способ получения 2-кето-l-гулоновой кислоты окислением l- сорбозы

Формула изобретения

1. Способ получения 2-кето-L-гулоновой кислоты окислением сорбозы на гетерогенном платинасодержащем катализаторе в водно-щелочной среде с эквимолярным содержанием NaHCO₃ при интенсивном перемешивании и барботаже окислительного агента, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют полимерный платинасодержащий катализатор, полученный введением платины в сверхсшитый полистирол, в качестве окислительного агента используют чистый кислород, а реакцию окисления проводят при концентрации сорбозы 0,22 - 0,44 моль/л и 60 - 80°С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют полимерный платинасодержащий катализатор, полученный введением платины в сверхсшитый полистирол в количестве 20 - 52 г/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание платины в полимерном платинасодержащем катализаторе, полученном введением платины в сверхсшитый полистирол, составляет 2 - 4%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость барботажа окислительного агента составляет 440 - 450 мл/мин.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что интенсивность перемешивания составляет 900 - 1000 об./мин.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к органической химии, а именно к способам окисления кетоз. Получаемый продукт является промежуточным в синтезе витамина C. 2-кето-L-гулоновую кислоту получают жидкофазным окислением:



Известен способ окисления сорбозы на 10% Pd/C кислородом воздуха в водной щелочной среде со следующим содержанием компонентов: сорбозы - 5 г, NaHCO₃ - 3.5 г, Pd/C (10%) - 1 г, воды - 50 мл. Скорость барботажа 3 л/мин. Реакция проводится при 70^oC и атмосферном давлении. Длительность процесса составляет 5-6 ч, а выход кетогулоновой кислоты - 53% (Lengyel-Meszaros A., Losonezi B. , Petro J. , et al. The Catalytic Oxidation of Sorbose// Acta Chimica Academiae Scientiarum Hungaricae. -1978, V. 97. -P. 213-220).

Недостатком этого способа является низкая селективность при длительном ведении процесса, а также высокое содержание паладия в катализаторе Pd/C. Кроме того, не приведены данные по стабильности используемого катализатора. Все это указывает на ограниченное применение такого способа окисления на практике.

Наиболее близким по технической сущности является способ получения 2-кето-L-гулоновой кислоты на гетерогенном катализаторе - 5% Pt, 3% PbCO₃/C в водной щелочной среде - pH 7-8 со следующим содержанием компонентов: сорбозы - 60 г, NaHCO₃ - эквимолярное количество, 5% Pt, 3% PdCO₃/C - 25 г, воды - 1000 мл, со скоростью барботажа окислительного агента 200 мл/мин при интенсивном перемешивании со скоростью 500 об./мин, при 40^oC и атмосферном давлении. Длительность процесса 2,5 ч. Выход 2-кето-L-гулоновой кислоты составил 87%.

Недостатком этого способа является низкий выход 2-кето-L-гулоновой кислоты при значительном содержании платины в катализаторе, что приводит к его удорожанию (Патент США N 4599446, МПК⁶ C 07 C 51/235, C 07 C 59/125, 1986 г. ).

Задачей изобретения является разработка условий проведения процесса окисления сорбозы до 2-кето-L-гулоновой кислоты в присутствии катализатора на основе сверхсшитого полистирола, в порах которого содержатся наночастицы платины. Решение поставленной задачи позволит в дальнейшем увеличить выход полупродукта в синтезе витамина C, а также удешевить используемый катализатор за счет возможности его циклического применения.

Технический результат изобретения - получение 2-кето-L-гулоновой кислоты с высоким выходом.

Поставленная задача достигается тем, что способ получения 2-кето-L-гулоновой кислоты окислением сорбозы на гетерогенном платинасодержащем катализаторе осуществляют в водно-щелочной среде с эквимолярным содержанием NaHCO₃ при интенсивном перемешивании и барботаже окислительного агента, согласно изобретению в качестве катализатора используют полимерный платинасодержащий катализатор, полученный введением платины в сверхсшитый полистирол, в качестве окислительного агента используют чистый кислород, а реакцию окисления проводят при концентрации сорбозы 0.22-0.44 моль/л и 60-80^oC. Кроме того, полимерный платинасодержащий катализатор берут в количестве 20-52 г/л, при этом содержание платины в нем составляет 2-4%. Преимущественно, скорость подачи окислительного агента составляет 440-450 мл/мин, а интенсивность перемешивания - 900-1000 об./мин.

