La présente invention concerne un procédé de nitration du 2-méthylmidazole au moyen de l'acide azotique et de l'acide sulfu rique pour l'obtention du 2-méthyl-5-nitro-imidazole, au plus haut rendement possible, tout en sauvegardant des conditions parfaites de sécurité, malgré une marche intensive et rapide de la réaction et l'emploi de solutions à hautes concentrations.
L'introduction du radical nitro dans le noyau de l'imidazole n'a lieu qu'avec difficulté et exige l'emploi de conditions extrêmement rigoureuses. une haute température ainsi qu'un grand excès d'acides minéraux à haute concentration, tels que l'acide azotique et l'acide sulfurique. Cette réaction est accompagnée d'un développement intense de vapeurs nitreuses et d'un très intense effet exothermique conduisant à une décomposition d'une partie du 2-méthylimidazole ainsi qu'à une oxydation sans restes des produits de décomposition. Vu ces conditions, une maîtrise de ce pro cédé, qui s'accomplit à la limite même de la nitrification et de la décomposition, avec un dégagement de grandes quantités d'énergie, est très difficile, car à chaque instant un déroulement incontrôlable et excessif de la réaction peut avoir lieu et conduire à une violente explosion.
Etant donné que la condition essentielle et indispensable de la marche d'une réaction dans un procédé industriel est la possibilité d'assurer une sécurité à toute épreuve, aussi a-t-on, jusqu'ici, en nitrant le 2-méthylimidazole selon les procédés connus, employé des méthodes spéciales. Celles-ci consistaient à dissoudre tout d'abord le 2-méthylimidazole dans de l'acide sulfurique avec formation d'un sulfate acide du 2-méthylimidazole et à verser la solu tion ainsi obtenue par petites portions ou encore en la faisant déverser goutte à goutte dans un mélange nitrant de façon que, dans la solution réactive, ne soient présentes à la fois que des petites quantités du 2-méthylimidazole, pour assurer leur transfor mation en produit, et ce avant l'introduction de chaque quantité nouvelle du substrat.
On a également fait usage de procédés inver ses consistant en une introduction lente et graduelle de nitrates ou de l'acide azotique dans une solution du 2-méthylimidazole dans de l'acide sulfurique. Quoi qu'il fut, le principe d'un tel processus consistait en ce que, durant la nitration, ne devaient être présentes à chaque instant, dans la solution, que de petites quantités d'un des réactifs, substance organique ou éventuellement agent oxydant. On pourrait, il est vrai, faire usage d'un tel processus dans des procédés industriels, mais la longueur de temps nécessaire pour la marche de la réaction augmentait les frais du procédé et, malgré de tels moyens de précaution, on n'était jamais sûr du développement de la réaction ni à l'abri d'accidents, à cause d'explosions dangereuses.
Les recherches entreprises dernièrement ont montré que la cause de ces accidents était que, dans les méthodes de nitration employées jusqu'ici, le sulfate de 2-méthylimidazole ne réagit pas immédiatement dès son introduction dans le milieu réactif mais exige un certain temps d'induction qui, malheureusement, est variable et difficile à prévoir. C'est à cause de ce fait que, lors d'un déversement continu des réactifs, I'un d'eux peut s'accumule dans la solution et provoquer l'explosion. La vitesse de la réaction après la période d'induction augmente notamment très rapidement, avec augmentation violente de l'effet exothermique, les agents d'induction de la réaction étant jusqu'ici inconnus.
Dans les procédés connus, le rendement était en général, sans égard aux gros inconvénients découlant de la nécessité d'observer des conditions spécifiques de la marche de la réaction, relativement faible, soit, dans les meilleurs cas, de 48 à 52%.
Une méthode connue de Pyman donne de meilleurs résultats.
Malheureusement, elle ne peut être appliquée qu'à l'échelle du laboratoire. Elle consiste à procéder à la nitration de très petites quantités de 2-méthylimidazole à la fois, à l'échelle de quelques grammes, notamment de telle façon qu'on le fait tout d'abord dis soudre dans de l'acide azotique en formant le nitrate de ce composé. La solution de ce composé était additionnée d'acide sulfurique, après un court laps de temps une augmentation violente de température se manifestait, et une vive réaction démarrait, ce qui, vu les petites quantités de réactifs mis en contact, n'était pas tellement dangereux pour l'entourage. Employant cette méthode de micro-explosions, il n'était possible de faire réagir que de petites quantités de ce composé, et l'emploi de ce processus à l'échelle industrielle s'est évidemment révélé impossible.
Ce procédé a permis toutefois d'obtenir des rendements de 63% de la théorie à l'échelle de laboratoire.
Vu les fortes demandes de 2-méthyl-5-nitro-imidazole sur le marché, matière première employée dans l'industrie chimique et pharmaceutique, on proposa aussi de rendre le procédé de nitration du 2-méthylimidazole plus sûr et moins dangereux grâce à l'emploi de substances phlegmatisantes durant la marche de la réaction, c'est-à-dire l'emploi de substances neutres comme charge, qui ne participent pas à la réaction de nitration, diluent le mélange réactif et augmentent la masse ainsi que la capacité thermique du milieu, grâce à quoi elles diminuent les risques d'explosion et réduisent éventuellement son énergie.
Par exemple, le brevet d'URSS N" 201417 propose, comme substance phlegmatisante, un additif consistant en un mélange de soude et d'acide sulfurique ou d'une solution de bisulfate.
Le procédé exposé dans le brevet allemand DBP N" 1808104 et français N" 2022956 propose, comme moyen phlegmatisant, un mélange de carbamide et d'acide sulfurique ou du sulfate de carbamide.
L'addition de ces phlegmatiseurs a rendu la marche de la réaction plus sûre, mais l'inconvénient était l'introduction de matières supplémentaires et la nécessité d'augmenter notablement les quantités d'acides nitrifiants déjà considérables, le produit de la réaction étant encore plus fortement dilué, il en résultait encore l'inconvénient d'employer un processus d'isolation du produit de la réaction de son mélange réactif. De plus, les substances étrangères rendaient le traitement ultérieur bien plus facile, en particulier l'épuration du 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui augmentait fortement les frais de fabrication de ce composé.
