Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения N-(фосфонометил)-глицина

Изобретение относится к области основного органического синтеза, а именно к процессу получения фосфорорганического соединения N-(фосфонометил)-глицина (Глифосат, Glyphosate, C₃H₈NO₅P) путем окисления N-замещенных-N-(фосфонометил)-глицинов пероксидом водорода в присутствии катализатора.

N-(фосфонометил)-глицин - пестицид, арборицид, гербицид с широким спектром активности. Является действующим началом препаратов, применяющихся для борьбы с сорняками, в том числе в России (раундап, торнадо, утал, форсат, глиалка, глицел и др).

Самыми распространенными промышленными способами получения глифосата являются окисление N-фосфонометилиминодиуксусной кислоты (ФИДУК) кислородом [Riley D.P., Fields D.L., Rivers W. Homogeneous catalysts for selective molecular oxygen driven oxidative decarboxylations // Journal of the American Chemical Society. □ 1991. □ T. 113, №9. □ C. 3371-3378. doi 10.1021/ja00009a023; Besson M., Gallezot P., Perrard A., Pinel C. Active carbons as catalysts for liquid phase reactions // Catalysis Today. □ 2005. □ T. 102-103. □ C. 160-165. doi 10.1016/j.cattod.2005.02.037] или пероксидом водорода (US 5023369, B01J 23/30, C07F 9/38, 11.06.1991). В этих способах для получения ФИДУК проводят реакцию динатриевой соли иминодиуксусной кислоты с формальдегидом и треххлористым фосфором в водной среде (US 4775498, C07F 9/38, 04.10.1988).

В этой реакции при получении одного моля ФИДУК образуется 2 моля хлорида натрия [Tian J., Shi Н., Li X., Yin Y., Chen L. Coupling mass balance analysis and multi-criteria ranking to assess the commercial-scale synthetic alternatives: a case study on glyphosate // Green Chemistry. □ 2012. □ T. 14, №7. □ C. 1990-1990. doi 10.1039/c2gc35349k]. Последнее является недостатком, поскольку для полного отделения хлорида натрия требуются большие количества воды, приводящие к: а) снижению выхода целевого продукта - ФИДУК, б) образованию большого количества сточных вод и, как следствие, ухудшению экологических показателей процесса (высокий Е-фактор).

Другим недостатком получения глифосата, исходя из ФИДУК, является особенность удаления N-карбоксиметильной группы, протекающего с безвозвратной потерей углерода в виде углекислого газа. Например (US 3954848, C07F 9/38, 04.05.1976), при окислении ФИДУК пероксидом водорода в присутствии сильных кислот наряду с глифосатом образуются муравьиная кислота и углекислый газ.

Альтернативным подходом к получению глифосата с улучшенными экологическими показателями относительно способа, включающего окисление ФИДУК, является метод, основанный на получении N-алкил глифосатов в качестве предшественников глифосата.

При этом удаление N-защитной группы возможно путем кислотного гидролиза в случае N-бензильных (US 3956370, B01J 27/00; С07В 61/00, 11.05.1976) или N-третбутильных (US 3927080, C07F 9/38, 1975.12.16) производных глифосата. Недостатками этих способов является высокая специфичность методов, их неприменимость в общем случае для удаления N-алкильных групп, а также образование в качестве побочных продуктов токсичных толуола или изобутилена.

Описан способ удаления N-бензильной группы путем гидрирования в присутствии палладия (ЕР 0055695, C07F 9/38, 1982.07.07). Недостатком этого способа является его применимость лишь для удаления N-бензильной группы и образование в качестве побочного продукта токсичного толуола.

Известен способ получения глифосата путем нагревания N-замещенных глифосатов в 50-%-ном водном растворе щелочи до температуры 300°C в автоклаве (US 5068404, C07F 9/38, 1991.11.26). Недостатком этого способа является использование большого количества щелочи и потеря углерода в форме соответствующего алкена, например пропена в случае N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина.

