Brevet FR2240200A1 — publié le 19750307

Qn sait qu'il est souvent dif#icile d'obXenir,-paX réaction d'acides carboxyliques sur des a ccals, des esters oui ne contiennent ni acidité résiduelle ni groupement hydroxyle fibre. La réaction d'estérification est en effet équilibrée et il est difficile de la rendre totale. Différents moyens sont utilises couramment pour déplacer l'e quilibre de la réaction et tendre vers une estêrification plus complète - on peut, par exemple. éliminer l'eau de la réaction, soit par distillatinn en continu sous un vide plus ou moinspousse, soit par entraînement par un courant de gaz# inerte tel que l'azote ou frar un solvant azéotropîque tel que le benzène, le toluène ou le xylène - on peut, complémentairement, favoriser aussi le déplacement de l'équilibre en utilisant un excès de l'un des réactifs en présence, alcool ou acide car boxylique.Il suffit alors en fin de réaction, d'éliminer l'excès de ce réactif, Si l'élimination de l'eau est toujours possible et couramment employée dans les procédés industriels, l'utilisation d'un excès de l'un des réactifs est une technique qui n'est pas applicable dans tous les cas, et en particulier - quand les réactifs utilisés ne sont pas assez -volatils pour être éliminables facilement par distillation ; - lorsqu'on utilise des réactifs -polyfonctionnels dont une fonction peut n'avoir pas été estérifiée ;; - lorsqu'on cherche a obtenir des esters complexes correspondant a une stoe chiométrie bien précise-, par réaction d'un acide carboxylique et d'un alcool polyfonctionnels dont 1'un5 utilisé en excès, doit être ensuite bloqué par un réactif monofonctionnel. Dans de nombreux cas, les réactions d'estérification donnent des produits q#ui ont encore des fonctions acides carboxyliques et des fonctions hydroxyles non estérifiées. Les méthodes utilisées ndustrieilement pour eli- miner et même annuler l'indice d'acide d'un ester sont bien connues. Par exempie, on peut le laver par une solution aqueuse de soude ou de carbonate de sodium ou le traiter par de l'alumine ou une terre activée.Par contre, il est plus difficile d'obtenir le même résultat sur l'indice dthydroxyle résiduel, ce qui peut entre néfaste a la stabilité de T'ester vis a vis de la température et de l'oxydation, ou a son pouvoir solvant vis a vis des additifs qu'il faut lui incorporer pour formuler un lubrifiant. On a préconisé dans l'art antérieur une méthode qui consiste a effectuer l'estérification en deux étapes d'abord avec un acide carboxylique a poids moléculaire élevé ensuite avec un acide carboxylique plus léger dont on peut éliminer l'excès par distillation. Mais cette méthode n'est valable que dans le cas très particulier de l'estéri- fi cati on d'un polyol par un mélange d'acides carboxyliques de poids moléculaires très différents. On a maintenant découvert qu'il était possible de diminuer fortement et même d'annuler l'indice d'hydroxyle d'un ester préparé par une réaction d'estérification usuelle entre un ou plusieurs acides carboxyliques et un ou plusieurs alcools. Le procédé de l'invention est applicable a la fabrication des esters utilisables comme lubrifiants. On citera en particulier les esters suivants - les monoesters provenant de l'action d'un ou plusieurs acides mono carboxyliques sur un ou plusieurs monoalcools, tels que par exemple le laurate, le myristate ou le palmitate d'ethers aliphatiques de poly alcoylèneglycols ou leurs mélanges ; - les diesters provenant de l'action d'un ou plusieurs acides monocarboxyliques sur un ou plusieurs diols, tels que par exemple le pélargonate, le laurate ou l'isodecanoate de polyéthylèneglycol ou de polypropylèneglycol ou leurs mélanges ;; - les diesters provenant de l'esterification d'un ou plusieurs acides di carboxyliques, tels que par exemple les acides adipique, azélaique, sé bacique, dodecanedioique, cyclohexanedicarboxylique, phtalique ou les acides comm#rciaiséssous l'appellation d'acides gras dimères, par un ou plusieurs monoalcoolstels que par exemple les alcools éthyl-2 hexylique, isodécylique, isotridécylique ou myristique, ou par un ou plusieurs mono:: éthers aliphatiques