Brevet FR2255293A1 — publié le 19750718

La présente invention se rapporte à un procédé de production d'esters de lysine à parti d1-amino-E-caprolactame. Les esters de lysine ont été utilises comme intermédiaires de sm-thèse pour le production d'un monomère de polyuréthane ntayant pas de coloration Jaune, d'un additif pour des polyamides et de divers produits pharmaceutiques. Ces composés ont été produits par estérification de lysine, en présence de catalyseurs acides. Cependant, ce procédé n1 est pas nécessairement satisfaisant pour la production industrielle d'esters de lysine parce que la matière de départ, la lysine, est très coûteuse. En outre, dans ce procédé, la vitesse de réaction est graduellement réduite, en relation avec la dilution de l'alcool qui est utilisé à la fois comme produit réagissant et comme solvant, par la production de liteau provenant de la réaction d'estérification, et, en conséquence, il est difficile dtachever. la réaction. La récupération d'alcool à partir du résidu contenant aussi de liteau et un catalyseur acide, tel que l'acide chlorhydrique pose un autre problème dans ce procédé. Un objet de la présente invention est de prévoir un nouveau procédé pour la production d'esters de lysine. Un autre objet de la présente invention est de produire des esters de lysine directement à partir d'a-amino-E-caprolactame, avec un rendement élevé et une conversion importante. La demanderesse a trouvé qu'un ester de lysine peut être produit en chauffant l'&alpha;-nndmo-#-caprolactame avec un alcool, éventuellement en présence de catalyseurs acides ou basiques. La demanderesse a également trouvé que cette réaction pouvait être accélérée en ajoutant une petite quantité d'eau. La matière de départ pour le procédé de la présente invention, l1 -amino--caprolactame, est un composé bien connu et est utiliséecomme intermédiaire pour la production de lysine synthétique. Ce composé peut être préparé à partir d1-caprolactame (voir brevets britanniques n 901.169, n 867.269 et n 856.967). Dialcool, autre matière de départ pour le procédé de la présente invention, peut Aetre choisi dans le groupe se composant d'alcools non aromatiques inférieurs primaires et secondaires, représentés par la formule générale R-OH, où R est un groupe allyle ou cycloalkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone. Des exemples d'alcools qui peuvent être utilisés dans la présente invention sont les suivants : le méthanol, l'éthanol; les propanols, le n-octanol, l'alcool cyclopentylique, l'alcool cyclohexylique, etc.. Des exemples préférables sont le méthanol, ltétha- nol et les propanols. L'aleool utilisé dans la présente invention peut ordinairement être déterminé suivant le genre d'ester de lysine que l'on souhaite. Par exemple, quand l'ester de lysine est employé comme matière première pour un polyuréthane sans coloration jaune, un alcool convenable est le méthanol ou méthanol. Dans la présente invention, la réaction est réalisée en phase liquide et sous une pression atmosphérique ou élevée. Le solvant peut être utilisé s > il est chimiquement inerte vis-à-vis de l-'a-amino-6-caprolactame, de l'alcool et du catalyseur qui peuvent être éventuellement utilisés. Cependant, du point de vue pratique, on peut utiliser, de préférence, un solvant ayant un point d'ébul lition de 600C à 2500C. Un grand excès de l'alcool réagissant peut jouer le rle de solvant. Des exemples de solvants préfér bles sont les suivants des éthers, tels que le tétrahydrofurane et le diglyme, des hydrocarbures chlorés, tels que le chloroforme, le tétrachlorure de carbone et le chlorure d'éthylène, et des hydrocarbures aromatiques, tels que le benzène, le toluène et le xylène. La température de réaction est 40 à 2500C, de préférence, 50 à 2000C. Pour accélérer la réaction, une température de réaction élevée est préférable mais, à une température de plus de 2500C, I'a-amino- E-caprolactame et l'ester de lysine peuvent subirune décomposition thermique. La réaction est ordinairement réalisée sous