PL232727B1 - Sposób wytwarzania winianów n-alkoholi C1−C3 - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania winianów n-alkoholi C1-C3. W ostatnich latach, wraz z rozwojem przemysłu chemicznego, prowadzone są wysoko selektywne syntezy optycznie czynnych związków, szczególnie leków. W dużej liczbie procesów produkcyjnych stosuje się więc jako substraty związki chiralne, a także chiralne rozpuszczalniki czy chiralne katalizatory.

Kwas L-winowy jest naturalnym, optycznie czynnym związkiem organicznym, należącym do grupy hydroksykwasów dikarboksylowych, zawierającym dwie grupy hydroksylowe. Może występować w trzech postaciach optycznie czynnych, odgrywających odpowiednią rolę stereoselektywną. Z tego powodu kwas winowy, a szczególnie jego pochodne, takie jak estry, mają szerokie zastosowanie w syntezie chemicznej. Jedną z najważniejszych syntez, w której stosuje się dialkilowe winiany przeprowadził 1980 roku Sharpless (Nagroda Nobla 2001). Metoda umożliwiła syntezę różnych związków: węglowodanów, lipidów, terpenów, feromonów i antybiotyków [T. Katsuki and K. B. Sharpless, J Am. Chem. Soc., 102, 5974 (1980)]. Winian dimetylu posłużył do syntezy ligandu fosfino-fosforynowego stosowanego w przemyśle winiarskim i piwowarskim. W medycynie dialkilowe winiany są powszechnie stosowane jako materiały wyjściowe do syntezy licznych związków biologicznie czynnych. Winiany znalazły zastosowanie w syntezie polimerów jako przydatne materiały biomedyczne i farmaceutyczne, ponieważ mają właściwości biozgodności i biodegradowalności. Ze względu na dostępność relatywnie niedrogich surowców naturalnych z multifunkcjonalnością struktury, kwas winowy stosuje się jako substrat w syntezie polimerów funkcjonalnych, poliestrów, poliamidów, poliuretanów. Winiany dialkilów są stosowane także w preparatach kosmetycznych.

Klasyczną metodą otrzymywania estrów kwasów karboksylowych jest bezpośrednia estryfikacja kwasów organicznych alkoholami. Reakcja jest procesem odwracalnym i przebiega na ogół powoli. Dodanie mocnych kwasów znacznie przyspiesza reakcję. Produktami reakcji równowagowej są ester i woda. Jako rozpuszczalnik stosuje się nadmiar alkoholu lub rozpuszczalnik tworzący z wodą azeotrop. Równowagę można przesunąć w kierunku powstawania estru, stosując nadmiar jednego z reagentów lub usuwając jeden z produktów, najczęściej wodę (np. przez wydestylowanie wody azeotropowo, osuszanie przy użyciu odpowiednich sit molekularnych lub stosunkowo nowoczesna metoda perwaporacji). Szybkość reakcji zależy od temperatury, ilości katalizatora i szybkości usuwania wody. Po zakończeniu procesu nadmiar alkoholu jest oddestylowany. Podobnie reakcja przebiega w przypadku kwasów dikarboksylowych, ale proces zachodzi dwuetapowo. W pierwszym etapie następuje przyłączenie jednej cząsteczki alkoholu i w rezultacie otrzymuje się monoester, do którego w kolejnym etapie przyłącza się druga cząsteczka alkoholu. W wyniku reakcji powstaje finalny produkt oraz woda z pierwszego i drugiego etapu. Wydzielanie estru następuje po oddestylowaniu alkoholu, a roztwory estru w rozpuszczalniku są neutralizowane - oczyszczane poprzez przemywanie roztworem węglanu sodu i wodą (ekstrakcja katalizatora oraz nieprzereagowanego kwasu). Z obojętnych suchych roztworów usuwano rozpuszczalnik i wydzielano produkt przez destylację pod zmniejszonym ciśnieniem. W przypadku estryfikacji kwasu winowego (dikarboksylowego) neutralizację, oczyszczanie i usuwanie katalizatora również realizuje się przez ekstrakcję roztworami wodnymi, mimo że nie jest to korzystne. Kwas winowy i winiany posiadają dwie grupy hydroksylowe, co powoduje, że estry niskich alkoholi łatwo rozpuszczają się w wodzie powodując straty produktu.

