Brevet FR2004412A1 — publié le 19691121

2ÔÙ4412 la présente invention concerne un procédé de préparation d'esters d'acides 6-hydroxycarboxyliques à partir d'une lactone d'un acide aliphatique S-hydroxycarboxylique et d'un alcool poly-hydroxylé. 5 le brevet français n° 1.086.566 décrit l'utilisation de lac- tones d'acides aliphatiques 20 les essais ont montré qu'un tel glycéride se trouve dans un état d'équilibre délicat avec la lactone libre et le glycérol, que la réaction n'est pas complète et que toute tentative de purification de l'ester par élimination des composés de départ risque de perturber l'équilibre et d'entraîner une dégradation du glycéride 25 jusqu'à établissement d'un nouvel équilibre. De plus, on a découvert qu'en milieu acide et spécialement dans les milieux décrits dans le brevet français n° 70.321, la polymérisation de la lactone est favorisée. Non seulement la conversion en ester est moindre, mais de plus la lactone polymère formée constitue une perte d'agent 30 aromatisant lactonique, parce que la lactone polymère n'a pas.de propriétés aromatisantes utiles et est difficile sinon impossible à extraire du produit. Un examen plus détaillé du procédé de l'exemple 1 du brevet français n° 70.321 a indiqué que les milieux acides utilisés favorisent la polymérisation de la lactone et que le pro-35 duit contient en fait 45 $ de lactone polymérisée. D'autre part, même en milieu alcalin où la polymérisation de la lactone ne gêne pas, la conversion en ester n'est que de l'ordre de 55 %• On a découvert à présent que l'estérification en milieu acide 40 atteint son équilibre beaucoup plus rapidement que la polymérisa 69 08109 2 2004412 tion et que si on élimine le catalyseur acide dès que l'équilibre est atteint et avant que la polymérisation ait progressé davantage, on peut obtenir de bonnes conversions en ester avec une très faible formation de polymère. On a découvert, en outre, que lorsque la lac-5 tone utilisée se trouve pour tout ou partie sous la forme optiquement active, l'avancement de la réaction peut être suivi par pola-rimétrie, du fait que le pouvoir rotatoire de la lactone est grand, alors que celui de l'ester est négligeable, tout comme celui du polymère, et que l'avancement vers l'état d'équilibre peut être ob-10 servé rapidement, ce qui permet de déterminer à tout moment l'importance dé la conversion et le temps nécessaire pour atteindre l'équilibre. l'invention a donc pour objet un procédé de préparation d'esters d'acides aliphatiques De préférence, on entretient le contact jusqu'à ce que l'estérification ait atteint sensiblement l'équilibre et avantageusement on élimine le catalyseur acide avant la formation de 5 # et spécialement de 2 fo de lactone polymère. 25 On a découvert que l'estérification progresse en présence d'un catalyseur acide à des températures beaucoup plus basses que celles considérées jusqu'à présent comme nécessaires. A des températures d'environ 100°C, l'arrivée à l'équilibre et la polymérisation sont trop rapides pour une application pratique et la tempé-30 rature du mélange de réaction n'excède de préférence pas 70°G ou plus favorablement 50°C. On peut obtenir d'excellents résultats en exécutant la réaction à la température ambiante, à laquelle la vitesse de polymérisation de la lactone est très petite. la lactone est en pratique un composé de ce genre comptant 6 35 à 24 et de préférence 6 à 12, mais plus avantageusement 10 à 12 atomes de carbone et dérivé de préférence d'un acide hydrôxycarbo-xylique en chaîne droite, par exemple, la lactone peut être la 40 Des alcools polyhydroxylés, convenables sont ceux de 2 à 6 69 08109 3 2004412 atomes de carbone, comme le 1,2-éthanediol, le 1,3-propanediol, le mannitol, le sorbitol ou l'érythritol, mais de préférence l'alcool polyhydroxylé compte 2 ou 3 atomes de carbone : le glycérol convient spécialement bien. 5 les proportions moléculaires de lactone monomère et d'alcool polyhydroxylé sont en pratique de 0,3 à 1,2 unité de lactone par unité d'alcool polyhydroxylé parce qu'un excès d'alcool polyhydroxylé peut être éliminé après la réaction par lavage au moyen d'eau salée. De préférence, on prend des quantités sensiblement équimolé-10 culaires des réactifs. Comme catalyseurs acides, on peut utiliser, par exemple, l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide phosphorique, l'acide perchlorique et les acides arènesulfoniques, mais on prend de préférence l'acide sulfurique ou l'acide p-toluènesulfpnique. 