une pression allant de la pression atmosphérique jusqu'à 50 kg/cm2 et la période de réaction est ordinairement 0,5 à 80 heures. La quantité d'alcool peut être, de préférence, 5 à 200 moles par mole d'a-amino-Êcaproîactame. Une mole d'alcool est stoechiométriquement équivalente à une mole d'-amino--caprolactame et peut théoriquement achever la réaction de la présente invention. Cependant, l'utilisation d'un excès d'alcool est préférable au point de vue de l'accélération de la réaction et pour déplacer le point d'équilibre vers le produit final. Du point de vue pratique, la quantité dialcool peut être, de préférence, 5 à 50 moles par mole d' -amino- caprolactame. La réaction de la présente invention peut avoir lieu sans catalyseur, mais l'utilisation d'un catalyseur est souhaitable. Un catalyseur acide ou basique est efficace pour la réaction. Des exemples de catalyseurs acides sont des acides minéraux, tels que diacide chlorhydrique, l'acide sulfurique et 1'acide phosphorique, des catalyseurs acides solides tels que les zéolites et des résines échangeuses de cations, des acides organiques, tels que l'aeide-p- toluènesulfonique, 1'acide benzènesulfonique et l'acide trifluoroacétique, des acides de Lewis, tels que le trifluorure de bore, etc.. Parmi ces catalyseurs acides, l'acide chlorhydrique et une résine échangeuse de cations sont très préférables, parce qutils forment facilement un sel avec la matière de départ et le produit de la présente invention.Les catalyseurs acides peuvent Autre consommés pour former un sel avec l'cr-amino-E-caprolactame et l'ester de lysine. La quantité d'acide qui sert de catalyseur acide peut être de préférence supérieure à 0,01 mole par mole d'a-amino- caprolactame. Des exemples de catalyseurs basiques sont des alcoolates, tels que le méthylate de sodium, l'éthylate de sodium, le méthylate de potassium et 1'éthylate de potassium, et des amines telles que le 1,5-diaza-bicyclo(4.3.0)nonène-5, la triéthylamine, le 1,8diaza-bicyclo(5.4.0)undécène-7, la dicyclohexyléthylamine, etc.. La quantité de ces catalyseurs basiques peut être, de préférence, supérieure à 0,i mole par mole d'a-amino-g-caprolactame. Un catalyseuracide est de préférence utilisé lorsque I'a-amino--caprolactame est envoyé au mélange réactionnel sous la forme d'un sel avec un acide. Le meme acide que celui ajouté sous la forme du sel est de préférence employé comme catalyseur. L'addition d'eau au mélange réactionnel est aussi efficace pour accélérer la réaction de la présente invention La. quantité d'eau peut aller jusqu'à 2 moles, de préférence 0,01 à 2 moles, de préférence encore, 0,05 à 1 mole par mole de l'alcool. L'eau peut être ajoutée séparément au mélange réactionnel ou envoyée avec l'alcool sous forme de solution. Lorsqu'on ajoute trop d'eau au mélange réactionnel, 1 'a-amino-caprolactame est hy drolyse en lysine et le rendement en ester de lysine est réduit. -La réaction de la présente invention peut être réalisée par fournée ou en continu. Après que la réaction a été achevée, l'ester de lysine est séparé du mélange réactionnel selon un procédé classique, par exemple, en faisant passer le mélange réactionnel à travers une colonne à résine échangeuse d'ions ou en refroidissant le mélange, suivi d'un mode opératoire de séparation liquidesolide. L'ester de lysine peut être, de préférence, séparé par cristallisation sous forme d'un sel avec un acide, de préférence, avec l'acide chlorhydrique. Quand la réaction est réalisée en l'absence de catalyseur ou en présence d'un catalyseur basique, le mélange réactionnel peut être, de préférence, neutralisé par addition d'acide chlorhydrique et ensuite l'ester de lysine est séparé ré du mélange réactionnel sous la forme d'un sel d'acide chlorhy- e drique. Spécialement, lorsqu'on désire l'ester méthylique ou éthylique de lysine, le sel d'acide chlorhydrique de ces esters de lysine est facilement séparé par cristallisation à partir du mélange réactionnel, par refroidissement. Dans ce cas, le procédé de la présente