Brevet FR2591601A1 — publié le 19870619

PROCEDE DE PRODUCTION DE SELS DE METAL ALCALIN DE CARBOXY- ALKYL CELLULOSE INSOLUBLES DANS L'EAU. La présente invention se rapporte à un procédé de fabrication de sels de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose insolubles dans l'eau. On connaît divers procédés pour la production d'une matière insoluble dans l'eau et capable d'absorber l'eau, à partir d'un sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose soluble dans l'eau, par chauffage du sel de car- boxyalkyl cellulose soluble dans l'eau en présence d'un acide fort tel que l'acide chlorhydrique, l'acide monochlo- roacétique ou l'acide chlorhydrique formé in situ par chauf- fage d'acide monochloroacétique en présence d'eau. Par exemple, la Publication de Brevet Japonais n 935/1979 décrit un procédé dans lequel la carboxyalkyla- tion de cellulose est effectuée avec une certaine quantité d'hydroxyde de métal alcalin et un léger excès d'agent de carboxyalkylation par rapport à l'hydroxyde de métal alca- lin, puis chauffage du mélange réactionnel. Une partie de l'agent de carboxyalkylation en excès, qui n'a pas réagi pendant la phase initiale de carboxyalkylation, est décom- posée dans la phase suivante de manière à engendrer du chlorure d'hydrogène qui sert à catalyser la réaction d'in- solubilisation de la carboxyalkyl cellulose. Le brevet US n 3 723 413 décrit un procédé dans lequel la réaction de carboxyalkylation initiale est effec- tuée de façon usuelle pour former de la carboxyalkyl cellu- lose soluble dans l'eau. Ensuite, une partie des réactifs de carboxyalkylation et des sous-produits formés pendant la réaction de carboxyalkylation est retirée du mélange réac- tionnel et on soumet la carboxyalkyl cellulose résultante, contenant le reste des réactifs de carboxyalkylation et des sous-produits, à un traitement thermique à température éle- vée pendant un temps suffisant pour rendre la carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau. Ce procédé utilise égale- ment le chlorure d'hydrogène formé par la décomposition d'acide monochloroacétique in situ pour cataylser la réac- tion d'insolubilisation. Ces procédés connus présentent certains inconvé- nients. Puisque l'agent de carboxyalkylation et le chlorure d'hydrogène formé in situ sont de nature très corrosive à température élevée, la réaction doit être mise en oeuvre dans un appareil fabriqué en alliages coûteux ayant une ré- sistance élevée à la corrosion. Cela résulte de ce que la réaction de carboxyalkylation comprend un stade fortement alcalin et qu'on ne peut donc pas utiliser des réacteurs u- suels à revêtement de verre. Même avec de tels matériaux résistant à la corrosion, l'appareil risque de se corroder à un degré sensible. Le procédé décrit dans le brevet US précité pré- voit l'opération d'enlèvement d'une partie des réactifs de carboxyalkylation et des sous-produits formés pendant la réaction de carboxyalkylation initiale. Afin d'obtenir une qualité constante du produit final, la quantité des réactifs et des sous-produits envo- yée au traitement thermique suivant doit être réglée à une valeur aussi constante que possible par rapport à la car- boxyalkyl cellulose à traiter. Toutefois, Ies essais ont montré que ce réglage est assez difficile à réaliser et la qualité du produit final tend à varier d'un lot à un autre. Enfin, puisque la température de traitement est relative- ment élevée, par exemple de 120 C à 195 C, il faut élimi- ner l'eau et les autres liquides volatils avant le traite- ment à chaud. Cela nécessite non seulement une opération et un appareil compliqués mais également une grande con- sommation d'énergie. La présente invention a donc pour objet un pro- cédé de fabrication de sels de métal alcalin de carboxyal- kyl cellulose insolubles dans l'eau, qui n'utilise pas de produits chimiques très corrosifs pour rendre les sels de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose insolubles dans