HU199106B - Process for production of p-amin-phenols by means of electrolitical reduction - Google Patents

Description

A találmány szerinti eljárással (I) általános képletű p-amino-fenolokat — a képletben R, jelentése hidrogénatom, halogénatom vagy

-COOH-csoport, állítunk elő p-fenil-azo-fenolokból, elektroliti- 5 kus redukcióval.

A találmány szerinti eljárásban, p-fenil-azo-fenolokat bázikus közegben, melynek pH értéke legalább a megfelelő p-fenil-azo-fenol pKa értékével egyenlő, legalább 50°C, előnyö- 10 sen 70—100°C hőmérsékleten elektrolitikusan redukálunk.

A találmány szerinti eljárással például 5-amino-szalicilsavat állíthatunk elő, amely vegyület számos gyógyszer értékes hatóanyaga. 15 így például a 81/02671 számú PCT bejelentésben ezen vegyület gyógyászati alkalmazását fekélyes vastagbélgyulladás (colitis ulcerose) és Crohn’s-betegség esetében ismertetik. 20

H.E. Fierz-David és L. Blangley: Grundlegende Operationen dér Farbenchemie, 5. kiadás, Vienna, (1943) irodalmi helyen Ar-N= =N-Ar’-OH általános képletű aril-azo-fenolok előállítását ismertetik, a képletben 25

Ar és Ar’ jelentése adott esetben helyettesített fenilcsoport.

Az ismert eljárásban egy diazotált aromás-amint (egy aril-diazonium-vegyületet) bázikus közegben, fenollal kapcsolnak. Ezt az is- 30 mert kapcsolási reakciót régóta alkalmazzák színezékek előállításában. Az előállítást az (1) és (2) reakcióegyenlettel írhatjuk le.

ArNH₂+ÍNO⁺]-<-Artf=N-l-H₂O (1) ₃₅

Artf=N+ArOH+2OH'-►

-► Ar-N=N-Ar’O~+H₂O (2)

Aril-azo-fenolokat savas közegben aminok- 49 ká és amino-fenolokká lehet redukálni. A reakciót direkt módon mint például a Chem. Abstr., 13 843 (1919) és a Chem. Abstr., 15,

839 (1921) irodalmi helyeken ismertetett módon, vagy indirekt módon, mint például a J. F. Norris és F. O. Cummings, Ind.Eng.Chem., 17, ⁴⁵

305 (1925) és az 1 542 265 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban ismertetett módon lehet kivitelezni. A reakciót nehéz jó kitermeléssel végrehajtani, mivel az 59 aril-azo-fenol vizes savakban rosszul oldódik, kivéve, ha HSO₃- vagy NR₂-csoportokat, amely csoportban R jelentése egymással azonosan vagy eltérően hidrogénatom vagy alkilcsoport, tartalmaz. Kísérleteket folytattak, mint példá- 55 ul azt E. Puxeddu, a Gazz. Chom. Ital. 48. (II), (1919) irodalmi helyen ismertetik, alkoholos sósavoldat alkalmazására és javasolták szerves oldószerek adagolását is, de az oldhatóság megfelelő javítását nem érték el. A fenti módszer további hátránya, hogy a tisztítás és az oldószer eltávolítása nehézkes.

A 3 645 864 számú amerikai egyesült államokbeli^szabadalmi leírásban szintén vizes közegben lejátszátott elektrolitikus redukciót ismertetnek. Az eljárásban kiindulási anyag- 65 2 ként nitrobenzolt használnak, amit p-amino-íenollá és ennek származékaivá redukálnak, 60—150°C hőmérsékleten, a telített kalomelektródra vonatkoztatott —0,25— —0,35 V katód potenciálon.

A 2 256 003 számú NSZK-beli közrebocsátott irat szerint bázikus közegben, elektrolitikusan állítanak elő amino-fenolokat. Az eljárásban az elektrolit oldat alkálifém-hidroxid-oldat lehet. Az eljárásban kiindulást anyagként nitrozó-fenolokat használnak, amit előzőleg inért gázatmoszférában kell szintetizálni.

