CC BY
152
УДК 547.652
Е. С. Ильичева, Э. Р. Миннахметова, Р. И. Сафина, А. С. Крайнов
ОСНОВНЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ 5-ОКСИ-1,4-НАФТОХИНОНА (ЮГЛОНА) -АНТИБАКТЕРИАЛЬНОГО ПРЕПАРАТА ШИРОКОГО СПЕКТРА ДЕЙСТВИЯ
Ключевые слова: 5-окси-1,4 нафтохинон, Юглон, фунгицидные добавки.
Рассмотрены основные способы получения 5-окси-1,4-нафтохинона (Юглона). Продемонстрировано влияние различных факторов на выход и чистоту синтезированного Юглона.
Keywords: 5-hydroxy-1,4-naphthoquinone, juglone, fungicides additives.
The main methods of preparing 5-hydroxy-1,4-naphthoquinone (juglone)was investigated. The influence of various factors on the yield and purity of the synthesized juglone was demonstrated.
Введение
Химический состав Юглона - 5-окси-1,4-нафтохинон. Он представляет собой кристаллическое вещество желто-коричневого цвета с Тпл = 154 0С [1].
Являясь природным антибиотиком, он обладает противогрибковым, антибактериальным действием и имеет укрепляющее и общетонизирующее свойства. Не обладая раздражающим и аллергизирующим действием, он проникает в глубокие слои кожи, способствуя более быстрому излечению [2]. Юглон является универсальным средством для борьбы со многими болезнями широкого спектра действия [2, 3, 4, 5].
Он широко применяется в строительстве в качестве фунгицидной добавки для обработки строительных материалов и используется для обработки помещений с целью подавления очагов заражения микроорганизмами [6, 7].
Юглон впервые был получен в 1856 году Vogel и Reischauer при переработке свежей кожуры плодов грецкого ореха [3, 4].
H.W. Ruelius и A. Gauche установили, что Юглон содержится в различных органах грецкого ореха в восстановленной форме в составе 5-ß-D-глюкозида 1,4,5-триоксинафталина (а-гидроюглона) [3, 8]. Наряду с а-гидроюглоном F.Mylius получил из кожуры грецкого ореха некоторое количество ß-гидроюглона (5 -окси-1,4-дикето-1,2,3,4-
тетрагидронафталина) [3]. При этом из кожуры снятой с 500 - 700 кг орехов получается всего лишь 100 г Юглона.
Описанные в литературе методы синтетического получения Юглона A. Bernthsen'a и A. Semper'a, R. W. Willstatter'a и A. S. Wheeler'a оказались непригодными для целей промышленного производства, ввиду незначительного выхода целевого продукта, а также громоздкости и кропотливости в получении, ввиду необходимости применения многих химикатов.
Поэтому обзор рациональных способов получения Юглона, как с точки зрения выхода целевого продукта, так и технологичности его получения является актуальной задачей.
Экспериментальная часть
В книге Жунгиету Г.И под названием «Юглон и родственные 1,4-нафтохиноны» [9] описана разработка способа синтеза Юглона, который оказался простым и рентабельным в осуществлении в промышленных условиях. Отличием этого способа от других является исключение стадии получения в свободном виде промежуточного продукта 1,5-диоксинафталина, что обеспечивает увеличение выхода конечного продукта.
Согласно его методике, продукт щелочного плавления динатриевой соли 1,5-
нафталиндисульфокислоты обрабатывается серной кислотой и подвергается в сыром виде окислению хромовой смесью, в присутствии образующейся глауберовой соли. Реакция протекает по схеме:
SOjNa
SÖjNa
(не выделяется в свободном виде)
Получившийся продукт экстрагируют бензином. С целью исключения применения бензина для очистки продукта возможно применение возгонки - для этого через слой полупродукта пропускают под небольшим избыточным давлением (0,3 - 0,8 атм.) горячий сжатый воздух (Т= 200 -220°С). При этом Юглон возгоняется, а его пары уводятся с воздухом. Стоит отметить, что в данном случае Юглон получается значительно чище, чем при экстракции бензином, а выход увеличивается практически в два раза.
