способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона

Формула изобретения

Способ получения 2-метил-1,4-нафтохинона окислением 2-метилнафталина соединениями шестивалентного хрома в кислой среде при нагревании, отличающийся тем, что в качестве соединений шестивалентного хрома используют хромсодержащий отработанный электролит с содержанием шестивалентного хрома 150-500 г/л в пересчете на CrO₃ , который в виде смеси с серной или уксусной кислотой медленно добавляют к предварительно нагретому до 35-40°С 2-метилнафталину, а затем температуру реакционной массы повышают до 70-90°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к органическому синтезу, а именно к способу получения 2-метил-1,4-нафтохинона (МНХ, менадиона, витамина К₃). МНХ относится к витаминам группы К, которые широко применяются в медицинской практике и животноводстве, особенно в птицеводстве, в качестве препаратов для улучшения свертывания крови.

Необходимо отметить, что в России витамин К₃ не производится, и все используемые на его основе препараты имеют импортное происхождение.

Наиболее распространенные способы получения МНХ основаны на окислении 2-метилнафталина (МН) разными окислителями, в присутствии катализаторов и без них.

Среди каталитических способов окисления следует упомянуть окисление МН трет-бутилгидропероксидом, растворенным в хлорбензоле, в присутствии катализатора - тетрасульфофталоцианида железа, закрепленного на поверхности мезопористых (МСМ-41) и аморфных силикатов (SiO₂) [Sorokin A.B., Alian Tuel. Heterogeneous oxidation of aromatic compounds catalyzed by metallophthalocyanine functionalized silicas // New J. Chem., 1999, 23, 473-476]. В данном способе селективность по МНХ не превышает 34% при конверсии МН 90%.

Известны способы окисления МН бихроматами в присутствии соединений рутения в качестве катализаторов [S.Chocron, M.Michman, Oxidation of 2-methylnaphthalene to 2-methyl-l,4-naphthoquinone with ammonium dichromate catalysed by RuCl₃, Appl. Catal. 62 (1990) 119] и гидроперсульфатом калия в присутствии порфиринов железа и марганца [R.Song, A.Sorokin, J.Bernadou, B.Meunier, Metalloporphyrin-Catalyzed Oxidation of 2-methylnaphthalene to vitamin К₃ and 6-methyl-1,4-naphtholquinone by potassium monopersulfate in aqueous solution, J. Org. Chem. 62 (1997) 673].

Интересно отметить, что в японской работе [Shigekazu Yamazaki Chromium (VI) oxide-catalyzed oxidation of arenes with periodic acid // Tetrahedron Letters. 2001. V.42. P.3355-3357] оксид хрома (VI) уже выступает в качестве катализатора при окислении МН ортойодной кислотой в ацетонитриле с выходом 64%.

Большой интерес представляет использование экологически чистых и дешевых окислителей, например, пероксида водорода.

Известно окисление МН пероксидом водорода в уксусной кислоте с использованием солей железа (Fe(ClO ₄)₃, (СН₃СОО)₃Fe) в качестве гомогенного катализатора [J.Kowalski, J.Ploszynska, A.Sobkowiak, Iron (III)-induced activation of hydrogen peroxide for oxidation of 2-methylnaphthalene in glacial acetic acid, Catal. Commun. 4 (2003) 603]. Селективность данного процесса не превышает 36% при конверсии субстрата 85-90%.

Известен способ окисления МН пероксидом водорода с использованием ацетата палладия (II), закрепленного на полистирол-сульфоновых смолах, в качестве катализатора [S.Yamaguchi, M.Inone, S.Enomoto, Oxidation of 2-methylnaphthalene to 2-methyl-1,4-naphthoquinone with hydrogen peroxide in the presence of Pd(II)-polystyrene sulfonic acid resin, Chem. Lett. (1985) 827]. В данном процессе селективность по МНХ достигает 66% при конверсии МН 90%.

Известно также окисление МН пероксидом водорода в присутствии титан- и железосодержащих молекулярных сит (TS-1, Ti-Beta, Ti-NCL-1, Fe-Beta, Ti-MCM-41) [O.S.Anunziata, L.B.Pierella, A.R.Beltramone, Synthesis of menadione over selective oxidation zeolites, J. Mol. Catal. A: Chem. 149 (1999) 255; O.S.Anunziata, A.R.Beltramone, J.Cussa, Studies of Vitamin К₃ synthesis over Ti-containing mesoporous material, Appl. Catal. A: General 270 (2004) 77]. Максимальная селективность (54%) при конверсии 22% была получена для цеолита Fe-Beta.

Высокую каталитическую активность в реакции окисления МH пероксидом водорода в среде уксусной кислоты/уксусного ангидрида проявляют комплексы рения, в частности метилтриоксорений (VII) (СН₃ReО₃, МТО) [W.Adam, W.A.Herrmann, W.Lin, Ch.R.Saha-Moller, R.W.Fischer, J.D.G.Correia, Homogeneous catalytic oxidation of arenes and a new synthesis of vitamin К₃, Angew. Chem. Int. Ed. 33 (1994) 2475; W.A.Herrmann, J.J.Haider, R.W.Fischer, Rhenium-Catalyzed Oxidation of Arenes - an Improved Synthesis of Vitamin К₃, J. Mol. Catal. A: Chem. 138 (1999) 115]. Селективность по МНХ достигает 60% при конверсии МН 65%. Таким образом, общий выход продукта составил лишь 39%.

