EA018156B1

EA018156B1 - Непрерывный способ получения амидов алифатических гидроксикарбоновых кислот

Info

Publication number: EA018156B1
Application number: EA201001110A
Authority: EA
Inventors: Маттиас Крулль; Роман Моршхойзер; Йоахим Хесс; Роберт Милбрадт; Франц-Ксавьер Шерль; Андреас Вакер; Михаель Зеебах; Йорг Аппель
Original assignee: Клариант Финанс (Бви) Лимитед
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2013-05-30
Also published as: CN101910115A; EA018156B9; DE102008017213A1; EP2274275A1; KR20100135227A; EA201001110A1; WO2009121489A1; US20110083957A1; MX2010010761A; CA2720347A1; BRPI0907149A2; DE102008017213B4; EP2796445A1; CN101910115B; AU2009231124A1

Abstract

Изобретение относится к непрерывному способу получения амидов гидроксикарбоновых кислот, согласно которому по меньшей мере одна гидроксикарбоновая кислота формулы (I)в которой Rявляется необязательно замещённой алифатической углеводородной группой, содержащей от 1 до 100 атомов углерода, реагирует по меньшей мере с одним амином формулы (II)в которой Rи Rнезависимо являются водородом или углеводородной группой, содержащей от 1 до 100 атомов углерода с образованием аммониевой соли, и указанная аммониевая соль затем превращается в амид гидроксикарбоновой кислоты под действием микроволнового облучения в реакционной трубке, продольная ось которой ориентирована в направлении распространения микроволн одномодовым микроволновым аппликатором.

Description

Изобретение относится к области химии амидов, в частности к получению амидов алифатических гидроксикарбоновых кислот.

Уровень техники

Амиды алифатических гидроксикарбоновых кислот представляют большой интерес в качестве химического сырья. Амиды, полученные из низших гидроксикарбоновых кислот, являются жидкостями с очень высокой растворимостью и особенно третичные амиды обладают выдающимися свойствами в качестве апротонных полярных растворителей. Третичные амиды хиральных гидроксикарбоновых кислот особенно пригодны в качестве вспомогательных веществ при энантиомерном разделении. Амиды длинноцепных гидроксикарбоновых кислот обладают интересными свойствами в качестве поверхностноактивных веществ.

Промышленное производство обычно включает в себя взаимодействие реакционноспособного производного гидроксикарбоновой кислоты, например ангидрида кислоты, хлорангидрида или сложного эфира, с амином. В первую очередь, это приводит к высокой производственной себестоимости и, во вторую очередь, к нежелательным побочным продуктам, например солям или кислотам, которые нужно удалять и отчуждать или выделять. Например, используя синтез Шоттен-Баумана, с помощью которого многочисленные гидроксикарбоксамиды получают в промышленном масштабе, образуется эквимолярное количество хлорида натрия. Подходящая прямая термическая конденсация карбоновых кислот и аминов требует использования очень высоких температур и длительного времени реакции, но приводит к только посредственным выходам (1. Ат. Сйст. Бос., 59 (1937), 401-402). Более того, разделение используемой кислоты и образующегося амида часто является очень сложным, поскольку они часто имеют очень близкие температуры кипения и, кроме того, образуют азеотропы.

СВ-414366 раскрывает способ получения замещённых амидов термической конденсацией. В примерах относительно высококипящие карбоновые кислоты взаимодействуют с газообразными вторичными аминами при температурах 200-250°С. Неочищенные продукты очищают перегонкой или обесцвечиванием.

Проблемами при таком получении являются очень большие времена реакции, необходимые для достижения конверсии, представляющей коммерческий интерес, а также коррозионная активность реакционных смесей, состоящих из кислоты, амина, амида и воды, образующейся при реакции, которые подвергают сильному воздействию или растворению металлические реакционные сосуды при необходимых температурах реакции. В результате содержание металлов, введённых в продукты, является очень нежелательным, поскольку оно влияет на свойства продуктов не только с точки зрения их окраски, но также катализирует реакции разложения и, следовательно, уменьшает их выход. Последней проблемы можно частично избежать при использовании особых реакционных сосудов, изготовленных из высококоррозионно-устойчивых материалов или с участием подходящих покрытий, что, однако, требует больших времён протекания реакции и вследствие этого приводит к образованию продуктов с искажённым цветом. Нежелательные побочные реакции включают в себя, например, окисление амина, термическое диспропорционирование вторичных аминов до первичных и третичных аминов и декарбоксилирование карбоновых кислот. Кроме того, при термических конденсациях гидроксикарбоновых кислот с аминами в качестве побочных реакций наблюдается элиминирование гидроксильной группы с образованием олефинов, аминолиз гидроксильной группы с образованием амида аминов, а также этерификация с образованием олигомеров и полимеров. Все эти побочные реакции снижают выход целевого продукта.

Более современным подходом к синтезу амидов является превращение карбоновых кислот и аминов в амиды под действием микроволнового излучения.

Уахс.|исх-Та1о. Буп1с11. 1993, 506, раскрывает использование микроволновых источников в качестве тепловых источников для получения амидов из карбоновых кислот и арилалифатических аминов через аммониевые соли. Синтез выполняется в 10 миллимолярном масштабе.

Сс1спб с1 а1., Тс1га11сбгоп БсИсгб 2005, 46(21), 3751-3754, раскрывает множество амидов, синтезированных при помощи микроволнового излучения, но не гидроксикарбоксамидов. Синтез выполняется в сосудах на 10 мл.

Ма881со1 с1 а1., Буп111С818 2001, №. 16, Б. 2441-2444 раскрывает синтез амидов винной кислоты под действием микроволновых источников, подчёркивая экономические соображения и преимущества в отношении безопасности и окружающей среды при использовании микроволновых источников; однако реакции выполняются только в миллимолярном масштабе. Реакции с вторичными аминами не установлены.

Однако до сих пор не достигнут масштаб таких реакций с участием микроволновых источников от лабораторных до промышленных масштабов и поэтому строительство новых заводов, способных производить несколько тонн, например, несколько десятков, несколько сотен или несколько тысяч тонн в год с выходом продукта за единицу времени за один проход, представляющим интерес для промышленного применения, до сих пор не достигнут. Одной из причин этого является глубина проникновения микроволновых источников в реакционную смесь, которая обычно ограничивается величинами от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров и приводит к ограничению малыми реакционными сосудами,

- 1 018156 особенно для реакций, осуществляемых в периодических процессах, или протекающих в течение очень длительного времени в перемешиваемых реакторах. Протекание процессов разрядки и образования плазмы создают жёсткие ограничения в отношении увеличения напряжённости поля, что желательно для облучения большого количества вещества микроволнами, особенно в мультимодовых блоках, используемых в настоящее время преимущественно для того, чтобы зафиксировать масштабирование химических реакций. Кроме того, негомогенность микроволнового поля, приводящая к локальному перегреву реакционной смеси, обусловлено более или менее неконтролируемыми отражениями микроволн, инжектированных в микроволновую печь, на её стенках и в реакционной смеси, представляет проблемы увеличения масштаба в обычно используемых мультимодовых микроволновых блоках. Кроме того, коэффициент поглощения микроволн реакционной смесью, который часто меняется в процессе реакции, создаёт трудности в отношении безопасности и воспроизводимости режима реакции.

С. Сйеп е! а1., 1. Сйет. 8ос., Сйет. Соттип., 1990, 807-809, описывает непрерывный лабораторный микроволновой реактор, в котором реакционную смесь загружают через тефлоновый змеевик, вмонтированный в микроволновую печь. Подобный непрерывный лабораторный микроволновой реактор описан СаЫе^8к1 е! а1., 1. Огд. Сйет. 1994, 59, 3408-3412 для проведения большого количества разнообразных химических реакций. Однако ни в одном из случаев мультимодовая микроволновая печь не позволила увеличить масштаб до промышленного уровня. Её эффективность в отношении микроволнового поглощения реакционной смесью является низкой из-за того, что энергия микроволн более или менее неравномерно распределена на поверхности подающих устройств в мультимодовых микроволновых аппликаторах и не фокусируется на змеевике. Значительное увеличение интенсивности инжектируемых микроволн приводит в данном случае к нежелательным разрядам плазмы. Кроме того, пространственная негомогенность микроволнового поля, которая изменяется со временем и может рассматриваться как горячие точки, делает невозможным в больших масштабах обеспечить безопасность и воспроизводимость режима реакции.

Кроме того, известны мономодовые или одномодовые аппликаторы, в которых используется единственный волновой режим, который распространяется только в одном трёхмерном направлении и фокусируется на реакционном сосуде волноводом определённых размеров. Эти приборы позволяют реализовать высокую напряжённость поля, но из-за геометрических требований (например, интенсивность электрического поля является наибольшей при максимальных значениях их длин волн и приближается к нулю на вершинах) до настоящего времени ограничены малыми реакционными объёмами (< 50 мл) в лабораторных масштабах.

