PL230932B1 - Sposób wytwarzania kwasów diacylowinowych metodą ciągłą - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób otrzymywania kwasów diacylowinowych przez hydrolizę odpowiednich bezwodników diacylowinowych w wodzie i krystalizację z wody, który prowadzi się w sposób ciągły tak, że do reaktora hydrolizy w temperaturze hydrolizy 80 - 100°C wprowadza się strumień bezwodnika diacylowinowego w wodzie, przy czym stosunek masowy woda/bezwodnik wynosi 0,8 - 3, i prowadzi się hydrolizę w temperaturze 80 - 100°C, w czasie 2 - 25 min., po czym mieszaninę poreakcyjną w postaci emulsji ciekłego monohydratu kwasu diacylowinowego w wodzie podaje się do reaktora wstępnego chłodzenia, w którym mieszaninę chłodzi się do temperatury 65 - 85°C, zachowując postać emulsji w wodzie, a następnie emulsję podaje się do krystalizatora, gdzie prowadzi się etap krystalizacji w temperaturze 10 - 55°C, w czasie 5 - 20 min., przy czym w czasie całego procesu w reaktorach zapewnia się mieszanie i przepływ strumieni pomiędzy reaktorami zachowując ich jednolitość.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania i krystalizacji kwasów diacylowinowych. Kwas winowy i jego związki, a szczególnie pochodne diacylowe, są szeroko wykorzystywane w syntezie organicznej i odgrywają bardzo ważną rolę w syntezie związków optycznie czynnych. Najszerzej, w tym także w skali przemysłowej, wykorzystuje się je do rozdziału mieszanin racemicznych amin, aminokwasów, alkoholi oraz innych związków o charakterze zasadowym i nie tylko. Są one używane jako czynniki rozdzielające lub derywatyzujące oraz w chiralnych materiałach chromatograficznych jako dodatki chiralne lub matrycujące [L. Synoradzki, U. Bernaś, P. Ruśkowski, Tartaric acid and its O-acyl derivatives. Part 2. Application of Tartaric Acid and of O-Acyl Tartaric Acids and Anhydrides. Resolution of Racemates, Org. Prep. Proc. Int., 2008, 40, 163-200].

Podstawową metodą otrzymywania kwasów diacylowinowych jest hydroliza odpowiednich bezwodników diacylowinowych. Zarówno kwasy, jak i bezwodniki są trudno rozpuszczalne w wodzie. Niektóre kwasy (np. dibenzoilo i ditoluoilowinowe KDBW i KDTW) krystalizują w postaci monohydratów z emulsji fazy niemieszającej się z wodą, która łatwo ulega przechłodzeniu i zbrylaniu, inne (np. dianizoilowinowy KDAW) nie tworzą fazy ciekłej i hydratów, a od razu z osadu bezwodnika przechodzą w osad kwasu, który jest niezwilżalny wodą, lekki, pełzający, pieniący.

Jedną ze znanych metod hydrolizę bezwodników diacylowinowych przeprowadzano w acetonie z wodą [N. Huh, C. M. Thompson, Tetrahedron, 51,5935 (1995)] lub w wodzie, najczęściej w temperaturze wrzenia, w ciągu 0,5-1 h, bez lub z dodatkiem rozpuszczalnika niemieszającego się z wodą, który ułatwiał wydzielanie kwasów [S. Nakai, H. Sato, T. Fujino, JP Patent 6166683, 1992 (EP Patent 600714, 1993); Chem. Abstr., 121,108498]. Jako rozpuszczalnik stosowano benzen, toluen, ksylen i chlorobenzen. Produkty otrzymywano w postaci bardzo drobnego, talkowatego osadu, trudnego w filtracji, suszeniu i w transporcie. Dodatek rozpuszczalnika ułatwiał wydzielenie, ale stosowane w tym celu rozpuszczalniki są lotne, łatwopalne, mają silny zapach, są szkodliwe i stwarzają zagrożenie wybuchem. Ponadto rozpuszczalnik organiczny może powodować obniżenie wydajności procesu i dodatkowo sprawia problemy z zagospodarowaniem ścieków.

