Способ получения сахарина

Класс 12 о, 1866878 СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУЗарегистрировано в Боро изобретений Госплана СССР, Матвеев фффд ъ ю СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ САХАРИН Заявлено 20 декабря 1945 года в Наркомхимпром за713 45 (3418 Опубликовано 31 августа 1946 года ной кислоты или так называемая хромовая смесь были арименены для окисления орто-толуолсульфа. мида, именуемого ниже 1 просто амидом, Ремсеном (1. Келвеп, Апп. )78, 304/1875). Нагревая около ) часа приблизительно при 100 смесь иэ 7 г амида, 20 г двухромовоиислого калия и 30 г обыкновенной концентрированной серной кислоты, разбавленной тройным объемом воды, Ремсен смог констатировать, что в избранных:им условиях армид практически совершенно не поддается окислению. Несколько позже, применив в качестве окислителя марганцевокислый калий в щелочной среде, он совместно с фальбергом впервые получил сахарин (1. Кепвеп, С. РаЬ 1 Ьегд, Вог. ) 2, 469/1879); этот способ был использован затем промышленностью, не встречая на протяжении более 30 лет конкуренции сс стороны других способов окисления.В 1921 г. фирма Бос 1 е 1 е сЬ 1 гп 1 с 1 це дез цз 1 пез дц КЬопе апс 1 еппетеп 1 Ст 111 апс 1, Р, Маппе 1 е 1 Саг 11 ег (Г 1- риж) по заявкам, сделанныи годом раньше, получила в Германии, а затем в Англии патент на способ получения сахарина окислением ами 2,3-дигидро - 3-оиоо-бенз-изосульфазол, широко известный под наименованием сахарина, уже более 50 лет используется в здравоохранении и пищевой промышленности.В литературе, посвященной сахарину, приведено несколько путей синтеза этого вещества, промыш. ленное значение из которого приобрел лишь один: СН,Гг Л 80 С то толуол- ульфохлорил толуоЛ802 орта толуол сульфамид ахари причем в к последней почти искл цевой или кислоты. Впервые моной) кислве окислитесии кспол лино соли овой (двухр чеи в зуются артаимоной) ите ом ли хромовоиы в присутств вухрои серда с помощью хромовой смеси (авторы способа Альтвегг ИКоллярдю; герм. пат,339920; англ. пат.153520). В этом патенте отме. чается, что неуспех опытов Ремсена по окислению амида хромовой смесью следует приписать низкой концентрации серной кислоты (около 24%) и что при повышении концентрации последней окисление амида в сахарин становится возможным.Для дальнейшего изложения имеют значение следующие моменты, содержащиеся в указанном патенте.,1) Для получения очень хороших (точнее не указано), выходов сахарина необходимо правильно выдержать степень разбавления серной кислоты при окислении (50 - 75%), температуру реаиционной маосы (25 - 45) и продолжительность процесса, (не приведена). Существенню важным является хорошее размешав ание массы при оиислении. Напротив, не неюбходимо работать в гомогенной среде; весьма эначителнная часть вступающего в реакцию продукта должна, скорее, присутствювать в твердой форме.2) Способ весьма лепко вылолнвм и может быть применен во многих вариантах, Равным образом не требуется придерживаться определенной,последовательности в прибавлении реагентов.3) В условиях данного способа по окончаниии окисления сахарин содержит примесь амида; поэтому отфильтрованный по окончании окисления сахарин отделяют от неизменного амида известным образом.Несколько позже та же фирма запатентовала в Герман,ии, Англии и США новый вариант способа, отличающийся от предыдущего применением в качестве добавок при окислении соединений железа, хрома и марганца или самих указанных металлов; так например, по данным этого варианта окисление амида протекает более гладко в присутствии части ютброоной серной кислоты от предыдущей операции окисления (герм. пат.347140; англ. пат.165438; ам. пат.1507565). В том же 1921 г, Бэби (1. Вев 1 е) по заявке, сделанной в 1920 г получил в США патент на способ получения сахарина, принципиально ничем не отличающийся от первого варианта способа Альтвегга и Коллярдо (ам, пат,1 366349).В 1921 го(ду была опубликована статья Каминского (Журн, научн, хим.