Brevet FR2486072A1 — publié le 19820108

Procédé pour la fabrication de l'acide e-hydroxybutyrique et de ses oligocondensats Cas S.80/5 SOLVAY & Cie (Sociétg Anonyme) La présente invention concerne un procéde pour la fabrication de l'acide Shydroxybutyrique et de ses oligocondensats à partir de ses polycondensats obtenus par biosynthèse. De nombreux microorganismes sont capables de synthétiser des polycondensats de l'acide e-hydroxybutyrique (poly-e-hydroxybuty- rates) et diverses techniques, telles que l'extraction, sont connues pour séparer les poly-5-hydroxybutyrates des biomasses. Comme l'acide e-hydroxybutyrique est un produit intermédiaire très intéressant pour l'industrie chimique fine, diverses tenta- tives ont été réalisées en vue de le synthétiser au départ de ses polycondensats obtenus par biosynthèse. Cependant, tous les procédés envisagés jusqu'à maintenant à cet effet présentent l'inconvénient grave de conduire non pas à l'acide lui-même mais à des dérivés. Ces procédés connus nécessitent donc la conversion ultérieure de ces dérivés en l'acide, ce qui les rend trop compli- qués et trop onéreux pour pouvoir être utilisés industriellement. Ainsi, une première de ces méthodes connues consiste à saponifier les poly-e-hydroxybutyrates au moyen d'une solution alcaline de manière à former des sels alcalins de l'acide e-hydroxy- butyrique. Cette méthode comporte l'inconvénient supplémentaire d'entratner la formation de sous-produits non désirés tels que le 2- sel de l'acide crotonique en quantités importantes. Une deuxième mthliode déjà proposée consiste à traiter les poly-f-hydroxybutyrates au moyen d'hydrazine anhydre ce qui permet l'obtention de cristaux d'hydrazide de l'acide D(-)-B-hydro-:ybutyrique, lequel ne peut être transformé en acide qu'à l'intervention de quantités stoechio- métriques d'actdes tels que l'acide sulfurique ou l'acide chlorhy- drique, les rendements observés étant par ailileurs très faiblest Selon une troisième méthode connue, on opère par mUthanolyse et on obtient des oligocondensats sous la forme d'esters méthyliques ainsi que l'ester mthylique de l'aaide. La prOsente invention vise à fournir un procédé qui conduise directement à l'acide $-hydroxybutyrïque ou à ses olLgocondensats. Elle concerne à cet effet un procédé pour la falrication de l'acide Shydroxybutyrique ou de ses oligocondensats à partir de ses polycondensats selon lequel on soumet les polycondensats à une hydrolyse dars un mélange réactionnel liquide contenant un solvant, des polycondensats, un catalyseur acide et de l'eau. Les poly-e-hydroxybutyrates, egalement appelés acides poly-- hydro.ybutyriques, mis en oeuvre selon l'invention peuvent gtre des produits bruts ou des produits purs obtenus à partir d'une biomasse par tout moyen de séparation connu. L'origine de la biomasse est sans importance pour le procddé selon l'invention. La biomasse peut donc provenir de divers microorganismes et notamment de bactéries comme il a été dgcrit dans Angewandte Chemie, 1962, 74ème année, N 10, pages 342 à 346 par Schlegel et Gottschalk. De préférence, on utilise comme matière première des poly-5- hydroxybutyrates séparés de la biomasse par extraction au moyen de solvants qui sont utilisables dans le procédé selon l'invention et décrits ci-après. Cela permet de réaliser le procédé selon l'invention directement après l'extraction, dans le même solvant, sans discontinuité entre les opérations. Les poly-$-hydroxybutyrates mis en oeuvre ont en général une masse moléculaire moyenne en poids (M w) supérieure à 100.000. -3 - Habituellement, cette masse moléculaire est comprise entre 500.000 et 3.000.000, et le plus souvent entre 700.000 et 1.500.000. Elle peut varier en fonction de la provenance du poly-e-hydroxy- butyrate mis en oeuvre. Dans le procédé selon l'invention, le mélange réactionnel peut être constitua d'une phase ou de plusieurs phases distinctes. On préfère toutefois travailler avec un mélange réactionnel o le solvant, les poly-0-hydroxybutyrates