invention peut être très préférablement réalisé en présence d'eau et d'une quantité catalytique d'acide chlorhydrique, Après que l'ester de lysine cristallisé a été séparé du mélange réactionnel par un procédé classique, la liqueur mère contenant encore l'ester de lysine ou son sel d'acide chlorhydrique et unie petite quantité de matière de départ n'ayant pas réagi,peut être recyclée dans la zone de réaction. Le sel brut d'ester de lysine ainsi obtenu peut être facilement purifié par lavage avec de l'alcool froid.Ainsi, selon la présente invention, l'ester de lysine peut être facilement produit avec un rendement élevé. La présente invention peut être, en outre, illustrée par les exemples suivants de réalisation préférés. EXEMPLE 1 2,00 g de chlorhydrate d' -amino-t-caprolactame (12,0 mmo- les), 38,2 g de méthanol (1,2 mole) et 6,55 g de HCl (0,17 mole) ont été introduits dans une ampoule en verre de 100 millilitres et chauffés pendant 10 heures dans un bain d'huile à 1200C. L'ampoule a été alors refroidie jusqu'à la température ambiante et le contenu a été La solution ainsi gbtenue a été refroidie dans un bain de glace, et on a obtenu alors 1,5g de cristaux par filtration. On a trouvé que le dichlorhydrate d'ester méthylique de lysine était présent en quantité de 92 % en mole sous forme cristalline, par spectre de résonance magnétique nucléaire mesuré dans D20 en tant que solvant. Les cristaux ont été dissous à nouveau dans du méthanol et on a neutralisé jusqu'à un pH d'environ 8,0 par une solution de méthylate de sodium-méthanol. On a fait passer la solution ainsi obtenue à travers une colonne de produit faiblement échangeur de cations, de 50 cm x 20 mm de diamètre, le produit étant dit Amberlite IRC-50, débarrassé d'eau avant l'utilisation. Presque tout le chlorhydrate d'a-amino 4-caprolactame n'ayant pas réagi et une faible quantité de dichlorhydrate d'ester méthylique de lysine non neutralisé ont été élués. Ensuite, 1,3 g de dichlorhydrate d'ester méthylique de lysine a été obtenu en introduisant le chlorhydrate en solution méthanolique dans la colonne de produit faiblement échangeur de cations (rendement : 46,5 %). EXEMPLE 2 On a réalisé la mAeme réaction que dans l'exemple 1, en utilisant le méthanol au lieu de l'éthanol. La réaction a été poursuivie pendant 20 heures. Le contenu, retiré de l'ampoule de verre, a été neutralisé jusqu'à un pH d'environ 8,0 en ajoutant une solution d'éthanoléthylate de sodium, et le mélange de chlorhydrate d'a-amino-t-capro- lactame, de monochlorhydrate d'ester éthylique de lysine et dtune faible quantité de dichlorhydrate d'ester éthylique de lysine a été obtenu. Le chlorhydrate d'-amino-g-caprolactame, le dichlorhydrate d'ester éthylique de lysine et du chlorure de sodium ont été élués par passage à travers la colonne de produit faiblement échangeur de cations, dit Amberlite IRC-50, débarrassé d'eau avant l'utilisation, et en lavant la colonne par méthanol. Ensuite, 1,18 g de monochlorhydrate d'ester éthylique de lysine a été élué sous forme de dichlorhydrate en introduisant le chlorhydrate en solution éthanolique dans la colonne de produit faiblement échangeur de ca tions (rendement : 40 %). EXEMPLE 3 16,46 g de chlorhydrate d'a-amino-g-caprolactame (0,1 mole) et 160 g de méthanol (5,0 moles) ont été introduits dans un autoclave de 0,5 litre (fabriqué en acier dit SUS-304) et chauffés à 1200C pendant 20 heures avec agitation. Après refroidissement jusqu'à la température ambiante, on a fait passer le contenu à travers la colonne de produit échangeur de cations (dit IRC-50) débarrassé d'eau avant l'utilisation. 13117 g de chlorhydrate dsa-amino--caprolactame ayant pas réagi (0,08 mole) étaient contenus dans la solution éluée. 4,66 g de dichlorhydrate d'ester méthylique de lysine (0,02 mole) ont été obtenus en faisant passer le chlorhydrate en solution méthanolique à travers la colonne de produit échangeur de cations (rendement : 20 ). EXEMPLE 4 12,82 g dta-amino--caprolactame (0,1 mole), 64 g de méthanol et 5,4 g de méthylate de sodium (0,1 mole) ont été introduits dans un autoclave de 0,5 litre (fabriqué en acier dit SUS-304) et chauffés pendant 7 heures à 1200C. L'autoclave a été refroidi jusqu'à la température ambiante et le contenu a été retiré du réacteur. 