CC BY
9УДК 547. 789.1.3
E.B.Aronova1, D.A.Burovik2, A.I.Ginak3
HETEROPHASE ALKYLATION OF 4-OXO-2-THIOXO-5-BENZYLIDENE-1,3-THIAZOLIDINE SODIUM SALT IN PULSATING MODE
St. Petersburg State Institute of Technology (Technical University), Moskovsky Pr., 26, St Petersburg, 190013, Russia e-mail: [email protected]
It is shown that in the reaction of gaseous methyl iodide with the crystalline sodium salt of 4-oxo-2-thioxo-5-benzylidene-1,3-thiazolidine in pulse mode diffusion inhibition of the process is eliminated, and the reaction proceeds in the kinetic regime until total conversion of the initial reagent to the desired product - 4-oxo-2-methyl-mercapto-5-benzylidene-A2 -1,3-thi-azoline. Pulse mode provides efficient mixing, heat transfer adjustment, batching and withdrawing of materials out of the reactor
Key words: pulsation mode, heat transfer, alkylation, solid phase.
Е.Б.Аронова1, Д.А.Буровик2, А.И.Гинак3
ГЕТЕРОФАЗНОЕ АЛКИЛИРОВАНИЕ НАТРИЕВОЙ СОЛИ
4-ОКСО-2-ТИОКСО-
5-БЕНЗИЛИДЕН-1,3-ТИАЗОЛИДИНА В ПУЛЬСАЦИОННОМ РЕЖИМЕ
Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет), Московский пр., 26, Санкт-Петербург, 190013, Россия e-mail: [email protected]
Показано, что при проведении реакции газообразного йодистого метила с кристаллической натриевой солью 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина в пуль-сационном режиме устраняется диффузионное торможение процесса, реакция идет в кинетической области до полного превращения субстрата в целевой продукт - 4-оксо-2-метил-меркапто-5-бензилиден-А2 -1,3-тиазо-лин. Пульсационный режим обеспечивает эффективное перемешивание, регулируемый теплообмен, дозирование и выгрузку материалов из реактора.
Ключевые слова: пульсационный режим, теплообмен, алкилирование, твердая фаза.
Управление реакционной способностью твердых веществ в системе газ-твердое является актуальной проблемой современной химии твердого тела [1], так как наряду с составом реакционной смеси, электронным строением реагентов, температурой и давлением в реакторе на скорость и направление реакции существенное влияние оказывает структура твердого вещества и доступность реакционных центров для газообразного реагента [2].
Образование на реагирующей поверхности новой кристаллической фазы целевого и побочного продуктов приводит к сокращению реагирующей поверхности и блокированию реакционных центров, вызывая диффузионное торможение процесса [3]. Для устранения этого эффекта используют различные механические приемы: интенсивное перемешивание [4], шаровые мельницы [5], специальные активаторы [6], позволяющие варьировать концентрацию дефектов и таким образом увеличивать реакционную способность твердого субстрата.
Ранее нами было показано, что для устранения из процесса стадии диффузионного торможения в систе-
ме газ-твердое можно использовать кипящий или псевдо-ожиженный слой в пульсационном режиме [7].
Пульсационное резонансное псевдоожижение позволяет создавать турбулентные движения твердых частиц в условиях резонансных колебаний слоя с подачей газа и без него [8].
Пульсационные резонансные воздействия на сыпучие материалы широко применяются в технологических процессах перемешивания (смешивания), дозирования и выгрузки из емкостей, псевдоожижения, транспортирования, смачивания, гранулирования, термохимической газовой обработки и теплообмена в слое [9]. Было показано, что наложение на порошкообразный материал пульсационных резонансных воздействий, при которых частота внешних воздействий совпадает с собственной частотой упругих колебаний газопорошковой смеси, позволяет устранить ряд негативных явлений, сопровождающих псевдоожижение, таких как образование волны порошкового слоя, пробок, лишающих подвижности порошковую среду, значительной аэрации (при скорости газа существенно
1 Аронова Екатерина Борисовна, канд. техн. наук, доцент каф. молекулярной биотехнологии СПбГТИ(ТУ). e-mail: [email protected] Aronova Ekaterina B., Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Department of Molecular biotechnology, SPbSIT(Tu). e-mail: [email protected]
2 Буровик Дмитрий Александрович, канд. хим. наук, директор «Герофарм-Био»,ул. Науки, строение 4, корп.82, г. Обнинск, Серпуховский р-н, Московская обл., e-mail: [email protected]
Burovik Dmitriy A., Ph.D. (Chem.), Head of the "Geropharm-Bio". e-mail: [email protected]
3 Гинак Анатолий Иосифович, д-р хим. наук, профессор, зав. каф. молекулярной биотехнологии СПбГТИ(ТУ), e-mail: [email protected] Ginak Anatoliy I., Dr Sci. (Chem), Professor, Head of the Department of Molecular biotechnology, SPbSIT(TU). e-mail: [email protected]
Дата поступления - 12 февраля 2015 года Received February 12, 2015
превышающей скорость витания частиц материала), пылеунос и выброс порошкового материала из зоны реакции[8, 9].
