способ получения соединений, содержащих нитрильные группы

Формула изобретения

1. Способ получения соединений, содержащих по меньшей мере одну нитрильную группу, путем гидроцианирования органического соединения, содержащего по меньшей мере одну несопряженную ненасыщенную связь и имеющего от 2 до 20 атомов углерода, реакцией с цианистым водородом в присутствии каталитической системы, содержащей комплекс никеля в состоянии нулевой степени окисления, с по меньшей мере одним фосфорорганическим лигандом, выбранным из группы, содержащей органофосфиты, органофосфониты, органофосфиниты и органофосфины, и сокатализатором, отличающийся тем, что сокатализатор состоит из смеси по меньшей мере двух кислот Льюиса, из которых по меньшей мере одна является металлоорганическим соединением, отвечающим общей формуле I

[(R)_a-(X)_y-] _nM-(O)_p-M₁[-(X)_z-(R ₁)_a1]_n1,

в которой М, M ₁, одинаковые или разные, означают элемент, выбранный из группы, содержащей следующие элементы: В, Si, Ge, Sn, Pb, Zn, Al, In,

R, R₁, одинаковые или разные, означают алифатический радикал или радикал, содержащий ароматический или циклоалифатический цикл, замещенный или нет, который может быть соединен мостиковой связью или нет, или галогенидный радикал,

причем

Х означает атом кислорода, азота, серы или кремния,

y, z, p являются целыми числами, одинаковыми или разными, равными 0 или 1,

n, n₁ означают целые числа, равные валентности элементов М, M₁ минус 1,

a, a₁ означают целые числа, одинаковые или разные, равные валентности элемента Х минус 1, если y, z равны 1, или равные 1, если y, z равны 0.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что R, R₁, одинаковые или разные, означают ароматический, алифатический, циклоалифатический радикал, замещенный или нет, который может быть соединен мостиковой связью или нет, или галогенидный радикал.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что соединение формулы I выбрано из группы, содержащей следующие соединения:

бис(неопентилгликолят)диборан

бис(гексиленгликолят)диборан

бис(пинаколят)диборан

тетракис(пирролидино)диборан

гексаметилдисилан

тетрафенилдиметилдисилан

дифенилтетраметилдисилан

трис(триметилсилил)силан

тетракис(триметилсилил)силан

гексафенилдисилан

гексаметилдигерман

гексаэтилдигерман

гексафенилдигерман

гексаметилдистаннан

гексабутилдистаннан

гексафенилдистаннан

трифенилстаннилдиметилфенилсилан

трифенилгерманил-трифенилстаннан

гексафенилдиплюмбан

и соединения следующих формул:



в которых

iBu означает изобутильный радикал,

mes означает мезитильную группу (2,4,6-триметилфенил), и

Ph означает фенильную группу.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что каталитическая система имеет мольное отношение сокатализатора к молям Ni от 0,1 до 10.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что соединение формулы I находится в смеси кислот Льюиса при концентрации по меньшей мере 0,1 мол.% от полного числа молей кислот Льюиса, предпочтительно по меньшей мере 1 мол.%.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что соединение формулы I присутствует в количестве по меньшей мере 5 мол.%.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что соединение формулы I присутствует в количестве по меньшей мере 10 мол.%.

8. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7, отличающийся тем, что когда смесь кислот Льюиса содержит кислоту Льюиса, не отвечающую формуле I, эта кислота Льюиса присутствует в молярной концентрации по меньшей мере 50%.

9. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7, отличающийся тем, что фосфорорганический лиганд выбран из группы, содержащей монодентатные и бидентатные фосфорорганические соединения.

10. Способ по любому из пп.1, 2, 6, 7, отличающийся тем, что органические соединения, которые требуется превратить в динитрильные соединения, являются пентеннитрильными соединениями.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что соединения, содержащие по меньшей мере одну нитрильную группу, являются адипонитрилом, метилглутаронитрилом и сукцинонитрилом.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу получения соединений, содержащих по меньшей мере одну нитрильную группу, путем гидроцианирования соединения, содержащего по меньшей мере одну несопряженную ненасыщенную связь.

