Размещено на http://www.allbest.ru

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАІНИ

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ПОГОРЄЛОВА Ірина Петрівна

^{УДК 661.74: 547.657}

НАУКОВІ ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЇ СИНТЕЗУ СУЛЬФОХЛОРИДІВ

6-МЕТИЛУРАЦИЛУ І НАФТОСТИРИЛУ

05.17.04 - технологія продуктів органічного синтезу

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Луганськ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті хімічних технологій Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Рубіжне) Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор хімічних наук, професор

Кондратов Сергій Олексійович,

Інститут хімічних технологій (м. Рубіжне) Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, завідувач кафедри ВМКТ

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор

Марков Віктор Іванович,

ДВНЗ «Український державний хіміко-технологічний університет», професор кафедри ТОРФ

кандидат технічних наук

Кутакова Діана Олексіївна,

Державний Науково-дослідний і проектний інститут хімічних технологій «Хімтехнологія», провідний науковий співробітник

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Східноукраїнського національного університету ім. В.Даля Міністерства освіти і науки України (91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20 а)

В.о. Вченого секретаря

спеціалізованої вченої ради Мамедов Б.Б.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В 90-х роках ХХ ст. відбулися значні зміни в практиці створення нових органічних речовин і матеріалів, що було пов'язано з появою технології комбінаторного синтезу. Ці технології дозволяють скоротити матеріальні й часові витрати на цілеспрямований синтез сполук із заданими структурами і властивостями.

Технології комбінаторного синтезу суттєво вплинули на діяльність важливої галузі хімічної промисловості - виробництві хімічних реактивів. Вони викликали появу нового напряму в технології тонкого органічного синтезу - «синтезу на замовлення», оперативної розробки методів й технологій виробництва невеликої кількості нових реактивів («сполук-лідерів»), що є базовими для подальших перетворень. Розробка технологій синтезу нових органічних «сполук-лідерів» для комбінаторного синтезу, є актуальною науковою проблемою.

Значний інтерес викликає розробка технологій синтезу нових реактивів на основі гетероциклічних сполук, які містять у гетерокільці атом азоту та оксо-групу. Органічні сполуки з такими фрагментами можуть проявляти біологічну активність, властивості барвників і люмінофорів. У цій роботі об'єктами для розробки технології синтезу нових азотовмісних гетероциклів з оксо-групою, обрані похідні нафтостирилу та 6-метилурацилу, що містять сульфамідний фрагмент, приєднаний до гетерокільця або до анельованих ароматичних кілець. Наявність сульфамідної групи надає речовинам додаткові корисні властивості, а саме біологічну активність, спорідненість до білкових і рослинних волокон.

На практиці ароматичні сульфаміди синтезують амінолізом відповідних сульфохлоридів, які отримують при взаємодії ароматичних сполук з хлорсульфоновою кислотою. Вузьким місцем технології сульфохлорування є стадія виділення і утилізація токсичних відхідних газів. Розробка і системне вдосконалення методів і технологій синтезу сульфохлоридів, як реактивів-лідерів є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими темами. Дисертаційна робота є складовою частиною наукового напряму кафедри загальнохімічних дисциплін Інституту хімічних технологій (м. Рубіжне) Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля «Теоретичні основи створення сполук-лідерів для комбінаторного і паралельного синтезу на основі ароматичних і гетероциклічних сполук». Робота виконана в рамках господарського договору «Розробка технології отримання нових сульфамідів» (Н - 1/08) ТОВ НВФ «Мікрохім».

Мета і задачі дослідження. Синтез нових реактивів-лідерів - сульфохлоридів нафтостирилу, 6-метилурацилу і продуктів на їх основі. Розробка нових рішень в технології синтезу сульфохлоридів на стадіях сульфохлорування, виділення, рекуперації хлороводню. Створення математична моделі для розрахунку мінімально необхідної кількості льоду на стадії виділення сульфохлоридів.

Поставлена мета була досягнута шляхом рішення наступних задач:

- виявлення загальних закономірностей синтезу сульфохлоридів нафтостирилу і 6-метилурацилу, підбір на їх основі оптимальних умов отримання цільових продуктів;

- визначення умов синтезу з отриманих сульфохлоридів сіркувмісних похідних нафтостирилу і 6-метилурацилу (сульфамідів, алкілтіолів), виявлення біологічної активності нових сполук;

- виявлення за допомогою методу термодинамічного моделювання особливостей стадій виділення і абсорбції газів, що відходять і розробка технічних рішень по їх оптимальній організації.

Об'єкт дослідження. Технологія процесів синтезу сульфохлоридів нафтостирилу та 6-метилурацилу та їх похідних.

Предмет дослідження. Закономірності хімічних і технологічних процесів сульфохлорування нафтостирилу й 6-метилурацилу та їх подальших хімічних перетворень, закономірності фізико-хімічних процесів при виділенні сульфохлоридів й абсорбції відхідних газів, особливості апаратурного оформлення технологічних стадій.

Методи досліджень. В роботі використані: методи препаративного органічного синтезу, хімічні методи: елементний аналіз; фізичні: визначення температур плавлення, фізико-хімічні: тонкошарова хроматографія, ІЧ- УФ- і ПМР-спектроскопія, методи фізико-хімічних розрахунків, математичне та комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна. Вперше з використанням комплексу методів (препаративного синтезу, фізико-хімічних, кінетичних методів, математичного моделювання) проведено системне дослідження і розробка наукових основ технології синтезу сульфохлоридів 6-метилурацилу та нафтостирилу. синтез сульфохлорид метилурацил хлороводень

Вперше встановлено, що проведення сульфохлорування у присутності тіонілхлориду не тільки збільшує вихід цільового продукту (6-метилурацил-5-сульфохлориду) з 28- до 83% але й викликає збільшення швидкості реакції. Визначені оптимальні умови процесу сульфохлорування у присутності SOCl₂, що дозволяє скоротити його тривалість, витрати хлорсульфонової кислоти і збільшити вихід у три рази. Синтезовані сіркувмісні похідні нафтостирилу та 6-метилурацилу, зокрема сульфаміди, які виявляють біологічну активність.

