PL227302B1

PL227302B1 - Sposób otrzymywania alkoholu perillowego

Info

Publication number: PL227302B1
Application number: PL411146A
Authority: PL
Inventors: Agnieszka Wróblewska; Beata Michalkiewicz; Edyta Makuch; Jacek Młodzik
Original assignee: Zachodniopomorski Univ Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2017-11-30
Also published as: PL411146A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania alkoholu perillowego w wyniku utleniania limonenu za pomocą nadtlenku wodoru lub wodoronadtlenku t-butylu jako utleniaczy.

Terpeny stanowią największą grupę wtórnych metabolitów roślin (wśród nich wyróżnia się ponad 400 monoterpenów). Monoterpeny i ich utlenione analogi zwane terpenoidami, charakteryzują się właściwościami smakowo-zapachowymi oraz wykazują zróżnicowaną aktywność biologiczną. Najbardziej rozpowszechnionymi w przyrodzie monoterpenami są: limonen i α-pinen. Limonen (inna nazwa karwen) posiada jedno centrum asymetrii na 4 atomie węgla i z tego względu może on występować w postaci dwóch enancjomerów R(+), S(-) lub w postaci mieszaniny racemiczej (nazwa ogólna - limonen, obejmuje wszystkie te związki).

Limonen jest bezbarwną, oleistą cieczą o temperaturze wrzenia w zakresie 176-177°C, jest on rozpuszczalny w typowych rozpuszczalnikach organicznych, natomiast w wodzie rozpuszcza się bardzo słabo (0,15 mmola/dm³ w 25°C). Jest to związek wonny, przy czym jego enancjomery różnią się zapachem. R(+)-limonen jest składnikiem olejku pomarańczowego, cytrynowego, kminkowego, selerowego i ma zapach określany jako cytrusowy, natomiast S(-)-limonen występuje w olejku świerkowym i jodłowym i ma zapach charakterystyczny dla drzew i krzewów iglastych. Limonen racemiczny znaleziono w olejku kamforowym i bergamotowym. Można go również otrzymać w wyniku dimeryzacji izoprenu, a także przez zachodzącą w temperaturze 250°C racemizację enancjomerów. Powstaje on również w trakcie termicznej izomeryzacji pinenu i kamfenu oraz podczas pirolizy naturalnego kauczuku.

Niski koszt surowca do produkcji limonenu sprawia, że jest to związek tani i łatwo dostępny. Limonen ze względu na intensywny zapach stosowany jest do aromatyzowania produktów spożywczych oraz jako komponent zapachowy w perfumach, kosmetykach i środkach do czyszczenia. Ponadto w syntezach chemicznych limonen zastępuje toksyczne rozpuszczalniki chlorowęglowodorowe. Związek ten znalazł zastosowanie, jako biodegradowalny, przyjazny środowisku naturalnemu rozpuszczalnik do odtłuszczania powierzchni metalowych przed obróbką przemysłową (stężenie limonenu 30-100%), jako środek czyszczący w przemyśle elektronicznym i drukarskim (stężenie limonenu 50-100%) oraz jako rozpuszczalnik w farbach. Limonen charakteryzuje się niską toksycznością u ssaków, a wysoką u owadów, ma właściwości antygrzybicze i antybakteryjne, stąd jest wykorzystywany w rolnictwie i w weterynarii, jako insektycyd i repelent. Szereg związków o właściwościach zapachowych lub wykazujących działanie biologicznie aktywne (mających zastosowanie w medycynie) ma zbliżony do limonenu szkielet węglowy, co powoduje, że związek ten znalazł zastosowanie do ich otrzymywania, często na drodze prostych, jedno- lub dwuetapowych przemian. Do związków tych należą: α-terpineol, karweol, karwon, alkohol perillowy, mentol i 1,2-tlenek limonenu (utlenione pochodne limonenu) oraz powstający na drodze odwodornienia limonenu p-cymen. Wszystkie te związki są o wiele cenniejsze niż limonen i mają zastosowanie w przemyśle perfumeryjnym i spożywczym jako składniki kompozycji zapachowych do aromatyzowania kosmetyków, napojów i żywności. Dodatkowo alkohol perillowy wykazuje bardzo silne działanie przeciwnowotworowe.

