СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭТИЛЕНДИАМИН-N-МОНОПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ

Изобретение относится к способам получения этилендиаминкарбоновых кислот, а именно этилендиамин-N-монопропионовой кислоты, которая может быть использована в качестве узлового соединения для синтеза полифункциональных лигандов, а также комплексообразующего реагента в аналитической химии, биологии, медицине.

При изучении достигнутого уровня техники выявлено всего одно упоминание об этилендиамин-N-монопропионовой кислоте (ethylenediamine-N-propionic acid), которая предлагается в качестве исходного продукта при получении полиуретановых покрытий и отсутствует упоминание о способе ее получения (US 5177141, С07С 229/16, 01.05.1993).

Известно, что классическое карбоксиалкилирование этилендиамина β-хлорпропионовой кислотой в щелочной среде приводит к получению этилендиамин-N,N,N',N'-тетрапропионовой кислоты (ЭДТП), либо этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты (ЭДДП). Так, например, известно, что при осуществлении процесса карбоксиалкилирования этилендиамина β-хлорпропионовой кислотой в присутствии гидроксида натрия при регламентируемых температурных режимах (не выше 85°С) и определенных, меняющихся на разных стадиях, значениях рН реакционной массы (на начальной стадии - 9,0-11,0, после стадии подкисления - 1,5-2,0, на стадии нейтрализации - 4,0-4,5) получают этилендиамин-N,N,N',N'-тетра-пропионовую кислоту (RU 23008448, С07С 227/04, 2007). В другом известном изобретении проводят карбоксиалкилирование этилендиамина β-хлорпропионовой кислоты в виде ее кальциевой соли в присутствии оксида кальция, получая в результате реакции этилендиамин-N,N'-дипропионовую кислоту (RU 237828, С07С 227/04, 2007). Процесс карбоксиалкилирования в последнем случае проводят при температуре не выше 85°С и значениях рН реакционной массы 9,0-11,0, после охлаждения реакционной массы и ее подкисления соляной кислотой устанавливают значение рН на уровне 1,0-1,5 и выделяют дигидрохлорид ЭДДП.

Как показывают дополнительно проведенные экспериментальные исследования, подобным взаимодействием этилендиамина с β-хлорпропионовой кислотой в щелочной среде (NaOH, Ca(OH)₂) не представляется возможным получить монозамещенное производное этилендиамина. а именно этилендиамин-N-монопропионовую кислоту (ЭДМП).

Известен и другой метод синтеза этилендиаминкарбоновых кислот, а именно метод омыления соответствующих нитрилов (DE 638071, 12q 6/01, 1936). Однако этот метод не описан в качестве способа получения этилендиамин-N-монопропионовой кислоты. Как известно, указанным методом, заключающимся во взаимодействии этилендиамина с акрилонитрилом и последующем гидролизе образовавшегося этилендиаминдипропионитрила, синтезируют, например, дигидрохлорид этилендиамин-N,N'-дипропионовой кислоты (Arthur E. Martell, Stanley Chaberek, «The preparation and properties of some N,N-disubstituted ethylenediaminedipropionic acids». J. Am. Chem. Sos., 1950, vol.72, p.5357-5361).

Предлагаемый способ получения этилендиамин-N-монопропионовой кислоты осуществляют взаимодействием акриловой кислоты с водным раствором медного комплекса этилендиамина, предварительно полученным из этилендиамина и водного раствора сульфата меди(II), и при этом акриловую кислоту берут в стехиометрическом соотношении к этилендиамину или с 5-10%-ым мольным избытком к этилендиамину от стехиометрического количества и вводят при перемешивании в раствор Cu(II) комплекса этилендиамина, имеющий температуру 40-45°С, после чего реакционную массу нагревают до температуры 60-65°С, выдерживают при этой температуре в течение 6,0-6,5 часов, затем охлаждают и выделяют целевой продукт фильтрацией. Целевой продукт промывают дистиллированной водой, затем метанолом и сушат.

