способ получения диэпоксидов лимонена

Формула изобретения

Способ получения диэпоксидов лимонена общей формулы I

путем взаимодействия лимонена с водной перекисью водорода в среде растворителя и в присутствии каталитической смеси, отличающийся тем, что в качестве каталитической смеси используют сульфат марганца в сочетании с бикарбонатом натрия и салициловой кислотой при комнатной температуре, а в качестве растворителя используют полярный растворитель (метанол, N,N-диметилформамид или ацетонитрил).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии терпеновых соединений, а именно к получению смеси пространственных изомеров диэпоксидов лимонена - 1,2-8,9-диэпоксид-пара-ментанов общей формулы I

Соединение I может быть использовано в качестве добавки к смазочному маслу для холодильников [US 5454963, 1995], а также в качестве исходного соединения для получения гернандульцина - вещества, которое в 1000 раз слаще тростникового сахара [Kenji Mori, Minoru Kato. Tetrahedron Letters, 1986, 27, 981], для синтеза стереоселективных компонентов полового феромона южного зеленого щитника [Chen Xin, Gottlieb Levi, Millar Jocelyn G. Synthesis, 2000, №2,269].

Диэпоксиды лимонена также широко используются в качестве компонентов смол и композиционных материалов. Например, для получения термореактивной смолы, изолирующей полупроводниковые изделия [WO 0174798, 2001], смазывающей композиции для стекловолокна [RU 2155169, 2000], для изготовления косметических композиций [US 2006 52,521, 2006], композиций для нанесения глянцевых покрытий на керамику, стекло и фарфор [DE 10328531, 2005].

Из литературы известно, что диэпоксиды лимонена выделяют из продуктов эпоксидирования лимонена.

Последовательное эпоксидирование двойных связей в молекуле лимонена не практикуется, поэтому чем выше содержание диэпоксидов в продуктах эпоксидирования, тем эффективнее процесс их получения.

Все известные способы эпоксидирования лимонена делятся на две группы: использующие в качестве эпоксидирующего агента водную перекись водорода и использующие иные источники активного кислорода.

Способы второй группы нетехнологичны, так как используют дорогие, нестойкие, пригодные лишь для лабораторных условий окислители [WO 0174798, эпоксидирующий агент - м-хлорнадбензойная кислота], либо сложные дорогие катализаторы, иногда в присутствии вспомогательных веществ [Naima Fdil, My Youssef Ait Itto, Mustapha Ait Ali et al. Tetrahedron Letters, 2002, 43, 8769, эпоксидирующий агент - кислород в присутствии изобутилового альдегида, катализатор - комплекс рутений - п-цимол с 1,2,4-триазепинами в качестве лигандов. Содержание диэпоксидов в сырце 60%]. К тому же на стадии получения сырца эти способы часто дают много моноэпоксидов.

Варианты, использующие перекись водорода, можно, в свою очередь, распределить по четырем группам в зависимости от применяемой каталитической системы. Основной компонент такой системы может быть простым по химическому строению, но дорогим и труднодоступным, каким является, например, метилтриоксорений (МТО), дающий хорошие результаты эпоксидирования [РСТ WO 98/33786, 1997; US 5939568, 1999]. Вторая группа способов использует токсичные или вредные для окружающей среды катализаторы, например дибутилфениларсин [Michiel С.A. van Vliet, Isabel W.С.E. Arends, Roger A. Sheldon Tetrahedron Letters, 1999, 40, 5239]. Так получают моноэпоксиды, содержащие до 5% диэпоксидов. В третьей группе способов применяют дешевые и доступные катализаторы, которые требуют, однако, либо перекиси водорода высокой концентрации, либо дают мало диэпоксидов. Например, в работе [Michiel С.A. van Viet, Dalmo Mandelli, Isabel W.C.E. Arends et al. Green Chemistry, 2001, 3, 243] кроме Al ₂O₃ используют 60%-ную перекись водорода, дибутиловый эфир, этилацетат, азотную атмосферу.