Вперше розроблено і проаналізовано математичні моделі, термодинаміки процесу виділення сульфохлоридів на лід і абсорбції суміші SO₂ й HCl. На основі моделей розраховано оптимальну кількість льоду, що суттєво скорочує його витрати та показана можливість розділення газової суміші.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено основи технології отримання 6-метилурацил-5-сульфохлориду та на його основі сульфамідів та їх похідних. Виявлено потенційну біологічну активність деяких 6-метилурацил-5-сульфамідів, зокрема, на основі ди-(гідроксиетил)аміну, 4-анілінсульфаміду, 4-аміноантипірину. Технологія одержання сульфамідів на основі 6-метилурацил-5-сульфохлориду захищена патентом України та впроваджена у науковий та навчальний процес кафедр загальнохімічних дисциплін СНУ ім В.Даля та органічної хімії і токсикологічної та неорганічної хімії Запорізького державного медичного університету.

Запропоновано і обґрунтовано нові технічні інженерні рішення по організації технології процесів малотоннажного сульфохлорування, щодо апаратурного оформлення і технологічного режиму стадій виділення та утилізації відхідних газів з метою їх інтенсифікації і скорочення тривалості контакту сульфохлоридів з водою.

В якості апарата на стадії виділення сульфохлориду запропоновано колінчастий змішувач Вернера-Пфлейдерера з двома Z-образними лопатями, в якому одночасно проходить інтенсивне здрібнювання льоду та змішування його з розчином сульфохлориду.

Особистий внесок здобувача. Самостійне виконання експериментальних досліджень, визначення умов проведення процесів, інтерпретація результатів аналізів, моделювання, формулювання основних теоретичних положень, висновків і рекомендацій.

Співавтори опублікованих робіт з теми дисертації: Кондратов С.О., науковий керівник - укладання алгоритмів моделювання й комп'ютерних программ; Ісак О.Д. - планування експерименту, обговорення та інтерпретація результатів;; Потапенко Е.В., Андреєв П.Ю. - обговорення впливу оксихлоридів на процес сульфохлорування; Єсіпова Г.П., Шемчук Л.А., Книш Є.Г. - дослідження біологічної активності одержаних сульфамідів; Орлов В.Д. - дослідження та інтерпретація даних спектрального та елементного аналізу; Науменко О.О., Ісак В.О., Бібік Т.С., Негреєв С.М. - одержання бібліотек сульфамідів.

Апробація результатів роботи. Основний зміст роботи докладався на 10 міжнародних і українських наукових конференціях.

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи викладено в 5 статтях у фахових наукових журналах, в матеріалах і тезах доповідей 10 конференцій, захищено патентом України.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, списку літератури зі 150 посилань. Робота викладена на 119 сторінках машинописного тексту і містить 20 таблиць та 14 рисунків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульована мета і задачі дисертаційної роботи, відображено наукову новизну та практичне значення роботи. Наведено дані про апробацію роботи і публікації, відмічено особистий внесок здобувача.

У першому розділі всебічно розглянуто і проведено критичний аналіз літературних даних щодо закономірностей процесів сульфохлорування і сульфамідування ароматичних і гетероциклічних сполук, включаючи технологічні аспекти. Обґрунтовано мету і основні завдання роботи.

У другому розділі висвітлено аспекти розробки наукових основ технології синтезу сульфохлоридів нафтостирилу, 6-метилурацилу та їх похідних.

На початковому етапі роботи було досліджено закономірності синтезу сульфохлоридів нафтостирилу та його N-алкілзаміщених (1). Встановлено, що при сульфохлоруванні утворюється суміш сульфохлориду та сульфокислоти, наявність яких доведена методами ТШХ, ЯМР і ІЧ-спектроскопією. При цьому були встановлені наступні закономірності: 1) із збільшенням довжини ланцюга алкільних груп вихід сульфохлориду зменшується, а вихід сульфокислоти - зростає (табл. 1); 2) у разі замісників нормальної будови вихід сульфохлориду виявляється вищим, ніж для замісників ізо-будови (табл. 1).

Утворення сульфокислот можна пояснити гідролізом сульфохлоридів при виділенні, оскільки в реакційній масі після закінчення сульфохлорування, за даними ТШХ, сульфокислота відсутня.



	(1)
(1 а-ж)		(2 а-ж)
R = H(a), CH3 (б), С2Н5 (в), н-С3Н7 (г), изо-С3Н7(д), н-С4Н9 (е), изо-С4Н9 (ж)

Таблиця 1

Вплив замісника на вихід N-заміщених нафтостирил-6-сульфохлориду і нафтостирил-6-сульфокислоти

Замісник, R	H	Ме	Et	Pr	i-Pr	n-Bu	i-Bu
Вихід сульфохлориду, %	94,5	84,0	79,0	77,9	69,6	77,1	68,1
Вихід сульфокислоти, %	1,1	8,3	9,6	9,9	14,5	10,7	14,8
Ттоп. сульфохлориду, оС	205-207	155-156	140-141	278-279	196-197	211-212	186-187

Сульфохлориди можна використовувати для синтезу тіолів, а на їх основі - широкого кола сірковмісних сполук, перш за все, алкілсульфідів (2):

	(2)
90-93% 76-92%
(2 а)	(3)	(4 а-г)
Alk=CH3(a), C2Н5(б), C3H7(в), С4Н9(г)

На прикладі нафтостирил-6-сульфохлориду були досліджені особливості перетворення сульфохлоридної групи в тіольну та алкілювання за наявності двох реакційних центрів: тіольної групи і циклічної імідогрупи. З метою вибору оптимального відновника для отримання нафтостирил-6-тіолу було вивчено відновлення нафтостирил-6-сульфохлориду оловом, хлоридом олова (II), цинком і літійалюмінійгідридом. Знайдено оптимальну систему для відновлення сульфохлоридної групи (SnCl₂ в СН₃СООН, насиченою НСl).