Жунгиету Г. И. предлагал следующий технологический процесс получения Юглона: в стальной (щелочеупорный) или медный котел
O
OH
O
O
помещают распиленную на небольшие куски каустическую соду (5,0 кг), нагревают до плавления с применением огневого или электрообогрева (200 -300°С), после чего вносят порциями 2,5 кг динатриевой соли 1,5-нафталиндисульфокислоты, паста которой содержит в среднем 72% соли. Смесь размешивают, нагревая ее до 310 - 340°С в течение 20 - 30 минут. Цвет готового плава - серый с фиолетовым оттенком. Плав выгружают на чугунный противень и измельчают в горячем виде.
При применении автоклава (с якорной мешалкой, Т=250 - 255°С, давление до 70 атм) обогрев производится во вращающихся электропечах. В этом случае выход промежуточного продукта (1,5-диоксинафталина) увеличивается вдвое.
Полученный плав забрасывают порциями в кислотоупорный реактор с раствором серной кислоты (уд. вес 1,18). Сернистый газ улавливается в скруббере или в ловушке.
Перед забрасыванием плава в реактор наливают воду (25 л) и концентрированную серную кислоту (6,5л). Образующуюся массу светло-серого цвета, содержащую 1,5-диоксинафталин, оставляют до следующего дня. Смесь содержит крупные прозрачные кристаллы №2804*10Н20.
Для проведения окисления применяют кислотоупорный реактор, в который предварительно наливают раствор 3,6 кг измельченного натриевого хромпика в 32 л воды, прибавляют 2,8 л концентрированной серной кислоты и, по охлаждении разогревшегося раствора вводят смесь диоксинафталина с глауберовой солью, полученную ранее при разложении щелочного плава. Образуется густая масса фиолетово-коричневого цвета, которую оставляют на 2 - 3 часа. Образовавшийся густой осадок отфильтровывают и промывают водой для удаления избытка серной кислоты до получения бесцветных промывных вод.
Светло-коричневый осадок полупродукта, содержащий 5-окси-1,4-нафтохинон, высушивается в вентилируемых сушильных шкафах при температуре, не превышающей 40°С, т.к. Юглон обладает способностью сублимироваться. Высушенный полупродукт измельчают на шаровой мельнице (под тягой) и экстрагируют бензином, либо возгоняют в вакуум-сублиматоре. Экстракты отфильтровываются, а выкристаллизовывающиеся оранжево-красные
кристаллы Юглона высушивают при невысокой температуре (30-40°С). Выход составляет 225 - 240 г (17-18%) (табл.1) или в пересчете на 100 г 100 % динатриевой соли дисульфонафталина 12,5 (13,3) г Юглона [9].
В литературе имеются данные [9], что выход Юглона можно повысить, если окисление проводить с помощью раствора нитрозодисульфоната калия (солью Фреми). Эта реакция имеет преимущество, т.к. протекает быстро и эффективно в очень мягких условиях. Ее недостатком является то, что соль Фреми готовится заранее, работать необходимо в водной среде и данная реакция не подходит для синтеза крупных количеств.
Таблица 1 - Наименование реакций окисления оксипроизводных нафталина и выход Юглона
Соль Фреми готовится следующим образом: раствор нитрита натрия смешивают с 5 н. раствором бисульфита калия при пониженной температуре, добавляют ледяную уксусную кислоту, концентрированный раствор аммиака и перманганат калия. Выпавший осадок двуокиси марганца отфильтровывают, а к фильтрату добавляют уксусную кислоту до рН 6 -7 и дигидрофосфат калия.
К полученному таким образом раствору нитрозодисульфоната калия приливают щелочной растовор 1,5-диоксинафталина. Выпавший при этом осадок представляет собой смесь, содержащую до 53 % Юглона (табл. 1). В качестве побочного продукта образуется 5-окси-1,2-нафтохинон с выходом 30,5%.
Таким образом, при окислении а-нафтола солью Фреми образуется не один 1,4-нафтохинон, а его смесь с 1,2 - нафтохиноном. Стоит отметить, что содержание -орто хинона в смеси увеличивается одновременно с увеличением объема заместителя у С5 исходного нафтола. Так при окислении 5-метоксинафтола-1 получают 91,6% -орто хинона и следы п-хинона, а в случае 5-фенил- и 5-изопропилнафтола-1 производное п-хинона вообще не образуется.