Mezei i inni [HU22147] przeprowadzili hydrolizę bezwodnika dibenzoilowinowego do odpowiedniego kwasu w dichlorometanie, z małą ilością wody, pod ciśnieniem 0,15-0,5 MPa.

Najbardziej pożądane z punktu widzenia technologicznego i ochrony środowiska jest prowadzenie hydrolizy bezwodników diacylowinowych w wodzie, w temperaturze około 100°C. Woda jest tanim i ekologicznym medium reakcyjnym, mieszanina poreakcyjna jest wolna od rozpuszczalników organicznych, produkt końcowy krystalizuje z wody. Jednak problemem w przypadku hydrolizy w wodzie jest powstawanie kwasów w postaci niemieszającego się z wodą, ciekłego monohydratu lub zawiesiny osadu niezwilżanego wodą. Przykładowo, kwas dibenzoilowinowy i kwas ditoluoilowinowy krystalizują w postaci monohydratu z fazy ciekłego monohydratu i sprawne przeprowadzenie procesu wymaga specjalnego rozwiązania technicznego, ponieważ ciekłe monohydraty mają tendencję do przechładzania i gwałtownej krystalizacji w całej masie. Krystaliczne hydraty w trakcie krystalizacji z wody mają tendencję do adhezji, głównie do stali do mieszadła i do ścian reaktora.

Ponadto, podczas hydrolizy wiązania bezwodnikowego hydrolizie ulegają częściowo także grupy acylowe, co obniża wydajność produktu w wyniku powstawania łatwo rozpuszczalnych w wodzie kwasów monoacylowinowego i winowego oraz źle rozpuszczalnego odpowiedniego kwasu karboksylowego, który współkrystalizuje z produktem i zanieczyszcza go.

Aby wyeliminować powyższe komplikacje możliwe jest przeprowadzenie hydrolizy w niższej temperaturze (35-57°C), w wodzie z dodatkiem acetonu (5-50%), w którym np. KDBW rozpuszcza się. Metoda ta pozwoliła na otrzymanie kwasu dibenzoilowinowego bez produktów ubocznych, ale z niską wydajnością (60%) [L. Duhamel, J.-C. Plaquevent, Org. Prep. Proced. Int., 14, 347(1982)].

Znane metody otrzymywania kwasów diacylowinowych w środowisku wodnym są prowadzone w sposób periodyczny. Układ reakcyjny jest heterofazowy w całym procesie - surowce tworzą zawiesinę, produkt w temperaturze 100-60°C tworzy emulsję, a produkt w temperaturze pokojowej tworzy zawiesinę. Po osiągnięciu 100% konwersji bezwodnika do kwasu wymagane jest schłodzenie i utrzymanie bezpiecznej dla produktu temperatury w określonym czasie. W takich okolicznościach przeprowadzenie procesu w sposób ciągły jest bardzo trudne, ponieważ warunkiem ciągłego procesu jest utrzymanie jednolitego strumienia zawiesiny i emulsji. Z drugiej strony możliwość prowadzenia procesu w sposób ciągły jest pożądana w skali przemysłowej.

PL 230 932 B1

Celem wynalazku było opracowanie ciągłej metody otrzymywania kwasów diacylowinowych.