Для синтезу S-алкілпохідних тіолу використовували галогеналкіли: алкілйодіди, диметил- або диетилсульфати. У присутності слабкої основи відбувається селективне утворення тільки продуктів S-алкілювання. Вихід сполук (4 а-г) складає 76-92 %, що є прийнятним з точки зору технології реактивів.

Дослідження закономірностей синтезу 6-метилурацил-5-сульфохлориду.

Cтадії сульфохлорування 6-метилурацилу (3) і виділення продукту є взаємозв'язаними процесами. На відміну від існуючих методів запропоновано виділення 6-метилурацил-5-сульфохлориду за допомогою виливання на суміш оцтової кислоти з льодом, що дозволило збільшити вихід цільового продукту на 10% за відомих методів.

	(3)
(5) (6)

Встановлено, що 6-метилурацил з помітною швидкістю починає взаємодіяти з хлорсульфоновою кислотою за температури 30-35^оС, але вихід сульфохлориду невеликий (рис.1, крива 1) навіть при нагріванні до 75^оС і повній конверсії 6-метилурацилу він не перевищує 28% (рис.1, крива 4).

З патентної літератури відомо, що підвищення виходу сульфохлориду можливо у разі введення добавок неорганічних оксихлоридів в кінці реакції. Введення в реакцію SO₂Cl₂ і POCl₃ в кількостях, еквімолярних 6-метилурацилу не впливає на вихід сульфохлориду. Домішки тіонілхлориду значно підвищюють швидкість процессу сульфохлорування на початковій дільниці та вихід сульфохлориду. Цей ефект спостерігається при молярному співвідношенні SOCl₂ - 6-метилурацил від 1:1 до 3.8:1 (таблиця 2). Збільшення вказаного відношення від 2,3 до 3,8 мало впливає на швидкість. Аналіз даних таблиці 2 свідчить, що молярне співвідношення SOCl_2, : 6-метилурацил, яке дорівнює 2,3, можна вважати оптимальним.

Отримані результати можна пояснити в межах сучасних уявлень про схему сульфохлорування, згідно з якими, на першій стадії перебігає незворотна реакція сульфування:

АrН + HSO₃Cl ArSO₃H + HCl (4)

На другій стадії відбувається зворотна взаємодія сульфокислоти з хлорсульфоновою кислотою з утворенням сульфохлоридів:

	(5)

В присутності хлористого тіонілу в системі можливі наступні реакції:

	(6)
	(7)

При цьому, з одного боку, зростає швидкість утворення сульфохлориду за рахунок реакції (6), яка є незворотною. З іншого боку, за рахунок незворотної реакції (7) з системи виводиться сульфатна кислота і рівновага реакції (5) зміщується у бік утворення сульфохлориду.

Таблиця 2

Вплив домішок неорганічних оксихлоридів на вихід 6-метилурацил-5-сульфохлориду через 5 годин при 75^оС.

Молярне співвідношення оксихлорид - хлорсульфонова кислота 1:4

Домішки оксихлоридів	Моль оксихлориду на 1 моль 6-метилурацилу	Вихід 6-метилурацил-5-сульфохлориду %
Без домішок	-	23-25
SO2Cl2	1,1	23-25
POCl3	1,2	22-25
SOCl2	0,2	25
SOCl2	1,2	50
SOCl2	2,3	78-82
SOCl2	3,8	82-83

В результаті проведених досліджень підібрані оптимальні умови синтезу 6-метилурацил-5-сульфохлориду у суміші хлорсульфонова кислота - тіонілхлорид: температура 75^оС і тривалість 6 годин. Розроблено технологію та технологічний регламент синтезу 6-метилурацил-5-сульфохлориду.

Технологічний процес містить стадії:

а) основні: сульфохлорування, виділення, фільтрація і сушіння;

б) допоміжні: дистиляція хлорсульфонової кислоти, знешкодження кубового залишку дистиляції, нейтралізація кислої стічної води.

Вихід продукту склав 83 %, що в 3 рази вище, за відомий з літератури (28 %).

На основі 6-метилурацил-5-сульфохлориду за схемою (8) синтезовано 45 нових сульфамідів з використанням аліфатичних, ароматичних і гетероциклічних амінів.



	(8)
(6)

Для продуктів визначені температури стоплення, дані елементного аналізу та ІЧ-спектри. Проведено попередні дослідження біологічної активності. Встановлено, що сульфамід на основі 4-аміноантіпирину має ознаки біологічної активності як інгібітор збудників групи шлункових інфекцій і може бути використаний для подальших глибших досліджень.

Наведено розробки технологій і напрацювання продуктів, виконані на замовлення НВФ «Мікрохім» і використовуються замовником для виробництва та подальших досліджень фармакологічних властивостей.

У третьому розділі наведено результати досліджень з вдосконалення стадії виділення сульфохлоридів, що є вузьким місцем технології їх синтезу.

На сьогодні відсутня методика технологічних розрахунків кількості льоду, потрібного на виділення сульфохлориду. Це приводить до використання зайвої кількості льоду і суттєвого збільшення енергетичних витрат. З метою вдосконалення технології виділення, розроблено й запропоновано математичну модель технологічного розрахунку мінімально необхідної кількості льоду, яку проілюстровано на прикладі виділення 6-метилурацил-5-сульфохлориду. В основу покладено ітераційний розрахунок теплового балансу, з врахуванням теплоти хімічних реакцій гідролізу хлорсульфонової кислоти і тіоніл хлориду (9, 10) і розчинення у воді сульфатної кислоти і хлороводню.

НSO₃Cl + H₂O = H₂SO₄ + HCl, q = 19,86 кДж (9)

SOCl₂ + H₂O = SO₂ + 2HCl, q = - 10,59 кДж. (10)

Рівняння теплового балансу має вигляд:

? = Q₁ + Q₂ + Q₃ - Q₄ - Q₅ = 0, (11)

де Q₁ - фізичне тепло реакційної маси перед виділенням, Дж

Q₂ - теплоти хімічних реакцій гідролізу, Дж

Q₃ - теплоти розчинення H₂SO₄ і HCl, Дж

Q₄ - фізичне тепло кінцевої реакційної маси, Дж

Q₅ - теплота танення льоду, Дж.