et l'eau ne constituent qu'une phase liquide homogène. Lorsque le catalyseur acide est liquide, il est choisi de préférence de manière à se trouver sous forme totalement dissoute dans cette phase liquide. On opère donc de préférence en l'absence d'une seconde phase liquide ou d'une phase solide comportant des poly-e-hydroxybutyrates non dissous. Les solvants mis en oeuvre selon l'invention peuvent être choisis parmi tous les solvants organiques capables de solubiliser les poly-0hydroxybutyrates tout en étant inertes chimiquement vis-à-vis de ceux-ci, de l'eau et du catalyseur acide utilisé. Les solvants peuvent être constitués d'un seul composé, pur ou de qualité technique, ou d'un mélange de plusieurs composés. De préférence, on choisit les solvants parmi ceux utilisables pour l'extraction des poly-e-hydroxybutyrates des biomasses et en particulier parmi les solvants halogénés, substitués ou, de préférence, non substitués. Parmi ceux-ci, les chloroéthanes et chloropropanes décrits dans le brevet français 7901862 déposé le 22.1.1979 au nom de SOLVAY & Cie ainsi que le chlorure de méthylène et le chloroforme conviennent bien. On a obtenu de bons résultats avec le chlorure de méthylène, le chloroforme, lel1,2-dichloréthane, le 1,1,2-trichloroéthane, le 1,1,2,2tétraèhloroéthane et le 1,2,3-trichloropropane. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec le chloroforme et tout particulièrement avec le 1,2-dichloréthane. Les quantités de solvant par rapport aux quantités de poly-6- hydroxybutyrates à mettre en oeuvre peuvent varier entre de larges limites et ne sont pas critiques. La vitesse d'hydrolyse étant toutefois fonction de la concentration en polymère, on préfère travailler avec des concentrations aussi élevées que possible. -4- Les poly-ehydroxybutyrates étant d'autant plus solubls dans les solvants que leur masse moléculaire est faible, il est avantageux de concentrer le melange réactionnel au fur et à mesure que l'hydrolyse progresse. On peut, à cet effet, avantageu- sement distiller progressivement le solvant de manière à concentrer de plus en plus le mélange réactionnel, Les catalyseurs acides, que l'on met en oeuvre selon l'inven- tion, peuvent être choisis parmi tous les acides de Brrnsted et de Lewis. On préfère habituellement utiliser les acides de Br8nsted dont le pKA est inférieur à 4 et, encore de préférence, à 2,5. Parmi ceux-ci, on préfère employer l'acide sulfurique, l'acide chlorhydrique, l'acide phosphorique et leurs dérivés ainsi que les acides sulfoniques. Les résines sulfonées conviennent également bien. Les catalyseurs ayant donné les meilleurs résultats sont les acides alkyl-, aryl-, alkylaryl-, et arylalkylsulfoniques ainsi que l'acide sulfurique. Tout particulièrement préférés sont l'acide sulfurique et l'acide para-toluène sulfonique. La quantité de catalyseur acide à mettre en oeuvre dans le mélange réactionnel n'est pas critique en elle-même. Les concen- trations relatives en catalyseur par rapport aux unités monomériques présentes dans les poly-0-hydroxybutyrates mis en oeuvre peuvent atteindre des valeurs de 100 Z molaires. Ce rapport est toutefois habituellement compris entre 0,1 et 40 % et de préférence entre 0,5 à 10 Z. L'eau peut être introduite dans le milieu réactionnel à tout moment, avant ou pendant l'hydrolyse. Ainsi, le procédé selon l'invention permet de travailler avec des poly-0-hydroxybutyrates bruts ne se trouvant pas sous forme anhydre et avec des solvants et des catalyseurs de qualité technique non anhydres. La quantité d'eau à mettre en oeuvre dans le mélange réaction- nel est choisie de préférence de manière qu'à aucun moment, il n'y ait hétérogénéité du mélange réactionnel liquide par apparition de deux phases liquides distinctes, à savoir une phase organique et une phase aqueuse. Il en résulte que, dans ce cas, la quantité d'eau mise en oeuvre est choisie en fonction de la nature du -5 - solvant, de la température, de la pression et de la masse molécu- laire du poly-e-hydroxybutyrate