MX2015002903A - Preparacion de dihidroxietil piperazina. - Google Patents

Abstract

Un proceso para preparar selectivamente dihidroxietil piperazina al hacer reaccionar hidroxietiloxazolidinona con un catalizador de ácido, en donde la selectividad de hidroxietiloxazolidinona a dihidroxietil piperazina es al menos 55%.

Description

PREPARACION DE D1HIDROXIETIL PIPERAZINA Campo de la invención La invención se refiere de manera general a dihidroxietil piperazina y procesos para la síntesis de la misma. De manera más específica, la invención se refiere a métodos para síntesis de dihidroxietil piperazina a partir de hidroxietiloxazolidinona bajo condiciones catalíticas, que resulta en la formación selectiva de dihidroxietil piperazina.

Antecedentes de la invención Los compuestos de piperazina tienen cualquier variedad de aplicaciones prácticas incluyendo la producción de plásticos, resinas y otros productos de trabajo industrial. Las piperazinas también pueden ser usadas en varias aplicaciones de uso final, tal como en pesticidas, fluidos automotrices y en farmacéuticos.

Una aplicación clara para compuestos de piperazina es en la absorción de varios contaminantes frecuentemente encontrados como residentes en corrientes de petróleo y gas. En específico, los compuestos de piperazina y derivados de los mismos, tales como N-alquil-N-hidroxietilpiperazina, N-hidroxietilpiperazina y N,N-di(2-hidroxietiljpiperazina (de aquí en adelante referidas como dihidroxietil piperazina o DiHEP) han sido encontrados útiles debido a su afinidad para absorber compuestos de azufre y su fácil reclamación para reuso en el proceso de absorción (ver, patente estadounidense no. 5,098,681 ).

En general, la dihidroxietil piperazina está comercialmente disponible a traves de procesos tales como, por ejemplo, la etoxilación de piperazina (Gold-Aubert, Ph et al. Helvética Chimica Acta 1959, 42, 1156; Trejbal, Jiri, et al. Reaction Kinetics and Catalysis Letters 2004, 82(2), 339), y la reacción de alquilación y cielización reductora de amino etanolamina y dietanolamina en la presencia de una atmósfera de hidrógeno y un catalizador de hidrogenación dehidrogenación (ver, patente estadounidense no. 4,338,443).

Además, Rooncy, patente estadounidense no. 5,491 ,263 también describe un método para la producción de etilendiaminas substituidas al hacer reaccionar oxazolidinona con aminas secundarias o alquil aril aminas.

Una preocupación con estos procesos es que generalmente producen una mezcla de compuestos de piperazina junto con la dihidroxietil piperazina. No es común para el proceso de etoxilación producir piperazina, hidroxietil piperazina y dihidroxi etil piperazina en mezcla; entre otros compuestos. Esto ha sido documentado por otros; Trejbal et al, Kinetcs of Ethylenediamine and Piperazine Ethoxilation, Reaction Kinetcs and Catalysis Letters (2004), 82(2) en 339-346 discuten la etoxilación de etilen diamina y piperazina.

Adicionalmente, la selectividad de los procesos descritos antes sufre. De esta manera, productos laterales generados mediante estos procesos deben ser útiles como una mezcla o requieren que se aplique la adición de pasos de procesamiento extensos para purificar la dihidroxietil piperazina.

Aún así, existen muchos casos donde la dihidroxietil piperazina es preferida como más útil que una mezcla de compuestos de piperazina. Como tal, existe la necesidad de un proceso y composición resultante, que produzca dihidroxietil piperazina en una manera comercialmente viable y eficiente a un alto nivel de pureza.

Breve descripción de la invención De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un proceso para preparar selectivamente dihidroxietil piperazina al hacer reaccionar N-(2-hidroxietil) oxazolidinona con un catalizador de ácido, en donde la selectividad de N-(2-hidroxietil) oxazolidinona a dihidroxietil piperazina es al menos 55% pura.

