способ получения 4-аминодифениламина

Формула изобретения

1. Способ получения 4-аминодифениламина, включающий получение промежуточного соединения 4-нитродифениламина, и/или 4-нитро-зодифениламина, и/или их солей взаимодействием анилина с нитробензолом в жидкой среде при температуре от 50 до 130°С, при атмосферном или пониженном давлении, в атмосфере инертного газа или в присутствии кислорода воздуха, с последующим гидрированием промежуточного соединения 4-нитродифениламина и/или 4-нитрозодифениламина и побочных продуктов в присутствии катализатора, с выделением 4-аминодифениламина и побочных продуктов, и рециклом непревращенных исходных соединений, отличающийся тем, что взаимодействие анилина с нитробензолом осуществляют в реакционной системе, включающей раствор солей цвиттерионов с гидроксидами общей формулы:

НО^-/(R¹R²R³)N⁺ -CHR⁴-(CH₂)_x-Y^-/Z⁺,

где R¹ и R² представляет радикал от метила до додецила;

R³ обозначает метил, этил;

R⁴ обозначает водород или метил;

x обозначает целое число от 0 до 5;

Y^- обозначает СO^-₂, SO^-₃;

Z⁺ обозначает катион щелочного металла Na, К, Cs или катион тетразамещенного четвертичного аммония, такого, как тетраметиламмоний, либо их смеси,

при этом количество как соли цвиттериона, так и гидроксида равно, по меньшей мере, эквимолярному количеству относительно количества нитробензола и молярное соотношение анилина к нитробензолу составляет от 6,4:1 до 9,4:1 в реакционной системе, где образуются 4-нитрозодифениламина и/или 4-нитродифениламина, которые после гидрирования дают 4-аминодифениламин, и рециркуляции подвергают, по меньшей мере, половину реакционной массы, содержащей непревращенные исходные соединения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию проводят в присутствии раствора солей цвиттерионов с гидроксидами общей формулы, где R¹, R² и R³ представляют метил, R⁴ представляет водород, х представляет О, Y^- представляет СО^-₂, a Z⁺ представляет катион калия и/или катион тетразамещенного четвертичного аммония.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что Z⁺ представляет катион калия и/или тетраалкиламмония с количеством атомов углерода в алкильной части от 1 до 4.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что реакционную среду получают отдельно и/или она образуется in situ в реакционной системе из исходных материалов.

5. Способ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что жидкую среду для взаимодействия анилина с нитробензолом получают смешиванием с водой и/или, по меньшей мере, с одним органическим соединением, выбранным из анилина, пиридина, толуола, ксилола, циклогексана и алифатических спиртов, содержащих в молекуле от 1 до 4 атомов углерода.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу получения 4-аминодифениламина (4-АДФА) через получение промежуточного соединения 4-нитродифениламина и/или 4-нитрозодифениламина, и/или их солей, в котором анилин взаимодействует с нитробензолом в жидкой среде, с образованием предшественников 4-АДФА, т.е. 4-нитрозодифениламин (4-NОДФА), 4-нитродифениламин (4-NO₂ДФА) и/или их солей, которые после гидрирования дают 4-АДФА.

Предпосылки изобретения

4-Аминодифениламин (4-АДФА) широко применяют в качестве промежуточного продукта при получении алкилированных производных, проявляющих прекрасные свойства при использовании в качестве антиозонантов, антиоксидантов и стабилизаторов.

Известные способы промышленного получения 4-АДФА начинают с гидрирования промежуточных соединений, т.е. 4-NОДФА или 4-NO₂ДФА. Однако получение данных промежуточных соединений, включающее несколько технологически сложных стадий, сопровождается получением ряда побочных продуктов, органических и неорганических отходов, подлежащих уничтожению, что является одной из самых серьезных проблем данного способа получения.

Экологически и экономически предпочтительные альтернативные способы получения промежуточных соединений 4-АДФА включают прямое взаимодействие анилина и нитробензола. Такая реакция инициируется основаниями, образующими в результате реакции анион анилида, который впоследствии замещает водород в нитробензоле по механизму реакции нуклеофильного присоединения (A. Wohl et al., Ber. 34, 2442-2450, 1901; и A.Wohl, Ber. 36, 4135-4138, 1903), при этом при использовании в качестве основания твердого гидроксида калия получают главным образом феназин и оксид феназина, при использовании гидроксида натрия получают также 4-NОДФА.

В пятидесятые годы многие ученые исследовали и описали механизм нуклеофильной реакции Wohl-Aue анилина и его производных с ароматическими нитросоединениями под воздействием оснований (NaOH, КОН, даже NaNH₂) в среде бензола, толуола и ксилола с получением производных феназина. Кроме них, в это же время были также выделены и описаны другие продукты реакции, такие как 4-нитрозодифениламин, 4-нитрозамещенные дифениламины, азобензолы, азоксибензолы (E.I. Abramova et al., Zhur.Obshcnei Khim. 22, 502-509, 1953; S.B. Serebryanyi, Uspekhi Khimii 24, 313-345, 1955; S.B. Serebryanyi, Ukrain. Khim. Zhur. 21, 350-360, 1955; V.P. Chernetskii et al., Zhur. Obshchei Khim. 25, 2161-2170, 1955) .