Сущность изобретения

Таким образом, делается попытка найти способ получения гидроксикарбоксамидов, согласно которому гидроксикарбоновая кислота и амин могут быть также превращены в амид в промышленных масштабах при микроволновом облучении. Особый интерес вызывают третичные амиды гидроксикарбоновых кислот. В то же время достигаются максимальные, т.е. вплоть до количественных, скорости конверсии и выходы. Способ будет дополнительно способен осуществить весьма энергосберегающее получение карбоксамидов, т.е. используемая сила микроволн будет в значительной степени количественно поглощаться реакционной смесью и, таким образом, способ обладает высокой энергетической эффективностью. В то же время будет получено только небольшое количество побочных продуктов, если они будут получены. Амиды также будут содержать минимальное количество металла и незначительную свойственную им окраску. Кроме того, этот способ обеспечит безопасность и воспроизводимость реакционного режима.

Неожиданно было обнаружено, что амиды гидроксикарбоновых кислот могут быть получены в промышленно необходимых количествах прямым взаимодействием гидроксикарбоновых кислот с аминами в непрерывном способе только при быстром нагревании при помощи облучения микроволнами в реакционной трубке, продольная ось которой проходит в направлении распространения микроволн из одномодового микроволнового аппликатора. В то же время микроволновая энергия, инжектируемая в микроволновой аппликатор, по существу, количественно поглощается реакционной смесью. Способ согласно настоящему изобретению характеризуется высоким уровнем безопасности в выполнении и предполагает высокую воспроизводимость установленных условий реакции. Амиды, полученные этим способом согласно настоящему изобретению, обладают высокой чистотой и незначительной свойственной им окраской, что недостижимо в сравнении с обычными способами получения, без дополнительных стадий.

Настоящее изобретение обеспечивает непрерывный способ получения гидроксикарбоксамидов реакцией по меньшей мере одной гидроксикарбоновой кислоты формулы (I)

НО-К³-СООН (I) в которой К³ представляет собой необязательно замещённый алифатический углеводородный радикал, содержащий от 1 до 100 атомов углерода, по меньшей мере с одним амином формулы (II)

ΗΝΚ’Κ² (II) в которой каждый из К¹ и К² независимо является водородом или углеводородным радикалом, со- 2 018156 держащим от 1 до 100 атомов углерода, образуя аммониевую соль, а затем превращая эту аммониевую соль в гидроксикарбоксамид при микроволновом облучении в реакционной трубке, продольная ось которой проходит в направлении распространения микроволн из мономодового микроволнового аппликатора.

Подходящие гидроксикарбоновые кислоты формулы (I) обычно являются соединениями, имеющими по меньшей мере одну карбоксильную группу и по меньшей мере одну гидроксильную группу в алифатическом углеводородном радикале К³. Таким образом, способ согласно настоящему изобретению в равной степени пригоден для амидирования гидроксикарбоновых кислот, содержащих две, три, четыре или более карбоксильных групп. Взаимодействие поликарбоновых кислот с аммиаком или первичными аминами согласно способу настоящего изобретения может также приводить к образованию имидов. Способ согласно настоящему изобретению также применим для амидирования полигидроксикарбоновых кислот, содержащих, например, две, три, четыре или более гидроксильных групп, хотя гидроксикарбоновые кислоты могут нести только одну гидроксильную группу при атоме углерода алифатического углеводородного радикала К³. Особое преимущество принадлежит гидроксикарбоновой кислоте (I), которая содержит алифатический углеводородный радикал К³, имеющий 1-30 атомов углерода и особенно имеющий 2-24 атома углерода, для примеров имеющий 3-20 атомов углерода. Углеводородный радикал К³ может также содержать гетероатомы, например кислород, азот, фосфор и/или серу, но предпочтительно не более чем один гетероатом на три атома углерода. Гидроксикарбоновые кислоты формулы (I) могут иметь природное или синтетическое происхождение.

Алифатический углеводородный радикал К³ может быть линейным, разветвлённым или циклическим. Карбоксильная группа может быть присоединена к первичному, вторичному или третичному атому углерода. Предпочтительно она присоединена к первичному атому углерода. Гидроксильная группа может быть присоединена к первичному, вторичному или третичному атому углерода. Настоящий способ особенно эффективен для амидирования гидроксикарбоновых кислот, которые содержат гидроксильную группу, присоединённую к вторичному атому углерода и особенно в α-положении к карбоксильной группе. Карбоксильная и гидроксильная группы могут быть присоединены к идентичным или различным атомам углерода К³. Углеводородный радикал К³ может быть насыщенным или ненасыщенным. Ненасыщенный углеводородный радикал К³ содержит одну или несколько и предпочтительно одну, две или три С=С двойные связи. Предпочтительно в α,β-положении к карбоксильной группе не имеется двойных связей. Предпочтительные циклические алифатические углеводородные радикалы содержат по меньшей мере один цикл с четырьмя, пятью, шестью, семью, восьмью и более кольцевых атомов. Углеводородный радикал К³ может нести один или несколько, например два, три, четыре или более дополнительных заместителей. Такими заместителями могут быть, например, атомы галогена, галогенированные алкильные радикалы, С₁-С₅-алкоксильная, например метоксильная, поли(С₁-С₅-алкокси)льная, поли(С₁С₅-алкокси)алкильная, карбоксильная, гидроксильная, сложноэфирная, амидная, циано, нитрильная, и/или другие арильные группы, содержащие 5-20 атомов углерода, например фенильные группы, при условии, что заместители устойчивы в условиях реакции и не вступают в какие-либо побочные реакции, например реакции элиминирования. В свою очередь, С₅-С₂₀-арильные группы могут сами содержать заместители. Такие заместители могут быть, например, атомами галогена, галогенированными алкильными радикалами, С₁-С₂₀-алкильной, С₂-С₂₀-алкенильной, С₁-С₅-алкоксильной, например метоксильной, сложноэфирной, амидной, гидроксильной, циано, нитрильной, и/или нитрогруппами. Однако алкильный радикал несёт максимально столько радикалов, сколько позволяет валентность.

Показано, что способ согласно настоящему изобретению особенно эффективен для получения амидов и особенно для получения третичных амидов низших гидроксимонокарбоновых кислот, содержащих алифатические С|-С₄-углеводородные радикалы. Аналогично, способ особенно эффективен для получения амидов гидроксиполикарбоновых кислот, содержащих 3-6 атомов углерода (включая атомы углерода карбоксильной группы) и 1 или 2 гидроксильные группы.

Подходящими алифатическими гидроксикарбоновыми кислотами являются, например, гидроксиуксусная кислота, 2-гидроксипропионовая кислота, 3-гидроксипропионовая кислота, 2-гидроксимасляная кислота, 3-гидроксимасляная кислота, 4-гидроксимасляная кислота, 2-гидрокси-2-метилпропионовая кислота, 4-гидроксипентановая кислота, 5-гидроксипентановая кислота, 2,2-диметил-3гидроксипропионовая кислота, 5-гидроксигексановая кислота, 2-гидроксиоктановая кислота, 2гидрокситетрадекановая кислота, 15-гидроксипентадекановая кислота, 16-гидроксигексадекановая кислота, 12-гидроксистеариновая кислота (рицинолеиновая кислота) и α-гидроксифенилуксусная кислота (миндальная кислота), 4-гидроксиминдальная кислота, 2-гидрокси-2-фенилпропионовая кислота и 3гидрокси-3-фенилпропионовая кислота. Можно также превращать гидроксикарбоновые кислоты, например гидроксиянтарную кислоту, лимонную кислоту и изолимонную кислоту, полигидроксикарбоновые кислоты, например глюконовую кислоту и мевалоновую кислоту (3,5-диокси-3-метилпентановую кислоту) и полигидроксиполикарбоновые кислоты, например винную кислоту, в соответствующие диамиды способом, соответствующим настоящему изобретению. Особенно предпочтительными гидроксикарбоновыми кислотами в соответствии с настоящим изобретением являются гидроксиуксусная кислота, 2

- 3 018156 гидроксипропионовая кислота, миндальная кислота и рицинолеиновая кислота.

Для использования в способе согласно настоящему изобретению также подходят смеси различных гидроксикарбоновых кислот.

Способ согласно настоящему изобретению предпочтительно подходит для получения вторичных гидроксикарбоксамидов, т.е. для взаимодействия гидроксикарбоновых кислот с аминами, в которых К¹представляет собой углеводородный радикал, имеющий от 1 до 100 атомов углерода, и К² представляет собой водород.

Способ согласно настоящему изобретению более предпочтительно подходит для получения третичных гидроксикарбоксамидов, т.е. для взаимодействия гидроксикарбоновых кислот с аминами, в которых как К¹ , так и К² радикалы независимо представляют собой углеводородные радикалы, имеющие от 1 до 100 атомов углерода. Радикалы К¹ и К² могут быть одинаковыми или различными. В особенно предпочтительных вариантах осуществления К¹ и К² являются одинаковыми.

