ES2340846T3 - Composicion catalitica de compuestos de organoestaño. - Google Patents

Composicion catalitica de compuestos de organoestaño. Download PDF

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Abstract

Composición catalítica para reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación de ácidos dicarboxílicos, ácidos policarboxílicos y/o ácidos hidroxi carboxílicos y alcoholes, dicha composición catalítica contiene compuestos de estaño de la fórmula general (I): (fórmula I)[(R1Sn)l(OH)m-n(OR2)nOo]P+Aq-p/q en donde: R1 y R2 cada uno independientemente es un grupo arilo o grupo alquilo lineal, ramificado o cíclico que tiene 1 a 12 átomos de carbono, Aq- es un anión, que es O2-, un grupo alquilcarboxi lineal, ramificado o cíclico, o un grupo arilcarboxi cada uno tiene 1 a 12 átomos de carbono, el anión de un ácido mineral o anión de metalato, titanato, zirconato, o zincato l = 12, m = 6, n = 1 a 6, o = 14, p = 2 y q = 2.

Description

Composición catalítica de compuestos de organoestaño.
La presente invención se relaciona con composiciones catalíticas para reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación, un proceso para la catálisis de dichas reacciones que emplean tales composiciones catalíticas y poliésteres o resinas obtenibles mediante este proceso.
Se conocen ampliamente los sistemas catalíticos que contienen compuestos de organoestaño.
Por ejemplo se describen los compuestos de la fórmula [(RSn)_{12}O_{14}(OH)_{6}]^{2+} principalmente en relación con su estructura interesante en: H. Puff, H. Reuter, J. Organomet. Chem. 1989, 373, 173-184; D. Dakternieks, H. Zhu, E. R. T. Tiekink, R. Colton, J. Organomet. Chem. 1994, 476, 33-40; S. Durand, K. Sakamoto, T. Fukuyama, A. Orita, J. Otera, A. Duthie, D. Dakternieks, M. Schulte, K. Jurkschat, Organometallics 2000, 19, 3220-3223.
Se describen adicionalmente los compuestos de dicho tipo [(RSn)_{12}O_{14}(OH)_{6}]^{2+} por mostrar un pobre desempeño en los reactivos de activación y catalización y los compuestos dentro de la reacción de acetilación de anhídrido acético con un alcohol (S. Durand, K. Sakamoto, T. Fukuyama, A. Orita, J. Otera, A. Duthie, D. Dakternieks, M. Schulte, K. Jurkschat, Organometallics 2000, 19, 3220-3223).
Se conoce para los compuestos de la fórmula [(BuSn)_{12}O_{14}(OH)_{6}]^{2+} cuando se almacenan en metanol, que puede ocurrir un reemplazo de dos grupos OH puenteados de estructura importante \mu2 de la agrupación contra unidades de OCH_{3} (D. Dakternieks, H. Zhu, E. R. T. Tiekink, R. Colton,, J. Organomet. Chem. 1994, 476, 33-40).
Adicionalmente se sabe que durante la producción de poliésteres para algunas aplicaciones por ejemplo envolturas e hilados técnicos, se lleva a cabo una cristalización y policondensación en el estado sólido (US-A-4,064,112, US-A-4,263,425, US-A-5,362,844). En otras aplicaciones, se hacen girar directamente las fibras o filamentos y se producen preformas directas en un proceso en donde no se aplica un intermedio de transferencia en el estado sólido y una fundición repetida.
Las composiciones de poliéster convencionales se relacionan con una serie de desventajas (resumen general en: Handbook of polyester thermoplastics, 1st edición, Wiley-VCH, Weinheim, 2002). Entre estas desventajas están en particular:
- La necesidad de altas temperaturas para la síntesis
- Alta concentración de catalizador (100-500 ppm [como metal])
- Procesos de degradación bajo condiciones de policondensación y procesamiento; por ejemplo formación de ésteres de vinilo y debido a la formación de aldehído acético en tereftalato de polietileno (PET), formación de acroleína en tereftalato de polipropileno (PPT) y formación de tetrahidrofurano en tereftalato de polibutileno (PBT).
- Uso limitado de los sistemas catalizadores, dependiendo de la tecnología del proceso y la estructura química del sustrato; no se pueden agregar catalizadores con base en titanio clásicos por ejemplo durante la etapa de esterificación y/o pre/condensación, ya que estos se hidrolizan fácilmente para inactivar los óxidos de titanio.
- Aplicación del sistema catalizador solo en etapas de proceso seleccionadas por ejemplo solo durante las etapas de esterificación o solo durante la transesterificación o solo durante la policondensación.
- Turbidez óptica del poliéster producido por ejemplo mediante los depósitos de las impurezas metálicas primarias cuando estas puedan ocurrir por el uso de sistemas catalíticos basados en antimonio.
- Decoloración del poliéster mediante el catalizador en sí mismo, por ejemplo los sistemas catalizadores con base en titanio producen una coloración amarilla del polímero o formación de subproductos de cromóforo, respectivamente.
- Medición y adición problemática de catalizadores y formulaciones de catalizador.
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El objeto de la presente invención es proporcionar una composición catalítica, adecuada para catalizar reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación, y un proceso mejorado de reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación catalizadas.