Способом удаления N-аклильных групп, лишенным указанных выше недостатков, является метод, основанный на окислении N-замещенных глифосатов кислородом в присутствии гетерогенных катализаторов. Дополнительным преимуществом этого метода является образование в качестве побочных продуктов соответствующих кетонов, например ацетона в случае окисления N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина, использующихся повторно в полном цикле синтеза глифосата [Stern М. К. ENVIRONMENTALLY SOUND AGRICULTURAL CHEMISTRY: FROM PROCESS TECHNOLOGY TO BIOTECHNOLOGY // The Environment: Challenges for the Chemical Sciences in the 21st Century / National Academies Press, 2003, P. 140-143. ISBN: 978-0-309-08719-3].

Наиболее близким способом получения глифосата к предлагаемому изобретению является процесс получения глифосата, описанный в (WO 9941260, B01J 31/28, С07В 61/00, 1999.08.19). В этом изобретении для получения глифосата предлагается проводить окисление соответствующего N-замещенного глифосата кислородом в присутствии гетерогенных катализаторов на основе благородных металлов. В качестве металла предпочтительно используется платина в форме черни и платина (5 мас. %), закрепленная на носителях - оксиде олова (IV), оксиде циркония (IV), сульфате бария, оксиде кремния, оксиде титана (IV) или углеродных носителях (F106, Сибунит, Вулкан XC-72R). Массовое соотношение катализатора к N-замещенному глифосату составляет от 1:500 до 1:5. В ходе реакции кислород барботируют через реакционную смесь в течение от 4 до 23 ч. Реакцию проводят при температуре от 50 до 200°C и парциальном давлении кислорода от 0.5 до 10 атм. Наилучшие результаты при окислении наблюдаются при использовании в качестве катализатора платиновой черни. Тем не менее, для достижения удовлетворительных величин конверсии субстрата (90-98%) и селективности по глифосату (80-90%) необходимы большие загрузки катализатора [Sub]/[Cat]=от 3:1 до 50:1 (массовые соотношения). Например, загрузка катализатора (платиновой черни) составляет 0.3 г на 1.0 г N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина; или 1 г на 10 г N-(метил)-N-(фосфонометил)-глицина.

Другой особенностью этого подхода является дезактивация нанесенных катализаторов при достижении величин конверсии субстрата 50-80%, что требует организации рецикла маточных растворов. Указанные выше особенности в совокупности с необходимостью проведения реакции в трехфазной системе «водная фаза-твердый катализатор-газообразный окислитель (кислород или смесь кислорода с азотом)», в том числе при температурах до 200°C и парциальном давлении кислорода до 10 атм, являются недостатками данного способа.

Изобретение решает задачи увеличения эффективности и упрощения способа получения N-(фосфонометил)-глицина путем окисления N-замещенных глифосатов при температуре 60-80°C и атмосферном давлении при высоких значениях соотношений [Sub]/[Cat]¹ (¹ Здесь и далее соотношение [Sub]/[Cat] приведено из расчета соотношения количества молей субстрата и каталитически активного металла золота, введенных в реакцию) от 100 до 700 и использовании нанесенных катализаторов с достижением высоких значений конверсии (90-98%) и селективности по глифосату (85-95%).

Технический результат - достигается высокий выход глифосата при значительном упрощении процесса:

- окисление N-замещенных глифосатов в условиях гетерогенного катализа в двухфазной системе, где окислитель и субстрат находятся в водной фазе, а катализатор в твердой;

- легкость отделения катализатора и возможность его повторного использования;

- получение в качестве побочных продуктов соответствующих карбонилсодержащих соединений, например ацетона, которые можно использовать в рецикле.

Задача решается путем каталитического окисления N-замещенных глифосатов пероксидом водорода с применением метода гетерогенного катализа, при котором N-замещенный глифосат и пероксид водорода находятся в жидкой, а катализатор в твердой фазе. Роль катализатора выполняют нанесенные на углерод (Сибунит) наночастицы золота.