L'invention vise à éliminer tous ces inconvénients, et en particulier à assurer à la marche du processus à l'échelle industrielle des conditions maxima de sécurité, en évitant en même temps l'emploi de substances étrangères ainsi qu'une diminution notable d'acides, et en augmentant considérablement la vitesse de marche de la réaction dans le procédé technologique en question et le rendement du procédé.
Selon l'invention, on vient de constater que le produit même de la réaction de nitration du 2-méthylimidazole peut constituer un excellent moyen phlegmatisant qui peut être également ajouté au mélange réactif en vue d'un ralentissement de la vitesse de réaction, par exemple lors d'un trop grand emballement de la marche de réaction. L'addition d'un tel corps phlegmatisant n'améliore pas seulement la sécurité du processus, mais permet également de raccourcir le temps de la marche du procédé technologique en évitant de grands volumes de substances neutres et étrangères à la réaction et la nécessité de leur élimination ultérieure du mélange, ce qui réduit de façon appréciable les frais d'exploitation. De plus, L'addition du produit phlegmatisant selon l'invention, comme on a pu le constater, accélère la période d'induction de la réaction.
Selon l'invention, il s'est avéré également qu'il est indiqué de procéder à une addition d'acide azotique concentré au mélange réactif qui contribue, à l'encontre de l'attente, à un ralentissement de la vitesse de la réaction de nitration. Ceci permet donc l'emploi d'une complexité de moyens assurant un processus sûr, sans danger et contrôlable. Le ralentissement par addition d'acide azotique, ou l'accélération, ou bien le maintien par une addition graduelle de l'acide sulfurique, est particulièrement important lorsqu'il s'agit de produire les premières parties du produit de la réaction de nitration en solution, contenant du 2-méthyl-5-nitro-imidazole, qui peut ensuite être employé pour phlegmatiser les charges en traitement.
Selon l'invention, il s'est avéré, en outre, que le temps du traitement peut être ralenti de façon décisive, en sauvegardant une sécurité complète, en conduisant le processus dans des températures variables, les vapeurs et les gaz s'y dégageant étant en même temps refroidis et retournés dans le milieu réactif lors de la marche de la réaction de nitration, conduite en principe à une température jusqu'à 1100 C et ensuite, de préférence après introduction de tous les réactifs et ralentissement de la réaction et diminution de l'effet exothermique, on applique un processus de complétion de la réaction en augmentant la température jusqu'à 130-150"C pendant un certain temps.
On procède en même temps à la condensation du mélange après la nitration et on fait chasser par distillation les composés volatils se dégageant pendant cette période du milieu de la réaction.
Il s'est avéré, de plus, contre toute attente, qu'on peut avoir encore de meilleurs résultats, et particulièrement une plus forte augmentation du rendement, en développant le principe susmentionné, notamment en conduisant la réaction par étapes dès le début en choisissant des paramètres croissants de température.
On débute la réaction à la température 60-90 C, de préférence 80 90" C, et ensuite, graduellement ou de façon continue, on aug- mente la température, le mieux, après addition de tous les composants, jusqu'à 110"C seulement, en conduisant en même temps les vapeurs dans le milieu réactif et ce n'est qu'ensuite, après la fin de la réaction principale, qu'on emploie un traitement ultérieur de finition et en même temps de condensation, en faisant chasser par distillation les composés volatils aux températures de 130-150 C.
On a constaté également, de façon inattendue, qu'on peut évi- ter l'emploi de grandes quantités d'acides lorsqu'on utilise l'acide azotique à haute concentration, notamment à densité de 1,471,52. En employant un tel acide, on peut utiliser, dans la réaction selon l'invention, une quantité bien moindre de réactifs et, en particulier, diminuer radicalement la quantité d'acide sulfurique. On obtient ainsi des solutions à bien plus haute concentration de 2-méthylimidazole.
Le procédé selon l'invention permet de mener la nitration du 2-méthylimidazole dans des conditions de sécurité complète et avec un rendement moyen de 63-66%. D'autres améliorations permettent de raccourcir particulièrement le temps de la réaction et d'augmenter le taux de transformation ainsi que d'augmenter encore le rendement d'environ 5% jusqu'ici un niveau non atteint encore d'environ 70% de la théorie.
De plus, le procédé selon l'invention permet également de réduire radicalement les quantités d'acides et d'obtenir des solutions hautement concentrées à forte teneur de 2-méthyl-5-nitroimidazole, ce qui est particulièrement avantageux pendant le traitement ultérieur, car cela permet de réduire radicalement les quantités des eaux résiduaires et des produits auxiliaires, par exemple de l'eau ammoniacale nécessaire pour la neutralisation du mélange réactif.
Ces améliorations ultérieures peuvent être employées dans le procédé selon l'invention chacune à part ou bien ensemble, chacune d'elles assurant des avantages particuliers technologiques et techniques.
Dans le procédé selon l'invention, les conditions optimales du traitement consistent à dissoudre en premier lieu le 2-méthylimidazole dans une solution antérieurement traitée provenant de la première charge antérieure, ensuite à introduire dans cette solution toute la quantité d'acide azotique et à ajouter graduellement, après, L'acide sulfurique jusqu'au démarrage de la réaction exothermique, dans laquelle le 2-méthylimidazole contenu dans la solution est transformé en azote de 2-méthylimidazole et celui-ci est transformé en 2-méthyl-5-nitro-imidazole, la marche et la vitesse de rotation étant contrôlées par une introduction graduelle de l'acide sulfurique, comme agent accélérant, et, si besoin est, de la solution du produit obtenu antérieurement dans la réaction ou de l'acide azotique même comme agent ralentisseur.
Grâce à ce mode de procéder selon l'invention, on peut employer avantageusement toutes les autres améliorations du procédé et on peut s'assurer tous les avantages techniques et technologiques.
La réaction de nitration du 2-méthylimidazole selon le procédé en accord avec l'invention, dans des conditions de haute sécurité technologique et assurant un haut rendement ainsi que d'autres avantages, est décrite dans les exemples ci-dessous.
Dans ces exemples, toutes les températures sont indiquées en degrés centigrades.