l'eau. Un autre objectif de l'invention est de procurer un procédé dans lequel aucun traitement intermédiaire n'est nécessaire entre l'opération de carboxyalkylation initiale et l'opération d'insolubilisation, pour isoler la carboxy- alkyl cellulose soluble dans l'eau ou pour éliminer les ré- actifs restants et les sous-produits du mélange réactionnel. La présente invention a encore pour objet un pro- cédé dans lequel la réaction d'insolubilisation est effec- tuée à une température sensiblement inférieure à celle qui est utilisée dans les procédés connus. D'autres objets et avantages de la présente in- vention apparaîtront à la lumière de la description ci- après. Conformément à la présente invention, on obtient un procédé pour la production d'un sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau, qui consiste à faire réagir un sel de métal alcalin de carboxyalkyl cel- lulose soluble dans l'eau avec un acide hydroxycarboxylique aliphatique. De préférence, le sel de métal alcalin de car- boxyalkyl cellulose soluble dans l'eau,de départ,a un degré de substitution de 0,4 à 1,0. De préférence, la réaction est effectuée par ad- dition de l'acide hydroxycarboxylique aliphatique à un mé- lange réactionnel contenant le sel de métal alcalin de car- boxyalkyl cellulose soluble dans l'eau, et chauffage du mélange à une température de 65 à 95 C et de préférence de à 90 C, pendant 30 à 90 minutes. La quantité de l'acide hydroxycarboxylique à faire réagir varie avec le degré de substitution du sel de métal alcalin de carboxyalkyl cel- lulose de départ et elle est généralement de 0,4 à 1,8 fois et de préférence 0,5 à 1,5 fois en équivalence d'acide li- bre par rapport au degré de substitution. On décrit maintenant en détail le procédé suivant l'invention. On peut préparer de manière connue le sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose soluble dans l'eau, qui constitue la matière de départ, par réaction d'une sub- stance cellulosique avec un agent de carboxyalkylation et un hydroxyde de métal alcalin dans un solvant organique contenant de l'eau. Comme exemples de substances cellulosiques, on peut citer la pulpe de fibres courtes de coton, la pulpe de bois et d'autres matières cellulosiques fibreuses habituel- lement utilisées dans la production de carboxyalkyl cellu- lose. Des exemples d'hydroxydes de métal alcalin sont l'hydroxyde de sodium et l'hydroxyde de potassium. L'hydro- xyde de sodium est préférable pour des raisons économiques et de réactivité. La quantité d'hydroxyde de métal alcalin doit être égale ou légèrement supérieure à l'agent de car- boxyalkylation, sur une base molaire. Habituellement, on utilise un excès de 0,1 à 0,4 mole. L'utilisation d'hydro- xyde de métal alcalin sert non seulement à compléter la ré- action de carboxyalkylation régulièrement en un court laps de temps par accroissement de la disponibilité d'agent de carboxyalkylation pour la réaction, mais également à dimi- nuer la quantité d'agent de carboxyalkylation non réagi à la fin de la réaction, ce qui évite la corrosion de l'ap- pareil de réaction. Comme exemples d'agents de carboxyalkylation, on peut citer l'acide monochloroacétique,l'acide monochlo- ropropionique, leurs esters d'alkyle inférieur et de sel de métal alcalin. L'acide monochloroacétique est préféra- ble. La quantité d'agent de carboxyalkylation est telle qu'un certain nombre de groupes carboxyalkyle sont retenus par le produit final d'une façon suffisante pour qu'il pos- sède les propriétés désirées d'absorption d'eau et autres. Une quantité suffisante pour donner un degré de substitu- tion de 0,4 à 1,0 est généralement préférable. L'expres- sion "degré de substitution" utilisée ici désigne le nom- bre moyen de groupes carboxyalkyle par unité d'anhydroglu- cose. A un degré de substitution inférieur à 0,4, le pro- duit final ne possède pas de propriété suffisamment élevée d'absorption d'eau. Inversement, un trop grand degré de substitution n'est pas