15 Les quantités catalytiques convenables de ces acides sont/o, à 5 $ du poids des réactifs de départ. Il est préférable d'éviter les solvants ou diluants pour la réaction. Le temps nécessaire pour que la réaction atteigne l'équilibre dépend de la nature des réactifs et des conditions choisies, mais 20 cet équilibre est d'habitude atteint dans un délai de 2 heures à la température ambiante. Le catalyseur acide peut être séparé du mélange de réaction par dissolution de célui-ci dans un solvant organique non miscible à l'eau, puis lavage de la solution organique avec de la saumure 25 à 10 ou 20 qui élimine également l'alcool polyhydroxylé inchangé. L'éther est un solvant convenable, mais le benzène et l'acétate d'éthyle conviennent aussi. En variante, le catalyseur acide peut être éliminé par neutralisation et le sel résultant peut être séparé du produit de réaction, par exemple au moyen d'une résine échan-30 geuse d'ions basique. Le catalyseur acide peut être éliminé par neutralisation à l'aide d'autres bases convenables comme un oxyde, un hydroxyde, un carbonate ou un hydrogénocarbonate de métal alcalin ou alcalino-terreux et le sel formé peut être séparé par filtra-tion si on le désire. Ainsi, lorsque de l'hydrogénocarbonate de so-35 dium est ajouté à un mélange de réaction contenant de l'acide sulfurique comme catalyseur, le sulfate de sodium formé et l'excès-d'hydrogénocarbonate de sodium peuvent être éliminés par filtration. La teneur en polymère du produit peut être établie sans difficulté. Par chauffage, l'ester se retransforme en lactone et al-40 cool polyhydroxylé, qui peuvent être séparés du produit par distil 64 08104 4 2004412 lation. Le résidu subsistant indigue la quantité de polymère dans le produit. l'invention est illustrée par les exemples suivants. EXEMPLES 1 à 3 5 On mélange à la température ambiante de la (+) -6-décalactone (21,2 g ; 0,125 mole ; r«j* + 57,2°), du glycérol (11,5 g ; 0,125 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique monohydraté (0,3 g ; 1 ?o). Le trouble initial disparaît rapidement et il se forme une solution limpide qu'on divise en trois fractions égales. Après 10 écoulement de 1 heure 30 minutes, 2 heures 30 minutes et 7 heures après le mélange, respectivement, on dissout les trois fractions du produit dans de l'éther (80 ml) et on lave chaque solution avec une solution aqueuse à 20 $ de chlorure de sodium (3x5 ml) pour éliminer le catalyseur et le glycérol inchangé» puis on sèche la 15 couche organique sur du sulfate de sodium et on chasse l'éther par évaporation pour obtenir le glycéride d'acide (+)-5-hydroxydécanoï-que. On mesure le pouvoir rotatoire spécifique du produit dans le benzène et on détermine la teneur en lactone inchangée à partir de 20 cette grandeur, compte tenu du fait que le glycéride a un pouvoir rotatoire spécifique négligeable. On soumet une fraction du produit à la distillation à des températures du bain s'échelonnant de 120 à 190°0 sous une pression absolue de 15 mm de mercure, on sépare par extraction à l'éther 25 de pétrole la lactone et le glycérol du produit distillé et on détermine la quantité de lactoneconvertie en ester au cours de la préparation de ce dernier en soustrayant la quantité de lactone trouvée dans l'ester par polarimétrie de la quantité totale de lactone recueillie par distillation et séparation. Le poids du résidu 30 dans le ballon de distillation est pris comme étant égal à la quantité de lactone polymère dans l'échantillon de produit distillé. Les résultats obtenus sont les suivants : Exemple Durée de Constituants du produit $ en poids n° réaction » ———■— 35 heures Glycéride Lactone Lactone polymère 1 1 1/2 77,7. 