De acuerdo con un aspecto adicional de la invención, se proporciona una dihidroxietil piperazina sintética producida mediante una reacción catalítica, comprendiendo dicho catalizador un compuesto de triflato, en donde la dihidroxietil piperazina como está presente en mezcla, es al menos aproximadamente 55% en peso puro.

La invención es un proceso y producto resultante, para producir dihidroxietil piperazina. El proceso de la invención comprende la conversión selectiva de una N-(2-hidroxietil) oxazolidinona (HEO) a dihidroxietil piperazina (DiHEP). El proceso es implementado usando catalizadores de ácido.

Aunque solo es una teoría, se cree que en la presencia de un catalizador de ácido, N-(2-hidroxietil) oxazolidinona existe como una mezcla en equilibrio de N-(2-hdiroxietil) oxazolidinona, dietanolamina y dióxido de carbono. La dietanolamina reaccionará con N-(2-hidroxietil) oxazolidinona para formar trishidroxietil etilendiamina, la cual experimenta deshidratación catalizada con ácido para formar la dihidroxietil piperazina.

De acuerdo con la invención, se ha encontrado que la presencia de un átomo de nitrógeno terciario en el compuesto de amina es especialmente útil para absorber gases de ácido, tales como CO2, SO2, H2S, etc., encontrados como contaminantes comunes para muchos de los gases derivados de fuentes naturales.

Descripción detallada de las modalidades preferidas De acuerdo con un aspecto, la invención es un proceso para preparar selectivamente dihidroxietil piperazina al hacer reaccionar N-(2-hdiroxietil) oxazolidinona con un catalizador de ácido, en donde la selectividad de N-(2-hidroxietil) oxazolidinona a dihidroxietil piperazina es de preferencia al menos 55% pura.

La invención es un proceso para producir dihidroxietil piperazina a través de método sintético. En general, la dihidroxietil piperazina tiene la fórmula: El método de la invención comprende convertir N-(2-hidroxietil) oxazolidinona (II) a través d lea reacción catalítica a dihidroxietil piperazina.

OH o N ° CD Como parte del proceso de la invención, N-(2-hidroxietil) oxazolidinona es tratada con un catalizador adecuado tanto para abrir el anillo de la estructura y acoplar dos moléculas de N-(2-hidroxietil) oxazolidinona juntos y promover la deshidratación en la reacción para formar la estructura de anillo de piperazina. Cualquier catalizador, el cual puede promover las reacciones de acoplamiento y deshidratación puede usarse de acuerdo con la invención.

De preferencia, el catalizador es elegido a partir de un grupo que comprende catalizadores de ácido de Lewis y catalizadores de ácido de Bronsted. Los catalizadores de ácido de Lewis han sido encontrados especialmente útiles para facilitar tanto las reacciones de acoplamiento como deshidratación hacia la síntesis de la dihidroxietil piperazina.

Los ácidos de Lewis son definidos como cualquier compuesto, el cual puede aceptar un par de electrones solitarios de otra molécula. Ejemplos de ácidos de Lewis que pueden ser usados incluyen: haluros de metal, tales como trihaluros de boro y complejos de los mismos, trihaluros de aluminio y pentahaluro de antimonio; complejos de ligandos de metal de Grupo 2-15, tales como triflato de metal, tosilato de metal, complejos de salen de metal, complejos de salten de metal; borato de arilo tri-perfluorado; compuestos de amonio cuaternario y combinaciones de los mismos. Un ejemplo de un triflato de metal que puede ser usado es triflato de aluminio.

Catalizadores particularmente útiles incluyen compuestos de triflato, tales como trif lato de itrio (YCCFsSC b, triflato de aluminio (AL(CF3SC>3)3), triflato de cinc (Zn(CF3SC>3)2), triflato de lantano (La((CF3S03)3) y mezclas de los mismos. Tambien útil como un catalizador, ya sea solo o con cualquiera de los compuestos de triflato previamente referidos se encuentran los ácidos de Bronsted, tales como, ácido 3-nitro-bencenosulfónico, ácido para-tolueno sulfónico, ácido bencenosulfónico, ácido tríflico, ácido sulfúrico, ácido fosfórico, ácido clorhídrico y ácidos carboxílicos (por ejemplo, ácido acético, ácido benzoico, ácido cítrico).

