Изобретение относится к способам получения алкиленаминокарбоновых кислот, в частности этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты в форме ее дигидрохлорида., используемой в качестве комплексообразующего агента в химии, биологии, сельском хозяйстве, фармацевтической промышленности.The invention relates to methods for producing alkyleneaminocarboxylic acids, in particular ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid in the form of its dihydrochloride. Used as a complexing agent in chemistry, biology, agriculture, pharmaceutical industry.
Известно, что для получения данного соединения, как и других этилендиаминкарбоновых кислот в ряду вторичных аминов, используется метод омыления соответствующих нитрилов [ DE 638071, 12 q 6/01, 1936 ]. Этот же метод берется за основу и в другом известном способе получения этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты дигидрохлорида, который включает следующие последовательные стадии: получение этилендиаминдипропионитрила взаимодействием этилендиамина с акрилонитрилом, гидролиз этилендиаминдипропионитрила концентрированной соляной кислотой, кипячение и выдерживание в течение нескольких часов образовавшейся реакционной массы, упаривание образовавшего раствора досуха в вакууме, растворение сухого остатка в дистиллированной воде, подщелачивание образовавшегося раствора концентрированным водным раствором гидроксида натрия, отгонку аммиака водяным паром, подкисление раствора до рН 4,5, упаривание досуха в вакууме, экстракцию остатка горячим абсолютированным этанолом, удаление хлорида натрия фильтрацией горячего спиртового экстракта, отгонку этанола до образования темно-желтой вязкой массы, растворение этой вязкой массы в минимальном количестве горячей дистиллированной воды, подкисление концентрированной соляной кислотой с последующей выдержкой при охлаждении до выделения целевого продукта - этилендиамин-N,N-дипропионовой кислоты дигидрохлорида с выходом 40%, который затем очищают пятикратной перекристаллизацией из горячего 80%-ного этилового спирта [Arthur Е. Martell, Stanley Chaberek, "The preparation and properties of some N,N-disubstituted ethylenediaminedipropionic acids". J. Am. Chem. Sos. 1950, vol. 72, p.5357-5361]. Данный известный способ, выбранный в качестве прототипа, как это видно из его описания, является нетехнологичным, трудоемким и энергоемким процессом, поскольку он многостадиен и включает многократное использование энергоемкой дистилляционной аппаратуры. Кроме того, способ экологически опасен, поскольку осуществляется с использованием в качестве сырья высокотоксичного акрилонитрила. Трудоемкость известного способа, кроме его многостадийности, заключается и в том, что для получения конечного чистого продукта приходится проводить многоступенчатую (пятикратную) очистку полученного технического продукта, что в значительной степени снижает выход конечного чистого продукта.It is known that to obtain this compound, as well as other ethylenediaminocarboxylic acids in the series of secondary amines, the method of saponification of the corresponding nitriles is used [DE 638071, 12 q 6/01, 1936]. The same method is taken as a basis in another known method for producing ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid dihydrochloride, which includes the following successive steps: obtaining ethylenediamine dipropionitrile by reacting ethylenediamine with acrylonitrile, hydrolysis of ethylenediamine dipropionitrile with concentrated hydrochloric acid for several hours, boiling and reaction mass, evaporation of the resulting solution to dryness in vacuum, dissolution of the dry residue in distilled water, pumping the resulting solution with a concentrated aqueous solution of sodium hydroxide, stripping ammonia with water, acidifying the solution to pH 4.5, evaporating to dryness in vacuo, extracting the residue with hot absolute ethanol, removing sodium chloride by filtration of the hot alcohol extract, distilling off the ethanol to form a dark yellow viscous mass dissolving this viscous mass in a minimum amount of hot distilled water, acidification with concentrated hydrochloric acid, followed by exposure to cooling to isolating the desired product, ethylenediamine-N, N-dipropionic acid dihydrochloride, in 40% yield, which is then purified by five-fold recrystallization from hot 80% ethyl alcohol [Arthur E. Martell, Stanley Chaberek, "The preparation and properties of some N, N -disubstituted ethylenediaminedipropionic acids. " J. Am. Chem. Sos. 1950, vol. 72, p. 5357-5361]. This known method, selected as a prototype, as can be seen from its description, is a low-tech, labor-intensive and energy-intensive process, since it is multi-stage and involves the repeated use of energy-intensive distillation equipment. In addition, the method is environmentally hazardous, since it is carried out using highly toxic acrylonitrile as a raw material. The complexity of the known method, in addition to its multi-stage, lies in the fact that in order to obtain the final pure product, it is necessary to carry out multi-stage (five-fold) purification of the obtained technical product, which significantly reduces the yield of the final pure product.