Более подробно получение N-(фocфoнoмeтил)-глицинa-глифосата осуществляют путем каталитического окисления N-замещенных-N-(фосфонометил)-глицинов пероксидом водорода, в качестве катализатора используют наноразмерные частицы золота, нанесенные на углеродные носители.

В качестве субстрата используют N-изопропил-N-(фосфонометил)-глицин, или N-пропил-N-(фосфонометил)-глицин, или N-бeнзил-N-(фocфoнoмeтил)-глицин, или N-метил-N-(фосфонометил)-глицин.

Наряду с целевым продуктом - глифосатом образуются ацетон, или пропаналь, или бензальдегид, или формальдегид.

Используют раствор пероксида водорода с концентрацией 5-35%.

Процесс осуществляют при температуре 60-80°CС и общем давлении 1 атм.

Используют следующие мольные соотношения компонентов: [Sub]/[Au]=10-700; [Н₂O₂]/[Sub]=1.1-1.2.

Катализатор содержит в виде наноразмерных металлических частиц золото Au в количестве от 0.5-2.5 мас. %.

Процесс осуществляют в двухфазной системе в присутствии гетерогенного катализатора, полученного путем синтеза наночастиц металлического золота на поверхности углеродного носителя из предварительно адсорбированных катионных или анионных комплексов золота (III). В качестве носителя используют Сибунит (Sibunit - Sib) [Yermakov Y.I., Surovikin V.F., Plaksin G.V., Semikolenov V.A., Likholobov V.A., Chuvilin L.V., Bogdanov S.V. New carbon material as support for catalysts // Reaction Kinetics and Catalysis Letters. 1987. T. 33, №2. C. 435-440. DOI 10.1007/BF02128102] с размером частиц 0.001-0.1 мм, удельной поверхностью по БЭТ (S_уд) 80-500 м²/г. Сибунит используется как в форме готового продукта, так и предварительно окисленный [Delidovich I.V., Moroz В.L., Taran О.P., Gromov N.V., Pyrjaev P.A., Prosvirin I.P., Bukhtiyarov V.I., Parmon V.N. Aerobic selective oxidation of glucose to gluconate catalyzed by Au/Al2O3 and Au/C: Impact of the mass-transfer processes on the overall kinetics // Chemical Engineering Journal. □ 2013. □ T. 223. □ C. 921-931. DOI 10.1016/j.cej.2012.11.073]

Приготовление катализаторов выполняют по известной методике [Pyryaev Р. а., Moroz В.L., Zyuzin D.A., Nartova А.V., Bukhtiyarov V.I. Nanosized Au/C catalyst obtained from a tetraamminegold(III) precursor: Synthesis, characterization, and catalytic activity in low-temperature CO oxidation // Kinetics and Catalysis. □ 2010. □ T. 51, №6. □ C. 885-892. DOI 10.1134/S0023158410060145].

Предлагаемый способ синтеза глифосата, как и прототип, основан на окислении N-замещенных глифосатов в присутствии гетерогенных катализаторов, представляющих собой наночастицы благородного металла, нанесенные на углеродные носители на основе сибунита. При этом, в отличие от прототипа, для окисления N-замещенных глифосатов используют водный раствор пероксида водорода, а реакция окисления протекает в двухфазной системе жидкая фаза - твердая фаза.

Получение глифосата осуществляют следующим способом.

Реакцию каталитического окисления N-замещенных глифосатов проводят при атмосферном давлении в термостатированном реакторе с использованием магнитной или механической мешалки (300-750 об/мин). Реактор снабжен обратным холодильником и имеет устройство для дозировки раствора пероксида водорода и субстрата.

Последовательность приготовления реакционной смеси. В термостатированный реактор помещают расчетные количества катализатора, воды, пероксида водорода, навеску N-замещенного глифосата, затем включают перемешивание. Заданную температуру поддерживают с точностью ±0.1°C с помощью водяного термостата. По окончании эксперимента реакционную смесь от катализатора отделяют декантированием. Определение количества кетонов выполняют методом ГЖХ. Конверсию субстрата и селективность по целевому глифосату определяют с использованием метода ЯМР - спектрометрии.

Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, таблицами и иллюстрацией.

Примеры А, Б и В показывают общую методику проведения реакции каталитического окисления N-замещенных глифосатов.

Пример A ([Sub]/[Cat]=500, концентрированный водный раствор пероксида водорода)

В реактор вносят катализатор (2.0% Au/Sib_ox) в количестве 1.00 г (0.1 ммоль Au), добавляют 6.0 мл водного 30-%-ного (ρ=1.108 г/мл при 24°C) раствора пероксида водорода (0.06 моль) и приливают 30 мл воды. Затем в реактор вносят 10.70 г N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина (0.05 моль) и дополнительно приливают 20 мл воды. Реакционную смесь перемешивают при 500 об/мин^-1 в течение 2 ч.

Конверсия субстрата составляет 96%, селективность по глифосату 91% (ЯМР). Выход ацетона составляет 84% (ГЖХ).

Пример Б ([Sub]/[Cat]=500, разбавленный водный раствор пероксида водорода)

В реактор вносят катализатор (2.0% Au/Sib_ox) в количестве 1.00 г (0.1 ммоль Au), добавляют 40.0 мл водного 5%-ного (ρ=1.015 г/мл при 24°C) раствора пероксида водорода (0.06 моль). Затем в реактор вносят 10.70 г N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина (0.05 моль) и приливают 15.0 мл воды. Реакционную смесь перемешивают при 500 об/мин^-1 в течение 2 ч.

Конверсия субстрата составляет 94%, селективность по глифосату 90% (ЯМР). Выход ацетона составляет 82% (ГЖХ).

Соотношение [Sub]/[Cat] приведено из расчета соотношения масс субстрата и катализатора

Пример В ([Sub]/[Cat]=500, разбавленный пероксид водорода)

В реактор вносят 0.80 г (0.08 ммоль) катализатора, отделенного после проведения первого цикла по примеру Б, и вносят дополнительно катализатор (2.0% Au/Sib_ox) в количестве 0.2 г (0.02 ммоль Au), добавляют 40.0 мл водного 5%-ного (ρ=1.015 г/мл при 24°C) раствора пероксида водорода (0.06 моль). Затем в реактор вносят 10.70 г N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина (0.05 моль) и приливают 15.0 мл воды. Реакционную смесь перемешивают при 500 об/мин^-1 в течение 2 ч.

Конверсия субстрата составляет 98%, селективность по глифосату 85% (ЯМР). Выход ацетона составляет 78% (ГЖХ).

Примеры: обсуждение

Примеры получения глифосата в зависимости от типа катализатора, температуры, времени реакции, мольных соотношений реагентов [H₂O₂]/[Sub] и [Sub]/[Cat] приведены в таблицах 1, 2 и на чертеже.

Примеры 1-7, приведенные в таблице 1, показывают влияние температуры и N-заместителя в молекуле глифосата на конверсию и селективность реакции окисления N-замещенных глифосатов.

Примеры 8-20, приведенные в таблице 2, показывают влияние содержания золота в катализаторе, влияние соотношений [Sub]/[Cat] и [H₂O₂]/[Sub] на конверсию и селективность реакции окисления N-замещенных глифосатов.

На чертеже представлена зависимость величины выхода глифосата от времени проведения реакции. Условия: [Sub]/[Cat]=500, [H₂O₂]/[Sub]=1.2, Т - 70°C, давление - атмосферное, катализатор 2.01% Au/Sib_ox, Sub - N-изопропил)-N-(фосфонометил)-глицин.

Результаты, приведенные на графике (см. чертеж), показывают, что оптимальным временем реакции получения глифосата является 120 мин (2 ч), при котором достигаются 88-91%-ные выходы глифосата. Дальнейшее увеличение времени реакции не приводит к существенному увеличению выхода глифосата.

