научная статья по теме СИНТЕЗ ПИРИДИНКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ОКИСЛЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ НА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ ПИРИДИНКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ОКИСЛЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ НА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ»

ХИМИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, 2012, № 4, с. 74-77

УДК 547.892.07

СИНТЕЗ ПИРИДИНКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ОКИСЛЕНИЕМ КОМПОНЕНТОВ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ НА МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНЫХ НАНОКОМПОЗИТАХ © 2012 г. Г. Н. Альтшулер

Институт углехимии и химического материаловедения СО РАН, Кемерово E-mail: altshulerh@gmail.com Поступила в редакцию 21.11.2011 г.

Каталитическим окислением компонентов каменноугольной смолы выполнен нанореакторный синтез пиридинкарбоновых кислот — прекурсоров биологически активных соединений. В качестве нанореактора применяли композит наночастиц Pd или Pd и Ag на матрице сульфированного поли-каликсрезорцинарена. Показано, что никотиновая кислота может быть получена нанореакторным окислением в-пиколина сульфатом церия (IV) при 1.013 • 10-5 Па и 25—30°C.

В условия роста заболеваемости туберкулезом чрезвычайно актуальной становится разработка новых технологий получения пиридинкарбоновых кислот — прекурсоров важнейших биологически активных соединений, в том числе никотиновой кислоты и наиболее применяемых противотуберкулезных препаратов: изониазида, фтивазида, тубазида.

Промышленный синтез никотиновой кислоты основан на окислении р-пиколина [1] или никотина [2] в водной среде, первый из которых является продуктом коксохимии. Перспективен нанореакторный синтез пиридинкарбоновых кислот каталитическим окислением компонентов пиколиновой и хинолино-вой фракций переработки каменноугольной смолы.

Схема 1

CH2-

иа _ ^ои

.OH

OH

CH2-

CH2-

—о

R R

[Pd(NH3)4]Cl2

CH2-R = CH3; Ph; PhSO3H.

600 K

CH2— HO^ ^ ^O-

O-

OH

CH2-

H^298 K

CH2-HO^ ^OH

OH

OH

ch2—

n

n

H

2

n

n

90 80 70 60 50 40 30 20 10 2и

Рис. 1. Рентгенограммы сульфированного полика-ликсарена, содержащего палладий 1 - 34 г/дм3, 2 -5.1 г/дм3.

Типичный нанореактор — молекула каликсарена [3], имеющая чашеобразную гидрофобную полость, окруженную гидрофильными группами. Расчетный объем полости каликс[4]резорцинарена составляет 1—2 куб. нм. Нами синтезированы [4—6] сетчатые полимеры, содержащие иммобилизованные ка-ликс[4]резорцинарены. В работах [7, 8] сетчатые полимеры на основе функционализированных цис-каликс[4]резорцинаренов впервые использованы в качестве матриц для создания твердофазных нано-реакторов для каталитических процессов гидрирования. Показано [8], что нанореактор на основе иммобилизованного какликс[4]резорцинарена работает по схеме 1.

В полимерной матрице образуются кристаллические наночастицы чистого металлического палладия с дисперсностью 20—100 нм. Использована [9, 10] следующая стратегия получения полимерных композитов, содержащих наночастицы металлов регулируемого размера: катионы тетра-аммиаката палладия вводятся в полимерную фазу

в процессе ионного обмена из раствора, содержащего значительное количество инертных к восстановлению катионов (натрия, лития, аммония); реализуется определенная часть полной обменной емкости полимера (не более 1 иона металла на элементарное звено полимера). При этом сорбированные катионы отделены друг от друга стенками нанореактора и инертными к восстановлению неорганическими катионами. При термодинамической детерминированности процесса ионного обмена, в частности при энергетической равноценности обменных мест, можно заранее задать среднее расстояние между восстанавливаемыми катионами, уменьшить среднее число элементарных частиц, входящих в атомный кластер металла. Таким образом, появляется возможность регулировать размер наночастиц. Рентгеновские дифрактограммы сульфированного поликаликсарена, содержащие различное количество палладия (рис. 1), были записаны на аппарате ДРОН-2 в медном фильтрованном излучении. Напряжение на трубке 30 кВ, ток 20 мА, скорость сканирования 2 град/мин.

На рентгенограммах (рис. 1) присутствуют линии кристаллического палладия и широкая линия в области 20°, отвечающая рассеянию на аморфной структуре полимера. Судя по интенсивности линии кристаллического палладия, среднее содержание его в образцах 1 и 2 отличается на порядок. Дисперсность кристаллического палладия, рассчитанная по ширине дифракционной линии в области 36°, составляет 30—50 нм.

Наночастицы палладия, иммобилизованные в полимере, являются активными катализаторами окислительно-восстановительных процессов [11]. Ранее [7] сульфированный поликаликсарен, содержащий Рё°, был выбран в качестве гетерогенного катализатора при гидрировании нитросо-единений по схеме 2:

Схема 2

я - :ыо2 я - ми2,

Я: -си

• АЛ

; ноос

С2Н5О

о

Максимальная каталитическая активность соответствовала содержанию Рё0 20-30 г/дм3, с дисперсностью 30-50 нм. Обнаружено, что для реализации каталитической активности необходимо достигать равномерного распределения металлического палладия в фазе полимера, когда срезы зерен катализатора под микроскопом имеют сплошную светло-серую окраску. При неравномерном содержании пал-

ладия интенсивность окраски уменьшается от поверхности к центру зерна. При большом содержании металла (>50 г/дм3) возникает эффект металлического зеркала. При малом содержании (Рё < 5 г/дм3) и при содержании Рё, соответствующем полной обменной емкости ионита (65 г/дм3), катализ не идет. Каталитическая активность полимера, содержащего 2% Рё, в реакции гидриро-

76

АЛЬТШУЛЕР

Пиридиновые основания каменноугольной смолы

у-Пиколин

в-Пиколин

Изохинолин

2, 6-Лутидин

Изоникотиновая кислота

Никотиновая кислота 2,6-Пиридиндикарбоновая кислота

Прекурсоры биологически активных соединений

С • О с

ОМОН

Рис. 2. Схема получения прекурсоров биологически активных соединений каталитическим окислением пиридиновых оснований.