Проблема розрахунків полягає в тому, що компоненти рівняння Q₃ и Q₄ залежать від кількості води, яка створилася за рахунок танення льоду, тобто, від кількості льоду, яку необхідно визначити.

Для кількісного врахування теплоти розчинення, користуючись даними довідника, отримали загальне рівняння, що описує залежність інтегральної теплоти розчинення H₂SO₄ і HCl як функцію від х - кількості молів води на 1 моль кислоти:

	(12)

Методом найменших квадратів знайдено:

для H₂SO₄: a=43,19648; b=0,573701; m=1,112361;

для НСl: a=44,02631; b=0,601833; m=1,570113.

Після танення льоду утворюється суспензія сульфохлориду у водному розчині сильного електроліту: суміші кислот (H₂SO₄ і HCl). Для розрахунку теплоємності користувалися наближеним рівнянням (Зайцев И.Д., Асеев Г.Г., 1988):

	(13)

де С_р,0 - теплоємність води, Дж/мольК

B_1i B_4i - емпіричні коефіцієнти для і-го електроліту в розчині (затабульовані),

с_і - масова концентрація і-го компоненту в розчині, кг/кг розчину,

- концентрація і-го компоненту в бінарному ізопієстичному розчині, кг/кг розчину;

Концентрацію розраховують за рівнянням:

	(14)

де Е_і - коефіцієнт для і-го електроліту (затабульований).

Розрахунок кількості льоду проводили чисельно за наступним ітераційним алгоритмом:

а) задавали вихідні дані: кількість реакційної маси і її склад, температуру реакційної маси перед виділенням, кінцеву температуру після виділення;

б) задавали початкове наближення кількості льоду на виділення (в межах 1-2 кг на 1 кг реакційної маси);

в) розраховували матеріальний баланс по стадії виділення для заданих кількості льоду й складу реакційної маси;

г) з матеріального балансу розраховували складові теплового балансу;

д) перевіряли умову виконання теплового балансу (11).

У процесі розв'язання задачі підбирали таку кількість льоду, що приводить до величини |?| < 1 Дж, після чого розв'язання закінчували.

Описаний алгоритм реалізували у вигляді проекту Excel.

Для інтенсифікації процесу виділення пропонується проводити його у колінчатому змішувачу Вернера-Пфлейдерера, з двома Z-образними лопатями, замість традиційного ємнісного апарату з мішалкою. За рахунок пластичної деформації апарати такого типу призводять до інтенсивного здрібнювання твердих продуктів, їх змішування з рідинами. В змішувач 1 через шнековий живильник 2 завантажується порція льоду у вигляді кусків диаметром 2-3 см, протягом декількох хвилин відбувається розмішування, що супроводжується подрібненням. За допомогою плунжерного дозатору 3, через гребінку 4, що закріплено у верхній кришці апарату, відбувається вприскування реакційної маси, протягом 7-10 хв. Надалі відбувається розмішування протягом 5-10 хв для формування кристалів продукту, після чого маса через нижній спуск подається на центрифугу 5, де відбувається швидке відділення кристалів сульфохлориду від рідини. Після цього увесь цикл виділення повторюється з новою порцією.

У такій імпульсно-циклічній технології змішувач може мати невеликий об'єм, що гарантує швидке та ефективне змішування й теплообмін, при мінімальній тривалості контакту сульфохлориду з водою. За рахунок імпульсного режиму процес виділення протікає значно швидше, ніж у традиційній технології в апараті ємнісного типу, що триває до 20-30 годин. Запропоноване технічне рішення забезпечує швидке розділення сульфохлориду і води на центрифузі, що у виробничих умовах дозволить скоротити втрати за рахунок гідролізу цільового продукту.

У четвертому розділі наведено результати досліджень можливості розділення абсорбцією суміші діоксиду сірки і хлороводню, що утворюється під час сульфохлорування у присутності хлористого тіонілу, зокрема 6-метилурацилу. Цю суміш важко розділити в умовах виробництва, тому її нейтралізують, а отримані хлорид і сульфіт натрію, після розведення, утилізують.

Для оцінки можливості розділення створено математичну комірчасту модель протиструмної абсорбції. Припускали, що розчини обох газів підпорядковуються закону Генрі і константа Генрі кожного з компонентів не залежить від наявності іншого:

	(15)

де х, у - мольні частки газу у розчині й у газовій фазі,

К - константа Генрі.

Згідно схеми комірчастої моделі протиструмної абсорбції (рис. 4), на першу ступінь розподілу подається газ, що містить повітря (1 моль), SO₂ (у_0,1 моль) й НСl (у_0,2 моль). На останню n-ну ступінь розподілу подається розчинник, що містить х_n+1,1 моль SO₂ й x_n+1,2 моль НСl.

Математична модель є системою з 2n алгебраїчних рівнянь, що описують матеріальний баланс по SO₂ й HCl (рівняння (16)) й рівноваги (рівняння (17)) на кожній ступені розподілу. Внаслідок розв'язування цієї системи можна розрахувати вміст SO₂ й HCl на кожному ступеню в газовій та рідкій фазах (відповідно у моль на 1 моль повітря (інерту) й 1 моль розчиннику) в залежності від величини відносного зрошення L й загальної кількості ступенів розподілу. Модель було реалізовано у середовищі пакету Excel, що містить надбудову «Пошук рішення» для розв'язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь.