Авторами работы [10], был описан способ получения 5-окси-1,4-нафтохинона (Юглона), применяемого в качестве консервантов фруктовых вод и соков. Целью изобретения также являлось повышение выхода целевого продукта и упрощение процесса, за счет использования образующейся в процессе реакции надуксусной кислоты (т.е. без ее выделения) и сокращении времени процесса с 6 часов до 1-4 часов.
Наименование реакции Выход Юглона,%
Окисление 1,5-диоксинафталина хромовой смесью (№2Сг207) в присутствии серной кислоты (Н28О4) и глауберовой соли (№2804*10Н20) 17 - 18
Окисление а-нафтола солью Фреми (нитрозодисульфонатом калия -Ш(БО3КЬ 53
Окисление 1,5-диоксинафталина надуксусной кислотой (С2Н40з) 74 - 84
Окислением 1,5-диоксинафталина водной 2 - 6%-ой перекисью водорода (Н2О2) 77 - 83
Фотоокисление 1,5-диоксинафталина кислородом 95 - 98
Окисление 1,5-диоксинафталин проводили надуксусной кислотой. Для этого сначала уксусный ангидрид смешивали с 30-90% перекисью водорода в объемном соотношении (0,3 - 4):1, выдерживали полученную смесь от 8 до 45 суток, а затем добавили 1,5-диоксинафталина при молярном соотношении 17,7
- 71:1 в присутствии катализатора диэтиламинометилзамещенного фталоцианина титанила общей формулы [(С2Н5)2МСН2]пРс.ТЮ, где Рс
- остаток фталоцианина, п=2-8
Экстракцию целевого продукта осуществляют С5-С8-углеводородом при 15-50 °С около 1 - 4 часов. Выход продукта составил 74 - 84% (табл. 1).
В работе [11] авторы описывают получение Юглона окислением 1,5-диоксинафталина (С10Н802) водной 2 - 6%-ой перекисью водорода в присутствии катализатора в диэтиловом эфире. В качестве катализатора используют смесь вольфрамата натрия (№^04-2Н20) и цетилтриметиламмонийбромида (С19Н42БгМ) в присутствии фосфорной кислоты (Н3РО4) при массовом соотношении №^04-2Н20 : Н3РО4 : С19Н42БгМ : С10Н802 1,3 - 5,2 : 0,7 - 2,6 : 08 -3:0 : 1. Целью работы являлось также повышение выхода целевого продукта.
Технология получения проводилась следующим образом: в стеклянный реактор емкостью 500 мл, снабженный мешалкой, помещают №^04-2Н20 (1,55 г), 6%-ный водный раствор Н2О2 (58 мл), 40%-ный раствор Н3РО4 (2 мл). Затем добавляют 200 мл диэтилового эфира и цетилтриметиламмонийбромида (ЦТМАБ) (0,9 г). При тщательном перемешивании в систему вводят 1,5-дигидроксинафталин порциями по 0,2 г. Вторую порцию добавляют через 10 минут, а третью через 25 минут после начала реакции (общее время реакции 45 минут). После проведения реакции органическую фазу отделяют от водной, промывают водой, отгоняют растворитель, а сухой остаток подвергают возгонке. Чистота Юглона при этом составляет 99%, выход продукта - 77 - 83% (табл. 1) [11].
В патенте [12] описан способ получения Юглона фотоокислением 1,5-диоксинафталина кислородом при облучении светом видимого диапазона в алифатическом полярном растворителе (бензине) с производным азапрофина (сенсибилизатор, С=1х10-5-1*10-4 моль/л), Данный способ получения позволяет увеличить выход Юглона до 95 - 98% (табл. 1) и упростить процесс за счет уменьшения катализатора и расхода растворителя.
