Озонування 4-амінотолуолу як новий метод синтезу 4-амінобензальдегіду – напівпродукту для одержання протитуберкульозних засобів

Abstract

Солютизон – оригінальний протитуберкульозний препарат, ефективний при стійкості мікобактерій до інших протитуберкульозних засобів, який одержують взаємодією тіосемікарбазону, 4-мінобензальдегіду й оксиметиленсульфонату натрію. 4-Амінобензальдегід синтезують шляхом окиснювально-відновного перетворення 4-нітротолуолу за наявності натрій полісульфіду. Реакцію проводять у спирті, що кипить, а 4-амінобензальдегід відділяють після перегонки з парою з виходом 40-50 %. Нині цей метод втрачає промислову значущість, оскільки має низку недоліків: низький вихід продукту, висока температура реакції (80-120 °C), утворення сірковмісних стічних вод. Тому актуальним завданням є розроблення низькотемпературних, екологічно чистих методів одержання 4-амінобензальдегіду. Мета роботи – вивчити кінетичні особливості та механізм рідиннофазної реакції озону з 4-амінотолуолом для створення нового низькотемпературного, екологічно чистого методу синтезу 4-амінобензальдегіду. Для дослідів застосовували оцтовий ангідрид фірми «Sigma» кваліфікації «х. ч.». 4-Амінотолуол фірми «Сінбіас» – кваліфікації «х. ч.»; використали хроматографічно чисті 4-ацетамідотолуол та його похідні. Ацетати та броміди металів – кваліфікації «х. ч.»; калій бромід кваліфікації «фармакопейний» використовували без додаткового очищення. Безперервний контроль поточної концентрації озону та запис результатів як кінетичної кривої здійснили під час проходження озоновмісного газу через кювету спектрофотометра «СФ-46 ЛОМО» за певної довжини хвилі монохроматичного джерела світла. Результати аналізу фіксували, застосовуючи потенціометр КСП-4, що включений у схему відліку оптичної щільності спектрофотометра. Цей прилад здійснював автоматичну компенсацію фототоку із записом його величини. Шкала потенціометра відградуйована в одиницях оптичної густини, а перерахунок в абсолютну концентрацію озону в газовій суміші здійснили за рівнянням Ламберта-Бера, використавши коефіцієнти молярної екстинкції. Відносна похибка аналізу – 5-7 %. При довжині оптичного ходу кювети 10 ÷100 мм чутливість спектрофотометра становила ~10-7 моль•л-1 озону. Вивчили кінетичні особливості та механізм рідиннофазної реакції озону з 4-амінотолуолом. Показано, що розроблена каталітична система Mn(ІІ)-KBr-H2SO4-Ас2О суттєво підвищує глибину, швидкість і селективність окиснення 4-амінотолуолу, й основний продукт реакції – 4-амінобензальдегід у вигляді відповідного бензилідендіацетату з виходом 69,5 %. Активна частка, що відповідає за включення субстрату до окиснення за метильною групою за наявності манган (ІІ) ацетату і калій броміду, – манґанбромідний іон-радикал (Mn(II)Br•), який є активнішим, ніж Мn (IIІ), і тому швидше ініціює окиснення за метильною групою. Розробили каталітичні системи, що дають змогу спрямовувати окиснення озоном переважно за метильною групою 4-амінотолуолу та зупиняти реакцію на різних глибинах окиснення. Виявили, що манган (ІІ) ацетат, який має відносно низький редокс-потенціал, у системі Ас2O-ArCH3-H2SO4-O3 при температурі 20 °C характеризується високою субстратною селективністю в реакціях утворення 4-амінобензилового спирту. Манган (ІІ) ацетат за наявності калій броміду утворює манґанбромідний комплекс із підвищеною каталітичною активністю, який за тих же умов сприяє переважному одержанню 4-амінобензальдегіду.