В последнее время появился ряд вариантов катализа эпоксидирования олефинов, включая лимонен, с помощью сложных комплексов марганца с азотсодержащими макроциклическими лигандами, например, триметилтриазациклононаном, а также комплексов, содержащих гетерополикислоты, ионообменные смолы, мезопористый силикагель с привитыми на нем атомами титана. Недостаток таких способов эпоксидирования не только сложный катализатор, но и не высокое (не выше 30%) содержание диэпоксидов в продуктах реакции, а также использование вспомогательных реагентов. Например, в работе [Д.Манделли, К.Б.Войтиски, У.Шухардт и др. Химия природных соединений 2002, №3, 203] используют комплекс [L ₂Mn₂O₃](PF ₆)₂ с добавлением в реакционную среду уксусной кислоты, где L - 1,4,7-триметил-1,4,7-триазациклононан; выход эпоксидов 48% с содержанием диэпоксидов 25%.

В качестве прототипа выбрано эпоксидирование лимонена действием 35%-ной водной перекиси водорода в присутствии метилтриоксорения (МТО), наиболее детально описанное в работе [Aida L. Villa de P., Dirk E. De Vos, Consuelo Montes de C. et al. Tetrahedron Letters 1998, 39, 8521]. Для достижения хороших результатов по диэпоксидам процесс проводят с 2,6- или 3,4-кратными избытками водной перекиси водорода при содержании катализатора 0,5 мол.% в присутствии пиридина. При большем из указанных избытков перекиси водорода к пиридину добавляют еще хлористый метилен, при меньшем избытке - 3-цианопиридин. Продолжительность реакции для достижения 100%-ного превращения лимонена и 90%-селективности по диэпоксидам составила при меньшем избытке перекиси водорода 6 часов при 20°С, при большем избытке перекиси водорода - 40 часов при 0°С. Выход диэпоксидов не указан.

К недостаткам описанного способа следует отнести то, что катализатор (метилтриоксорений) труднодоступен и дорог, а используемые азотсодержащие растворители токсичны и обладают резким неприятным запахом.

Задачей настоящего изобретения является разработка технологичного и экономичного способа получения диэпоксидов лимонена.

Химико-физическая схема решения поставленной задачи включает в себя постепенное взаимодействие лимонена с перекисью водорода в среде, состоящей из органического растворителя (ацетонитрил, N,N-диметилформамид или метанол) и каталитической системы, состоящей из сульфата марганца, салициловой кислоты, воды, бикарбоната натрия. Далее реакционную смесь подвергают обработке известными методами, основным из которых является извлечение из нее метиленхлоридом или неполярным растворителем продуктов реакции. После удаления экстрагента эпоксид-сырец при необходимости очищают одним из известных методов (вакуумная разгонка, фракционирование на силикагеле). Выходы смеси диэпоксидов достигают 55-85%. Органические растворители и экстрагенты могут использоваться повторно.

Применение приведенной выше каталитической системы, содержащей сульфат марганца, бикарбонат натрия и салициловую кислоту, для эпоксидирования лимонена в литературе не описано. Именно сочетание в каталитической системе сульфата марганца, салициловой кислоты и бикарбоната натрия позволяет получить диэпоксиды лимонена с высоким выходом.

Преимущество предлагаемого способа получения диэпоксидов лимонена заключается в том, что образование двух оксирановых колец, в том числе по трудно эпоксидируемой двойной связи С8-С9 молекулы лимонена, производится действием простых, промышленно доступных, нетоксичных реагентов в мягких условиях. Это достигнуто заменой метилтриоксорения - дорогого соединения, получаемого многостадийным синтезом из рассеянного элемента рения, на доступный комплексный марганцевый катализатор. Еще одно преимущество предлагаемого способа - это его вариабельность, возможность выбирать наиболее выгодный для конкретных условий по цене, масштабу производства растворитель и способ очистки продукта. Дополнительным преимуществом способа, использующего каталитическую систему, содержащую сульфат марганца, бикарбонат натрия и салициловую кислоту, является возможность обогащения смеси диэпоксидов определенными пространственными изомерами (см. пример 7).