Se resuelve el problema de acuerdo con la invención mediante una composición catalítica de acuerdo con la reivindicación 1, un proceso para la preparación de tales composiciones catalíticas de acuerdo con la reivindicación 3, y su uso de acuerdo con la reivindicación 4.
Una primera realización de la presente invención se refiere a una composición catalítica para reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación de ácidos dicarboxílicos, ácidos policarboxílicos, ácidos hidroxi carboxílicos y/o sus derivados y alcoholes que contienen por lo menos un compuesto de estaño de la fórmula general (I):
(fórmula I)[(R^{1}Sn)_{1}(OH)_{m-n}(OR^{2})_{n}O_{o}]^{P+} A^{q-}{}_{p/q}
en donde: R^{1} y R^{2} cada uno independientemente es un grupo arilo o grupo alquilo lineal, ramificado o cíclico que tiene 1 a 12 átomos de carbono, A^{q-} es un anión, que es O^{2-}, un grupo arilcarboxi o grupo alquilcarboxi lineal, ramificado o cíclico o un grupo arilcarboxi cada uno tiene 1 a 12 átomos de carbono, el anión de un ácido mineral o un anión metalato, titanato, zirconato, o zincato.
l = 12,
m = 6
n = 1 a 6,
p = 2,
o = 14 y
q = 2.
Ejemplos preferidos para R^{1} son metilo, etilo, n_{-}propilo, iso-propilo, n-butilo, 2-butilo, iso-butilo, terc-butilo, n-pentilo, iso-pentilo, radical neo pentilo, terc-pentilo, hexilo, heptilo, n-octilo, iso-octilo, 2-etil-1-hexilo, 2,2,4-trimetilpentilo, nonilo, decilo, dodecilo, n-dodecilo, ciclopentilo, ciclohexilo, cicloheptilo, metilciclohexilo, vinilo, 1-propenilo, 2-propenilo, naftilo, antranilo, fenantrilo, o-tolilo, p-tolilo, m-tolilo, xililo, etil fenilo, mesitilo, fenilo, bencilo. Los sustituyentes favorecidos para la invención son: Metilo, n-butilo, n-octilo y n-dodecilo.
Ejemplos para R^{2} son metilo, etilo, n_{-}propilo, iso-propilo, n-butilo, 2-butilo, iso-butilo, terc-butilo, n-pentilo, iso-pentilo, neo pentilo, terc-pentilo, hexilo, heptilo, n-octilo, iso-octilo, 2,2,4-trimetilpentilo, 2-hidroxi-1-etilpentilo, hidroxi-neopentilo, 2-etil-1-hexilo, nonilo, decilo, dodecilo, n-dodecilo, ciclopentilo, ciclohexilo, cicloheptilo, metilciclohexilo, vinilo, 1-propenilo, 2-propenilo, naftilo, antrilo, fenantrilo, o-tolilo, p-tolilo, m-tolilo, xililo, etil fenilo, mesitilo, fenilo, bencilo. Los sustituyentes favorecidos para la invención son: Metilo, etilo, n-propilo, iso-propilo, n-butilo, 2-butilo, iso-butilo, terc-butilo.
Dichas composiciones catalíticas probaron alta efectividad en la catálisis de reacciones de esterificación, transesterificación, policondensación, poliesterificación y politransesterificación. Estos derivados de ácidos dicarboxílicos, ácidos policarboxílicos y/o ácidos hidroxi carboxílicos de acuerdo con la invención incluyen por ejemplo ésteres y halogenuros, pero no anhídridos.
En una realización preferida de la invención, dicha composición catalítica se caracteriza porque el anión A^{q-} es O^{2-}, un grupo alquilcarboxi lineal, ramificado o cíclico o un grupo arilcarboxi cada uno tiene 1 a 12 átomos de carbono, el anión de un ácido mineral o un anión metalato, titanato, zirconato, o zincato.
De acuerdo con la invención la estructura específica en la unidad [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m-n}(OR^{2})_{n}O_{o}]^{p+} A^{q-}_{p/q} se logra mediante la introducción de 1 a 6 grupos alcoxi (OR^{2}) en la unidad [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m}O_{o}]^{P+} A^{q-}_{p/q} - mediante conversión con alcóxidos de metal adecuados (alcoholatos de metal).
Ejemplos preferidos para dichos alcóxidos de metal son: metanolato -etanolato, -n-propanolato, -iso-propanolato, -n-butanolato, -2-butanolato, -iso-butanolato, -terc-butanolato, -neo-pentanolato, -isopentanolato, -neo-pentanolato,
-terc-pentanolato, -2-metil-1-butanolato, -hexanolato, -heptanolato, -noctanolato, -iso_{-}octanolato, -2,2,4-trimetilpentanolato, -nonanolato, -decanolato, -dodecanolato, -n_{-}dodecanolato, -ciclopentanolato,-ciclohexanolato, -ciclohepta-
nolato, -metilciclohexanolato, -glicolato, -glicerato, -pinacolato, -neopentilglicolato, -vinilalcoholato,-propargilal-
coholato, -2-etil-1-hexanolato de Li, Na, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Ti, Zr, Hf, Zn o Al. Los alcoholatos metálicos favorecidos son: metanolato de sodio, t-butilato de potasio, metanolato -etanolato, -n-propanolato, -iso-propanolato, -n-butanolato, -2-butanolato, -iso-butanolato, -terc-butanolato, -neo-pentanolato e - iso-pentanolato de aluminio, tetra-butanolato de titan.