Схема установки пульсационных резонансных воздействий приведена на рисунке 1 [7]. Колебания порошковому слою передаются через газовую среду с помощью сильфона от генератора колебаний (кривошипно-ша-тунный механизм) [8].
Резонансный механизм колебаний достигается при плавном увеличении частоты внешних воздействий (до 20 Гц) (числа оборотов двигателя) с амплитудой внешних воздействий в пределах 1-7 мм. При этом обеспечивается управляемый теплообмен по всему слою порошкового материала для проведения газофазных реакций [9].
Другой отличительной особенностью является псевдоожижение порошкового слоя без газового потока. Эксперименты с различными по плотности порошками от 250 кг/м3 до 7800кг/м3 показали, что при амплитудах внешних воздействий (колебаний мембраны) в пределах от 1 мм до 5 мм приводит к резонансу слоя и его псевдоожижению, это позволяет проводить процесс при стехиомет-рическом соотношении реагентов.
Рисунок 1. Схема эспериментальной установки. 1 - направление колебаний; 2 - мембрана; 3 - штуцер для отвода газа; 4 - аппарат из термостойкого стекла; 5 - порошкообразный материал; 6 -пористая перегородка; 7 - подача газа.
Последнее обстоятельство наиболее привлекательно, так как позволяет проводить твердофазный синтез при стехиометрическом соотношении реагентов и интенсифицировать процесс в целом, устраняя диффузионную составляющую в кинетике реакции.
Для проверки возможности применения пульсационных воздействий на реакционную систему газ-твердое тело с целью исключения стадии диффузионного торможения нами были исследованы все стадии процесса от загрузки реактора до выгрузки продуктов реакции на установке объемом 4 дм3 (рисунок 1)
Перемешивание (псевдоожижение)
На первом этапе исследования изучили возможность эффективного перемешивания (псевдоожижения) твердого субстрата по всему объему реактора. В качестве субстрата была взята натриевая соль 4-ок-со-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) с насыпной плотностью 900кг/м3. Резонансный режим колебаний достигается при плавном увеличении частоты внешних
воздействий и наблюдается визуально по циркуляции кристаллов в объеме реактора.
Было предусмотрено два варианта работы установки: в режиме идеального вытеснения с подачей газа (азот) в нижний штуцер и отвода из реактора через боковой штуцер, расположенный выше уровня материала и в режиме идеального смешения без подвода газа (реактор после засыпки твердого материала герметически закрывали).
Амплитуду внешних воздействий через мембрану изменяли в пределах 1-5 мм и резонансной частоте 5 Гц. Наступление резонанса наблюдали визуально по расширению неподвижного в начале колебаний слоя сыпучего материала. При этом наблюдали конвективные токи частиц с межчастичной диффузией более мелких кристаллов, которые через 3-5 минут приводили к равномерному псевдоожижению всего слоя.
Без колебательных воздействий при скорости газа близкой к скорости начала псевдоожижения (~ 0,005м/сек) наблюдается поршнеобразование без перемешивания, тогда как при резонансных колебаниях эффект псевдоожижения наблюдается при скоростях газа, значительно меньших скорости начала псевдоожижения.
При проведении твердофазного синтеза большой проблемой является загрузка исходного сыпучего материала (особенно дозирование) и выгрузка твердого продукта реакции. Поэтому на втором этапе исследований изучили возможность разработки технологически приемлемых методов дозировки сыпучего исходного материала в реактор и разгрузки реактора.
Поскольку при возбуждении упругих колебаний в порошковом материале возникает эффект псевдоожижения, способствующий истечению твердых частиц через отверстия малого диаметра, превышающего максимальный размер частиц лишь в 5-10 раз [8], нами изучен процесс истечения (дозировки) кристаллов натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) через отверстие в донной части аппарата диаметром 3-10мм. Для этого из аппарата вынимали пористую перегородку, а в нижний штуцер вставляли пробки с отверстиями (310мм) и наружным патрубком длинной 20 мм.