Для исключения названных недостатков предлагается новый способ получения этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты дигидрохлорида, который осуществляют взаимодействием этилендиамина с кальциевой солью β-монохлорпропионовой кислоты при температуре не выше 85°С в присутствии оксида кальция, взятого в количестве, обеспечивающем рН среды на уровне 9,0-11,0, и последующим подкислением реакционной массы концентрированной соляной кислотой до образования целевого продукта и его выделением.To eliminate these drawbacks, a new method is proposed for producing ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid dihydrochloride, which is carried out by reacting ethylenediamine with the calcium salt of β-monochloropropionic acid at a temperature not exceeding 85 ° C in the presence of calcium oxide, taken in an amount that ensures the pH of the medium at the level of 9.0-11.0, and subsequent acidification of the reaction mass with concentrated hydrochloric acid until the formation of the target product and its allocation.
Выделенный конечный продукт, предпочтительно методом фильтрации, подвергают дополнительной очистке промывкой этиловым спиртом. В качестве исходного продукта используют кальциевую соль β-хлорпропионовой кислоты, полученную нейтрализацией β-хлорпропионовой кислоты оксидом кальция. Предпочтительно подкисленную реакционную массу охлаждают до 10-15°С.The isolated final product, preferably by filtration, is further purified by washing with ethyl alcohol. As the starting product, the calcium salt of β-chloropropionic acid obtained by neutralizing β-chloropropionic acid with calcium oxide is used. Preferably, the acidified reaction mass is cooled to 10-15 ° C.
Новый способ, в отличие от прототипа, технологичен и экономичен, малоэнергоемок, поскольку осуществляется всего в две стадии, исключает использование токсичного исходного сырья и энергоемкого оборудования.The new method, unlike the prototype, is technologically advanced and economical, low-energy, since it is carried out in only two stages, eliminates the use of toxic feedstock and energy-intensive equipment.
Основными техническими отличиями нового способа от прототипа является использование в качестве исходного продукта кальциевой соли β-хлорпропионовой кислоты, а в качестве регулятора рН - оксида кальция. Благодаря присутствию оксида кальция реакция замещения атома хлора в β-хлорпропионовой кислоте протекает до стадии получения вторичных аминов, а не полностью замещенных третичных аминов, как это имеет место при осуществлении реакции нуклеофильного замещения хлора в β-хлорпропионовой кислоте в присутствии гидроксида натрия. Оксид кальция, по всей вероятности, участвует в образовании промежуточного комплексного соединения - кальциевого комплекса этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты. Выбор в качестве рН регулятора оксида кальция, являющегося комплексообразователем, обуславливается тем, что кальций(2+) способен взаимодействовать с исходными компонентами реакции с образованием неустойчивых комплексов, благодаря чему становится возможным, хотя и в небольшой степени, изменить геометрическую ориентацию этих исходных компонентов, в частности этилендиамина и β-хлорпропионовой кислоты. В то же время, кальциевый комплекс с продуктом данной реакции - этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислотой - обладает повышенной прочностью по сравнению с исходными комплексами, что способствует протеканию основной реакции. Такой механизм реакции, проходящей через стадию комплексообразования, обеспечивает протекание реакции в нужном направлении с образованием целевого продукта с достаточно высоким выходом для данной реакции. Проведение процесса при определенных режимах, а именно основной реакции взаимодействия исходных продуктов при температуре не выше 85°С и рН 9-11, является непременным условием осуществления реакции в нужном направлении. Другие последующие стадии процесса идут при иных режимах, в частности при более низких температурах, например при 55-60°С на стадии разрушения промежуточного кальциевого комплекса этилендиаминдипропионовой кислоты и предпочтительно при 10-15°С при выделении целевого продукта из реакционной массы после ее охлаждения. Ниже новый способ иллюстрируется