Epoksydacja limonenu nie jest procesem łatwym, wymaga ona doboru odpowiedniego katalizatora (głównie do tej pory stosowano w tym procesie katalizatory heterogeniczne) i odpowiednich warunków reakcji, aby ograniczyć ilość tworzących się w tym procesie produktów ubocznych. Podczas prowadzenia tego procesu oprócz produktu głównego - 1,2-tlenku limonenu, mogą się tworzyć następujące produkty uboczne, które w odpowiednich warunkach reakcji mogą stać się produktami głównymi reakcji: diol 1,2-tlenku limonenu, 8,9-tlenek limonenu, diol 8,9-tlenku limonenu, diepoksyd, diol diepoksydu, karweol i karwon:

PL 227 302 B1

Taki przebieg procesu, czyli tworzenie się 1,2-tlenku limonenu jako produktu głównego, a diolu 1,2-tlenku limonenu, 8,9-tlenku limonenu, diolu 8,9-tlenku limonenu, diepoksydu, diolu diepoksydu, karweolu i karwonu jako produktów ubocznych obserwowano prowadząc proces epoksydacji na katalizatorach heterogenicznych w postaci kompleksów Mn-salen i Co-salen immobilizowanych na hydrotalcydzie lub zeolicie Y, metylotrioksorenie skapsułkowanym w polistyrenie, na tytanowych silikalitach i silikatach (głównie Ti-MCM-41), czy na katalizatorze wanadowo-tytanowym V2O5/TiO2 [A. Corma i współpracownicy, Chem. Rev. 107 (2007) 2411-2502, M. V. Cagnoli i współpracownicy, Appl. Catal. A: General 287 (2005) 227-235, D. Marino i współpracownicy, Catal. Today 133-135 (2008) 632-638, P. Oliveira i współpracownicy, Catal. Today 118 (2006) 307-314] i na hetropolizwiązkach typu Keggina immobilizowanych na węglu lub tlenku glinu [S. G. Casuscelli i współpracownicy Appl. Catal. A: General 274 (2004) 115-122]. Nie obserwowano natomiast w procesach epoksydacji biegnących z udziałem wymienionych wyżej katalizatorów tworzenia się tak znaczących ilości alkoholu perillowego. Tworzenie tej tlenowej pochodnej limonenu obserwowano jedynie prowadząc proces utleniania limonenu z udziałem biokatalizatorów, których źródłem były: bakterie, grzyby, czy drożdże [W. A. Duetz i współpracownicy, Appl. Microbiol. Biotechnol. 61 (2003) 268-277, J. Alonso-Gutierrez i współpracownicy, Metabolic Engineering 19 (2013) 33-41]. Znany jest ze zgłoszenia patentowego P.409677 sposób wytwarzania 1,2-tlenku limonenu i alkoholu perillowego z limonenu przy zastosowaniu, jako katalizatora materiału zawierającego nanoporowaty węgiel (otrzymany z melasy) impregnowany żelazem będący przedmiotem zgłoszenia patentowego P.409678.

Nieoczekiwanie okazało się, że aby otrzymać alkohol perillowy z limonenu w wyniku utleniania nadtlenkiem wodoru lub wodoronadtlenkiem t-butylu można zastosować znacznie prostszy do otrzymania niż opisany w zgłoszeniu patentowym P.409678 katalizator: komercyjny węgiel aktywny impregnowany żelazem. Unika się dzięki temu czasochłonnego przygotowywania nośnika.

Sposób wytwarzania alkoholu perillowego, według wynalazku, polegający na utlenianiu limononu za pomocą 60% roztworu wodnego nadtlenku wodoru lub 6M roztworu wodoronadtlenku t-butylu w dekanie, w temperaturze 70°C, w czasie od 0,5h do 48h, w obecności metanolu jako rozpuszczalnika o stężeniu w mieszanie reakcyjnej wynoszącym 95% masowych, pod ciśnieniem atmosferycznym, przy stosunku molowym limonen: utleniacz 1:2, charakteryzuje się tym, że utlenianie limonenu prowadzi się w obecności katalizatorów w postaci węgla aktywnego impregnowanego żelazem, o zawartości żelaza od 0,01-45% masowych. Katalizator stosuje się w ilości 0,5-5% masowych w mieszaninie reakcyjnej, przy czym surowce wprowadza się w następującej kolejności: katalizator, limonen, metanol, a utleniacz wprowadza się dopiero po osiągnięciu przez roztwór reakcyjny temperatury reakcji.