De acuerdo con la invención la conversión de las unidades [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m}O_{o}]^{P+} A^{q-}_{p/q} con un alcóxido de metal se lleva a cabo preferiblemente utilizando dicho alcóxido de metal en una proporción de 1:0.0001 hasta 1:20 por mol, en particular 1: 4 a 1: 6.
Se prefiere adicionalmente que los productos secundarios que resultan de dicha conversión de los alcóxidos metálicos con unidades [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m}O_{o}]^{P+} A^{q-}_{p/q} permanezcan en la mezcla de reacción. Estos productos secundarios incluyen por ejemplo óxidos metálicos, hidróxidos de metal e hidróxidos de metal alcoxi adicionalmente a los compuestos catalíticamente activos [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m-n}(OR^{2})_{n}O_{o}]^{P+} A^{q-}_{p/q}. Los productos secundarios de los alcóxidos de metal no afectan la actividad de los compuestos deseados [(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m-n}(OR^{2})_{n}O_{o}]^{P+} A^{q-}_{p/q}.
En una realización adicional de la invención, la composición catalítica según se definió anteriormente se utiliza para la producción en forma de lotes o continua de ésteres o productos de policondensación mediante reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
Se catalizan las reacciones de esterificación, transesterificación, policondensación, poliesterificación y politransesterificación y se aceleran por las composiciones catalíticas de acuerdo con la invención. Los inventores han mostrado que en comparación con métodos convencionales menores cantidades de catalizador y menores cantidades de estabilizador llevan a resultados comparables. En adición, aún se pueden producir poliésteres de alta viscosidad en un proceso directo en tiempos de reacción bastante más cortos. La composición catalítica novedosa de la invención adicionalmente es resistente a hidrólisis y ya se puede agregar durante la fase de esterificación y la fase de precondensación o al final como un componente activo.
Preferiblemente, se puede utilizar la composición catalítica de acuerdo con la invención para una reacción de poliesterificación de un derivado de ácido dicarboxílico con un alcohol mono, divalente o polivalente.
Se prefiere particularmente emplear derivados de ácidos di, o policarboxílicos que se seleccionan del grupo que consiste de ésteres o halogenuros.
Se prefieren ácidos dicarboxílicos (ácidos carboxílicos, que contienen por lo menos dos grupos carboxilo), por ejemplo ácido tereftálico, ácido 2,6-naftaleno dicarboxílico, ácido isoftálico, ácido 1,4-ciclohexanodicarboxílico, ácido 1,6-naftaleno dicarboxílico, ácidos 4,4- bisfenilo dicarboxílicos, ácido adípico, ácido oftálico, ácidos alcano dicarboxílicos, derivados de halógeno de los ácidos dicarboxílicos mencionados por ejemplo ácido tetrabromoftálico, y copolímeros de los ácidos dicarboxílicos mencionados o los ésteres de los ácidos carboxílicos mencionados por ejemplo tereftalato de dimetilo, tereftalato de bis(hidroxietilo), Z,6_{-}dimetilnaftalato, 1,6-dimetilnaftalato y otros de acuerdo con la invención.
Se emplean preferiblemente los alcoholes polivalentes, tales como etilenglicol, 1,3-propano diol, 1,4-butano diol y/o 1,4-ciclohexano dimetanol, di-, trietilenglicol, poliglicoles con un peso molecular por debajo de 1000 o neopentil glicol.
Se pueden utilizar adicional y ventajosamente las composiciones catalíticas de la invención para la producción de poliésteres de ácidos hidroxicarboxílicos tales como ácido p-hidroxibenzoico, ácido salicílico, ácido láctico, ácido glicol y sus copoliésteres con los ácidos dicarboxílicos y/o dioles descritos anteriormente.
También se prefiere emplear derivados de ácidos hidroxicarboxílicos que se seleccionan preferiblemente de ésteres.
Se podría utilizar material de poliéster reciclado adicional como co/monómero dentro del alcance de la invención.
La concentración de metal del compuesto de metal catalíticamente efectiva es preferiblemente 0.1 ppm a 1 mol%, en particular 10 ppm a 100 ppm, más preferida 20 a 50 ppm con referencia al ácido o derivado a ser reaccionado.
Se puede agregar la composición catalítica utilizada para la producción de poliéster durante el periodo antes del inicio de la esterificación y/o transesterificación hasta poco antes del final de la policondensación, favorecida durante la esterificación y/o transesterificación o antes de las etapas de precondensación del proceso de producción.
Se puede agregar un agente de suspensión o disolvente al compuesto de estaño antes o durante la fabricación de la composición catalítica y/o dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
Se pueden emplear como agentes de suspensión o disolventes para el catalizador un alcohol y/o un alcano diol, se favorecen 1,2-etano diol, 1,3-propano diol, 1,4-butano diol, 2,2-dimetilpropano-1,3-diol.