Sposób otrzymywania kwasów diacylowinowych przez hydrolizę odpowiednich bezwodników diacylowinowych w wodzie i krystalizację z wody według wynalazku charakteryzuje się tym, że proces prowadzi się w sposób ciągły tak, że do reaktora hydrolizy w temperaturze hydrolizy 80-100°C wprowadza się bezwodnik diacylowinowy w wodzie, przy czym stosunek masowy woda/bezwodnik wynosi 0,8-3, i prowadzi się hydrolizę w temperaturze 80-100°C, w czasie 2-25 min., po czym mieszaninę poreakcyjną w postaci emulsji ciekłego monohydratu kwasu diacylowinowego w wodzie podaje się do reaktora wstępnego chłodzenia, w którym mieszaninę chłodzi się do temperatury 65-85°C zachowując postać emulsji w wodzie, a następnie emulsję podaje się do krystalizatora, gdzie prowadzi się etap krystalizacji w temperaturze 10-55°C, w czasie 5-20 min. Podczas całego procesu w reaktorach zapewnia się intensywne mieszanie, tak aby nie następowała sedymentacja czy rozdział faz, wspomagane przepływem strumieni pomiędzy reaktorami, który korzystnie jest wymuszany dozowaniem.

Korzystnie proces prowadzi się w kaskadzie 2-5 reaktorów hydrolizy, przy czym w każdym z nich proces prowadzi się w temperaturze 80-100°C, w czasie 2-25 min. Korzystnie łączny czas etapu hydrolizy wynosi od 10 do 60 minut.

Korzystnie rozpoczynając proces mieszaninę poreakcyjną wprowadzaną do krystalizatora zaszczepia się kryształami odpowiedniego bezwodnika diacylowinowego, korzystnie w ilości odpowiadającej stężeniu zawiesiny produktu w stanie stacjonarnym.

Korzystne krystalizację produktu prowadzi się w temperaturze 15 do 25°C, przy stosunku woda: KDBW = 3 do 6;

Sposób według wynalazku pozwala na prowadzenie hydrolizy bezwodników diacylowinowych i krystalizacji kwasów diacylowinowych w wodzie w sposób ciągły, dzięki następującym warunkom prowadzenia procesu:

- na etapie hydrolizy mieszanina reakcyjna wprowadzana jest i przebywa w reaktorze przez krótki czas, w wysokiej temperaturze. Są to warunki wystarczające dla zajścia hydrolizy, ale czas jest za krótki do zajścia niekorzystnych reakcji następczych;

- po zakończeniu reakcji następuje szybkie wstępne schłodzenie do temperatury, w której reakcje następcze już nie zachodzą;

- intensywne mieszanie i przepływ reagentów zapewniają utrzymanie zarówno zawiesiny, jak i emulsji.

Czas przebywania w odpowiedniej regulowanej temperaturze reakcji zależy od szybkości wymuszonego przepływu i jest łatwy do określenia i modyfikacji za pomocą regulacji przepływu realizowanego przy zastosowaniu pompy dozującej jednolitą zawiesinę surowców.

Możliwość szybkiego obniżenia temperatury mieszaniny reakcyjnej o odpowiednim stopniu przereagowania praktycznie pozwala na wyeliminowanie reakcji następczych i osiągnięcie konwersji do kwasu i wydajności procesu bliskiej 100%. Zasilanie krystalizatora strumieniem wstępnie schłodzonej emulsji pozwala na odpowiednie ochłodzenie strumienia i szybką krystalizację w krystalizatorze z utwardzeniem produktu. Rozdzielenie operacji chłodzenia na dwa stopnie ułatwia techniczne rozwiązanie odbioru ciepła. Ze względu na bardzo dużą wydajność procesu z jednostki aparatury w procesie można zastosować szklane reaktory, co jest szczególnie istotne w przypadku krystalizatora, gdyż hydraty diacylowinowe charakteryzują się adhezją do stali w trakcie krystalizacji i kleją się do mieszadła i do ścian krystalizatora. Dodatkowo proces jest łatwy do uruchamiania, wszystkie reaktory przepływowe wypełnia się początkowo wodą i po około 0,5 h od rozpoczęcia dozowania surowców osiąga się już stan stacjonarny. Prowadzony proces ciągły można również łatwo zatrzymać (np. na weekend) i pono wnie uruchomić. Mycie aparatury wykonuje się w przepływie wodą w temperaturze hydrolizy bezwodnika (80-100°C).