В первом предпочтительном варианте осуществления каждый из К¹ и/или К² независимо представляет собой алифатический радикал. Он предпочтительно содержит 1-24, более предпочтительно 2-18 и особенно предпочтительно 3-6 атомов углерода. Алифатический радикал может быть линейным, разветвлённым или циклическим. Кроме того, он может быть насыщенным или ненасыщенным. Углеводородный радикал может нести заместители, например С1-С5-алкоксильный-, циано-, нитрильный-, нитрои/или С5-С20-арильные группы, например фенильные радикалы. В свою очередь, С5-С20-арильные радикалы могут необязательно быть замещены атомами галогена, галогенированными алкильными радикалами, С1-С20-алкильной, С2-С20-алкенильной, С1-С5-алкоксильной, например метоксильной, сложноэфирной, амидной, циано, нитрильной и/или нитрогруппами. Особенно предпочтительными алифатическими радикалами являются метил, этил, н-пропил, изопропил, н-бутил, изобутил и трет-бутил, н-гексил, циклогексил, н-октил, н-децил, н-додецил, тридецил, изотредецил, тетрадецил, гексадецил, октадецил и метилфенил. В особенно предпочтительном варианте осуществления каждый из К¹ и/или К² независимо является водородом, С1-С₆-алкилом, С₂-С₆-алкенилом или С₃-С₆-циклоалкильным радикалом и особенно алкильным радикалом, имеющим 1, 2 или 3 атома углерода. Эти радикалы могут нести до трёх заместителей.

В следующем предпочтительном варианте осуществления К¹ и К² вместе с атомом азота, к которому они присоединены, образуют цикл. Этот цикл содержит предпочтительно 4 или более, например 4, 5, 6 или более, членов цикла. Предпочтительными дополнительными членами цикла являются атомы углерода, азота, кислорода и серы. В свою очередь, сами циклы могут содержать заместители, например алкильные радикалы. Подходящими циклическими заместителями являются, например, морфолинильный, пирролидинильный, пиперидинильный, имидазолильный и азепанильный радикалы.

В следующем предпочтительном варианте осуществления каждый из К¹ и/или К² независимо представляет собой необязательно замещённую С₆-С₁₂-арильную группу или необязательно замещённую гетероароматическую группу, содержащую 5-12 членов цикла.

В следующем предпочтительном варианте осуществления каждый из К¹ и/или К² независимо представляет собой алкильный радикал, включающий гетероатом. Особенно предпочтительными гетероатомами являются кислород и азот.

Например, каждый из К¹ и К² предпочтительно представляет собой независимо радикалы формулы (III)

в которой К⁴ представляет собой алкиленовую группу, содержащую от 2 до 6 атомов углерода, и предпочтительно имеющую от 2 до 4 атомов углерода, например этилен, пропилен, бутилен или их смесь;

К⁵ представляет собой углеводородный радикал, содержащий от 1 до 24 атома углерода или -ЯК¹⁰К¹¹;

η представляет собой целое число от 2 до 50, предпочтительно от 3 до 25 и особенно предпочтительно от 4 до 10;

каждый из К¹⁰, К¹¹ независимо представляет собой водород, алифатический радикал, содержащий от 1 до 24 атома углерода и предпочтительно от 2 до 18 атомов углерода, арильную группу или гетероарильную группу, имеющую от 5 до 12 членов цикла, поли(оксиалкиленовую) группу, содержащую от 1 до 50 поли(оксиалкиленовых) звеньев, в которых поли(оксиалкиленовые) звенья образуются из звеньев алкиленоксида, содержащих от 2 до 6 атомов углерода или К¹⁰ и К¹¹ вместе с атомом азота, к которому они присоединены, образуют цикл, содержащий 4, 5, 6 или большее число членов цикла.

Кроме того, предпочтительно, независимо каждый из К¹ и/или К² представляет собой радикал формулы (IV)

в которой К⁶ представляет собой алкиленовую группу, содержащую 2-6 атомов углерода и предпочтительно имеющую 2-4 атома углерода, например этилен, пропилен, бутилен или их смесь;

каждый К⁷ независимо является водородом, алкильным или гидроксиалкильным радикалом, содер

- 4 018156 жащим до 24 атомов углерода, например 2-20 атомов углерода, полиоксиалкиленовый радикал -(К⁴-О)рК⁵, или полииминоалкиленовый радикал -[Η⁶-Ν(Η⁷)]4-(Κ⁷);

где каждый из К⁴, К⁵, К⁶ и К⁷ является таким, как это определено выше, и каждый из с.| и р представляет собой независимо 1-50;

т находится в диапазоне от 1 до 20 и предпочтительно от 2 до 10, например равен 3, 4, 5 или 6.

Радикалы формулы (IV) предпочтительно содержат 1-50 и главным образом 2-20 атомов азота.

В соответствии со стехиометрическим соотношением между гидроксикарбоновой кислотой (I) и полиамином (IV) одна или несколько аминогрупп, каждая из которых содержит по меньшей мере по одному атому водорода, превращаются в карбоксамид. При взаимодействии поликарбоновых кислот с полиаминами формулы (IV) в особенности первичные аминогруппы могут также превращаться в имиды.

Для получения первичных амидов вместо аммиака предпочтение отдают использованию азотсодержащих соединений, которые выделяют газообразный аммиак при нагревании. Примерами таких азотсодержащих соединений являются мочевина и формамид.

Примерами подходящих аминов являются аммиак, метиламин, этиламин, пропиламин, бутиламин, гексиламин, циклогексиламин, октиламин, циклооктиламин, дециламин, 2-циклогексилэтиламин, додециламин, тетрадециламин, гексадециламин, октадециламин, диметиламин, диэтиламин, этилметиламин, ди-н-пропиламин, диизопропиламин, дициклогексиламин, дидециламин, дидодециламин, дитетрадециламин, дигексадециламин, диоктадециламин, бензиламин, фенилэтиламин, этилендиамин, диэтилентриамин, триэтилентетрамин, тетраэтиленпентамин, пиперидин и пирролидин и их смеси. Среди них особое преимущество отдают диметиламину, диэтиламину, ди-н-пропиламину, диизопропиламину и этилметиламину.

Данный способ особенно подходит для получения Ν-метилгликольамида, Ν-этилмандельамида, Ν,Ν-диметилгликольамида, Ν,Ν-диметиллактамида и Ν,Ν-диметилрициноламида.

В способе согласно настоящему изобретению гидроксикарбоновая кислота предпочтительно взаимодействует, по меньшей мере, с эквимолярным количеством амина и более предпочтительно с избытком амина, т.е. молярное соотношение аминогрупп к карбоксильным группам составляет по меньшей мере 1:1 и предпочтительно между 100:1 и 1,001:1, более предпочтительно между 10:1 и 1,01:1, например между 5:1 и 1,1:1. При этом карбоксильные группы практически количественно превращаются в амидные без аминолиза гидроксильных групп. Этот способ особенно эффективен, когда используемый амин является летучим веществом. Здесь летучий означает, что температура кипения амина при обычном давлении предпочтительно ниже 200°С, например ниже 160°С и таким образом амин может быть удалён от амида перегонкой. В конкретном варианте осуществления карбоновую кислоту и амин используют в эквимолярных количествах.

Получение амидов происходит по реакции карбоновых кислот с аминами с образованием аммониевой соли и последующим облучением соли микроволнами в реакционной трубке, продольная ось которой проходит в направлении распространения микроволн из мономодового микроволнового аппликатора.

Соль предпочтительно облучают микроволнами в значительной степени проницаемой для микроволн реакционной трубке внутри полой проводящей системы, соединённой с микроволновым генератором. Реакционную трубку предпочтительно устанавливают аксиально центральной оси симметрии полой проводящей системы.

Полой проводящей системе, которая выполняет роль микроволнового аппликатора, предпочтительно придают форму полого резонатора. Кроме того, предпочтительно, чтобы микроволны, не поглощаемые в полой проводящей системе, отражались на её конце. Конфигурация микроволнового аппликатора как резонатора отражательного типа обеспечивает локальное увеличение напряжённости электрического поля воздействием при той же самой мощности, обеспечиваемой генератором, и увеличивает энергию эксплуатации.

Полый резонатор предпочтительно действует в режиме Е_01п, где η представляет собой целое число и определяет число максимумов напряжённости поля микроволн вдоль центральной оси симметрии резонатора. Во время этой операции электрическое поле направлено вдоль центральной оси симметрии полого резонатора. Оно имеет максимум в области центральной оси симметрии и уменьшается до значения, равного 0, в направлении к внешней поверхности. Конфигурация поля является осесимметричной вокруг центральной оси симметрии. В зависимости от требуемой скорости потока реакционной смеси через реакционную трубку требуемую температуру и требуемое время нахождения в резонаторе и длину резонатора выбирают в соответствии с длиной волны используемого микроволнового излучения. η предпочтительно является целым числом от 1 до 200, более предпочтительно от 2 до 100, а именно от 4 до 50 и главным образом от 3 до 20, например 3, 4, 5, 6, 7 или 8.