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Получение смеси диэпоксидов лимонена в водном растворе ацетонитрила.

В стеклянный реактор с механической мешалкой, термометром и штуцерами для загрузки твердых и жидких реагентов заливают 3.21 г (22.4 ммоль) 95%-ного лимонена, засыпают 0.066 г (0.44 ммоль) безводного сульфата марганца, 0.122 г (0.87 ммоль) 98%-ной салициловой кислоты, заливают 41 мл ацетонитрила. В течение 3.5 часов подают в реактор охлажденную смесь 30 мл 0.4 молярного водного раствора бикарбоната натрия и 21.5 мл 33%-ной водной перекиси водорода. Температура в реакторе 20±2°С. Перемешивают смесь при этой температуре еще 15 минут. Упаривают реакционную смесь в вакууме при 25°С, уменьшая ее массу в 1.5 раза. Отгон собирают в охлаждаемой ловушке. Упаренную реакционную смесь обрабатывают несколько раз метиленхлоридом, экстракт промывают водой, высушивают, отгоняют экстрагент при пониженном давлении и температуре 25°С. Получают 3.43 г продукта, содержащего по данным ГЖХ и ¹Н ЯМР 95% смеси четырех пространственных изомеров 1,2-8,9-диэпоксид-п-ментанов. Сигналы в спектре ¹Н ЯМР: 1.10 с, 1.11 с, 1.12 с, 1.13 с (С¹⁰Н₃); 1.19 с (С⁷H₃); 2.34-2.50 м (С⁹H₂); 2.82-2.92 м (С²H). Выход 100%-ного диэпоксида лимонена в расчете на 100%-ный лимонен составил 86% от теоретического, выход технического продукта 1.12 г на 1 г 100%-ного лимонена. Отогнанная от реакционной смеси азеотропная смесь ацетонитрила с водой и отогнанный от раствора эпоксидов метиленхлорид могут использоваться в следующих циклах получения диэпоксидов лимонена.

Пример 2. Получение смеси эпоксидов лимонена, обогащенной диэпоксидами, (эпоксида-сырца) в водном растворе ацетонитрила с использованием азеотропной смеси ацетонитрил - вода.

В реактор, описанный в примере 1, помещают 3.25 г (22.7 ммоль) 95%-ного лимонена, 0.067 г (0.44 ммоль) безводного сульфата марганца, 0.126 г (0.89 ммоль) 98%-ной салициловой кислоты, заливают 20 мл ацетонитрила с содержанием воды 4%, 20 мл ацетонитрила, регенерированного из примера 1 в виде азеотропной смеси с водой и содержащего 16% воды. В течение 2.8 часа подают в реактор охлажденную смесь 30 мл 0.35 молярного водного раствора бикарбоната натрия и 21 мл 33%-ной водной перекиси водорода. Температура в реакторе 20±2°С. Перемешивают смесь при этой температуре еще 20 минут. Упаривают реакционную смесь и обрабатывают оставшуюся суспензию, как описано в примере 1, используя для экстрагирования продуктов реакции метиленхлорид, отогнанный в примере 1. После отгонки от экстракта метиленхлорида получают 3.17 г смеси органических продуктов, содержащей по данным ГЖХ 0.03% лимонена, 4% моноэпоксидов и 67% диэпоксидов лимонена, а также неидентифицированные примеси. В отгоне от реакционной смеси обнаружено 2.4% лимонена. Следовые количества лимонена и диэпоксидов имеются также в отогнанном метиленхлориде. Выходы на взятый лимонен, выраженные так же, как в примере 1, составили 3% по моно- и 49% по диэпоксиду. Выходы на израсходованный лимонен 4% и 62% соответственно. Выход технического продукта 1.02 г на 1 г 100%-ного лимонена.