При уменьшении температуры окисления ниже 60^oC происходит замедление процесса окисления, а при обратном изменении температуры увеличивается содержание побочных продуктов. Изменение соотношения концентрации катализатора и сорбозы как в большую, так и в меньшую стороны от оговоренных интервалов ведет к уменьшению выхода 2-кето-L-гулоновой кислоты. Применение для процесса других каталитических систем с различным содержанием Pt возможно (например: Pt/Al₂O₃, Pt/SiO₂ СПС-Pt-метанол), однако в случае их использования не удается достичь достаточно высокой приведенной скорости процесса. Платинасодержащий полимерный контакт остается стабильным в течение 30-50 реакционных циклов. Использование в качестве окислительного агента чистого кислорода позволяет существенно интенсифицировать химическую реакцию, что является невозможным при применении кислорода воздуха. При понижении интенсивности перемешивания ниже 900 об./мин также происходит замедление процесса окисления, а повышение свыше 1000 об./мин не дает никакого положительного эффекта.

Полимерный платинасодержащий катализатор синтезируют путем введения гексахлоридаплатината водорода (H₂PtCl₆) в сверхсшитый полистирол. Процесс осуществляется в среде тетрагидрофурана.

В пробирку Шленка, снабженную резиновым септумом, помещают 5 г сверхсшитого полистирола и вакуумируют при 1 мм рт.ст. в течение 30 мин, затем заполняют аргоном. Навеску H₂PtCl₂ растворяют в 20 мл тетрагидрофурана. 10 мл раствора H₂PtCl₆ помощью шприца через септум вводят в пробирку сверхсшитый полистирол и оставляют набухать на 1 ч. Затем откачивают растворитель в вакууме (1 мм рт.ст.) в течение суток. После этого вводят оставшиеся 10 мл и повторяют процедуру.

Полученный образец сушат в течение 3 суток в вакууме (1 мм рт.ст.), при этом цвет сверхсшитого полистирола меняется с желтого на черный. Содержание активной фазы (платины) - 2-4%. Катализатор хранят при комнатной температуре в бюксах и используют в окислении сорбозы до 2-кето-L-гулоновой кислоты.

Способ получения 2-кето-L-гулоновой кислоты окислением сорбозы включает проведение процесса в водно-щелочной среде с эквимолярным содержанием NaHCO₃ при непрерывном перемешивании с интенсивностью 1000 об./мин на гетерогенном полимерном платиновом катализаторе (2-4% Pt) в количестве 20-52 г/л, остающегося стабильным в течение 30-50 реакционных циклов, при концентрации сорбозы 0.22-0.44 моль/л, 60-80^oC, когда в качестве окислительного агента используется чистый кислород, скорость барботажа которого составляет 440-450 мл/мин.

Для пояснения способа получения 2-кето-L-гулоновой кислоты приведен чертеж, на котором изображена установка для проведения процесса окисления сорбозы до 2-кето-L-гулоновой кислоты (общий вид).

Установка окисления состоит из реактора 1, снабженного магнитной мешалкой 2, и подключенного к ней лабораторного трансформатора 3. Обратный холодильник 4 присоединяют к штуцеру 5 реактора 1, через штуцер 6 реактора 1 загружают реагенты, а через штуцер 7 осуществляют подвод кислорода из газового баллона 8. Измерение количества подачи кислорода осуществляют ротаметром 9, при этом реактор 1 термостатируют водой, подаваемой с термостата 10. Для введения в реакционную массу подщелачивающего агента в состав установки входит блок автоматического титрования 11, который посредством pH-метра 12, снабженного электродами 13, контролирует и посредством бюретки 14 и закрепленного на ней электромагнитного клапана 15 вводит подщелачивающий агент в реактор 1 через штуцер 16.

Способ осуществляют следующим образом: реактор 1 термостатируют до 60-90^oC. Затем через штуцер 6 в него загружают реагенты и необходимый объем воды. Температуру реакционной смеси поддерживают подачей в рубашку реактора 1 из термостата 10. Устанавливают перемешивание реакционной массы подключением магнитной мешалки 2. Затем подают кислород через штуцер 7 из газового баллона 8, скорость барботажа кислорода контролируют ротаметром 9. Интенсивное перемешивание содержимого реактора позволяет вести процесс в кинетической области.

