Brevet FR2277824A1 — publié le 19760206

La présente invention concerne un nouveau procédé de préparation de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 et plus particulièrement un procédé d'obtention sélective de l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 impliquant la formation subsidiaire d'acide DL pyrrolidone-2 carboxy'iique-5. On connaît depuis longtemps différentes techniques, faisant généralement appel à l'emploi de résines changeuses d'ions, permettant de récupérer l'acide pyrrolidone-2 carbo xylinwue-5 à partir de milieux naturels divers, comme les jus de betteraves, les hydrolysats de protéines végétales et animales, etc... Toutefois, en raison de la complexité de tels milieux et de leur concentration en ledit acide, il est pratiquement impossible d'obtenir ledit acide avec un rendement et un degré de pureté suffisants. On sait également produire de l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 par bioconversion enzymatique de l'acide L-glutamique en faisant appel à des souches de microorganismes appartenant à l'espèce Pseudomas cruciviae. Bien que les rendements en la forme L de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 puissent être très élevés, il subsiste cependant divers problèmes à résoudre pour la mise en oeuvre de ces processus à l'échelon industriel. En outre, certains procédés de fermentation permettent d'obtenir simultanément de l'acide L-glutamique et de l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5. La préparation de mélanges des formes S et DL de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 par voie chimique est également connue et procède par cyclisation thermique de l'acide L-glutamique soit en phase aqueuse, soit en phase fondue. Indépendamment du fait que les procédes connus ne donnent pas des rendements élevés en l'isomère t, ceux qui procèdent en phase aqueuse présentent l'inconvénient de nécessiter la mise en oeuvre de masses importantes d'eau en égard à celle du produit de la cyclisation, en raison de la faible solubilité de celui-ci, à moins d'utiliser une suspension d'acide glutamique, de telle façon que,après transformation, tout l'acide pyrrolidone-2-carboxyline-5-formé soit en solution (rapport des solubilités : acide glutamique/acide pyrrolidone-2- carboxylique-5 à froid : 1/50). Ainsi, aucun des procédés antérieurs ne permettait l'obten- tion, à l'échelon industriel, d'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 avec des rendements élevés et sous une fonne suffisamment pure. Cr@ce besoin se faisait ressentir dans l'industrie étant donné la consommation de cet acide ou de ses sels ou autres dérivés dans le domaine de la pharmacie et de la cosmétique. Le procédé de la présente invention permet de résoudre le problème précité et de répondre au besoin ci-dessus. Ce procédé, qui implique aussi une cyclisation thermique de l'acide B-glutamique, est éssentiellement caractérisé en ce qu'on utilise un catalyseur sélectif, jouant également le rôle dtinitiateur de la réaction de cyclisation et de fondant, ladite réaction s'effectuant à une température de l'ordre de 80 à 150 0C et de préférence de 100 à 130 C. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention le catalyseur précité est un sel de mono-ou di méthylaminoéthanol ou de mono-ou di-éthylaminoéthanol ou de morpholine de l'acide glutamique ou de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5. Le catalyseur précité a un triple rôle ; tout d'abord il sert de fondant en permettant l'obtention d'une phase fondue à des températures bien inférieures à 200 C ; en second lieu, il permet d'amorcer la réaction de cyclisation (rôle d'initiateur) à ces températures, généralement comprises entre 80 et 15000 ; enfin, il permet une action catalytique sélective conduisant, de façon inattendue, à l'obtention d'un rapport pondéral forme L (forme L + forme DL) de l'ordre de 0,75. Simultanément, le rendement global en acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 est très élevé, au moins égal à 90 % en poids (90 % à 95 %),- par rapport à l'acide L-glutamique, le rendement en la forme L étant de l'ordre de 75 % à 90 % en poids. Dans un mode de réalisation de l'invention, on prépare tout d'abord, dans une étape préliminaire, le sel précité, jouant le rôle de catalyseur, par réaction de l-'amino-alcool correspondant ou de la morpholine sur l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5, ces deux réactants étant en quantité substantiellement équimolaires -; le sel obtenu est ensuite ajouté à l'acide L-glutamique et la température portée à la valeur indiquée plus haut, en vue de la réaction de cyclisation thermique. Dans un autre mode de réalisation de l'invention le sel catalyseur précité est formé in situ, c'est-à-dire dans la masse initiale d'acide L-glutamique soumise à la cyclisation thermique, par introduction de l'amino-alcool correspondant ou de la morpholine dans cette masse et réaction subséquente avec l'acide L-glutamique. Quelque soit le mode de réalisation envisagé quant au processus de formation du catalyseur précité, le stade initial de la réaction, correspondant à peu près aux 30 premières minutes de la réaction, peut éventuellement s'effectuer à la température ambiante par réaction entre 1 'amino-alcool ou la morpholine, en phase liquide, et l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 ou l'acide L-glutamique, alors en phase solide dans l'étape préliminaire précitée, dans laquelle on forme en tant que catalyseur, un sel de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5, on aura intért.