souhaitable car la matière de dé- part est trop hydrophile pour s'insolubiliser avec une quantité modérée d'agent d'insolubilisation,à une tempéra- ture de réaction modérée et en un temps de réaction rai- sonnable. La réaction de carboxyalkylation est effectuée dans un milieu réactionnel contenant de l'eau. On peut uti- liser des mélanges aqueux de solvants organiques miscibles à l'eau, tels que des alcanols en C1 4 ou des cétones con- tenant éventuellement des solvants organiques non miscibles à l'eau tels que le benzène ou l'hexane. Les constituants et les proportions du milieu réactionnel utilisé pour la réaction de carboxyalkylation sont bien connus dans la technique. Comme exemples d'acides hydroxycarboxyliques ali- phatiques, on peut citer des acides monohydroxy-monocarbo- xyliques, tels qu'acide glycolique et acide lactique; des acides monohydroxy-dicarboxyliques, tels qu'acide malique, acide tartronique et acide méthyltartronique; un acide monohydroxytricarboxylique, tel qu'acide citrique; et un acide dihydroxy-dicarboxylique, tel qu'acide tartrique. On peut également utiliser des isomères de ces acides. Ces acides ont un point d'ébullition élevé. Ainsi, ils ne se vaporisent pas pendant la réaction avec les sels de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose solubles dans l'eau et ils ne corrodent pas l'appareil de réaction. La quantité d'acide hydroxycarboxylique est telle qu'elle correspond à 0, 4 à 1,8 fois, et de préférence 0,5 à 1,5 fois, en équivalence au degré de substitution du sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose soluble dans l'eau, de départ. Cette quantité doit être présente sous forme d'acide libre et, par suite, une certaine quantité d'acide nécessaire pour neutraliser l'alcalinité restante doit être exclue. La plage ci-dessus donne un produit fi- nal ayant les caractéristiques désirées d'insolubilité dans l'eau et d'absorption d'eau. L'acide hydroxycarboxy- lique d'insolubilisation peut être ajouté directement au mélange réactionnel résultant de la réaction de carboxy- alkylation de la cellulose comme décrit plus haut. Un iso- lement et/ou un enlèvement d'un composant du mélange réac- tionnel ne sont pas nécessaires. La réaction d'insolubili- sation est effectuée à une température de 65 à 95 C, et de préférence de 70 à 90 C. Le temps de réaction varie en fonc- tion du degré de substitution de la matière de départ, de la quantité d'acide hydroxycarboxylique et des propriétés désirées dans le produit final. Il est généralement compris 2 5 9 1 6 01 entre 30 et 90 minutes. Une durée de réaction excessive abaisse souvent de façon indésirable les caractéristiques d'absorption d'eau. Puisque la réaction est effectuée à une tempéra- ture relativement basse pendant un temps relativement court et en l'absence de tout produit chimique fortement corrosif, on peut employer un équipement habituel du type utilisé dans la fabrication de carboxyalkyl cellulose par le procédé au solvant de faible volume, tel quel et sans modification. Le sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau résultant est peu soluble mais il est gonflant dans l'eau et il a d'excellentes propriétés d'ab- sorption et de rétention de l'eau. Par conséquent, le pro- duit est utile, par exemple, comme matière d'absorption d'eau et également comme agent de désintégration pour des médicaments en comprimés. L'invention sera mieux illustrée par les exemples ci-après, dans lesquels toutes les parties et pourcentages s'entendent en poids, sauf indication contraire. EXEMPLE 1 On charge une cuve de réaction avec 200 parties de pulpe de fibres courtes de coton et 86 parties d'hydro- xyde de sodium dissous dans 800 partiesdisopropanol à 83%. On agite le mélange à 30 C pendant 50 minutes pour former de l'alcalicellulose. On ajoute ensuite dans le réacteur 190 parties d'une solution à 50% d'acide monochloroacétique dans l'iso- propanol, tout en maintenant la température intérieure au- dessous