Аналіз літературних даних показав, що розчинність SO₂ й HCl суттєво відрізняється для ароматичних вуглеводнів (бензол, толуол). За аналогією вважали, що така ж сама розчинність (200 г/л для SO₂ та до 20 г/л для HCl при 20^оС) спостерігається й для технічних висококиплячих продуктів, зокрема для кам'яновугільних мастил: антраценового та поглинаючого, що використовуються у коксохімічній промисловості. Приймаючи середню молярну масу цих мастил 170 кг/кмоль, одержуємо величини констант Генрі для SO₂ та HCl, 3 й 12, відповідно.



	(16)
	(17)

(j =1,2,…,n; I = 1,2).

У процесі моделювання варіювали кількість ступенів розділення n від 2 до 6, зрошення L - від 1 до 5 моль на 1 моль газу, у найбільш несприятливому випадку, при мольному співвідношенні в газі НСl : SO₂ = 1 : 0,5. При цьому, вивчали вплив факторів на відносний вихід HCl й співвідношення НСl/SO₂ на останньому ступені розподілу.

Таблиця 3

Вплив об'ємного вмісту повітря й зрошення (моль рідини/моль газу) на характеристики розподілу при n = 6

Вміст повітря 10 %
L	Газова фаза	Рідка фаза
	Вихід НСl, %	HCl/SO2	НСl моль/моль розч.	SO2 моль/моль розч.	SO2/НСl
1	90,2	2,97	0,0588	0,1176	2,00
2	80,2	6,65	0,0594	0,1138	1,92
3	68,8	28,82	0,0624	0,0952	1,53
4	56,1	126,67	0,0658	0,0743	1,13
5	43,2	416,35	0,0681	0,0599	0,88
Вміст повітря 20 %
L	Газова фаза	Рідка фаза
	Вихід НСl, %	HCl/SO2	НСl моль/моль розч.	SO2 моль/моль розч.	SO2/НСl
1	90,4	2,95	0,0513	0,1025	2,00
2	80,6	6,31	0,0517	0,0993	1,92
3	69,7	24,66	0,0539	0,0839	1,56
4	57,7	100,56	0,0565	0,0659	1,17
5	45,4	311,55	0,0583	0,0532	0,91
Вміст повітря 30 %
L	Газова фаза	Рідка фаза
	Вихід НСl, %	HCl/SO2	НСl моль/моль розч.	SO2 моль/моль розч.	SO2/НСl
1	90,0	2,91	0,0440	0,0880	2,00
2	80,5	6,02	0,044	0,085	1,92
3	70,1	21,36	0,0459	0,0726	1,58
4	58,7	81,41	0,0477	0,0575	1,20
5	47,1	255,30	0,0491	0,0465	0,95

На моделі були встановлені такі закономірності:

а) незалежно від кількості ступенів n розподілу, співвідношення кількості молів НСl/SO₂ у газовій фазі збільшується із збільшенням величини зрошення L (табл. 3). При цьому досягається значне збагачення газової фази хлороводнем, але у рідкій фазі збагачення SO₂ є недостатнім;

б) при тій же самій величині n спостерігається протилежний вплив зрошення L на вихід НСl та співвідношення молів HCl/SO₂: зі збільшенням останньої спостерігається зменшення виходу;

в) зі збільшенням n при тому самому зрошенні L спостерігається значне збільшення ступеню розподілення (співвідношення молів HCl/SO₂, табл. 4). При цьому вихід НCl практично не залежить від n;

г) ступень розподілення на виході сильно залежить від вмісту двоокису сірки в рідкій фазі, що надходить на вхід системи.

Таблиця 4

Залежність мольного співвідношення HCl/SO₂ в газовій фазі на виході від кількості ступенів розподілу n та величини зрошення L

L	Число ступенів розподілу n
	2	3	4	5	6
1	2,85	2,93	2,96	2,96	2,97
2	4,32	5,16	5,81	6,30	6,65
3	6,49	9,90	14,44	20,54	28,82
4	9,32	18,22	34,84	66,28	126,67
5	12,72	30,90	74,03	177,05	416,35

Отримані результати, свідчать про принципову можливість розділення суміші HCl й SO₂ селективною абсорбцією органічними рідинами. При цьому, згідно розрахунків за моделлю, можливо отримати до 50 % HCl у вигляді, придатному для подальшого отримання абгазної соляної кислоти шляхом абсорбції водою, тобто у 2 рази зменшити кількість мінеральних солей - відходів виробництва.

У п'ятому розділі наведені методи проведення експериментальних досліджень і методики синтезу речовин.

ВИСНОВКИ

1. В дисертації вперше з використанням комплексу методів (препаративного синтезу, фізико-хімічних методів, математичного моделювання) проведено системне дослідження і розробка наукових основ технології синтезу сульфохлоридів 6-метилурацилу і нафтостирилу та продуктів на їх основі, включаючи розв'язання загальних технологічних проблем сульфохлорування: організації стадій виділення сульфохлориду й утилізації газової суміші SO₂ і HCl - відходу виробництва.

2. Вперше встановлено, що проведення сульфохлорування у присутності тіонілхлориду не тільки збільшує вихід цільового продукту (6-метилурацил-5-сульфохлориду з 28 до 83%) але і викликає збільшення швидкості реакції. Визначені оптимальні умови процесу сульфохлорування у присутності SOCl₂, що дозволяє скоротити його тривалість і витрати хлорсульфонової кислоти і збільшити вихід майже у три рази. Синтезовані сіркувмісні похідні нафтостирилу і 6-метилурацилу, зокрема сульфаміди, для яких виявлено біологічну активність.

3. Розроблена технологія отримання 6-метилурацил-5-сульфохлориду, на основі якого синтезовані бібліотеки сульфамідів, частина з яких проявляє біологічну активність. Для системи HSO₃Cl - SOCl₂ визначені оптимальні умови, що дозволило підвищити вихід сульфохлориду.

4. На прикладі 6-нафтостирилсульфохлориду досліджено умови перетворення сульфохлоридної групи в тіольну і подальше алкілювання за наявності двох реакційних центрів: тіольної і циклічної імідогрупи. Встановлено, що у присутності слабкої основи відбувається селективне утворення тільки продуктів S-алкілювання.

5. Розроблено математичну модель технологічного розрахунку мінімальної кількості льоду, необхідного на стадії виділення. На основі моделювання запропоновано нові технічні рішення по інтенсифікації технологічного процесу виділення сульфохлоридів, шляхом проведення його в колінчастому змішувачі Вернера-Пфлейдерера в циклічно-імпульсному режимі.

6. Розроблено математичну модель абсорбції суміші SO₂ й HCl, побічних продуктів сульфохлорування, на основі якої підібрано умови розділення суміші і отримання до 50 % хлороводню у вигляді абгазної соляної кислоти.

ОСНОВНИЙ ВМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНИЙ В НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ:

1 Погорелова И.П. Синтез 6-метилурацил-5-сульфохлорида / И.П. Погорелова, В.Д. Орлов, А.Д. Исак // Ж. прикл. химии. - 2006. - Т. 79 № 4. - С. 639-641. Особистий внесок здобувача - проведенння експериментальних досліджень, підбір умов виділення цільового продукту. Ісак О.Д. - обговорення впливу домішок хлористого тіонілу, підбір оптимальних умов синтезу. Орлов В.Д. - інтерпретація даних елементного аналізу.

2 Погорєлова І.П. Синтез 6-метилурацил-5-сульфонамідів та їх біологічна активність / І.П. Погорєлова, О.Д. Ісак, Г.П. Єсіпова, Л.А. Шемчук // Вісник фармації. - 2004. - №1(37). - С. 20-23. Особистий внесок здобувача - проведення експерименту, підбір умов синтезу. Ісак О.Д. - обговорення результатів експерименту. Єсіпова Г.П., Шемчук Л.А. - дослідження біологічної активності отриманих сульфамідів.

3 Погорелова И.П. Синтез изомерных нафтостирилсульфокислот / И.П. Погорелова, А.Д. Исак, П.Ю. Андреев, Э.В. Потапенко // Хімічна промисловість Україні. - 2008. - № 1 (84). - С. 3 - 7. Особистий внесок здобувача - проведення експерименту, підбір умов синтезу і виділення продуктів. Ісак О.Д. - планування експерименту й інтерпретація результатів. Потапенко Е.В., Андреєв П.Ю. - обговорення та інтерпретація механізмів реакцій.

4 Исак А.Д. Синтез 6-алкилмеркапто-1,2-дигидробензо[сd]индол-2-онов и их люминесцентные свойства / А.Д. Исак, И.П. Погорелова, Е.А. Науменко // Журнал орг. и фарм. химии. - Харьков. НФаУ. - 2006. - Т. 4, вып. 2 (14). - С. 60-64. Особистий внесок здобувача - проведення експерименту, підбір системи для відновлення сульфохлориду. Ісак О.Д. - планування експерименту аналіз впливу природи конденсуючого реагенту. Науменко О.О. - підбір оптимальних умов алкилювання.

5 Кондратов С.А. Пути совершенствования технологии сульфохлорирования ароматических соединений в условиях малотоннажного производства / С.А.Кондратов, И.П.Погорелова // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2009. - № ј(37) -С. 15 - 19. Особистий внесок здобувача - формулювання рівнянь моделі, проведення комп'ютерних розрахунків. Кондратов С.О. - уточнення моделі, розробка алгоритму та створення комп'ютерної програми розрахунків.

6 Пат. 20040806492 Україна, МКИ С07d 239/69. Похідні 6-метил-2,4-дигідроксипіримідин-5-сульфонаміду і спосіб їх одержання / Погорєлова І.П., Ісак О.Д., Потапенко Е.В. замовник та патентовласник Рубіжанський філіал СНУ ім. В.Даля - № 75516; Заявл. 03.08.2004; Опубл. 17.04.2006, Бюл. №4 Особистий внесок здобувача - проведення експерименту, розробка методів одержання 5-сульфамідів-6-метилурацилу, Ісак О.Д., Потапенко Е.В. - обговорення й інтерпретація результатів.

7 Разделение газовой смеси SO₂ и HCl - отходов сульфохлорирования в присутствии тионилхлорида: тези доповідей [«ХІ Конференція молодих учених та студентів-хіміків південного регіону України»], (Одеса, 13 - 14 листопада 2008 р.) / Південний науковий центр НАН та міносвіти України фізико-хімічний інститут ім.. О.В. Богатського НАН України. Одеса: Південний науковий центр НАН та міносвіти України фізико-хімічний інститут ім.. О.В. Богатського НАН України, 2008. - 87с.

8 Получение нафтостирил-6-сульфохлорида и его N-замещенных: тези доповідей [«VI Всеукраїнська Конференція молодих вчених та студентів з актуальних питань хімії»], (Харків, 3-6 червня, 2008 р.) / Науково технологічний комплекс «Інститут монокристалів» НАН України. Х.: Науково технологічний комплекс «Інститут монокристалів» НАН України, 2008. - 152 с.

9 Синтез нафтолактамсульфонамідів та їх біологічна активність: матеріали науково-практичної конференції з міжнародною участю [науково-практична конференція «Створення, виробництво, стандартизація, фармакоекономіка лікарських засобів та біологічно активних добавок»], (Тернопіль, 14-15 вересня, 2004 р.) / Міністерство охорони здоров'я України Тернопільська державна медична академія ім. І.Я. Горбачевського. Тернопіль «Укрмедкнига»: Тернопільська державна медична академія ім. І.Я. Горбачовського, 2004. - 564 с.

10 Синтез и биологическая активность пиримидинсульфонамидов: матеріали ІІ Міжнародної конференції [«Створення, виробництво, стандартизація та фармакоекономічні дослідження нових лікарських засобів та біологічно активних добавок»], (Харків 12-13 жовтня 2006 р.) / Міністерство охороні здоров'я України, Національний фарм. університет. - Х.: Національний фарм. Університет, 2006. - 372с.