Известно (N.R. Ayyangar et al., Tetrahedron Letters 31, 3217-3220, 1990), что 4-NОДФА и 4-NO₂ДФА получают в результате реакции нитробензола с ацетанилидом в присутствии диполярного апротонного растворителя, диметилсульфоксида (ДМСО) под действием гидроксида натрия и карбоната калия, а также (A.A. Frimer et al., J.Org.Chem. 48, 1700-1705, 1983), что 4-NO₂ДФА получают с выходом до 24% в результате реакции анилина с нитробензолом в присутствии оснований, применяя в данном случае бутилат или перекись калия в среде бензола и в присутствии краун-эфира.

Подобным образом (D.J. Stuehr et al., J.Org.Chem. 50, 694-696, 1985) в результате реакции анилина и N-метиланилина в ДМСО с перекисью калия вместе с 18-краун-6-эфиром, а также третичным бутилатом калия, в качестве реакционного продукта была получена смесь 4-NОДФА, 4-NО₂ДФА, 4-АДФА, азобензола, 4-фенилазодифениламина и фенилформамида (выход не указан).

Известно получение 4-АДФА окислением анилина феррицианидом в сильнощелочной среде (патент США 4760186 и патент Великобритании 1440767), в котором осуществляют соединение “голова-хвост” двух анилиновых молекул.

Патент США 5574187 описывает получение 4-АДФА замещением фенилгидроксиламина анилином в присутствии кислотного катализатора. Выход продукта является средним (макс. 51,2%).

Сущность способа, описанного в следующем патенте США 5420354 заключается в реакции нитробензола с анилином в присутствии водорода, катализатора гидрирования, кислотного катализатора и ингибитора гидрирования, непосредственно приводящей к получению 4-АДФА, но со сравнительно низким выходом (макс. 12%) и низкой селективностью реакции подобно другим вышеупомянутым методикам.

В заявке ЕР 566783, на имя AKZO N.V., описан способ получения 4-нитродифениламина реакцией нитробензола с анилином в среде полярного апротонного растворителя, в частности диметилсульфоксида и третичного бутанола, в сильнощелочной реакционной системе, в которой гидроксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, алкоксиды, амиды и гидриды щелочных металлов используют в качестве оснований, наконец, в присутствии катализатора фазового переноса, такого как кислый сернокислый тетрабутиламмоний. Был достигнут сравнительно высокий выход, однако селективность реакции недостаточна. Поэтому возникает необходимость отделения продукта (NО₂ДФА) от побочных продуктов кристаллизацией. Более того, в процессе выделения продуктов получают соли, таким образом дополнительно увеличивая стоимость их обработки. Также возникает вопрос о экономичном рециркулировании оснований и смесей растворителя обратно в процесс.

Другой способ получения 4-АДФА, в котором не используют галогены, включает реакцию анилина с 4-фенилазодифениламином в присутствии сильных оснований, таких как третичный бутилат калия с краун-эфирами или с четвертичными гидроксидами аммония (патенты США 5382691, 5633407, 5618979 и 5451702). Последующее превращение 4-FAДФА в 4-АДФА может быть осуществлено либо каталитическим гидрированием в соответствии с патентом США 5451702, либо реакцией нуклеофильного замещения 4-FАДФА амином в присутствии сильных оснований (патенты США 5382691, 5633407 и 5618979). 4-АДФА может быть также получен (см. патенты США 5618979 и 5633407, а также работу М.К. Stern et al., J.Org.Chem. 59, 5627-5632, 1994) в одну стадию непосредственно реакцией азобензола, в частности азоксибензола, с анилином в присутствии сильнощелочных катализаторов. Однако во всех вышеуказанных методиках исходным сырьем является азобензол, который представляет собой менее труднодоступное сырье и должен быть получен заранее. Кроме того, возникает большое количество отходов, которые должны быть обязательно обработаны или уничтожены.

В ряде патентов на имя компании Monsanto (патенты США 5117063, 5453451, 5608111, 5623088) описан способ получения промежуточных продуктов 4-АДТА прямой реакцией анилина с нитробензолом в апротонном растворителе с контролируемым количеством протонного растворителя под воздействием оснований, включающих щелочные гидроксиды, алкоголяты, гидриды и четвертичные гидроксиды аммония с алкил-, арил- и аралкилзаместителями, а также алкилзамещенные гидроксиды диаммония. Тем не менее, высокий выход реакционных продуктов и высокая селективность могут быть достигнуты только при использовании четвертичных гидроксидов аммония. Механизм реакции описан в (м.к. Stern et al., J. Am. Chem. Soc. 114, 9237-9238, 1992 и New J. Chem. 20, 259-268, 1996).

В результате сравнения соответствующих оснований, описанных в вышеупомянутых патентах и работах, применяемых в реакции анилина с нитробензолом, становится понятно, что щелочные гидроксиды обеспечивают низкий выход промежуточных соединений 4-АДФА. Выход существенно увеличивается при использовании щелочных гидроксидов вместе с краун-эфирами. Тем не менее, принимая во внимание их технически сложное получение, их промышленное применение не очень возможно. Реакция в присутствии бутилата калия и ДМСО также дает низкую селективность. В противоположность этому, при использовании в реакции в качестве оснований четвертичных гидроксидов аммония достигаются как высокая селективность, так и высокий выход. Тем не менее, их недостатком является низкая стабильность, они разлагаются в концентрированном виде, поэтому они должны храниться только в разбавленных водных растворах. Другим недостатком является также их низкая термостойкость, они легко разлагаются при высоких температурах (А. Соре et al., Оrg. Reactions, Vol. XI, р. 317, 1960; Hellman H., Angew. Chem. 65, 475-485, 1953; F. Moller, Methoden der Organischen Chemie, Houben-Weyl XI/1, p. 961-967, 262, 1957, and. XI/2, p. 623, 631-640, 1958).

Вследствие действия четвертичных гидроксидов аммония на первичные амины также имеет место их легкое алкилирование. Например, гидроксид тетраметиламмония (ТМАН) взаимодействует с анилином, давая N-метиланилин в количестве, зависящем от условий реакции (патент США 5687691). Полученный N-метиланилин может быть с трудом отделен от анилина, но это должно быть сделано перед рециркулированием анилина обратно в дальнейший реакционный цикл, чтобы избежать образования нежелательных примесей метилированных производных 4-АДФА.

Недостатком четвертичных гидроокисей аммония per se также является высокая стоимость. Поэтому в каждом цикле возникает необходимость выделения и рециркуляции четвертичных аммониевых оснований для следующего производственного цикла, что не может быть сделано без снижения их активности.

Целью настоящего изобретения является разработка способа, использующего преимущества известных способов и устраняющего их недостатки.

Описание изобретения

Целью настоящего изобретения является способ получения 4-аминодифениламина через получение промежуточного соединения 4-нитродифениламина и/или 4-нитрозодифениламина, и/или их солей взаимодействием анилина и нитробензола в жидкой среде при температуре от 50 до 130°С, атмосферном или пониженном давлении, атмосфере инертного газа или в присутствии кислорода воздуха с последующим гидрированием промежуточного соединения 4-нитродифениламина и/или нитрозодифениламина и побочных продуктов, и выделением 4-аминодифениламина и побочных продуктов и рециклом неконвертированного сырья. Сущность данного изобретения заключается в том, что реакцию анилина с нитробензолом осуществляют в реакционной системе, включающей раствор цвиттерионной соли с гидроксидами общей формулы

где R¹ и R² обозначают радикал от метила до додецила,

R³ обозначает метил, этил, фенил, бензил,

R⁴ обозначает водород или метил,

х означает целое число от 0 до 5,

Y^- означает CO^-₂, SO^-₃, и

Z⁺ обозначает катион щелочного металла Na, К, Cs или четырехзамещенный катион четвертичного аммония, такого как тетраметиламмоний, либо их взаимные сочетания, в которых количество как соли цвиттериона, так и гидроксида находится, по меньшей мере, в эквимолярном соотношении с количеством нитробензола, прореагировавшего в реакции, с образованием 4-нитрозодифениламина и/или 4-нитродифениламина, которые после гидрирования дают 4-АДФА, и после реакции рециркулируют, по меньшей мере, половину реакционной системы.

Установлено, что предпочтительно проводить реакцию в присутствии раствора соли цвиттериона с гидроксидами общей формулы, где R¹, R² и R³ представляют метил, R⁴ представляет водород, х представляет О, Y^- представляет CO^-₂, a Z⁺ представляет катион калия и/или четырехзамещенный катион четвертичного аммония, более предпочтительно Z⁺ представляет катион калия и/или катион тетраалкиламмония с количеством атомов углерода в алкильной цепи от 1 до 4.

Реакционная среда может быть получена отдельно и/или она может быть получена in situ в реакционной системе из исходного сырья. Жидкую среду для реакции анилина с нитробензолом получают смешиванием с водой и/или, по меньшей мере, одним органическим соединением, таким как анилин, пиридин, толуол, ксилол, циклогексан и алифатические спирты, имеющие в молекуле от 1 до 4 атомов углерода.

Преимущество данного способа, включающего реакцию анилина с нитробензолом, главным образом заключается в использовании реакционной системы в соответствии с настоящим изобретением. Она технически более легкодоступна и более устойчива, чем сами четвертичные гидроксиды аммония и алкилдиаммония, в то время как реакция анилина с нитробензолом является достаточно селективной для получения промежуточных соединений 4-АДФА (с селективностью, составляющей, по меньшей мере, 50% 4-нитродифениламина и нитрозодифениламина), при этом выход получаемого продукта является высоким.

Одним из преимуществ способа в соответствии с настоящим изобретением является также технически доступный широкий диапазон как биполярных, так и многополярных органических соединений, содержащих в молекуле, по меньшей мере, один катион азота, а также их стабильность, не только термальная, но и стабильность при гидрировании, и тот факт, что реакционная система может быть регенерирована.

Из литературы (М. Rabinowitz et al., Angew.Chem. 98, 958-968, 1986) известно, что многие органические реакции, инициируемые гидроксидами, протекают в условиях системы КФП/ОН^-, т.е. в присутствии катализаторов фазового переноса (КФП). Обычно применяемые КФП представляют собой четвертичные ионы аммония. Также известно применение цвиттерионных солей в некоторых реакциях в качестве катализаторов фазового переноса, однако в данном случае предполагаемый механизм отличен, поскольку из биполярной внутренней соли цвиттериона и гидроксида образуется бис-ионная пара (Starks, G. et al., Phase Transfer Catalysts Principles and Technique, N.Y. Acad. Press 1978, p. 67, 127, 365; Yu. Sh. Goldberg et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR 294, 1387-1391, 1987; Yu. Sh. Goldberg et al., Zhur. Org. Khim., 23, 1561-1563, 1987; Yu.Sh. Goldberg et al., Tetrahedron 46, 1911-1922, 1990).