El agente de suspensión o disolvente utilizado de acuerdo con la invención puede ser diferente o igual en la fabricación de dicha composición catalítica y dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
Un agente de suspensión o disolvente preferido empleado en la invención se selecciona del grupo que consiste de alcoholes mono-, di- o polivalente que se hacen reaccionar en dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
Los agentes de suspensión o disolventes adicionales preferidos incluyen un líquido orgánico que es indiferente con respecto al proceso de producción de poliéster. Ejemplos para tales líquidos orgánicos indiferentes son derivados de alcanos, cicloalcanos o benceno tales como benceno, tolueno o xilenos. Más aún, se puede emplear agua o una mezcla de agua con un alcohol o un polivalente como agente de suspensión y/o disolvente.
Se pueden agregar aditivos adicionales para una corrección de color tal como sales de cobalto o tintes o pigmentos orgánicos a la mezcla de reacción, preferiblemente en cantidades de 0.0001-5% en peso, en relación con el ácido o derivado a ser reaccionado.
El poliéster disponible mediante el proceso utilizando las composiciones catalíticas de la invención muestra por lo menos calidades comparables con respecto a la capacidad de procesamiento como poliésteres tradicionales, por ejemplo catalizado con antimonio. En comparación con polimerizaciones de fusión de alta viscosidad, resinas producidas utilizando las composiciones catalíticas descritas por la invención muestran un contenido relativamente bajo de aldehído acético. En particular los poliésteres sintetizados con el proceso descrito por la invención muestran una distribución de peso molecular estrecha, una traslucidez alta y dan un polímero con un alto cambio de azul deseado. Un polímero de viscosidades altas, a diferencia del estado de la técnica utiliza catalizadores Sb, obtenidos sin dificultad.
Los polímeros, producidos utilizando composiciones catalíticas de la invención muestran un alto cambio de azul (valores b negativos; valores de color determinados al utilizar el sistema de color CIE-Lab 100 con instrumento de medición de color de haz de referencia espectral LUCI 100, Dr. Lange).
Los poliésteres fabricados por un proceso que utiliza las composiciones catalíticas de la invención se hacen mediante esterificación y, opcionalmente, policondensación posterior. Estos poliésteres son especialmente adecuados para botellas, películas, láminas, hilos y/o moldeado de relleno, o resinas para recubrimientos en polvo o materiales sintéticos técnicos.
Los poliésteres preferidos incluyen:
a) tereftalato de polietileno (PET), que contiene 0.1-10% de masa de dietilenglicol y 0-10% de masa de ácido isoftálico, ácido 2-hidroxi-isoftálico, ácido p-hidroxisoftálico, ácido 2,6-naftalenodicarboxílico y/o 1,4-ciclohexano dimetanol como un comonómero;
b) poliéster para recubrimientos en polvo principalmente poli-2,2-dimetilpropil-1,3-tereftalato;
c) tereftalato de polipropileno (PPT);
d) poliéster polioles como por ejemplo tereftalato de polidietilenglicol;
e) tereftalatos de polibutileno (PBT);
f) tereftalatos de polinaftaleno (PNT)
g) naftalato de polietileno (PEN).
Los siguientes ejemplos ilustran la invención adicionalmente. A menos que se indique otra cosa, las partes y porcentajes se relacionan con el peso, como en el resto de la descripción.
Se describen objetos adicionales de la invención mediante las reivindicaciones y son una parte del total de la descripción de la presente invención.
Ejemplos Ejemplo 1 Lista de composiciones que contienen estaño que actúan catalíticamente Aparato
Matraz de fondo redondo de tres cuellos de 250 ml, embudo con llave, agitador mecánico, separador de agua, evaporador giratorio.
Materiales de partida, cantidades
2
Síntesis
Se suspende óxido de monobutilestaño en xileno (150 ml), se agrega fosfato de bis(2-etilhexilo) dentro de 10 min y se calienta la suspensión bajo reflujo hasta que se detiene la formación de agua. Después de alcanzar temperatura ambiente se filtra. Se agrega el alcoholato de metal al filtrado, que luego se calienta bajo reflujo durante una hora adicional. Se recibe el producto después de remoción del disolvente bajo presión reducida.
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Catalizadores de alquilestaño adicionales
Ejemplo Comparativo 1g (2-etilhexanoato) de tributilestaño)
Un matraz de tres cuellos equipado con agitador mecánico, calentamiento, termómetro y puente de destilación de vacío, bajo atmósfera protectora de nitrógeno, se llena con 149 g (0,25 Mol) de hexabutildiestanoxano y 72,1 g (0,5 Mol) de ácido 2-etilhexanoico. Se calienta la mezcla de reacción hasta 80ºC. Para separar el agua de la reacción se aplica un vacío de 1 mbar, y se agita la mezcla de reacción 1 h a esta temperatura.
Rendimiento: 209,8 g (teórico 212,1 g) un líquido brillante claro.
Análisis elemental: contenido de Sn = 27,8%.
La producción de los ejemplos y los ejemplos comparativos 1h a 1n siguen el mismo procedimiento.