В частности, изобретение относится к способу получения, в котором применяется реакция цианистого водорода с органическим соединением, содержащим несопряженную ненасыщенную связь, в присутствии каталитической системы, содержащей комплекс никеля в состоянии нулевой степени окисления (называемый ниже Ni(0)), с по меньшей мере одним фосфорорганическим лигандом и сокатализатором, относящимся к семейству кислот Льюиса.

Такие способы известны уже много лет и применяются в промышленности, в частности, для получения важного химического промежуточного продукта, адипонитрила. Этот промежуточный продукт используется, в частности, при получении гексаметилендиамина, который является важным мономером для получения полиамидов, а также промежуточным продуктом в синтезе диизоцианатных соединений.

Так, компания DU PONT DE NEMOURS наладила и применяет способ получения адипонитрила двойным гидроцианированием бутадиена. Эта реакция обычно катализируется каталитической системой, содержащей комплекс Ni(0) с фосфорорганическими лигандами. Эта система содержит также сокатализатор, в частности, на этапе второго гидроцианирования, то есть гидроцианирования ненасыщенных соединений, содержащих нитрильную группу, таких, как пентеннитрилы, с получением динитрильных соединений.

В патентах предлагалось много сокатализаторов, которые обычно представляют собой соединения, относящиеся к семейству кислот Льюиса. Одной из функций этого сокатализатора или промотора является ограничение образования побочных продуктов и, таким образом, облегчение образования линейных динитрильных соединений по сравнению с образованием разветвленных динитрилов.

Так, уже предлагались многие галогениды металлов, такие, как хлорид цинка, бромид цинка, хлорид двухвалентного олова, бромид двухвалентного олова, например, в патенте US 3 496 217. Предпочтительным сокатализатором является хлорид цинка.

Предлагались также органические соединения бора, такие, как трифенил бора, или соединения, содержащие два атома бора, какие описаны в патентах US 3864380 и US 3496218, а также органические соединения олова, как в патенте US 4874884.

Сокатализаторы, содержащие несколько кислотных центров, в частности, два кислотных центра, предлагались в еще неопубликованных заявках на патент Франции № 08 00381 и 08 05821.

Эти сокатализаторы имеют различные свойства и позволяют получать разные селективности по линейным динитрилам, таким, как адипонитрил. Некоторые из этих сокатализаторов имеют недостатки, связанные с трудностью их выделения из реакционной среды или с возможностью и легкостью экстракции каталитической системы или лиганда Ni(0) в присутствии этого сокатализатора для их повторного использования.

Предлагалось также использовать в качестве сокатализатора смесь кислот Льюиса, в частности, когда одним из сокатализаторов является трифенил бора, как это описано в патенте US 4874884, или использовать комбинацию кислоты Льюиса и другого соединения, образованного алкоксилом алюминия или титана, как описано в патентной заявке WO 2004/087314.

По-прежнему существует потребность в нахождении новых каталитических систем, позволяющих достичь селективности по линейным динитрилам на приемлемых уровнях и легкие в применении, и/или улучшить кинетику и выход динитрилов в реакции гидроцианирования.

Одной из задач настоящего изобретения является предложить новую каталитическую систему, содержащую новую комбинацию особых совместимых сокатализаторов, дающих подходящие уровни селективности по адипонитрилу и выход динитрилов в реакции гидроцианирования пентеннитрилов.

С этой целью изобретение предлагает способ получения соединений, содержащих по меньшей мере одну нитрильную группу, путем гидроцианирования органического соединения, содержащего по меньшей мере одну несопряженную ненасыщенную связь и имеющего от 2 до 20 атомов углерода, реакцией с цианистым водородом в присутствии каталитической системы, содержащей комплекс никеля в состоянии нулевой степени окисления, с по меньшей мере одним фосфорорганическим лигандом, выбранным из группы, содержащей органофосфиты, органофосфониты, органофосфиниты и органофосфины, и сокатализатором, отличающийся тем, что сокатализатор состоит из смеси по меньшей мере двух кислот Льюиса, из которых по меньшей мере одна является металлоорганическим соединением, отвечающим общей формуле I:

