Новий метод синтезу 4-нітробензойної кислоти – напівпродукту для виробництва прокаїну

Abstract

Прокаїн – один із найстаріших місцевих анестетиків, який використовують у медицині. При всмоктуванні та надходженні в системний кровообіг знижує збудливість периферичних холінореактивних систем. Виявляє блокувальну дію на вегетативні ганглії, зменшує спазм гладких м’язів, знижує збудливість міокарда та моторних зон кори головного мозку. Його синтезують шляхом окиснення 4-нітротолуолу до 4-нітробензойної кислоти, що надалі реагує з тіонілхлоридом; одержаний хлорид кислоти етерифікують 2-діетиламіноетанолом, отримують нітрокаїн. Нітрогрупу відновлюють гідруванням над нікелевим каталізатором Ренея. Стадія окиснення характеризується утворенням токсичних стічних вод, що складно утилізувати, дорогими мінеральними окисниками або високими температурами, надлишковим тиском у разі використання як окисника кисню повітря. Тому актуальним є пошук нових екологічно чистих і низькотемпературних методів отримання 4-нітробензойної кислоти. Мета роботи – дослідити продукти, умови та вивчити кінетику реакції озону з 4-нітротолуолом у розчині оцтової кислоти для розроблення нового методу синтезу 4-нітробензойної кислоти. Льодяну оцтову кислоту кваліфікації «Ч. Д. А.» перед використанням очищували перегонкою під вакуумом за наявності перманганату калію. Солі металів кваліфікації «Ч. Д. А.» і бромистий калій кваліфікації «Х. Ч.» використовували без попереднього очищення. Для кінетичних досліджень застосували безградієнтний за газовою фазою реактор типу «каталітична качка». Змішування газової та рідкої фаз у реакторі відбувалося завдяки струшуванню реактора зі швидкістю, що давала змогу працювати в кінетичній області. Кінетику реакції вивчали за зміною концентрації озону в газовій фазі на виході з реактора спектрофотометричним методом на спектрофотометрі «СФ-46 ЛОМО». Дослідили продукти, умови та кінетику реакції озону з 4-нітротолуолом. Показано, що за температури 20-90 °C перебігає переважно озоноліз ароматичного кільця, сумарний вихід продуктів окиснення за метильною групою не перевищує 24,2 %, серед них на ранніх стадіях ідентифіковано 4-нітробензиловий спирт і 4-нітробензальдегід, на глибших – 4-нітробензойну кислоту. Введення в систему каталізатора кобальт (ІІ) ацетату майже повністю запобігає озонолізу, головним продуктом реакції стає 4-нітробензойна кислота з виходом 86,5 %. Додавання до розчину калій броміду сприяє зменшенню концентрації каталізатора всемеро, підвищенню швидкості реакції та виходу 4-нітробензойної кислоти до 95,6 %. Розробили новий екологічно чистий, низькотемпературний метод синтезу 4-нітробензойної кислоти шляхом ведення процесу озонування 4-нітротолуолу в розчині льодяної оцтової кислоти за наявності змішаного кобальтбромідного каталізатора.

Procaine is one of the oldest local anesthetics used in medicine. When absorbed and entering the systemic circulation reduces the excitability of peripheral cholinoreactive systems. Has a blocking effect on the autonomic ganglia, reduces smooth muscle spasms, and reduces the excitability of the myocardium and motor areas of the cerebral cortex. It is synthesized by oxidizing 4-nitrotoluene to 4-nitrobenzoic acid, which is subsequently reacted with thionyl chloride, the resulting acid chloride is then esterified with 2-diethylaminoethanol to give nitrocaine. Finally, the nitro group is reduced by hydrogenation over a Raney nickel catalyst. The oxidation stage is characterized by the formation of toxic, difficult to dispose of wastewater, valuable mineral oxidants, or high temperatures and excess pressure, in the case of using oxygen as an oxidant. Therefore, the search for new environmentally friendly and low-temperature methods of obtaining 4-nitrobenzoic acid is an urgent task. The aim of the work is to study the products, conditions, and study kinetics of the reaction of ozone with 4-nitrotoluene in acetic acid solution to develop a new method for the synthesis of 4-nitrobenzoic acid. The glacial acetic acid qualification “P. F. A.” before use was purified by distillation under vacuum in the presence of potassium permanganate. Salts of metals of qualification “P. F. A.” and potassium bromide qualification “Ch. P.” were used without prior purification. A gas-phase gradient-free catalytic duck reactor was used for kinetic studies. The mixing of gas and liquid phases in the reactor was achieved by shaking the reactor at a speed that allowed it to work in the kinetic region. The kinetics of the reaction was studied by changing the concentration of ozone in the gas phase at the outlet of the reactor by spectrophotometric method on a spectrophotometer “SF-46 LOMO”. The products, conditions, and kinetics of ozone reaction with 4-nitrotoluene were studied. It was shown that at temperatures of 20-90 °C is mainly ozonolysis of the aromatic ring, and the total yield of oxidation products by methyl group does not exceed 24.2 %, among which identified in the early stages of 4-nitrobenzyl alcohol and 4-nitrobenzaldehyde, and at deeper – 4-nitrobenzoic acid. The introduction of cobalt (II) acetate into the catalyst system almost completely was prevented ozonolysis and the main reaction product is 4-nitrobenzoic acid with a yield of 86.5 %. The addition of potassium bromide to the solution reduced the concentration of the catalyst by seven times and increased the reaction rate and yield of 4-nitrobenzoic acid to 95.6 %. A new environmentally friendly, low-temperature method for the synthesis of 4-nitrobenzoic acid by conducting the process of ozonation of 4-nitrotoluene in a solution of glacial acetic acid in the presence of a mixed cobalt bromide catalyst was developed.