Основными признаками предлагаемого способа являются;

- выбор в качестве исходных реагентов этилендиамина, акриловой кислоты и водного раствора сульфата меди(II) и их количественное соотношение,

- использование определенной последовательности введения реагентов, а именно введение акриловой кислоты в Cu(II) комплекс этилендиамина, предварительно полученный взаимодействием этилендиамина и сульфата меди(II) в водной среде,

- конкретные температурные режимы, как на стадии введения акриловой кислоты в Cu(II) комплекс этилендиамина (при температуре 40-45°С), так и при проведении основной реакции (при температуре 60-65°С) и временные режимы (перемешивание реакционной смеси в течение 6,0-6,5 часов при температуре 60-65°С).

Предлагаемый способ проводится по следующей схеме: к водному раствору сульфата меди(II), при комнатной температуре добавляют этилендиамин, реакционный раствор нагревают до температуры 40-45°С, и при перемешивании к образовавшемуся медному комплексу этилендиамина прибавляют акриловую кислоту, после чего реакционный раствор нагревают до температуры 60-65°С и выдерживают при этой температуре и перемешивании в течение 6,0-6,5 часов, затем проводится стадия выделения целевого продукта. Подобная последовательность загрузки компонентов предполагает первоначальное образование Cu(II) комплекса этилендиамина и дальнейшее взаимодействие акриловой кислоты с аминогруппой этилендиамина, координированной с Cu(II).

В предлагаемом способе, как и в известных способах синтеза производных этилендиамина, содержащих пропионовые группы, в качестве одного из исходных реагентов используется производное этилендиамина. Отличие предлагаемого способа состоит в том, что в качестве другого исходного реагента в нем используется акриловая кислота, а в цитированных выше аналогах - способах получения ЭДДП или ЭДТП, используется β-хлорпропионовая кислота (в виде ее натриевой или кальциевой соли).

Выбор именно таких исходных реагентов в комплексе с другими признаками предлагаемого способа позволяет получать именно этилендиамин-N-монопропионовую кислоту (ЭДМП), идентификация которой подтверждается ниже методами масс-спектрометрии, ИК- и ¹³С-ЯМР спектроскопии и элементным анализом.

Как видно из приведенных ниже примеров, акриловая кислота может использоваться в стехиометрическом соотношении к этилендиамину (когда мольное соотношение акриловой кислоты к этилендиамину составляет 2:1) или с небольшим (5-10%) мольным избытком к этилендиамину от стехиометрического количества. Из приведенных ниже примеров видно, как величина молярного соотношения исходных продуктов влияет на выход получаемого продукта. Максимальный выход достигается при 5-10%-ном мольном избытке акриловой кислоты по отношению к этилендиамину от стехиометрического количества.

Предлагаемый способ осуществляется при определенных температурных и временных режимах, подобранных экспериментально. Причем на первой стадии получают Cu(II) комплекс этилендиамина путем добавления этилендиамина к водному раствору сульфата меди(II), имеющему комнатную температуру, затем к раствору комплекса, имеющему температуру в пределах 40-45°С, прибавляется акриловая кислота, после чего реакционная масса перемешивается при нагревании до 60-65°С и выдерживается после добавления реагентов при этой температуре. Время перемешивания реакционной массы составляет 6,0-6,5 часов. Изменение температурных и временных режимов в сторону уменьшения (за пределы заявляемых величин) значительно снижает выход целевого продукта, увеличение - не приводит к увеличению выхода.

После охлаждения реакционной массы (до комнатной температуры) выпавший белый кристаллический осадок этилендиамин-N-монопропионовой кислоты, выделяют фильтрацией. Для очистки целевой продукт промывают на фильтре холодной дистиллированной водой и метанолом до отсутствия катионов меди (Cu²⁺), сушат известными методами.