[(R)_a-(X) _y-]_nM-(O)_p-M₁[-(X) _z-(R₁)_a1]_n1

в которой:

M, M₁, одинаковые или разные, означают элемент, выбранный из группы, содержащей следующие элементы: B, Si, Ge, Sn, Pb, Mo, Ni, Fe, W, Cr, Zn, Al, Cd, Ga, In,

R, R₁, одинаковые или разные, означают алифатический радикал или радикал, содержащий ароматический или циклоалифатический цикл, замещенный или нет, который может быть соединен мостиковой связью или нет, или галогенидный радикал,

причем

X означает атом кислорода, азота, серы или кремния,

y, z, p являются целыми числами, одинаковыми или разными, равными 0 или 1,

n, n₁, означают целые числа, равные валентности элементов M, M₁ минус 1,

a, a₁ означают целые числа, одинаковые или разные, равные валентности элемента X минус 1, если y, z равны 1, или равные 1, если y, z равны 0.

Выгодно, R, R₁, одинаковые или разные, означают ароматический, алифатический, циклоалифатический радикал, замещенный или нет, который может быть соединен мостиковой связью или нет, или галогенидный радикал.

В приведенной выше формуле, когда p равно 0, связь между элементами M и M ₁ является простой или кратной ковалентной связью, в зависимости от природы элементов M и M₁.

В формуле выше a равно валентности элемента X минус 1, если y равно 1, и a равно 1, если y равно 0. Аналогично, a1 равно валентности элемента X минус 1, если z равно 1, и a1 равно 1, если z равно 0.

Согласно одной предпочтительной характеристике изобретения, металлоорганическое соединение формулы I благоприятно выбрано из группы следующих соединений:

- бис(неопентилгликолято)диборан (RN CAS 201733-56-4)

- бис(гексиленгликолято)диборан (RN CAS 230299-21-5)

- бис(пинаколято)диборан (RN CAS 73183-34-3)

- тетракис(пирролидино)диборан (RN CAS 158752-98-8)

- гексаметилдисилан (RN CAS 1450-14-2)

- тетрафенилдиметилдисилан (RN CAS 1172-76-5)

- дифенилтетраметилдисилан (RN CAS 1145-98-8)

- трис(триметилсилил)силан (RN CAS 1873-77-4)

- тетракис(триметилсилил)силан (RN CAS 4098-98-0)

- гексафенилдисилан (RN CAS 1450-23-3)

- гексаметилдигерман (RN CAS 993-52-2)

- гексаэтилдигерман (RN CAS 993-62-4)

- гексафенилдигерман (RN CAS 2816-39-9)

- гексаметилдистаннан (Rn CAS 661-69-8)

- гексабутилдистаннан (RN CAS 813-19-4)

- гексафенилдистаннан (RN CAS 1064-10-4)

- трифенилстаннилдиметилфенилсилан (RN CAS 210362-76-8)

- трифенилгерманил-трифенилстаннан (RN CAS 13904-13-7)

- гексафенилдиплюмбан (RN CAS 3124-01-4)

- циклопентадиенилжелезо дикарбонил, димер (RN CAS 38117-54-3)

- циклопентадиенилхром дикарбонил, димер (RN CAS 37299-12-0)

- циклопентадиенилникель карбонил, димер (RN CAS 12170-92-2)

- циклопентадиенилвольфорам трикарбонил, димер (RN CAS 12566-66-4)

- метилциклопентадиенилмолибден трикарбонил, димер (RN33056-03-0)

и соединения следующих формул:

в которых

iBu означает изобутильный радикал

mes означает мезитильную группу (2,4,6-триметилфенил), и

Ph означает фенильную группу.

Соединение формулы (IV) зарегистрировано под номером CAS 998-00-5 и далее в настоящем тексте обозначено как TIBAO.

Соединение формулы (X) зарегистрировано под номером CAS 4426-21-5.

Эти соединения, а также способ их получения описаны в литературе. Регистрационный номер RN CAS приводится только в качестве информации. Большинство этих соединений имеются в продаже.