Los catalizadores de ácido también pueden ser usados como un catalizador homogéneo o unido a un soporte como un catalizador heterogéneo.

En general, la N-(2-hdiroxietil) oxazolidinona puede ser convertida selectivamente a dihidroxietil piperazina sobre un catalizador de ácido bajo condiciones ambiente. Aunque se ha encontrado que las condiciones de temperatura incrementada reducen el tiempo requerido.

Los parámetros de proceso general, tales como tipo de catalizador, concentración de catalizador, temperatura de reacción, adición de un solvente, y % de conversión, pueden ser optimizados cada uno de manera independiente o en combinación para lograr el proceso más selectivo y/o económico.

Un resumen de condiciones de reacción puede ser encontrado en la tabla a continuación.

Tabla Aunque alguien de habilidad en la téenica que haya leído esta especificación, entenderá que la dihidroxietil piperazina producida a través del método de la invención es producida generalmente en mezclas en rendimientos que varían de al menos aproximadamente 55% en peso, de preferencia al menos aproximadamente 80% en peso, y más preferiblemente aproximadamente 90% en peso. El rendimiento real dependerá de catalizador y condiciones de reacción relevantes. El rendimiento de dihidroxietil piperazina se basa en las moles de N-(2- hidroxietil) oxazolidinona que reaccionaron. Es típico bajo la implementación de proceso, balancear la conversión con selectividad de producto a través de la implementación de operaciones de recielado de reactivo. La proporción de reactivo para producir selectividad es muy importante en este caso. Tener una alta conversión de reactivo además de alta selectividad de producto es muy preferido, ya que reduce la cantidad de reciclado de producto o permite a uno usar el producto sin purificación adicional. El triflato de itrio y triflato de aluminio son preferidos. Adicionalmente, proporcionar un medio para remover el subproducto de dióxido de carbono en evolución es preferido para alcanzar el rendimiento y selectividad de producto más deseados.

Hemos encontrado que la N-(2-hidroxietil) oxazolidinona experimenta una reacción de acoplamiento catalítico seguido por deshidratación catalítica, lo cual a su vez, resulta en la síntesis de dihidroxietil piperazina.

Ejemplos de trabajo Los siguientes ejemplos proporcionan una representación ilustrativa no limitante de una modalidad de la invención: Hidroxietiloxazolidinona (HEO) La N-(2-hidroxietil) oxazolidinona es un químico conocido y está disponible en cantidades de investigación de Pfaulz and Bauer. Los metodos sintéticos más comunes involucran la reacción de dietanolamina (DEA) con dialquilcarbonatos, generando un subproducto de alcohol. Esta reacción procede sin un catalizador pero puede ser promovida con un alcóxido de sodio. HEO también es reportada como un producto a partir de la reacción de dietanolamina (DEA) y dióxido de carbono (Esquema III a continuación). Bajo estas condiciones, sin embargo, el intermediario de HEO tiene vida corta y se condensa con DEA adicional para formar tris(2-hidroxietil) etilendiamina (TriHEED).