Solutizon is an original anti-TB drug that is effective in resisting mycobacteria to other anti-TB drugs, which is obtained by the interaction of thiosemicarbazone 4-aminobenzaldehyde and sodium oxymethylene sulfonate. 4-Aminobenzaldehyde is synthesized by redox conversion of 4-nitrotoluene in the presence of sodium polysulfide. The reaction is carried out in boiling alcohol, and 4-aminobenzaldehyde is separated after steam distillation with a yield of 40-50 %. However, today this method loses its practical, environmental and economic attractiveness, as it has significant disadvantages – low product yield, high reaction temperature (80-120 °C), the formation of sulfur-containing wastewater. Therefore, the development of low-temperature, environmentally friendly methods for obtaining 4-aminobenzaldehyde is an urgent task. The aim of the work is to study the kinetic features and mechanism of the liquid-phase reaction of ozone with 4-aminotoluene to create a new low-temperature, environmentally friendly method for the synthesis of 4-aminobenzaldehyde. Sigma acetic anhydride of ch.p. qualification was used for the experiments. 4-Aminotoluene company “Sinbias” qualification “ch.p."; 4-Acetamidotoluene and its derivatives were used chromatographically pure. Acetates of metals of qualification “ch.p.”, potassium bromide of qualification “pharmacopoeial” were used without additional purification. Continuous control of the current ozone concentration and recording the results in the form of a kinetic curve was carried out when passing ozone-containing gas through the container of the spectrophotometer !,SF-46 LOMO” at a certain wavelength of a monochromatic light source. The results of the analysis were recorded using the KSP-4 potentiometer included in the spectrophotometer optical density reference circuit. This device automatically compensated the photocurrent by recording its value. The scale KSP-4 was calibrated in units of optical density, and the conversion into absolute ozone concentration was carried out according to the Lambert-Ber equation using molar extinction coefficients. Relative analysis error <5 %. At the optical stroke length of the container 10-100 mm, the sensitivity of the device was ~10-7mol•l-1 ozone. The kinetic features and mechanism of the liquid-phase reaction of ozone with 4-aminotoluene have been studied. It is shown that the developed catalytic system Mn(ll)-KBr-H2SO4-Ac2O significantly increases the depth, rate, and selectivity of oxidation of 4-aminotoluene and the main reaction product is 4-aminobenzaldehyde in the form of the corresponding benzylidenediacetate with a yield of 69.5 %. The active particle responsible for the inclusion of the substrate in the oxidation of the methyl group in the presence of manganese (II) acetate and potassium bromide is manganese bromide ion radical (Mn(ll)Br), which is more active than Mn (III) and therefore more high-speed initiates oxidation by the methyl group. Catalytic systems have been developed that allow the oxidation of ozone to be directed mainly to the methyl group of 4-aminotoluene and to stop the reaction at different oxidation depths. It was found that manganese (II) acetate, which has a relatively low redox potential, in the system Ac2O-ArCH3-H2SO4-O3 at a temperature of 20 °C has a high substrate selectivity in the reactions of formation of 4-aminobenzyl alcohol. Manganese (II) acetate in the presence of potassium bromide forms a manganese bromide complex with increased catalytic activity, which under the same conditions contributes to the predominant production of 4-aminobenzaldehyde.

Солютизон – оригинальный противотуберкулёзный препарат, эффективный при стойкости микобактерий к другим противотуберкулёзным средствам, получаемый взаимодействием тиосемикарбазона 4-аминобензальдегида и оксиметиленсульфоната натрия. 4-Аминобензальдегид синтезируют путём окислительно-восстановительного превращения 4-нитротолуола в присутствии полисульфида натрия. Реакцию проводят в кипящем спирте, а 4-аминобензальдегид отделяют после перегонки с паром с выходом 40-50 %. Сегодня этот метод теряет практическую, экологическую и экономическую значимость, поскольку имеет существенные недостатки: низкий выход продукта, высокая температура реакции (80-120 °С), образование серосодержащих сточных вод. Поэтому актуальной задачей является разработка низкотемпературных, экологически чистых методов получения 4-аминобензальдегида. Цель работы – изучить кинетические особенности и механизм жидкофазной реакции озона с 4-аминотолуолом для создания нового низкотемпературного, экологически чистого метода синтеза 4-аминобензальдегида. Для опытов применяли уксусный ангидрид фирмы «Sigma» квалификации «х. ч.» 4-аминотолуол фирмы «Синбиас» квалификации «х. ч.»; применяли хроматографически чистые 4-ацетамидотолуол и его производные. Ацетаты металлов квалификации «х. ч.»; калий бромид квалификации «фармакопейный» использовали без дополнительной очистки. Непрерывный контроль текущей концентрации озона и запись результатов в виде кинетической кривой производили при прохождении озоносодержащего газа через кювету спектрофотометра «СФ-46 J10M0» при определённой длине волны монохроматического источника света. Результаты анализа фиксировали с использованием потенциометра КСП-4, включённого в схему отсчёта оптической плотности спектрофотометра. Этот прибор осуществлял автоматическую компенсацию фототока с записью его величины. Шкала КСП-4 отградуирована в единицах оптической плотности, а перерасчёт в абсолютную концентрацию озона осуществлен по уравнению Ламберта-Бера с использованием коэффициентов молярной экстинкции. Относительная погрешность анализа – <5 %. При длине оптического хода кюветы 10 ÷100 мм чувствительность прибора составляла ~10-7 моль•л-1 озона. Изучены кинетические особенности и механизм жидкофазной реакции озона с 4-аминотолуолом. Показано, что разработанная каталитическая система Mn(ll)-KBr-H2S04-Ac20 существенно повышает глубину, скорость и селективность окисления 4-аминотолуола, и основной продукт реакции – 4-аминобензальдегид в виде соответствующего бензилидендиацетата с выходом 69,5 %. Активной частицей, которая отвечает за включение субстрата в окисление по метильной группе в присутствии манган (II) ацетата и калий бромида, является манганбромидный ион-радикал (Mn(II)Br•), который более активен, чем Mn (III), и поэтому быстрее инициирует окисление по метильной группе. Разработаны каталитические системы, позволяющие направлять окисление озоном преимущественно по метильной группе 4-аминотолуола и останавливать реакцию на разных глубинах окисления. Установлено, что манган (II) ацетат, обладающий относительно низким редокс-потенциалом, в системе Ac2О-ArCH3-H2SО4-О3 при температуре 20 °С обладает высокой субстратной селективностью в реакциях образования 4-аминобензилового спирта. Манган (II) ацетат в присутствии калия бромида образует манганбромидный комплекс с повышенной каталитической активностью, который при тех же условиях способствует преимущественному получению 4-аминобензальдегида.