CS196286B2 - Method of producing phenylhydrazine - Google Patents

Description

Předmětem vynálezu je způsob výroby organicky substituovaných hydrazlnů.

• Je známo, vyrábět organické hydrazlny, jako je méthylhydrazin, fenylhydrazin átd., reakcí' chloramlnů s primárními a sekundárními alifatickými a cykloalifetickými amiňy nebo anilinem v kapalné fázi za prakticky bezvodých podmínek („Angewandte Chemie“ 72 (1960), str. 129 až 130; patentový spis DE 964 865]. Při výrobě alifatických hydrazlnů se sice dosahuje dobrých výtěžků; avšak, jak Vyplývá z originální literatury, citované ve výše uvedeném článku, pracuje sě při uvedených postupech jen při velmi nízkých koncentracích (0,2 hmot. % organického hydrazlnů). Vzhledem к této nízké koncentraci je uvedený způsob výroby ztíačně nehospodárný. Při reakci s anilinem se 1 při práci při nízkých koncentracích dpsáhhě'jen nedostatečných výtěžků fenylhydrazinu. V patentovém spisu DE č. 964 865 není v příkladu, který se týká reakce chloraminu s anilinem, uveden vůbec žádný výtěžek fenylhydrazinu. Zřejmě vzniklo velmi značné množství vedlejších produktů, jako jsou fenylendiaminy a chloranillný.

Výtěžek fenylhydrazinu, vyrobeného z chloraminu á anilinu za bezvodých podmínek, činí podle ůdajů, uveřejněných v ča2 sopisu J. Org. Chem. 26 (1961), str. 1821, 46 %, vztaženo na zreagovaný anilin. Tento údaj však není v souladu s uvedeným hmotnostním množstvím (1,1 g surového fenýlhydrazlnu z 3,1 g spotřebovaného anilinu); z uvedeného hmothnostního množství vychází totiž výtěžek ve výši Jen 31 % teorie, vztaženo na spotřebovaný anilin. Při výpočtu výtěžku, vztaženého na použitý chloramin (50 mmolů) vychází dokonce jen 20 proč. Koncentrace fenylhydrazinu у anilinu zde činila 2,6 % hmot.

Vzhledem ke značnému technickému významu organických hydrazlnů, zejména feny lhydražlnu, jakožto výchozích produktů pro další syntézy, především ve farmaceutické oblasti, bylo žádoucí, upravit známou reakci chloraminů s primárními a sekundárními organickými aminy v kapalné fázi za prakticky bezvodých podmínek hospodárněji, to jest zejména v tom smyslu, aby se dosáhlo podstatně vyšších výtěžků, ariiž by bylo třeba vynaložit podstatně vyšší náklady v technologické oblasti. Tento požadavek byl podnětem к vynálezu.

Vynález vyřešil tento úkol tím, že kapalná fáze s případným primárním nebo sekundárním aminem se během zavádění chloraminu intenzívně pohybuje nebo se rozptyluje v jemné částice.

198288 ³ ‘Předmětem vynálezu je tedy způsob výroby fenylhydrazinu, popřípadě . substituovaného na fenylovém jádru alkylovým zbytkem s 1 až 4 atomy uhlíku nebo alkoxyío¹vým zbytkem s 1 až 4 atomy uhlíku néibo atomem halogenu, zaváděním chloraminu vzorce ’ CINH2 do kapalné fáze, obsahující nejvýše 0,5 %»hmot. vody, tvořené kapalným anilinem nebo anilinem rozpuštěným v inertním rozpouštědle, kterýžto anilin je popřípadě substituován na fenylovém zbytku, vyznačující se tím, že se kapalnou fází během uvádění chloraminu intenzívně pohybuje, nebo se tato fáze rozptyluje v jemné; částice.