11 The synthesis of Heterocyclic Sulfonamide and its Biological Activity: Abstracts [International Conference Chemistry of Nitrogen Containing Heterocycles (CNH- 2003)], (Kharkiv, September 30 - October 3, 2003).National academy of science of Ukraine, V.N. Karazin Kharkiv National University. Kh.: V.N. Karazin Kharkiv National University, 2003. - 280 Р.

12 Синтез N,N-діалкілнафтостирил-6-сульфонамідів і 6-алкілмеркаптонафтостирилів та їх люмінесцентні властивості: Тезі доповідей [«ІІІ Всеукраїнської Конференції молодих вчених та студентів з актуальних пи тань хімії»], (Харків, 17-20 травня, 2005 р.) / Науково технологічний комплекс «Інститут монокристалів» НАН України. Х.: Науково технологічний комплекс «Інститут монокристалів» НАН України, 2005. - 155 с.

АнотаціЇ

Погорєлова І.П. Наукові основи технології синтезу сульфохлоридів 6-метилурацилу і нафтостирилу. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.04 - «Технологія продуктів органічного синтезу». Технологічний інститут Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля (м. Сєвєродонецьк), 2009 р.

В дисертації на прикладі похідних нафтостирилу, 6-метилурацилу розвинуто наукові основи технології сульфохлорування, сульфамідування, розв'язано загальні технологічні проблеми сульфохлорування (стадії виділення й утилізації суміші SO₂ та HCl - відходу виробництва).

На прикладі сульфохлорування 6-метилурацилу встановлено прискорюючий вплив хлористого тіонілу, який виявляється вже на початковій ділянці кінетичних кривих. В результаті проведених досліджень підібрані оптимальні умови отримання 6-метилурацил-5-сульфохлориду, що дозволяє збільшити вихід з 28 % до 83 %. Розроблено основи технології отримання 6-метилурацил-5-сульфохлориду і на його основі сульфамідів та їх похідних. Виявлено потенційну біологічну активність деяких 6-метилурацил-5-сульфамідів, зокрема, на основі ди-(гідроксиетил)-аміну, 4-анілінсульфаміду, 4-аміноантипірину.

В дисертації досліджені закономірності прямого сульфохлорування нафтостирилу і його N-алкілпохідних. На прикладі 6-нафтостирилсульфохлориду, виявлена оптимальна відновна система для отримання тіольної групи - хлорид олова (II) в оцтовій кислоті, насиченій хлороводнем. Встановлено, що у присутності слабкої основи відбувається селективне утворення тільки продуктів S-алкілювання.

З метою вдосконалення технології малотоннажного синтезу ароматичних сульфохлоридів запропоновані нові технічні рішення стадії виділення, включаючи розробку математичної моделі технологічного розрахунку мінімально необхідної кількості льоду. В основу покладено ітераційний розрахунок теплового балансу, з врахуванням теплоти хімічних реакцій гідролізу хлорсульфонової кислоти і тіонілхлориду, та утворення в кінці виділення суміші сильних електролітів. Отримані результати свідчать, що мінімальна кількість льоду майже не залежить від температур маси на початку і в кінці процесу. Це робить необов'язковим попереднє охолоджування маси до низьких температур, що дозволяє економити охолождувач. Для інтенсифікації процесу виділення пропонується проводити його в колінчастому змішувачі Вернера-Пфлейдерера, з двома Z-образними лопатями, в циклічно-імпульсному режимі, в якому одночасно проходить інтенсивне здрібнювання льоду та змішування його з розчином сульфохлориду.

Створена математична модель абсорбції відхідних газів виробництва ароматичних сульфохлоридів - суміші HCl і SO₂. На моделі підібрані умови розділення газової суміші селективною абсорбцією органічними рідинами. Показана можливість відділення до 50 % HCl у вигляді, придатному для подальшого отримання абгазної соляної кислоти шляхом абсорбції водою, тобто в 2 рази зменшити кількість мінеральних солей - відходів виробництва.

Ключові слова: сульфохлорування, сульфамідування, нафтостирил, 6-метилурацил, протиструмна абсорбція, хлорсульфонова кислота, хлористий тіоніл, змішувач Вернера-Пфлейдерера.

Погорелова И.П. Научные основы технологии синтеза сульфохлоридов 6-метилурацила и нафтостирила. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.17.04 - «Технология продуктов органического синтеза». Технологический институт Восточноукраинского национального университета имени Владимира Даля (г. Северодонецк), 2009 г.

В диссертации на примере производных нафтостирила и 6-метилурацила развиты научные основы технологии сульфохлорирования, сульфамидирования, решены общие технологические проблемы сульфохлорирования (стадии выделения и утилизации смеси SO₂ и HCl - отходов производства).

Цель работы: получение новых соединений-лидеров - сульфохлоридов нафтостирила и 5-метилурацила и продуктов на их основе (сульфамидов, тиолов), разработка новых технических решений в технологии сульфохлоридов на стадиях сульфохлорирования, выделения, рекуперации отходного хлористого водорода. Поставленная цель была достигнута путем выявления общих закономерностей синтеза сульфохлоридов нафтостирила и 6-метилурацила, подбор на их основе оптимальных условий получения целевых продуктов, подбор условий синтеза из них серусодержащих производных нафтостирила и 6-метилурацила (сульфамидов, алкилтиолов), выявление наличия у новых соединений биологической активности, выявление особенностей стадий выделения и абсорбции отходящих газов с помощью метода термодинамического моделирования, разработки технических решений по их оптимальной организации.

На примере сульфохлорирования 6-метилурацила хлорсульфоновой кислотой выявлено положительное влияние добавок хлористого тионила. Это влияние проявляется в увеличении начальной скорости сульфохлорирования на начальном участке кинетических кривых и увеличении выхода целевого сульфохлорида. Оптимальное количество тионилхлорида : 2,3 - 3,8 моль на 1 моль 6-матилурацила. В результате проведенных исследований подобраны оптимальные условия получения 6-метилурацил-5-сульфохлорида, что позволило увеличить выход с 28 % до 83 %. Разработаны основы технологии получения 6-метилурацил-5-сульфохлорида и на его основе сульфамидов и из производных. Выявлена потенциальная биологическая активность некоторых 6-метилурацил-5-сульфамидов, в частности, на основе ди-(гидроксиэтил)-амина, 4-аминобензолсульфамида, 4-аминоантипирина.