Ejemplo Comparativo 1h: bis(2-etilhexanoato) de dibutilestaño
Ejemplo Comparativo 1i: tris(2-etilhexanoato) de monobutilestaño
Ejemplo Comparativo 1j: pinacotato de dibutilestaño
Ejemplo Comparativo 1k: ácido monooctilestanoico
Ejemplo Comparativo 1l: ácido monobutilestanoico
Ejemplo Comparativo 1m: tris(2-etilhexanoato) de monooctilestaño
Ejemplo Comparativo 1n: tris(2-etilhexanoato) de monododecilestaño
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Ejemplo 2 Prueba de catalizador mediante síntesis de una resina para recubrimientos en polvo Materiales de partida, cantidades
3
Síntesis
Se ponen en el catalizador, neopentilglicol y ácido tereftálico en un matraz de fondo redondo de tres cuellos de 250 ml, se calienta la mezcla a un máximo por medio de una chimenea de calefacción y se destila el agua de la reacción y se mide la cantidad.
El tiempo de reacción iguala el tiempo entre la primera formación del agua y el "punto claro" de la reacción.
La Tabla 1 muestra la aceleración del tiempo de reacción en la síntesis de resina descrita con las mezclas de los ejemplos 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f en comparación con la reacción no catalizada o con óxido de monobutilestaño (0,05% [m/m]) como catalizador.
4
Ejemplo 3 Compuestos con Sn catalíticamente activos con A = alcoholato
Ejemplo 3o: Se disuelven el producto de la reacción de ácido monobutil estánico con Ti(OBu)_{4} (relación molar 4:1): 51,1 g (0,15 mol) de Ti(OBu)4 y 25.3 g (0,60 mol) ácido monobutil estánico en xileno (250 ml) y se somete a reflujo bajo una atmósfera de nitrógeno en un matraz de fondo redondo de tres cuellos 500 ml durante 4 horas. Se obtiene el producto después se remueve el disolvente bajo presión reducida en una cantidad de 149,6 g (teórico. 131,9 g) como un sólido amarillo (Análisis elemental: contenido de Sn = 46,5%, contenido de Ti = 4,9%).
Ejemplo 3p: Producto de la reacción de ácido monooctil estánico con Ti(OBu)_{4} (relación molar 1:1), síntesis en analogía al catalizador O.
Ejemplo 3q: Producto de ácido monooctilestanoico con titanato de tetrabutilo (relación de cantidad de sustancia 4: 1), síntesis en analogía al Ejemplo 30.
Ejemplo 3r: Producto de ácido monobutilestanocio con titanato de tetrabutilo (relación molar 2: 1), síntesis en analogía al Ejemplo 30.
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Ejemplo 4 Policondensación de tereftalato de bis(2-hidroxietilo) (BHET) Método experimental Equipo de policondensación 1 (equipo de vidrio) para la policondensación de fusión de BHET Baño para templado (baño de sal), recipiente de policondensación (vidrio), mezclador de tornillo (vidrio), bomba de vacío, manómetro
Como un equipo de policondensación se utiliza un matraz de vidrio redondo con fondo redondo, (diámetro interno 2,6 cm, y 35 cm de altura, descrito en T. Johnson, Chem. Fibers International 46 (1996) 280; 49 (1999) 455). Se integra una salida de vapor horizontal en la tercera parte superior de la pared del matraz. Un tubo de extensión adicional más cerca del fondo del recipiente permite tomar muestras del polímero de fusión. El agitador es un mezclador de tornillo de vidrio, que llega hasta el suelo (1,8 cm de diámetro). Se opera el mezclador con una velocidad de rotación de 100 min^{-1} y se intermezcla la fusión con la dirección axial descendente.
Se cargan 25,4 g (0,1 mol) de BHET en el recipiente de policondensación, se agrega el catalizador (5 a 200 ppm como metal) y se bloquea el recipiente. Luego se llena el recipiente de policondensación con la mezcla de reacción se evacua tres veces y se lava con nitrógeno seco antes de ser sumergido en el baño para templado. Se fija temperatura de baño de tal manera que se alcanza la temperatura interna deseada de 280ºC en el recipiente de policondensación. Después se funde la mezcla de reacción, se inicia la agitación y se evacua el recipiente dentro de 15 min en un vacío de 2 x10^{-1} mbar. El tiempo de la primera formación de glicol en la pared del vidrio se registra como t_{0}. La presión final alcanzable para este equipo de aproximadamente 4 a 5 x 10^{-2} mbar, se alcanza después de aproximadamente 1 h de tiempo experimental, dependiendo del progreso de la policondensación. A través del dispositivo de muestreo se toman muestras por medio de una varilla de acero VA, que mantiene un contraflujo de nitrógeno. Al final de la reacción se pueden tomar hasta 5 g del recipiente para análisis posterior. Durante la policondensación, una muestra promedio requiere un minuto, desde la ruptura del vacío a la reaplicación del vacío. El final del muestreo de policondensación se hace en dos minutos después de airear el vacío.
Caracterización PET
Se desarrolla la determinación de las viscosidades intrínsecas como sigue:
Se determinan las viscosidades de solución relativa \eta_{rel} para PET en mezclas de fenol (3 partes)/diclorobenceno (2 partes) utilizando 0.5 por ciento de soluciones a 25ºC. Se hace la conversión de las viscosidades de solución relativas en la viscosidad intrínseca [\eta] de acuerdo con BILLMEIER.
5
Se calculan a partir de las viscosidades intrínsecas (IV) los pesos moleculares promedio Mn (número promedio) así como también los grados de polimerización P_{n}. Para PET aplica: Mn = (1000 x IV) ^{1,5186}; Pn = Mn/192.