вания нитробензола до анилина составляет 2.6 • 10-3 моль Н2/мин • г Рё; селективность реакции — 98%. Применение палладиевых катализаторов для окисления р-пиколина в водной среде в литературе не описано.

В данной работе выполнен каталитический нанореакторный синтез пиридинкарбоновых кислот окислением пиридиновых оснований каменноугольной смолы (р- и у-пиколинов; 2,6-лу-тидина; изохинолина) в водной среде по схеме, представленной на рис. 2. Ключевые стадии процесса — это процессы активации пиридиновых оснований и окислителей в полости нанореактора.

В качестве примера на рис. 3 представлен разработанный методом молекулярного дизайна каталитический цикл получения никотиновой кислоты по реакции (1) в твердофазном нанореакто-ре на основе сульфированного поликаликсарена

N

Ж

+ 6Ce4+ + 2Ы20

Рё, А§

Рё,^

N

(1)

COOH

+ 6Ce3+ + 6Ы+.

Изучены термодинамические параметры элементарных стадий нанореакторного синтеза никотиновой кислоты по каталитическому циклу (рис. 3). По предложенному каталитическому циклу водный раствор р-пиколина пропускают через ионообменную колонку, содержащую нано-композит (матрицу сульфированного поликалик-сарена, импрегнированную наночастицами Рё или Рё и А§). Затем через ионообменную колонку пропускают раствор Се^О4)2 со скоростью 0.001 моля окислителя на 1 г палладия в минуту. При этом конверсия сырья, как по р-пиколину, так и по Се^О4)2, составляет 100%. Конверсия р-пиколина до никотиновой кислоты достигает 75—80%, что сопоставимо с выходом никотиновой кислоты при окислении технического 95% р-пиколина в водно-щелочной среде при 80— 90°С без применения катализатора [12]. Из фильтрата при рН 3.4—3.5 выделяется техническая никотиновая кислота (температура плавления 226—228°С; содержание азота 11.4%). Все стадии нанореакторного синтеза никотиновой кислоты протекают в мягких условиях — при давлении 1.013—10-5 Па и температуре 25—30°С. В гомогенной водной среде (без катализатора) реакция (1) в этих условиях не протекает.

H+ Pd, Ag,

Рис. 3. Каталитический цикл получения никотиновой кислоты из Р-пиколина. L - поликаликсарен, импрегнирован-ный наночастицами металлов (Рё или Рё и Ag).

Окисление р-пиколина сульфатом церия (IV) сопровождается образованием значительного количества неорганических солей, разрушением полимерной матрицы (до 1% за один цикл). В этой связи изучается возможность использования H2O2, O3 в качестве окислителей при жидко-фазном каталитическом получении пиридинкар-боновых кислот. Результаты исследований будут опубликованы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Яхонтов Л.Н., Глушков Р.Г. Синтетические лекарственные средства. М.: Медицина, 1983. 272 с.

2. Толстикова Т.Г., Толстиков А.Г., Толстиков Г.А. Лекарства из растительных веществ. Новосибирск: ГЕО, 2010. Гл. 11. 215 с.

3. Бучаченко А.Л. // Успехи химии. 1999. Вып. 2. С. 99.

4. Altshuler H., Ostapova E., Fedyaeva O. et al. // Macro-mol. Symp. 2002. V. 181. P. 1.

5. AltshulerH, Sapozhnikova L., Ostapova E. et al. // Solvent Extraction and Ion Exchange. 2002. V. 20. № 2. P. 263.

6. Альтшулер О.Г., Сапожникова Л.А., Альтшу-лер Т.Н. // Журн. высокомолек. соед. Сер. А. 2007. Т. 45. № 7. С. 1198.

7. Альтшулер Т.Н., Сапожникова Л.А. // Журн. структ. химии. 2004. Т. 45. Приложение. С. 178.

8. Альтшулер Т.Н., Сапожникова Л.А. // Журн. прикл. химии. 2004. Т. 77. Вып. 11. С. 1914.

9. Альтшулер Т.Н., Сапожникова Л.А., Остапова Е.В., Альтшулер О.Г. // Журн. физ. химии. 2007. Т. 81. №7. С. 1159.

10. Альтшулер О.Г., Малышенко Н.В., Шкуренко Г.Ю., Альтшулер Т.Н. // Теорет. основы хим. технологии. 2009. Т. 43. № 1. С. 47.

11. Sapozhnikova L, Altshuler O, Malyshenko N. et al. // Int. J. Hyd. Energy. 2011. V. 36. № 1. P. 1259.

12. Black G, Depp E, Corson B. // J. Org. Chem. 1949. V. 14. № 1. P. 14.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком