Производство тиенилкарбазол α – цианокрелата

При взаимодействии иминиевой  соли с 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазолом, образуется комплекс, который разлагается водой до 5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофенe-2-карбальдегида [3,4].

 

где R: -Me, -Et, -Ph

Так же 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазол можно получить, используя реакцию металлирования, по средствам действия н-бутиллития, в результате которого происходит обмен протона в α-положении тиофенового цикла на литий. Образующийся при этом замещенный тиениллитий обрабатывают диметилформамидом, при температуре -78. Однако, вследствие необходимости применения абсолютных растворителей (эфир, ТГФ) и высокой цены самого н-бутиллития, а так же того, что синтез проводится при очень низких температурах, реализовать данную схему на производстве крайне сложно.

где R: -Me, -Et, -Ph

В данном случае, из тиофена  генерируется высокоактивный нуклеофил, который атакует С-атом ДМФА, и  после разложения промежуточной  соли водой может быть получен  альдегид в свободном виде.

 

1.4 Примеры получения карбазол карбальдегидов

Получение 5-(9-(9,9-диметил-9H-флуорен-2-ил)-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегида реакцией метилирования н-бутиллитем.[5]

Получение 5-(6-(5-формилтиофен-2-ил)-9-гексил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегид реакцией метилирования н-бутиллитем.[6]

Получение 3-гексил-5-(9-фенил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегида реакцией Вильсмайера.[7]

Получение 5-(9-бутил-6-(5-формилтиофен-2-ил)-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегида реакцией Судзуки.[10]

1.5 Конденсация 5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегида с цианоуксусной кислотой

Конденсация идет по реакции  Кневенагеля. Активная метиленовая группа в цианоуксусной кислоте подвергается атаке ацетатом аммония, в результате образуется нуклеофильный агент (карбанион цианоуксусной кислоты) который атакует атом углерода в альдегидной группе тиофена, затем происходит внутримолекулярная дегидратация.

где R: -Me, -Et, -Ph

 

2. Схема синтеза 1-фенил-4-амино-5-(4-хлор-бензоил)-1H-пиразол-3-карбоксамида

 
3. Схема получения 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-ил)акриловой кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Материальный баланс

4.1. Объект расчета и исходные данные

4.1.1. Масштаб расчета

Материальный баланс составлен на 1 кг технической 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-ил)акриловой кислоты.

Состав технического красителя:

ПР-100%      γ_ка=0,9969

Примеси       γ_пр=0,0001

Вода              γ_вод=0,0029

ДМФА   γ_ДМФА=0,001

 

4.1.2. Выходы по стадиям (узлам)

Узел 1 получение иминиевой соли     η₁=1.000

Узел 2 формилирование      η₂=0.800

Узел 3 разбавление водой      η₃=0.994

Узел 4 фильтрование       η₄=0.996

Узел 5 перекристаллизация      η₅=0.993

Узел 6 фильтрование альдегида     η₆=0.996

Узел 7 сушка альдегида       η₇=0.980

Узел 8 конденсация       η₈=0.760

Узел 9 фильтрование продукта     η₉=0.970

Узел 10 сушка продукта      η₁₀=0.980

η_Σ=η₁×η₂×η₃×η₄×η₅×η₆×η₇×η₈×η₉×η₁₀=1.00×0.80×0.99×0.99×0.99×0.99×0.98×0.76×0.97×0.98 = 0.55.

Составы полупродуктов, растворов, паст, нормативных механических потерь и прочие исходные данные взяты из экспериментальных данных.

 

Таблица 4.1

Молекулярные массы (М) вещест участвующих в процессе.

Вещество	М.,г/моль	Вещество	М.,г/моль
1. ДМФА	73,09	9. Комплекс	503,81
2. Оксахлорид фосфора	153,34	10. Ортофосфорная кислота	98
3. Вода	18,01	11. 5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-карбальдегид	305,39
4. 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H-карбазол	277,38	12. 2-циано-3-(5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-ил)акриловая  кислота	372,44
5. Метанол	32,04	13. Хлороводород	36,46
6. Уксусная кислота	60,05	14. Диметиламин	45,08
7. Цианоуксусная кислота	85,06	15. Иминиевая соль	226,43
8. Ацетат аммония	77

 

Таблица 4.2

Содержание основного  вещества в загружаемом сырье. 