Hátránya az eljárásnak az is, hogy nagyszámú elektrolízis cellát kell alkalmazni ahhoz, hogy elfogadható mennyiségű terméket állítsanak elő. Polarográfiás szempontból is vizsgálták a kérdést, mint például T. M. Florence, Austr. J. Chem., 18, 609 (1965); T. M. Florence, J. Electroanal. Chem., 52, 115 (1974); H. A. Laitinen és T. J. Kneip, J. . Am. Chem. Sox. 78, 736 (1956), valamint a Chem. Abstr. 48, 4333 (1954) irodalmi helyeken és az A) reakcióvázlaton bemutatott reakciómechanizmust javasolták p-aril-azo-fenolok (konkrétan p-fenil-azol-fenol) reduktív hasítására. A reakcióvázlatból látható, hogy a reakcióban összesen négy elekF ron játszik szerepet (n = 4). A lassú lépés a (4) lépés és a polarográfiás eredmények azt a tényt mutatják, hogy a (4) reakciólépés bázikus közegben olyan lassan megy végbe, hogy ilyen körülmények között nem figyelhető meg. Az utolsó lépés (5) sem figyelhető meg és gyakorlatban polarográfiásan csak n = 2 értéket kapunk bázikus közegben, számos vegyület esetében már pH 5,0 vagy ennél magasabb pH értékeknél. Ennek megfelelően Puxeddu (Gazz. Chim.Ital. 50 (II), 149 (1920)) hidroxi-azo-benzol bázikus közegben végzett redukciója során nem kapott p-amino-fenolt.

Néhány heterociklusos vegyület, mint például a 4-piridil-azo-fenol, hasítható elektrolitikus redukcióval, bázikus közegben, amint a*zt például T. M. Florence J. Electroanal. Chem., 52, 115 (1974) irodalmi helyen ismertetik. A mechanizmus feltehetőleg a fenti (5) reakció alapján a következő (és nem az amit a citátum 124. oldalán ismertetnek.):

PyN=NArO-^ÉM PyNH-NHArO^- (6)

PyNH'HN'AMT—PyNH^-+NH=Ar=O (7) A (7) hasítás nagyon gyorsan végbemegy, mivel a PyNH“(összevetve a C₆H₅NI-Pval) sokkal gyengébb bázis. Ennek oka, hogy a piridingyűrű erősen elektronvonzó és így a negatív töltés kevésbé koncentrálódik az aminocsoport nitrogénjén. Hasonló elektronvonzó csoport jelenléte ugyanezt a jelenséget idézi elő.

Munkánk során azt tapasztaltuk, hogy a p-aril-azo-fenolokat viszonylag magas pH-érték mellett (pH>a p-aril-azo-fenol pKa értékénél) és megfelelően magas hőmérsékleten, előnyösen 50—100°C hőmérsékleten egy aminvegyűletté és egy p-amino-fenollá lehet redu-2199106 kálni. A pKa értékkel megegyező vagy annál nagyobb pH értékek különösen akkor előnyösek, ha a p-aril-azo-fenolok az alkalmazott körülmények között vizes közegben oldódnak.

Mindezideig a p-aril-azo-fenolokat bázikus közegben kémiai módszerekkel, mint például Na₂S vagy Na₂S₂O₄ alkalmazásával redukálták. Ilyen redukciót ismertetnek például a 1 882 758 számú amerikai egyesült államokbeli szabadalmi leírásban. Az ilyen reakciók hátránya, hogy a kémiai redukálószerek alkalmazása környezetvédelmi problémákat vet fel, mivel például Na₂S₂O₄ alkalmazásánál 4 mól SO₂/termék keletkezik, amihez még tisztítási problémák is járulnak. Ezzel ellentétben az elektrolitikus redukciónál a „reagens elektron, aminek jelenléte nem okoz a fentiekhez hasonló problémákat. Ezen túlmenően az elektrolitikus redukció alkalmazása gazdasági előnyökkel is jár, mivel napjainkban a kémiai reagensek felhasználása gazdaságtalanabb, mint az elektromosságé, magas áruk miatt.