de polyalcoylèneglycols, tels que par exemple les polyéthylèneglycols ou les polypropyléneglycols ; - les esters simples de polyols, tels que par exemple le triméthyloîpropane, la pentaerythrite ou la dipentaérythrite et d'acides monocarboxyliques pris seuls ou en melanges, tels que par exemple les acides heptanoique, pélar gonique, isodecanoïque, laurique ou isostéarique ;; - les polyesters de glycols ou de polyols tels que par exemple le néopentyl glycol, les polyalcoylèneglycols, le triméthyloîpropane, la pentaérythrite ou la dipentaérythrite et d'acides dicarboxyliques tels que par exemple les acides alcoyl ou a-icényl succiniques,adipiques, azelaïque, sébacique, phtalique, ou les "acides gras dimères" ; - les esters complexes obtenus. soit en estérifiant un glycol ou un polyol par un mélange d'acides mono- et dicarboxyliques, soit en estérifiant un acide dicarboxylique par un mélange de monoalcool et de glycols ou de polyols. Le procédé de I#'invention consiste, d'une manière générale a effectuer la réaction d'estérification entre le (ou les) acide(s)-carboxy lique(s) et le (ou les) alcool(s) dans des conditions usuelles et à effectuer en fin d'estêrification une acétylation par l'anhydride d'un acide aliphatique monocarboxylique léger, renfermant par exemple de 2 à 4 atomes de carbone (acide acétique, propionique ou butyrique). La réaction d'esterification des acides carboxyliques est con duite-Jusqu'à un certain degré d'avancement, en général supérieur a 90 % et de préférence supérieur à 95 X, ce -degré d'avancement étant déterminé par les méthodes classiques, c'est à dire par exemple par mesure du volume d'eau produiteou de l'indice d'acide du milieu. Quand ce stade est atteint, on détermine l'indice d'hydroxyle de l'ester, ce qui permet-de calculer la quantite minimale d'anhydride nécessaire. On en ajoute une quantité telle que l'on ait au moins une mole d'anhydride par fonction hydroxyle résiduelle, et en général de 1 à 10 (de préférence de 1 à 3) moles par fonction hydroxyle. La réaction a lieu a une température de 100 à 2500C et de préférence de 100 à 150 C. On opère par exemple par chauffage au reflux du solvant d'esterifi- c#ation, durant quelques heures. On élimine ensuite l'anhydride en excès et l'acide monocarboxylîque formé, par exemple par distillation sous vide et/ou par traitement à ltalumine. Parmi les anhydrides d'acides aliphatiques monocarboxyliques légers mentionnés plus haut, l'anhydride acétique sera utilisé de préférence en raison de sa plus grande volatilité. L'avantage du procédé de llinvention réside en ce que l'avec tylation par un anhydride est une réaction rapide et non équilibrée ; et de plus l'acide monocarboxylique forme, qui est en général très volatil, ne risque-pratiquement-pas de provoquer de réaction de transacidolyse Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant dans les estérifîcations conduites avec un défaut d'acide carboxylique En effet, dans le cas ou les acides carboxyl-iques sont très difficiles à elimi- mer en-fin de réaction, on peut avoir#intérèt à en utiliser un défaut plus ou moins important par rapport a la stoechiométrie, pour être sOr de ne pas trouver d'acidité libre dans le produit final. On travaille alors avec un excès dialcool (qui peut être un polyol dont l'élimination est impossible)! L'ester aura donc un indice d'hydro xyleêlevé qu'il sera possible d'annuler par le traitement d'acétylation de lSnvention. Les exemples suivants illustrent l'invention. Ils ne doivent en aucune manière être considérés comme limitatifs. Exemple 1 Dans un ballon a 3 cols muni d'un dispositif de séparation de Dean et Stark on introduit 1100 g (1 mole) de polypropylèneglycol, 400 g (2 moles) d'acide laurique, 200 cc de xylène et 0,1 % en poids d'acide paratoluène-sulfonique. On balaye le milieu par un courant d'azote et on conduit l'estérification à 19500 durant 15 heures. A ce.stade, l'indice d'acide du milieu est de 1,8 mg de KOH/g et l'indice d'hydroxyle de 6,6 mg d'équivalent de KOH/g. On ajoute alors 17,6 g d'anhydride acétique, soit la quantité stoechiométrique par rapport au nombre d'hydroxyles libres. On