Микроволновая энергия может быть инжектирована в полую проводящую систему, которая выполняет роль микроволнового аппликатора благодаря отверстиям или прорезям подходящих размеров. В варианте осуществления, особенно предпочтительном согласно настоящему изобретению, аммониевую соль облучают микроволнами в реакционной трубке, находящейся в полой проводящей системе с коаксиальным переключением микроволн. Микроволновые устройства, особенно предпочтительные для это

- 5 018156 го способа, состоят из полого резонатора, соединительного устройства для инжектирования микроволнового поля в полый резонатор и одного входа на каждой из противоположных торцевых стенок в полом резонаторе. Микроволны предпочтительно инжектируются в полый резонатор при помощи соединительного стержня, который входит в полый резонатор. Соединительный стержень предпочтительно имеет форму предпочтительно металлической внутренней проводящей трубки, которая выполняет роль соединительной антенны. В особенно предпочтительном варианте осуществления этот соединительный стержень выходит через одно из дроссельных отверстий в полый резонатор. Реакционная трубка более предпочтительно соединяется с внутренней трубкой проводящей системы коаксиального переходного участка и, главным образом, проходит через её полость в полость резонатора. Реакционную трубку предпочтительно устанавливают аксиально с центральной осью симметрии полого резонатора, в котором полость резонатора предпочтительно имеет один вход на каждой из противоположных торцевых стенок для прохождения реакционной трубки.

Микроволны могут поступать в соединительный стержень или во внутреннюю проводящую трубку, которые выполняют роль соединительной антенны, например, при помощи коаксиальной соединительной линии. В предпочтительном варианте осуществления микроволновое поле доставляют к резонатору посредством полой проводящей системы, в последнем случае конец соединительного стержня, выходящего из полового резонатора, проходит в полую проводящую систему через отверстие в стенке полой проводящей системы, поглощает микроволновую энергию из полой проводящей системы и инжектирует её в резонатор.

В особом варианте осуществления соль облучают микроволнами в реакционной трубке, прозрачной в отношении микроволн, которая является аксиально симметричной внутри Ε₀ι_η круглой полой проводящей системы с коаксиальным переходом микроволн. В этом случае реакционную трубку проводят через полость внутренней проводящей трубки, которая выполняет роль соединительной антенны в полости резонатора. В дополнительном предпочтительном варианте осуществления соль облучают микроволнами в реакционной трубке, прозрачной в отношении микроволн, которая проходит через полый резонатор Ε_01η с аксиальной подачей микроволн, причём длина полости резонатора является таковой, что η=2 или образуется большее число максимумов поля микроволн. В дополнительном варианте предпочтительного осуществления соль облучают микроволнами в реакционной трубке, прозрачной в отношении микроволн, которая является аксиально симметричной внутри круглой цилиндрической Ε_01η полости резонатора с коаксиальным переключением микроволн, причём длина полости резонатора является таковой, что η=2 или образуется большее число максимумов поля микроволн.

Микроволновые генераторы, например магнетрон, клистрон и гиротрон, известны специалистам в данной области.

Реакционные трубки, используемые для осуществления способа согласно настоящему изобретению, предпочтительно производят главным образом из прозрачного в отношении микроволн, высокоплавкого материала. Особое преимущество отдают использованию неметаллических реакционных трубок. Главным образом прозрачные в отношении микроволн означает в данном контексте материалы, которые поглощают минимальное количество микроволновой энергии и превращают их в тепло. Мерой, используемой для характеристики способности вещества поглощать микроволновую энергию и превращать её в тепло, часто является фактор диэлектрических потерь, 1ап δ=ε''/ε'. Фактор диэлектрических потерь, 1аи δ, определяют как отношение диэлектрической потери ε'' к диэлектрической константе ε. Примеры величин 1ап δ различных материалов представлены, например, в Ό. Водба1, М|сго\\аус-а55151сб Огдашс 8уШ11С515. Е15с\тсг 2005. Для реакционных трубок, пригодных согласно настоящему изобретению, предпочтительны материалы со значениями 1ап δ, измеренными при 2,45 Гц и 25°С, меньшим чем 0,01, особенно меньшим чем 0,005 и, главным образом, меньшим чем 0,001. Предпочтительные прозрачные к микроволнам и термически стабильные материалы, в первую очередь, включают в себя материалы на основе минералов, например кварца, оксида алюминия, оксида циркония и т.п. Другими подходящими материалами для трубок являются термостойкие пластики, например, в особенности, фторполимеры, например тэфлон и промышленные пластики, например полипропилен или полиарилэфиркетоны, например стеклянное волокно, армированное полиэфирэфиркетоном (РЕЕК). Было показано, что для того, чтобы выдерживать температурные условия в процессе реакции особенно подходят минералы, например кварц или оксид алюминия, покрытые этими пластиками.

Реакционные трубки, особенно подходящие для способа согласно настоящему изобретению, имеют внутренний диаметр от 1 мм до приблизительно 50 см, главным образом от 2 мм до 35 см, например от 5 мм до 15 см. Здесь под реакционными трубками подразумевают сосуды, у которых отношение длины к диаметру более 5, предпочтительно от 10 до 100000, более предпочтительно от 20 до 10000, например от 30 до 1000. Здесь под длиной реакционной трубки подразумевают длину реакционной трубки, через которую проходит микроволновое излучение. В реакционную трубку могут быть введены перегородки и/или другие составные части.

Полые резонаторы Е₀₁, особенно подходящие для способа согласно настоящему изобретению, предпочтительно имеют диаметр, который соответствует, по меньшей мере, половине длины волны ис

- 6 018156 пользуемого микроволнового излучения. Диаметр полости резонатора предпочтительно составляет величину от 1,0 до 10 раз, более предпочтительно от 1,1 до 5 раз и особенно от 2,1 до 2,6 раз вдвое меньшую длины волны используемого микроволнового излучения. Полый резонатор Е₀₁ имеет предпочтительно круглое поперечное сечение, что также соотносится с круглой полой проводящей системой Е₀₁. Она более предпочтительно имеет цилиндрическую форму и особенно циркулярную цилиндрическую форму.

Реакционная трубка обычно снабжена на входе дозировочным насосом и манометром, а на выходе устройством для поддержания давления и теплообменником. Это позволяет проводить реакции в широком диапазоне давлений и температур.

Превращение амина и карбоновой кислоты в аммониевую соль может быть проведено непрерывным, периодическим или же полупериодическими способами. Таким образом, получение аммониевой соли может быть проведено в восходящем потоке (полу)периодическим способом, например, в перемешиваемом сосуде. Аммониевую соль предпочтительно получают ίη δίΐιι и не выделяют. В предпочтительном варианте осуществления каждый из реагентов, амин и карбоновую кислоту, независимо, необязательно разбавляют растворителем и только быстро смешивают перед введением в реакционную трубку. Например, было показано, что особенно целесообразно проводить реакцию амина с карбоновой кислотой для получения аммониевой соли в зоне смешивания, из которой аммониевую соль необязательно после промежуточного охлаждения подают в реакционную трубку. Кроме того, предпочтительно, чтобы реагенты доставляли согласно способу настоящего изобретения в жидком виде. С этой целью можно использовать относительно высокоплавкие или относительно высоковязкие реагенты, например, находящиеся в расплавленном состоянии и/или в смеси с растворителем, например, в виде раствора, дисперсии или эмульсии. Если нужно, к одному из реагентов или в реакционную смесь перед введением в реакционную трубку можно добавить катализатор. Возможно также перерабатывать твёрдую, порошкообразную и гетерогенную системы способом согласно настоящему изобретению, в таком случае для подачи реакционной смеси только требуется подходящее промышленное оборудовании.

Аммониевую соль можно загружать в реакционную трубку либо с конца, связанного с внутренней направляющей трубкой, либо с противоположного конца.

При изменении поперечного сечения трубки длина облучённой зоны (здесь подразумевается длина реакционной трубки, в которой реакционную смесь подвергают действию микроволнового излучения), скорости потока, геометрии полости резонатора, интенсивности инжектируемых микроволн и достигаемой температуры условия реакции фиксируют таким образом, чтобы максимальная температура реакции устанавливалась как можно быстрее и время взаимодействия при максимальной температуре оставалось достаточно коротким для того, чтобы побочные реакции или дополнительные реакции протекали как можно медленнее. Для завершения реакции реакционную смесь можно пропускать через реакционную трубку более одного раза, необязательно после промежуточного охлаждения. Было показано, что во многих случаях полезно охлаждать продукт реакции сразу же после выхода из реакционной трубки, например, охлаждением водяной рубашки или декомпрессией. В случае медленных реакций было показано, что часто бывает полезным выдерживать продукт реакции при температуре проведения реакции в течение некоторого времени после того, как он выходит из реакционной трубки.

