Brevet FR2677354A1 — publié le 19921211

PROCEDE POUR LA PREPARATION D'ESTERS D'ACIDES RACEMISABLES La présente invention concerne notamment un procédé pour la préparation d'esters, elle a plus particulièrement pour objet un procédé d'estérification de sel d'acides facilement isomérisables, ledit sel présentant comme cation des ions choisis parmi les ammoniums ou mélanges d'ammoniums dont la mine associée est volatile Ce procédé est particulièrement bien adapté à l'estérification des carboxylates optiquement actif. Il est fréquent, parmi les produits à activité biologique présentant un carbone asymétrique, qu'un seul diastéréoisomère soit réellement actif. Dans les mélanges racémiques, l'autre isomère devient un élément inerte voir cause de pollution Il est donc souhaitable d'effectuer une synthèse asymétrique souvent par voie biologique. Une fois le carbone asymétrique créé, souvent par une étape de fermentation, et lorsque ce carbone asymétrique est porté par un acide,l'ester est en général un intermédiaire quasi obligé pour les étapes ultérieures de la synthèse. Sur un plan industriel, lors des fermentations conduisant à des acides asymétriques, pour avoir un procédé aussi peu polluant que possible, il serait particulièrement intéressant de réaliser la régulation du p H par l'ammoniac ou l'ammoniaque, si à l'occasion de l'estérification, il était possible de récupérer au moins en partie l'ammoniac utilisé. Toutefois on ne dispose pas de procédé permettant une synthèse des esters à partir des sels d'ammonium qui soit rapide et/ou qui respecte la pureté isomérique, en général optique, des acides. Dans la suite de la description, on se référera aux acides lactiques qui constituent un bon exemple des problèmes rencontrés lors de l'esterification des acides facilement isomérisables. En d'autres termes, l'acide lactique servira de paradigme des acides facilement isomérisables Il constitue également un acide particulièrement bien adapté aux techniques spécifiques ci-après. L'estérification des lactates d'ammonium racémiques à fait l'objet de nombreuses publications et titres de propriété industrielle. Ainsi, E FILACHIONE, dans son brevet U S 2 565 487 du 27 Décembre 1948, décrit l'estérification par des alcools lourds (nombre de carbones > 4) de mélanges racémiques de lactates d'ammonium conduisant à de faibles rendements en esters racémiques (entre 17 et 65 % suivant l'ester) malgré l'utilisation possible de catalyseurs, l'élimination continuelle de l'eau et l'ammoniaque formé et le recyclage de l'acool. Un peu plus tard, ces travaux ont été repris sans améliorer fondamentalement les résultats En effet, E FILMACHIONE dans IEC 44 ( 9) 2189-81 en 1962 a effectué cette même réaction à température élevée ( 1500 C) et, en recyclant les intermédiaires, il a pu obtenir un rendement de 85 % en ester butyrique. Pour améliorer les rendements de cette estérification, des auteurs se sont tournés vers l'addition d'acide ajouté comme catalyseur au départ avec le sel d'acide lactique L'effet bénéfique enregistré n'est véritablement sensible qu'avec au moins 0,1 à 0,5 équivalent d'acide par mole de lactate, (généralement de l'acide sulfurique) On engendre alors des quantités importantes de sulfate qu'il faut éliminer et qui ne sont pas solubles dans le mélange réactionnel lors de l'estérification. Au cours de la présente étude, il a été montré que lorsque l'on part d'un acide optiquement pur, tous ces procédés induisent une racémisation importante du motif lactique de départ Ainsi ces techniques ne peuvent pas être utilisées telles quelles pour l'estérification d'isomères pur ou présentant un excès d'un isomère par rapport à l'équilibre thermodynamique. C'est pourquoi, un but de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné pour la préparation d'ester, par réaction d'un carboxylate d'ammonium sur un alcool, avec un rendement accru de transformation en ester, ce qui est économiquement primordial. Un autre but de l'invention est de réaliser l'estérification tout en conservant la pureté isomérique du groupe carboxylate de départ donc en empêchant la racémisation de ce motif. Un autre but enfin de la présente invention est de fournir un procédé qui permette l'amélioration de la cinétique d'estérification et ce, même à des températures relativement basses. Ces buts et d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints au moyen d'un procédé de préparation d'ester comportant une étape a). d'estérification d'un carboxylate d'ammonium par un alcool, o le milieu réactionnel est soumis à une pression réduite, de préférence à une pression réduite de 103 Pascal à 5 x 104 Pascal (suivant l'alcool). Ainsi, il a été montré que, le fait de travailler à basse température et sous pression réduite permettait de réduire de manière significative, le phénomène d'isomérisation. La température optimale est en générale comprise entre 90 et 120 'C, de préférence entre 90 à 100 'C; dans la présente description, sauf lorsque cela est spécifié autrement, les zéros de position ne sont pas significatifs. Selon la présente invention, on préfère pour les estérifications, utiliser des alcools secondaires ou primaires, de préférence ces derniers. En effet, la racémisation est d'autant plus importante que l'acool