Se miden las viscosidades absolutas utilizando el viscosímetro 250 y la unidad de templado CT 1450 de Schott Gerate GmbH, Alemania. Las mediciones de comparación entre laboratorios diferentes dan resultados coincidentes.
Se determinan los valores de color utilizando el CIE-LAB_{-}Farbsystem (sistema de color) mediante el instrumento de medición de color de haz de referencia espectral LUCI 100, Dr. Lange.
Se utiliza el dispositivo STA 625 de Polymer Laboratories para las mediciones TG y DSC.
Se determinan los grupos finales COOH mediante titulación potenciométrica de la solución en cresol de los polímeros con NaOH acuoso diluido.
Se introducen BHET y el catalizador en el recipiente de reacción y se enjuagan bien con nitrógeno.
Se coloca el recipiente de reacción en un baño de sal. El registro del tiempo de reacción inicia ahora. Dentro de 15 min se disminuye la presión de 100 mbar a 0,09 mbar. Al final de la reacción se alcanza una presión de 0,04 mbar.
La siguiente Tabla 2 muestra los resultados de los experimentos de policondensación para los catalizadores de los ejemplos 1a, 3p y 3q en comparación con catalizadores con base en Sb y Ti (tabla 3). Los criterios para determinar actividad catalizadora son las masas moleculares que se pueden obtener en periodos específicos, el incremento de la influencia de la degradación térmica, reconocible por el aplanamiento de la función P_{n}-t así como también los valores de color del poliéster. La cantidad del etanal evolucionado (acetaldehído) que se correlaciona directamente con el grado de división del grupo éster térmico es un criterio esencial adicional de la adecuabilidad del catalizador. Los valores de color en las tablas muestran la decoloración del producto., los valores \alpha representan gradientes verde/rojo y los valores b representan gradientes azul/amarillo. Los valores \alpha negativos corresponden a gradientes verdes, los valores b negativos corresponden a gradientes azules. El cambio azul se favorece tecnológicamente.
Las investigaciones comparativas para la actividad catalítica de los compuestos de estaño seleccionados muestra que ninguna descomposición térmica notable se debe esperar dentro de 2 h de tiempo de policondensación a temperaturas de 280ºC. Por lo tanto es absolutamente posible sintetizar aún tereftalatos de polietileno de mayor peso molecular mediante la prolongación del tiempo de policondensación.
Todos los compuestos de estaño examinados prueban ser catalizadores de alta actividad para la policondensación de BHET que muestra actividad significativamente más alta que los compuestos antimónicos. Su actividad de politransesterificación es superior a aquella de los alcóxidos de titanio y quelatos de titanio. Si se requiere, se pueden emplear en concentraciones mayores.
TABLA 2 Policondensación de BHET con los catalizadores de los ejemplos 1a, 3p y 3q
6
TABLA 3 Policondensación de BHET con catalizadores de Sb y Ti
7
Se llevan a cabo reacciones de policondensación adicionales partiendo de tereftalato de bis-(2-hidroxietilo) (BHET) en el equipo de vidrio con mezclador de tornillo en presencia de los catalizadores 1 a 12.
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 19: (2-etilhexanoato) de tributilestaño
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1h: bis(2-etilhexanoato) de dibutilestaño
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1i: tris (2-etilhexanoato) de monobutilestaño
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1j: pinacolato de dibutilestaño
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1k: ácido monooctilestanoico
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1l: ácido monobutilestanoico
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1m: tris(2_{-}etilhexanoato) de monooctilestaño
-
Catalizador del Ejemplo Comparativo 1n: tris(2_{-}etilhexanoato) de monododecilestaño
-
Catalizador del Ejemplo 30: producto de conversión de ácido monobutilestanoico con titanato de tetrabutilo (4 Mol: 1 Mol)
-
Catalizador del Ejemplo 3p: producto de conversión de ácido monooctilestanoico con titanato de tetrabutilo (1 Mol: 1 Mol)
-
Catalizador del Ejemplo 3q: producto de conversión de ácido monooctilestanoico con titanato de tetrabutilo (4 Mol: 1 Mol)
-
Catalizador del Ejemplo 3r: producto de conversión de ácido monobutilestanoico con titanato de tetrabutilo (2 Mol: 1 Mol)
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Para la determinación de la actividad catalizadora se comparan las dos primeras concentraciones de 20 ppm y 100 ppm. Los catalizadores de ejemplos (comparativos) 1g a 1j se disuelven en tolueno.
Se disuelven los catalizadores en tolueno seco. Se utilizan los catalizadores de estaño puro en una concentración de catalizador de 40 ppm. Se utilizan los catalizadores mezclados (catalizador de los ejemplos 30 a 3q) en un contenido de 20 ppm. Para el Catalizador del Ejemplo 3r el contenido de estaño del catalizador es 22.9 ppm.
Las tablas 4a y 4b muestran el contenido de estaño y las cantidades catalizadoras dosificadas de los experimentos respectivos.
Se introducen el BHET y el catalizador en el recipiente de reacción y se enjuagan bien con nitrógeno.
Se coloca el recipiente de reacción en el baño de sal. El registro del tiempo inicia ahora. Dentro de 15 min se disminuye la presión de 100 mbar a 0,09 mbar. Al final de la reacción se alcanza una presión de 0,04 mbar.