Opisanych jest wiele metod otrzymywania winianów w skali laboratoryjnej, w tym również winianów niższych alkoholi (C1-C3). Główną metodą uzyskania diestrów winowych jest estryfikacja w nadmiarze alkoholu (ok. 6-krotnym), w temperaturze wrzenia, w czasie 24-26 godzin, z wydajnością 82-97%. Jako katalizator stosowano homogenny stężony kwas siarkowy(VI) -50%mol, z usuwaniem wody sitami molekularnymi [J. A. Musich, H. Rapoport, J. Am. Chem. Soc., 100(15), 4865-4872 (1978)] oraz 5%mol, z usuwaniem wody azeotropowo z tetrachloroetanem [Z. Wu, Y. Huang, C. Zhang, D. Zhu, Z. Bian, M. Ding, L. Gao and Z. Yang, J Appl. Polym. Sci., 117, 3558 (2010)]. Stosowano także kwas p-toluenosulfonowy, z usuwaniem wody sitami molekularnymi [Lemieux R. U., Howard J., Can. J. Chem., 1963, 41(2), 393-398] oraz silnie kwaśne kationity (Amberlyst 15) jako katalizatory heterogenne [Anand R. C., Selvapalm N., Synth. Commun., 1994, 24(19), 2743-2747] oraz Dowex 50W-8X 15, z usuwaniem wody azeotropowo z benzenem [Crout D. H. G., Gaudet V. S. B., Hallinan K. O., Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 1: Organic and Bio-Organic Chemistry, 1993, 7, 805-812]. Ponadto, katalizatory kwas siarkowy(VI) i Amberlysty 15 były stosowane wraz z usuwaniem wody metodą perwaporacji [D. Nemec and R. van Gemert, Ind. Eng. Chem. Res., 44, 9718 (2005); A. Krasiński, P. Wierzba, A. Grudzień, H. Hajmowicz, K. Zawada, L. Synoradzki, Chem Process Eng, 37, 121 (2016). Reakcja przebiegała bez wykrywalnej racemizacji cząsteczki winianu. W przypadku użycia katalizatorów homogennych usuwano nadmiar alkoholu, pozostałość rozpuszczano w eterze i usuwano katalizator poprzez odmycie roztworu eterowego estru roztworem wodnym wodorowęglanu sodu i wodą. Następnie roztwór eterowy suszono bezwodnym siarczanem sodu lub magnezu. Produkt był wydzielany przez destylację próżniową w dość ostrych warunkach: w wysokiej temperaturze przy niskiej próżni (np. L-winian dietylu twrz. = 135°C/0.1 Torr, wyd. 85-87%). W przypadku użycia kationitów stosowano tylko odfiltrowanie katalizatora i po oddestylowaniu alkoholu produkt wydzielano również przez destylację próżniową. Dodatkową korzyścią zastosowania kationitu jest możliwość powtórnego jego zastosowania bez regeneracji.