Exemple I:
Dans une cuve émaillée de 75 1 de capacité, pourvue d'un agitateur et d'une chemise d'eau, on a introduit 10 litres d'acide azotique à densité 1,40 et on a versé graduellement, en agitant continuellement et en refroidissant, 5 kg de 2-méthylimidazole de façon que la température ne dépasse pas 60". Ensuite, on a ajouté à la solution obtenue 10 litres d'acide sulfurique à 1,84 de densité, de sorte que la température atteignait, à la fin, la température de 110 . La réaction démarra petit à petit et la solution se mit en vive ébullition avec dégagement de fumées brunâtres.
Au fur et à mesure de l'accélération de la réaction, on a ajouté encore, graduellement, un mélange de 6 1 d'acide azotique de façon à maintenir la température à un niveau constant. En cas d'un freinage trop intense de la réaction, on a réglé sa marche ultérieure par une addition d'acide sulfurique, qu'on a encore introduit graduellement, en tout jusqu'à 6 1, suivant le ralentissement de la réaction. Après avoir terminé le dosage des réactifs, on a encore agité la solution jusqu'à l'arrêt complet de la réaction et la disparition de l'effet exothermique, diminuant convenablement le refroidissement du mélange et le débranchant ensuite complètement. On a laissé la solution refroidir, I'a diluée avec 401 d'eau et, en la refroidissant, on l'a neutralisée avec de l'eau ammoniacale jusqu'à un pH de 6.
Le précipité jaune clair ou presque blanc du 2-méthyl-5-nitro-imidazole a été essoré, en le lavant soigneusement à petites portions d'eau, et on Fa séché, obtenant un rendement de 4,6 kg de produit pur, c'est-à-dire environ 61% de rendement en théorie.
Exemple II:
Dans une cuve en acier inoxydable de 250 litres de capacité, pourvue d'un agitateur et d'une chemise à refroidissement, on a versé une solution provenant de la réaction selon l'exemple I et, tout en refroidissant et agitant, on y a dissous 15 kg de 2-méthylimidazole de façon à maintenir une température de 60". On a ajouté ensuite 50 1 d'acide azotique à densité de 1,40 et on y a introduit graduellement de l'acide sulfurique de 1,84 de densité.
Une réaction intense démarra aussitôt, avec dégagement de gaz nitreux, et la température monta à 110 . On a maintenu la température à ce niveau par agitation et refroidissement et ensuite, au fur et à mesure du degré de ralentissenfent de la réaction et de la diminution de l'effet exothermique, on a introduit l'acide sulfurique graduellement, à petites portions, de façon à maintenir la température à un niveau constant, jusqu'à épuisement de la quantité totale de 50 1. Après réaction complète et refroidissement de la solution, Y4 de celle-ci a été laissé pour le traitement de la charge suivante, et du reste on a extrait, selon un procédé connu, 14,1 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à environ 61% du rendement théorique.
Exemple III:
Dans un ballon en verre de 15 1, pourvu d'un refroidisseur à regelage avec billes, on a placé 6 litres d'acide azotique de 1,4 de densité et, en refroidissant et agitant, on y a ajouté 2 kg de 2-méthylimidazole de façon à ne pas dépasser la température de 60 . On y a versé ensuite graduellement de l'acide sulfurique à densité 1,84 jusqu'à l'amorçage d'une réaction intense, suivie d'un dégagement de gaz nitreux et d'une augmentation de température jusqu'à environ 110 . Il a fallu alors arrêter le dosage de l'acide sulfurique et, grâce à une agitation intense de la solution ainsi qu'à une addition d'un peu d'acide azotique, on a freiné une augmentation de la vitesse de la réaction et on a maintenu la tempé ratureà 110 .
Après conduite du processus selon un procédé analogue, mais en laissant le refroidisseur à regelage pendant tout le temps de la conduite de la réaction et en menant la réaction jusqu'au bout tout en gardant une température constante, on a obtenu 1,870 kg de produit, le volume de la solution et la quantité d'ammoniaque nécessaire pour isoler le 2-méthylmidazole étaient beaucoup plus grands.
Exemple IV:
Dans une cuve en acier inoxydable de 75 litres de capacité, pourvue d'un agitateur et d'une chemise de refroidissement, on a placé une solution après traitement de nitration obtenue selon les exemples I ou III, on a ajouté graduellement, tout en refroidissant et agitant, un mélange de 6 kg de 2-méthylmidazole, et ensuite 20 litres d'acide azotique à densité 1,40 de manière que la température ne dépasse pas 70". La cuve a été fermée et on a raccordé une conduite du dispositif d'absorption, muni d'un réceptacle joint à la cuve, au moyen d'un tuyau à robinet.
Dans la solution, on a introduit graduellement de l'acide sulfurique jusqu'à élévation de la température jusqu'au-dessus de 1 10" et l'amorçage d'une réaction intense, suivie d'un dégagement de grandes quantités de gaz nitreux.
L'addition de l'acide sulfurique a été interrompue et on a maintenu la température au niveau de 110 , procédant à un refroidissement intense et à un dosage du condensé du réceptacle, et, pour freiner au premier temps l'intensité de la réaction, on a ajouté dans la première période 1 1 d'acide azotique à 1,40. Après stabilisation de la vitesse de la marche de la réaction, on a maintenu son développement régulier en introduisant graduellement de l'acide sulfurique jusqu'à épuisement de la quantité de 20 litres, versant périodiquement, dans le cas d'une réaction plus violente, le contenu du réceptacle dans la cuve.
Après cessation de la vive intensité de la réaction, qui a duré environ 1 heure, on a arrêté le refroidissement et, après environ 5 minutes, on a élevé graduelle ment la température jusqu'à environ 140 et on a mené la réaction jusqu'à sa fin dans cette température, jusqu'à disparition de l'effet exothermique.
La solution a été évaporée et condensée et les composants volatils se dégageant pendant cette période, les vapeurs et gaz, n'ont pas été retournés au milieu réactif. Après refroidissement du mélange de la réaction, le 1/4 du volume de la solution a été gardé pour aider au traitement, selon la même méthode, de la charge suivante de production et, de la partie restante après neutralisation avec de l'ammoniac, on a obtenu, selon un procédé connu, 5,820 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à environ 64% du rendement théorique.