Дозирование и выгрузку материалов изучали на следующих реакционных смесях:
1) исходной натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина;
2) тройной смеси: натриевой соли 4-оксо-2-тиок-со-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1), йодистого натрия,
4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолина в соотношении (2) 1:1:1;
3) двойной смеси: 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолина (1), йодистого натрия в соотношении 1:1.
Во всех опытах истечение материала было стабильным в диапазоне частот 4-20 Гц, как в режиме истечения (выгрузки аппарата), так и в режиме загрузки исходным материалом независимо от объема реактора.
Теплообмен
Для увеличения скорости процесса реакции нук-леофильного замещения проводят при максимально высоких температурах, верхний предел которых ограничен температурой кипения используемого растворителя, он же является теплоносителем, обеспечивающим равномерный подвод (отвод) тепла реакционной массе.
Поскольку в твердофазном синтезе отсутствует жидкий теплоноситель, теплообмен будет осуществляться паро-газовой смесью газа-носителя (разбавителя) и паров реагента. Поэтому было целесообразно изучить условия теплообмена. В качестве модельной реакции была взята реакция метилирования натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-
5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) парами йодистого метила в эквимолекулярном соотношении. В реактор загрузили 7,4 моля натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-
1,3-тиазолидина. В качестве газа использовали азот. После загрузки аппарата твердым субстратом подавали азот и включали частотный генератор. При достижении псевдоожижения слоя включали электрообогрев и повышали температуру в реакторе до 150 °С, наблюдая за ходом процесса теплообмена в реакторе, заполненном субстратом, в проточном и стационарном режиме. Контроль температуры осуществляли подвижной термопарой в трех позициях:
1) у дна аппарата;
2)в средней части;
3) на границе газовой и твердой фаз.
Результаты приведены в таблице 1.
Таблица 1. Изменение температуры псевдоожиженного слоя в контрольных точках (объем аппарата 4 дм3)
Т °С (в точках замера)
1 2 3
5 37 45 55
10 45 70 120
15 100 120 120
20 110 120 120
25 120 120 120
30 150 150 150
35
40
45 Т = C0nst Т = C0nst Т = const
50
60
Как видно из приведенных данных, в объеме реактора наблюдается монотонное возрастание температуры в контрольных точках, и на 30 минуте температура в зоне реакции и в газовой фазе становится постоянной. Визуальное наблюдение за теплообменом в пульсационном режиме и ТСХ анализ субстрата в течение 4-х часов показали, что срыва кипящего слоя и термодеструкции натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) не наблюдается. Тогда как известно [11], что нагревание солей 4-оксо-2-тиоксо-1,3-тиазолидинов выше 50 °С в растворах приводит к их деструкции. Поэтому синтезы на их основе рекомендуют вести в малополярных безводных растворителях при температуре не выше 50 °С [11]. Это позволяет сделать заключение о возможности приемлемого терморегулирования процесса в пульсационном режиме. Проверка сделанного заключения выполнена на данной установке: не останавливая пульсационного режима терморегулирования температуру реактора понизили до 120 °С, объем реактора вакуумировали до остаточного давления 4-104 Па и дозированно подали 7,7 моля йодистого метила, нагревая дозатор с реагентом до 40-45 °С и поддерживая давление в системе 1-105 Па (736 мм рт. ст.) (рисунок 2).
Визуальное наблюдение за ходом процесса показало, что до полного завершения реакции при выбранных условиях в реакционной зоне отсутствовали застойные зоны и перегрев реакционной смеси. ТСХ анализ продуктов в ходе реакции показал исходную натриевую соль 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) и 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолин (2) без образования побочных продуктов. После завершения реакции с количественным выходом получается 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолин (2).
В твердофазном синтезе размер и форма кристалла могут существенно влиять на скорость и направление реакции [3, 4]. Поэтому нами исследовано влияние
удельной поверхности и размера кристалла натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина на реакцию метилирования йодистым метилом. Было изучено 4 фракции кристаллов соли с различной удельной поверхностью и размером, полученных дробной кристаллизацией субстрата и разделением на ситах лабораторных 0,04-5,00 мм ГОСТ 6613-86. Схема экспериментальной
установки приведена на рисунке 2.
©
\|/
/17—СхН=
{X}-
1
ч
{X-
->
-©
{ХЬ<
Рисунок 2. Схема экспериментально установки реакции метилирования настриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолина в пульсационном режиме. 1 - реактор; 2 - дозатор
йодистого метила, 3 - вакуум-насос РВН-20М; 4 - вакууметр ПМТ-6-3М-1; 5 - хроматограф; 6 - термопара; 7 - пробоотборник.
Результаты кинетических исследований представлены в таблице 2.
