Способ получения галогенидов тетракис(2-гидроксиэтил)аммония общей формулы [N(CHCHOH)]X(X=F, Cl, Br, I)

Изобретение относится к усовершенствованию способа получения труднодоступных галогенидов тетракис(2-гидроксиэтил)аммония, соответствующих общей формуле [N(CH₂CH₂OH)₄]⁺X^- (X=F, Cl, Br, I). Тетракис(2-гидроксиэтил)аммониевые соли относятся к классу алканоламмониевых ионных жидкостей, которые обладают огромными перспективами применения в науке и технике [1-4]. Кроме того, тетракис(2-гидроксиэтил)аммониевые соли являются прекурсорами для получения потенциально биологически активных металлосодержащих соединений и сами могут эффективно использоваться в качестве растворителей и катализаторов в биокатализе [5]. Это дает возможность использовать тетракис(2-гидроксиэтил)аммониевые соли и их производные в фармакологии, медицине, биотехнологии и сельском хозяйстве.

Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.

Известны и широко изучены трис(2-гидроксиэтил)аммониевые соли (протатраны), обладающие широким спектром биологической активности и легко образующиеся взаимодействием триэтаноламина с протонными кислотами в среде полярного растворителя [6-8].

Известен способ получения бромида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония [N(CH₂CH₂OH)₄]Br взаимодействием триэтаноламина (изб.) с 2-бромэтанолом в безводном этаноле при 115°C в течение 22 часов. Продукт выделяли добавлением безводного этанола и смеси этанол-хлороформ. Недостатком является образование побочного продукта - бромида трис(2-гидроксиэтил)аммония (выход ~50%) и сложность разделения продуктов реакции [9].

Также известны способы получения фторида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония [N(CH₂CH₂OH)₄]F путем титрования метанольного раствора смеси [N(CH₂CH₂OH)₄]OH и триэтаноламина водным раствором плавиковой кислоты, а также двойной реакцией обмена между [N(CH₂CH₂OH)₄]Br и Ag₂SO₄, а затем BaF₂. Недостатками данных способов является сложность выделения целевого продукта и использование дорогостоящих реактивов (соли серебра) [9].

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является принятый в качестве прототипа способ получения бромида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония [N(CH₂CH₂OH)₄]Br путем кипячения 1.6 моль триэтаноламина и 0.8 моль 2-бромэтанола в 300 мл метанола в течение 24 ч.

Главным недостатком данного способа является образование побочного продукта - бромида трис(2-гидроксиэтил)аммония, необходимость разделения полученной смеси продуктов и, как следствие, низкий выход целевого продукта [10].

Задачей изобретения является совершенствование способа получения галогенидов тетракис(2-гидроксиэтил)аммония с более высоким выходом (>50%), при котором не происходит образование побочных продуктов - трис(2-гидроксиэтил)аммониевых солей.

Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.

Согласно изобретению способ получения галогенидов тетракис(2-гидроксиэтил)аммония общей формулы [N(CH₂CH₂OH)₄]⁺X^- (X=F, Cl, Br, I) взаимодействием триэтаноламина (изб.) с 2-галогенэтанолом в безводном этаноле характеризуется тем, что в реакционную смесь, содержащую триэтаноламин и 2-галогенэтанол в безводном метаноле, дополнительно вводят окись этилена, предварительно растворенную в безводном метаноле, в соотношении 1.01:1:0.15-0.5 (мол.), при этом процесс ведут в герметично закрытом автоклаве при 115°C в течение 22 ч с последующим выделением целевого продукта путем перекристаллизации.

Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что дополнительное введение окиси этилена в безводную реакционную среду приводит к получению целевых продуктов, галогенидов тетракис(2-гидроксиэтил)аммония, с приемлемыми выходами (>55%) и без образования побочных продуктов - галогенидов трис(2-гидроксиэтил)аммония, нерастворимых в метаноле.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором на фиг. 1 представлена молекулярная структура фторида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония с указанием нумерации атомов согласно данным рентгеноструктурного анализа, на фиг. 2 - полиморфные модификации тетракис(2-гидроксиэтил)аммоний хлорида, принадлежащие к моноклинной сингонии.