W metodzie ciągłej według wynalazku intensywne mieszanie i wymuszony przepływ reagentów utrzymuje zawiesinę substratów i emulsję produktu w wodzie i, po krystalizacji, zawiesinę produktu. Ponadto hydroliza bezwodnika zachodzi szybciej, przez co możliwe jest przeprowadzenie jej w krótszym czasie lub w niższej temperaturze, bezpiecznej dla produktu. Podawana emulsja hydratów zasila proces krystalizacji ciągłe, nie jest więc konieczne czekanie, aż jedna porcja wykrystalizuje i można będzie podać następną porcję. Produkt w postaci monohydratu kwasu diacylowinowego krystalizuje z układu woda/KDAcW już przy stosunku 2:1, podczas gdy w procesie periodycznym konieczny był stosunek 6:1. KDAcW-H2O (hydrat) filtruje się dobrze, dzięki czemu zużycie wody na 1 kg produktu zmalało trzykrotnie. Czysty produkt otrzymuje się z wydajnością 97-99%.

PL 230 932 B1

Dzięki metodzie według wynalazku zaistniała możliwość stosowania małych reaktorów z jednoczesnym uzyskaniem wysokiej zdolności produkcyjnej. Proces dobrze nadaje się do powiększania skali i jest ekonomiczny.

Sposób według wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach. Przykładowy proces zrealizowano w aparaturze przedstawionej na rysunku, przy zmiennej liczbie reaktorów hydrolizy.

P r z y k ł a d 1. Otrzymywanie kwasu dibenzoilowinowego.

W mieszalniku M o poj. 6 L utworzono zawiesinę 5800 g bezwodnika dibenzoilowinowego i wody demineralizowanej odpowiednio w stosunku woda:BDBW = 3 lub 2 lub 1 i uruchomiono mieszanie 700 obr/min. Reaktory przepływowe kaskady: hydrolizy R1-Rn, chłodzenia Rc i krystalizator K (o poj. 250 mL, każdy z mieszadłami), napełniono po 250 mL wody demineralizowanej, uruchomiono przepływ wody w chłodnicach zwrotnych nad reaktorami R1i-Rn i Rc oraz uruchomiono mieszadła 700 obr/min, regulację i rejestrację temperatury. Po osiągnięciu w reaktorach R1-R3 temperatury 90, 92, 95 lub 97°C rozpoczęto dozowanie zawiesiny BDBW w wodzie za pomocą pompy perystaltycznej P, która w zakresie przepływu 10-50 mL/min. przy stosunku woda:BDBW = 3, 2, 1 g/g zapewniała jednolity strumień zawiesiny. Mieszanina po hydrolizie w reaktorach hydrolizy, wstępnie ochłodzona w reaktorze Rc do 65°C, spływała do krystalizatora K, chłodzonego wodą do temperatury 15-25°C, z zaszczepkami KDBW-LLO w ilości zapewniającej stężenie produktu w stanie stacjonarnym (od 80 do 125 g/250 mL wody w krystalizatorze). Zawiesina KDBW-LLO w wodzie przepływała z krystalizatora K przez przelew do kolb y o poj. 6 L. Proces prowadzono przez ok. 3 h (do wyczerpania surowca w mieszalniku). Po zakończeniu procesu produkt odfiltrowano i wysuszono. Otrzymano produkt zgodny z TWT (Tab. 1)

T a b e l a 1

Przykład	Przepływ surowców	Woda/ BDBW	Liczba reaktorów hydrolizy	Temperatura	Σ czasu przebywania = czas hydrolizy	Strumień KDBWxH2O	Wydajność
(mL/min.)	(°C)	(min.)	(kg/h)	(%)
1	50	3	2	97	10	0,88	98,5
2	50	2	3	93	15	1,22	99
3	50	1	5	90	25	1,94	98,5
4	40	3	2	95	13	0,70	98,7
5	40	2	3	92	19	0,97	99
6	40	1	2	97	13	1,55	99
7	10	3	1	97	17	0,24	98,5

P r z y k ł a d 2. Otrzymywanie kwasu ditoluoilowinowego.