Таблица 2. Значения максимума скорости и удельных скоростей реакции паров йодистого метила с кристаллами натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина при Т=293К и эквимолекулярном соотношении реагентов
Буд., м2/г 0,50 0,30 0,15 0,10
Wmax•105, моль/с 41 24,5 12,0 7,3
Wуд•103, моль/м2-с 50,2 51 51,0 50,8
Влияние размеров кристаллов натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина на скорость реакции представлено в таблице 2. Из данных таблицы 2 следует, что с увеличением удельной поверхности скорость реакции возрастает, и механизм реакции не является анизотропным [3]. Тогда как значение удельной скорости реакции, рассчитанное для Sуд в диапазоне 0,10-0,50 м2 постоянно и не зависит от размера кристалла, тем самым подтверждая, что реакция идет на одной из граней, и, следовательно, увеличение скорости реакции будет зависеть от концентрации паров реагента, т.е. от повышения давления в реакторе. Величина размера кристалла не оказывает влияния на теплообмен и аэродинамические характеристики процесса.
Таким образом, применение резонансного пульсационного режима в системе газ-твердое тело в реакции натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиа-золидина устраняет диффузионное торможение процесса продуктом реакции, позволяет регулировать процесс и регулировать скорость температурой и удельной поверхностью твердого субстрата.
Экспериментальная часть
Натриевую соль 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) получали по методике [10], 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолин (2) получали по методике [11].
Метилирование натриевой соли и 4-оксо-2-тиок-со-5-бензилиден-1,3-тиазолидина в пульсационном режиме.
т, мин
Реактор объемом 4,0 дм3 загружали на 2/3 объема (7,4 моля) натриевой солью 4-оксо-2-тиоксо-5-бензи-лиден-1,3-тиазолидина (1) плотностью 900 кг/м3. Разогревали до температуры 120 °С при работающем частотном генераторе (амплитуда внешних воздействий 1-5 мм, резонансная частота 5 Гц), вакуумировали до 4-104 Па остаточного давления и дозированно подавали 1,1 эквивалента (7,7 моля) паров йодистого метила, поддерживая давление в системе 1405 Па. Контроль окончания процесса осуществляли методом ТСХ анализа реакционной массы через пробоотборник в крышке аппарата [12]. По окончанию реакции на хроматограмме обнаруживается, только одно вещество - 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензи-лиден-Д2-1,3-тиазолин (2). Хроматография реакционной смеси описана ниже.
Определение максимума скорости и удельных скоростей реакции метилирования натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина
Кинетические измерения скоростей реакции метилирования натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензили-ден-1,3-тиазолидина (1) проводили на 4 фракциях кристаллов солей с удельной поверхностью 0,10 м2, 0,15 м2, 0,30 м2, 0,50 м2, полученных дробной кристаллизацией натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (Тпл 241 °С) из этанола. В насыщенный раствор натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) в этаноле в количестве 1 л, охлажденный до 20 °С помещали кристалл натриевой соли и медленно приливали 1 л диэтилового эфира, перемешивая раствор на лабораторной качалке 15 мин, далее раствор охлаждали до 0 °С и оставляли при этой температуре на 24 ч. Выпавшие кристаллы отфильтровывали, высушивали до постоянного веса и фракционировали по размерам кристаллов на сите лабораторном 0,04 - 5,00 мм ГОСТ 6613-86, отбирая фракции с Sуд = 0,10, 0,15, 0,30, 0,50 м2. Удельную поверхность фракций кристаллов определяли методом мономолекулярной адсорбции азота [13].
Определение максимальных скоростей реакции метилирования натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензи-лиден-1,3-тиазолидина (1) выполняли на установке с объёмом реактора 100 мл (рисунок 2) с амплитудой внешних воздействий 1 мм и резонансной частоте 5 Гц при температуре 120 °С. В реактор загружали 45 г (0,185 моль) натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазо-лидина (1), включали резонатор и поднимали температуру до 120 °С. После вакуумирования до 4-104 Па подавали йодистый метил из дозатора при температуре водяной бани дозатора 40-45 °С, барботируя азот через капилляр дозатора и поддерживая давление в системе 1405 Па.
Скорость реакции определяли по убыли ме-тилйодида, концентрацию которого определяли методом ГЖХ (<^апоп асгедгар|| 2100», детектор - ионизационно пламенный, стеклянная колонка 3м х 3мм, заполненная фазой Silipor 300 ^С), газ-носитель - Не (расход 30 мл/ мин), температура колонки 130 °С. В качестве эталона сравнения использовали гептан, добавленный к реакционной смеси в количестве 140-3 моль. Скорость реакции определяли с погрешностью ± 10 % [7].