Общими недостатками всех процессов получения МНХ путем окисления МН с применением катализаторов являются сложность получения и их высокая стоимость, трудности регенерации гетерогенных катализаторов и неполная конверсия МН.

Известно окисление МН пероксидом водорода в уксусной кислоте без катализатора [US 6579994, С07С 46/04, 12.12.02]. Авторы получили почти 100% селективность и конверсию. Тем не менее, при этом использовалась достаточно высокая температура (100°С) и время реакции составляло 3 часа.

В промышленности МНХ получают, главным образом, путем стехиометрического окисления МН оксидом хрома (VI) в серной кислоте с выходом 40-50% [L.F.Fieser, Convenient procedures for the preparation of antihemorrhagic compounds, J. Biol. Chem. 133 (1940) 391].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения МНХ путем окисления МН солями шестивалентного хрома в серной кислоте [US 3751437, С07С 49/66, 07.08.1973]. Реакцию проводят в периодическом и непрерывном режимах. МН предварительно растворяют в четыреххлористом углероде, затем последовательно смешивают с водным раствором соли хрома. Смесь нагревают до 65-70°С и выдерживают при постоянном перемешивании 45 мин. Затем добавляют 76% серную кислоту и выдерживают смесь еще 90 мин при той же температуре. Далее четыреххлористый углерод с растворенным МНХ декантируют и отгоняют под вакуумом. Конверсия составляет 94%, общий выход составляет 57-61%. В качестве инертного растворителя допускается брать уксусную кислоту, хлороформ, дихлорэтан, бензол и т.д. Окислителями выступают соединения шестивалентного хрома, такие как хромат натрия, бихромат натрия, оксид хрома (VI) и др. В качестве минеральных кислот используют серную и соляную кислоты. При непрерывном режиме синтеза растворы МНХ, бихромата и кислоты подаются одновременно в трубчатый реактор с определенной скоростью. Рассмотренный способ получения МНХ имеет следующие недостатки. Во-первых, используются дорогостоящие и ядовитые органические растворители, которые затем необходимо отгонять. Во-вторых, основные характеристики процесса - конверсия исходного соединения и выход целевого продукта недостаточно высоки - 94% и 57-61% соответственно.

Задачей данного изобретения является разработка более простого способа получения МНХ с высокой конверсией, с более высоким выходом, а также с использованием отходов производства.

Поставленная задача получения МНХ решена в предлагаемом способе окислением МН хромсодержащим отработанным электролитом с содержанием шестивалентного хрома 150-500 г/л в пересчете на CrO₃, который в виде смеси с H₂SO₄ или СН₃СООН медленно добавляют к предварительно нагретому до 35-40°С МН, а затем температуру реакционной массы повышают до 70-90°С и выдерживают 40-90 мин.

Технический результат предлагаемого способа - упрощение процесса, повышение конверсии и выхода целевого продукта - достигают только при соблюдении всех параметров процесса.

А именно, в предварительно нагретый до 35-40°С МН при интенсивном перемешивании медленно добавляют окисляющую смесь, при этом температуру в реакторе поддерживают на уровне 40°С. Только после добавления всего окислителя температуру поднимают до 70-90°С и смесь выдерживают 40-90 мин. Далее добавляют избыток воды, выпавший МНХ отфильтровывают, промывают водой от солей хрома и высушивают. Окисляющую смесь готовят заранее путем перемешивания хромовых отходов с кислотой. Температура смешения реагентов в 35-40°С обусловлена с одной стороны температурой плавления МН, а с другой стороны нежелательным окислением при высоких температурах образующегося МНХ с образованием побочных продуктов. После введения всего количества окисляющей смеси температуру поднимают до 70-90°C с целью полного окисления МН, т.к. при меньшей температуре не весь МН успевает прореагировать. Оптимальное время реакции - 60 мин. При более раннем завершении процесса, часть МН остается не прореагировавшим, при более позднем начинает заметно окисляться МНХ до побочных продуктов.

Полученный продукт анализировали методом газовой хроматографии.

Заявленный способ получения МНХ поясняется следующими примерами:

1. В термостатируемый при 40°С реактор, снабженный перемешивающим устройством и обратным холодильником, помещают 5 г МН. После того как МН расплавится, к нему медленно добавляют окисляющую смесь. Окисляющая смесь представляет собой 100 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 150 г/л в пересчете на CrО ₃, смешанных с 30 мл серной кислоты. После добавления окисляющей смеси, реактор нагревают до 70°С и выдерживают 60 мин. Затем в смесь добавляют 50 мл воды, охлаждают до комнатной температуры, выпавший МНХ отфильтровывают и промывают водой. Высушивают при 70°С. Масса сырого продукта составляет 4,36 г. Основного вещества 93%. Конверсия 98%. Выход 67%. Далее МНХ очищают перекристаллизацией в изооктане или любом другом неполярном растворителе.