Zastosowanie nadmiaru alkoholu pozwala na uzyskanie wysokiej wydajności reakcji, wiąże się to jednak z nieefektywnym wykorzystaniem przestrzeni reakcyjnej. Ważnym etapem całego procesu jest usunięcie wody, która wpływa na równowagę reakcji. Usuwanie wody przesuwa równowagę w kierunku tworzenia produktów, co pozwala na otrzymanie wyższej wydajności reakcji. W dotychczasowych rozwiązaniach przemysłowych, odwadnianie azeotropowe np. etanolu prowadzone jest metodą destylacji ekstrakcyjnej (np. z dodatkiem cykloheksanu, heksanu, chloroformu) lub metodą absorpcji wody na sitach molekularnych. W każdej z tych konwencjonalnych metod wprowadza się składnik wymagający okresowej regeneracji, stanowiący ponadto produkt odpadowy, niejednokrotnie uciążliwy dla środowiska. Sita molekularne działają jednocześnie na alkohol jak efektywny katalizator, dając w efekcie szereg niepożądanych produktów ubocznych (np. zwiększają kwasowość odwadnianego alkoholu). Zastosowanie perwaporacji, w miejsce konwencjonalnych metod odwadniania (a także innych rozpuszczalników, tworzących z wodą mieszaniny azeotropowe), przynosi, oprócz niewymiernych korzyści w ochronie środowiska, także konkretne korzyści ekonomiczne poprzez zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych (m.in. mniejsze wymagania energetyczne perwaporacji w porównaniu z destylacją ekstrakcyjną czy sitami molekularnymi oraz minimalizuje odpad). Wprowadza jednak specjalne (drogie) systemy membran polimerowych lub krzemionkowych, jako selektywne separatory z wymuszeniem przez nie przepływu odwadnianej mieszaniny. Estryfikacja metanolem lub n-propanolem również wymaga podobnych rozwiązań. Osiągnięcie wysokiej wydajności estryfikacji kwasu winowego n-alkoholami C1-C3 z zastosowaniem ww. metod usuwania wody wymaga więc dużych nakładów energetycznych i czasu.

Celem wynalazku było rozwiązanie wyżej przedstawionych problemów.

Sposób wytwarzania winianów n-alkoholi C1-C3 w reakcji estryfikacji kwasu winowego z alkoholem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że reakcję estryfikacji prowadzi się w sposób wielostopniowy, do osiągnięcia w każdym stopniu stanu równowagi, przy sumarycznym nadmiarze alkoholu 9-18 moli/mol kwasu winowego, z zastosowaniem złoża mocnego kationitu H+ jako katalizatora, w ilości 0,25-1 g/1 g kwasu winowego. Każdy stopień reakcji estryfikacji prowadzi się w czasie co najmniej 2 godzin, przy nadmiarze alkoholu 2-7 moli/mol kwasu winowego, z usuwaniem wody z nadmiarem alkoholu w bezpośredniej destylacji próżniowej z mieszaniny reakcyjnej po każdym stopniu reakcji. Po zakończeniu ostatniego stopnia reakcji mieszaninę reakcyjną neutralizuje się w temperaturze pokojowej, na złożu silnego anionitu w formie OH-.

Korzystnie estryfikację prowadzi się w 2-5 stopniach.

Korzystnie reakcję w każdym stopniu prowadzi się w temperaturze 2-4°C poniżej temperatury wrzenia alkoholu.

Korzystnie reakcję prowadzi się w kolumnie ze złożem katalizatora, z cyrkulacją mieszaniny alkohol - kwas winowy przez to złoże.

Korzystnie destylację po każdym stopniu reakcji prowadzi się przy ciśnieniu 900-25 hPa, w czasie 1 -3 godzin.

Korzystnie neutralizację prowadzi się z udziałem anionitu w ilości 0,25 do 0,5 g/g kwasu winowego (dla formy handlowej Cl-), w czasie 2-6 godzin.

Korzystnie po neutralizacji produkt reakcji odbarwia się, korzystnie na węglu aktywnym i ziemi okrzemkowej.

Korzystnie po neutralizacji oddestylowuje się wodę i alkohol, korzystnie w temperaturze i ciśnieniu od 50°C/300-25 hPa do 80°C/25 hPa.

Formę krystaliczną winianu dialkilu uzyskuje się w wyniku krystalizacji ciekłego produktu, w rozpuszczalniku organicznym.

Wielostopniowa reakcja według wynalazku, w której na każdym etapie osiąga się stopień równowagi, pozwala na efektywne wykorzystanie przestrzeni reakcyjnej dzięki zastosowaniu w każdym stopniu stosunkowo niewielkiego nadmiaru alkoholu. Wybrany rodzaj i ilość katalizatora warunkuje osiągnięcie stanu równowagi w każdym etapie w założonym czasie. Zamiast kosztownych metod usuwania wody zastosowano szybką, prostą destylację próżniową bezpośrednio z mieszaniny reakcyjnej po każdym stopniu reakcji. Stopniowy sposób prowadzenia reakcji z każdorazową destylacją w bezpiecznej dla produktu temperaturze skutkuje niską zawartością wody w mieszaninie reakcyjnej poddawanej neutralizacji. W sposobie według wynalazku nie stosuje się neutralizacji i ekstrakcji roztworami wodnymi. W rezultacie uzyskuje się produkt handlowy zgodny z wymaganiami o czystości >99,5% z wydajnością powyżej 90%.