Katalizator otrzymuje się w ten sposób, że węgiel aktywny impregnuje się żelazem mieszając go z Fe(NO3)3 • 9 H2O w takim stosunku, aby uzyskać zawartość żelaza od 0,01-45% masowych. Stosunek masowy Fe(NO3)3 • 9 H2O: węgiel aktywny wynosi 1:0,00074 do 8,66. Następnie zalewa się wodą destylowaną i mieszaninę poddaje się działaniu ultradźwięków przez 60 minut, odparowuje się wodę i wysuszony materiał poddaje kalcynacji w temperaturze 550°C, w atmosferze azotu.

Korzystnie proces utleniania prowadzi się za pomocą 6M roztworu wodoronadtlenku t-butylu w dekanie, w czasie reakcji 1,5-3h, stosując katalizator w ilości 2,45% masowych. Możliwe jest wów4

PL 227 302 B1 czas otrzymanie alkoholu perillowego z 100% mol selektywnością przy konwersji limonenu osiągającej dla czasu 3 godzin 18 mol%, czyli alkohol perillowy jest jedynym produktem procesu utleniania.

Węgiel aktywny impregnuje się mieszając go z Fe(NO3)3 • 9 H2O i wodą destylowaną. Mieszaninę poddaje się działaniu ultradźwięków, a następnie odparowuje wodę, suszy i kalcynuje. Katalizator otrzymuje się stosując komercyjny, dostępny węgiel aktywny, taki jak: WGEuro, WG12, FP-V i CWZ-22.

Głównym produktem reakcji w większości prowadzonych syntez był alkohol perillowy, oprócz niego w mieszaninach poreakcyjnych oznaczano obecność karwonu, karweolu, 1,2-epoksylimonenu i diolu 1,2-epoksylimonenu. Prowadząc proces utleniania limonenu na wyżej wymienionych katalizatorach opartych na komercyjnych węglach aktywnych zaobserwowano trzy główne kierunki reakcji:

1) allilowe utlenianie w pozycji 7 i tworzenie alkoholu allilowego (główny produkt reakcji),

2) epoksydowanie podwójnego wiązania w pozycji 1-2 i tworzenie 1,2-epoksylimonenu, który bardzo łatwo ulegał uwodnieniu do diolu 1,2-epoksylimonenu, i

3) allilowe utlenianie w pozycji 6 i tworzenie karewolu, który bardzo łatwo ulegał utleniającemu odwodornieniu do karwonu.

Zaletą proponowanego sposobu utleniania jest zastosowanie w nim nowych, dotąd nie opisywanych w literaturze katalizatorów, które są otrzymywane przy użyciu komercyjnie dostępnych węgli aktywnych (WGEuro, WG12, FP-V i CWZ-22). Drugą, istotną zaletą proponowanego sposobu epoksydacji, jest możliwość otrzymania w tym procesie, jako produktu głównego alkoholu perillowego. Alkohol perillowy jest bardzo cennym związkiem dla medycyny, gdyż wykazuje działanie przeciwnowotworowe. Powstawania w tak znacznych ilościach alkoholu perillowego nie obserwowano na stosowanych dotąd katalizatorach heterogenicznych, tworzył się on jedynie, jako produkt bezpośredniej hydroksylacji limonenu w obecności biokatalizatorów pochodzących z bakterii, grzybów czy drożdży, a także jako jeden z dwóch produktów głównych podczas epoksydowania limonenu na katalizatorze, w którym zastosowano nanoporowaty węgiel otrzymany z melasy, co zostało opisane w zgłoszeniach patentowych P.409677 i P.409678.

Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania, przy czym przykłady od 1 do 5 opisują sposób otrzymywania katalizatorów wykorzystanych w sposobie według wynalazku.

P r z y k ł a d 1

Węgiel aktywny WGEuro w ilości 0,5 g zmieszano z 0,1013 g Fe(NO3)3 • 9 H2O i zalano 10 ml wody destylowanej. Mieszano za pomocą mieszadła przez 60 minut. Następnie poddano działaniu ultradźwięków przez 60 minut. Wodę odparowywano przez 2h w temperaturze 100°C. Wysuszony materiał poddano kalcynacji w temperaturze 550°C, w atmosferze azotu. Tak przygotowany katalizator zawierał tlenek żelaza Fe3O4. Zawartość żelaza w tym katalizatorze wynosiła 2,6% mas.

P r z y k ł a d 2

Postępowano podobnie jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że jako nośnik zastosowano węgiel aktywny WG12, a ilość Fe(NO3)3 • 9 H2O wynosiła 0,00037 g. Zawartość żelaza w tym katalizatorze była równa 0,01% mas.