Окисление N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина предпочтительно проводить при температурах 60-70°C, поскольку при температуре меньше 60°C существенно снижается конверсия субстрата (пример 1, таблица 1.), а повышение температуры выше 70°C нецелесообразно, поскольку это не приводит к значимому увеличению ни конверсии субстрата, ни селективности по глифосату (пример 3, таблица 1).

Использование в качестве субстрата N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина предпочтительно, поскольку именно для этого субстрата наблюдаются максимальные значения конверсии субстрата и селективности по глифосату в реакции каталитического окисления N-замещенных глифосатов (пример 4, таблица 1).

Селективное образование глифосата в реакции каталитического окисления N-(изопропил)-N-(фосфонометил)-глицина пероксидом водорода обусловлено именно присутствием наночастиц золота. Проведение этой реакции в присутствии сибунита (как окисленного, так и неокисленного), не содержащего золота, приводит к протеканию нежелательной реакции декрбоксиметилирования (конверсия субстрата 20-25% ЯМР), вместо удаления N-алкильной группы.

Использование в качестве носителя для катализатора предварительно окисленного сибунита предпочтительно, так как это приводит к повышению селективности по глифосату (пример 10, таблица 2).

Синтезировать наночастицы металлического золота на поверхности сибунита можно из предварительно адсорбированных анионных или катионных комплексов Au(III), предпочтительно последнее поскольку это позволяет достигать большей селективности по глифосату (пример 11, таблица 2). Оптимальным содержанием нанесенного золота является 0.5-2.5 мас. %, снижение этого количества (менее 0.5%) приводит к уменьшению активности катализатора и селективности по глифосату (пример 9, таблица 2). Увеличение содержания золота равно или (более 2.5%) экономически не оправдано (пример 14, таблица 2). Предпочтительным соотношением [Sub]/[Cat] является от 100 до 700, поскольку использование катализатора в большем количестве по отношению к количеству субстрата не приводит к значимому увеличению конверсии и селективности (пример 16, таблица 2), а использование меньшего количества катализатора ведет к уменьшению выхода глифосата (пример 18, таблица 2). Оптимальным соотношением [Н₂О₂]/[Sub] является от 1.0 до 1.2, поскольку уменьшение этого соотношения менее 1 приводит к неполной конверсии субстрата (пример 19, таблица 2), а увеличение более 1.2 экономически нецелесообразно (пример 20, таблица 2). В качестве носителя для катализатора возможно использование сибунита с удельной поверхностью от 80 до 500 м²/г, при этом большая удельная поверхность предпочтительна, поскольку позволяет повысить селективность (пример 15, таблица 2).

Основными отличительными признаками предлагаемого способа синтеза являются:

1) проведение реакции каталитического окисления N-замещенных глифосатов пероксидом водорода в двухфазной системе «водная фаза - твердый катализатор», где N-замещенный глифосат и пероксид водорода находятся в водной фазе, а катализатор в твердой фазе. Это позволяет отделять продукт от катализатора методом декантации, и избежать использования трехфазной системы «жидкая фаза-твердый катализатор-газообразный кислород», предложенной в прототипе;

2) использование в качестве субстратов N-изопропил-N-(фосфонометил)-глицина, N-пропил-N-(фосфонометил)-глицина, N-бeнзил-N-(фocфoнoмeтил)-глицинa или N-метил-N-(фосфонометил)-глицина;

3) использование катализатора в малых концентрациях [Sub]/[Cat]=100-700 положительно влияет на экономические показатели процесса;

4) использование разбавленных растворов пероксида водорода (5-35%) повышает безопасность процесса;

5) образование в качестве побочных продуктов соответствующих карбонильных соединений: ацетона, прпаналя, бензальдегида и формальдегида, использующихся в синтезе N-замещенных алкилглифосатов, позволяет улучшить экологические показатели синтеза;

6) проведение реакции окисления при минимальном избытке окислителя по отношению к субстрату [Н₂О₂]/[Sub]=1.1-1.2.