Z chloraminů,. které přicházejí v širším měřítku v úvahu, je možno kromě nesubstituovaného chloraminu NH2CI jmenovat chloraminy, substituované jednou nebo dvěma alkylovými skupinami, jako je methylchldramln,“ n-propylchloramin,“ isobutyl- chloramin,. diethylchloramin atd. jejich .výroba se provádí známým způsobem, například jak popsáno v publikacích i.Allgemeine und Praktische Chemie“ 21 (1970), str. 123 až 124, „Chemikerzeitung/Chemische Apparatur“ 92 (1968), str. 383 a další nebo patentový spis US 2 808 439. Chloraminy se při své výrobě získávají vždy ve směsi se čpavkem, _ popřípadě s příslušnými primárními nebo sekundárními výchozími aminy a inertním plynem, jako je dusík, popřípadě ještě smíšeny s jemně rozptýleným chloridem amonným, popřípadě hydrochloridem použitých výchozích aminů. Plynná směs, obsahující chloramin, se pak uvádí do intenzívně míchané nebo jemně rozptýlené kapalné, v podstatě bezvodé fáze z .příslušného kapalného nebo v inertním rozpouštědle rozpuštěného primárního nebo sekundárního aminu, například zaváděním.do.J:é. to. fáze; nebo’· vedením nad ní. Jako/primární a sekundární aminy přicházejí v úvahu .'alifatické, cykloalifatické, aromatické a‘ •arallfatické aminy, ,z nichž je možno například uVÚšť n-butylamin,· n-hexylamin, cyklo.hejíýlamih, piiperidin, pipěrazin,' anilin, dl:;feftýiamíii,^;' ó-tolúldln, o-anisldln,- benzidin .

atd. Výhodným aminem je anilin. Aminy se mohou·/použít“ jako takové v kapalné formě rtebo Ψ.Rozpuštěné v inertním' rozpouštědle typu alifatických nebo aromatických uhlovodíků á chlorovaných uhlovodíků, jako je n-hekan; petroleíther,' benzen, toluen, chlorbeňzen atd;, dále etherů, jako je diethylether, dioxan, tetrahydrofuran, atd. Použití rozpouštědel se doporučuje například u amiňů o vysoké teplotě tání.

Obsah vody v kapalné'fázi nemá být podstatně vyšší než asi 0,5 % hmot., poněvadž vysoký obsah vody snižuje výtěžek vyráběných organických hydražinů. Jsou-li aminy, popřípadě rozpouštědla_z jen obtížně vyrobitelné v bezvodé formě, přidávají se, jako látky zachycující ionty těžkých kovů, známé látky, jako je klih,· želatina atd., jejichž účinek směřuje proti působení vody.

. Zatímco teplota plynného proudu, obsahujícího . chloramin, může překvapivě činit následkem intenzivního pohybu kapalné fáze až asi 300 °C, neměla by teplota kapalné fáze byl podstatně vyšší než 150 °C. Přesná volba teploty závisí v prvé řadě na teplotách varu aminů a popřípadě rozpouštědel. Směrem dolů je teplota jak plynného proudu, tak 1 kapalné fáze prakticky omezena tím, že při příliš nízkých teplotách se¹ reakční rychlost stává příliš pomalou. Proto je možno jako vhodnou dolní mez uvést přibližně teplotu místnosti.

Podstatným význakeih vynálezu je intensivni pohyb nebo jemné rozptýlení kapalné fáze během zavádění chloraminu, popřípadě plynného proudu obsahujícího chloramin. Intenzívní pohyb je vyvolám zejména mícháním a/nebo přečerpáváním. a/nebo Injikováním a/nebo intenzívním třepáním kapaliny ve vibračním mísiči.

Jemného rozptýlení se účelně dosáhne injlkováním kapalné fáze do zúžené části s výhodou .svisle upravené Venturlho trubice, jíž plynný proud, obsahující chloramin proudí shora dolů. Venturiho trubicí je, jak je možno se dočíst v příslušných učebnicích fyziky a chemického inženýrství, zužující se a pak pozvolna se opět rozšiřující, trubice. Plynné nebo kapalné prostředí, proudící touto trubicí, dosáhne v místě zúžení vyšší rychlosti a nižšího tlaku, v .rozšiřující se části trubice však opět dosáhne téměř svého původního stavu. Když se — jako v tomto případě — plynný proud, obsahující chloramin, setká v zúžené části trubice s injíkovanou kapalnou fází, dochází v této části následkem vyšší ryčhlosti к obzvláště intenzivnímu- pohybu a jemnému rozptýlení kapalné fáze. Následkem silného pohybu molekul v jednotlivých kapičkách kapaliny je. organický hydrazin, vzniklý na povrchu, rychle dopraven do vnitřku kapičky.