Под цвиттерионами подразумеваются соединения, содержащие в своих молекулах, помимо карбоксильной группы, пералкилированную аминогруппу, при этом данные группы взаимно образуют внутренние соли. Такие соединения не содержат мигрирующего водорода, а содержат группу четвертичного аммония.

В способах, известных из литературы, цвиттерионные соли применяют в качестве катализаторов фазового переноса в каталитическом количестве, а именно в количестве от 1 до 5 мол.%. В настоящее время установлено, что при использовании способа получения промежуточных соединений 4-АДФА в соответствии с настоящим изобретением может быть достигнута полная конверсия нитробензола с анилином при проведении реакции с, по меньшей мере, эквимолярным количеством цвиттерионной соли и гидроксида относительно количества нитробензола, присутствующего в реакции, что указывает на иной ход реакции.

Цвиттерионные соли, также известные как бетаины или, в частности, сульфобетаины, выпускаются промышленностью в виде внутримолекулярных солей или гидратированных форм, либо могут быть получены в соответствии со способами, известными из литературы (Methoden der Organischen Chemie (Houben-Weyl), XI/2, p. 627-650, 1958; Ullmans Enzyklopadie der Technischen Chemie, Vol. 2, p. 497-498, Verlag Chemie 1982; Goldberg Yu. Sh. et al., Tetrahedron 46, 1911-1922, 1990; Goldberg Yu. Sh. et al., Dokl. Akad. Nauk SSSR 297, 1387-1391, 1987; Willstatter R., Ber., 35, 584-620, 1907, патент США 4672077 и Бельгийский патент 903785).

Реакционная система для конденсации анилина с нитробензолом может быть получена следующим образом: получают раствор гидроксида в протонном растворителе (в воде, метаноле или 2-пропаноле), добавляют к нему кристаллическую цвиттерионную соль, возможно, в виде гидрата, а затем вводят соответствующий растворитель, например анилин. Можно поступать также следующим образом: анилин добавляют к раствору гидроксида в протонном растворителе и к такой смеси добавляют цвиттерионную соль. При получении реакционной системы, состоящей из смеси гидроксидов, можно также поступать следующим образом: к разбавленному водному раствору гидроксида четвертичного аммония добавляют кристаллическую цвиттерионную соль и после ее растворения твердый гидроксид щелочного металла, и наконец добавляют анилин. Также может быть получен раствор метилата растворением щелочного металла, его оксида или гидроксида в метаноле и добавлением раствора цвиттерионной соли в анилине.

Взаимное соотношение реакционных компонентов может изменяться в широком диапазоне таким образом, чтобы лимитирующим компонентом была либо цвиттерионная соль, или нитробензол, или анилин. Их взаимное соотношение может быть выбрано таким образом, чтобы реакция проходила в оптимальных условиях.

Реакция может быть осуществлена в широком диапазоне температур от 50 до 130°С.

Реакция может быть проведена в атмосфере инертного газа или в аэробных условиях, при атмосферном или пониженном давлении, в то время как выход, конверсия и селективность реакции зависят от условий реакции.

В реакции также могут быть использованы вспомогательные протонные и апротонные растворители, такие как третичный бутиловый спирт, ДМСО, диметиловый эфир диэтиленгликоля, монометиловый эфир этиленгликоля, толуол, ксилол, циклогексан и т.д.

Основными продуктами, получаемыми в результате реакции, являются 4-NOДФА и 4-NO₂ДФА, присутствующие в реакционной смеси в свободном виде или в виде солей. Реакционная смесь, кроме этих соединений и реакционной воды, может включать такие вещества, как 4-фенилазодифениламин, азобензол, азоксибензол, 2-нитродифениламин, феназин или окись феназина. Это зависит от молярного соотношения реакционных компонентов системы, а также от типа цвиттерионов, их солей, протонного растворителя, возможно, от вспомогательного растворителя и их концентрации в реакционной смеси, температуры, продолжительности реакции и степени конверсии нитробензола. Данные факты хорошо известны специалистам в данной области.

4-АДФА получают из смеси 4-NOДФA, 4-NO₂ДФА и 4-фенил-азодифениламина или их солей известными способами каталитического гидрирования после разбавления реакционной смеси растворителем.

Примеры вариантов осуществления изобретения

Следующие примеры иллюстрируют, но никоим образом не ограничивают объем формулы изобретения.

Пример 1

Результаты реакции анилина с нитробензолом в анаэробных условиях, когда реакционная система представляет собой раствор бетаина и гидроксида калия в метаноле при различных температурах в интервале от 55 до 130°С.

Реакцию проводят в аппаратах, состоящих из 100-мл 3-горлой колбы, оборудованной магнитной мешалкой, термометром, капельной воронкой и насадкой для азеотропной перегонки. Аппараты соединены с водоструйным насосом.