P r z y k ł a d 3

Postępowano podobnie jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że jako nośnik zastosowano węgiel aktywny FP-V, a ilość Fe(NO3)3 • 9 H2O wynosiła 0,0486 g. Zawartość żelaza w tym katalizatorze była równa 1,32% mas.

P r z y k ł a d 4

Postępowano podobnie jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że jako nośnik zastosowano węgiel aktywny CWZ-22, a ilość Fe(NO3)3 • 9 H2O wynosiła 4,3300 g. Zawartość żelaza w tym katalizatorze była równa 45% mas.

P r z y k ł a d 5

Postępowano podobnie jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że ilość Fe(NO3)3 • 9 H2O wynosiła 0,02484 g. Zawartość żelaza w tym katalizatorze była równa 0,68% mas.

P r z y k ł a d 6

Do szklanej kolby trójszyjnej o pojemności 25 cm³, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne wprowadzano substraty w następującej kolejności: 0,015 g katalizatora z przykładu 1 (WGEuro zawierający 2,6% mas, Fe), 0,052 g limonenu, 1,670 g metanolu i na końcu utleniacz tzn. 60% roztwór wodny nadtlenku wodoru w ilości 0,047 g. Mieszaninę reakcyjną ogrzewano do temperatury 70°C i w tej temperaturze dodawano odpowiednią ilość nadtlenku wodoru. Ogrzewanie prowadzono w czasie od 0,5h do 48h, pobierając próbki do analiz chromatograficznych, a także

PL 227 302 B1 do jodometrycznego oznaczania nieprzereagowanego nadtlenku wodoru po następujących czasach reakcji: 0,5h, 1h, 1,5h, 2h, 2,5h, 3h, 4h, 5h, 24h i 48h. Stosunek molowy limonenu do nadtlenku wodoru wynosił 1:2, stężenie metanolu 95% mas., a ilość katalizatora 2,45% mas. W badanym zakresie czasów reakcji (od 0,5h do 48h) selektywność alkoholu perillowego najpierw rosła od 0% mol do 42% mol (czas 3h), a następnie malała do 37% mol (czas 48h). Jako drugi produkt reakcji tworzył się diol 1,2-epoksylimonenu (cały 1,2-epoksylimonen powstający w procesie ulegał uwodnieniu do diolu), jego selektywność zmieniała się od 0% mol do 71% mol (czas 1h), a później malała do 63% mol. Konwersja limonenu rosła od 0% mol do 100% mol.

P r z y k ł a d 7

Do szklanej kolby trójszyjnej o pojemności 25 cm³, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne wprowadzano substraty w następującej kolejności: 0,222 g katalizatora z przykładu 3 (FP-V zawierający 2,6% mas, Fe), 0,267 g limonenu, 8,598 g metanolu i na końcu po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury dodano utleniacz tzn. 6M roztwór wodoronadtlenku t-butylu w dekanie w ilości 0,217 g. Mieszaninę reakcyjną ogrzewano w czasie od 0,5h do 48h, pobierając próbki do analiz chromatograficznych po następujących czasach reakcji: 0,5h, 1h, 1,5h, 2h, 2,5h, 3h, 4h, 5h, 24h i 48h. Stosunek molowy limonenu do nadtlenku wodoru wynosił 1:2, stężenie metanolu 95% mas., a ilość katalizatora 2,45% mas. W badanym zakresie czasów reakcji (od 0,5h do 48h) selektywność alkoholu perillowego zmieniała się od 66% mol (czas reakcji 4h) do 74% mol (czas reakcji 48h). W mieszaninie reakcyjnej był obecny również karweol, który tworzył się z selektywnością od 15% mol do 9% mol (w tym samym zakresie czasów, co alkohol perillowy) oraz karwon (produkt utleniającego odwodornienia karweolu), który w analogicznym zakresie czasów tworzył się z selektywnością 19% mol do 18% mol. Konwersja limonenu rosła od 7% mol do 24% mol.