W mieszalniku M o poj. 6 L utworzono zawiesinę 5800 g bezwodnika ditoluoilowinowego (BDTW) i wody demineralizowanej odpowiednio w stosunku woda:BDBW = 3 lub 2 i uruchomiono mieszanie 700 obr/min. Reaktory przepływowe kaskady: hydrolizy R1-Rn, chłodzenia Rc i krystalizator (o poj. 250 mL każdy z mieszadłami), napełniono po 250 mL wody demineralizowanej, uruchomiono przepływ wody w chłodnicach zwrotnych nad reaktorami R1-Rn,i Rc oraz uruchomiono mieszadła 700 obr/min., regulację i rejestrację temperatury. Po osiągnięciu w reaktorach R1-Rn temperatury 95 lub 97°C rozpoczęto dozowanie zawiesiny BDTW w wodzie za pomocą pompy perystaltycznej, która w zakresie przepływu 40-50 mL/min. przy stosunku woda:BDBW = 3 lub 2 g/g zapewniała jednolity strumień zawiesiny Po hydrolizie w reaktorach hydrolizy mieszanina, wstępnie ochłodzona w reaktorze Rc do 85°C, spływała do krystalizatora K, chłodzonego wodą do temperatury 50-55°C, z zaszczepkami KDTW-LLO (ilość zaszczepki odpowiada stężeniu produktu w stanie stacjonarnym 60 do 80 g /250 mL wody w krystalizatorze).. Zawiesina KDTW-LLO w wodzie przepływała z krystalizatora K przez przelew do kolby o poj. 6 L. Proces prowadzono przez ok. 3 h (do wyczerpania surowca w mieszalniku M). Po zakończeniu procesu produkt odfiltrowano i wysuszono. Otrzymano produkt zgodny z TWT (Tab. 2).

PL 230 932 B1

T a b e l a 2

Przykład	Przepływ surowców	Woda/ BDTW	Liczba reaktorów hydrolizy	Temperatura	Σ czasu przebyw. = czas hydrolizy	Strumień KDTWxH2O	Wydajność
(mL/min.)	(°C)	(min.)	(kg/h)	(%)
8	50	3	2	97	10	0,87	97,5
9	50	2	3	95	15	1,21	98
10	40	2	2	95	10	0,97	97,5

Zastrzeżenia patentowe

Claims (5)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania kwasów diacylowinowych przez hydrolizę odpowiednich bezwodników diacylowinowych w wodzie i krystalizację z wody, znamienny tym, że proces prowadzi się w sposób ciągły tak, że do reaktora hydrolizy w temperaturze hydrolizy 80-100°C wprowadza się strumień bezwodnika diacylowinowego w wodzie, przy czym stosunek masowy woda/bezwodnik wynosi 0,8-3, i prowadzi się hydrolizę w temperaturze 80-100°C, w czasie 2-25 min., po czym mieszaninę poreakcyjną w postaci emulsji ciekłego monohydratu kwasu diacylowinowego w wodzie podaje się do reaktora wstępnego chłodzenia, w którym mieszaninę chłodzi się do temperatury 65-85°C zachowując postać emulsji w wodzie, a następnie emulsję podaje się do krystalizatora, gdzie prowadzi się etap krystalizacji w temperaturze 10-55°C, w czasie 5- 20 min., przy czym w czasie całego procesu w reaktorach zapewnia się mieszanie i przepływ strumieni pomiędzy reaktorami zachowując ich jednolitość.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w kaskadzie 2-5 reaktorów hydrolizy, przy czym w każdym z nich proces prowadzi się w temperaturze 80-100°C, w czasie 2-25 min.

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że łączny czas etapu hydrolizy zawiera się w zakresie 10-60 minut.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przepływ jednolitych strumieni pomiędzy reaktorami jest wymuszany dozowaniem reagentów do reaktora hydrolizy.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że krystalizację produktu prowadzi się w temperaturze 15 do 25°C, przy stosunku woda: KDBW = 2 do 6.