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. P r z y k ł a d

Estryfikacja 1-szy stopień.

Proces estryfikacji kwasu winowego (KW) alkoholem przeprowadzono w zestawie aparatury: kolba trójszyjna poj. 1 L z nasadką trójdrożną, chłodnicą zwrotną, zabezpieczoną przed dostępem wilgoci balonem, z elementem magnetycznym, pomiarem i regulacją temperatury, z króćcem wyjściowym połączonym poprzez pompę perystaltyczną ( ELPIN+) z dolnym króćcem kolumny ze złożem kationitu, której górny króciec połączony jest z króćcem wejściowym do kolby trójszyjnej, tak aby mieszanina z kolby krążyła poprzez złoże. W kolbie umieszczono kwas winowy i odpowiedni alkohol. Mieszaninę ogrzewano do rozpuszczenia KW (utrzymuje się lekkie wrzenie). Katalizator, handlowe złoże kationitu Amberjet 1000 H w ilości 0,25-1 g/g KW, umieszczono w kolumnie z płaszczem grzejnym podłączonym do termostatu. Złoże przygotowano zgodnie z instrukcją producenta, po czym usunięto nadmiar wody. Po rozpuszczeniu kwasu winowego w alkoholu proces estryfikacji przeprowadzono na złożu katalizatora kationitu Amberjet 1000 H w kolumnie w układzie z cyrkulacją reaktor/kolumna, z przepływem w prze-ciwprądzie, w temperaturze lekko poniżej temperatury wrzenia mieszaniny (2-4°C) w reaktorze i w kolumnie, przy przepływie 0,3 L/min (18 L/h). Po 3 h w mieszaninie poreakcyjnej osiągnięto pH » 1-2 i stan równowagi. Wyłączono grzanie i mieszaninę estryfikacyjną z kolumny spuszczono do kolby, a odpływ oraz dopływ do kolumny zamknięto. Układ reakcyjny zmieniono na destylacyjny prosty, pozostawiając mieszanie mieszadłem magnetycznym. Następnie stopniowo obniżano ciśnienie, tak ab y utrzymać intensywną destylację z całkowitym wykropleniem oparów ze strumienia destylatu. W końcowej fazie, przy temperaturze 80°C i ciśnieniu 25 hPa odbiór destylatu zanikł i taki stan utrzymywano jeszcze przez 30 min. Całkowity czas zatężania wynosił 1 h. W celu uzyskania optymalnych warunków estryfikacji, w czasie oddestylowania nadmiaru alkoholu i wody, przygotowano złoże do drugiego stopnia poprzez osuszenie złoża przepływem powietrza w temperaturze 60 do 80°C do wymaganych parametrów.

Estryfikacja 2-gi i kolejny stopień.

Zmieniono układ na reakcyjny (cyrkulacja przez reaktor i kolumnę). Do pozostałości po destylacji dodano świeży alkohol w ilości takiej, jak do pierwszego stopnia i prowadzono proces estryfikacji w sposób analogiczny jak w pierwszym stopniu, w tym samym układzie z cyrkulacją (reaktor/kolumna) oraz oddestylowaniem. W ten sam sposób postępowano w kolejnych stopniach, aż do osiągnięcia w mieszaninie alkoholowej poestryfikacyjnej wydajności winianu dialkilu 95-97%.

Szczegółowe parametry reakcji podano w Tabeli

Neutralizacja i oczyszczanie

Po ostatnim stopniu estryfikacji w mieszaninie alkoholowej osiągnięto pH, 3-3,5; 3-5% mono-kwasu monoalkilu i zaw. wody około 1%. Lekko żółtą mieszaninę poestryfikacyjną schłodzono do temperatury 20-25°C i przy pomocy tej samej pompy, odpowiednim przewodem, skierowano do neutralizacji - oczyszczania.