au moment considéré. L'eau étant généralement peu miscible dans les solvants utilisés de préférence selon l'invention, son addition se fait donc avantageusement en plusieurs stades ou en continu tout au long de l'hydrolyse en prenant soin de ne pas dépasser la limite de solubilité de l'eau dans le mélange réactionnel. Par ailleurs, il a été constaté que la solubilité de l'eau dans le mélange réactionnel augmente au fur et a mesure que l'hydrolyse progresse et que la masse moléculaire des poly8--hydro- xybutyrates diminue. En outre, lorsque l'hydrolyse a progressa de manière telle que le degré de polymérisation a atteint une valeur allant de 2 à 10 environ et que l'on se trouve donc en présence d'oligocondensats, la solubilité de ceux-ci dans!eat est suffisante pour que l'on puisse poursuivre l'hydrolyse dans une phase liquide aqueuse. A cet effet, on peut éliminer le solvant par une simple distillation et ajouter éventuellement de l'eau. On peut ainsi poursuivre l'hydrolyse en phase liquide aqueuse homogène et obtenir l'acide -hlydroxybutyrique avec des rendements élevés, sans formation de sous-produits en quantités élevées. Outre le solvant, les poly-e-hydroxybutyrates, l'eau et le catalyseur acide; le mélange réactionnel peut contenir d'autres constituants divers. Parmi ceux-ci, on peut citer' les agents de blanchiment tels que les composés peroxydes du type peroxyde d'hydrogène permettant d'obtenir des produits dépolymérisés ayant une blancheur accrue. Ceci se révèle être particulièrement intéressant si l'on opère au départ de poly-8hydroxybutyrates non purifiés au préalable. La-concentration de ces agents de blanchiment doit être ajustée de façon à ne pas provoquer d'alté- rations chimiques des produits. Le procédé selon l'invention peut être réalisé à basse température mais habituellement, on opère à des températures supérieures à 250C. En général, pour des raisons de commodité, on n'opère pas à des températures supérieures à 150 C. De préfé- -6- - rerce, on travaille à des températures situses entre 50 et 125 C. Par ailleur3, il est partiulièremet avantageiuxs d'op5rer à la temperature de reflux du,îlceu à la pression uonsid9ree de manlère à pouvoir éliminar prore ss ent le solvant par dîstil- lation cor"ee on l'a expliqud ci-dessus. La pression appliquée a cours du prccdg ntest pas critique en elle-emme et est généralaement i-frieure à 10 bar. De prf rence, on travaille à des prestoia comprices antre 0:05 et bcr. Tot.. partieSlir eent0 o0 przfère travailler à la pre2sion ^0 atmozphèriquaa. En ce naî conce=Re!a durge de l'hydrolyse, til va de soi que celle-ei est choisie en fonctiLo du produit iu3e l'on souhaite obtenir.!lus particuliàremernt, dans le cas oà on soshaite obtenir des oligocomdenóate, cette dur9G doit etre diterieine, cas par cós en foncetion du degre de polymnrisction des eligo- condensats que l'on souhaite obte:irO Aimsiî le procidd selon l'invention permet d'obtemir fdaceleat dos oligocondenmsats dont la masse moleCUlaîre moyenne sa po.ids est nfúér!eure à 50.000, et plus particulî_rement infarieure à 10.000. Le proefd& selon l'invention peut être r5alIe en continu -u en discontinu dans n'importe quelle installation permettant de réunir les conditions opératoires decr!tas cidessuso lacide 3-hydroxybuayrique ou les oligocondenssatu obtenus par le procédg selon lViavention peuvent etre separes du milieu réactionnel par n'importe quel moyen connu. Eabituellement cette opération est effectuée par une ou plusieurs distillations et filtrations suivies ou non de lavages par de l'eau ou des solvants organiques. Les oligocondensats de l'acide e- hydroxybutyrique peuvent etre utilisés pour leurs fonctions hydroxyles ou carboxyles et notamment comme réserve Énergétique dans la nourriture animale. Les exemples suivants servent à illustrer l'invention. Exemple 1 (comparatif) Dans un ballon de 250 cm3 équipe d'un agitateur, d'un thermo- mètre, d'une ampoule et d'un condenseur à eau, on introduit 4,3 g -7 d'un