7,3 g de HC1 (0,2 mole) dans du méthanol ont été ajoutés au mélange réactionnel et passés à travers la mbeme colonne de produit faiblement échangeur de cations que dans l'exemple 1. Après élution du chlorure de sodium et. de l--ta-amino-- caprolactame n'ayant pas réagi, le chlorhydrate en solution éthanolique a été introduit dans la colonne et on a alors obtenu 6,99 g de dichlorhydrate d'ester méthylique de lysine (0,03 mole) (rendement : 30 ). EXEMPLE 5 Dans une solution contenant 16,46 g de chlorhydrate d'a amino-i-caprolactame (0,1 mole), 164 g de méthanol (5 moles) et 23,07 g de HC1 (0,1 mole), on a ajouté séparément diverses quantités d'eau, tel que présenté dans le tableau suivant. La solution ainsi préparée a été introduite dans un ballon à quatre cols, de 0,5 litre, équipé d'un dispositif de refroidissement, et chauffée à 670C pendant 20 heures avec agitation sous la pression atmosphérique. Le mélange réactionnel a été refroidi jusqutà 00C dans un bain de glace et maintenu à la même température pendant 2 heures avec agitation. Les cristaux du produit précipité ont été séparés par filtration du mélange réactionnel. Les résultats sont présentés dans le tableau suivant. Dans les expériences n 3, 4 et 5, le dichlorhydrate brut d'ester méthylique de lysine a été purifié jusqu'à une pureté de 98 % par lavage avec du méthanol refroidi. TABLEAU Expérience Rapport molaire Rendement (a) Rendement brut Pureté n eau/méthanol i( en mole) (b) ( en poids) en mole) en mole) 5 - 1 0,0 (120 C) 23 20 23 5 - 2 0,01 30 28 30 5 - 3 0,25 60 35 1 84 5 - 4 0,50 64 35 94 5 - 5 2,00 50 10 90 5 - 6 4,oo 30 O (a) Le rendement signifie le rapport molaire entre le dichlorhy drate d'estxer méthylique de lysine dans le mélange réaction nel et le chlorhydrate d'&alpha;-amino-#-caprolactame initial. (b) Le rendement brut signifie le rapport entre le poids du pro duit brut cristallin, séparé du mélange réactionnel, et 23,31 g (c) La pureté signifie la teneur en dichlorhydrate d'ester méthy lique de lysine dans les cristaux isolés mesurée par spectre de résonance magnétique nueléaire dans D20 en tant que sol vant. EXEMPLE 6 La même réaction que dans l'exemple 5, expérience n 5, a été répétée en utilisant 230 g d'éthanol (5 moles) au lieu de méthanol. L mélange réactionnel ainsi obtenu a été refroidi avec agitation dans le bain de glace pour séparer par cristallisation les cristaux du produit. On a obtenu par filtration 15,93 g de produit cristallin (rendement brut : 62 ). EXEMPLE 7 25,2g d'eau (1,4 mole) ont été ajoutés à la solution contenant 12,82 g dta-amino- caprolactame (0,1 mole), 500 g de cyclo hexanol (5 moles) et 76,09 g de monohydrate d'acide p-toluènesulfonique (0,4 mole). La solution ainsi préparée a été introduite dans un ballon à quatre cols, de 1 litre, équipé d'un dispositif de refroidissement, et agitée à 1500C pendant 20 heures sous la pression atmosphérique. Après que la réaction a été achevée, le cyclohexanol et liteau ont été évaporés à partir du mélange réactionnel sous pression réduite et les solides restants ont été dissous dans 50 ml de méthanol. On a fait passer la solution méthanolique à travers la colonne de produit échangeur d'anions, c'est-à-dire la résine échangeuse d'anions dite Amberlite IRA-900, du type OH, débarrassée d'eau avant l'utilisation, et puis 1 T ester cyclohexylique de lysine a été élué par addition de 100 ml de méthanol. Le produit élué a été neutralisé par HC1 gazeux dans un bain de méthanol-glace sèche. Après évaporation du solvant et après séchage dans un four à vide, on a obtenu 10,58 g de monochlorhydrate d'ester cyclohexylique de lysine (rendement brut : 40 ) dont le point de rusion est 169 179 C. EXEMPLE 8 3,6 g-d'eau (0,2 mole) ont été ajoutés à la solution con tenant 12,82 g d' d'a-amino- caprolactame (0,1 mole), 651 g d'alcool n-octylique et 76,ou g de monohydrate d'acide p-toluènesulfonique (0,4 mole). La solution ainsi préparée a été introduite dans le meAm récipient de réaction que dans l'exemple 5 et agitée à 1500C pendant 20 heures sous la pression atmosphérique. Après la réaction, on a évaporé environ 500 g d'alcool n-octylique à partir du mélange réactionnel sous pression réduite, et le di-p-toluènesulSonate d'es- ter n-octylique de lysine a été cristallisé par addition d'environ 100 g d'acétone. On a obtenu 20,26 g de cristaux (rendement brut 30 ). EXEMPLE 9 On a ajouté 41,16 g de chlorhydrate d'a-amino-t-caprolac- tame (0,25 mole) dans la solution contenant 128 g de méthanol (4 moles), 18 g d'eau (2 moles) et 41,46 g d'acide chlorhydrique gazeux (1,136 mole). La solution a été introduite dans le même récipient de réaction que celui utilisé dans l'exemple 5 êt agitée pendant. 2 heures à la températwre de reflux. Après la réaction, le mélange réactionnel a été refroidi jusqu'à O C et maintenu à la la même tempé- rature pendant 2 heures avec agitation. 18 g de cristaux ont été séparés du mélange réactionnel refroidi par filtration rendement brut . 31%). Ensuite, 10,5 g d a-amino-E-caprolaetame (0,08 mole), 2,56 g de méthanol (o,oe2 mole) et 5,84 g de HCl (0,16 mole) ont été ajoutés à la liqueur mère et le mélange ainsi préparé a été agité pendant 5 heures à la température de reflux. Le mélange réactionnel a été refroidi Jusqu'à O C et 17,5 g de cristaux ont été obtenus par filtration. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent autre décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de production d'esters de lysine, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer de l'a-amino-g-caprolactame avec plus d'un équivalent molaire d'un alcool choisi dans le groupe se composant d'alcools inférieurs primaires et secondaires, dans une zone de réaction maintenue à une température élevée, et à séparer l'ester de lysine du mélange réactionnel. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'alcool est choisi dans le groupe se composant d'alcools primaires et secondaires représentés par la formule générale R-OH, où R est un radical alkyle ou cycloalkyle ayant 1 à 10 atomes de carbone. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'alcool est 5 à 200 moles par mole d'a-amino-E- caprolactame. 4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la quantité d'alcool est 5 à 50 moles par mole d'cu-amino-E- caprolactame. 5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé en présence d'un catalyseur acide. 6 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé en présence d'un catalyseur basique. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le catalyseur acide est l'acide chlorhydrique. 8 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que 1' l'a-amino-g-caprolactame est envoyé au réacteur sous la forme d'un sel avec le catalyseur acide. 9 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le chauffage est réalisé en présence d'une quantité allant jusqu'à 2 moles d'eau par mole de l'alcool, à une température élevée. 10 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la quantité d'eau est 0,01 à 2 moles par mole de l'alcool. 11 - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la quantité d'eau est 0,0) à 1,5 mole par mole de l'alcool. 12 - Procédé selon la revendication 9 , caractérisé en ce que le catalyseur acide est l'acide chlorhydrique. 1)-- Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la quantité d'acide chlorhydrique est 0,05 à 1,00 mole par mole de l'alcool. 14 - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que lester de lysine est cristallisé et séparé du mélange réac- tionnel et le liquide résultant est recyclé dans la zone de réac tion. 15 - Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'alcool est le méthanol ou méthanol. 16 - A titre de produits industriels nouveaux, esters de lysine obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications I à 15.