Exemple V:
Dans un nitrateur en acier inoxydable de 75 1 de capacité, pourvu d'un refroidisseur recyclant, d'un agitateur et d'un thermomètre ainsi que d'une chemise de refroidissement, on a dissous dans la solution de nitration, obtenue selon l'exemple IV, 8 kg de 2-méthylimidazole en refroidissant et agitant le mélange, et ensuite on a ajouté 241 d'acide azotique à 1,40 de densité de façon à maintenir une température de 70". On a versé après de l'acide sulfurique à densité 1,84 de façon à maintenir, par refroidissement et agitation, une température constante.
Après addition de 10 1 d'acide sulfurique, on a interrompu le dosage, et après 10 minutes, on a continué à verser goutte à goutte l'acide jusqu'à épuisement de la quantité prévue de 241 et, au fur et à mesure que la réaction était plus intense, on augmentait graduellement le passage de l'eau froide par la chemise à refroidissement. Le récep tacle avec sa conduite, permettant une addition de 10 1 de la solution antérieurement obtenue après nitration, constituait un dispositif de sécurité auxiliaire, ce dispositif étant utilisé pour toutes les réactions commençant à basse température.
Après addition de toute la quantité d'acide sulfurique, on a mélangé et refroidi la solution encore pendant 15 minutes et ensuite, après un ralentissement marqué de la réaction et la diminution de l'effet exothermique, on a permis à la température de monter lentement, à la vitesse de 1" par minute, jusqu'à atteindre la température de 110 et on a maintenu encore le mélange pendant 15 minutes, ensuite on a débranché le refroidisseur à recyclage, en faisant entrer les vapeurs et les gaz dégagés directement dans le dispositif d'absorp tion et on a fermé le passage de l'eau réfrigérante.
La température du mélange réactif s'est élevée d'elle-même, atteignant à la fin 138". On a laissé le mélange réagir encore pendant 20 minutes, lui faisant subir en même temps une concentration par distillation d'environ 3 1, principalement d'eau et d'acide azotique - c'est-àdire d'acide azotique dilué, après quoi on a de nouveau branché le refroidisseur. On a laissé 20% du volume de la solution après réaction dans le nitrateur pour servir au traitement de la charge suivante, du reste du mélange on a obtenu, au moyen d'un procédé connu, 8,700 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à 70% du rendement de la théorie.
Exemple VI:
Dans un ballon de verre de 750 ml de capacité, pourvu d'un refroidisseur de recyclage, on a placé 50 g de 2-méthylimidazole st, tout en agitant et refroidissant, on y a versé goutte à goutte, avec précaution, 10 ml d'acide sulfurique de densité 1,84 g/ml de façon que la température ne dépasse pas 1200; le 2-méthylimîda- 7Ole est une base et sa transformation en sulfate de 2-méthylimigazole est une réaction hautement exothermique. On a introduit ensuite lentement encore 20 ml d'acide sulfurique et, après abaissement de la température jusqu'à environ 50 , on a ajouté 100 ml d'acide azotique à 1,50 et on a attendu jusqu'à amorçage le la marche de la réaction.
Ensuite, par refroidissement et agita ;ion, on a maintenu la température à 110 , le développement trop violent de la marche de la réaction dans la première période pouvant être freiné par addition de quelques ml d'acide azotique à 1,50 de densité. Ensuite, au fur et à mesure de l'amoindrissement le l'intensité de la réaction et de l'effet exothermique après plus ie dix minutes, on a ajouté graduellement de l'acide sulfurique usqu'à épuisement de la quantité totale de 50 ml.
Après addition ie l'acide sulfurique, on a enlevé le refroidisseur à recyclage et on a élevé la température jusqu'à 130-150". On a laissé refroidir la solution et, de façon connue, par neutralisation avec de l'ammo- niac, on a isolé 45 g de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à environ 60% de rendement.
Exemple Vll:
Dans un ballon de 11, on a placé le mélange non isolé obtenu par nitration du 2-méthylimidazole comme dans les exemples I, [II et V, et, en refroidissant et agitant, on y a dissous 100 g de 2 mtthylimidazole de façon que la température ne dépasse pas 70".
Ensuite, on a branché un refroidisseur à recyclage et on a ajouté 200 ml d'acide azotique à densité 1,50, après quoi on y a introduit de l'acide sulfurique à densité 1,84 glml de façon à faire Lever la température jusqu'à 110 . La réaction s'est immédiateruent amorcée, sans période d'attente, et s'est accomplie avec un vif dégagement de gaz nitreux.
Au fur et à mesure du ralentissement de la marche de la réaction, on a continué à verser l'acide sulfurique jusqu'à épuisement de la quantité totale de l'acide de 100 ml, et, après diminution de l'effet exothermique, on a échangé le refroidisseur à recyclage montre un refroidisseur ordinaire, la température du mélange a été levée jusqu'à environ 140 et quelques ml de composants volatils ont été chassés par distillation. La solution a été divisée après la réaction, le 1/3 du contenu demeurant dans le ballon pour le traitement de la charge suivante, et, des % de la solution restante, on a isolé, de façon connue, 98 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à un rendement de 66%.
Exemple VIII:
Dans un nitrateur de 900 1 de capacité, en acier inoxydable, pourvu d'un agitateur, d'une chemise d'eau ainsi que d'un dispositif d'absorption avec réceptacle refroidi à eau, ayant une conduite d'évacuation reliée au nitrateur, on a introduit 110 1 d'une solution de nitration, obtenue par nitration du 2-méthylimidazole et dans cette solution on a dissous, tout en refroidissant et agitant le mélange, 75 kg de 2-méthylimidazole de façon que la température ne dépasse pas 80" et, qu'à la fin de l'opération, elle baisse jusqu'à environ 40 . On a versé ensuite 150 1 d'acide azotique à densité 1,50 g/ml,
la température montant jusqu'à environ 80 , et on a commencé après à procéder au versement lent de l'acide sulfurique à 1,84 de densité de façon que la température ne monte que lentement jusqu'à environ 110 et ensuite qu'elle se maintienne à ce niveau. Durant l'addition de toute la quantité de l'acide sulfurique (environ 70 1) et après un net ralentissement de l'effet exothermique, on a fait monter la température du mélange jusqu'à environ 140 et, après 20 minutes, pendant le temps complet de la réaction d'environ 80 minutes, on a refroidi la solution, laissant dans le nitrateur 110 1 de liquide pour le traitement de la charge suivante et, de la quantité restante, on a isolé par neutralisation du mélange après réaction, d'après un procédé connu, 73,5 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole.