poly-$-hydroxybutyrate de masse moléculaire moyenne en poids (Mw) égale à 963.000, dispersés dans 100 cm3 d'eau déminéralisée. On ajoute 2,9 cm3 d'acide sulfurique 35 N au milieu et on porte à ébullition sous agitation mécanique pendant 6 heures. Le milieu réactionnel est recueilli par filtration sur filtre G4 et lavé abondamment à l'eau déminéralisée. Après séchage sous 2,5 kPa à C jusqu'à poids constant, on récupère 4,22 g d'un poly-0-hydroxy- butyrate de masse moléculaire moyenne M égale à 233.000. Exemple 2 Dans un ballon de 500 cm3, muni d'un agitateur, d'un thermo- mètre, d'une ampoule et d'un condenseur à eau, on introduit 4,3 g d'un poly-e-hydroxybutyrate de masse moléculaire moyenne en poids () égale à 1,3.10 que l'on dissout dans 250 cms de 1,2-dichlor- éthane par chauffage du solvant à reflux. On ajoute, après dissolution totale du polymère, 0,43 g d'acide para-toluène sulfonique monohydraté et 4,5 g d'eau. Le mélange, devenu hétéro- gène par apparition de deux phases liquides est encore chauffé à reflux pendant 6 heures et des prélèvements de 5 cm3 de mélange réactionnel sont effectués au cours de cette opération. On obtient dans chaque cas un polye-hydroxybutyrate dont le poids moléculaire est indiqué au Tableau I ci-dessous. TABLEAU I Prélèvement Masse moléculaire moyenne Masse moléculaire moyenne en nombre (M) en poids (M) après 2 h. 7.800 16.000 après 3 h. 4.300 10.000 après 4 h. 4.300 10.000 après 5 h. 4.300 10.000 Exemple 3 On opère comme dans l'exemple 2 mais au lieu de travailler en milieu hétérogène, on opère en milieu homogène c'est-à-dire que l'on utilise un milieu ne contenant que 0,81 g d'eau ce qui à - 8 - la température d'ébullition (environ 800C) constitue une quantité parfaitement miscible au 1,2-dichloréthane. Les résultats observés sont rassemblés au Tableau Il ci-après. TABLEAU II Prélèvement Masse moleculaire moyenne Masse moléculaire moyenne en nombre (Mn) en poids (Mw) après 2 h. 1.890 4.000 après 3 h. 1.320 2.800 après 4 h. 1.140 2.300 après 5 h. 970 2.000 La comparaison des exemples 1, 2 et 3 montre que l'hydrolyse des poly-$-hydroxybutyrates en milieu hétérogène aqueux (exemple 1) est insignifiante. La comparaison des exemples 2 et 3 montre que cette hydrolyse en milieu mixte solvant organique-eau hét6rogène (exemple 2) est plus efficace mais néanmoins plus lente que l'hydrolyse effectu6e en milieu solvant organique homogène (exemple 3). De plus, elle permet d'atteindre les masses moléculaires les plus faibles. Exemple 4 Dans le réacteur de l'exemple 1, on introduit 125 cm3 d'une solution à 40 g/l de poly-e-hydroxybutyrate dans le 1,2-dichlor- éthane provenant de l'extraction. La masse moléculaire moyenne en poids () est égale à 1,33.10. On y ajoute 1,06 cm3 d'H2SO4 N. Ce mélange est porté à ébullition à pression atmosphérique. La solution est concentrée par distillation du solvant et addition en continu de 635 cm3 de la solution d'extraction de manière à maintenir le volume réactionnel à 125 cm3. Apres 3h30, on obtient un poly-5hydroxybutyrate de masse moléculaire moyenne en nombre t) égale à 4000 et dont la concentration est de 2,83 mole/l. On place ensuite le condenseur à eau verticalement sur le ballon de façon à pouvoir chauffer la solution à reflux sans élimination de solvant. On ajoute ensuite à la solution portée à 9 - la température de reflux en moins de 1 minute 3,2 g d'eau. Apres 4,0 heures on ajoute de nouveau 1,6 g d'eau et après 7,7 h. d'ébullition à nouveau 1,6 g d'eau. Apres 9 heures, on a obtenu, après épuration et séchage à poids constant, des oligocondensats de masse moléculaire moyenne en nombre (t) égale à 650. Ces produits sont de couleur brunâtre. Exemple 5 On opère dans les mêmes conditions qu'à l'exemple 4 mais au lieu d'ajouter de l'eau on ajoute les mêmes quantités d'une solution à 30 % de peroxyde d'hydrogène dans l'eau. La masse moléculaire moyenne en nombre (Mn) des oligocondensats obtenus est sensiblement la même que celle obtenue à l'exemple 4 mais les oligomères se présentent