Заявленный способ осуществляют следующим образом.

В реакционную смесь, содержащую триэтаноламин и 2-галогенэтанол в соотношении 1.01:1 (мол.) в безводном метаноле, добавляют метанольный раствор окиси этилена в соотношении 0.15-0.5 (мол.) к триэтаноламину и 2-галогенэтанолу. Массовое содержание безводного метанола в реакционной смеси составляло 30%. Реакцию проводят в автоклаве при 115°C в течение 22 ч. Хлорид и бромид тетраэтаноламмония выделяют путем добавления безводного этилового спирта (соотношение 2:1 по массе) к полученному прозрачному метанольному раствору. Фторид тетраэтаноламмония выделяют добавлением ацетона (соотношение 2:1 по массе) к полученному метанольному раствору.

Структуры хлорида и фторида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония были установлены с помощью рентгеноструктурного анализа на дифрактометре Agilent Technologies (Oxford Diffraction) «Xcalibur» и «Supernova». По данным рентгеноструктурного анализа тетракис(2-гидроксиэтил)аммоний хлорид имеет несколько полиморфных модификаций (фиг. 2), обе принадлежащие к моноклинной сингонии. Один из полиморфов (I) имеет ячейку с параметрами a=7.521 , b=14.478 , с=10.148 , β=92.936°, V=1103.66 , пр. гр. Р 2₁/n, а другой (II) - а=12.1802(8) , b=14.3667(8) , с=25.1057(13) , β=101.234(5)°, V=4309.1(4) , пр. гр. Р 2₁/с. Фторид тетракис(2-гидроксиэтил)аммония (фиг. 1) в единственной модификации имеет ячейку с параметрами: а=7.1103(2) , b=7.8102(2) , с=9.4041(3) , β=98.896(3)°, V=515.95(3) , пр. гр. Рс. Брутто формулы: C₈H₂₀ClNO₄ и C₈H₂₀FNO₄.

Таким образом, заявленный способ позволяет получить галогениды тетракис(2-гидроксиэтил)аммония с приемлемыми выходами, без образования побочных продуктов. Это дает возможность использовать их в качестве ионных жидкостей, а также прекурсоров новых биологически активных соединений в фармакологии, медицине, сельском хозяйстве и биотехнологии.

Возможность осуществления изобретения может быть продемонстрирована ниже представленными примерами.

Пример 1. Синтез хлорида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония (без окиси этилена).

15.05 г (0.101 моль) свежеперегнанного триэтаноламина, растворенного в 98% метаноле (конц. р-ра 43.53%), прибавляют к 98% метанольному раствору (конц. 23.29%) 2-хлорэтанола (0.100 моль, 8.05 г), полученную реакционную смесь переносят в автоклав Мольное соотношение реагентов: 1.01 (триэтаноламин) : 1.00 (2-хлорэтанол). Содержание метанола в полученном растворе составило 30%. Герметично закрытый автоклав устанавливают в термостат при 115°C на 22 ч. После протекания реакции наблюдалось выпадение осадка, нерастворимого в метаноле, хлорида трис(2-гидроксиэтил)аммония. После фильтрования побочного продукта целевой продукт выделяют добавлением этилового спирта к полученному прозрачному раствору (соотношение 2:1 по массе). Выход реакции 35%, прозрачные гигроскопичные кристаллы, Т_пл 80°C.

Пример 2. Синтез хлорида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония (с окисью этилена, 22 ч).