3,5 г (84,02%) гидроксида калия (0,052 моля) растворяют в 6 г метанола. Добавляют 6,1 г бетаина (0,052 моля), и после нагревания до 50°С добавляют 37,0 г анилина (0,49 молей). Воздух в аппарате заменяют азотом и после нагревания до реакционной температуры вначале отгоняют метанол при давлении 5,2 кРа, а затем при интенсивном перемешивании в течение 1,5 часов порциями добавляют нитробензол, в целом 6,4 г (0,052 моля). Реакционную смесь оставляют взаимодействовать в течение еще 3 часов, затем ее охлаждают, разбавляют метанолом и анализируют с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии. Выход реакционных компонентов определяют относительно количества нитробензола, вводимого в реакцию. Другие реакционные условия и полученные результаты представлены в таблице 1.

Пример 2

Результаты взаимодействия анилина и нитробензола при использовании гидроксида натрия, калия и цезия в реакционной системе, содержащей гидроксид бетаина.

Реакционные системы получают взаимодействием моногидрата бетаина со щелочными гидроксидами. В соответствии с методикой, описанной в примере 1, проводят 3 идентичные реакции при температуре 70°С с различными катионами щелочных металлов, указанных в таблице 2.

Пример 3

Результаты взаимодействия анилина и нитробензола с реакционной системой бетаингидроксид натрия в метаноле в аэробных условиях.

К раствору катализатора, включающему 0,066 моль бетаина и 0,066 моль гидроксида натрия в 15 г метанола, добавляют 0,4 моля анилина. После нагревания реакционной смеси до 70°С к реакционной смеси порциями добавляют нитробензол (0,052 моль) в течение 1,5 часов. Молярное соотношение анилин/нитробензол составляет 7,69:1. Метанол и реакционную воду постепенно удаляют из реакционной смеси при пониженном давлении. По завершении порционного добавления нитробензола смесь перемешивают в течение еще 3,5 часов. После разбавления метанолом смесь анализируют, определяя выход продуктов реакции, выражаемый в % относительно нитробензола, загруженного в реакционную смесь: 4-NОДФА 26,3%; 4- NO₂ДФА 16,8%; 4-FАДФА 5,1%; азобензол 40,8%.

Пример 4

Модифицированная методика, в которой все компоненты реакции вводят в реакцию вначале.

В колбе, в 5,0 мл воды растворяют 2,66 г (83,0%) гидроксида калия и добавляют 5,31 г гидрата бетаина, 24,1 г анилина и 4,83 г нитробензола. Молярное соотношение анилин/нитробензол составляет 6,596:1. Реакционную смесь интенсивно перемешивают при 80°С в атмосфере азота в течение 5 часов. В течение этого периода времени давление в аппарате постепенно понижают с 53 кРа до 2,6 кРа. Наконец реакционную смесь растворяют в метаноле и анализируют с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии. Конверсия нитробензола составляла 75,6%, а выход (в %) индивидуальных продуктов, вычисленный относительно вводимого нитробензола, составляет: 4-NOДФА 35,7; 4-NO₂ДФА 17,8%; 4-FАДФА 0,12%; азобензол 10,9%; феназин 1,25%.

Пример 5

Взаимодействие анилина с избытком нитробензола (в качестве растворителя) в присутствии реакционной системы бетаин-гидроксид калия в анаэробных условиях.

К раствору 3,38 г (83%) гидроксида калия в 3,0 мл воды добавляют 6,85 г гидрата бетаина и 26,8 г нитробензола. При температуре 80°С и давлении 20 кРа к реакционной смеси в атмосфере азота порциями добавляют 4,9 г анилина в течение 1,5 часов. По завершении порционного добавления нитробензола реакционную смесь интенсивно перемешивают в течение еще 6 часов. После охлаждения реакционную смесь растворяют в метаноле. Получают следующий выход, вычисленный относительно нитробензола, вводимого в реакцию: 4-NОДФА 1,5%; 4- NO₂ДФА 0,2%; азобензол 2,5%.

Пример 6

Действие молярного соотношения бетаина-гидроксида калия и нитробензола на ход реакции.

Применяя методику, описанную в примере 1, осуществляют взаимодействие анилина с нитробензолом при молярном соотношении 7:1 с тем отличием, что молярное соотношение реакционной системы к нитробензолу изменяется от 1:1 до 1,5:1. Бетаин гидрат и гидроокись калия образуют реакционную систему с молярным соотношением 1:1 в растворе метанола. Результаты экспериментов, приведенные в таблице 3, показывают действие повышения количества реакционной системы на выход реакции и конверсию нитробензола.

Пример 7

Взаимодействие анилина с нитробензолом в условиях, при которых воду (введенную в качестве растворителя вместе с реакционной водой) непрерывно удаляют из реакционной среды, в частности, дистилляцией в виде азеотропа вода-анилин, постепенно уменьшая вакуум в системе.

114,0 г (0,131 моль) 20% раствора эквимолярного количества бетаина и гидроокиси калия помещают в 500-мл трехгорлую колбу, и после нагревания до 50°С воду отгоняют в вакууме, до тех пор пока в колбе не останется кристаллическая суспензия.

Добавляют 72,3 г анилина (0,776 моль), а затем к реакционной смеси в течение 1,5 часов при 80°С в атмосфере азота при интенсивном перемешивании порциями добавляют 13,5 г (0,1097 моль) нитробензола. В ходе добавления анилина в колбе поддерживают давление 26 кРа, подвергая дистилляции азеотроп вода-анилин. Во время последней стадии реакции, на которой реакционную смесь перемешивают в течение еще 4,5 часов, давление в аппарате постепенно снижают от 26 кРа в начале до 4 кРа в конце реакции. После охлаждения реакционную смесь анализируют. Достигается 100% конверсия нитробензола при следующем выходе (в %) отдельных компонентов реакции (подсчитано относительно введенного нитробензола): 4-NОДФА 82,1%; 4- NO₂ДФА 11,7%; азобензол 11,6%; феназин 1,4%.