Для идентификации полученного продукта были использованы: метод масс-спектрометрии, ИК- и ¹³С-ЯМР спектроскопии, данные элементного анализа. Данные методы подтверждают получение предлагаемым способом именно этилендиамин-N-монопропионовой кислоты.

Ниже на рис.1 приводится масс-спектр исследуемого соединения, в котором наблюдается пик, принадлежащий молекулярному иону 132,913, что действительно соответствует молекулярной массе этилендиамин-N-монопропионовой кислоты. Строение этилендиамин-N-монопропионовой кислоты подтверждается также данными ИК-спектра (рис 2), в котором присутствуют полосы поглощения, соответствующие неионизированной карбоксильной группе (1719 см^-1) и аминогруппе (3027 см^-1). ¹³С-ЯМР спектр исследуемого соединения приводится на рис.3 и также подтверждают структуру соединения, соответствующую этилендиамин-N-монопропионовой кислоте.

Найдено, %: С 45.13, 45.57; Н 8.98, 9.29; N 20.92, 20.73 C₅H₁₂N₂O₂. Вычислено, %: С 45.44; Н 9.15; N 21.20.

Ниже изобретение иллюстрируется примерами, которые никак не ограничивают возможность осуществления данного способа в пределах заявляемого объема притязаний.

Пример 1.

К раствору 16,0 г (0,1 моль) сульфата меди(II) в 100 см³ воды медленно добавляют 13,4 см³ (0,2 моль) этилендиамина и к полученному раствору комплекса темно-фиолетового цвета, имеющему температуру 40°С, прибавляют при перемешивании 27,4 см³ (0,4 моль) акриловой кислоты, что соответствует стехиометрическому соотношению (2:1) акриловой кислоты к этилендиамину. По окончании загрузки всего количества кислоты реакционную массу перемешивают при 60°С в течение 6,5 часов, после чего ее охлаждают до комнатной температуры. Выпавший белый кристаллический осадок отфильтровывают и промывают на фильтре холодной дистиллированной водой и метанолом, сушат. Получают 9,6 г этилендиамин-N-монопропионовой кислоты с выходом 36,1%. т.пл. 230°С (с разложением).

Пример 2.

К раствору 16,0 г (0,1 моль) сульфата меди(II) в 100 см воды медленно прибавляют 13,4 см³ (0,2 моль) этилендиамина, к полученному раствору комплекса темно-фиолетового цвета, имеющему температуру 45°С, добавляют 28.8 см³ (0,42 моль, что соответствует 5%-ому мольному избытку акриловой кислоты к этилендиамину от стехиометрического количества. По окончании загрузки всего количества кислоты реакционную массу перемешивают при 65°С в течение 6,0 часов, после чего ее охлаждают до комнатной температуры. Выпавший белый кристаллический осадок отфильтровывают и промывают на фильтре холодной дистиллированной водой и метанолом, сушат. Получают 11,0 г этилендиамин-N-монопропионовой кислоты с выходом 41,4%. т.пл. 230°С (с разложением).

Пример 3.

К раствору 16,0 г (0,1 моль) сульфата меди(II) в 100 см³ воды медленно прибавляют 13,4 см³ (0,2 моль) этилендиамина, к полученному раствору комплекса темно-фиолетового цвета, имеющему температуру в пределах 40-45°С, добавляют 30,2 см³ (0,44 моль) акриловой кислоты, что соответствует 10%-ому мольному избытку акриловой кислоты к этилендиамину от стехиометрического количества. По окончании загрузки всего количества кислоты реакционную массу перемешивают при температурном интервале 60-65°С в течение 6,0 часов, после чего ее охлаждают до комнатной температуры. Выпавший белый кристаллический осадок отфильтровывают и промывают на фильтре холодной дистиллированной водой и метанолом, сушат. Получают 11,1 г этилендиамин-N-монопропионовой кислоты с выходом 41,7%. т.пл. 230°С (с разложением).