Вещество	γ	Вещество	γ
1. ДМФА	0.998	5. Метанол	0.960
2. Оксахлорид фосфора	0.998	6. Уксусная кислота	0.996
3. Вода	1.000	7. Цианоуксусная кислота	0.996
4. 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H-карбазол	0.999	8. Ацетат аммония	0.995

 

4.1.3. Определение расхода основного сырья

Соотношение мольных  масс исходного вещества и конечного  продукта.

9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H-карбазол		2-циано-3-(5-(9-этил-9H-карбазол-3-ил)тиофен-2-ил)акриловая  кислота
Мкарб.=277,38		Мкр.=372,44

На 1 кг продукта необходимо загрузить следующее количество 100%-ого 9-этил-3-(тофен-2-ил)-9H-карбазола:

G_карб.^100% = G_кр^100%*М_карб./М_кр*η_Σ = (0,99*277,38)/(372,44*0,55) = 1,3387 кг

Соответственно загрузка технического 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазола составит:

G_карб.^техн = G_карб.^100%/γ_карб = 1,3387/0,99 = 1,3400 кг

Количество примесей в техническом 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазоле:

  G_карб^прим = G_карб.^техн – G_карб.^100% = 1,3400 – 1,3387 = 0,0013 кг

Составы полупродуктов, растворов, паст, нормативных механических потерь и прочие исходные данные взяты из экспериментальных данных.

 

4.2. Расчет материального баланса по узлам (стадиям производства)

4.2.1. Получение иминиевой соли (узел 1)

Схема 4.1

Соотношение мольных  масс:

М = 73,09    М = 153,34  М = 226,43

73,09 + 153,34 = 226,43

Выход на стадии η₁ = 1,000.

Количество иминиевой соли необходимое для второго узла найдем как:

G_{имин.соли}^100%=(G_карб.^100%/М_карб.)*М_{имин.соли}*Э=(1,3387/0,27738)*0,22643*2=2,1856 кг,

где Э – эквивалент с которым берется иминиевая  соль.

Загружено:

Найдем необходимое  количество ДМФА и оксохлорида фосфора:

G_ДМФА^100%=(G_{имин.соли}^100%/М_{имин.соли.})*М_ДМФА*Э=(2,1856/0,22643)*0,07309*65= 45,8574 кг,

где Э – эквивалент ДМФА,

G_ДМФА^техн.=(G_ДМФА^100%/99,80_.)*100=(45,8574/99,80)*100=45,9493 кг,

G_прим=G_ДМФА^техн.-G_ДМФА^100%=45,8574-45,9493= 0,0919 кг.

G_оксох.^100%=(G_{имин.соли}^100%/М_{имин.соли.})*М_оксох.*Э=(2,1856/0,22643)*0,15334=1,4801 кг,

G_оксох.^техн.=(G_оксох.^100%/99,80_.)*100=(1,4801/99,80)*100=1,4831 кг,

G_прим= G_оксох.^техн.- G_оксох.^100%=1,4831-1,4801=0,0030 кг.

Итого в узле 1 загружено:

 G_Σ = G_ДМФА^техн.+G_оксох.^техн.=45,9493+1,4831=47,4324кг

Получено:

Найдем количество оставшихся ДМФА и примесей:

G_прим.∑= G _прим..+ G _прим.=0,0919+0,0030=0,0949 кг,

G_ДМФА^р=G_ДМФА^100%-(G_{имин.соли}^100%/М_{имин.соли.})*М_ДМФА=(2,1856/0,22643)*0,07309= 45,1519 кг.

Итого в узле 1 получено:

 G_Σ = G_{имин.соли}^100%+G_прим.∑+G_ДМФА^р=2,1856+0,0949+451519=47,4324 кг.

 Результаты расчета сводим в таблицу 4.3.

Таблица 4.3

Стадия ТП-1. Получение  иминиевой соли (узел 1).