Пример 8

Взаимодействие анилина с нитробензолом в присутствии реакционной системы, представляющей собой водный раствор карбоксилата N,N,N-тризамещенного аммоний-алкила формулы

(где R¹, R², R³, R⁴ и х приведены в таблице и Y^- представляет CO^-₂) и гидроксид калия в водном растворе.

0,25 моль анилина добавляют к смеси, приготовленной из 0,04 моля соответствующего замещенного моногидрата бетаина, 0,04 моля гидроксида калия (86,0%) и 5 мл воды. К реакционной смеси в течение 1,5 часов при 80°С и давлении 14 кРа в защитной атмосфере азота порциями добавляют в целом 0,039 моль нитробензола. Реакционную смесь перемешивают в течение еще 4 часов, чтобы закончить реакцию. Определяют конверсию реакции и выход промежуточных соединений 4-АДФА (т.е. 4-NОДФА, 4-NO₂ДФА и 4-FАДФА), подсчитываемых относительно прореагировавшего нитробензола (таблица 4).

Пример 9

Взаимодействие анилина и нитробензола в присутствии реакционной системы бетаин-гидроксид калия в метаноле в анаэробных условиях.

48,2 г анилина (7-кратный молярный избыток относительно нитробензола) добавляют к раствору 5,8 г (85,0%) гидроксида калия и 11,9 г гидрата бетаина (10% молярный избыток относительно нитробензола 9,8 г) и реакционную смесь нагревают до 75°С, воздух в аппарате заменяют азотом, а нитробензол добавляют порциями при интенсивном перемешивании и начальном давлении 26 кРа в течение 2 часов. Реакцию продолжают в течение еще 3 часов, постепенно снижая давление до 6 кРа. Реакцию прекращают, охлаждая и растворяя реакционную смесь в метаноле. Получают 96,7% конверсию нитробензола и следующий выход (в %) относительно введенного нитробензола: промежуточные соединения 4-АДФА 80,5%; азобензол 11,0%; феназин 4,2%.

Пример 10

Взаимодействие анилина с нитробензолом в присутствии реакционной системы, состоящей из триметиламмоний-пропансульфоната и гидроксида калия в водном растворе.

0,517 моль анилина добавляют при 80°С к раствору катализатора, состоящему из 0,0858 моль триметиламмоний-пропансульфоната и 0,0858 моль гидроксида калия в 6,6 мл воды. Часть воды отгоняют при пониженном давлении (21 кРа) в виде азеотропа, затем к реакционной смеси при интенсивном перемешивании при 80°С и давлении 26 кРа в течение 1,5 часов добавляют нитробензол 0,078 моль. Образуется вязкая смесь, которую перемешивают еще в течение 3 часов. Затем ее разбавляют метанолом и анализируют. Конверсия нитробензола достигает 71,1%. Выход продуктов реакции относительно введенного в реакцию нитробензола составляет (в %): промежуточные соединения 4-АДФА 28,6%; азобензол 7,2%; феназин 0,5%.

Пример 11

Влияние вспомогательных полярных растворителей на взаимодействие анилина с нитробензолом в присутствии реакционной системы, состоящей из бетаина и гидроксида калия.

К приготовленному водному раствору бетаина (0,0883 моля) и гидроксида калия (0,0883 моля) и 0,0736 моль нитробензола, добавляют 48,0 г (0,515 моль) анилина, а избыток воды отгоняют при пониженном давлении. Затем добавляют 15 мл вспомогательного растворителя, а нитробензол добавляют при интенсивном перемешивании в атмосфере инертного газа при 70°С и пониженном давлении (7 кРа) в течение 1,5 часов. Еще через два часа реакцию прекращают, при этом общая продолжительность реакции составляет 3,5 часа. Результаты приведены в таблице 5.

Пример 12

Влияние краун-эфира в качестве агента фазового переноса на конверсию и выход реакции.

Экспериментальные условия:

Молярное соотношение анилин:нитробензол:бетаин-КОН:18-дибензокраун-6-эфир=7:1:1,1:0,1; реакцию проводят в атмосфере инертного газа при 80°С и давлении 7,3 кРа, при этом общая продолжительность реакции составляет 6 часов (таблица 6).

Пример 13

Испытание методики, в которой раствор бетаина и гидроксид калия добавляют порциями к реакционной смеси реагентов в аэробных условиях.

Раствор, включающий 6,0 г гидроксида калия (концентрация КОН составляет 84%), 12,1 г бетаина и 10,5 мл воды добавляют порциями к смеси 9,6 г нитробензола и 48,0 г анилина при интенсивном перемешивании, 80°С и давлении 8 кРа в течение 2 часов. Молярное соотношение анилин/нитробензол составляет 6,610:1. Перемешивание продолжают еще в течение 2 часов 45 минут в условиях азеотропной дистилляции. После охлаждения реакционную смесь растворяют в метаноле и анализируют. При 94,7% конверсии нитробензола получают следующий выход (в %) относительно нитробензола, введенного в реакцию: промежуточные соединения 4-АДФА 76,6%; азобензол 16,9%; феназин 1,2%.