chauffe au reflux du xylène, a 14000 pendant 1/2 heure. On élimine l'acide acétique formé par distillation azéotropique avec le xylène, puis les dernières traces de xylène par distillation sous vide. Le produit final a un indice d'hyd#roxyle inférieur à 4 mg de KOH/g. Exemple 2 Cet exemple illustre le procédé-de l'invention appliqué au cas ou l'on dé séquilibre volontairement la stoechiométrie de la réaction en utilisant un défaut d'acide carboxylique. Dans les conditions de l'Exemple 1, on estérifie 1100 g de polypropylèneglycol de masse moléculaire moyenne égale à 1100 par 380 g d'acide laurique (1,9 mole). Après 15 heures d'estérification à 195 198 C, l'indice d'acide est de 1,3 mg de KOH/g et l'indice d'hydroxyle de 8 mg de KOH/g. On traite alors par 21,4 g d'anhydride acétique, ce qui correspond à la stoechiométrie par rapport a l'indice d'hydroxyle. L'indice d'hydroxyle de l'ester final est inférieur a 4 mg de KOH/g. L'ester acétylé a été comparé a l'ester non traité dans un essai d'oxydationcorrosion appelé essai Indiana qui consiste à agiter violemment à 160-0c e%' en atmosphère d'air, l'huile correctement additivée, en présence d'échantillons de métaux. Au bout de 72 h, la viscosité à 37,8 C de l'ester acétylé avait augmenté de 18,5 % alors que l'augmentation- de viscosité était de 26,4 % pour. l'ester non acétylé. Exemple 3 Cet exemple illustre la préparation a l'échelle pilote pfar le procédé de l'invention, d'esters de propylèneglycol et d'une- coupe d'acides monocarboxyliques saturés et linéaires en C1O-Cl6. Dans un réacteur en verre de 60 litres, muni d'une agitation à ancre, chauffé par thermofluide et équipé d'un dispositif de Dean et Stark et d'une circulation d'azote, on introdùit : 40,000 kg de polypropylèneglycol (P.M. 1200) 13,460 kg de coupe C10--Cl6 8,760 kg de xylène 0,055 kg d'acide para-toluènesulfonique La quantité de fonctions acides carboxyliques est en défaut de 5 % par rapport aux fonctions hydroxyles. La température est maintenue entre 190 2000C et l'eau de réaction entraînée sous forme d'azéotrope avec le xylène. Après 9 heures de réaction, la quantité d'eau soutirée correspond sensiblement a 100 % d'avancem#ent. On distille-la moitié du xylène introduit. A ce stade de la réaction, l'ester a les caractéristiques suivantes Indice d'hydroxyle : 13,5 mg KOH/g Indice d'acide : 2,6 mg KOH/g Teneur en xylène : 8 % poids Après refroidissement a 140 C, on introduit 1,420 kg d'anhydride acétique (1 mole par fonction hydroxyle résiduelle). On laisse reagir 1 heures cette température L'acide acétique formé et le xylène restant sont éliminés par distillation. L'ester acétylé a les caractéristiques suivantes Indice d'hydroxyle : Indice d'acide : 3,4 mg KOH/g Teneur-en xylène : 1,8 % en poids Un traitement-a 700C par du carbonate de sodium (1 %) et une terre dêcolo- rante (2 %) suivi d'une filtration avec un adjuvant termine cette fabrication. Le lubrifiant obtenu a les caractéristiques suivante#s Couleur (Gardner) : 2 Indice d'acide : 1 mg KOH/g Indice d'hydroxyle : KOH/g - Teneur en xylène : 1,8 % Viscosité à 37,8 C : 71,13 cst a 98,9 C : 13 cst Indice de viscosité (VIE) 198 Exemple 4 Dans les conditions generales de l'Exemple 1, on estérifie 141 g de trimethylol- propane (1,05 mole) par 260 g d'acide heptanoïque (2 moles) et 310 g d'acide isostéarique (1 mole). Après estérification a 260 C, le produit a un indice d'acide de 1,1 mg de KOH/g et un indice d'hydroxyle de 10,5 mg de KOH/g.Le mélange est alors traité par 12,5 g d'anhydride acétique, soit la quantité stoechiométrique correspondant à l'indice d'hydroxyle. L'acétylation est effectuee pendant 45 minutes à 125oC. Après élimination de l'acide acétique forme et du solvant, l'indice d'hydroxyle n'est plus mesurable, la bande d'absorption dans l'infrarouge a 3540 cm 1ayant complètement disparu. Cet ester acétylé a été comparé au même ester non acétylé, dans un essai d'oxydation-corrosion effectué a 1750C suivant la Norme Air 1651. Les esters contenaient des additifs antioxydants aminés. L'augmentation de la viscosité à 37,8 C au bout de 72 h était de 9,5 % pour l'ester acétylé et de 12,2 % pour l'ester non acétylé. Exemple 5 Dans les mêmes conditions que dans l'Exemple 4, on fabrique un ester complexe de triméthyloîpropane en estérifiant 141 g du triol (1,05 mole) par 36,5 g d'acide adipique (0,25 mole), 130 g d'acide heptanoique (1 mole) et 300 g d'acide laurique (1,5 mole). Après estérification a 200-260 C, l'indice d'acide du milieu est de 0,8 mg de KOH/g et l'indice d'hydroxyle de 9 mg de KOH/g. On traite alors l'ester brut par 9,1 g d'anhydride acétique, ce qui correspond a la stoechiométrie par rapport à l'indice d'hydroxyle résiduel. Après élimination de l'acide acétique formé et du solvant, l'indice d'hydroxyle de l'ester complexe n'est plus mesurable. Le traitement d'acétylation a très peu affecté les caractéristiques rhéologiques de l'ester complexe, dont la viscosité a 98,9 C est passée de 8,48 a 8,37 cst. Après le même test d'oxydation-corrosion cité a l'Exemple précédent, la viscousit a 37,8 C de l'ester acétylé a augmenté de 6,3 % alors que celle de l'ester non acétylé a augmenté de 8,7 %. Exemple 6 Cet exemple montre l'avantage du traitement d'acétylation par un anhydride sur l'estérification par un acide léger. On répète l'Exemple 5, mais l'avec tylation est effectuée avec 4,5 g d'anhydride acétique, soit la moitié de la quantité stoechiométriquement nécessaire. On constate que l'indice d'hydroxyle final de l'ester complexe est encore de 6 mg de KOH/g. Revendications 1/ Procédé pour la préparation d'esters ou de mélanges d'esters présentant une teneur redite en groupements hydroxyles libres, dans lequel on effec tué llesterification d'au moins un acide mono- ou poly-carboxylique par au moins un monoalcotol ou polyol -dans des conditions usuelles, de manière à former un ester ou un mélange d'esters présentant des groupements hydro xyles résiduels, caractérisé en ce que, en fin d'estérification, on fait réagir sur ledit ester ou ledit mélange d'esters, l'anhydride d'un acide aliphatique monocarboxylique léger, en une quantité correspondant a 1 à 10 moles d'anhydride par groupement hydroxyle résiduel, cette réaction résultant en T'estérification de la majeure partie desdits groupements hydroxyles résiduels et la formation dans le milieu de l'acide aliphatique monocarboxylique correspondant, et on élimine l'acide aliphatique mono carboxylique formé ainsi que ltexces éventuel d'anhydride. -2/ Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'anhydride est choisi parmi les anhydrides acétique, propionique et butyrique. .3/ Procédé selon la revendication 2 , caractérisé en ce que l'anhydride est l'anhydride acétique. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'an hydride est introduit lorsque la réaction d'estérificatîon a atteint un degré d'avancement d'au moins 90 t. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'anhydride est introduit lorsque la réaction d'estérification a atteint un degré d'avan cement d'au moins 95 %. 6/ PrOcédé selon l'une des revendication#s 1 a 5, caractérisé en ce que la quantité d'anhydride correspond à 1 à 3 moles par groupement hydroxyle résiduel de l'ester ou du melange d'esters. 7/ Procédé selon l'une des revendications 1-à 6, caractérisé en ce que l'on opère à une température de 100 à 250qu. 8/ Procédé selon la revendication 7 , caractérisé en ce que l'on opère a une température de 10.0 150 C. 9/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'acide aliphatique monocarboxylique formé ainsi que l'excès éventuel d'anhydride sont éliminés par distillation sous vide et/ou par traitement à l'aTumine. 10/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'esté- rification a été effectuée avec un défaut d'acide carboxylique. 11/ Ester ou mélange d'esters de stabilité améliorée vis à vis de la tempéra ture et de l'oxydation, préparé par un procédé selon l'une des revendica tions 1 à 10. 12/ Ester# de polyalcoylèneglycol préparé par un procédé selon l'une des re -vendications 1 à 10. 13/ Ester de triméthyloîpropane préparé par un procédé se-lon l'une des reven dications 1 à 10. 14/ Mélange d'esters complexes d~ triméthyloîpropane préparé par un procédé selon l'une des revendications 1 à 10.