Brevet FR2726559A1 — publié le 19960510

La présente invention concerne un procédé de production d'esters cycliques d'acides a-hydroxycarboxyliques et, notamment de dimères cycliques, tels que le glycolide ou le lactide, par thermolyse ou craquage d'oligomères d'a-hydroxy acides correspondants et/ou de leurs dérivés, tels que les sels ou les esters. Ces esters cycliques sont utilisés dans la synthèse de polymères du type poly a-hydroxycarboxyliques, par exemple polylactiques ou polyglycoliques et qui sont des matériaux biocompatibles et biodégradables de choix pour la réalisation d'articles médicaux, tels que des prothèses ou des fils de suture, ou bien encore de systèmes de libération contrôlée de principes actifs. L'obtention de ces matières premières polymériques n'est pas sans poser de problèmes technologiques, car il faut atteindre de hauts poids moléculaires et de très grandes puretés, pour satisfaire aux caractéristiques physico-chimiques, mécaniques et d'atoxicité attendues dans les applications mentionnées ci-dessus. L'une des seules techniques connues et envisageables pour ce faire consiste à utiliser des esters cycliques, en particulier des dimères cycliques d'acide a-hydroxycarboxyliques, comme produits de départ de la synthèse. Partant de là, l'obstacle qui reste alors à surmonter réside dans la préparation de ces esters cycliques de départ, compte tenu de la thermodynamique particulièrement défavorable de la réaction de cyclisation des acides ot- hydroxycarboxyliques en esters cycliques. C'est ainsi que diverses solutions, dont aucune ne peut être considérée comme réellement satisfaisante, ont été proposées. En premier lieu, on évoquera les techniques consistant à soumettre des acides a-hydroxycarboxyliques et/ou leurs dérivés esters ou sels ou bien encore des copolymères desdits acides ou dérivés avec un noyau polyéther thermiquement stable,à une polycondensation conduisant à des oligomères, transformés ensuite en esters cycliques par distillation sous vide. Le brevet FR 1485 302 et les brevets us 4 990 222 et 4 727 163, entre autres, ont trait à de telles techniques. La mise en oeuvre de vide dans des enceintes réactionnelles qui doivent être portées à de fortes températures, impose de recourir à un équipement sophistiqué et délicat à mettre en oeuvre. Cela entraîne, également, d'importantes contraintes sur le plan de la sécurité. Bref, cela représente une charge financière lourde, voire trop lourde, au regard des performances atteintes de productivité, de rendement et de pureté des produits finis, qui restent relativement médiocres. D'autres techniques, divulguées par les brevets us 3 835 293 et 5 023 349, consistent à effectuer un craquage catalytique, à une température convenable et à une pression supérieure ou égale à la pression atmosphérique sur des oligomères d'acides a-hydroxycarboxyliques . Au cours de ce craquage, le milieu réactionnel est continuellement alimenté par un corps gazeux inertie, tel que l'azote, porté à une température au moins égale à la température réactionnelle et permettant d'entraîner les vapeurs des esters cycliques qui se forment. Ces derniers sont ensuite récupérés par précipitation dans un solvant, tel que l'acétone, tandis que le fluide vecteur (N2) est évacué dans l'atmosphère ou recyclé. La consommation d'un fluide vecteur inerte préchauffé constitue un handicap économique important pour ces procédés qui, en outre, ne sont pas commodes à mettre en oeuvre. En outre, il est à souligner qu'ils sont souvent le siège de difficultés de fonctionnement, telles que l'obturation des circuits d'entraînement de l'azote préchauffé. De telles difficultés sont extrêmement dommageables, eu égard à la mise en oeuvre industrielle. Enfin, il est clair que ces procédés restent optimisables, tant sur le plan de la pureté des esters cycliques obtenus que sur le plan de la productivité. Tous les procédés connus évoqués cidessus reposent ainsi sur la production d'esters cycliques par