Találmányunk szerinti eljárással elméletileg bármely aril-azo-fenol-redukálható, amelyben a fenolos hidroxicsoport para helyzetű az azocsoporthoz képest.

A találmányunk szerinti eljárásban az elektrolízist vizes bázikus közegben a kiindulási p-aril-azo-fenol pKa értéke által meghatározott pH értéken végezzük. Gyakorlatban a pH érték 8—10 vagy enné, több lehet a kiindulási anyagtól függően. Megállapítottuk, hogy a pH érték növelése a reakciósebesség növekedésével jár együtt, ezért gyakran pH 12 értéknél nagyobb pH érték mellett dolgozunk. Megfelelő reakciósebesség biztosítása céljából a reakciót magasabb hőmérsékleten, általában 70—100°C hőmérsékleten hajtjuk vérge. 100°C-nál magasabb hőmérsékletet is alkalmazhatunk, bár ez az energiafelhasználás szempontjából már kedvezőtlen. Alacsonyabb hőmérsékleten így 50°C alatti hőmérsékleten is kivitelezhetjük a reakciót, bár ilyenkor kisebb áramsűrűséget kell használni. A reakció még szobahőmérsékleten is végbemegy, de olyan kis sebességgel, hogy gyakorlati szempontból nem célszerű ilyen alacsony hőmérsékleten dolgozni. Az alkalmazott feszültség 0,1—0,7 V-tal, negatívabb mint a redukciós potenciál (féllépcső potenciál) egy adott pH értéken. Negatívabb potenciált is alkalmazhatunk, hacsak más csoportok vagy anyagok nem redukálódnak ily módon. A potenciál alapvetően nem hőmérséklet-értékeny. Az alkalmazott áramintenzitás megfelel az elektródterülettel sokszorozott áramsűrűségnek (A/ /dm²). Az alkalmazott áramsűrűség a redukálandó anyag betáplálásától függ, ami a koncentrációnak és a reaktorban lévő áramlási körülményeknek (lamináris vagy turbulens) a függvénye.

A találmány szerinti eljárással előállított vegyületek közül példaként említjük meg a p-amino-fenolt és az: 5-amino-szalicilsavat.

A találmány szerinti eljárást a korlátozás igénye nélkül az alábbi példákon keresztül mutatjuk be.

1. példa

5-amino-szalicilsav előállítása

A) 5-fenil-azo-szalicilsav előállítása

Egy (A) reakcióedényben, állandó keverés közben 18,6 kg (200 mól) anilint feloldunk 40 1 koncentrált sósavoldat és 45 1 víz elegyében. A reakcióelegyet 0°C hőmérsékletre lehűtjük és egy másik reakcióedényből (B) 14 kg nátrium-nitritet és 40 I vizet tartalmazó oldatot adagolunk hozzá, lassan, állandó keverés közben. Az adagolás sebességét úgy választjuk meg, hogy a reakcióelegy hőmérséklete ne emelkedjék 2°C fölé. A beadagolás befejezése után a reakcióelegyet még 15 percen át kevertetjük, majd állandó keverés közben, kis adagokban 4 kg vízmentes nátrium-karbonátot adunk hozzá. A reakcióelegy pH értéke 1 és 2 közötti.

Egy harmadik reakcióedényben (C) 28 kg (202 mól) szalicilsavat feloldunk 33 1 koncentrált nátrium-hidroxid-oldatban (500 g NaOH 1 liter oldatban) és 67 1 liter vízben, amelyhez előzőleg 2 kg vízmentes nátrium-karbonátot adunk hozzá. Az oldatot 0°C hőmérsékletre lehűtjük, majd az (A) reakcióedény tartalmát állandó keverés közben a (C) reakcióedénybe átpumpáljuk oly módon, hogy a hőmérséklet közben ne emelkedjék 5°C fölé. Az azovegyület fokozatosan csapadék formájában kiválik és így végül az elegy egy sűrű, kásaszerű masszává alakul. Miután az (A) reakcióedényből a diazovegyület oldatának beadagolását befejeztük, az elegyet 5—6 órán át kevertetjük, mivel a kapcsolási folyamat vége lassú.