à utiliser comme réactant la forme DL qui pourra provenir d'une étape correspondante d'extraction de ce composé à partir d'une opération antérieure de cyclisation conforme au procédé de la présente invention, dans les conditions indiquées plus loin. Dans le premier mode de réalisation indiqué plus haut, dans lequel on prépare tout d'abord le sel catalyseur,- le rapport molaire entre celui-ci et l'acide L-glutamique amené dans le milieu réactionnel est de préférence de l'ordre de 1/1 à 1/20, ce rapport étant plus particulièrement voisin de 1/10. Dans le second mode de réalisation, dans lequel le sel catalyseur est préparé in situ à partir d'une fraction de l'acide B-glutamique, le rapport molaire dudit sel catalyseur à l'acide B-glutamique total amené dans le milieu réactionnel est de préférence tel que le rapport molaire. catalyseur formé/ acide glutamique ne participant pas à la formation de celui-ci soit comme indiqué dans le paragraphe précédent. Selon une autre caractéristique de la présente invention, la totalité de l'acide L-glutamique à transformer peut être amenée en une seule fois dès le stade initial de la réaction de cyclisation ; on peut aussi, conformément à la présente invention, amener l'acide L-glutamique à transformer, par fractions successives au cours de la réaction de cyclisation. Dans une mise en oeuvre particulière de la présente invention, qui conduit actuellement aux meilleurs rendements, le catalyseur précité est le sel de diméthylaminoéthanol de l'acide glutamique ou de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5, la température de réaction est de tordre de 100 à 13000 > o de préférence voisine de 125 C, et la durée de réaction est de l'ordre de 1 heure à 24 heures, de préférence environ 10 heures à 14 heures. Le traitement de la masse réactionnelle finale, en vue de la séparation de l'acide L pyrrolidone-2 carboxyliaue-5 sous forme purifiée et, à titre subsidiaire de l'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5, s'effectue par les étapes suivantes, considérées séparément ou en leurs diverses combinaisons possibles a) - on refroidit ladite masse et on l'additionne rapidement d'eau sous forme liquide et/ou solide, de façon à obtenir une suspension aqueuse à une température de l'ordre de OOC à 25 C, de préférence voisine de 20 C, température à laquelle on filtre ladite suspension pour obtenir un solide constitué d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5 et une solution aqueuse contenant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 b) - on fait passer la solution aqueuse précitée sur une résine échangeuse de cations, pour fixer la partie amino-alcool ou morpholine du sel catalyseur et éventuellement l'acide L-glutamique résiduel, et on recueille un effluent aqueux purifié contenant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 r) - on effectue une décoloration du produit de la réaction de cyclisation, par exemple au moyen de charbon actif, avant d'extraire 1' acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 d) - la décoloration précitée s'effectue sur l'effluent aqueux du paragraphe b e) - on sépare l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 de l'effluent aqueux précité par concentration, puis filtration ou centrifugation subséquente f) - on effectue la concentration précitée à la pression atmosphérique ou, de préférence, sous vide g) - on récupère,par des moyens en soi eonnus, l'aminoalcool ou la morpholine fixés sur la résine échangeuse de cations et on le recycle pour la préparation du sel catalyseur précité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaltront au cours de la description qui va suivre, en référence aux exemples ci-après donnés à titre non limitatif. Exemple 1 On mélange 89 g- de diméthylamincéthanol (1 mole) avec 1.470 g (10 moles) d'acide B-glutamique cristallisé sec et on charge le mélange ainsi obtenu dans un ballon de Keller muni d'un réfrigérant ascendant et placé dans un bain d'huile. On chauffe ce bain d'huile vers 125-130 et on maintient cette température pendant 12 heures. On observe le jaunissement et l'affaissement de la masse, au cours de ce chauffage, avec formation d'un liquide huileux de couleur brunâtre. On refroidit 'ensuite à 600C la masse ainsi obtenue, après avoir vérifié que l'acide L-glutamique a été complètement transformé. On adapte alors un dispositif d'agitation sur le ballon et on introduit dans celui-ci 400 g de glace pilée ainsi que 2.100 cm3 d'eau, ce qui amène la température de ladite masse aux environs de 200C, On procède à l'agitation de ladite masse pendant 1 5 à 20 minutes tout en maintenant cette température, puis on filtre la suspension, pour obtenir o un gâteau de filtration qu'on lave avec 200 cm3 d'eau à O C ; le gâteau séché pèse 140 g et est constitué de cristaux