Exemple IX:
Dans une cuve en acier inoxydable de 800 1 de capacité, pourvue d'un agitateur, d'une chemise refroidissante et d'un refroidisseur à recyclage à grand rendement, on a placé 150 1 d'acide azotique de 1,50 de densité chauffé préalablement jusqu'à environ 850, tout en agitant le contenu et en le refroidissant, afin de maintenir une température constante, on a versé goutte à goutte la solution provenant de la réaction obtenue selon l'exemple I et, ensuite, une solution de 80 kg de 2-méthylimidazole dans 80 litres d'acide sulfurique concentré. Les solutions ont été mélangées et agitées jusqu'à apparition nette d'une diminution de l'effet exothermique et ensuite on a fait monter la température pour atteindre, après environ 1 heure, 110 , après quoi on a maintenu cette température durant 25 minutes.
On a démonté ensuite le refroidisseur à recyclage et on a élevé la température du mélange jusqu'à environ 140 , la maintenant à ce niveau pendant 30 minutes, chassant par distillation pendant cette période les composants volatils et les évacuant hors du milieu de la réaction. La solution après réaction a été refroidie et divisée, 1/3 restant dans le réacteur, et, des 2/3, on a isolé, selon un procédé connu - par dilution avec de l'eau et neutralisation avec de l'ammoniac jusqu'à pH environ 6-, le 2-méthyl-5-nitro-imidazole, obtenant 88 kg de produit, ce qui correspond à un rendement d'environ 70% de la théorie.
Exemple X:
Dans une solution provenant d'une réaction de nitration selon l'exemple VIII, on a fait dissoudre 75 kg de 2-méthylimidazole, faisant agiter et refroidir le mélange. On a branché un refroidisseur à recyclage et on a versé 120 1 d'acide azotique à densité 1,50 g/ml, et on a commencé à y ajouter graduellement de l'acide sulfurique concentré de façon à maintenir une température constante de 80 ;
; 15 minutes après avoir introduit tous les réactifs, on a commencé graduellement à faire monter la température, par 10 toutes les 15 minutes, jusqu'à atteinte d'une température de 110 , maintenant le mélange encore pendant 20 minutes dans cette température, après quoi on a débranché le refroidisseur à recyclage et on a élevé la température du mélange réactif jusqu'à 140 , en faisant chasser en même temps par distillation, hors du milieu réactif, les composants volatils.
Un quart de la solution a été retenu pour le traitement d'une charge ultérieure, et, des % restants, on a isolé par des moyens connus 88 kg de 2-méthyl-5-nitro-imidazole, ce qui correspond à environ 70% de rendement de la théorie.
The present invention relates to a process for the nitration of 2-methylmidazole by means of nitrogen acid and sulfuric acid to obtain 2-methyl-5-nitro-imidazole, at the highest possible yield, while safeguarding perfect safety conditions, despite an intensive and rapid course of the reaction and the use of solutions at high concentrations.
The introduction of the nitro radical into the nucleus of the imidazole takes place only with difficulty and requires the use of extremely severe conditions. high temperature as well as a large excess of mineral acids at high concentration, such as nitrogen acid and sulfuric acid. This reaction is accompanied by an intense development of nitrous vapors and a very intense exothermic effect leading to a decomposition of part of the 2-methylimidazole as well as to an oxidation without residues of the decomposition products. Considering these conditions, a mastery of this process, which is accomplished at the very limit of nitrification and decomposition, with a release of large quantities of energy, is very difficult, because at each moment an uncontrollable and excessive progress reaction may take place and lead to a violent explosion.
Given that the essential and indispensable condition for the functioning of a reaction in an industrial process is the possibility of ensuring foolproof safety, so far we have so far been able to nitrate 2-methylimidazole according to known processes, employed special methods. These consisted in first dissolving the 2-methylimidazole in sulfuric acid with the formation of an acid sulfate of 2-methylimidazole and pouring the solution thus obtained in small portions or again by pouring it drop by drop. drop in a nitrating mixture so that, in the reactive solution, only small quantities of 2-methylimidazole are present at the same time, to ensure their transformation into product, and this before the introduction of each new quantity of the substrate.
Use has also been made of reverse methods consisting of a slow and gradual introduction of nitrates or nitrogenous acid into a solution of 2-methylimidazole in sulfuric acid. Whatever it was, the principle of such a process consisted in that, during nitration, only small quantities of one of the reagents, organic substance or possibly oxidizing agent should be present in the solution at any time. . One could, it is true, make use of such a process in industrial processes, but the length of time necessary for the progress of the reaction increased the cost of the process and, in spite of such precautionary means, one was never safe from the development of the reaction or safe from accidents, due to dangerous explosions.
Recent research has shown that the cause of these accidents was that, in the nitration methods employed so far, 2-methylimidazole sulfate does not react immediately upon its introduction into the reactive medium but requires a certain induction time. which, unfortunately, is variable and difficult to predict. It is because of this fact that with a continuous discharge of reactants, one of them may accumulate in the solution and cause an explosion. The speed of the reaction after the induction period increases in particular very rapidly, with a violent increase in the exothermic effect, the induction agents of the reaction being hitherto unknown.
In the known processes, the yield was in general, without regard to the great drawbacks arising from the need to observe specific conditions of the course of the reaction, relatively low, that is, in the best cases, from 48 to 52%.
A method known from Pyman gives better results.
Unfortunately, it can only be applied at the laboratory scale. It consists in carrying out the nitration of very small quantities of 2-methylimidazole at a time, on a scale of a few grams, in particular in such a way that it is first dissolved in nitrogenous acid by forming the nitrate of this compound. The solution of this compound was added with sulfuric acid, after a short time a violent increase in temperature was manifested, and a lively reaction started, which, given the small quantities of reagents brought into contact, was not so dangerous for those around you. Using this method of micro-explosions, it was only possible to react small amounts of this compound, and the use of this process on an industrial scale has obviously proved impossible.