Když se — což je výhodným provedením způsobu podle vynálezu — nesubstltuovaný chloramin zavádí do bezvodého anilinu к výrobě fenylhydrazinu, je třeba dbát toho, aby obsah fenylhydrazinu v kapalné - fázi nepřekročil podstatně 6 % hmot., poněvadž by jinak chloramin reagoval dále s fenýlhydraziinem za vzniku hydrazobenzenu a pak ještě dále s tímto hydrazobenzenem za vzniku dalších reakčních produktů (až po benzen). Obdobně existují, i při použití jiných primárních a sekundárních aminů koncentrace, které se nemají překročiti které však jsou případ od případu poněkud odlišné. Určení těchto koncentrací může však být jednoduše provedeno několika běžnými zkouškami.

• Jde-li při reakci nesubstituovaného chloraminu s anilinem o získání hydrazobenzenu (= N,N‘-difenyl^:hydrazinu) nikoliv o získání fenylhydrazinu, je samozřejmě nutno koncentrace příslušně změnit; obdobné platí pak i pro reakci s jinými aminy. , . Zpracování reakční násady se provádí r

známým' způsobem, · jak se ' to· · již dělá u reakcí, · u 'nichž se kapalná ' ' fáze, 'intenzívně nemíchá·'· nebo '' se jemně nerozptyluje. Například v případě ' réákce nesubstituovaného chloraminu s 'anilinem ··za vzniku ' fenylhydrázihu · se· vzniklý' chlořiíf^ďiriónhý ' mecha- nickyOddělí filtrací' sedimentaci nebo' · -odstředěním · a na· fíltrát^sě—préď rektifikacf účelně působí ' ještě ' alkáliemi ' 'nebo alkalickými ' ' zeminami; Rektifikací ' sé 'fenylhydrazih' 'oddělí ' dd anilinu á' ' mdlých množství vedlejších produktů. ' Z vedlejších 'produktů je téměř vždy v destilačníin zbytku obsaženo i'^;ffiálé - množství ' hydrazobenzenú, ' 'který pak při'' ochlazení vykryštaluje.' Výtěžky' ' fenylhy-drazinu,·· ' vztažené ' ' na zreagovaný - anilin, činí více· 'než-' '70 ' %' teorie. Podobně vysokých nebo' 'f .'vyšších výtěžků 'se ' · dosáhne zejména při reakci lákových ' jedenkrát na jádru substituovaných ' anilinů, které se vyznačují dipólovým momentem ' přibližně ' i,4 až i,9 Debye. Samozřejmě jsou, jako u všech reakcí, i suroviny, při jejichž použití jsou výtěžky nižší; tyto výtěžky jsou však stále ještě značně vyšší než výtěžky, jichž se dosáhne, když se tytéž suroviny nechají reagovat s chloraminem, popřípadě chloraminy dosavadním způsobem, te.dy bez intenzivního pohybu nebo jemného rozptýlení kapalné fáze. Reakce se s výhodou 'provádí po vsázkách; je však i možno“ s dobrým výsledkem provádět i nepřetržitě, například v souproudu plynné a kapalné fáze.

Příčina zvýšení výtěžku, kterého se dosáhne intenzívním pohybem nebo jemným rozptýlením kapalné fáze během zavádění chloraminu, byla blíže zkoumána na reakci nesubstituovaného chloraminu s anilinem, která vede ke vzniku fenylhydrazinu. Přitom se zjistilo, že chloramin reaguje s vytvořeným fenylhydrazinem rychleji než s anilinem. Když proto fenylhydrazin zůstane delší dobu tam, kde vzniká — tedy na místě styku s chloraminem — dochází přednostně k další reakci za vzniku hydrazobenzenu a jiných produktů, snižujících výtěžek. Těmto nežádoucím reakcím se při způsobu podle vynálezu zabrání tím, že vzniklý fenylhydrazin 'se co možná nejrychleji odstraní z místa styku chloraminu s kapalnou fází. V případě styku chlořáminu s' jemně rozptýlenou kapalnou fází se ztráty hydrazinu, k nimž dochází následnou reakcí fenylhydrazinu s chloraminem, sníží kromě značným pohybem molekul v kapičkách ' kapaliny ' i už zvětšením povrchu kapaliny. Zvětšení povrchu totiž vede k nižší hustotě rozložení hydrazinu na povrchu a tím ke zvýšení pravděpodobnosti, že příští molekula ohloraminu zasáhne molekulu aminu a nikoliv molekulu hydrazinu, čímž vznikne další hydrazln a nezreaguje již vzniklý hydrazins