Пример 3. Получение эпоксида-сырца в водном растворе N,N-диметилформамида (ДМФА).

В условиях примера 1 при загрузке 3.28 г (22.9 ммоль) 95%-ного лимонена, 0.07 г (0.46 ммоль) безводного сульфата марганца, 0.129 г (0.92 ммоль) 98%-ной салициловой кислоты, 42 мл ДМФА с содержанием воды 0.6% и постепенном закачивании к указанным реагентам охлажденной смеси 31 мл 0.4 молярного водного раствора бикарбоната натрия с 22 мл 33%-ной водной перекиси водорода проводят операцию эпоксидирования. Реакционную массу обрабатывают гексаном, экстракт промывают водой, высушивают и после упаривания растворителя получают 2.29 г смеси, содержащей по данным ГЖХ 2% лимонена, 13% моноэпоксидов и 84% диэпоксидов лимонена. Выходы моно- и диэпоксидов лимонена 8% и 50% соответственно. Выход технического продукта 0.73 г на 1 г 100%-ного лимонена.

Пример 4. Получение эпоксида-сырца в водно-метанольном растворе.

В условиях примера 1 при загрузке 3.00 г (21.0 ммоль) 95%-ного лимонена, 0.065 г (0.43 ммоль) безводного сульфата марганца, 0.119 г (0.84 ммоль) 98%-ной салициловой кислоты, 38 мл безводного метанола и постепенном закачивании к указанным реагентам охлажденной смеси 29 мл 0.35 молярного водного раствора бикарбоната натрия с 20.5 мл 33%-ной водной перекиси водорода проводят операцию эпоксидирования. От двухфазной реакционной массы отделяют верхний органический слой (1.15 г), промывают его водой, высушивают. Нижний слой упаривают и обрабатывают так же, как в примере 1, получая после упаривания метиленхлорида 0.97 г продуктов эпоксидирования. По данным ГЖХ в верхнем слое содержится 40% лимонена, 20% моноэпоксидов и неидентифицированные примеси, которые входят и в состав продукта из нижнего слоя наряду с лимоненом (3%) и диэпоксидами (68%). Выходы на израсходованный лимонен: моноэпоксидов 10%, диэпоксидов 24%. На 1 г 100%-ного лимонена получают 0.74 г технического продукта.

Пример 5. Вакуумная разгонка эпоксида-сырца.

Смесь продуктов эпоксида-сырца, синтезированных в опытах, подобных описанным в примерах 1-3, подвергают разгонке при остаточном давлении 3 мм рт.ст. из колбы с воротниковой насадкой без капилляра. В схеме разгонки устанавливают охлаждаемую ловушку. Исходная смесь содержит 89% диэпоксидов, 9% моноэпоксидов и 1% лимонена. До температуры в бане 90°С отгоняют соединения, конденсирующиеся в ловушке. По данным ГЖХ это в основном смесь лимонена и моноэпоксидов с примесью диэпоксидов. До 100°С отгоняют фракцию 1, содержащую остатки лимонена, 35% моно-, 56% диэпоксидов. До 120°С отгоняют диэпоксиды (фракцию 2). Устанавливают в колбу капилляр и при остаточном давлении 5 мм рт.ст. отгоняют до температуры 160°С летучие продукты (фракция 3). Фракции 1 и 3 подвергают повторной разгонке при остаточном давлении 3 мм рт.ст. От фракции 1 при температуре 76-78°С отгоняют одну треть массы, а остаток объединяют с фракцией 2. От фракции 3 при температуре до 110°С отгоняют несколько капель жидкости, присоединяя их к фракции 2. Из 10.49 г исходной смеси получают 7.17 г целевого продукта, содержащего 94% диэпоксидов, 3% моноэпоксидов и неидентифицированные соединения, а также 0.21 г смеси на 80-85% обогащенной моноэпоксидами, 0.85 г олигомерных эпоксидов и 0.88 г осмоленного кубового остатка. ¹Н ЯМР-спектр целевого продукта соответствует спектру смеси 4 стереоизомерных диэпоксидов. Выход целевого продукта при разгонке 72%. Суммарный выход 100%-ного диэпоксида на израсходованный лимонен 45%, выход технического продукта 0.94 г/г.