B) 5-fenil-azo-szalicilsav redukálása

A (C) reakcióedény tartalmához 20 1 koncentrált nátrium-hidroxid-oldatot (500 g NaOH 1 liter oldatban) adunk és az elegyet addig melegítjük, amíg tiszta oldatot nem kapunk és a pH érték 12-nél nagyobb. Ezután az oldatot egy másik reakcióedénybe (D) pumpáljuk át, majd 80°C hőmérsékletre melegítjük. A reakcióedény tartalmát ezután elektrolizálócellán pumpáljuk át. Az elektrolizáló-cella egy „filter press cell típusú (gyártócég: SU Electro Syn Celle) kamra, ólom katóddal, aminek potenciálja a standard kalomelektródhoz képest —1,4 V. Az alkalmazott áramsűrűség 10—20 A/dm². 20000 Ah eltelte után az áramsűrűséget 2—3 A/dm²-re csökkentjük, még 2 órán át elektrolizálunk, majd az elektrolízist leállítjuk. Az oldatot 5 kg nátrium-hidrogén-szulfit beadagolásával színtelenítjük, majd egy reakcióedénybe (F) pumpáljuk és nitrogéngázt fúvatunk rajta keresztül.

(E) reakcióedényben 40 kg NaOH-t feloldunk 250 1 vízben és az így kapott oldatot anód folyadékként használjuk. Az anód élettarta3

-3199106 ma szempontjából fontos, hogy az oldat mindig erősen bázikus legyen. Vízgőzt (adott esetben túlhevített vízgőzt) vezetünk az (F) reakcióedény tartalmához és a kapott anilint vízgőzzel kidesztilláljuk. Ezután koncentrált só- 5 savoldattal az oldat pH értékét 4,1-re állítjuk be és az elegyet állandó keverés közben 0—

5°C hőmérsékletre lehűtjük. Néhány óra elteltével a kristáylosodás befejeződik és a kialakult 5-amino-szalicilsavat. centrifugálással 10 vagy szűrőprés alkalmazásával végzett szűréssel izoláljuk. Megközelítőleg 28 kg nyersterméket kapunk, amit vízből átkristáylosítunkés aktívszénnel színtelenítjük. Op.: 270— 275°C. 15

2—7. példák

A következő példákban az 5-amÍno-szalicilsav elektrolitikus előállítását mutatjuk be, különböző reakciókörülmények között. Az 20 elektrolízis folyamatokban 0,4 mól 5-fenil-azo-szalicilsavat használunk és az előállítást a következő módon végezzük:

74,5 g átdesztillált anilint állandó keverés közben feloldunk 160 ml koncentrált sósavol- 25 dat és 180 ml demineralizált víz elegyében, majd az oldatot sózott-jeges fürdővel 0°C hőmérsékletre hütjük. 56 g nátrium-nitritet (NaNO₂) feloldunk 160 ml demineralizált vízben, az oldatot 0°C-ra lehűtjük és lassan állan- 30 dó keverés közben az anilin-hidroklorid-oldathoz adagoljuk oly módon, hogy a hőmérséklet ne emelkedjen 2°C fölé. A beadagolás után az elegy pH értéke 1,0— 1,5.

112 g szalicilsavat állandó keverés közben 35 feloldunk 132 ml koncentrált nátrium-hidroxid -oldat (500 g 1 liter oldatban) és 268 ml víz elegyében.

Az oldatot 0°C hőmérsékletre hütjük és a diazovegyületet állandó keverés közben hoz- 40 záadagoljuk oly módon, hogy a hőmérséklet ne emelkedjen 5°C fölé. A kapott kapcsolt termék viszkózus massza, amit egy éjjelen át kevertetünk.

A kapott azovegyületet (0,8 mól) összekeverjük koncentrált NaOH és víz elegyével abból a célból, hogy a kapcsolt termék feloldódjon az elektrolízis előtt. Az oldat pH értéke nagyobb, mint 12. Az előállított azovegyület két elektrolízishez elegendő.

Az oldat felét (megfelel 0,4 mól 5-fenil-azo-szalicilsavnak) az elektrolizáló-celta katódterébe öntjük, Az anódtérbe nátrium-hidroxid-oldatot öntünk. Az oldatokat az elektrolizáló-cellán átpumpáljuk, a reakció megindul. Az elektrolízis befejeztével a redukált termék az edény aljára süllyed. Hűtés közben a reakcióelegy pH értékét sósavoldat adagolásával 4,0-ra állítjuk be. Szűrés után a maradékot vízzel és acetonnal mossuk.

Az elektrolízist konvencionális elektrolizáló cellában végezzük, amelyben az anód- és katódtér féligáteresztő membránnal van egymástól elválasztva. A katód ólom és az anód nikkel. A katód referencia-elektród egy Ag/ /AgCl elektród.

A referencia feszültségének 0,8 V-nál, ami a természetes potenciálja az Ag/AgCl elektródnak, nagyobbnak kell lennie. Ennél alacsonyabb referenciafeszültségen a redukció nem következik be. A kielégítő redukció érdekében a referenciafeszültségnek 1,5 V-hoz minél közelebb kell lennie.

Az elektrolízis alkalmazott körülményeit a következő táblázatban foglaljuk össze. A táblázatban feltüntetjük a kapott nyers 5-amino-szalícilsav hozamokat is. Op.: 270—275°C minden esetben.

-4199106

Pél- Ο,θ mól kap- Azdektro- Anód Memb- Feszült- Referen- Aram- Összes Nyersterda csőit anyag- lízis hő- folya- rán ség cia fe- inten- áram- mék hozaszá- hoz hozzá- mérséklete dék anód szültsóg zitás felvé- ma (elmé-

-5199106

Pél- Ο,θ mól kap- Az éLektro- Anód Memb- Feszült- Referen- Áram- Összes Nyersterda csőit anyag- lízis hő- folya- rán sóg cia fe- inten- áram- mék hozaC (0 x>

I •H (0 <0 E «-4

I

SD >

r-4 QJ Q) in fs <

rs

co •co 4-» •H N	1 1 1 1 1 1	< CD rs
CJ)	1 1
•ű)	1
CO	1
4-*	XI 1	1
r—l	Ό 1
:□	w 1
N	co 1	*»
co	1 1

>

cO

XJ

X) Ό Ό c CO co Z*

Ό)

XI <υ u

Ό CJ co o

U *—' •QJ £

I xo

N

N o

x

N o

sz co >

X5 co

I <0

N (0 co £

OJ fs

X <

o co <

<o rs >

i in

K) f-t «—1 i tfl c

co co c > o c

co

X) o

CM

X o

fs c

co

X o

CM

X o

o

CM co

XJ

i—1 Ό	1 1 c	1 rH 1 •O 1	r—1
e		1	co	£	1	co
		1	X		1	ü
CD		1		CD	1	•r4
		1	o		1	E
M		1	CM	M	1	<D
4-»		1	X	4-»	1	SZ
o	X			O	X 1	a
XJ	o		i—1	XJ	O 1	|
i—4	(0	1		»-H	(0 1
O	z	1		O	2 1	C
					1	o
		1			1	L.
					1	X)
					1	>
			o		1	CD
			CD		1 1	..			c
					1	O)			'CB
					1	Ό			u
					1	ü		•	X
			C	r—1	1	o	•		£
			CO	*o	1			<M	<D
r-4			X	£	1	U '	CM		£
Ό					1	xo	K)
£			O	in	1	>
			CM	·»	1	cn
CM			X	r-	1				QZ
					1	O	ce	Q£
i-l			r-4	4-»	1	fs		V—z
i-l			£	4-J	1		C	c	C
O	X			O	X 1	m	0	o	o
XI	o		o	XI	O 1		•r4	•H	•H
r—<	(0		o	<—l	co 1		<*»		M—
o	z		CM	o	2 1	υ	co	co	CO
					1 1	€	2	2	2
					1 1		\	\	\
			fs		1	CO	X)	O	Ό

-6199106

A 2. példában a viszonylag alacsony hőmérséklet miatt (60°C) a referencia feszültség éppen csak eléri az 1,2 V-ot (bár nem az egész idő alatt). Ez nem kielégítő reakciót jelent, ezért a reakciót legalább 70°C hőmérsek- 5 létén kell végezni. A példa nagy hozamértéke a kis anyagmennyiségekből adódó mérési hibának tulajdonítható.

8. példa 10 p-amino-fenol előállítása Az elektrolízist egy „H-cell-cellában — mint amilyent például H. Lund „Practical Problems in Elektrolysis címmel Organic Elektrochemistry 2. kiadás, kiadó: M.M. Baizer és 15 H. Lund, Marcel Dekker, New York 1983, 168. oldal ismertet — végezzük. A berendezés két 250 ml gömblombikból áll, amelyek egy féligáteresztő membránon (Nafion^R) át kapcsolódnak és egy higanykatóddal és egy szénanód- 20 dal vannak felszerelve. A katódteret 150 ml,

0,2 mólos nátrium-hidroxid-oldattal és 10 g p-hidroxi-azo-benzolt tartalmazó oldattal töltjük fel, a pH érték nagyobb, mint 12. Az anódteret 0,5 mólos nátrium-hidroxid-oldattal tölt- 25 jük fel. A katódteret egy hőmérővel és egy viszszafolyató hűtővel szereljük fel. A katódteret az egész folyamat alatt nitrogéngázzal öblítjük. A hőmérsékletet 80°C-ra emeljük és mágneses keverővei végzett keverés közben a 30 standard kalomel-elektróddal szemben mért —1,2 V feszültségen elektrolizálunk. A kezdeti áramsűrűség 10 A/dm². Ezt fokozatosan csökkentjük. Az oldat kezdetben opálos, majd enyhén színeződik, halvány barna színű lesz. 35 Az visszafolyató hűtő átszerelésével a keletkezett anilin nagyrészét a reakcióelegyből kidesztilláljuk, miközben a hőmérsékletet 100°.C-ra emeljük. A nitrogéngáz-áram és a vízgőz az anilint a gyűjtőedénybe viszi. A katódfo- 40 lyadékot lehűtjük, majd pH 6,5 értékig semlegesítjük. Ezután 0°C hőmérsékleten állni hagy. juk, miközben a p-amino-fenol halvány bar¹² I na kristályok formájában kiválik. 4,6 g (ho- | zam: 84%) címszerinti vegyületet kapunk. Ol- | vadáspontja: 189,9°C. |

9. példa

2-klór-4-amino-fenol előállítása g 4-fenil-azo-2-klór-fenolt redukálunk a 8. példában ismertetett módszer _ szerint.

5,4 g (hozam: 86%) címszerinti vegyületet kapunk, aminek olvadáspontja: 153°C.

Claims (6)

1. Eljárás (I) általános képletű p-amino-fenolok, a képletben

R, jelentése hidrogénatom, halogénatom vagy

-COOH-csoport, előállítására egy (II) általános képletű p-fenil-azo-fenol, a képletben R, jelentése a fentiekben megadott, vizes közegben végzett elektrolitikus redukciójával, azzal jellemezve, hogy I az elektrolízist bázikus közegben, amelynek 1 pH-értéke legalább az alkalmazott p-fenil-azo- j

-fenol pKa értékével megyegyező, legalább (

50°C, előnyösen 70—100°C hőmérsékleten vé- 1 gezzük. |

2. Az 1. igénypont szerinti eljárás 5-amino- 1

-szalicilsav előállítására, azzal jellemezve, | hogy megfelelő kiindulási anyagot alkalma- fi zunk.

3. Az 1. igénypont szerinti eljárás p-amino-fenol előállítására,'azzal jellemezve, hogy megfelelő kiindulási anyagot alkalmazunk.

4. Az 1. igénypont szerinti eljárás 2-klór-4-amino-fenol előállítására, azzal jellemezve, ί hogy megjelelő kiindulási anyagot alkalma- · zunk.

5. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a közeg pH értéke 12-nél na- j gyobb.

6. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal j jellemezve, hogy a potenciál 0,1—0,7 V-al ne- j gatívabb, mint a redukálandó vegyület féllép- |;

cső potenciálja az alkalmazott pH értéken. fi