Následkem rychlého odstranění fenylhydrazinu a zvýšení povrchu kapalné fáze jemným rozptýlením bylo též umožněno, pracovat při podstatně vyšších koncentracích fe6 nylhydrazinu v kapalné fázi ' než až' ' dosud bez poklesu výtěžku, naopak dokonce ' s vyššími ' ' výtěžky. ' ' Z toho' · vyplývající vysokou hospodárností předčí ' způsob ' podle vynálezu ' dokonce - .klasický ' způsob . a způsob výroby ' 'fenýlhyd-razinu- ' podle 'E.''' Fischera . ' (redukce- d-iazotovaného ' anilinu'· siřicitanem) nebo se jim přinejmenším' vyrovná·'

Organické hydraziny_t ' ' vyrobené 'způsobem' podle' vynálezu, ' jsou ' důležitými ' .· ' meziprodukty pro ' 'další syntézy, ' zejména . farmaceutických produktů. ' Především fenylhydraz-ií je významným výchozím ' materiálem . -tohoto druhu. V této' souvislosti je ' ' možno ' uvést jako ' příklad ' známou reakci s ' acetoctánem, která '' otvírá ' cestu k . ''-Získání ' pyražolonové řady. ' K této .reakci není třeba*, fenylhydrazin izolovat z anilinového roztoku. ;

Způsob ' podle vynálezu ' . j.e' ' blíže objasněn dále uvedenými příklady.'*· ' ·· ·

Příklad ' i ·.· . . - . ·

Pracuje se v zařízení, schematicky znázorněném n!a obrážci. Zařízení sestává ze tří podstatných částí: generátoru i chloraminu, ' ochlazovací části 2 a aminové reakční nádoby 3. Generátor i chloraminu má jako podstatné součásti niklovou reakční komoru 4 a' niklovou trysku 4a na chlor, jejíž osovou trubkou 5 se přivádí chlor. Vpusť 6 slouží k přivádění čpavku, popřípadě ' příslušného aminu. Společně s chlorem, jakož se čpavkem, popřípadě aminem se může ještě přivádět' inertní zřeďovací plyn, například dusík. Reakční komora 4 a tryska 4a na chlor jsou zahřívány cirkulačním olejovým vytápěním 7, přičemž se horký olej ved.e pláštěm reakční komory a trysky na chlor, v případě reakce chloru se čpavkem na teplotu přibližně 320 °C. Na generátor i chloraminu navazuje bezprostředně ochlazovaní část' 2. Tato sestává z válcového nátrubku 8 se zaváděcí částí 9 pro chladicí prostředí — jeho přívod je označen vztahovou značkou i0 — jakož i z trychtýřového nástavce ii, upraveného na dolním konci nátrubku 8. ' Směr proudění ' chladicího prostředí, vstupujícího ' přívodem i0, . se změní vodicím prstencem i2, takže chladicí prostředí proudí pak ve směru proudění plynného reakčního proudu, vystupujícího z ' generátoru i chloraminu. Kolem válcového nátrubku 8 je s výhodou upraven izolační plášť i3 z obvyklého izolačního materiálu. Trychtýřový nástavec ii ochlazovací části zasahuje až pod hladinu kapalné fáze v aminové reakční nádobě 3. Čerpadlem i4 dodávaná kapalina ' vytváří paprsek směřující ' napříč k místu přivádění, a čerpadlem i5 se ' vytváří proud kapaliny, tryskající proti odcházejícímu plynnému proudu. Odcházející plynný proud je ještě zkrápěn padajícím proudem kapaliny, dodávané rovněž čerpadlem i5,' protiproudně ve sloupci i6. Ze zkrápěného sloupce i6 se odpadní plyn odvádí výpustí i7.