-фарм. института, 1921 г., вып. 2,41- - 45), в которой описывается способ окисления амида в сахарин с помощью хромовой одеон в присутствии добавок хлоридов щелочных металлов,Несколько позже, в 1926 году, Орелоп (1. %. Оге 1 цр) по заявке, сделанной в 1921 г получил в США патент на способ получения сахарина, отличающийоя от ранее опубликованных способов лишь тем, что сахарии, получаемый и в этом случае окислением амида хромовой смесью и тоже содержащий непосредственно после этого окисления примесь неиспользован,ного амида, отфильтровывают от отбросной серной кислоты, растворяют в 25 процентном растворе едкого натра и подвергают дополнительному окислению марганцевокислым калием, добавляя окислитель до появления устойчивой фиюлетовюй окрасками раствора, После удаления избытка окислителя с помощью бисульфита натрия и отделения двуокиси марганца путем фильтрования, фильтрат подкисляют соляной кислотой и отделяют выпавший в осадок чистый сахарин (ам. пат.1 601 505).В конце 1926 года была опубликована работа Зайкова и Соколова (Жур. хим, пром., 3, вып. 16/22, 1304 в 1926), в которой авторы, основываясь,на изучении гидролиза сахарина в серной кислоте различных концентраций и при разных температурах, приходят к выводу, что при получении сахарина путем окисления амида хромовой смесью температура маосы,не должна превышать 60 и что оптимальная концентрация серной кислоты должналежать около 70%. Соблюдение этих условий позволяет, го свидетельству авторов, получать сахарин с выходами, превышающими 90%, однако прописи рецепта в статье не дано,В 1934 году появилась статья Зильберга (Хим-фармацевтич. пром., 1934 г., вып. 4, 22 - 24); в нейизлагаются результаты эмпирических поисков оптимального варианта окисления амида хромовой смесью. Из материала статьи можно усмотреть, что постановка опытов в основном удовлетворяла условиям герм, пат. М 339920; наибольший выход сахарина, полученный автором, был равен 79%, считая на вошедший в реакцию амид; ни в одном из длинной серии (свыше 40) опытов автору не удалось добиться полного окисления амида. Работа Зильберга не вносит ничего принципиально нового в ранее накопленный материал, если не считать кажущегося сомнительным утверждения автора, что замена двухромовокислого калия на,двухромовокислый натрий ведет к по инженерию выходов сахарина.Вышеприведенным исчерпывается. в основном:, весь литературный материал, относящийся к окислению амида в сахарин хромовой смесью.Описанные выше способы обнаруживатот при экспериментальной проверке один или несколько недостатков. причем из числа приводимых ниже имеются в виду лишь те недостатки, с которыми приходится встречаться в случае применения чистых исходных веществ и реакти,вов .1 ) Почти всепда сахарин, п олучаемый вышеупомянутыми способами, за исключением споооба Орелопа, имеет желтоватую или даже желтую окраску, от которой в производственных условиях приходится избавлятьая путем дополнительной операции обесцвечивания животным или активированньвэ древесным углем или осторожным окислением окрашивающих примесей небольшими количествами марганцовокислого калия. Автору удалось установить, что без дополнительного обесцвечивания сахарин получается неокрашенным лишь в том случае, если концентрация свободной серной кислоты в реакционной массе не превышает 60%, принимая в расчет как взятую, так и образовавшуюся при реакции воду и лишь то количество серной кислоты. которое для каждого момента реакции определяется как разность между введенным 1 в массу общим количеством 100-процентной кислоты н количеством, уже израсходовавшимся при окислении в соответствии со следосщим уравнением: г",8 ОвХНв+ Мев СгвО;+8 Н.,504 =+ МН+ 6 НвОгЯОвгде 4 е =Хз, К вли И 1Поскольку при падении концентрации свободной серной кислотыв реакционной массе ниже 58 -60% реакция окисления сильно замедляется, что более всего характерно для вариантов с постепенным вводом ссислителя в массу,постольку выделяющуюся во времяреакции и вводичую с реагентомводу необходимо в ходе реакциипревращать в 60-процентную кислоту. Для этого в реакционнуюмассу параллельно с добавлениемдругих реагентов постепенно вводят в рассчитанных количествахболее концентрированную сернуюкислоту.2) Получаемый в результатеокисления сахарин почти всегда содержит примесь непрореагнровавшего амида,Автором установлено, что причина этого явления кроется в двухобстоятельствах:а) Частицы твердого амида служат центрами кристаллизации длявыделяющегося при окислении сахаркна; образующаяся оболочка из кристаллов сахарина,в сильнейшей степени затрудняет доступ жидкой фазы к заключенным в эту оболочку частицам амида, в ,результате чего они оказываются изолированными ст воздействия окислителя.