Проведение процесса каталитического окисления сорбозы при описанных условиях обеспечивает селективное ведение процесса и высокий выход 2-кето-L-гулоновой кислоты.

Лучший вариант осуществления способа.

Реактор 1 термостатируют до 60-80^oC. Затем через штуцер 6 загружают 0.22-0.44 моль/л сорбозы и 20-52 г/л катализатора, 13 мл воды. Затем отдельно растворяют эквимолярное количество подщелачивающего агента NaHCO₃ в 12 мл воды, через штуцер 6 приливают 0,6 мл этого раствора. В дальнейшем через каждые 10 мин в течение 3 ч 20 мин приливают 0,6 мл NaHCO₃. Температуру реакционной смеси поддерживают подачей в рубашку реактора 1 из термостата 10. Устанавливают перемешивание реакционной массы подключением магнитной мешалки 2 с количеством оборотов 900-1000 об./мин. Затем подается кислород через штуцер 7 из газового баллона 8, с помощью ротаметра 9 устанавливают скорость 440-450 мл/мин. Выход 2-кето-L-гулоновой кислоты составил 99%.

Пример N 1 получения 2-кето-L-гулоновой кислоты.

Реактор 1 термостатируют до 70-50^oC. Затем через штуцер 6 загружают 0.36 моль/л сорбозы и 52 г/л катализатора, 13 мл воды. Затем отдельно растворяют в 12 мл воды 036 моль/л подщелачивающего агента NaHCO₃, через штуцер 6 приливают 0.6 мл этого раствора. В дальнейшем через каждые 10 мин в течение 3 ч 20 мин приливают 0.6 мл NaHCO₃. Температуру реакционной смеси поддерживают подачей в рубашку реактора 1 из термостата 10. Устанавливают перемешивание реакционной массы подключением магнитной мешалки 2 с количеством оборотов 1000 об./мин. Затем подают кислород через штуцер 7 из газового баллона 8, с помощью ротаметра 9 устанавливают скорость 450 мл/мин. Выход 2-кето-L-гулоновой кислоты составил 98%.

Пример N 2 получения 2-кето-L-гулоновой кислоты.

Реактор 1 термостатируют до 65-500^oC. Затем через штуцер 6 загружают 0.36 моль/л сорбозы и 52 г/л катализатора, 13 мл воды. Затем отдельно растворяют в 12 мл воды 0.36 моль/л подщелачивающего агента NaHCO₃, через штуцер 6 приливают 0.6 мл этого раствора. В дальнейшем через каждые 10 мин в течение 3 ч 20 мин приливают 0.6 мл NaHCO₃. Температуру реакционной смеси поддерживают подачей в рубашку реактора 1 из термостата 10. Устанавливают перемешивание реакционной массы подключением магнитной мешалки 2 с количеством оборотов 1000 об./мин. Затем подают кислород через штуцер 7 из газового баллона 8, с помощью ротаметра 9 устанавливают скорость 450 мл/мин. Выход 2-кето-L-гулоновой кислоты составил 96%.

Пример N 3 получения 2-кето-L-гулоновой кислоты.

Реактор 1 термостатируют до 75^oC. Затем через штуцер 6 загружают 0.36 моль/л сорбозы и 52 г/л катализатора, 13 мл воды. Затем отдельно растворяют в 12 мл воды 0.36 моль/л подщелачивающего агента NaHCO₃, через штуцер 6 приливают 0.6 мл этого раствора. В дальнейшем через каждые 10 мин в течение 3 ч 20 мин приливают 0.6 мл NaHCO₃. Температуру реакционной смеси поддерживают подачей в рубашку реактора 1 из термостата 10. Устанавливают перемешивание реакционной массы подключением магнитной мешалки 2 с количеством оборотов 1000 об./мин. Затем подают кислород через штуцер 7 из газового баллона 8, с помощью ротаметра 9 устанавливают скорость 450 мл/мин. Выход 2-кето-L-гулоновой кислоты составил 97%.

Результаты получения 2-кето-L-гулоновой кислоты реакцией окисления сорбозы приведены в таблице.

Предлагаемый способ можно широко применять в производстве витаминов и лекарственных препаратов, когда в него входит стадия окисления сорбозы до 2-кето-L-гулоновой кислоты, с высоким выходом конечного продукта.