Neutralizację mieszaniny poreakcyjnej przeprowadzono na złożu anionitu Lewatit MonoPlus M 500 forma Cl w ilości 0,25 do 0,5 g/g KW. Przed przystąpieniem do neutralizacji złoże przygotowano, przeprowadzono wymianę złoża firmowego CI/OH (wymiana ok. 90%) według procedury producenta. Następnie złoże w formie OH w kolumnie osuszono poprzez usunięcie wody ze złoża przepływem argonu i alkoholem, po czym połączono mieszaninę w kolbie trójszyjnej poestryfikacyjnej z kolumną anionitu, stosując kran trójdrożny, który umożliwił podawanie mieszaniny na kolumnę początkowo w prze-ciwprądzie (od dołu w celu odgazowania złoża) i następnie we współprądzie (od góry) i prowadzono cyrkulację (jak przy estryfikacji) 3-6 h. Po uzyskaniu pH 7 spuszczono roztwórz kolumny i wypchnięto resztki roztworu przepływem argonu przez 5 min. Połączone roztwory zawierały 4-7% wody. Złoże przemyto alkoholem (ilość = 1 objętości złoża) i resztki alkoholowe wypchnięto do kolby trójszyjnej poj. 1 L z mieszaniną o pH 7. Połączone roztwory przefiltrowano przez ziemię okrzemkową (2 g) z warstwą węgla aktywnego (2 g). Z klarownego bezbarwnego roztworu wydzielono produkt czysty poprzez oddestylowanie alkoholu-woda (jak po pierwszym stopniu estryfikacji) w temperaturze 50-80°C przy ciśnieniu 250-25 hPa, a w końcowej fazie destylacji (znikomy destylat) w temperaturze 80°C/25 hPa, którą utrzymywano przez 20 min. Otrzymano winiany dialkilów o czystości >99% z wydajnością 85-90%.

Claims (8)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania winianów n-alkoholi C1-C3 w reakcji estryfikacji kwasu winowego z alkoholem, w obecności katalizatora kwasowego w postaci złoża mocnego kationitu H+, znamienny tym, że reakcję estryfikacji prowadzi się w sposób wielostopniowy, do osiągnięcia w każdym stopniu stanu równowagi, przy sumarycznym nadmiarze alkoholu 9-18 moli/mol kwasu winowego, przy czym katalizator stosuje się w ilości 0,25-1 g/1 g kwasu winowego, a każdy stopień reakcji estryfikacji prowadzi się w czasie co najmniej 2 godzin, przy nadmiarze alkoholu 2-7 moli/mol kwasu winowego, z usuwaniem wody z nadmiarem alkoholu w bezpośredniej destylacji próżniowej z mieszaniny reakcyjnej po każdym stopniu reakcji, zaś po zakończeniu ostatniego stopnia reakcji estryfikacji mieszaninę reakcyjną neutralizuje się w temperaturze pokojowej, na złożu silnego anionitu w formie OH-.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję prowadzi się w 2-5 stopniach.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję w każdym stopniu prowadzi się w temperaturze 2-4°C poniżej temperatury wrzenia alkoholu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcję prowadzi się w kolumnie ze złożem katalizatora, z cyrkulacją mieszaniny alkohol - kwas winowy przez to złoże.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że destylację po każdym stopniu reakcji prowadzi się przy ciśnieniu 900-25 hPa, w czasie 1-3 godzin.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że neutralizację prowadzi się z udziałem anionitu w ilości dla formy handlowej Cl- 0,25 do 0,5 g/g kwasu winowego, w czasie 2-6 godzin.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po neutralizacji produkt reakcji odbarwia się, korzystnie na węglu aktywnym i ziemi okrzemkowej.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po neutralizacji oddestylowuje się wodę i alkohol, korzystnie w temperaturze i ciśnieniu od 50oC/300-25 hPa do 80°C/25 hPa.