Согласно изобретению, кислота Льюиса, которая находится в комбинации с соединением формулы I, может быть выбрана из разных многочисленных кислот Льюиса, уже описанных и использующихся в системах катализа реакции гидроцианирования, в частности, реакции гидроцианирования пентеннитрилов. Такие кислоты Льюиса описаны в патентах, цитированных при описании уровня техники.

В качестве неограничивающих примеров кислот Льюиса, подходящих для каталитических систем согласно изобретению, можно назвать большое число соединений, содержащих катионы металлов в сочетании с очень широким множеством анионов. Так, например, катионы могут быть катионами цинка, кадмия, бериллия, алюминия, галлия, индия, свинца, титана, ванадия, ниобия, скандия, хрома, молибдена, вольфрама, марганца, рения, палладия, тория, эрбия, железа и кобальта.

В качестве предпочтительных анионов можно назвать галогениды, такие, как фторид, хлорид, бромид и йодид, анионы органических жирных кислот, содержащие от 2 до 7 атомов углерода, анионы HPO₃ ^2-, H₂PO₂ ^-, CF₃COO^-, OSO₂ C₇F₁₅ ^-, SO₄ ^2-.

Могут также использоваться и другие кислоты Льюиса, относящиеся к семейству органических соединений бора или олова, такие, как трифенил бора.

В одном предпочтительном варианте изобретения каталитическая система согласно изобретению содержит сокатализатор по изобретению в мольном отношении сокатализатора к числу атомов никеля, составляющем от 0,01 до 50, предпочтительно от 0,1 до 10. Эта концентрация сокатализатора соответствует полной концентрации кислоты Льюиса.

В каталитической системе согласно изобретению соединение формулы I составляет по меньшей мере 0,1 мол.% от смеси кислот Льюиса, благоприятно по меньшей мере 1%, предпочтительно по меньшей мере 5%, еще более предпочтительно по меньшей мере 10%. В случае, когда вторая кислота Льюиса не соответствует формуле I, эта вторая кислота Льюиса благоприятно присутствует в смеси в мольном содержании по меньшей мере 50%.

Согласно одной предпочтительной характеристике изобретения, кислота Льюиса, комбинированная с соединением формулы I, благоприятно выбрана из группы кислот Льюиса, содержащих всего один кислотный центр и перечисленных в патентах US 3496217, US 3864380, US 3496218 и US 4874884. В качестве особенно предпочтительной кислоты Льюиса в этом списке можно назвать хлорид цинка и трифенил бора.

Каталитическая система согласно изобретению содержит комплекс Ni(0) с по меньшей мере одним фосфорорганическим соединением, предпочтительно монодентатным соединением, таким, как трифенилфосфит или тритолилфосфит, описанным, например, в патентах US 3496215, DE 19953058, FR 1529134, FR 2069411, US 3631191, US 3766231, FR 2523974, или с бидентатным соединением, таким, как органофосфитные соединения, описанные в патентах WO 9906355, WO 9906356, WO 9906357, WO 9906358, WO 9952632, WO9965506, WO 9962855, US 5693843, WO 961182, WO 9622968, US5981772, WO 0136429, WO 9964155, WO 0213964, US 6127567.

Можно также использовать комплексы Ni(0) с монодентатными и бидентатными органофосфиновыми соединениями, какие описаны в патентах WO 02/30854, WO 02/053527, WO 03/068729, WO 04/007435, WO 04/007432, FR 2845379, WO 2004/060855 и, в частности, с тритиенилфосфином, описанным в неопубликованной французской заявке № 0803373, и DPPX, описанным в патенте WO 2003031392.

Равным образом, каталитическая система по изобретению может содержать комплекс Ni(0) с монодентатными и бидентатными фосфорорганическими соединениями, относящимися к семейству органофосфонитов или органофосфинитов.

Можно также использовать сокатализаторы по изобретению с комплексом Ni(0), полученным со смесью монодентатного органофосфитного лиганда и бидентатного лиганда, выбранного из семейства соединений, относящихся к органофосфитам, органофосфонитам, органофосфинитам или органофосфинам, какие описаны в патентах WO 03011457, WO 2004/065352, или смесей монодентатных лигандов, какие описаны в еще неопубликованной французской патентной заявке № 0803374.