Удельные скорости реакции (отнесенные к единице поверхности раздела твердых фаз реагента и продукта) были определены по формулам:
К>0) =
Ká(2) =
2 qnn
(1)
(2)
KgSgt max
гдеSg и g - удельная поверхность и навеска исходного твердого продукта; n - количество прореагировавшего твердого реагента; индекс max относится к максимуму скорости реакции. Результаты приведены в таблице 2.
Хроматография реакционных смесей
1. Хроматография натриевой соли 4-оксо-2-тиок-со-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) выполнена на нейтральном оксиде алюминия (II степень активности по Бро-кману) [12] на стеклянных пластинах размером 20x20 см с толщиной слоя адсорбента 0,1 мм с использованием в качестве элюента безводной системы растворителей - аце-тонитрил : гексан - 2 : 1. В качестве свидетеля примеси использовали 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазоли-дин (1), синтезированный по методу [14]. Хроматограмму проявляли на хроматоскопе 254 при длине волны облучения 254 нм. На хроматограмме обнаружено 2 пятна:
натриевая соль 4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидина (1) Rf = 0,0
4-оксо-2-тиоксо-5-бензилиден-1,3-тиазолидин (2)
Rf = 0,3
2. Хроматография реакционной смеси реакции метилирования натриевой соли 4-оксо-2-тиоксо-5-бен-зилиден-1,3-тиазолидина выполнена на оксиде алюминия (II степень активности по Брокману), обработанном 5 %-ным водным раствором борной кислоты по методике [15] с отмывкой адсорбента до нейтральной реакции на стеклянных пластинах размером 20x20 см с толщиной слоя адсорбента 0,1 мм с использованием в качестве элюента безводные системы растворителей - ацетон : гексан : уксусная кислота - 2 : 3 : 0,01.
Натриевая соль 4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолин Rf = 0,1.
4-оксо-2-метилмеркапто-5-бензилиден-Д2-1,3-тиазолин Rf = 0,3.
Литература
1. Boldyrev V.V. Reactivity of solids // J. of thermal analysis. 1993. V. 40. P. 1041-1062.
2. Gerd Kaupp. Solid-state molecular synthesis: complete reactions without auxiliaries based on the new solidstate mechanism // Cryst. Eng. Comm. 2003. V. 5(23). P. 117-133.
3. Злобин В.А., Косолапов В.Т., Розовский А.Я. Кинетика топохимической реакции бензоилхлорида с азидом натрия // Кинетика и катализ. 1983. Т. ХХ1У Вып. 5. С. 1061-1064.
4. Злобин В.А., Тарасов А.К. Кинетика гетерогенной реакции метазамещенных бензоилхлоридов с азидом натрия в ортоксилоле // Кинетика и катализ. 1985. Т. XXVI. Вып. 3. С. 737-740.
5. Paul J.C., Curtin D.Y. Reactions of organic solids // Science. 1975. V. 187. N. 4171. P. 19-26.
6. Болдырев В.В, Ляхов Н.З., Чупахин А.П. Химия твердого тела М.: Знание. 1982. С. 63
7. Аронова Е.Б., Буровик Д.А., Кузнецова Н.Н., Ги-нак А.И. Пульсационные резонансные воздействия в твердофазных реакциях 4-оксо-2-тиоксо-1, 3-тиазолидинов // Известия ВолГТУ. 2010. Т. 2. № 7. С. 78-81.
8. Островский Г.М. Пневматический транспорт сыпучих материалов в химической промышленности. Л.: Химия. 1984. 116 с.
9. Аксенова Е.Г. Перспективы применения резонансных воздействий в технологических процессах с порошкообразными средами // Химическая промышленность. 2004. Т. 81. № 8. С. 381-393.
10. ВьюновК.А., ГинакА.И., СочилинЕ.Т. Синтез солей роданина // Химия гетероцикл. соединений. 1971. С. 858-859.
11. Вьюнов К.А., Бармина В.В, Гинак А.И. Синтез 2-алкил роданинов // Химия гетероцикл. соединений. 1971. С. 189-191.
12. Вьюнов К.А., ГинакА.И., ВолковаА.А. Тонкослойная хроматография роданинов // Журн. прикл. химии. 1971. Т. 44. С. 2123-2124.
13. Андерсон Р. Экспериментальные методы исследования катализа. М.: Мир, 1972. 480 с.
14. Brown F.C. 4- Thiazolidinones // Chem. Rev. 1961. V. 61. P. 454-521.
15. Шталь Э. Хроматография в тонких слоях. М.: И.Л. 1965. 509 с.