Этот недостаток, как показывает опыт автора, может быть сведен к минимуму, путем, постепенного ввода амида в массу. Помогает также тщательное предварительное измельчение или растворение, амида, энергичное раз мешив ание массы при окисленииимедленное,проведение процесса.б) Часть окислителя расходуется при реакции на глубокое окисление побочно образующихся при реакции продуктов и. следовательно, рассчитанного по вышеприведенному равенству количества окислителя нехватает,для окисления всего амида.Та часть амида, которая остается в реакционной массе, доступной воздействию окислителя, может быть окислена в сахарин только после почти полного сожжения порубочных продуктов; это требует, естественно, дополнигельного расхода окислителя и серной кислоты.3) Органическим недостатком всех упомянутых выше способов является образованив побочных продуктов конденсаци:и, частью нестойких к действию о(кислителя даже в 60-процентной серной кислоте. Одним из признаков их образования и последующего окисления служит явление вспенивания реакционной мас".ы при окислении; следствием их образования является необходимость дополнительной траты окислителя и серной кислоты при адновраменной потере части взятого для окисления амида; так, например, в опытах Зильберга даже там, где по мнению автора, выход сахарина был хорошнм, потеря амида составляла все же около 17% от взятого количества.Причины этого недостатка вытекают из недооценки авторами вышеуказанных способов одного важного следствия из основных положений химической кинетики. Ясно, что в цепи элементарных превращений, которые испытывает амид при окислении в сахарин, образование изотиазольного цикла есть реакция циклизации, Скорость реакций циклизации, как мономолекулярных реакций, не зависит от степени разбавления среды, Известно далее, что реакции циклизации часто сопровождаются процессами конденсации; например, при получении нормальвого ,ангидрида адипиновой кислоты в известных условиях получают ее полиангидриды; при попытках получения лактонов тех алифатических оксикарбоновых кислот, у которых оксигруппа отделена ог карбоксильной группы несколькими метиленовыми группаии, часто наблюдают образование так называемых эстолидов и т. п. При получении сахарина констатированы побочные продукты, образование которых объясняется конденсацией промежуточно образующихся при окислении амида орто-сульфаминобензилового спирта и орто-сульфаминобензальдегида как между собой так и с амидом (см. 1, и Р. Кое 1- эсе 1, Не 1 ч, с)цгп, Ас 1 а, 12,669 - 669 (1929)Мо 1 чок 1 МаЬц 1 ТеЬцпозцке 8 ачагпцга, 1 егыо Ас 1 аск 1, Мегпо 1 гз Со 11. 8 с 1 епсе, Куо 1 о Лпр. 11 пЬ., Ьсг 1 е А, 15,151 - 55 (1932); А. К 1 адез, У,. апд СЬ. 39, 671 (1926); ,1. рг, СЬ, (2). 116, 163 (1927); Вц 11.(41 42, 1599 (1927); %, Негход, Х.апд, СЬ, 39,28 (19 Р 6); Негхоц, Сйегп, Тесйпо 1 оре (1912); Мцзрга 11 з С 1 егп 1 е, ЕгдЬд. 1 Ъ, 2, 1448).Известно, что скорость реакций конденсаций, как реакций би- и полимолекулярных, зависит ог степени разбавления среды, а именно с увеличением разбавления в уменьшается. Отсюда ясен путь для подавления побочных процессов при циклизации: проведение реакций циклизаций в возможно более разбавленной среде при незначительных концентрациях циклизируемото соединения. Ценный пример блестящего применения этого принципа разбавления можно найти в работах Руггли (Р. Кцдф, Апп.,- 5 Лд 66878392, 92 - 100 (1912), 399, 174 - 182 (1913); 412, 1 - 3 (1917) и Циглера (К. 21 ер 1 ег, Апп. 504, 94 - 130 (1933), хотя эти работы и относятся к совершенно другим объектам.Поскольку стадию циклизации в реакциями образования сахарина при окислениями амида невозможно осуществить изолированно от ряда последовательных превращений на пути от амида к сахарину и желая соблюсти вышеуказанный принцип разбавления следуег стремиться - в отличие от цитированного выше указания герм, пат.339920 - весь процесс окисления проводить в условиях наиболее возможного разбавления среды и 1 в отсутствии твердого амида в реакционной массе.