de 40 C. On agite ensuite le mélange pendant 30 mi- 259160 1 nutes, on chauffe à reflux plus de 25 minutes et on laisse réagir à la même température pendant 65 minutes sous agita- tion. Le degré de substitution (D.S.) est de 0,69 à la fin de la réaction. On ajoute à la cuve de réaction 84,3 parties d'a- cide malique (1,41 équivalents/D.S.) et on laisse le mélan- ge réagir à 80 C pendant 60 minutes sous agitation. Après la réaction, on centrifuge le produit résultant pour éli- miner le solvant, on lave 3 fois avec du méthanol à 60% et finalement avec du méthanol absolu, on sèche et on pul- vérise le produit résultant. Les propriétés du produit fi- nal sont indiquées dans le tableau 1. EXEMPLES 2, 3 et 4 On répète la procédure de l'exemple 1, sauf en ce que 136 parties d'acide glycolique à 50% (0,95 équiva- lents/D.S.), 105 parties d'acide citrique (1,71 équivalents/ D.S.) et 94 parties d'acide tartrique (1,40 équivalents/ D.S.) sont utilisées à la place de l'acide malique,dans les exemples 2, 3 et 4 respectivement. Les propriétés des produits obtenus dans ces exemples sont indiquées dans le tableau 1. EXEMPLE 5 On charge une cuve de réaction avec 200 parties de pulpe de fibres courtes de coton et 102 parties d'hy- droxyde de sodium, dissoutes dans 850 parties d'isopropa- nol à 83%. On agite le mélange à 30 C pendant 50 minutes pour former de l'alcalicellulose. Ensuite, on ajoute au réacteur 208 parties d'une solution à 50% d'acide monochloroacétique dans l'isopropa- nol tout en maintenant la température intérieure au-dessous de 37 C. On agite ensuite le mélange pendant 30 minutes, on le chauffe à reflux pendant 25 minutes et on le laisse réa- gir à la même température pendant 65 minutes sous agitation. Le degré de substitution (D.S.) est de 0,74 à la fin de la réaction. On ajoute à la cuve de réaction 58 parties d'a- cide malique (0,61 équivalents/D.S.) et on laisse le mélan- ge réagir à 90 C pendant 90 minutes sous agitation. Après la réaction, on traite le produit résultant, de la même façon que dans l'exemple 1. Les propriétés de ce produit sont indiquées dans le tableau 1. EXEMPLE COMPARATIF On répète la procédure de l'exemple 1, sauf en ce que 48 parties d'acide monochloroacétique sont utili- sées à la place de 84,3 parties d'acide malique. Les pro- priétés du produit final sont indiquées dans le tableau 1. TABLEAU 1 Ex. 1 Ex. 2 Ex. 3 Ex. 4 Ex. 5 Ex. comp. Solubilité dans H20 (%) 3,88 5,30 1,40 9,96 14,7 2,76 Capacité d'absorp- tion (ml/g) 8,7 25,3 9,3 9,3 62,7 25,7 Temps de désinté- gration (s) 40-53 20-33 45-57 28-48 13-18 45-70 Corrosivité (mg/cm2.mois) SUS 304 0,33 0,51 0,49 0,63 0,34 13,6 SUS 316 0,29 0,36 0,36 0,47 0,29 4,8 MÉTHODES D'ESSAI Solubilité dans l'eau On prélève un échantillon de 4 g environ.Après nettoyage et séchage, on le pèse avec précision (W1) et on le dissout dans 400 g d'eau distillée, sous agitation pendant 30 minutes au moyen d'un agitateur magnétique. Après un temps de repos de 60 minutes, on filtre la partie sur- nageante résultante, à travers un papier de filtrage quan- titatif. On collecte 200 ml du filtrat, on les pèse (W2) et on les évapore jusqu'à l'état sec. Le résidu est à nou- veau séché dans un four à 105 C pendant 4 heures et pesé (W3). La teneur en matières volatiles en % (W4) du même échantillon est déterminée séparément après séchage de l'échantillon à 105 C pendant 4 heures. La solubilité dans l'eau peut être calculée par l'équation suivante: W3 X (400 + W1) Solubilité = W X W2 X [1 - (0,01 X W4)] X 100 Capacité d'absorption On place 75 ml d'eau distillée dans un cylindre de mesure de 100 ml. On ajoute un échantillon pesant juste 1,5 g, par parties en trois fois, et on le disperse à cha- que fois dans l'eau distillée. On ajoute une certaine quan- tité d'eau distillée, de sorte que le volume total est de ml. Ensuite, on laisse la dispersion reposer à tempéra- ture ambiante pendant 4 heures et on note le volume du sé- diment résultant. La capacité d'absorption peut être cal- culée par l'équation suivante: Volume de sédiment (ml) Capacité d'absorption - 1,5 (g) Temps de désintégration Un comprimé d'un diamètre de 8 mm et d'un poids de 250 mg est comprimé à partir du mélange ci-après et sou- mis à l'essai de temps de désintégration conformément à la Pharmacopée Japonaise. 1 1 Acide ascorbique 50,0 % Lactose 46,5 % Agent de désintégration 3,0 % Stéarate de magnésium 0,5 % Total 100,0 % Corrosivité Un échantillon du mélange réactionnel est prélevé dans la cuve de réaction, 5 minutes après addition de cha- que acide et agitation. Une éprouvette est placée dans l'é- chantillon liquide, dans un récipient scellé et maintenu à 78 C dans un bain pendant un mois. On retire ensuite l'é- prouvette du récipient, on la lave soigneusement à l'eau, on la sèche et on la pèse. On peut calculer la corrosivité par division de la perte de poids de l'éprouvette par sa surface. Les résultats reportés sur le tableau 1 montrent que les produits des exemples 1 à 5 possèdent des proprié- tés, en ce qui concerne la solubilité dans l'eau, la capa- cité d'absorption et le temps de désintégration, qui sont comparables ou supérieures à celles du produit de l'exemple comparatif. En outre, l'acide hydroxycarboxylique utilisé dans ces exemples est moins corrosif que l'acide monochlo- roacétique. La plupart de ces acides hydroxycarboxyliques ont été agréés comme additifs alimentaires et ne présentent pas de danger même s'ils restent dans le produit final. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Procédé de fabrication d'un sel de métal alca- lin de carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau, carac- térisé en ce qu'il consiste à faire réagir un sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose soluble dans l'eau avec un acide hydroxycarboxylique aliphatique. 2. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose soluble dans l'eau a un degré de substitution de 0,4 à 1,0. 3. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que le sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose est un sel de sodium de carboxyméthyl cellulose. 4. Procédé suivant la revendication 1, carac- térisé en ce que l'acide hydroxycarboxylique est choisi parmi acide glycolique, acide lactique, acide malique, acide tartronique, acide méthyltartronique, acide citrique ou acide tartrique. 5. Procédé suivant la revendication 2, carac- térisé en ce que l'acide hydroxycarboxylique représente de 0,4 à 1,8 fois en équivalence d'acide libre par rapport au degré de substitution. 6. Procédé pour la production d'un sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations de: réac- tion d'une matière cellulosique avec un agent de carboxyal- kylation et un hydroxyde de métal alcalin dans un solvant organique contenant de l'eau; addition d'un acide hydro- xycarboxylique aliphatique au mélange réactionnel résultant et chauffage du mélange à une température de 65 à 95 C pen- dant 30 à 90 minutes; et récupération du sel de métal alca- lin de carboxyalkyl cellulose insoluble dans l'eau à partir du mélange réactionnel. 7. Procédé suivant la revendication 6, caractéri- sé en ce que ledit agent de carboxyalkylation est l'acide monochloroacétique et ledit hydroxyde de métal alcalin est l'hydroxyde de sodium. 8. Procédé suivant la revendication 6, caractéri- sé en ce que ledit solvant organique est l'isopropanol. 9. Procédé suivant la revendication 6, caractéri- sé en ce que ledit sel de métal alcalin de carboxyalkyl cellulose a un degré de substitution de 0,4 à 1,0. 10.Procédé suivant la revendication 6, caractéri- sé en ce que ledit acide hydroxycarboxylique est acide gly- colique, acide lactique, acide malique, acide tartronique, acide méthyltartronique, acide citrique ou acide tartrique. 11.Procédé suivant la revendication 9, caractéri- sé en ce que ledit acide hydroxycarboxylique représente de 0,4 à 1,8 fois en équivalence d'acide libre par rapport au dit degré de substitution.