Пример 6. Вакуумная разгонка эпоксида-сырца.

Смесь продуктов эпоксида-сырца, синтезированных в опытах, подобных описанным в примерах 1-4, подвергают разгонке при остаточном давлении 2-3 мм рт.ст. из колбы без капилляра с дефлегматором, имеющим 11 ступеней контакта фаз, и холодильником, охлаждаемым водой. В схеме разгонки устанавливают охлаждаемую ловушку. Исходная смесь содержит 88% диэпоксидов, 0.5% моноэпоксидов и неидентифицированные примеси. При температурах в кубе до 50°С отгоняют продукты, конденсирующиеся в ловушке. До температуры в кубе 140°С, в парах до 81°С отгоняют фракцию 1, до температуры в кубе 154°С, в парах до 87°С отгоняют фракцию 2. Ставят капилляр и до температур в кубе 160°С, в парах до 82°С отгоняют фракцию 3. Близкие по составу (ГЖХ) фракции 1-3 объединяют в целевую. Из колбы с воротниковой насадкой отгоняют от куба небольшое количество олигомерных эпоксидов, содержащих ˜30% диэпоксидов. В результате из 10.04 г смеси продуктов эпоксида-сырца получают 7.53 г целевого продукта, содержащего 96% диэпоксидов, 0.5% моноэпоксидов и небольшое количество неидентифицированных соединений, а также 0.09 г смеси, содержащей в основном моноэпоксиды, 0.62 г олигомерных эпоксидов и 1.49 г смолистого кубового остатка. ¹Н ЯМР-спектр целевого продукта соответствует спектру смеси 4 стереоизомерных диэпоксидов. Выход целевого продукта при разгонке 82%. Суммарный выход 100%-ного диэпоксида на израсходованный лимонен 45%, выход технического продукта 0.73 г/г.

Пример 7. Очистка эпоксида-сырца на сорбенте.

В колонку с внутренним диаметром 11 мм засыпают 22.5 г силикагеля L40/100 Silasorb 600. На столб сорбента высотой 43 см наносят 743 мг смеси продуктов эпоксида-сырца, синтезированных в опытах, подобных описанным в примерах 1-3, и содержащей 85% диэпоксидов лимонена, 2% моноэпоксидов и неидентифицированные примеси. Сорбат элюируют диэтиловым эфиром. Собирают фракции, содержащие 62-95% диэпоксидов, упаривают растворитель при комнатной температуре и пониженном давлении, получают 594 мг смеси, содержащей 539 мг (91%) диэпоксидов, следовые количества моноэпоксидов, неидентифицированные примеси. 370 мг этого продукта хроматографируют на колонке с внутренним диаметром 8 мм в аналогичных условиях, получая 331 мг целевого продукта, содержащего 97.0-97.5% диэпоксидов лимонена, свободного от моноэпоксидов (ГЖХ, ЯМР). Стереоизомерные 1,2-8,9-диэпоксид-п-ментаны присутствуют в следующих соотношениях: 1S, 2R, 4R, 8S : 1S, 2R, 4R, 8R : 1R, 2S, 4R, 8S : 1R, 2S, 4R, 8R=1.4 : 1.0 : 2.0 : 1.5. Выход 100%-ных эпоксидов при очистке 82%, выход от теоретического на 100%-ный лимонен 55%, выход технического продукта 0.7 г на 1 г 100%-ного лимонена.