Результаты опытов автора подтвердили правильность только что упомянутых соображений: выходы сахарина при окислении амида в условиях большого разбавления среды неизменно оказывалцсь, прц прочих равных условиях, выше выходов, получаемых пр л наличии амида в реакционной среде в виде твердой фазы,Вышеуказанные недостатки не позволяли считать способы получения сахарина, основанные на окислении амида хромовой смесью, конкурентоспособными со старьве способом Ремсена и Фальберга ни по качеству получаемого продукта. ни по выходам его (см, например, оценку способов Альтвегга, Коллярдо и Бэби в рецензии Негпрея, Х. апд. СЛ. 37, 214 - 215 (1924),Анализ причин, вызывающих появления указанных недостатков, позволил автору создать совершен. но новую комбинацию условий для получения сахарина, дающую новый технический эффект, характеризуемый тем, что: 1) сахарин получается неокрашенным, 2) амид полностью используется при окислении и 3) выходы сахарина отказываются даже несколько выше выходов, получаемых по перманганатному способу Ремсена и Фальберга,Нижеприводимые примеры иллюстрируют предлагаемый новыйспособ.Пример 1, 171, 1 г чистого сухого орто-толуолсульфамида размешивают прц обыкновенной температуре с 1864 г 90-процентной серной кислоты до полного исчезновения частиц твердого амида, Полученный раствор прибавляют равномерно в течение 10 - 15 час. парал.лельно с постепенным прибавлением 602 г 50-процентного водиогораствора двухромовокислого натрия к 1937 г 60-процентной сернойкислоты.Температура реакционной массыдолжна все время поддерживатьсяв пределах 35 - 40 прц достаточноэнергичном размешивании; массавсе время должна содержать небольшой избыток окислителя (дифенцламиновая проба),Через 1 час после,начала окисления из массы начинает выпадатькристаллический осадок сахарина(под микроокопом - ромбоэдры илипризматические таблицы), а самамасса приобретает зеленую окраску. Масса не должна содержатькристаллов амида (октаэдры илцплоские иглы),По окончании прибавления растворов амида и двухромовакислого натрия полученную массу размешивают еще 1 час прц 35 - 40,причем к концу размешивания онадолжна еще показывать незначц 1 е.льный избыток окислителя. После этого массу разбавляют равнымобъемом вэды, охлаждают до5 - 15, а затем отфильтровываютосадок сахарина и промывают егона фильтре небольшим колцчествы воды, Для разбавления массыц промывки ссадка сахарина вместо воды целесообразно применятьпромывные воды и фцльтрат от,выделения чцсгого сахарина из предыдущих операций.Для отделения от случайных механических примесей отфильтрованный ц промытый сахарин переводят с помощью соды, поташа. магнезита или мела и достаточного количества теплой воды в раствор,66878 Отв. редактор В. Н, Костров Техн, редактор Г. Ф. Соколова Л 04521, Подписано к печати 11,Чг Тираж 500 экз. Цена 65 к. Зак. 39 Типография Госпланиздата ич, Воровского, г. Калуга К полученному раствору доба. ляот небольшое ко.1 нчоство раствора бисульфита натры для раскисл ения следов окислит еля и отфильтровываОт муть. Фильтр ат подкисляОт сосляной кислотой до полного осаждения сахарина; осадок сахарина отфильтровывают, промывают водой и сушат при 30 - 40 до постоянногс веса, Выход сахарина 87 - 92 го от теоретически возможного; темп. пл, полученного безцветного сахарина 224 - 227 (без попр,).Пример 2. 171,1 г чистого и сухого орто-толуолсульфааида растворя 1 ст в условиях, аналогичных у"ловиям примера 1, в 1261 г 90- процентной серной кислоты.Полученный раствор вносят в условиях примера 1 параллельно с постепенным при бавлением 338 Г мелконзгмельченного двухромоо- кислОГО калия или эквива.".снтнсГО кслпчесд соответствующей нтриевой или аммснпйнсй соли в 2842 г 60-процентной серной кислоты, пост 1 пая в Остальном, какпримере 1. Выход и качество полученного сахарина - те же. что и выше. Предмет изобретенияСпособ получения сахарина путсм Окисления с 1 рто-тслуслсульфамида хромовой смесью, о т л и ч а, юш яйся тем, чт 1 о в сернуо кислоту с концентрацией около 60% вво. дят постепенно водный раствор хромпнска илн танко измельченный хрсмпик и раствор орто-толуолсульфамида в серной кислоте такой концсятрапии, какая достаточна для образсвания с вводимой с эаствсром хромписка и с выделяющейся в процессе окисления водой аствсра серной кислоты с концентрацией около 60 с целью непосредственнос по;ьччення неокрашенного сахарина.