Los resultados se muestran en las tablas 5 a 15.
Las siguientes tablas muestran los resultados de los experimentos de policondensación. Los criterios de la actividad catalizadora son masas moleculares que se pueden obtener en periodos específicos, el incremento de la influencia de la degradación térmica, reconocible por el aplanamiento de la función P_{n}-t así como también los valores de color del poliéster. La cantidad del etanal evolucionado que se correlaciona directamente con el grado de división del grupo éster térmico es un criterio esencial de la adecuabilidad del catalizador. Los valores de color en las tablas muestran la decoloración del producto., los valores \alpha representan gradientes verde/rojo y los valores b representan gradientes azul/amarillo. Los valores \alpha negativos corresponden a gradientes verdes, los valores b negativos corresponden a gradientes azules. El cambio azul se favorece tecnológicamente.
Las investigaciones comparativas para la actividad catalítica de los compuestos de estaño seleccionados muestra que ninguna descomposición térmica notable se debe esperar dentro de 2 h de tiempo de policondensación a temperaturas de 280ºC. Por lo tanto es absolutamente posible sintetizar aún tereftalatos de polietileno de mayor peso molecular mediante la prolongación del tiempo de policondensación.
Todos los compuestos de estaño resultan ser catalizadores de alta actividad para la policondensación de BHET que muestra actividad significativamente más alta que los compuestos antimónicos. Su actividad de politransesterificación es superior a aquella de los alcóxidos de titanio y quelatos de titanio. Si se requiere, se pueden emplear en concentraciones mayores.
Para (2-etilhexanoatos) de butilestaño la actividad penetra con sustitución de alquilo incrementada. Con respecto a los valores de color logrados se prefieren el tricarboxilato de monoalquilestaño a los carboxilatos de di- y trialquilestaño.
TABLA 4a Contenido de estaño y cantidades de catalizador agregadas
9
TABLA 4b Contenido de estaño y cantidades catalizadoras agregadas
10
TABLA 5 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del Ejemplo Comparativo 1g
12
TABLA 6 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del Ejemplo Comparativo 1h
13
14
TABLA 7 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 1i
15
TABLA 8 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo Comparativo 1j
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TABLA 9 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 1k
17
18
TABLA 10 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 1l
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TABLA 11 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 1m
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TABLA 12 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 1n
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TABLA 13 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 3p y el Catalizador del Ejemplo 3q
22
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TABLA 14 Policondensación de BHET en presencia del catalizador del ejemplo 3r y el Catalizador del Ejemplo 30
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TABLA 15 Constantes de índice efectivo de la policondensación de BHET en presencia de compuestos de estaño
24
Ejemplo 5 Policondensación comenzando con ácido tereftálico y etilenglicol Método experimental Equipo de policondensación 2 (15 l reactor de laboratorio de Co. Juchheim, Alemania) para esterificación y policondensación directa de los productos de esterificación directa
El equipo consiste de reactor de mezcla de chaqueta doble de acero inoxidable con 15 litros de volumen nominal y con fondo cónico equipado con fondo de descarga. El mezclador es un mezclador de doble palanca, que se ajusta al fondo cónico, con control de velocidad y medición de torque. Un anillo con sello de deslizamiento con etilenglicol forman el bloqueo de mezclador como un líquido sellado. Se desarrolla el precalentamiento del reactor de tanque de la mezcla a través de un calentamiento en circulación de líquidos. Se desarrolla el control de la temperatura del portador caliente a través de un controlador de alta temperatura que depende de la temperatura actual en el reactor interior. En la tapa del reactor se instala una tolva de alimentación, tubo de dispersión de gas, manómetro, termómetro (tubo de inmersión), ventana de inspección, luz, válvula de desbordamiento, condensador de reflujo y un condensador de Liebig cerca al mezclador. Un condensador de tubos y un receptor de condensado se colocan corriente abajo hacia el condensador de reflujo, el condensador de Liebig termina en un segundo receptor de condensado. El receptor de condensado tiene cámaras de gas/válvulas de desgasificación, manómetro, válvula de desbordamiento, así como también un equipo de vacío en la tapa cerca a los medios de alimentación.
Para la generación del vacío principal de aproximadamente 20 mbar se utiliza una bomba de membrana y se utiliza una bomba de vacío de válvula giratoria hasta el vacío final. Se hace el control de presión por medio de un controlador de vacío en relación con una válvula magnética en frente de la boquilla de succión de la bomba. Se combinan las salidas del receptor de condensado en el punto de presión de medición y se conectan a través de dos trampas frías interrumpidas en serie y llenas de nitrógeno líquido.
Por medio de la impresora de datos se pueden registrar continuamente los siguientes datos de medición:
-
temperatura en la pared inferior interior en el reactor
-
temperatura en la fusión (tubo de inmersión en la tapa)
-
temperatura superior del condensador de reflujo
-
presión interna del reactor
-
torque en el eje del mezclador.