следующим примером.The main technical differences of the new method from the prototype is the use of β-chloropropionic acid as the calcium salt, and calcium oxide as a pH regulator. Due to the presence of calcium oxide, the substitution reaction of the chlorine atom in β-chloropropionic acid proceeds to the stage of obtaining secondary amines rather than fully substituted tertiary amines, as is the case when the nucleophilic substitution of chlorine in β-chloropropionic acid is carried out in the presence of sodium hydroxide. Calcium oxide, in all probability, is involved in the formation of an intermediate complex compound - the calcium complex of ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid. The choice of pH as a regulator of calcium oxide, which is a complexing agent, is due to the fact that calcium (2+) is able to interact with the initial components of the reaction with the formation of unstable complexes, making it possible, albeit to a small extent, to change the geometric orientation of these initial components into in particular ethylenediamine and β-chloropropionic acid. At the same time, the calcium complex with the product of this reaction - ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid - has increased strength compared to the starting complexes, which contributes to the main reaction. This reaction mechanism, passing through the stage of complexation, provides the reaction in the right direction with the formation of the target product with a sufficiently high yield for this reaction. The process under certain conditions, namely, the main reaction of the interaction of the starting products at a temperature not higher than 85 ° C and pH 9-11, is an indispensable condition for the reaction in the right direction. Other subsequent stages of the process proceed under different conditions, in particular at lower temperatures, for example, at 55-60 ° C at the stage of destruction of the intermediate calcium complex of ethylenediamine dipropionic acid, and preferably at 10-15 ° C, when the target product is isolated from the reaction mass after cooling. Below, the new method is illustrated by the following example.
β-хлорпропионовую кислоту в количестве 162,8 г (1,5 мол) растворяют в 80 мл воды и при перемешивании нейтрализуют оксидом кальция до рН 9,0-11,0. К полученной суспензии образовавшейся кальциевой соли β-монохлорпропионовой кислоты в воде медленно прикапывают 42 г (0,7 мол) этилендиамина, поддерживая температуру реакционной массы на уровне 80-85°С при рН на уровне 9,0-11,0. Общий расход оксида кальция составляет около 90 г. По окончании загрузки амина реакционную массу выдерживают при размешивании при тех же значениях рН и температуры, охлаждают до 50-55°С, добавляют 300 мл концентрированной соляной кислоты и выдерживают реакционную массу при размешивании и при температуре 70-75°С до образования раствора. Полученный раствор охлаждают до 10-15°С. Выпавший осадок этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты дигидрохлорида через 20 часов отфильтровывают, промывают на фильтре этиловым спиртом и сушат. Выход 77,5 г (40%). Строение целевого продукта подтверждено данными С13 ЯМР спектров.β-chloropropionic acid in an amount of 162.8 g (1.5 mol) is dissolved in 80 ml of water and neutralized with stirring with calcium oxide to a pH of 9.0-11.0. To the resulting suspension of the formed calcium salt of β-monochloropropionic acid in water, 42 g (0.7 mol) of ethylenediamine are slowly added dropwise, maintaining the temperature of the reaction mixture at a level of 80-85 ° C at a pH of 9.0-11.0. The total consumption of calcium oxide is about 90 g. At the end of the amine loading, the reaction mass is kept under stirring at the same pH and temperature, cooled to 50-55 ° С, 300 ml of concentrated hydrochloric acid are added and the reaction mass is maintained at stirring and at a temperature of 70 -75 ° C until a solution forms. The resulting solution is cooled to 10-15 ° C. The precipitated precipitate of ethylenediamine-N, N'-dipropionic acid dihydrochloride is filtered off after 20 hours, washed on the filter with ethyl alcohol and dried. Yield 77.5 g (40%). The structure of the target product is confirmed by data from 13 NMR spectra.