I - - HEO es estable en la ausencia de catalizador hasta 200°C. La reactividad de HEAO con ella misma fue evaluada cuando se calentó a 180°C con 5% mol de varios catalizadores. La mezcla de reacción resultante fue evaluada después de 25 horas mediante 1 H NMR para determinar la conversión de HEO y selectividad de la mezcla de producto para dihidroxietil piperazina. o Catalizador temperatura / \ + Otros HEO DiHEP ov La reacción ocurrió con todos los catalizadores empleados. Los catalizadores base (carbonato de potasio, 1 ,5-diazabiciclo[4.3.0]non-5-eno (DBN)) son más activos que los catalizadores de triflato de metal de Lewis, tales como: (Y(OTf)3, AI(OTf)3,Zn(OTf)2) o ácidos de Bronsted (ácido p-toluenosulfónico (PTSA)). El análisis de 1H NMR de mezclas de reacción finales de las reacciones catalizadas con base, muestran nuevos picos anchos de 2.6 y 3.6 ppm, indicativos de materiales poliméricos con funcionalidad C-H adyacente a una porción de amina y/o éter (es decir, poliéter y/o poliaminas). Las mezclas de reacción catalizadas con ácido de Lewis no reaccionan significativamente hasta después de 10 horas de calentamiento. Las mezclas de reacción finales tienen picos agudos en la NMR de protón indicando que los productos son principalmente materiales no poliméricos.

Los productos de las diversas condiciones de clasificación fueron examinadas mediante GCMS, LCMS y 1H y 13C NMR. Esto confirmó que la composición de producto de las reacciones catalizadas de ácido (AI(OTf)3, Zn(OTf)2, Y(OTf)3, ácido p-toluenosulfónico) comprenden pequeñas moléculas con el producto principal siendo dihidroxietilpiperazina (DiHEP). DiHEP es la condensación intramolecular y producto termodinámicamente favorecido de TriHEED. Esta trayectoria es favorecida bajo condiciones ácidas, debido a que el catalizador promueve la cielización intramoleuclar de TriHEED y reduce productos a partir de la reacción de TriHEED con HEO adicional (Esquema V, a continuación). _ _.

Fase experimental Reacción catalizada de HEO: Bajo condiciones ambiente, el catalizador (1.9 mmol; 5% mol) y N-(2-hidroxietil)oxazolidinona (0.50 g, 38 mmol) se adicionaron a un vial Wheaton V de pared gruesa de 5 mi y tapado usando una tapa de tornillo de septum de hule rojo. El vial fue ventilado usando una aguja de calibre 18 a través del septum y la mezcla se agitó y calentó a 180°C durante 25 h. La conversión y selectividad fue medida usando análisis de 1H NMR de la mezcla de reacción después de 25 horas y se resume en la Tabla 1.

Tabla 1 1 Un valor no pudo ser determinado debido a la interferencia de señal de subproductos poliméricos. 2 Niveles de trazas de DiHEP fueron observados en el material, los cuales podrían ser disueltos y evaluados por GC/MS 3 Debido a la interferencia de señal de los subproductos poliméricos, un número de selectividad no podría ser determinado; sin embargo, la abundancia relativa de DiHEP observada por GC/MS fue significativamente mayor que las entradas 1 -2 y 1 -3.

La fracción mol de los componentes en la mezcla de reacción de 25 horas fue determinada al integrar todos los picos en el 1 H NMR y normalizar a 100. La integración del pico HEO a 4.4 ppm (un grupo CH2 de la funcionalidad de hidroxietilo) y el pico de DiHEP a 3.6 ppm (un grupo CH2 de la funcionalidad de hidroxietilo; existen dos funcionalidades de hidroxietilo equivalentes en DiHEP, así la integración de grupo CH2 representa una suma de ambos de estos grupos funcionales, es decir, 4 protones) se usaron para medir la fracción mol de estas especies en la mezcla de producto. El cálculo de ejemplo para fracción mol de HEO en el producto: (integración de pico de CH2 de HEO a 4.4 ppm/2 hidrógenos) = integración / 1 hidrógeno en HEO; (integración / 1 hidrógeno) x (9 hidrógenos) = integración total de todos los hidrógenos de HEO. La integración total de todo el hidrógeno es dividida por 100 para proporcionar la fracción mol del HEO en la mezcla de producto. El cálculo de ejemplo para fracción mol de DiHEP en el producto: (integración de pico de CH2 de DiHEP a 3.6 ppm)/(4 hidrógenos) = integración /1 hidrógeno de DiHEP; (integración/1 hidrógeno) x (18 hidrógenos) = integración total de todos los hidrógenos de DiHEP. La integración total de todo el hidrógeno es dividido por 100 para proporcionar la fracción mol de HEO en la mezcla de producto. La fracción mol de HEO y DiHEP es substraída de 1 para proporcionar la fracción mol de cualquier otro material restante.