Преимуществом способа согласно настоящему изобретению является высокая гомогенность облучения реакционной смеси в центре симметричной микроволновой области внутри реакционной трубки, продольная ось которой проходит в направлении распространения микроволн мономодальным микроволновым аппликатором и особенно внутри полости резонатора Е₀₁, например, с коаксиальным переключением. Дизайн реактора позволяет проводить реакции также при очень высоких давлениях и/или температурах. При увеличении температуры/или давления наблюдается значительное увеличение степени конверсии и выхода даже в сравнении с известными микроволновыми реакторами, без того, чтобы оно приводило к нежелательным побочным реакциям и/или обесцвечиванию. Неожиданно это обеспечивает очень высокую эффективность использования микроволновой энергии, инжектируемой в полый резонатор, которая обычно более чем на 50%, часто более чем на 80%, в некоторых случаях более чем на 90% и в отдельных случаях более чем на 95%, например, более чем на 98% инжектируемой микроволновой мощности, и поэтому даёт экономические, а также и экологические преимущества над обычными способами получения, а также над ранее применявшимися микроволновыми способами.

Кроме того, способ согласно настоящему изобретению делает возможным осуществление контролируемого, надёжного и воспроизводимого режима реакции. Поскольку реакционная смесь в реакционной трубке перемещается параллельно направлению распространения микроволн, известное явление перегрева в результате неконтролируемого распределения напряжённости поля, приводящего к локальному перегреву в результате изменения интенсивности поля, например в максимумах и точках пересечения, компенсируется течением реакционной смеси. Указанные преимущества также позволяют работать с высокими микроволновыми мощностями, например, более чем 10 кВт или более чем 100 кВт и таким образом в совокупности с исключительно короткой продолжительностью пребывания в полости резонатора, достигать получения большого количества продукции, составляющего 100 или более тонн в год на одном предприятии.

Особенно удивительно, что несмотря на исключительно короткую продолжительность пребывания

- 7 018156 аммониевой соли в микроволновом поле проточной трубки при непрерывном потоке, происходит реальное амидирование с конверсией, обычно большей 80%, часто даже большей 90%, например большей 95% в расчёте на компонент, используемый в недостатке, без значительного образования побочных продуктов. Несмотря на присутствие ОН-групп со спиртовыми свойствами в патентоспособных структурах кислот, они не взаимодействуют ни с самим кислотным компонентом (образование сложных эфиров), ни с аминогруппой (аминолиз). Поэтому ни сложные эфиры, ни полиэфиры не обнаружены среди побочных продуктов. При соответствующем превращении этих аммониевых солей в проточной трубке таких же размеров с обогреваемой водяной рубашкой достижение подходящих температур реакции требует чрезвычайно высоких температур стенки, что приводит к образованию окрашенных продуктов и только к незначительному образованию амидов за это же время.

Кроме того, продукты, полученные способом согласно настоящему изобретению, имеют очень низкое содержание металлов, что не требует дальнейшей обработки неочищенного продукта. Например, содержание металла в продукте, полученном способом согласно настоящему изобретению, на основе железа как основного элемента, обычно меньше чем 25 м.д., предпочтительно меньше чем 15 м.д., в особенности меньше чем 10 м.д., например от 0,01 до 5 м.д. железа.

Повышение температуры, вызванное микроволновым излучением, предпочтительно ограничивается максимумом, равным 500°С, например регулированием изменения микроволновой интенсивности скорости потока и/или охлаждением реакционной трубки, например при помощи потока азота. Было показано, что особенно полезно проводить реакцию при температурах в диапазоне от 150 и максимально до 400°С и особенно от 180 и максимально до 350°С и особенно от 200 до 320°С, например при температурах от 220 до 300°С.

Продолжительность микроволнового облучения зависит от различных факторов, например геометрии реакционной трубки, инжектируемой микроволновой энергии, конкретной реакции и требуемой степени конверсии. Обычно, микроволновое облучение проводят в течение менее 30 мин, предпочтительно в диапазоне от 0,01 с до 15 мин, более предпочтительно от 0,1 с до 10 мин и особенно от 1 с до 5 мин, например от 5 с до 2 мин. Интенсивность (силу) микроволнового излучения регулируют таким образом, чтобы реакционная смесь имела желаемую максимальную температуру, когда она выходит из полого резонатора. В предпочтительном варианте осуществления продукт реакции непосредственно после окончания микроволнового облучения как можно быстрее охлаждают до температур ниже 120°С, предпочтительно ниже 100°С и, главным образом, ниже 60°С.

Реакцию предпочтительно проводят под давлением от 0,01 до 500 бар и более предпочтительно между 1 бар (при атмосферном давлении) и 150 бар и, главным образом, между 1,5 и 100 бар, например между 3 и 50 бар. Было показано, что особенно эффективно работать при умеренном давлении, что включают в себя работу выше температуры кипения (при стандартном давлении) реагентов или продуктов или любых присутствующих растворителей и/или выше температуры кипения воды, образующейся в процессе реакции. Более предпочтительно давление устанавливают на достаточно высоком уровне, чтобы реакционная смесь оставалась в жидком состоянии в процессе микроволнового облучения и не кипела.

Было показано, что во избежание побочных реакций и для получения продуктов максимальной чистоты целесообразно использовать реагенты и продукты в присутствии инертного защищающего газа, например азота, аргона или гелия.

В предпочтительном варианте осуществления реакцию ускоряют или завершают, работая в присутствии дегидратирующих катализаторов. Предпочтение отдают работе в присутствии кислых неорганических, металлоорганических или органических катализаторов или смесей двух или нескольких из этих катализаторов.

Кислые неорганические катализаторы в контексте настоящего изобретения включают в себя, например, серную кислоту, фосфорную кислоту, фосфоновую кислоту, гипофосфорную кислоту, гидрат сульфида алюминия, квасцы, кислый силикагель и кислый гидроксид алюминия. Кроме того, например, соединения алюминия общей формулы А1(ОВ¹⁵)3 и титанаты общей формулы Т1(ОВ¹⁵)4 используют в качестве кислых неорганических катализаторов, где каждый из радикалов В¹⁵ может быть одинаковым или различным и каждый независимо выбирают из С1-С10-алкильных радикалов, например метильного, этильного, н-пропильного, изопропильного, н-бутильного, изобутильного, втор-бутильного, третбутильного, н-пентильного, изопентильного, втор-пентильного, неопентильного, 1,2диметилпропильного, изоамильного, н-гексильного, втор-гексильного, н-гептильного, н-октильного, 2этилгексильного, н-нонильного или н-децильного, С3-С12-циклоалкильных радикалов, например циклопропильного, циклобутильного, циклопентильного, циклогексильного, циклогептильного, циклооктильного, циклононильного, циклодецильного, циклоундецильного и циклододецильного. Предпочтение отдают циклопентилу, циклогексилу и циклогептилу. Каждый из радикалов В¹⁵ в А1((ОВ¹⁵)3 или Т1(ОВ¹⁵)₄предпочтительно является одинаковым или их выбирают из изопропила, бутила и 2-этилгексила.

Предпочтительными кислыми металлоорганическими катализаторами являются, например, катализаторы, выбранные из оксидов диалкилолова (В¹⁵)§иО, где В¹⁵ представляет собой радикал, определённый выше. Особенно предпочтительным представителем кислых металлоорганических катализаторов

- 8 018156 является оксид ди-н-бутилолова, который коммерчески доступен как оксо-олово или под торговой маркой Ракса!®.

Предпочтительными кислыми органическими катализаторами являются кислые органические соединения, содержащие, например, фосфатные группы, сульфогруппы, сульфатные группы или группы фосфоновой кислоты. Особенно предпочтительные сульфоновые кислоты содержат по меньшей мере одну сульфогруппу и по меньшей мере один насыщенный или ненасыщенный, линейный, разветвлённый и/или циклический углеводородный радикал, содержащий от 1 до 40 атомов углерода и предпочтительно содержащий от 3 до 24 атома углерода. Особенно предпочтительными являются ароматические сульфоновые кислоты, особенно алкилароматические моносульфоновые кислоты, содержащие один или несколько С₁-С₂₈-алкильных радикалов и особенно содержащие С₃-С₂₂-алкильные радикалы. Подходящими примерами являются метансульфоновая кислота, бутансульфоновая кислота, бензолсульфоновая кислота, п-толуолсульфоновая кислота, ксилолсульфоновая кислота, 2-мезитиленсульфоновая кислота, 4этилбензолсульфоновая кислота, изопропилбензолсульфоновая кислота, 4-бутилбензолсульфоновая кислота, 4-октилбензолсульфоновая кислота; додецилбензолсульфоновая кислота, дидодецилбензолсульфоновая кислота, нафталинсульфоновая кислота. Также в качестве кислых органических катализаторов можно использовать кислотные ионообменники, например сульфосодержащие полистирольные смолы, сшитые приблизительно 2 мол.% дивинилбензола.