Описание способа гидроцианирования приводится в нескольких патентах, в том числе цитированных ранее, а также в статьях С.А. TOLMAN, опубликованных в журналах Organometallics 3 (1984) 33, Advances in Catalysis (1985) 33-1, и Journal of Chemical Educztion (1986) vol 63, n.3, pages 199-201.

Вкратце, способ получения соединений, содержащих по меньшей мере одну нитрильную группу и, в частности, динитрильных соединений, таких как адипонитрил, состоит в приведении на первом этапе в реакцию диолефина, такого как 1,3-бутадиен, с цианистым водородом, обычно в отсутствие растворителя и в присутствии каталитической системы. Реакция проводится под давлением, чтобы проходить в жидкой среде. Ненасыщенные нитрильные соединения отделяют путем последовательной перегонки. Линейные нитрильные соединения, такие, как пентеннитрилы, проводят на второй этап гидроцианирования.

Выгодно ненасыщенные нелинейные нитрилы, полученные на первом этапе, подвергнуть этапу изомеризации, чтобы превратить их в линейные ненасыщенные нитрилы, которые также вводят на второй этап гидроцианирования.

На втором этапе гидроцианирования линейные ненасыщенные нитрилы приводят в реакцию с цианистоводородной кислотой в присутствии каталитической системы.

Образованные динитрильные соединения отделяют последовательными перегонками после извлечения каталитической системы из реакционной среды. Несколько способов извлечения каталитической системы описаны, например, в патентах US 3773809, 4082811, 4339395 и 5847191. Вообще говоря, каталитическую систему можно отделить от реакционной среды декантацией в две фазы, полученные путем регулирования соотношений между мононитрильными соединениями и динитрильными соединениями, содержащимися в среде. Это разделение может быть улучшено добавлением аммиака. Можно также осадить каталитическую систему для ее рекуперации и возврата или использовать неполярный растворитель, чтобы экстрагировать каталитическую систему и отделить от нее нитрильные продукты.

Температурные условия на этих разных этапах составляют от 10 до 200°C.

Каталитические системы, использующиеся на первом и втором этапах гидроцианирования, а также на этапе изомеризации, обычно близкие, то есть они содержат одинаковый комплекс Ni(0). Однако соотношение между числом атомов никеля и числом молекул лиганда может быть разным на каждом из этих этапов, как и концентрации каталитической системы в среде.

Предпочтительно, сокатализатор присутствует только в каталитической системе, использующейся на втором этапе гидроцианирования. Тем не менее, он может присутствовать также на этапе изомеризации и, факультативно, на первом этапе.

Отличительные признаки и характеристики способа и, таким образом, используемой каталитической системы, определяются и иллюстрируются по выходу динитрильных соединений (RR)_DN и по линейности (L) полученных линейных динитрилов, то есть по числу молей линейных динитрилов относительно числа молей образованных динитрилов. В случае получения адипонитрила, линейность соответствует мольной процентной доле полученного адипонитрила (AdN) от числа молей образованных динитрилов (AdN+ESN+MGN).

Использование этой особой комбинации кислот Льюиса в качестве катализатора позволяет улучшить кинетику изобретения и каталитические характеристики. Так, с каталитической системой по изобретению можно снизить концентрацию катализатора, не влияя на производительность реакции.

Изобретение будет лучше проиллюстрировано примерами, приведенными ниже исключительно для сведения, относящимися к получению адипонитрила путем гидроцианирования 3-пентеннитрила. В этих примерах используемый 3-пентеннитрил представляет собой соединение, выпускаемое в продажу компанией Aldrich.

Сокращения, использованные в примерах, имеют следующие значения:

- Cod: циклооктадиен

- 3PN: 3-пентеннитрил

- AdN: адипонитрил

- ESN: этилсукцинонитрил

- MGN: метилглутаронитрил

- AL: кислота Льюиса

- DN: динитрилы (AdN, MGN или ESN)

- TTP: три-паратолилфосфит

- TIBAO: тетраизобутилдиалюмоксан

- BPDB: бис(пинаколято)диборан

- DPPX: бис(дифенилфосфинометил)-1,2-бензол

- Линейность (L): отношение числа молей образованного AdN к числу молей образованных динитрилов (сумма молей AdN, ESN и MGN)

- RR_(DN): выход динитрилов, соответствующий отношению числа молей образованных динитрилов к числу молей использованного 3PN.