2. Все так же как в примере 1, только окисляющая смесь представляет собой 50 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 300 г/л в пересчете на CrO ₃, смешанных с 17 мл серной кислоты. Масса сырого продукта составляет 4,68 г. Основного вещества 88%. Конверсия 99%. Выход 68%.

3. Все так же как в примере 1, только окисляющая смесь представляет собой 30 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 500 г/л в пересчете на CrO₃, смешанных с 10 мл серной кислоты. Масса сырого продукта составила 5,14 г. Основного вещества 80%. Конверсия 100%. Выход 68%.

4. Все так же как в примере 2, только смесь нагревают до 80°С и выдерживают 60 мин. Масса сырого продукта составляет 4,70 г. Основного вещества 85%. Конверсия 100%. Выход 66%.

5. Все так же как в примере 2, только смесь нагревают до 70°С и выдерживают 40 мин. Масса сырого продукта составляет 4,05 г. Основного вещества 94%. Конверсия 95%. Выход 63%.

6. Все так же как в примере 2, только смесь нагревают до 70°С и выдерживают 90 мин. Масса сырого продукта составляет 4,78 г. Основного вещества 81%. Конверсия 100%. Выход 63%.

7. Все так же как в примере 2, только 2-метилнафталин добавляют в ректор термостатируемый при 35°С. Масса сырого продукта составляет 4,69 г. Основного вещества 88%. Конверсия 99%. Выход 68%.

8. В термостатируемый при 40°С реактор, снабженный перемешивающим устройством и обратным холодильником, помещают 5 г МH. После того как МН расплавится, медленно добавляют окисляющую смесь. Окисляющая смесь представляет собой 100 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 150 г/л в пересчете на CrO₃, смешанных со 100 мл уксусной кислоты. После добавления окисляющей смеси, реактор нагревают до 90°С и выдерживают 60 мин. Затем в смесь добавляют 200 мл воды, охлаждают до комнатной температуры, выпавший МНХ отфильтровывают и промывают водой до исчезновения зеленоватого оттенка. Высушивают при 70°С. Масса сырого продукта составляет 3,79 г. Основного вещества 99%. Конверсия 100%. Выход 62%. Далее МНХ очищают перекристаллизацией в изооктане или любом другом неполярном растворителе.

9. Все так же как в примере 8, только окисляющая смесь представляла собой 50 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 300 г/л в пересчете на CrO ₃, смешанных с 50 мл уксусной кислоты. По окончании реакции в смесь добавляют 100 мл воды, охлаждают до комнатной температуры, выпавший МНХ отфильтровывают и промывают водой до исчезновения зеленоватого оттенка. Высушивают при 70°С. Масса сырого продукта составляет 3,85 г. Основного вещества 99%. Конверсия 100%. Выход 63%.

10. Все так же как в примере 8, только окисляющая смесь представляет собой 30 мл водных отходов электролитических производств, содержащих шестивалентный хром концентрацией 500 г/л в пересчете на CrO₃, смешанных с 30 мл уксусной кислоты. По окончании реакции в смесь добавляют 100 мл воды, охлаждают до комнатной температуры, выпавший МНХ отфильтровывают и промывают водой до исчезновения зеленоватого оттенка. Высушивают при 70°С. Масса сырого продукта составляет 3,91 г. Основного вещества 99%. Конверсия 100%. Выход 64%.

Обобщенные результаты проведения процесса по примерам 1-10 приведены в таблице.

Окисление 2-метилнафталина до 2-метил-1,4-нафтохинона хромовыми отходами гальванических производств
Пример	Концентрация хромовых отходов, г/л в пересчете на CrO3	Растворитель	Продолжительность реакции, мин	t, °C	Выход МНХ, мол.%	Конверсия МН, мол.%	Чистота продукта, мас.%
1	150	Н2О+H2SO4	60	70	67	98	93
2	300	H2O+H2SO4	60	70	68	99	88
3	500	Н2O+H2SO4	60	70	68	100	80
4	300	Н2О+Н2SO4	60	80	66	100	85
5	300	Н2O+H2SO4	40	70	63	95	94
6	300	H2O+H2SO4	90	70	64	100	81
7*	300	Н2O+H2SO4	60	70	68	99	88
8	150	СН3СООН	60	90	62	100	99
9	300	СН3СООН	60	90	63	100	99
10	500	СН3СООН	60	90	64	100	99
* - 2-метилнафталин помещают в реактор, термостатируемый при 35°С.

Таким образом, предлагаемый способ получения МНХ позволяет получить целевой продукт с более высоким выходом и чистотой. Кроме этого, предлагаемый способ получения МНХ одновременно является и способом утилизации отходов гальванического производства, которые в настоящее время либо захоранивают, либо восстанавливают до трехвалентного хрома. Полученные в ходе данного процесса соли трехвалентного хрома пригодны для получения дубителя кож. Таким образом, предлагаемая технология является практически безотходной и позволяет использовать отходы, содержащие как шестивалентный, так и трехвалентный хром.