Особое предпочтение для осуществления способа согласно настоящему изобретению отдают борной кислоте, фосфорной кислоте и полистиролсульфоновой кислотам. Особенно предпочтительны титанаты общей формулы Τί(ΘΚ¹⁵)₄ и особенно титантетрабутоксид и титантетраизопропоксид.

Если необходимо использовать кислые неорганические, металлоорганические или органические катализаторы согласно настоящему изобретению используют от 0,01 до 10 мас.%, предпочтительно от 0,02 до 2 мас.% катализатора. В особо предпочтительном варианте осуществления катализатор не используют.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления микроволновое облучение проводят в присутствии кислых твёрдых катализаторов. Оно включает в себя суспендирование твёрдого катализатора в аммониевой соли, необязательно смешанной с растворителем или преимущественно пропускание аммониевой соли, необязательно смешанной с растворителем, над закреплённым слоем катализатора и действие микроволнового излучения. Подходящими твёрдыми катализаторами являются, например, цеолиты, силикагель, монтмориллонит и (частично) сшитая полистиролсульфоновая кислота, которая может быть необязательно включена в состав каталитически активных солей металла. Подходящие кислотные ионообменники на основе полистиролсульфоновой кислоты, которые могут быть использованы в качестве твердофазных катализаторов, могут быть получены, например, от фирмы Ройт & Наак под торговой маркой АтЬег1ук1®.

Показано, что целесообразно работать в присутствии растворителей для того, чтобы снизить вязкость реакционной среды и/или образовывать суспензию, если реакционная смесь гетерогенная. С этой целью, в принципе, можно использовать все растворители, инертные в используемых условиях реакции и не взаимодействующие с реагентами или образующимися продуктами. Важным фактором в выборе подходящих растворителей является их полярность, которая, во-первых, определяет их растворяющие свойства и, во-вторых, степень взаимодействия с микроволновым излучением. Особенно важным фактором в выборе подходящих растворителей является их диэлектрические потери ε. Диэлектрические потери ε представляют собой долю микроволнового излучения, которое превращается в тепло при взаимодействии вещества с микроволновым излучением. Было показано, что последняя величина является особенно важным критерием пригодности растворителя для осуществления способа согласно настоящему изобретению. Было показано, что особенно целесообразно работать в растворителях, которые обладают минимальным микроволновым поглощением и поэтому вносят только небольшой вклад в нагревание реакционной системы. Предпочтительные растворители для способа согласно настоящему изобретению имеют величину диэлектрических потерь ε, измеренную при комнатной температуре и 2450 МГц, меньшую 10 и предпочтительно меньшую 1, например меньшую 0,5. Обзор диэлектрических потерь различных растворителей может быть найден, например, в М|сго\\аус 8уи1йек1к νοη В. Ь. Науек, СЕМ РиЬНкЫид 2002. Подходящими растворителями для способа согласно настоящему изобретению главным образом являются те, которые имеют величины ε меньше чем 10, такие как Ν-метилпирролидон, Ν,Ν-диметилформамид или ацетон, и особенно растворители с величинами ε, меньшими чем 1. Примерами особенно предпочтительных растворителей с величинами ε, меньшими чем 1, являются ароматические и/или алифатические углеводороды, например толуол, ксилол, этилбензол, тетралин, гексан, циклогексан, декан, пентадекан, декалин, а также коммерческие углеводородные смеси, например фракции бензина, керосина, растворитель №1р11111а. 8йе11ко1® АВ, 8о1уекко® 150, 8о1уекко® 200, Εχχκοί®, 1кора®г и 8йе11ко®-продукты. Смеси растворителей, имеющие значения ε предпочтительно ниже 10 и особенно ниже 1, в равной степени предпочтительны для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

В принципе, способ согласно настоящему изобретению также выполним в растворителях с более высокими значениями ε, например 5 или выше, такими как те, которые, главным образом, имеют значе

- 9 018156 ния ε, равные 10 или выше. Однако наблюдаемое ускоренное нагревание реакционной смеси требует специальных мер для приведения в соответствие с максимальными температурами.

При работе в присутствии растворителей их доля в реакционной смеси равна предпочтительно от 2 до 95 мас.%, главным образом от 5 до 90 мас.% и, особенно, от 10 до 75 мас.%, например от 30 до 60 мас.%. Особое предпочтение отдают проведению реакции в отсутствие растворителей.

Микроволны относятся к электромагнитным лучам с длиной волны приблизительно от 1 см до 1 м и частотами приблизительно от 300 МГц до 30 ГГц. Такой интервал частот, в принципе, пригоден для осуществления способа согласно настоящему изобретению. Для осуществления способа согласно настоящему изобретению предпочтение отдают использованию микроволнового излучения с частотами, установленными для промышленного, научного и медицинского применения, например, с частотами, равными 915 МГц, 2,45 ГГц, 5,8 ГГц или 27,12 ГГц.

Интенсивность микроволн, инжектируемых в полый резонатор для осуществления способа согласно настоящему изобретению, главным образом, зависит от геометрии реакционной трубки, а следовательно, и от реакционного объёма и от необходимой продолжительности облучения. Она обычно находится в диапазоне от 200 Вт до 100 кВт и главным образом от 500 Вт до 100 кВт, например от 1 до 70 кВт. Она может быть генерирована при помощи одного или нескольких микроволновых генераторов.

В предпочтительном варианте осуществления реакцию проводят в инертной трубке, выдерживающей давление, в последнем случае вода, образующаяся в результате реакции, и, возможно, реагенты и если присутствует, растворитель, приводят к повышению давления. После завершения реакции повышенное давление может быть использовано путём декомпрессии для испарения и удаления воды, образующейся в результате реакции, избытка реагентов и некоторых растворителей и/или охлаждения продукта реакции. В дополнительном варианте осуществления образующуюся в ходе реакции воду после охлаждения и/или декомпрессии, удаляют обычными способами, например фазовым разделением, отгонкой, отдувкой, однократным испарением и/или адсорбцией.

Для полного завершения реакции во многих случаях было показано, что целесообразно вновь подвергнуть полученный неочищенный продукт после удаления реакционной воды и, если это уместно, выгруженный продукт или побочный продукт микроволновому облучению, в этом случае используемое соотношение реагентов может быть увеличено для замены израсходованных или недостающих реагентов.

Обычно, чистота амидов, полученных патентоспособным способом, достаточна для дальнейшего использования. Однако при особых требованиях они могут быть дополнительно очищены обычными способами очистки, например перегонкой, перекристаллизацией, фильтрацией или хроматографическими способами.

Способ согласно настоящему изобретению даёт возможность очень быстрого, энергосберегающего и недорогого получения в промышленных масштабах амидов низших карбоновых кислот с высокими выходами и высокой чистотой. Абсолютно гомогенное облучение аммониевой соли в центре вращательно симметричного микроволнового поля обеспечивает безопасный, контролируемый и воспроизводимый режим реакции. В то же время очень высокая эффективность эксплуатации поступающей микроволновой энергии обеспечивает экономическую целесообразность, определенно превышающую известные способы получения. В этом способе не образуются значительных количеств побочных продуктов. Такие быстрые и селективные реакции не могут быть проведены обычными способами и нельзя ожидать, что они могут быть проведены только нагреванием до высоких температур. Продукты, полученные способом согласно настоящему изобретению, часто являются достаточно чистыми, что не требует дальнейшей обработки и дополнительных технологических стадий.

Примеры

Превращения аммониевых солей при микроволновом облучении проводят в керамической трубке (60x1 см), которая расположена аксиально симметрично в цилиндрической полости резонатора (60x10 см). На одной из торцевых сторон полости резонатора керамическая трубка проходит через полость внутренней проводящей трубки, выполняющей функцию соединительной антенны. Микроволновое поле с частотой, равной 2,45 ГГц, генерируемое магнетроном, инжектируют в полый резонатор при помощи соединительной антенны (аппликатор полости Е₀₁; одномодовый).

Микроволновую интенсивность в каждом случае устанавливают во время эксперимента таким образом, чтобы нужная температура реакционной смеси в конце зоны облучения оставалась постоянной. Таким образом, микроволновые интенсивности, упомянутые в описании экспериментов, представляют собой среднюю величину микроволновой интенсивности, инжектированной за время эксперимента. Измерение температуры реакционной смеси проводят непосредственно после того, как она выходит из зоны реакции (расстояние приблизительно 15 см в изолированном капилляре из нержавеющей стали, диаметр 1 см) при помощи температурного сенсора Р1100. Микроволновая энергия, непосредственно не поглощённая реакционной смесью, отражается на торцевой стороне полого резонатора с противоположной стороны от соединительной антенны; микроволновую энергию, которая также не поглощается реакционной смесью на обратном пути и отражается обратно по направлению к магнетрону, пропускают при по

- 10 018156 мощи системы призм (циркулятора) в сосуд, содержащий воду. Разница между инжектированной энергией и энергией, нагревающей эту водную нагрузку, используют для расчёта микроволновой энергии, введённой в реакционную смесь.