Загружено				Получено
Сырье	Сод-ние %(масс.)	Масса техн.,кг	Масса 100%, кг	Сырье	Сод-ние %(масс.)	Масса техн.,кг	Масса 100%, кг
1. ДМФА, в т.ч.	100,00	45,9493		1.Иминиевая соль, в  т.ч.	100	47,4324
ДМФА	99,80		45,8574	иминиевая соль	4,61		2,1856
Примеси	0,20		0,0919	ДМФА	95,19		45,1519
2. Оксохлорид фосфора, в т.ч.	100,00	1,4831		примеси	0,20		0,0949
Оксохлорид фосфора	99,80		1,4801
Примеси	0,20		0,0030
Итого:		47,4324	47,4324	Итого:		47,4324	47,4324

 

4.2.2. Формилирование (узел 2)

Схема 4.2

Соотношение мольных масс:

М = 277,38  М = 226,43    М = 467,35        М = 36,46

277,38 + 226,43= 467,35 + 36,46= 503,81

Выход на стадии η₂ = 0,800.

Загружено:

Иминиевая соль из узла 1: G_{имин.соли}^техн.=47,7471 кг, в том числе G_{имин.соли}^100%=2,1856 кг, G _прим.=0,0949 кг, G_ДМФА=45,1519 кг.

Количество 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазола G_карб. ^100%:

G_карб.^100% = G_кр^100%*М_карб./М_кр*η_Σ = (0,99*277,38)/(372,44*0,55) = 1,3387 кг

Соответственно загрузка технического 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазола составит:

G_карб.^техн = G_карб.^100%/γ_карб = 1,3387/0,99 = 1,3400 кг

Количество примесей в техническом 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазоле:

  G_карб^прим = G_карб.^техн – G_карб.^100% = 1,3400 – 1,3387 = 0,0013 кг.

Итого в узле 2 загружено:

G_Σ=G_{имин.соли}^100%+ G _прим.+ G_ДМФА+ G_карб.^100%+ G_карб^прим=2,1856+0,0949+45,1519+

+1,3387+0,0013=48,7724 кг.

Получено:

Комплекса получено:

G_компл.=((G_карб.*η₂)/М_карб.)*М_компл.=((1,3387*08)/0,27738)*0,46735=1,8044 кг.

Карбазола осталось:

G_карб.^ост.= G_карб.- G_карб.* η₂=1,3387-1,3387*0,8=0,2677 кг.

Иминиевой соли осталось:

G_{имин.соли.}^ост.= G_{имин.соли}^100%-(G_{имин.соли}^100%/Э)* η₂=2,1856-(2,1856/2)*0,8=1,3114 кг,

где Э – эквивалент иминиевой соли.

Соляной кислоты образовалось:

G_HCl=(( G_карб.^100%* η₂)/ М_карб.)* М_HCl=((1,3387*0,8)/0,27738)*0,03646=0,1408 кг.

Примесей в реакционной массе 1:

G_прим.^Σ= G_прим.+ G_прим.=0,0013+0,0949=0,0962 кг.

ДМФА в реакционной  массе 1:

G_ДМФА=45,1519 кг.

Итого в узле 2 получено:

G_Σ=G_{имин.соли}^ост.+G_прим.^Σ+G_ДМФА+G_карб.^ост.+G_компл.+ G_HCl=1,8044+0,2677+1,3114+

+0,1408+0,0962+45,1519=48,7724 кг.

Результаты расчета  сводим в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

Стадия ТП-2. Формилирование (узел 2).

Загружено				Получено
Сырье	Содержание %(масс.)	Масса техн.,кг	Масса 100%, кг	Сырье	Содержание %(масс.)	Масса техн.,кг	Масса 100%, кг
1. 9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазол ,в т.ч.	100,00	1,3400		1.Реакционная масса  1, в т.ч.	100,00	48,7724
9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазол	99,90		1,3387	комплекс	3,6997		1,8044
примеси	0,10		0,0013	ДМФА	92,5767		45,1519
2. Иминиевая соль в  т.ч.	100,00	47,4324		примеси	0,1973		0,0962
иминиевая соль	4,61		2,1856	9-этил-3-(тиофен-2-ил)-9H-карбазол	0,5490		0,2677
ДМФА	95,19		45,1519	иминиевая соль	2,6887		1,3114
примеси	0,20		0,0949	HCl	0,2886		0,1408
ИТОГО		48,7724	48,7724	ИТОГО		48,7724	48,7724