P r z y k ł a d 8

Do szklanej kolby trójszyjnej o pojemności 25 cm³, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne wprowadzano substraty w następującej kolejności: 0,222 g katalizatora zawierającego analogiczną ilość Fe (0,68% mas. Fe), jak w przykładzie 5, przy czym był to katalizator CWZ-22, 0,261 g limonenu, 8,581 g metanolu i na końcu utleniacz tzn. 60% roztwór wodny nadtlenku wodoru w ilości 0,220 g. Mieszaninę reakcyjną ogrzewano do temperatury 70°C i w tej temperaturze dodawano odpowiednią ilość nadtlenku wodoru. Ogrzewanie prowadzono w czasie od 0,5h do 3,5h, pobierając próbki do analiz chromatograficznych, a także do jodometrycznego oznaczania nieprzereagowanego nadtlenku wodoru po następujących czasach reakcji: 0,5h, 1h, 1,5h, 2h, 2,5h, 3h, 4h, 5h, 24h i 48h. Stosunek molowy limonenu do nadtlenku wodoru wynosił 1:2, stężenie metanolu 90% mas., a ilość katalizatora 2,45% mas. Selektywność alkoholu perillowego malała od 53% mol (czas 5h) do 40% mol (czas 48h).

W mieszaninie obecny był też diol 1,2-epoksylimonenu, którego selektywność dla wyżej wymienionych czasów reakcji rosła od 19% mol do 27% mol, a także był obecny karwon, którego selektywność zmieniała się od 27% mol do 33% mol. Konwersja limonenu rosła od 24% mol do 82% mol.

P r z y k ł a d 9

Do szklanej kolby trójszyjnej o pojemności 25 cm³, zaopatrzonej w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne wprowadzano substraty w następującej kolejności: 0,045 g katalizatora zawierającego analogiczną ilość Fe (2,6% mas. Fe), jak w przykładzie 1, przy czym był to katalizator zarówno WGEuro, jak i WG-12, FP-V i CWL-22, 0,053 g limonenu, 1,698 g metanolu i na końcu po podgrzaniu do odpowiedniej temperatury dodano utleniacz tzn. 6M roztwór wodoronadtlenku t-butylu w dekanie w ilości 0,044 g. Mieszaninę ogrzewano w czasie od 0,5 h do 48h, pobierając próbki do analiz chromatograficznych po następujących czasach reakcji: 0,5h, 1h, 1,5h, 2h, 2,5h, 3h, 4h, 5h, 24h i 48h. Stosunek molowy limonenu do nadtlenku wodoru wynosił 1:2, stężenie metanolu 95% wag., a ilość katalizatora 2,45% mas. W badanym zakresie czasów reakcji (od 0,5h do 48h) selektywność alkoholu perillowego zmieniała się od 100% mol (czas reakcji 1,5, 2h, 2,5h, 3h) do 74% mol (48h). Jedynym produktem ubocznym był 1,2-epoksylimonen, którego selektywność rosła w czasie od 4h do 48h od 6 do 26% mol. Konwersja limonenu rosła od 0% mol do 46% mol.

Claims

1. Sposób otrzymywania alkoholu perillowego polegający na utlenianiu limononu za pomocą 60% roztworu wodnego nadtlenku wodoru lub 6M roztworu wodoronadtlenku t-butylu

PL 227 302 B1 w dekanie, w temperaturze 70°C, w czasie od 0,5h do 48h, w obecności metanolu jako rozpuszczalnika o stężeniu w mieszaninie reakcyjnej wynoszącym 95% masowych, pod ciśnieniem atmosferycznym, przy stosunku molowym limonen: utleniacz 1:2, znamienny tym, że utlenianie limonenu prowadzi się w obecności katalizatorów w postaci węgla aktywnego impregnowanego żelazem, o zawartości żelaza od 0,01-45% masowych, w ilości 0,5-5% masowych w mieszaninie reakcyjnej, przy czym surowce wprowadza się w następującej kolejności: katalizator, limonen, metanol, a utleniacz wprowadza się dopiero po osiągnięciu przez roztwór reakcyjny temperatury reakcji.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że węgiel aktywny impregnuje się żelazem mieszając go z Fe(NO3)3 • 9 H2O w takim stosunku, aby uzyskać zawartość żelaza od 0,01-45% masowych, następnie zalewa się wodą destylowaną i poddaje się działaniu ultradźwięków przez 60 minut, odparowuje się wodę i wysuszony materiał poddaje kalcynacji w temperaturze 550°C, w atmosferze azotu

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces utleniania prowadzi się za pomocą 6M roztworu wodoronadtlenku t-butylu w dekanie, w czasie reakcji 1,5-3h, stosując katalizator w ilości 2,45% masowych.