Сенсибилизатор имеет структуру:
R24 N ,R1
для M=HH: R1R2= R-5= -C4H9;
где R3=Br, R4=H,
-r4
для M=Zn: R1=H, R2= -C4H9 и R1R2 где R4, R5=H, R3=PhSO2, PhS, PhO; R3, R5=H, R4= -C4H9 ,PhSO2, PhS; R4=H, R5= -C4H9 , R3=PhSO2, Br; для M=Mg: R1=H, R2= -C4H9
Авторы предлагают технологию получения, которая описывается следующим образом: в реакционный цилиндрический сосуд, диаметр которого составляет 3-4 см, с охлаждающей рубашкой помещают 0,8 г 1,5-диоксинафталина растворенного в 50 мл ацетонитрила (С=0,1 моль/л) и 0,0037 г. сенсибилизатора. Раствор продувают кислородом (скорость продувки - 5 л/ч) и облучают видимым светом (две вольфрамовые лампы по 300 Вт каждая) при комнатной температуре в течение 9 часов. По окончанию реакции растворитель упаривают на 90% под вакуумом, а Юглон экстрагируют гексаном, бензином «калоша», или петролейным эфиром (две экстракции по 300 мл) с последующим удалением экстрагента в вакууме. После сушки при 60-70°С получают 0,68 г Юглона, выход 78%. Чистота продукта, определенная по коэффициенту экстинкции в максимуме полосы поглощения 97 - 99% [12].
Стоит отметить, что данный способ получения Юглона воспроизводится и при больших абсолютных загрузках исходного 1,5-диоксинафталина [12].
Выводы
Таким образом, рассмотрены основные способы получения 5-окси-1,4-нафтохинона путем окисления оксипроизводных нафталина. Установлено, что наибольший выход продукта (95 -98%) достигается фотоокислением 1,5-диоксинафталина кислородом при облучении светом видимого диапазона в алифатическом полярном растворителе в присутствии производного азапорфина. Показано, что данный способ позволяет упростить процесс получения Юглона за счет уменьшения катализатора и расхода растворителя.
Литература
[1] Л. Физер, М. Физер, Органическая химия. Углубленный курс. Т. 2. Химия, Москва, 1966. С. 426.
[2] В.В. Племенков, Введение в химию природных соединений. Казань, 2001. 376 с.
[3] Н. Доналдсон, Химия и технология соединений нафталинового ряда. Государственное научно-техническое издательство химической литературы, Москва, 1963. С. 456.
[4] R. Vogel, С. Reischauer, Buchner Neues Repert. FürPharm., 1856. 106 p.
[5] Р.Б. Винницкая, А.С. Крвавич, Р.Т. Конечная, Б.Я. Литвин, Н.Е. Стадницкая, Н.Г. Маринцова, В.П. Новиков, Проблемы экологической и медицинской генетики и клинической иммунологии, 1(115), 170-174 (2013)
[6] В.П. Герасименя, К.З. Гумаргалиева, С.В. Захаров, М.А. Клыков, И.Г. Калинина, С.А. Семенов, Д.Р.
r
r
Хузаханова, Г.Е. Заиков, Вестник Казанского технологического университета, 16, 17, 185-190 (2013)
[7] I.G. Kalinina, K.Z. Gumargalieva, V.P. Gerasimenya, S.V. Zakharov, M.A. Klyikov, S.A. Semenov, G.E. Zaikov, Вестник Казанского технологического университета, 17, 1, 134-139(2014)
[8] H.W. Ruelius, A. Gauhe, Justus Liebigs Ann. Chem., 569, 38, (1950).
[9] Г.И. Жунгиету, Л.А. Влад, Юглон и родственные 1,4-нафтохиноны. Штинца, Кишенев, 1978. 95 с.
[10] Авт. свид. СССР 1559655 (1987)
[11] Авт. свид. СССР 1559650 (1987)
[12] Авт. свид. СССР 1559649 (1987)
© Е. С. Ильичева - канд. тех. наук, асс. каф. технологического оборудования медицинской и легкой промышленности КНИТУ, [email protected]; Э. Р. Миннахметова - магистр той же кафедры; Р. И. Сафина - магистр той же кафедры, [email protected]; А. С. Крайнов - магистр той же кафедры
© E. S. Ilicheva, candidate of technical sciences Department Technological equipment of medical and light industry, KNRTU, [email protected]; E. R. Minnahmetova, Master in the same department; R. I. Safina, Master in the same department, [email protected]; A. S. Kraynov, Master in the same department.