Соединения 3PN, Ni(cod)₂, TTP, ZnCl₂, TIBAO, ангидрид дифенилбориновой кислоты (Ph₂BOBPh₂), DPPX, тритиенилфосфин, BPDB имеются в продаже.

Примеры 1-9: Гидроцианирование 3-PN в AdN с единственной кислотой Льюиса (сравнительные примеры)

Методика, используемая для осуществления этих примеров, описывается ниже:

В атмосфере аргона в стеклянную трубку типа Shott на 60 мл, снабженную пробкой-перегородкой, последовательно вводят:

- лиганд:

для монодентатных лигандов (TTP или тритиенилфосфин): 5 эквивалентов (5 молей лиганда на моль никеля)

для бидентатных лигандов (DPPX): 2,5 эквивалента (2,5 моля лиганда на моль никеля)

- 1,21 г (15 ммоль, 30 эквивалентов) безводного 3PN

- 138 мг (0,5 ммоль, 1 эквивалент) Ni(cod)₂

- AL: природа и количество кислот Льюиса указаны в таблице I ниже.

Смесь при перемешивании доводят до 70°C. В реакционную среду с помощью напорного шприца вводят циангидрин ацетона со скоростью 0,45 мл в час. Через 3 часа введения напорный шприц останавливают. Смесь охлаждают до температуры окружающей среды, разбавляют ацетоном и анализируют методом газовой хроматографии.

Результаты приведены в следующей таблице I.

В примерах полное количество добавленной кислоты Льюиса определяется так, чтобы получить отношение активных центров кислот Льюиса к атомам никеля, равное 1.

Таблица I
Пример	Лиганд	AL	AL/Ni (моль/моль)	Линейность (L)	RR(DN)
1	TTP	ZnCl2	1	82,4	58,5
2	TTP	TIBAO	0,5	76,8	31,3
3	TTP	Ph2 BOBPh2	0,5	73,8	1,2
4	Тритиенилфосфин	TIBAO	0,5	64,1	70,6
5	Тритиенилфосфин	Ph 2BOBPh2	0,5	84,7	32,3
6	DPPX	TIBAO	0,5	84,7	65,3
7	DPPX	Ph2 BOBPh2	0,5	89,1	19,2
8	DPPX	ZnCl2	1	59	44,3
9	DPPX	BPDB	0,5	93,7	4,6

Примеры 10-16: Гидроцианирование 3-PN в AdN со смесью кислот Льюиса (примеры согласно изобретению)

В следующих примерах отношение [(полное число кислотных центров на молекулу AL1)+(полное число кислотных центров на молекулу AL2)] к числу атомов никеля установлено на 1.

Используемая методика идентична методике, описанной в сравнительных примерах 1-9.

Полученные результаты, а также природа лигандов и кислот Льюиса представлены в таблице II ниже:

Таблица II
Пример	Лиганд	AL1	AL1/Ni (моли)	AL2	AL2/Ni (моли)	Линей-ность (L)	RR (DN)
10	TTP	TIBAO	0,1	Ph2BOBPh2	0,4	82,5	24,6
11	TTP	TIBAO	0,25	ZnCl2	0,5	82,4	67,1
12	TTP	TIBAO	0,1	ZnCl2	0,8	83	78,7
13	Тритиенилфос-фин	TIBAO	0,1	Ph2BOBPh2	0,4	80,8	43,9
14	DDPX	TIBAO	0,25	Ph2BOBPh2	0,25	88,6	57,4
15	DDPX	TIBAO	0,25	BPDB	0,25	86,5	67,0
16	DDPX	BPDB	0,25	ZnCl2	0,5	70,5	30,5

Эти результаты показывают повышение выхода динитрильных соединений RR_(DN) при сохранении эквивалентной линейности (L).