However, this process allowed yields of 63% of theory to be obtained on a laboratory scale.
In view of the strong market demands for 2-methyl-5-nitro-imidazole, a raw material used in the chemical and pharmaceutical industry, it was also proposed to make the 2-methylimidazole nitration process safer and less dangerous thanks to the '' use of phlegmatizing substances during the course of the reaction, i.e. the use of neutral substances as filler, which do not participate in the nitration reaction, dilute the reactive mixture and increase the mass as well as the capacity thermal environment, thanks to which they reduce the risk of explosion and possibly reduce its energy.
For example, USSR Patent N "201417 proposes, as a phlegmatizing substance, an additive consisting of a mixture of soda and sulfuric acid or of a bisulfate solution.
The process disclosed in German patent DBP N "1808104 and French N" 2022956 proposes, as phlegmatizing means, a mixture of carbamide and sulfuric acid or of carbamide sulfate.
The addition of these phlegmatizers made the course of the reaction safer, but the disadvantage was the introduction of additional materials and the need to significantly increase the quantities of nitrifying acids already considerable, the product of the reaction still being more strongly diluted, there still resulted the disadvantage of employing a process of isolating the product of the reaction from its reactive mixture. In addition, the foreign substances made the further processing much easier, especially the purification of 2-methyl-5-nitro-imidazole, which greatly increased the cost of manufacturing this compound.
The invention aims to eliminate all these drawbacks, and in particular to ensure that the process runs on an industrial scale with maximum safety conditions, at the same time avoiding the use of foreign substances as well as a significant reduction in acids, and by considerably increasing the speed of reaction in the technological process in question and the yield of the process.
According to the invention, it has just been observed that the very product of the nitration reaction of 2-methylimidazole can constitute an excellent phlegmatizing means which can also be added to the reaction mixture with a view to slowing down the reaction rate, for example during too great a runaway reaction march. The addition of such a phlegmatizing body not only improves the safety of the process, but also makes it possible to shorten the operating time of the technological process by avoiding large volumes of neutral substances foreign to the reaction and the need for their subsequent removal of the mixture, which significantly reduces operating costs. In addition, the addition of the phlegmatizing product according to the invention, as has been observed, accelerates the period of induction of the reaction.
According to the invention, it has also been found that it is advisable to carry out an addition of concentrated nitrogenous acid to the reaction mixture which contributes, contrary to expectations, to a slowing down of the speed of the reaction. nitration. This therefore allows the use of a complexity of means ensuring a safe, safe and controllable process. The slowing down by addition of nitrogen acid, or the acceleration, or the maintenance by a gradual addition of sulfuric acid, is particularly important when it comes to producing the first parts of the product of the nitration reaction in solution, containing 2-methyl-5-nitro-imidazole, which can then be used to phlegmatize the loads in treatment.
According to the invention, it has been found, moreover, that the processing time can be decisively slowed down, maintaining complete safety, by carrying out the process in varying temperatures, the vapors and gases being evolved therein. being at the same time cooled and returned to the reactive medium during the course of the nitration reaction, carried out in principle at a temperature up to 1100 C and then, preferably after introduction of all the reagents and slowing down of the reaction and reduction From the exothermic effect, a reaction completion process is applied by increasing the temperature to 130-150 ° C for a period of time.
The mixture is condensed at the same time after the nitration and the volatile compounds which are released during this period from the medium of the reaction are distilled off.
It turned out, moreover, against all expectations, that one can have even better results, and particularly a greater increase in yield, by developing the aforementioned principle, in particular by carrying out the reaction in stages from the start by choosing increasing temperature parameters.
The reaction is started at a temperature of 60-90 ° C, preferably 8090 "C, and then gradually or continuously the temperature is increased, best after addition of all the components up to 110". C only, while driving the vapors in the reactive medium at the same time and it is only then, after the end of the main reaction, that a subsequent finishing treatment and at the same time of condensation are employed, by expelling by distillation the volatile compounds at temperatures of 130-150 C.
It has also been found, unexpectedly, that the use of large amounts of acids can be avoided when nitrogen acid is used at high concentration, especially at a specific gravity of 1,471,52. By using such an acid, it is possible to use, in the reaction according to the invention, a much smaller quantity of reactants and, in particular, to radically reduce the quantity of sulfuric acid. This gives solutions with a much higher concentration of 2-methylimidazole.
The process according to the invention makes it possible to carry out the nitration of 2-methylimidazole under conditions of complete safety and with an average yield of 63-66%. Further improvements make it possible to particularly shorten the reaction time and increase the conversion rate as well as to further increase the yield by about 5% so far a level not yet reached of about 70% of theory .
In addition, the process according to the invention also makes it possible to radically reduce the quantities of acids and to obtain highly concentrated solutions with a high content of 2-methyl-5-nitroimidazole, which is particularly advantageous during the subsequent treatment, since this makes it possible to radically reduce the quantities of waste water and auxiliary products, for example ammoniacal water necessary for the neutralization of the reactive mixture.
These subsequent improvements can be used in the method according to the invention each separately or together, each of them providing particular technological and technical advantages.
In the process according to the invention, the optimal conditions for the treatment consist in first dissolving the 2-methylimidazole in a previously treated solution originating from the first previous charge, then in introducing into this solution all the quantity of nitrogen acid and in gradually add, after, the sulfuric acid until the start of the exothermic reaction, in which the 2-methylimidazole contained in the solution is transformed into nitrogen of 2-methylimidazole and the latter is transformed into 2-methyl-5-nitro -imidazole, the rate and the speed of rotation being controlled by a gradual introduction of sulfuric acid, as accelerating agent, and, if necessary, of the solution of the product obtained previously in the reaction or of the nitrogen acid itself as retarding agent.
By virtue of this method of proceeding according to the invention, all the other improvements of the method can advantageously be employed and all the technical and technological advantages can be obtained.
The nitration reaction of 2-methylimidazole according to the process according to the invention, under conditions of high technological security and ensuring a high yield as well as other advantages, is described in the examples below.
In these examples, all temperatures are shown in degrees centigrade.