est difficile à estérifier, en outre lorsque les acides à estérifier sont des acides-alcools, il convient de tenir compte de l'existence d'une réaction parasite d'estérification entre la fonction acide et la fonction alcool de deux acides alcools pour former des polyester, dans le cas de l'acide lactique, la fonction alcool est une fonction secondaire ce qui est susceptible de rendre délicate l'estérification d'alcool secondaire. Les alcools les plus couramment utilisé pour l'estérification sont les monoalcool présentant de 1 à 5 atomes de carbone. Il est toutefois possible de réaliser des estérifications selon la présente invention avec des molécules plus lourdes pouvant avoir jusqu'à 20 atomes de carbone Dans ce cas, il convient d'adapter les conditions de pression et d'apport d'un tiers solvant ayant un point d'ébullition convenable Ce solvant sera de préférence un hydrocarbone dont le point d'ébullition sera compris entre 50 et 150 'C sous la pression atmosphérique. Les acides présentant une fonction acide et une fonction basique sont mal adaptés au procédé de la présente invention, ce qui élimine les acides aminés. Les acides donnant les meilleurs résultats avec la présente invention sont les acides optiquement actif, notamment ceux ayant le carbone asymétrique en alpha d'une fonction électroatractrice comme c'est le cas de l'acide lactique, des acides halogéno-2-propionique. Le procédé selon la présente invention, comporte avantageusement une étape de récupération de l'ammoniac au fur et à mesure de son passage en phase vapeur. L'ammoniac, ainsi récupéré, est en général récupéré par absorption à température convenable dans une phase aqueuse. On se s'écartera pas de l'invention en utilisant, en lieu et place de l'ion ammonium (NH 4 +) et de l'ammoniac (NH 3), par des ammoniums substitués et les amines correspondantes à condition que lesdites amines soient volatiles (c'est-à-dire dont le point d'ébullition est inférieur à 100 C sous 105 Pascal) et qu'elles présentent une bonne affinité pour l'eau On peut citer notamment, les amines primaires, secondaires ou tertiaires ayant un nombre de carbone au plus égal à 6. Selon la présente invention, le temps de séjour du carboxylate d'ammonium est compris entre 8 h et 48 h heures. L'eau formée au cours de l'étape d'estérification ainsi que celle éventuellement introduite avec le carboxylate d'ammonium est éliminée par passage à l'état de vapeur notamment par formation d'azéotrope de préférence d'hétéroazéotrope. Les espèces volatilisées telles que l'ammoniac, l'eau et éventuellement l'acool et/ou un diluant, sont séparées les unes des autres afin de permettre le recyclage de l'acool et de l'éventuel diluant, l'élimination de l'eau et la récupération de l'ammoniac. Ladite séparation est avantageusement réalisée par distillation. Le présent procédé convient particulièrement bien aux solutions concentrées d'acides provenant de fermentation Une fois la réaction d'estérification terminée, le mélange réactionnel est avantageusement soumis à une distillation qui permettra de récupérer d'une part l'alcool utilisé et d'autre part un culot formé essentiellement de l'ester recherché des polyesters et des impuretés introduites en même temps que les réactifs. La distillation peut être poursuivie de préférence sous pression réduite (vide primaire ou de préférence secondaire), permettant de récupérer une tête de distillation formée essentiellement de l'ester recherché et un culot formé des impuretés et de polyesters. Il est également possible de récupérer par distillation les éventuels diluants évoqués ci-dessus. L'alcool récupéré au cours de ces diverses opérations de distillation, est avantageusement recyclé, ainsi que cela a été mentionné auparavant, vers l'étape d'estérification. Le culot issu de la dernière distillation, formée de polyester dans le cas d'acides d'alcools, est avantageusement soumis à une lyse, de préférence à un solvolyse, au moyen dudit alcool ci-dessus ou une hydroalcoolyse au moyen d'un mélange entre l'eau et ledit alcool. Le produit de la lyse ainsi obtenu est avantageusement séparé d'avec les autres impuretés par distillation, en général sous vide. Ce procédé est particulèrement bien adapté au traitement des solutions à une teneur de 60 à 70 % en poids de lactates d'ammonium. Ledit lactate d'ammonium peut provenir d'une quelconque opération de fermentation connue de l'homme de métier. Ces teneurs peuvent être obtenues simplement par concentration de moûts fermentaires. L'invention sera illustrée par les exemples suivants qui ne sont en aucun cas limitatifs de l'invention. EXEMPLES Exemple 1: (comparatif) Dans un réacteur ayant un volume de travail à V litres et surmonté d'une colonne équivalente à 15 plateaux théoriques, on introduit en continu 0,87 V kg/jour d'une solution aqueuse concentrée de lactate d'ammonium obtenu par concentration directe d'un mout de fermentation et titrant % P/P (pureté isomérique L/(L+D) = 2 % On alimente en parallèle 3.1 V kg/jour de méthanol anhydre (neuf + récupéré) Le réacteur est chauffé pour maintenir une température de 1150 C dans la masse Ce qui coule du réacteur est successivement distillé sous vide 240 torr pour récupérer le méthanol puis sous vide 50 torr pour le lactate de méthyle. Les lourds restant en résidu sont recyclés directement dans le réacteur Rl Quand le régime d'équilibre de l'ensemble est atteint, la quantité de lourds n'évolue plus et l'on produit 0 60 V kg/jour de lactate de méthyle. Le lactate de méthyle obtenu à une pureté isomérique (rapport L/(L+D) égale à 8 %, soit un taux de racémisation de plus de 12 %. Exemple 2: On opère comme dans l'exemple 1 en mettant le réacteur sous un vide de 350 torrs On alimente 0 45 V kg/jour de la même solution de lactate d'ammonium de l'exemple 1 (pureté isomérique 2 %) et 2 2 V kg/jour de méthanol La température se stabilise à 100 l C Quand le régime de l'équilibre est atteint il n'y a plus augmentation de la quantité de lourds et l'on produit 0 31 V kg/jour de lactate de méthyle (pureté isomérque (L/(L+D)= 4 5 %), soit un taux de racémisation de 5 %. Exemple 3 On reconduit les conditions de l'exemple 2 en réalisant une hydroalcoolyse de lourds sous pression avant leur recyclage au réacteur (température 130 C 10 % d'un mélange eau/méthanol par rapport aux lourds, durée du traitement 3 heures) Quand le système est stabilisé on est capable d'alimenter 0 49 V kg/jour de lactate d'ammonium en récupérant 0 34 V Kg/jour de lactate de méthyle La pureté isomérique est inchangée par rapport à l'exemple 2. Exemple 4 On opère comme dans l'exemple 1 en remplacant le méthanol par le butanol normal Le réacteur est mis sous vide 310 torr Le produit coulant du réacteur est successivement rectifié dans une première colonne opérant sous 120 torr puis dans une seconde opérant sous 20 torr En régime stabilisé, quand il n'y a plus évolution de la masse de lourds, on est capable d'alimenter 0 62 V kg/jour de la solution de lactate d'ammonium (titre 75 % pureté isomérique 2 %) en tirant 0 62 V kg/jour de lactate de butyle ayant une pureté isomérique égale à 3 %, soit un taux de racémisation de 2 %. Exemple 5 On opère comme dans l'exemple 4 en remplaçant le butanol normal par l'isobutanol Les conditions sont strictement identiques On obtient 0. 63 V Kg/jour de lactate d'isobutyle ayant une pureté isomérique de 3.1 % (ratio L/L + D en %) en partant de 0 63 V Kg/jour de la même solution de lactate d'ammonium à 75 % en poids. REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation d'ester comportant une étape a. d'estérification d'un carboxylate d'ammonium par un alcool caractérisé par le fait que le milieu réactionnel est soumis à une pression réduite, de préférence à une pression réduite de 103 à 105 Pascal, de préférence de 103 à 5 x 104 Pa limite supérieure non comprise (suivant l'alcool). 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le milieu réactionnel est soumis à une température comprise entre 90 et 1200 C, de préférence entre 90 et 1000 C. 3 Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé par le fait le temps de séjour des différents réactifs avec leur proportion respective au sein du milieu réactionnel est de 10 à 30 heures. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre une étape b) de séparation, en général par distillation, de l'ammoniac et/ou de l'amine d'avec les espèces volatilisées au cours de la réaction de l'étape a). Procédé selon la revendication 4 caractérisé par le fait que ledit amoniac est récupéré après la dite étape b) de séparation et après une étape c) d'absorption dans de l'eau sous la forme d'une solution aqueuse concentrée recyclable en fermentation. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que l'eau, au cours de l'étape a), éliminée sous forme de vapeur d'eau, est séparée d'avec les autres espèces volatiles au cours de l'étape c simultanée à l'étape b. 7 Procédé selon la revendication 6 caractérisé par le fait l'eau est récupérée par condensation. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait que ledit-alcool, volatilisé lors de l'étape a) est récupéré sous la forme d'un mélange eau-alcool au cours de l'étape b. 9 Procédé selon la revendication 8 caractérisé par le fait que l'alcool obtenu, après éventuel traitement, est recyclé vers l'étape a. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé par le fait que l'on soumet le mélange réactionnel issu de l'étape a) à une étape d) de distillation sous pression réduite et on récupère un mélange dudit ester et dudit alcool. 11 Procédé selon la revendication 10 caractérisé par le fait que le mélange alcool et ester est recyclé vers l'étape a). 12 Procédé selon l'une des revendication 10 et 11 caractérisé par le fait que le culot issu de d) est soumis à une distillation sous pression réduite pour donner d'une part une fraction volatile constitué essentiellement d'un ester désigné et d'autre part un résidu. 13 Procédé selon la revendication 12 caractérisé par le fait que ledit résidu est soumis à une étape de lyse f). 14 Procédé selon la revendication 13 caractérisé par le fait que ladite lyse est réalisée par une mmélange d'eau et dudit-alcool (puis recyclés au sein du milieu réactionnel). Procédé selon l'une des revendications 13 et 14 caractérisé par le fait la lyse du dit-condensat est faite à une température comprise entre 100 et 1300 C et pendant un temps de séjour compris entre 30 minutes et 4 heures, avec un rapport entre le mélange et le résidu eau-alcool compris entre O et 30 %.