При помощи насоса высокого давления и подходящего клапана для сброса давления рабочее давление реакционной смеси в реакционной трубке устанавливают таким образом, чтобы оно было достаточным для поддержания всех реагентов и продуктов конденсации в течение всего времени в жидком состоянии. Аммониевые соли, полученные из карбоновых кислот и аминов, прокачивают с постоянной скоростью потока через реакционную трубку и время нахождения в зоне облучения регулируют изменением скорости потока.

Продукты анализируют 'Н-ЛМК-спектроскопией при 500 МГц в СЭСС Свойства определяют атомно-адсорбционной спектроскопией.

Пример 1. Получение Ν,Ν-диметиллактамида.

При охлаждении сухим льдом 1,35 кг (30 моль) диметиламина конденсируют в охлаждаемую ловушку. Затем вначале в трёхгорлую колбу, снабжённую подводной газовой трубкой, мешалкой, внутренним термотетром и выравнивателем давления, загружают 2,7 кг (30 моль) молочной кислоты, которую нагревают до 60°С. При медленном оттаивании охлаждаемой ловушки газообразный диметиламин пропускают через подводную газовую трубку в трёхгорлую колбу. В процессе сильной экзотермической реакции образуется Ν,Ν-диметиламмониевая соль молочной кислоты.

Полученную таким образом аммониевую соль непрерывно прокачивают через реакционную трубку со скоростью 5,0 л/ч при рабочем давлении, равном приблизительно 25 бар, и подвергают микроволновому облучению мощностью 1,9 кВт, 94% которых поглощается реакционной смесью. Время нахождения реакционной смеси в зоне облучения составляет приблизительно 34 с. В конце реакционной трубки реакционная смесь имеет температуру, равную 235°С.

Достигнута конверсия, равная 94% от теории. Продукт реакции имеет слегка желтоватый цвет и содержит <2 м.д. железа. Побочные продукты, которые неизбежно присутствуют при проведении термической реакции (см. сравнительный пример 3), не обнаружены (ГХ анализ, предел чувствительности равен 0,1 мас.%).

После удаления реакционной воды отгонкой на тонкоплёночном испарителе продукт выделяют с 88% выходом и 99,5%-ной чистотой и температуре кипения, равной 105-108°С (8 мбар). На дне остаются непрореагировавшие остатки Ν,Ν-диметиламмониевой соли молочной кислоты, которые почти количественно превращаются в амид при повторном микроволновом облучении.

Пример 2. Получение Ν,Ν-диэтиллактамида.

При охлаждении и перемешивании 2,7 кг (30 моль) молочной кислоты медленно смешивают с 1,05 молярным избытком диэтиламина (2,3 кг, 31,5 моль) и перемешивают (для введения газа см. пример 1). После того как экзотермичность снижается, полученную таким образом аммониевую соль нагревают до 80°С и затем непрерывно прокачивают через реакционную трубку со скоростью 4,8 л/ч при рабочем давлении, равном приблизительно 25 бар, и подвергают микроволновому облучению мощностью 2,4 кВт, 95% которых поглощается реакционной смесью. Время нахождения реакционной смеси в зоне облучения составляет приблизительно 35 с. В конце реакционной трубки реакционная смесь имеет температуру, равную 258°С.

Достигнута конверсия, равная 97% от теории. Продукт реакции имеет темно-желтый цвет и содержит <2 м.д. железа. Продукт освобождают от воды и избытка амина в тонкоплёночном испарителе и впоследствии используют без дальнейшей очистки.

Пример 3. Получение Ν,Ν-диметиллактамида термической конденсацией (сравнительный пример).

В колбу на 500 мл, снабжённую мешалкой и нисходящим холодильником с охлаждаемой рубашкой, вначале загружают 180 г (2,0 моль) молочной кислоты и нагревают до 60°С. Затем в колбу вводят 90,16 г (2,0 моль) диметиламина в газообразном состоянии. При увеличении температуры до 180°С реакция продолжает идти. Вода, выделяющаяся в ходе реакции конденсации, и непрореагировавший диметиламин непрерывно отгоняют. Через 20 ч реакция заканчивается, когда больше не образуется воды.

Показано, что в расчёте на используемую кислоту выход составляет 90%. В ходе реакции происходит значительное потемнение реакционной смеси. Кроме того, образуются нерастворимые компоненты, что указывает на частичное разложение реакционной смеси. Детектируемые вторичные компоненты являются, в первую очередь, олигомерными полимерами молочной кислоты (5%) и продуктами вторичного аминолиза диметиламида молочной кислоты Щ^-диметил^-диметиламинопропионамидом) и молочной кислотой (4%). Кроме того, в отходящем газе обнаружено неопределённое количество Ν,Νдиметилакриламида.

Пример 4. Получение Ν,Ν-диметиллактамида в периодическом одномодовом лабораторном микроволновом реакторе (сравнительный пример).

Расплав Ν,Ν-диметиламмониевой соли молочной кислоты получали способом, описанном в предыдущем примере.

мл этого расплава вводят герметично в устойчивый к давлению герметичный сосуд и последний вводят в микроволновую полость Вю1;щс 1шйа1ог™ лабораторного микроволнового блока. Реакцион

- 11 018156 ную смесь далее нагревают до 240°С в течение 1 мин применением микроволновой мощности, равной 250 Вт, в течение которой развивается давление, равное приблизительно 20 бар. После окончания нагревания образец облучают с контролируемой мощностью в течение ещё 4 мин. В это время интенсивность регулируют таким образом, чтобы температура реакционной смеси оставалась постоянной при 240°С.

Было найдено, что в расчёте на используемую кислоту выход неочищенного продукта равен 45%. Продукт имеет цвет от темно-коричневого до чёрного. В данном случае также происходит образование чёрных суспендируемых частиц, которые удаляют при помощи фильтров. Это твёрдое вещество не растворимо в обычных растворителях, что можно рассматривать как указание на то, что оно содержит продукты пиролиза реакционной смеси. Полимерные структуры, как те, которые описаны в предыдущем сравнительном примере, не наблюдаются.

Пример 5. Образование Ы,М-диметил-3-гидроксибутирамида.

2,6 кг (25 моль) 3-гидроксибутановой кислоты растворяют в 2 л толуола в перемешиваемом автоклаве на 10 л (ВйеЫ). Затем кислоту превращают в аммониевую соль введением эквимолярного количества газообразного диметиламина при нагревании (способ, соответствующий примеру 1). После того как экзотермичность уменьшится, полученную таким образом аммониевую соль непрерывно прокачивают через реакционную трубку со скоростью 3,0 л/ч при рабочем давлении, равном приблизительно 25 бар, и подвергают действию микроволнового излучения мощностью в среднем 1,85 кВт, 88% которого поглощается реакционной смесью. Продолжительность пребывания реакционной смеси в зоне облучения составляет приблизительно 57 с. В конце реакционной трубки реакционная смесь имеет температуру, равную 244°С.

Достигнута конверсия, равная 92% от теоретической. Продукт реакции имеет коричневый цвет и не содержит следов образования полимера. Продукты аминолиза, например, 3-Ы,М-диметиламинобутановая кислота или 3-(М',М'-диметиламино)-Н,М-диметилбутирамид не обнаружены в неочищенной смеси продуктов. Содержание железа составляет <2 м.д. Ы,М-диметил-3-гидроксибутирамид выделяют упариванием толуола и воды, образующейся в ходе реакции.

Пример 6. Получение Ν,Ν-диметилрициноламида.

2,98 кг (10 моль) 12-гидрокси-9-октадеценоевой кислоты (рициноленовой кислоты) растворяют в 2 литрах толуола в перемешиваемом автоклаве на 10 л (ВйеЫ). Затем кислоту превращают в аммониевую соль при охлаждении введением эквимолярного количества газообразного диметиламина (0,45 кг) (процедура, соответствующая примеру 1). После того как экзотермичность уменьшится, полученную таким образом аммониевую соль непрерывно прокачивают через реакционную трубку со скоростью 3,5 л/ч при рабочем давлении, равном приблизительно 25 бар, и подвергают действию микроволнового излучения мощностью в среднем 2,1 кВт, 89% которого поглощается реакционной смесью. Продолжительность пребывания реакционной смеси в зоне облучения составляет приблизительно 49 с. В конце реакционной трубки реакционная смесь имеет температуру, равную 240°С.

Достигается конверсия, равная 90% от теоретической. Продукт реакции имеет желтоватокоричневый цвет. Также не обнаружены продукты аминолиза в неочищенной смеси продуктов. Содержание железа составляет <2 м.д. Несмотря на высокую температуру реакции совсем не обнаружено следов образования С=С двойной связи в середине молекулы с точностью измерений методом ¹Н ЯМР.

Пример 7. Получение Ν,Ν-диметилмевалонамида.