22,1 0,2 2 2 1/2 78,3 21,2 0,5 3 7 78,5 17,1 4,4 40 Ces résultats montrent que la conversion ma-H mm» en glycéride est atteinte entre 1 heure 30 minutes et 2 heures 30 minutes et 64 08104 5 2004412 avant la formation d'une quantité sensible de polymère, après quoi l'accroissement de la quantité de lactone polymère progresse uniquement aux dépens du monomère résiduel. On conserve les trois produits dans l'obscurité pendant deux 5 moins et on dose à nouveau les constituants. On constate ainsi que la quantité de lactone polymère n'a pas augmenté et que la quantité de lactone libre a augmenté d'environ 1 à 2 EXEMPLE 4 à 6 On exécute les opérations décrites dans les exemples 1 à 3, 2Q mais en partant d'une autre lactone, à savoir la (+) - Exemple Dorée de Constituants du produit % en poids 15 no réaction heures Glycéride Lactone Lactone polymère 4 2 73 26 1 5 3 74,5 23,5 2 20 6 7 73 22 5 La conversion maximum est apparemment atteinte après 3 heures, moment auquel la proportion de lactone polymère reste faible. Des mesures après stockage, exécutées comme ci-dessos, mon-25 trent que les produits sont aussi stables que ceux des exemples 1 à 3. EXEMPLES 7 à 11 On exécuté des opérations semblables à celles des exemples 1 à 3, mais au moyen de catalyseurs acides différents. On analyse les 30 produits comme ci-dessus. Exemple Catalyseur Dorée de Constituants du produit fo en poids n heures11 Glycéride Lactone Lactone polymère 35 Acide / sulfurique J 1 $> 1 '11/2 2 1/2 69,2 68,0 25,7 22,3 5,1 9,7 - J k .7 64,1 19,0 16,9 9\ Acide rl 1/2 72,4 22,6 5,0 10 I chlorhydrique 2 1/2 72,2 20,3 7,5 40 -J 0,5 * J 66,7 16,8 16,5 11 Acide perchlorique 0,2 * 2 74,8 23,1 2,1 64 08104 6 2004412 SMïHil ?LE5 12 et 13 On mélange à la température ambiante de la (+) -é-décalactone (21,2 g ; 0,125 mole), du glycérol (11,5 g ; 0,125 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique monohydraté (0,3 g ; 1 %). Après 2 heures, on 5 dissout le produit dans du benzène (150 ml) et on lave la solution avec une solution aqueuse à 20 % de chlorure de sodium (3 x 15 ml), puis on sèche la couche organique sur du sulfate de sodium anhydre et on chasse le solvant par évaporation. On répète les opérations avec de l'acétate d'éthyle (150 ml) comme solvant au lieu de ben-10 zène. On analyse les produits comme ci-dessus. Exemple Solvant Constituants di/produit fo en poids n° " 1 1 " Glycéride Lactone Lactone polymère 12 Benzène 63,5 36 0,5 15 13 Acétate 67,5 32 0,5 d'éthyle Le fait que le rendement en glycéride est moindre qu'en présence d'éther est apparemment dû à une légère formation d'émulsion 20 qui requiert une plus grande durée pour 1'élimination du catalyseur, ce qui entraîne une hydrolyse partielle du glycéride en présence d'eau. EXEMPLE 14 On mélange à la température ambiante de la (+) -tf-octalactone 25 (35,5 g ; 0,25 mole), du glycérol (23,0 g } 0,25 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique (0,2 g). Après repos pendant 2 heures, on dissout le mélange de réaction dans de l'éther (400 ml) et par lavage avec une solution aqueuse à 10 % de chlorure de sodium (3 x 15 ml) on élimine le catalyseur et le glycérol inchangé, après quoi on sou-30 met les liqueurs de lavage combinées à une réextraction avec de l'éther (50 ml), puis on combine les solutions éthérées, on les sèche sur du sulfate de sodium anhydre et on chasse l'éther par évaporation pour obtenir 43 g d'un produit dont l'analyse indique qu'il comprend : 35 Glycéride d'acide (+)-5-hydroxydécanoïque 77 % • M-S -octalactone 22 Lactone polymère 