d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5. On percole la liqueur-mère (à laquelle on peut rajouter les eaux-mères provenant du recyclage d'une opération précédente) sur une colonne de 1000 cm3 contenant une résine échangeuse d'ions du type cationique forte, par exemple celle connue sous la dénomination commerciale "Amberlite IRC 120", cette résine ayant été préalablement régénérée par HGL en solution aqueuse IN et lavée avec de l'eau jusqu'à élimination complète des chlorures éventuellement contenus dans ladite résine. On récupère ainsi environ 5.000 cm3 d'un effluent aqueux contenant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5, le diméthylaminoéthanol ayant été fixé par la résine. Cet effluent aqueux est décoloré à l'aide de 10 g de charbon actif, puis il est concentré sous pression réduite, la valeur de la pression correspondant à une température d'ébullition inférieure à 4000. La cristallisation s'amorce au cours de la concentration. On filtre à 2000. On lave le gâteau-de filtration avec 150 cm3 d'eau à 0 C. Le séchage de ce gâteau donne 759 g d'acide I pyrrolidone-2 carboxylique-5. En concentrant les eaux-mères de filtration, de manière à obtenir une nouvelle quantité de cristaux, on récupère, après filtration, une quantité additionnelle (310 g ) d'acide L pyrrolidone-carboxylique. Les eaux-mères résiduelles peuvent être recyclées. Le rendement en acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 par rapport à l'acide L-glltamique de départ est donc d'environ 80 ffi en poids. On donne ci-dessous quelques résultats analytiques concernant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 ainsi obtenu: TABLEAU Extrait sec 99,7 % en poids Acidité exprimée en acide L-pyrrolidone-2 carboxylique-5 99,6 % en poids N total 10,84 % en poids C 46,35 % en poids H 5,48 % en poids Pouvoir rotatoire en solution aqueuse à 5% [&alpha;]D20 = -10,4 Pouvoir rotatoire en solution aqueuse alcaline pH = 9,2 [&alpha; ;]D20 = -27,6 Matières volatiles (105 C) 0,57 % Cendres (sulfuriques) 0,1 % Envoi de limpidité en solution aqueuse à 10% contenant 3% de NaOH - Trajet optique 10 mm Longueur d'onde 430 m Transmission : 98 % RemarQues A l'issue de la cyclisation, liteau doit dtre ajoutée rapidement afin d'éviter l'hydrolyse de l'acide pyrrolidone-2 carboxylizue-5, laquelle redonnerait de l'acide glutamique. Exemple 2 On chauffe au bain d'huile vers 100-120 C, un réacteur muni de moyens d'agitation contenant 89 kg (1.000 moles) de diméthylsminoéthanol et 129 kg (1.000 moles) d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5 provenant du traitement de la masse résultant du procédé de cyclisation de l'invention, lors d'une opération précédente, et ce, tout en agitant. Lorsque le milieu est devenu fluide, ce qui se produit au bout d'environ 30 minutes, la température est portée à 12500 et maintenue à cette valeur pendant toute la durée de la réaction de cyclisation. On ajoute ensuite dans le réacteur, par fractions successives, 1.323 kg (9.000 moles) d'acide L-glutamique cristallisé sec, l'addition desdites fractions étant réglée de façon à conserver au mélange réactionnel une viscosité compatible avec la poursuite de l'agitation. La durée de cette addition est de l'ordre de 5 heures. Lorsque tout l'acide glutamique a été ajouté, on maintient encore la température de 12500 pendant 5 heures. Le mélange réactionnel se présente alors sous la forme d'un liquide huileux de couleur brunâtre sur lequel on vérifie que la transformation de l'acide L-glutamique a été complète. On refroidit alors la masse jusqu'à 600 C et on l'additionne de 400 kg de glace pilée et de 2,1 m3 d'eau, ce qui amène sa température vers 2000. La suspension ainsi obtenue est agitée pendant 15 à 20 minutes, puis filtrée. Be gâteau de filtration est lavé systématiquement avec 200 litres d'eau à 0 C. Par séchage de ce gEteau, on obtient 274kg d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5. Les eaux-mères de filtration, obtenues après séparation de l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 dans l'opération précédente (obtenues comme indiqué ci-après) sont ajoutés à la liqueur mère de cristallisation dudit acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5. Le mélange desdites eaux-mères est percolé à travers une colonne de 1 m3 remplie de résine cationique flAmberlite IRG 120" préalablement régénérée et lavée comme indiqué dans l'exemple 1. On récupère ainsi environ 5 m3 d'un effluent aqueux constitué par une solution d'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5, le diméthylaminoéthanol restant fixé sur la résine. On décolore cette solution au moeyn de 10 kg de charbon actif, puis on la concentre sous vide, dans les conditions indi-quées dans l'exemple 1. La cristallisation s'amorce pendant la concentration, à la suite de quoi on stoppe celle-ci et on refroidit à 20 C, puis on filtre. Le gâteau de filtration est lavé systématiquement avec 150 litres d'eau à 0 C. Par séchage de ce gâteau, on obtient 625 kg d'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5. Une nouvelle concentration, suivie d'une cristallisation, portant sur les eaux-mères de la filtration ci-dessus, auxquelles on a joint les eaux de lavage, permet de récupérer