Содержание М-метиланилина составляет менее 0,05% (относительно введенного бетаина).

Пример 14

Взаимодействие анилина с нитробензолом в присутствии реакционной системы в соответствии с настоящим изобретением при нормальном давлении без отгонки растворителя из реакционной смеси в анаэробных условиях.

Нитробензол (4,7 г) добавляют порциями к реакционной смеси, включающей 24,0 г анилина, 2,68 г 84% гидроокиси калия, 5,5 г гидрата бетаина и 3 г метанола, при 75°С и нормальном давлении в атмосфере азота в течение 2 часов. Молярное соотношение анилин/нитробензол составляет 6,750:1. Затем реакционную смесь перемешивают еще в течение 2 часов при 80°С при кипячении с обратным холодильником. После охлаждения и разбавления метанолом смесь анализируют. Конверсия нитробензола достигает 75,1%. Выход (в %) относительно введенного нитробензола составляет: промежуточные соединения 4-АДФА 57,0%; азобензол 5,5%; феназин 1,8%.

Пример 15

Влияние полярности вспомогательных растворителей, образующих азеотропные смеси с водой, на ход взаимодействия нитробензола с анилином в анаэробных условиях.

0,078 моль нитробензола добавляют порциями к реакционной смеси, включающей 0,09 моль КОН (концентрация 84%), 0,09 моль гидрата бетаина, 4 мл воды, 0,51 моль анилина и 15 мл вспомогательного растворителя, при 80°С в течение 1,5 часов. Завершение реакции требует еще 4,5 часов, на протяжении которых воду непрерывно удаляют из реакционной среды в виде азеотропа со вспомогательным растворителем. В эксперименте с 2-пропанолом азеотроп отгоняют через короткую колонну при атмосферном давлении. В эксперименте с пиридином азеотроп отгоняют при пониженном давлении, составляющем от 13,3 до 9,3 кРа. В эксперименте с циклогексаном воду непрерывно удаляют в виде азеотропа при помощи азеотропной насадки. Результаты приведены в таблице 7.

Пример 16

Взаимодействие анилина и нитробензола под действием реакционной системы, состоящей из водного раствора бетаина и гидроксида калия при различных взаимных молярных соотношениях и при различных соотношениях с бензолом.

Методика реакции аналогична методике, описанной в примере 8. Взаимные молярные соотношения бетаина и КОН к 1 молю нитробензола, а также полученные результаты представлены в таблице 8.

Пример 17

Влияние содержания воды на взаимодействие анилина и нитробензола .

Реакционной смеси, включающей анилин, нитробензол, гидроксид калия, бетаин и воду при взаимных молярных соотношениях, указанных в таблице 9, дают возможность взаимодействовать при интенсивном перемешивании, 80°С, атмосферном давлении, в атмосфере азота в течение 6 часов. После охлаждения и разбавления метанолом полученный раствор анализируют, а результаты выражают в виде конверсии нитробензола и выхода относительно введенного нитробензола. Общее содержание воды в реакционной смеси включает реакционную воду, воду для растворения и воду, содержащуюся в сырье, и выражено в молях на 1 моль нитробензола .

Пример 18

Влияние различных молярных соотношений органических и неорганических гидроксидов к бетаину на конденсацию анилина и нитробензола, а также одновременное влияние бетаина и гидроксида тетраметиламмония (ТМАН) на метилирование анилина в М-метиланилин (N-MAn) очевидно из результатов, представленных в таблице 10.

Семикратный молярный избыток анилина добавляют к приготовленному водному раствору отдельных компонентов в реакционной системе, включающей ТМАН, бетаин и гидроксид калия. После азеотропной отгонки воды к реакционной смеси при 70°С и давлении 7,3 кРа в течение 1,5 часов добавляют 0,95 моль нитробензола. Реакцию завершают еще через 2 часа. Выход (таблица 10) компонентов в реакционном продукте подсчитывают относительно введенного нитробензола. N-метиланилин (N-MAn) выражают в молярных процентах относительно введенного ТМАН.

Предел определяемости для N-МАn в применяемом способе составляет 0,05%.

Пример 19

Реакционную смесь, полученную в соответствии с методикой, описанной в примере 7, разбавляют метанолом с получением раствора с 30% метанолом, а также добавляют влажный катализатор (Ni Ренея) в количестве 30% (относительно веса нитробензола, загруженного в конденсационную смесь). Реакция протекает при 60°С и начальном давлении 5 МРа в течение 7 минут. Отобранный образец реакционной смеси анализируют на содержание 4-АДФА. Выход 4-АДФА относительно прореагировавшего нитробензола составляет 88,5%.

Пример 20

Порция реакционного раствора с последующей обработкой конденсационной смеси и выделение продукта 4-АДФА.

Для реакции анилина с нитробензолом под действием реакционной системы раствора триметиламмонио-ацетата с гидроксидом калия применяют устройство, включающее реактор объемом 250 л, снабженный скоростной мешалкой, смесительной рубашкой, нагреваемой горячей водой для регулирования температуры в реакторе, входом для азота под поверхностью реакционной смеси, конденсатор для конденсации паров из реактора и приемник для сбора конденсата, используемый как фазовый сепаратор, а также снабженный сливом для рециркуляции анилиновой фазы, содержащей нитробензол, обратно в реактор, при этом отделенную водную фазу конденсата постоянно удаляют из фазового сепаратора. Реактор также снабжен термометром и регулятором давления.