¹ Osovou přívodní trubkou 5 trysky 4a na chlor se přivádí 220 N I/h chloru a vpustí 6

1,5 Nm⁵/h čpavku do generátoru 1 chloramiinu, vytápěného pomocí cirkulačního olejového vytápění 7 na teplotu přibližně, 320° Celsia, Jako - chladicí prostředí slouží dusík, který .se přivádí do ochlazovací části 2 přívodem 10 у množství 12 NmVh. Proud dusíku se u koaxiálního^ vodícího prstence .12 obrací nejprve vzhůry a pak. dolů, takže rovnoměrně a· koaxiálně vstupuje úzkou prsténcovou štěrbinou mezi vodicím prstencem¹12 a tepelně izolovaným koncovým kusem reakční. komory 4 do válcového nátrubku 8 ochlazovácí ěásti 2. Proud dusíku obklopuje horký, chloramin obsahující plynný proud, vystupující z reakční komory 4. Oba stejným směrem proudící plynné proudy se spolu mísí, teplota -proudu obsahujícího chloramin klesá a chlorid amonný se vylučuje ve velmi jemně rozptýlené formě. Proudění dusíku u stěny nátrubku je tak inten- zívni, a průměr válcpvého nátrubku 8 (15Q milimetrů) je tak velkým že se к vnitřní stěně nátrubku 8 nedostanou prakticky žádné horké podíly. Tímto·, způsobem se · zamezí, aby i se -phloriď. arggnný. usazoval у nátrubky 8 a v trychtýřovém nástavci 11. Plynný proudy obsahující-^jiloramln· a, chlorid amonný a prpmísepý s cjiiaflicím plynem, se z nástavce 11; pc^lgzovací části 2 zavádí přímo· do kapalného j anilinu. Oběma· rotačními čerpadly 14 a ’Í5,· ·ζ nichž každé má' Výkop, přibližně 6. i.m?/h,· které jsou uzpůsobeny. pro současné, čerpání plynu, se dosáhne; velmi·· intenzivního pohybu anilinu. Celkové, ^množství použitého anilinu činí

17,14 kg, přičemž anilín má obsah - vody 0,095 °/o. hmot. Odpadní plyn, odcházející ze zkrápěného sloupce 16 - výpustí 17, je prakticky zbaven chlor Idu amonného.

Časový průběh pokusu je zachycen v dále uvedené tabulce.

Doba trvání Teplota plynu, Teplota Teplota oMIíajícího Tisk dttsíku Obsah feayi- Výtěžky rea&ce kiátce před obíhá jícího topnébo oleje (°C) před.tryskou hydraaintt (rmnatyj zavedením do anilinu přívodu 18 v anilínu

V tabulce znamenají:

a molární poměr chloraminu (jodometricky stanoveného ve vzorku plynu z konce nátrubku 8 ochlazovací části 2] к použitému chloru, β molární poměr jodometricky v anilinu stanoveného fenylhydrazinu к chloraminu, stanovenému jako u výše uvedeného poměru a, a γ molární poměr fenylhydrazinu, stanoveného jako u výše uvedeného poměru β, ke spotřebovanému anilínu.

Kromě fenylhydrazinu vznikají z anilinu malá množství benzenu, dusíku a hydrazobenzenu, avšak žádné chlorované organické sloučeniny.

Při výrobě chloraminu vznikají chlorid amonný a dusík. Je-li β menší než y, znamená to, že se chloramin zčásti rozpadá i v kapalném anilinu na chlorid amonný a dusík.

Další zpracování: dispergqvaný chlorid amonný se odfiltruje z násady a filtrát se smísí se 10Ó g 30% louhu sodného. Po vypuzení rozpuštěného čpavku uváděným dusíkem se pak oddestiluje za tlaiku 1,33 kPa benzen, azeotropní směs vody s anilinem a anilin, a palkpři teplotě do 160 °C ve spodku kolony pfí d$le sníženém tlaku fenylhydrazln. '

Čistý fenylhydrazin tvoří?95 % jodometricky stanoveného obsaženého množství. Z rektlflkačního zbytku je ,πίοζηο získat vykrystalizováním čistý hydrazobenzen.

Odpadní plyn'se po částečné kondenzaci vrací do soustavy, dusík a bqnzen se ze soustavy vyloučí. í

Dále uvedená tabulka uVádí porovnání nejdůležitějších údajů, získáných způsobem podle vynálezu, popsaným, v příkladu 1, s údaji, získanými způsobem podle dosavadního stavu techniky.

