, а также данными о производительности катализаторов.

Пример 1. В трехгорлую колбу на 100 мл загружают 50 мл водно-уксуснокислого раствора катализатора следующего состава: H₁₇P₃Mo₁₆V₁₀O₈₉ (0.2 М)+15 об. % AcOH. Колбу продувают углекислым газом и при перемешивании нагревают раствор до 50^oC. Продолжая перемешивание, к раствору катализатора через капельную воронку в течение 40 минут добавляют раствор 0.161 г 2-метил-1-нафтола (МН) в 10 мл трихлорэтилена (ТХЭ). Мольное отношение [ГПК]:[МН] = 5. После введения раствора МН перемешивание продолжают еще 5 минут для завершения реакции, затем фазы разделяют. Для контроля глубины восстановления катализатора после отделения органической фазы измеряют редокс-потенциал его раствора. Примесь органических продуктов не влияет на значение потенциала ГПК-n, т.к. потенциал ГПК-n определяется потенциалом ионной пары VO₂⁺/VO²⁺, находящейся в равновесии с гетерополианионами. Из водно-уксусного раствора катализатора продукты реакции экстрагируют хлороформом (3 раза: 10 мл+25 мл). Объединенную органическую фазу промывают 15-20 мл воды для удаления примесей катализатора и уксусной кислоты. Промывную воду экстрагируют 5 мл хлороформа для извлечения из нее следов МД. Содержание МД в органической фазе определяют методом газожидкостной хроматографии. Найдено 0.156 г МД. Избирательность катализатора - 88,9%. Промывную воду возвращают в катализатор, который направляют на регенерацию по реакции (2) при температуре кипения в токе воздуха в течение 40 минут. После упаривания катализатора и введения части уксусной кислоты, упарившейся вместе с промывной водой, его объем доводят до исходного (25 мл) и с катализатором проводят второй цикл реакции (3). Найдено 0.154 г МД. Избирательность катализатора - 88,2%. На том же катализаторе проводят третий цикл, отличающийся тем, что за то же время окисляют 0,322 г МН. Мольное отношение [ГПК]:[МН] = 2,5. Найдено 0,307 г МД. Избирательность катализатора - 87,8%. После третьего цикла катализатор регенерируют с добавкой 0,15 мл HNO₃ конц. С этим же катализатором проводят четвертый цикл, аналогичный третьему. Найдено 0,311 г МД. Избирательность катализатора - 88,8%.

Пример 2. По методике примера 1, отличающейся тем, что в качестве катализатора используют H₆P₂Mo₉V₆O₅₀ (0,3М)+15 об.% AcOH, окисляют 0,322 г МН. Мольное отношение [ГПК]:[МН] = 3,75. Найдено 0,284 г МД. Избирательность катализатора - 81,1%. Катализатор регенерируют в токе воздуха, не добавляя HNO₃. С этим же катализатором проведен второй цикл. Найдено 0,248 г МД. Избирательность катализатора - 70,9%. Катализатор регенерируют с добавкой 0,15 мл HNO₃. С этим же катализатором проведен третий цикл. Найдено 0,281 г МД. Избирательность катализатора - 80,3%.

Пример 3. По методике примера 1, отличающейся тем, что в качестве катализатора используют H₁₈P₃Mo₁₅V₁₁O₈₉(0,2М)+15 об.% AcOH, окисляют 0,322 г МН. Мольное отношение [ГПК]:[МН] = 2,5. Найдено 0,314 г МД. Избирательность катализатора - 89,7%. Катализатор регенерируют в токе воздуха, не добавляя HNO₃. С этим же катализатором проводят второй цикл, отличающийся тем, что время реакции уменьшено до 25 минут (20 мин вводят раствор МН + 5 мин). Найдено 0,274 г МД. Избирательность катализатора - 78,4%. Катализатор регенерируют с добавкой 0,10 мл HNO₃. С этим же катализатором проведен третий цикл (время реакции 40+5 минут). Найдено 0,313 г МД. Избирательность катализатора - 89,5%.