1 % EXEMPLE 15 On mélange à la température ambiante de la (+)- 69 08109 7 2004412 1*acide p-toluènesulfonique (0,1 g). Après repos pendant 1 heure 30 minutes, on dissout le produit de réaction dans de l'acétate d'éthyle (200 ml) et on agite la solution avec une résine échangeu-se d'ions basique (5 g du produit vendu sous le nom d'Amberlite 5 ISA 400) ayant subi un traitement par de l'eau (l ml) de façon à absorber le catalyseur sur la résine, après quoi on sèche la solution organique sur du sulfate de sodium anhydre» On filtre finalement la solution et on chasse le solvant du filtrat par évaporation. En analysant le produit résultant (20,2 g) comme ci-dessus, 10 on constate qu'il comprend : Glycéride d'acide (+)-5-hydroxyhexanoïque 1 Glycérol ^ 89,3 ^ (+) -S -hexalact one 10 fo Lactone polymère 0,7 f° 15 A partie du produit (20,2 g) on peut isoler 12,5 g d'hexalac- tone, ce qui permet de calculer que la lactone s'estconvertie en ester de glycérol à raison de 10,5 g (52 # du poids du produit). EXEMPLE316 et 17 On exécute les opérations comme dans l'exemple 1, mais en 20 prenant d'autres températures et durées de réaction comme l'indique le tableau ci-après. On analyse les produits comme ci-dessus. Exemple Durée de Température Constituants du produit fo en n° réaction de réaction poids heures °C Glycéride Lactone Lactone polymère 16 2 20 79,6 20 0,4 17 1 1/2 40 76,0 20,5 3,5 1 60 70,8 18,9 10,3 30 EXEMPLE 18 Oh mélange à la température ambiante de la (+)S- dodécalac-tone (24,75 g ; 0,125 mole), du glycol (7,75 g ; 0,125 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique (0,1 g), la turbidité initiale dispa-35 raissant immédiatement tandis que se forme une solution limpide. Le pouvoir rotatoire du mélange diminue rapidement, ce qui indique que la réaction est rapide. Après 20 minutes, on dissout le mélange de réaction dans de l'éther (150 ml) et on élimine le catalyseur et l'excès de glycol par lavage avec une solution aqueuse.à 10 fo de i 40 chlorure de sodium (3 x 15 ml), après quoi on sèche la solution organique sur du sulfate de sodium anhydre et on évapore le solvant. On analyse comme ci-dessus le produit (29,2 g) dont on constate 69 OÔ109 8 2004412 qu'il comprend : Ester glycolique d'acide (+)-5- hydroxydodécanoïque 72,5 (+)-^~dodécalactone 25,0 fo 5 Lactone polymère 2,5 %• EXEMPLE 19 On mélange à la température ambiante de la (+) - 15 Ester glycolique d'acide (+)-5- hydroxydécanoïque 76,2 fo (+)-4-décalactone 22,7 Lactone polymère 1,1 fo EXEMPLE 20 20 On mélange à la température ambiante de la 6-hexalactone (57 g ; 0,5 mole), du glycérol (46 g ; 0,5 mole) et de l'acide sulfurique (125 mg). Après 45 minutes, on ajoute 1,3 g d'hydrogéno-carbonate de sodium pulvérulent et on agite le mélange pendant 2 heures. On sépare le produit de réaction par filtration pour obte-25 nir 100 g d'un produit consistant en : Glycéride d'acide 5-hydroxyhexanoxque*) Glycérol J 90 fo 6-hexalactone 9 Lactone polymère 0,5 % 30 On peut obtenir à partir du produit (100 g), 55 g d'hexalac- tone, ce qui permet de calculer que la lactone s'est convertie en ester de glycérol à raison de 46 g (46 f> du poids du produit). On. obtient les mêmes résultats en partant de quantités doubles des mêmes composés» 35 On peut vérifier la fin de la neutralisation par virage d'un papier indicateur humecté. EXEMPLE 21 On obtient des résultats analogues à ceux de l'exemple 20 en partant de 142 g (1 mole) de &-octalactone, de 92 g de glycérol 40 et de 1 g d'acide sulfurique, la neutralisation étant exécutée a-près 45 minutes au moyen de 5 g d'hydrogénocarbonate de sodium en 64 08104 9 2004412 poudre. EXEMPLE 22 On mélange à la température ambiante sous agitation de la (+) -é-décalactone (42,5 g î 0,25 mole), du 1,3-propanediol (19,0 g ; 5 0,25 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique (0,3 g), la turbidité initiale disparaît presque immédiatement. Le