Se llevan a cabo la esterificación, prepolicondensación y policondensación en una etapa experimental. Se premezcla 20 moles de ácido tereftálico (TPA) intensamente con 28 moles de etilenglicol (EG) hasta que se hace homogénea. Se agrega a esta mezcla catalizadores basados en estaño. Se carga esta mezcla en el reactor que se ha lavado con nitrógeno anteriormente. Se cierra el reactor (tiempo a), se establece una velocidad de rotación del mezclador a 60 min^{-1} y se calienta hasta 230 a 240ºC temperatura interna. El aumento de la temperatura se sigue por un incremento de la presión hasta aproximadamente 4.5 bar. Se destila el agua generada por vía de un condensador de reflujo, que tiene una temperatura de 115ºC. Se mantiene la temperatura superior en este caso entre 170 y 190ºC.
Se indica el final de la esterificación (tiempo t_{1}) mediante una caída de la temperatura superior y la presión interna. Para la dosificación del catalizador se enfría el producto de esterificación a aproximadamente 180ºC durante un corto tiempo. Se aplica vacío primario y se calienta el reactor hasta una temperatura interna de 270 a 275ºC. Luego de alcanzar el vacío primario (aproximadamente 20 mbar) se inicia la bomba de vacío de válvula rotatoria. A una presión final < 0. 1 mbar inicia la policondensación (tiempo t_{2}), reconocible por el aumento de torque. Con altas viscosidades de fusión es necesario reducir la velocidad de rotación del mezclador desde el eje mezclador que se equipa con un lápiz cortante con un límite superior 60 Nm para proteger el eje. Al final de la policondensación (tiempo t_{3}) se desconecta el mezclador y el recipiente evacuado se lava con nitrógeno. Se descarga el producto del reactor mediante la descarga inferior bajo presión de nitrógeno. Se vierte en una lámina de acero para enfriar en glóbulos, o la fusión se conduce a través de baño de agua, se granula y se seca posteriormente el producto.
Se seca el material en un horno de vacío a 130ºC durante 6 h, luego se examina con respecto a las viscosidades intrínsecas, y se determinan los valores de color como se describió anteriormente.
Se lleva a cabo la policondensación que parte de ácido tereftálico y etilenglicol en presencia de los catalizadores de ejemplos 1i, 1n, y 3p.
Se muestran los resultados y las condiciones de prueba en las tablas 16a y 16b
TABLA 16a Condiciones de prueba y experimento de policondensación en el reactor de tanque de mezclado 15 l
25
TABLA 16b Resultados del experimento de policondensación en el reactor de tanque de mezclado 15 l
27

Claims (11)

1. Composición catalítica para reacciones de esterificación, transesterificación y policondensación de ácidos dicarboxílicos, ácidos policarboxílicos y/o ácidos hidroxi carboxílicos y alcoholes, dicha composición catalítica contiene compuestos de estaño de la fórmula general (I):
(fórmula I)[(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m-n}(OR^{2})_{n}O_{o}]^{P+}A^{q-}{}_{p/q}
en donde:
R^{1} y R^{2} cada uno independientemente es un grupo arilo o grupo alquilo lineal, ramificado o cíclico que tiene 1 a 12 átomos de carbono, A^{q-} es un anión, que es O^{2-}, un grupo alquilcarboxi lineal, ramificado o cíclico, o un grupo arilcarboxi cada uno tiene 1 a 12 átomos de carbono, el anión de un ácido mineral o anión de metalato, titanato, zirconato, o zincato
l = 12,
m = 6,
n = 1 a 6,
o = 14,
p = 2 y
q = 2.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Proceso para la preparación de una composición catalítica de acuerdo con la reivindicación 1, dicho proceso comprende la etapa de hacer reaccionar un alcóxido de metal con compuestos de estaño de la fórmula general (II)
(fórmula II).[(R^{1}Sn)_{l}(OH)_{m}O_{o}]^{P+}A^{q-}{}_{p/q}
3. Proceso de acuerdo con la reivindicación 2, en donde dicho alcóxido de metal y dicho compuesto de estaño se hacen reaccionar en una proporción de mol de 1:0.0001 hasta 1:20 por mol, en particular 1:4 a 1:6 por mol.
4. Uso de la composición catalítica como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 para la producción en forma de lotes o continua de ésteres o productos de policondensación mediante reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
5. Uso de acuerdo con la reivindicación 4 que incluye una reacción de poliesterificación de un derivado de ácido dicarboxílico con un alcohol mono, divalente o polivalente.
6. Uso de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, caracterizada porque emplea derivados de ácidos di, o policarboxílicos que se seleccionan del grupo que consiste de ésteres o halogenuros.
7. Uso de acuerdo con reivindicaciones 4 a 6, caracterizada porque emplea derivados de ácidos hidroxicarboxílicos que se seleccionan de ésteres.
8. Uso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizadas porque emplean una concentración de metal de dicha composición catalítica que está en el rango de 0.1 ppm a 1 mol % en particular 10-100 ppm con referencia al ácido o derivado a ser reaccionado.
9. Uso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8, caracterizadas porque emplean un agente de suspensión o disolvente para la fabricación de la composición catalítica y/o dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
10. Uso de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizada porque emplea el mismo agente de suspensión y/o disolvente para la fabricación de dicha composición catalítica y dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
11. Uso de acuerdo con la reivindicación 9 o 10, caracterizada porque emplea un agente de suspensión o disolvente que se selecciona del grupo de alcoholes mono-, di- o polivalente que se hacen reaccionar en dicha reacción de esterificación, transesterificación, poliesterificación o politransesterificación.
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