Примеры 4, 5 приведены в табл. 2.

Все предлагаемые катализаторы некеггиновской структуры обладают высокой стабильностью и отвечают составу H_aP_xMo_yV_nO_b с 1х3; 8y16; 4<n12; 40b89; a = 2b-6y-5(x+n).

Приведенные примеры и данные табл. 2 показывают, что предлагаемый способ получения менадиона (МД) лучше способа, описанного в прототипе. В нем избирательность лучшего катализатора превышает 89%. В прототипе избирательность на 10% ниже при равных значениях мольных отношений ГПК-n:МН. Технологически новый способ удобнее и производительнее. В нем субстрат вводят в реакцию не порциями, а постепенно, но сразу все количество, не прерывая реакцию на периодическое добавление перекиси водорода и отделение органической фазы. Этого удалось добиться увеличением емкости ГПК-n за счет более высокого содержания ванадия в ее молекуле. Новый способ позволил значительно сократить время реакции за счет отказа от процедур введения H₂O₂ для частичного окисления ГПК-n и продувки реактора инертным газом. Кроме того, в 3-4 раза снижено количество азотной кислоты, необходимое для проведения регенерации катализаторов на основе ГПК-n некеггиновской структуры, содержащих более 4 атомов ванадия в своем составе. Азотную кислоту вводят на стадии регенерации катализатора в том случае, когда окислительный потенциал раствора ГПК-n снижается до 0,940-0,920 B, для того, чтобы предотвратить снижение избирательности катализатора на следующем цикле.

Расчет производительности катализатора.

Длительность полного цикла реакции (3) складывается из времени реакции окисления МН (1), времени разделения фаз, экстракции и промывки органического раствора, времени реакции (2) окисления восстановленной формы катализатора кислородом воздуха. Для сравнения проведен расчет производительности катализатора способа-прототипа (П_ПР) и производительности нового способа (П).

Для обоих случаев время экстракции и промывки растворов составляет 10 мин, а время регенерации катализатора - 40 мин. Разным будет только время реакции (1). Для лучшего катализатора способа-прототипа (при наименьшем мольном отношении ГПК-n:МН = 3,33) время реакции (1) равно 104 мин (см. табл. 1). В новом способе время реакции (1) равно 45 мин. Длительность цикла в способе-прототипе равна (104 + 10 + 40) = 154 мин, а предлагаемом способе - (45 + 10 + 40) = 95 мин.

Производительность катализатора (г МД/л_кат.час) была рассчитана по формуле

П = (Pi17260):(158V_кат.),

где P - навеска 2-метил-1-нафтола (МН) в г;

i - избирательность в долях единицы;

V_кат. - объем катализатора в л;

- суммарное время реакции (3);

172 и 158 массы молекул МД и 2МН1, соответственно.

Производительность (с учетом полного цикла реакции) лучшего катализатора в способе-прототипе, представляющего собой 0.3 М раствор Co_0,5H₆PMo₈V₄O₄₀ в 15 об.% AcOH, равна

П_ПР = (0.7110.78917260):(1580.05154) = 4,76 г МД/л_кат.час.

Производительность лучшего катализатора в предлагаемом способе (см. пример 7, 1 цикл), представляющего собой 0,2 М раствор H₁₈P₃Mo₁₅V₁₁O₈₉ в 15 об.% AcOH, равна

П = (0,3220.89717260):(1580,02595) = 7,94 г МД/л_катчас.

П:П_ПР = 7,94:4,76 = 1,668

Таким образом, производительность катализатора в предлагаемом способе синтеза МД более, чем на 66% превосходит производительность аналогичного катализатора в способе-прототипе за счет лучшей избирательности и более высокой емкости катализатора. Предлагаемый способ более технологичен тем, что не требуется вводить перекись водорода на стадии окисления субстрата, а также тем, что в 3-4 раза снижено количество азотной кислоты, вводимой на стадии регенерации катализатора.