pouvoir rotatoire du mélange diminue rapidement jusqu'à environ 12 % de sa valeur initiale en 20 minutes. On élimine le catalyseur comme décrit dans les exemples 1 à 3 pour obtenir 56 g d'un produit comprenant : 10 Bster du 1,3-propan.ediol et de l'acide (+)-5-hydroxydécanoïque 86,5 % (+)- Lactone polymère 1 % EXEMPLE 25 15 On traite comme dans l'exemple 22 de la (+)- (24,75 g ; 0,125 mole), du 1,5-propanediol (9,5 g ; 0,125 mole) et de l'acide p-toluènesulfonique (170 mg). Le produit de réaction isolé après 40 minutes accuse un poids de 51 g et la composition suivante » 20 Ester du 1.3-propanediol et de l'acide (+)-5-hydroxydodécanoïque 87,5 % (+)-&-dodécalaotone 12 Lactone polymère 0,5 % EXEMPLBS 24 et 25 25 On fait réagir, à la température ambiante de la (f-lactone dextro- gyre (0,25 mole), du 1,2-éthanediol (15,5 g ; 0,25 mole) et de l'acide sulfurique (la nature des composés et les quantités étant précisées dans le tableau) et on neutralise le produit comme dans l'exemple 20. Les résultats sont les suivants : 50 Exemple 24 Exemple 25 lactone (+)- tone quantité (g) 42,5 49,5 acide sulfurique (mg) 75 100 35 durée de réaction (minutes) 10 20 bydrogénocarbonate de sodium (g) 0,75 1,0 produit de réaction (g) 56 65 composition (#) : ester + glycol .79 79,5 40 6-lactone 20 20 lactone polymère (g) 1 " 0,5 M 08109 10 2004412 Exemple 24 Exemple 25 lactone convertie (g) 34 lactone convertie du produit) 52 54 69 08109 ii 2004412 - REVENDICATIONS - 1.- Procédé de préparation d'esters d'acides aliphatiques 5-hydroxycarboxyliqu.es à partir d'une lactone d'un acide aliphatique 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on entretient le contact jusqu'à ce que l'estérification ait atteint sensiblement l'équilibre. 3.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en 15 ce qu'on élimine le catalyseur acide avant la formation de 5% de lactone polymère. 4.- Procédé suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on élimine le catalyseur acide avant la formation de 2 fo de lactone polymère. 20 5.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré cédentes, caractérisé en ce qu'on utilise une lactone optiquement active. 6.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température du mélange de réac- 25 tion n'excède pas 70°C. 7.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on exécute la réaction à la température ambiante. 8.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré-30 cédentes, caractérisé en ce que la lactae possède 6 à 12 atomes de carbone. 9.- Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que la lactone possède 10 à 12 atomes de carbone. 10.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré-35 cédentes, caractérisé en ce que l'alcool polyhydroxylé comprend 2 ou 3 atomes de carbone. 11.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'alcool polyhydroxylé est le glycérol. 12.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce 40 que l'alcool polyhydroxylé est le 1,2-éthanediol. 69 08109 ii 2004412 13.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur acide est l'acide sulfurique. 14.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 12, caractérisé en ce que le catalyseur acide est un acide arène- suif onique . v15.- Procédé suivant la revendication 14, caractérisé en ce que le catalyseur acide est l'acide p-toluènesulfonique. 16.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications pré-10 cédentes, caractérisé en ce qu'on utilise des quantités équimolécu- laires de lactone et d'alcool polyhydroxylé. 17.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on élimine le catalyseur par neutralisation. 15 18.- Procédé suivant la revendication 17, caractérisé en ce qu'on neutralise le catalyseur au moyen d'hydrogénocarbonate de sodium. 19.- Ester d'acide alphatique «f-hydrosycarboxylique obtenu par un procédé, suivant l'une quelconque des revendications précédentes.