Example I:
In an enameled tank of 75 1 capacity, provided with a stirrer and a water jacket, 10 liters of nitrogenous acid at a density of 1.40 were introduced and gradually poured, stirring continuously and cooling. , 5 kg of 2-methylimidazole so that the temperature does not exceed 60 ". Then, to the obtained solution was added 10 liters of sulfuric acid at 1.84 density, so that the temperature reached, at the end , the temperature of 110. The reaction gradually started and the solution started to boil vigorously with the release of brownish fumes.
As the reaction accelerated, a further 6 L mixture of nitrogen acid was added gradually so as to maintain the temperature at a constant level. In the event of too intense a braking of the reaction, its subsequent course was regulated by the addition of sulfuric acid, which was again introduced gradually, in all to 6 l, depending on the slowing down of the reaction. After finishing the dosing of the reagents, the solution was further stirred until the reaction had completely stopped and the exothermic effect had disappeared, suitably reducing the cooling of the mixture and then completely disconnecting it. The solution was allowed to cool, diluted with 40 liters of water and, on cooling, neutralized with ammoniacal water to a pH of 6.
The light yellow or almost white precipitate of 2-methyl-5-nitro-imidazole was filtered off, washing it thoroughly with small portions of water, and dried, obtaining a yield of 4.6 kg of pure product. That is, about 61% yield in theory.
Example II:
In a stainless steel tank of 250 liters capacity, provided with a stirrer and a cooling jacket, was poured a solution from the reaction according to Example I and, while cooling and stirring, there was poured. 15 kg of 2-methylimidazole dissolved so as to maintain a temperature of 60 ". Then 50 1 of nitrogenous acid with a density of 1.40 was added and sulfuric acid with a specific gravity of 1.84 was gradually introduced thereto. .
Immediately an intense reaction started, with the evolution of nitrous gas, and the temperature rose to 110. The temperature was maintained at this level by stirring and cooling and then, as the degree of the reaction slackened and the exothermic effect diminished, the sulfuric acid was introduced gradually, in small portions. so as to maintain the temperature at a constant level, until the total amount of 50 1 is exhausted. After complete reaction and cooling of the solution, Y4 thereof was left for the treatment of the next charge, and of the solution. The remainder was extracted, according to a known process, 14.1 kg of 2-methyl-5-nitro-imidazole, which corresponds to approximately 61% of the theoretical yield.
Example III:
In a 15 L glass flask, fitted with a bead-re-freeze cooler, 6 liters of nitrogenous acid of density 1.4 were placed and, while cooling and stirring, 2 kg of 2- methylimidazole so as not to exceed the temperature of 60. Sulfuric acid at a density of 1.84 was then gradually poured into it until the initiation of an intense reaction, followed by evolution of nitrous gas and a rise in temperature to about 110. It was then necessary to stop the dosage of sulfuric acid and, thanks to an intense agitation of the solution as well as to the addition of a little nitrogen acid, one slowed down an increase in the speed of the reaction and one maintained the temperature at 110.
After carrying out the process according to a similar process, but leaving the cooler to re-freeze during the entire time of the reaction and carrying out the reaction to the end while keeping a constant temperature, 1.870 kg of product were obtained, the volume of the solution and the amount of ammonia required to isolate 2-methylmidazole were much greater.
Example IV:
In a stainless steel tank with a capacity of 75 liters, provided with a stirrer and a cooling jacket, a solution was placed after nitration treatment obtained according to Examples I or III, it was added gradually, while cooling. and stirring, a mixture of 6 kg of 2-methylmidazole, and then 20 liters of nitrogenous acid at density 1.40 so that the temperature does not exceed 70 ". The tank was closed and a pipe of the device was connected. absorption, provided with a receptacle attached to the tank, by means of a tap pipe.
Sulfuric acid was gradually introduced into the solution until the temperature rose to above 110 "and an intense reaction started, followed by the evolution of large quantities of nitrous gas. .
The addition of sulfuric acid was stopped and the temperature was maintained at the level of 110, carrying out an intense cooling and a dosage of the condensate of the receptacle, and, to slow down at the first stage the intensity of the reaction, 1 l of 1.40 nitrogen acid was added in the first period. After stabilization of the speed of the reaction progress, its regular development was maintained by gradually introducing sulfuric acid until the quantity of 20 liters was exhausted, periodically pouring, in the case of a more violent reaction, the contents of the receptacle in the tank.
After cessation of the intense reaction, which lasted for about 1 hour, the cooling was stopped and after about 5 minutes the temperature was gradually raised to about 140 and the reaction was carried out to its end at this temperature, until the exothermic effect disappears.
The solution was evaporated and condensed and the volatile components evolved during this period, the vapors and gases, were not returned to the reactive medium. After cooling the reaction mixture, 1/4 of the volume of the solution was kept to aid in the processing, by the same method, of the next production charge and, of the remaining part after neutralization with ammonia, 5.820 kg of 2-methyl-5-nitroimidazole were obtained, according to a known process, which corresponds to approximately 64% of the theoretical yield.
Example V:
In a 75 l capacity stainless steel nitrator, provided with a recycling cooler, a stirrer and a thermometer as well as a cooling jacket, the nitration solution obtained according to Example IV, 8 kg of 2-methylimidazole by cooling and stirring the mixture, and then 241 of nitrogenous acid at 1.40 density was added so as to maintain a temperature of 70 ". Acid was poured afterwards. sulfuric density 1.84 so as to maintain, by cooling and stirring, a constant temperature.
After addition of 10 L of sulfuric acid, the dosing was stopped, and after 10 minutes the acid was continued to be added dropwise until the expected amount of 241 was used up and, as the reaction was more intense, the passage of cold water through the cooling jacket was gradually increased. The receptacle with its pipe, allowing an addition of 10 1 of the solution previously obtained after nitration, constituted an auxiliary safety device, this device being used for all reactions starting at low temperature.
After adding the full amount of sulfuric acid, the solution was mixed and cooled for a further 15 minutes and then, after a marked slowing down of the reaction and a decrease in the exothermic effect, the temperature was allowed to rise slowly. , at a rate of 1 "per minute, until the temperature of 110 was reached and the mixture was still maintained for 15 minutes, then the recirculation cooler was disconnected, allowing the vapors and gases evolved directly into the chamber. absorption device and the cooling water passage was closed.