Porovnání

Údaje získané způsobem podle Údaje získané způsobem podle vynálezu i dosavadního stavu techniky [J. Org. Chemie 26 (1961), • str. 821) i koncentrace % hmot, fenylhydrazinu výtěžek β (% mol.) výtěžek γ (% mol.)

4,2

Příklad 2

Pracuje se v tomtéž zařízení jako v příkladu 1. Místo anilinu se však použije 17,21 kg o-toluidlnu. Další parametry jsou tyto:

375 Nl/h chloru,

2,6 Nm³/h čpavku,

Nm³/h dusíku pro zchlazení reakční směsi, teplota oleje, vstupujícího do topného pláště reakční komory: 327 °C, teplota oleje, vycházejícího z topného pláště trysky 4a na chlor: 307 °C, teplota o-toluidinu: 40 °C, doba trvání reakce: přibližně 70 minut.

o-tolylhydrazln se získá ve formě 5,0% roztoku. Molární poměr jodometricky ztitrovaného o-ťolylhydrazinu к použitému chloraminu (/3) činí 0,75 a molární poměr o-tolylhydrazinu ke spotřebovanému toluidínu (y) činí přibližně 0,85. Oba výtěžky jsou lepší než při výrobě fenylhydrazinu podle příkladu 1, což už je patrné i z toho, že obsah o-tolylhydrazinu se rychleji zvyšuje.

Poněvadž při pokusu oddělit o-tolylhydrazin rektifikací obdobně jako fenylhydrazin (příklad 1), dochází následkem rozkladu ke značným ztrátám, nechá se roztok o-tolylhydrazlnu v o-toluidinu po odfiltrování chío2,6' :

31. :

ridu amonného a po přidání methanolu a vody ihned reagovat se stechiometrlckým množstvím methylesteru kyseliny acetoctové při teplotě 85 °C během dvou hodin, čímž se získá l-o-tolyl-3-methyIpyrazol-5-on. Výtěžek činí 88 % teorie. Že tato reakce se daří s tak vysokým výtěžkem pyrazolonu, je mimořádně překvapující, poněvadž bylo možno předpokládat, že nadbytečný o-toluldin bude současně reagovat s esterem kyseliny acetoctové. >

Příklad 3

Do stejného zařízení, jaké je popsáno v příkladu 1, se vnese 21,8 kg čerstvě destilovaného o-anisldinu s obsahem vody 0,12 % hmot. Další parametry jsou tyto:

375 Nl/h chloru,

2,63 Nm³/h čpavku,

Nm³/h dusíku (chladicí prostředí), teplota obíhajícího topného oleje:

přibližně 325 °C, doba trvání reakce: přibližně 70 minut.

Po 70 minutách uvádění reakčních složek činí obsah o-methoxyfenylhydrazlnu v o-anisidinu 4,3 % hmot.

Průměrná hodnota výtěžku ot činí 0,86, činí 0,49 a γ činí 0,80 až 0,85.

Poněvadž i o-methoxyfenylhydrazin podlé12 há snadno tepelnému rozkladu, a proto je obtížně destilovatelný, aniž by došlo ke značnému rozkladu, je i zde účelné, pokud je účelem zíslkání příslušného pyrazolonu, provést přímou reakci roztoku v o-anisldinu s esterem kyseliny acetoctové.

Claims (2)

1. PŘEDMĚT

   1. Způsob výroby fenylhydrazinu, popřípadě substituovaného na fenylovém jádru alkylovým zbytkem s 1 až 4 atomy uhlíku nebo alkoxylovým zbytkem s 1 až 4 atomy uhlíku nebo atomem halogenu, zaváděním chlor aminu vzorce CINHz do kapalné fáze, obsahující nejvýše 0,5 % hmot, vody, tvořené kapalným anilinem nebo anilinem rozpuštěným v inertním rozpouštědle, kteíýžto vynalezu anilin je popřípadě substituován na fenylovém zbytku, vyznačující se tím, že se kapalnou fází během uvádění chloraminu intenzívně pohybuje, nebo se tato fáze rozptyluje v jemné částice.
2. 2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že se koncentrace vznikajícího fenylhydrazinu nechá v kapalné fázi dosáhnout nejvýše 6 % hmot.