maintenant sous forme d'une poudre blanche. Les exemples 4 et 5 montrent que l'on peut effectuer l'hydro- lyse de poly-fhydroxybutyrates bruts, issus directement de la biomasse, à l'aide d'une catalyse acide en milieu homogène solvant organique-eau au moyen d'une solution qui a été concentrée et dépolymérisée partiellement (exemples 4 et 5) et qu'il est possible en utilisant une solution aqueuse d'un composé peroxydé d'obtenir des oligomères parfaitement blancs (exemple 5). Exemple 6 Dans un ballon de 500 cm3 muni d'un agitateur mécanique, d'un thermomètre, d'une ampoule et d'un condenseur à eau permettant de distiller la phase liquide, on introduit, progressivement une solution dans lé 1,2-dichloréthane à 40 g/l d'un poly-6-hydroxy- butyrate de masse moléculaire moyenne en poids (M) égale à 6 W 1,33.10 ainsi que 7,0 g d'acide p.toluènesulfonique et on distille en continu le solvant de façon à obtenir après 4 heures 250 em3 d'une solution concentrée contenant 256 g/l de poly-0-hydroxybutyrate de masse moléculaire moyenne en nombre (M) égale à 9.200. n Cette solution est ensuite chauffée à reflux dans le même appareil modifié de façon que le condenseur à eau soit monté à la verticale et puisse fonctionner comme colonne de reflux. Lorsque la solution atteint la température de reflux, on ajoute en une - 10 - fois 6,7 cm3 d'eau et après 4 heures de fonctionnement on ajoute 3,4 cm3 supplémentaires d'eauo La rgaction est arrât5e après 6,5 heures et les olIgoconderisats otentis ont une masse moa-culatre moyenne en nombre (F) égale a 270v L'.appareillae est euîaite de wows-eau modifi de faon a pouvoir, comme au départ, fcnctionner comma apareil de distilation et le 1,2-dichloréthane est élimine as continu par distillation en 2,5 henures tandis que l'on ajoute progressivament de l'ea a l aide de l'ampoule. OR chaufffe encore pendamt 4 heu.res la !i solution d'eau à reflux et l'on obtient finalement de l'acide -h/ydroxybutyriqle leqTe! est isol par distillation zouS pressiao réduite, inf.rieure - 15 Pa, après neutralisation de l'acde p.toluènesulf&oriquie par du MaDI 2Mo Le rendement molaire en acide distill-, par rapport au polymère de départ est de 62 % La formation d'acide crotonique n'a jamais.ta observée au cours des différentes étapes r9actlonnmlleso - il - R E V E N D ICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication de l'acide e-hydroxybutyrique ou de ses oligocondensats à partir de ses polycondensats caractérisé en ce que l'on soumet les polycondensats à une hydrolyse dans un mélange réactionnel liquide contenant un solvant, des polycondensats, un catalyseur acide et de l'eau. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on maintient le solvant, les polycondensats et l'eau sous la forme d'une phase liquide homogène. 3 - Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que la phase homogène est une phase organique. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'on choisit comme solvant un solvant halogéné. 5 Procédé selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'on choisit le solvant parmi les chloropropanes, les chloroéthanes, le chlorure de méthylène et le chloroforme. 6 - Procédé selon les revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'on utilise un catalyseur acide choisi parmi l'acide sulfurique et les acides alkyl-, aryl-, alkylaryl- ou arylalkylsulfoniques. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'on concentre le mélange réactionnel au fur et à mesure de l'hydrolyse par distillation du solvant. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caracterisé en ce que l'on élimine le solvant lorsque l'on a obtenu des oligocondensats solubles dans l'eau et on poursuit l'hydrolyse en phase liquide aqueuse. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le mélange réactionnel est maintenu à une température comprise entre 50 et 125 C. - Procédé selon l'une quelconque des revendications-l à 9 caractérisé en ce que l'on ajoute un composé peroxydé au mélange réactionnel.