une quantité additionnelle de 306 kg d'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5. Les eaux-mères résiduelles provenant de la filtration de cette quantité additionnelle de produit sont recyclées dans une opération subséquente, après dilution à 20 % de matières sèches, par mélange avec la liqueur-mère provenant de la filtration de l'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5, en vue de leur percolation, comme indiqué plus haut. Le rendement en acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 par rapport à l'acide L-glutamique est de 77 lo, L'élution de la résine permet de récupérer le diméthyla- minoéthanol et de recycler celui-ci en début de réaction, pour reconstituer le catalyseur, c 'est-à-dire le sel de diméthylaminoéthanol et d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5. Bien entendu, la présente invention n'est nullement limitée aux modes d'exécution décrits qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 à partir de l'acide L-glutamique, par cyclisation thermique en milieu fondu, caractérisé en ce qu'on utilise un catalyseur sélectif jouant également le rôle d'initiateur de la réaction de cyclisation, ainsi que de fondant, ladite réaction s'effectuant à une température de l'ordre de 80 à 150 C et, de préférence, de 100 à 130 C. 2. Procédé selon la revendication i, caractérisé en ce que le catalyseur précité est un sel de mono-ou di-méthylaminoéthanol ou de mono-ou di-éthylaminoéthanol ou de morpholine de l'acide glutamique ou de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le catalyseur précité est le sel de diméthylaminoéthanol de l'acide glutamique ou de l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5 la température de réaction est de l'ordre de 100 à 130 C, de préférence voisine de 125 C, et la durée de réaction est de l'ordre de 1 heure à 24 heures, de préférence environ 10 heures à 14 heures. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caracterisé en ce que le sel précité est préparé, dans une étape préliminaire, par réaction de l'amino-alcool correspondant ou de la morpholine sur l'acide pyrrolidone-2 carboxylique-5-, le sel obtenu étant ensuite mélangé avec l'acide L-glutamique. 5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le sel précité est formé dans la masse initiale d'acide L-glutamique soumise à - ladite cyclisation thermique, par mélange de 1 'amino-aIccol correspondant ou de la morpholine avec cette masse et réaction subséquente avec une fraction dudit acide L-glutamique. 6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport molaire sel catalyseur/acide L-glutamique est de l'ordre de 1/1 à 1/20, et de préférence voisin de 1/10. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le rapport molaire amino-alcool (ou morpholineYacide L-gluta miaue ne participant- pas à la formation du sel catalyseur est de l'ordre de 1/1 à 1/20, et de préférence de 1/10. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la totalité de l'acide L-glutamique à transformer est aménée en une seule fois dès le stade initial de la réaction de cyclisation. 9. Procédé selon l'une des revendications j à 7, caractérisé en ce que l'acide L-glutamique à transformer est amené par fractions successives au cours de la réaction de cyclisation. 10. Procédé selon l'une des revendications I à 9, caractérisé en ce qu'on effectue une séparation de l'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5 en refroidissant la masse rsultant de la réaction de cyclisation et en l'additionnant rapidement d'eau, de manière à ce que sa température soit de l'ordre de OOC à 25 C, de préférence voisine de 200C, température à laquelle on filtre la suspension résultante pour obtenir un solide constitué d'acide DL pyrrolidone-2 carboxylique-5 et une solution aqueuse contenant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5. ti. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'on fait passer ladite solution aqueuse sur une résine échangeuse de cations, pour figer la partie amino-alcool ou morpholine du catalyseur, et éventuellement l'acide L-glutamique résiduel, et on recueille un effluent aqueux purifié contenant l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5. la. Procédé selon l'une des revendications t à li, caractérisé en ce qu'on effectue une étape de décoloration du produit de la réaction de cyclisation, avant d'extraire acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5, cette décoloration portant de préférence sur l'effluent de la revendication il. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce qu'on sépare l'acide L pyrrolidone-2 carboxylique-5 de l'effluent aqueux précité, par concentration, de préférence sous vide, et filtration ou centrifugation. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'on élue l'amino-alcool ou la morpholine fixé gur la résine précitée et en ce qu'on le recycle, en début du processus de cyclisation, pour reconstituer le catalyseur précité. 15. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'on utilise l'acide DL pyrrolidone-2-carboxylique-5, obtenu dans la revendication 10, pour préparer le sel catalyseur. 16. Produits obtenus par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 15.