The temperature of the reaction mixture rose on its own, reaching at the end 138 ". The mixture was allowed to react for a further 20 minutes, at the same time subjecting it to a concentration by distillation of about 3 L, mainly. water and nitrogen acid - that is, dilute nitrogen acid, after which the cooler was plugged in. 20% of the volume of the reaction solution was left in the nitrator to be used for processing. The following charge, from the remainder of the mixture, was obtained, by means of a known process, 8.700 kg of 2-methyl-5-nitro-imidazole, which corresponds to 70% of the theoretical yield.
Example VI:
In a glass flask with a capacity of 750 ml, provided with a recycle cooler, 50 g of 2-methylimidazole st was placed, while stirring and cooling, 10 ml of drip was carefully poured into it. sulfuric acid with a density of 1.84 g / ml so that the temperature does not exceed 1200; 2-methylimida-7Ole is a base and its conversion to 2-methylimigazole sulfate is a highly exothermic reaction. Then a further 20 ml of sulfuric acid was slowly introduced and, after lowering the temperature to about 50, 100 ml of 1.50 nitrogen acid was added and the process was waited until the start of the operation. the reaction.
Then, by cooling and stirring; ion, the temperature was maintained at 110, the excessively violent development of the course of the reaction in the first period being able to be slowed down by adding a few ml of nitrogen acid at 1.50 density. Then, as the intensity of the reaction subsided and the exothermic effect continued after more than ten minutes, sulfuric acid was gradually added until the total amount of 50 ml was used up. .
After addition of the sulfuric acid, the recirculation cooler was removed and the temperature raised to 130-150 ". The solution was allowed to cool and, in known manner, by neutralization with ammonia. 45 g of 2-methyl-5-nitro-imidazole were isolated, which corresponds to approximately 60% yield.
Example VII:
In a 11 flask was placed the uninsulated mixture obtained by nitration of 2-methylimidazole as in Examples I, [II and V, and, while cooling and stirring, 100 g of 2 mtthylimidazole were dissolved therein so that the temperature does not exceed 70 ".
Then, a recirculation cooler was connected and 200 ml of nitrogenous acid at a density of 1.50 was added, after which sulfuric acid at a density of 1.84 glml was introduced therein so as to raise the temperature to 'to 110. The reaction started immediately, without a waiting period, and was accomplished with a sharp evolution of nitrous gas.
As the progress of the reaction slowed down, the sulfuric acid was continued to be poured in until the total quantity of the acid of 100 ml had been used up, and, after the exothermic effect had decreased, it was Switched the cooler to recycle shows an ordinary cooler, the temperature of the mixture was raised to about 140 and a few ml of volatile components were distilled off. The solution was divided after the reaction, with 1/3 of the contents remaining in the flask for processing the next batch, and from the% of the remaining solution, 98 kg of 2-methyl was isolated in known fashion. -5-nitro-imidazole, which corresponds to a yield of 66%.
Example VIII:
In a 900 1 capacity nitrator, made of stainless steel, provided with an agitator, a water jacket as well as an absorption device with water-cooled receptacle, having a discharge line connected to the nitrator , 110 l of a nitration solution obtained by nitration of 2-methylimidazole were introduced and in this solution was dissolved, while cooling and stirring the mixture, 75 kg of 2-methylimidazole so that the temperature does not exceed 80 "and, at the end of the operation, it drops to about 40. 150 l of nitrogenous acid at a density of 1.50 g / ml were then poured in,
the temperature rising to about 80, and afterwards we began to proceed to the slow pouring of sulfuric acid at 1.84 density so that the temperature rises only slowly to about 110 and then it is maintain at this level. During the addition of the entire quantity of sulfuric acid (about 70 l) and after a marked slowing down of the exothermic effect, the temperature of the mixture was raised to about 140 and, after 20 minutes, during the complete reaction time of about 80 minutes, the solution was cooled, leaving in the nitrator 110 1 of liquid for the treatment of the next batch and, from the remaining amount, was isolated by neutralization of the mixture after reaction, d 'after a known process, 73.5 kg of 2-methyl-5-nitro-imidazole.
Example IX:
In a stainless steel tank of 800 l of capacity, provided with a stirrer, a cooling jacket and a high efficiency recirculating cooler, 150 l of heated nitrogen of 1.50 density was placed. previously to about 850, while stirring the contents and cooling them, in order to maintain a constant temperature, the solution resulting from the reaction obtained according to Example I was poured in dropwise and then a solution of 80 kg of 2-methylimidazole in 80 liters of concentrated sulfuric acid. The solutions were mixed and stirred until a clear decrease in the exothermic effect appeared and the temperature was then increased to reach, after about 1 hour, 110, after which this temperature was maintained for 25 minutes.
The recycle cooler was then dismantled and the temperature of the mixture raised to about 140, holding it there for 30 minutes, during this time distilling off the volatile components and removing them from the reaction medium. The solution after reaction was cooled and divided, 1/3 remaining in the reactor, and 2/3 isolated, according to a known method - by dilution with water and neutralization with ammonia to at pH approximately 6-, 2-methyl-5-nitro-imidazole, obtaining 88 kg of product, which corresponds to a yield of approximately 70% of theory.
Example X:
In a solution resulting from a nitration reaction according to Example VIII, 75 kg of 2-methylimidazole was dissolved, causing the mixture to stir and cool. A recirculating cooler was connected and 120 L of nitrogen acid at a density of 1.50 g / ml was poured in, and concentrated sulfuric acid was gradually added thereto so as to maintain a constant temperature of 80;
; 15 minutes after having introduced all the reagents, the temperature was gradually started to rise, by 10 every 15 minutes, until a temperature of 110 was reached, maintaining the mixture for another 20 minutes at this temperature, after which the recycle cooler was disconnected and the temperature of the reaction mixture was raised to 140, while at the same time distilling off the volatile components from the reaction medium.
A quarter of the solution was retained for the treatment of a subsequent batch, and, of the remaining%, 88 kg of 2-methyl-5-nitro-imidazole were isolated by known means, which corresponds to approximately 70%. performance of the theory.