15.05 г (0.101 моль) свежеперегнанного триэтаноламина, растворенного в безводном метаноле (конц. 43.53%), прибавляют к безводному метанольному раствору (конц. 23.29%) 2-хлорэтанола (0.100 моль, 8.05 г), полученную реакционную смесь переносят в автоклав и добавляют 7.75 г безводного метанольного раствора окиси этилена (14.2%). Мольное соотношение реагентов: 1.01 (триэтаноламин) : 1.00 (2-хлорэтанол) : 0.25 (окись этилена). Содержание метанола в полученном растворе составило 30%. Герметично закрытый автоклав устанавливают в термостат при 115°C на 22 ч. После протекания реакции продукт выделяют добавлением безводного этилового спирта к полученному прозрачному раствору (соотношение 2:1 по массе). Выход реакции 73%, прозрачные гигроскопичные кристаллы, Т_пл 80°C. Данные элементного анализа, найдено, %: С 41.52; Н 11.11; N 5.97. C₈H₂₀ClNO₄. Вычислено, %: С 41.82; Н 8.79; N 6.10.

Пример 3. Синтез фторида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония.

2.86 г. (0.0192 моль) свежеперегнанного триэтаноламина, растворенного в безводном метаноле (конц. 45.51%), прибавляют к безводному метанольному раствору (конц. 25.10%) 2-фторэтанола (0.0190 моль, 1.22 г), полученную реакционную смесь переносят в автоклав и добавляют 1.47 г. безводного метанольного раствора окиси этилена (14.2%). Мольное соотношение реагентов: 1.01 (триэтаноламин) : 1.00 (2-фторэтанол) : 0.25 (окись этилена). Содержание метанола в полученном растворе составило 30%. Герметично закрытый автоклав устанавливают в термостат при 115°C на 22 ч. После протекания реакции продукт выделяют добавлением ацетона к полученному прозрачному раствору (соотношение 2:1 по массе). Выход реакции 55%, прозрачные гигроскопичные кристаллы, Т_пл. 195°C. Данные элементного анализа, найдено, %: С 44.0; Н 9.87; N 6.65. C₈H₂₀FNO₄. Вычислено, %: С 45.06; Н 9.44; N 6.57.

Пример 4. Синтез бромида тетракис(2-гидроксиэтил)аммония.

Синтез и выделение продукта реакции аналогично примеру 2. Выход 56%. Тпл. 100-102°C. Данные элементного анализа, найдено, %: С 35.85; Н 7.88; N 5.36. C₈H₂₀BrNO₄. Вычислено, %: С 35.05; Н 7.35; N 5.11.

Литература.

1. С. Zhao, G. Burrell, A.A.J. Torriero, F. Separovic, N.F. Dunlop, D.R. MacFarlane, A.M. Bond // J. Phys. Chem. B, Vol. 112, 2008, 6923-6936.

2. K. Huang, X.-M. Zhang, Y. Xu, Y.-T. Wu, X.B. Hu // Thermodynamics and Molecular-Scale Phenomena, Vol. 60, 2014, P. 4232-4240.

3. S.S. Chavan, Y.O. Sharma, M.S. Degani // Green Chemistry Letters and Reviews, Vol. 2, 2009, P. 175-179.

4. A. Pinkert, K.L. Ang, K.N. Marsh, S. Pang // Phys. Chem. Chem. Phys., Vol. 13, 2011, P. 5136-5143.

5. D. Das, A. Dasgupta, P.K. Das // Tetrahedron Letters, Vol. 48, 2007, P. 5635-5639.

6. Патент РФ. 2429832 C1. Опубл. 27.09.2011 Бюл. №27.

7. М.Г. Воронков, О.П. Колесникова, М.М. Расулов, А.Н. Мирскова // Химико-фармацевтический журнал, Т. 41, 2007, №5, С. 13-17.

8. М.Г. Воронков, М.М. Расулов // Химико-фармацевтический журнал, Т. 41, 2007, №1, С. 3-9.

9. W.-Y. Wen, S. Saito // Journal of Physical Chemistry, Vol. 69, 1965, P. 3569-3574.

10. D.F. Evans, G.P. Cunningham, R.L. Kay // Journal of Physical Chemistry, Vol. 70, 1966, P. 2974-2980.