El % de conversión de HEO es determinada al substraer la fracción mol de HEO observada en el producto de 1 y multiplicar por 100. El % de selectividad de DiHEP es determinada al dividir la fracción mol de DiHEP por la suma de fracción mol de DiHEP y fracción mol de “otro” producto, multiplicando entonces por 100.

Aunque la presente invención ha sido descrita por referencia a su modalidad preferida como se describe en la especificación y dibujos anteriores, muchas más modalidades de la presente invención son posibles sin apartarse de la invención. Así, el alcance de la invención debería ser limitada solo por las reivindicaciones anexas.

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un proceso para preparar selectivamente dihidroxietil piperazína al hacer reaccionar N-(2-hidroxietil) oxazolidinona con un catalizador de ácido, en donde la selectividad de N-(2-hidroxietil) oxazolidinona a dihidroxietil piperazína es al menos 55%.

2. Un metodo para la síntesis de dihidroxietil piperazína comprendiendo el paso de: convertir N-(2-hidroxietil) oxazolidinona a dihidroxietil piperazína a través de la exposición a un catalizador de ácido.

3. El método de las reivindicaciones 1 o 2, en donde dicho catalizador de ácido comprende un ácido de Lewis.

4. El método de la reivindicación 3, en donde dicho catalizador de ácido comprende un compuesto de triflato.

5. El método de la reivindicación 4, en donde dicho compuesto de triflato es seleccionado del grupo que consiste de triflato de itrio, triflato de cinc, triflato de aluminio, triflato de lantano y mezclas de los mismos.

6. El método de la reivindicación 4, en donde el catalizador comprende triflato de itrio.

7. El método de la reivindicación 1 , en donde el catalizador comprende un ácido de Bronsted.

8. El método de la reivindicación 7, en donde el catalizador comprende ácido para-tolueno sulfónico.

9. El método de la reivindicación 1 , en donde el catalizador de ácido es unido a un soporte.

10. El metodo de la reivindicación 1 , en donde dicha N-(2-hidroxietil) oxazolidinona es convertida a dicha dihidroxi etil piperazina mediante exposición a un catalizador de triflato a temperaturas que varían hasta aproximadamente 120°C durante un tiempo que varía hasta aproximadamente 48 horas.

11. El método de la reivindicación 1 , en donde dicho compuesto de amina comprende N-(2-hdiroxietil) oxazolidinona y dicho catalizador comprende triflato de itrio, dicho compuesto de amina expuesto a dicho catalizador a una temperatura que varía hasta 250°C hasta aproximadamente 8 horas.

12. Un producto resultante del método de la reivindicación 1.

13. Un producto que resulta del método de la reivindicación 1 1 , en donde dicha dihidroxietil piperazina es 60% en peso puro o mayor.

14. El producto de la reivindicación 1 1 , en donde dicha dihidroxietil piperazina es 80% en peso puro o mayor.

15. El producto de la reivindicación 1 1 , en donde dicha dihidroxietil piperazina es aproximadamente 90% en peso puro o mayor.

16. La dihidroxietil piperazina sintética producida mediante una reacción catalítica, comprendiendo dicho catalizador un compuesto de triflato, en donde dicha dihidroxietil piperazina como está presente en mezcla es al menos aproximadamente 60% en peso puro.

17. La dihidroxietil piperazina sintética de la reivindicación 16 que tiene una pureza de al menos aproximadamente 80% en peso como está presente en mezcla.

18. La dihidroxietil piperazina sintética de la reivindicación 16 que tiene una pureza de al menos aproximadamente 90% en peso como está presente en mezcla.