19,1 л дистиллированной воды, 12,8 кг твердого КОН, содержащего 86,5% КОН, помещают во вспомогательную емкость объемом 50 л и после его растворения добавляют 26,6 кг гидрата бетаина. После растворения всех компонентов получают реакционную систему в виде водного раствора, используемую в реакции.

111,8 кг (1,2 кмоль) анилина помещают в реактор и добавляют 58,5 кг вышеуказанного раствора. Реактор закрывают и один раз продувают азотом, при этом перемешивая смесь. Прекратив продувку реактора азотом, в нем устанавливают абсолютное давление 20кРа, и его содержимое постепенно нагревают до температуры 80°С. По достижении указанной температуры в реактор начинают добавлять порциями 21,1 кг нитробензола (0,17 кмоль) с такой скоростью, чтобы весь нитробензол был добавлен в течение 1,5 часов. Азеотроп анилин-вода, отогнанный из реактора, собирают в приемник, где разделяют водную и анилиновую фазы. Анилиновая фаза содержит определенное количество нитробензола, поэтому ее периодически рециркулируют в конденсационный реактор на протяжении всего эксперимента. После добавления всего количества нитробензола давление постепенно снижают до 14 кРа и реакционная смесь взаимодействует при указанном давлении и температуре 80°С в течение 1,5 часов. Затем давление постепенно снижают до 8 кРа, и при таком давлении реакционная смесь взаимодействует в течение 1,5 часов. Наконец, давление в реакторе снижают до 4 кРа и реакция в реакционной смеси завершается в течение 1,5 часов. Наконец ее охлаждают до 40°С, добавляют приблизительно 15% метанола, смесь удаляют из реактора и взвешивают. Анализ реакционной смеси показывает, что происходит 100% конверсия нитробензола при следующем выходе (в %) отдельных компонентов реакции (подсчитанных относительно введенного нитробензола): 4-NОДФА 77,0%; 4-NO₂ДФА 14,3%; 4-фенилазодифениламин 0,21%; азобензол 9,6%; феназин 1,3%.

Примечание: содержание N-метиланилина составляет менее 0,05% относительно введенного бетаина.

Реакционную смесь, полученную в результате конденсации, разбавляют метанолом таким образом, чтобы его содержание в разбавленной конденсационной смеси составляло 30 мас.%, и гидрируют ее в условиях, описанных в примере 19. Отобранный образец реакционной смеси анализируют на содержание 4-АДФА. Выход 4-АДФА в продукте гидрирования относительно прореагировавшего нитробензола составляет 89,9%.

По завершении гидрирования катализатор (Ni Ренея) отфильтровывают и промывают метанолом и дистиллированной водой. Промывочные растворы добавляют к продукту гидрирования. Метанол отгоняют от разбавленного продукта гидрирования при абсолютном давлении 35 кРа и температуре от 60 до 70°С. После отгонки метанола продукт гидрирования разделяют на водную и органическую фазы, органическую фазу после разделения вновь экстрагируют дистиллированной водой, а затем фазы разделяют. Чтобы облегчить разделение фаз, к органической фазе добавляют небольшое количество толуола. Остатки органической фазы в водной фазе удаляют экстракцией толуолом, который затем добавляют к органической фазе.

Обработанная таким образом водная фаза представляет собой реакционную систему, используемую в следующем эксперименте (пример 21).

Анилин и небольшую часть головного погона отгоняют от органической фазы продукта гидрирования при давлении от 2 до 3 кРа и температуре от 70 до 180°С. Остаток в кубе представляет собой сырой 4-АДФА с содержанием 1,6 мас.% феназина, который затем подвергают ректификации в эффективной вакуумной колонне. Получают дистиллированный 4-АДФА, содержащий 99,3% активного вещества, в то время как выход дистиллированного 4-АДФА относительно прореагировавшего нитробензола составляет 86,4%.

Часть нитробензола, превратившегося во время конденсации в азобензол, подвергают гидрированию в анилин. Это проявляется в положительном балансе рециркулированного анилина в ходе получения 4-АДФА (конденсация, гидрирование, ректификация 4-АДФА, где регенерируется большее количество анилина, чем количество, соответствующее его потреблению для образования 4-АДФА.

Пример 21

Использование при конденсации рециркулированной реакционной системы.

Применяют такой же способ конденсации анилинина и нитробензола, как и в примере 20, добавляя рециркулированную реакционную систему в реактор к анилину, т.е. соответствующее количество обработанной водной фазы со стадии гидрирования (пример 20), таким образом, что молярное отношение катализатора к нитробензолу составляет 1,15.

По завершении конденсации образец удаляют из конденсационной реакционной смеси. В соответствии с анализом конверсия нитробензола составляет 95,5% со следующим выходом (в %) отдельных компонентов реакции (относительно введенного нитробензола) : 4-NОДФА 73,5%; 4-NO₂ДФА 13,5%; 4-фенилазодифениламин 0,17%; азобензол 12,6%; феназин 1,2%.

Примечание: содержание N-метиланилина составляет менее 0,05% относительно введенного бетаина.