2,96 кг (20 моль) рацемической 3,5-дигидрокси-3-метилпентановая кислоты (мевалоновой кислоты) диспергируют в 4 л толуола в перемешиваемом автоклаве на 10 л (ВйеЫ) при нагревании до 60°С. Далее кислоту последовательно превращают в аммониевую соль введением 945 г газообразного диметиламина (21 моль) (процедура в соответствии с примером 1). После того как экзотермичность уменьшится, полученную таким образом аммониевую соль непрерывно прокачивают через реакционную трубку со скоростью 4 л/ч при рабочем давлении, равном приблизительно 25 бар, и подвергают действию микроволнового излучения мощностью в среднем 2,25 кВт, 88% которого поглощается реакционной смесью. Продолжительность пребывания реакционной смеси в зоне облучения составляет приблизительно 42 с. В конце реакционной трубки реакционная смесь имеет температуру, равную 250°С.

Достигнута конверсия, равная 92% от теоретической. Продукт реакции имеет желтовато-красный цвет. В неочищенной смеси продуктов не обнаружены ни продукты аминолиза, ни полимеры. Содержание железа составляет <2 м.д. Целевой продукт, ^№диметил-3,5-дигирокси-3-метилпентанамид, выделяют после того, как упаривают толуол и воду, образующуюся в ходе реакции.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Непрерывный способ получения гидроксикарбоксамидов взаимодействием по меньшей мере одной гидроксикарбоновой кислоты формулы (I)

НО-К³-СООН (I) в которой К³ является алифатическим углеводородным радикалом, содержащим от 1 до 30 атомов углерода и содержащим один или несколько заместителей, выбранных из атомов галогена, С₁-С₅алкоксильной, поли(С₁-С₅-алкокси)льной, поли(С₁-С₅-алкокси)алкильной, карбоксильной, гидроксильной, амидной, циано, нитрильной, нитро и арильных групп, содержащих 5-20 атомов углерода, где С₁С₂₀-арильные группы могут нести заместители, выбранные из атомов галогена, С₅-С₂₀-алкильной, С₁-С₂₀алкенильной, С₁-С₅-алкоксильной, амидной, гидроксильной, циано, нитрильной и/или нитрогрупп, по меньшей мере с одним амином формулы (II)

ΗΝΚ.'Κ² (II) в которой каждый из К¹ и К² независимо является водородом или углеводородным радикалом, содержащим от 1 до 100 атомов углерода, при этом К¹ или К² либо оба радикала несут заместители, выбранные из С₁-С₅-алкоксильной, циано, нитрильной, нитро и С₅-С₂₀-арильных групп, или

К¹ или К² либо оба радикала несут С₅-С₂₀-арильные группы, и последняя несёт один или несколько заместителей, выбранных из атомов галогена, С₁-С₂₀-алкильной, С₁-С₂₀-алкенильной, С₁-С₅алкоксильной, гидроксильной, амидной, циано, нитрильной и нитрогрупп, или каждый из К¹ и К² независимо является радикалами формулы (III) в которой К⁴ представляет собой алкиленовую группу, содержащую 2-6 атомов углерода;

К⁵ представляет собой углеводородный радикал, содержащий от 1 до 24 атомов углерода или группу -БК¹⁰К¹¹;

η представляет собой целое число от 2 до 50;

каждый из К¹⁰, К¹¹ независимо представляет собой алифатический радикал, содержащий от 1 до 24 атомов углерода, арильную группу, имеющую от 5 до 12 членов цикла, поли(оксиалкиленовую) группу, содержащую от 1 до 50 поли(оксиалкиленовых) звеньев, образующуюся из звеньев алкиленоксида, имеющих от 2 до 6 атомов углерода, или К¹⁰ и К¹¹ вместе с атомом азота, к которому они присоединены, образуют цикл, содержащий 4, 5, 6 или большее число членов цикла, с образованием аммониевой соли и последующим превращением этой аммониевой соли в гидроксикарбоксамид при микроволновом облучении в реакционной трубке, продольная ось которой проходит в направлении распространения микроволн из одномодового микроволнового аппликатора.

2. Способ по п.1, в котором соль облучают микроволнами в реакционной трубке, в значительной степени прозрачной в отношении микроволн, внутри полой проводящей системы, соединённой при помощи волновода с микроволновым генератором.

3. Способ по одному или нескольким из пп.1 и 2, в котором микроволновой аппликатор имеет форму полого резонатора.

4. Способ по одному или нескольким из пп.1-3, в котором микроволновой аппликатор имеет форму полого резонатора отражательного типа.

5. Способ по одному или нескольким из пп.1-4, в котором реакционную трубку устанавливают аксиально центральной оси симметрии полой проводящей системы.

6. Способ по одному или нескольким из пп.1-5, в котором соль облучают в полом резонаторе с коаксиальным переключением микроволн.

7. Способ по одному или нескольким из пп.1-6, в котором полый резонатор действует по типу Ε_01η, где η является целым числом от 1 до 200.

8. Способ по одному или нескольким из пп.1-7, в котором К³ содержит по меньшей мере одну ОНгруппу, связанную с вторичным атомом углерода.

9. Способ по одному или нескольким из пп.1-8, в котором К³ содержит гидроксильную группу в αположении к карбоксильной группе.

10. Способ по одному или нескольким из пп.1-9, в котором К³ содержит одну или несколько двойных связей.

11. Способ по одному или нескольким из пп.1-10, в котором каждый из К¹ и К² независимо является углеводородным радикалом, содержащим от 1 до 100 атомов углерода.

12. Способ по одному или нескольким из пп. 1-10, в котором К¹ представляет собой углеводородный радикал, содержащий от 1 до 100 атомов углерода, и К² является водородом.

- 13 018156 рильной и нитрогрупп.

13. Способ по одному или нескольким из пп.1-12, в котором К¹ или К² либо оба радикала несут заместители, выбранные из С₁-С₅-алкоксильной, циано, нитрильной, нитро и С₅-С₂₀-арильных групп.

14. Способ по одному или нескольким из пп.1-13, в котором К¹ или К² либо оба радикала несут С₅С20-арильные группы, и последняя несёт один или несколько заместителей, выбранных из атомов галогена, С₁-С₂₀-алкильной, С₂-С₂₀-алкенильной, С₁-С₅-алкоксильной, гидроксильной, амидной, циано, нит

15. Способ по одному или нескольким из пп.1-10 и 13, в котором К¹ и К² вместе с атомом азота, к которому они присоединены, образуют цикл.

16. Способ по п.1, где каждый К¹⁰, К¹¹ независимо представляет собой алифатический радикал, содержащий от 2 до 18 атомов углерода.

17. Способ по одному или нескольким из пп.1-10, в котором каждый из К¹ и К² независимо является радикалами формулы (III)

-(В⁴-О)п-В⁵ (III) в которой К⁴ представляет собой алкиленовую группу, содержащую 2-6 атомов углерода;

К⁵ представляет собой углеводородный радикал, содержащий от 1 до 24 атомов углерода или груп10 11 пу -МК К ;

η представляет собой целое число от 2 до 50;

каждый из К¹⁰, К¹¹ независимо представляет собой алифатический радикал, содержащий от 1 до 24 атомов углерода, арильную группу, имеющую от 5 до 12 членов цикла, поли(оксиалкиленовую) группу, содержащую от 1 до 50 поли(оксиалкиленовых) звеньев, образующуюся из звеньев алкиленоксида, имеющих от 2 до 6 атомов углерода, или К¹⁰ и К¹¹ вместе с атомом азота, к которому они присоединены, образуют цикл, содержащий 4, 5, 6 или большее число членов цикла.

18. Способ по п.17, где каждый К¹⁰, К¹¹ независимо представляет собой алифатический радикал, содержащий от 2 до 18 атомов углерода.

19. Способ по одному или нескольким из пп.1-12, в котором каждый из К¹ и К² независимо является радикалами формулы (IV)

-[К⁶-Ы(К⁷)]_т-(К⁷) (IV) в которой К⁶ представляет собой алкиленовую группу, содержащую от 2 до 6 атомов углерода;

каждый К⁷ независимо является водородом, алкильным или гидроксиалкильным радикалом, содержащим до 24 атомов углерода, полиоксиалкиленовым радикалом -(К⁴-О)_р-К⁵, где каждый из К⁴, К⁵ является таковыми, как это определено выше, и р представляет собой 1-50;

т находится в диапазоне от 1 до 20.

20. Способ по п.19, где т находится в диапазоне от 2 до 10.

21. Способ по одному или нескольким из пп.1-20, в котором микроволновое облучение проводят при температурах от 150 до 500°С.

22. Способ по одному или нескольким из пп.1-21, в котором микроволновое облучение проводят под давлением, превышающим атмосферное.

23. Способ по одному или нескольким из пп.1-13, 15, 19-22, в котором К¹ и К² или оба заместителя представляют собой независимо алифатический радикал, содержащий 1-24 атомов углерода.