В диссертации исследованы закономерности прямого сульфохлорирования нафтостирила и его N-алкилзамещенных. Показано, что при сульфохлорировании образуется смесь сульфохлорида и сульфокислоты, наличие которых доказано методами ТСХ и ИК спектроскопии. В ряду N-алкилнафтостирилов выход сульфохлорида закономерно уменьшается при увеличении числа атомов углерода алкильного заместителя нормального строения (при переходе от CH₃ к н-С₄Н₉). При переходе от радикалов нормального строения к радикалам изостроения также наблюдается снижение выхода сульфохлоридов.

На примере 6-нафтостирилсульфохлорида, найдена оптимальная восстановительная система для получения тиольной группы - хлорид олова (II) в уксусной кислоте, насыщенной хлористым водородом. Установлено, что в присутствии слабого основания (карботаты щелочных металлов) происходит селективное образование только продуктов S-алкилирования.

С целью совершенствования технологии малотоннажного синтеза ароматических сульфохлоридов, предложены новые технические решения стадии выделения, включая разработку термодинамической модели технологического расчета минимально необходимого количества льда. В основу положен итерационный расчет теплового баланса, с учетом теплоты химических реакций гидролиза хлорсульфоновой кислоты и тионилхлорида, и образования в конце выделения смеси сильных электролитов. Из полученных результатов следует, что минимальное количество льда слабо зависит от температур массы в начале и в конце процесса. Это делает необязательным предварительное охлаждение массы до низких температур, что позволяет экономить хладагент. Для интенсификации процесса выделения предлагается проводить его в коленчатом смесителе Вернера-Пфлейдерера, с двумя Z-образными лопастями, в циклическо-импульсном режиме, в котором одновременно происходит интенсивное измельчение льда и смешивание его с раствором сульфохлорида. В сочетании с центрифугированием это позволяет свести к минимуму время контакта сульфохлорида с водой в процессе выделения

Создана математическая модель абсорбции отходящих газов производства ароматических сульфохлоридов - смеси HCl и SO₂. На модели подобраны условия разделения смеси HCl и SO₂ путем селективной абсорбции органическими жидкостями. Показана возможность отделения до 50 % HCl в виде, пригодном для последующего получения абгазной соляной кислоты путем абсорбции водой, то есть в 2 раза уменьшить количество минеральных солей - отходов производства.

Ключевые слова: сульфохлорирование, сульфамидирование, нафтостирил, 6-метилурацил, противоточная абсорбция, хлорсульфоновая кислота, хлористый тионил, смеситель Вернера-Пфлейдерера.

Pogorelova I.P. Scientific bases of technology of synthesis of sulphachlorides of 6-methyluracil and naphtostyryl - Manuscript. Thesis for a scientific degree of a candidate of technical sciences in speciality 05.17.04 - Technology of organic synthesis products. - The East Ukrainian National University named after V. Dal': Lugansk, 2009.

In dissertation on the example of derivates naphthostyryl, 6-methyluracil is developed scientific bases of technology of sulphochlorination, sulphoamidation, worked out the general technical problems of technology of sulphochlorination (stage of selection and utilization of mixture of SO₂ and HCl - offcuts of production).

On the example of sulphochlorination of 6- methyluracil accelerating influence of thionyl chloride, which appears already on the initial area of kinetic curves, is set. As a result of the conducted researches the optimum terms of technology of receipt of 6-methyluracil-5-sulphachloride are developed, which allows to increase an output from 28 % to 83 %. The bases of technology of receipt of 6-methyluracil-5-sulphachloride have been worked out as well as sulfamids and its derivatives on the basis of target compound. The potential biological activity of some 6-methyluracil-5-sulphachlorides has been detected, in particular, on the basis of di-(hydroxyethyl)-amine, streptocid, 4-amineantipiryn.

In dissertation conformities to the law of direct sulphochlorination of naphthostyryl are investigational and its N-alkylsubstitutes. On the example of 6-naphthostyrylsulphachloride, the optimum restoration system is found for the receipt of thiolic group is a chloride of tin (II) in acetic acid, saturated with hydrogen chloride. It is set that in the presence of weak base the selective formation of solely S- alkylation products occurs.

With the purpose of perfection of technology of synthesis of aromatic sulphachlorides on the example of 6-methyluracil-5-sulphachloride new technical solutions of the stage of selection are offered, including development of the computer model of technological calculation minimum necessary amount of ice. The calculation of thermal balance is fixed in basis, taking into account the warmth of chemical reactions of hydrolysis of chlorsulphonic acid and thionyl chloride, and formation at the end of selection of mixture of strong electrolytes. It ensues from calculations that the least of ice does not almost depend on the temperatures of mass at the beginning and at the end of process. It does optional the preliminary cooling of mass to the low temperatures, that allows to save a quenching agent. For intensification of process of selection it is suggested to conduct it in the knee mixer of Vernera-Pfleyderera, with two Z- similar by blades, in cyclic-impulsive mode, in which an intensive grinding of ice and its blending with sulphachlorid solution occurs simultaneously.

The computer model of absorption of mixture of HCl and SO₂ is created - departure of production of aromatic sulphachlorides. On a model the terms of division of mixture of HCl and SO₂ are neat by selective absorption organic liquids. Possibility of separation is rationed to 50 % HCl in a kind, suitable for the subsequent receipt of аbsorption gas of muriatic acid by absorption water, that in 2 times to decrease the amount of mineral salts - offcuts of production.

Key words: sulphochlorination, sulphoamidation, naphtostyryl, 6-methyluracil, antiexact absorption, chlorsulphonic acid, thionyl chloride, mixer of Vernera-Pfleyderera.

Размещено на Allbest.ru

...