transestérification catalytique, dénommée également "backbitting", d'oligomères d'acides a-hydroxycarhoxyliques. Ces produits sont des intermédiaires essentiels dans le schéma réactionnel auquel on s'intéresse dans le cadre de l'invention. ns peuvent être obtenus, par exemple, par déshydratation d'acides a-hydroxycarboxyliques en solution aqueuse. Les procédés de synthèse de lactide, divulgués par les demandes de brevets Pcr wo 92/os 167 et wO 92/05 168, s'inscrivent hors de ce contexte, puisqu'ils reposent sur la synthèse directe de dimères cycliques à partir d'acide lactique, sans passer par le stade oligomère et en précisant même qu'il convient que le degré de polymérisation des acides de départ ne dépasse pas 2, de préférence. Dans cet état de connaissances, l'un des objets essentiels de la présente invention est de fournir un procédé de synthèse d'esters cycliques, en particulier de dimères cycliques d'acides a-hydroxycarboxyliques, tels que le lactide et le glycolide, mettant en oeuvre une thermolyse ou craquage d'oligomères desdits ahydroxy acides ou de leurs dérivés esters ou sels, qui soit commode à mettre en pratique, économique et qui permette d'obtenir, avec une bonne productivité, des esters cycliques de grande pureté. Un autre objet de l'invention est que ce procédé n'engendre pas de problèmes de sécurité et de préservation de l'environnement, lourds à assumer industriellement. Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé de synthèse qui, pour des raisons de commodité et sans que cela ne soit limitatif, puisse être conduit à la pression atmosphérique. Un autre objet de l'invention est de fournir un procédé de synthèse apte à être mis en oeuvre de façon discontinue ou continue. Ainsi, c'est après de nombreux essais et études que la Demanderesse a découvert, de façon tout à fait surprenante et inattendue, qu'il est judicieux d'extraire du milieu réactionnel les esters cycliques formés après thermolyse, par entraînement à la vapeur d'eau. Ceci est d'autant plus inopiné que l'eau est bien connue pour être extrêmement réactive avec les dimères et les oligomères d'acides ahydroxycarboxyliques. On pouvait donc craindre, a priori, que se forment des produits de dégradation. n est du mérite de la Demanderesse d'avoir surmonté ce préjugé technique latent. Ainsi, la présente invention concerne un procédé de préparation d'esters cycliques de formule dans laquelle R, et R2 représentent, indépendamment, l'hydrogène ou un groupe alkylé ayant de 1 à 6 atomes de carbone, dans lequel on transforme des (co)oligomères d'acides a-hydroxycarboxyliques ou dérivés en esters cycliques, par craquage thermique, caractérisé en ce que - on extrait les esters cycliques formés du milieu réactionnel, par entrainement à la vapeur d'eau, - et on soumet le mélange de vapeurs obtenu à une condensation, de manière à récupérer, d'une part, les esters cycliques et, d'autre part, une solution aqueuse résiduelle. Dans ce type de procédé d'obtention par craquage thermique, la séparation des esters cycliques repose sur l'équation de pression suivante Pp=Pe.c + P.. p = procédé, C.c = esters cycliques, a.s = atmosphère saturante de l'ambiance réactionnelle : solvant ou gaz inerte. Dans le cadre de l'invention, il est proposé que P,, provienne de la vapeur d'eau. Cela suppose un compromis technique entre la fonction de saturation et d'entrainement de la vapeur d'eau, d'une part, et le temps de contact entre cette vapeur d'eau et les oligomères, d'autre part, ce temps de contact devant être suffisamment bref pour minimiser les réactions secondaires d'hydrolyse des oligomères. Le procédé selon l'invention présente l'avantage de ne pas être dispendieux, d'être sûr et de conduire à des esters cycliques de grande pureté. Ceci est fort appréciable en vue de la synthèse de polymères. Conformément à un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, les produits de départ sont des acides a-hydroxycart > oxyliques ou leurs dérivés esters et/ou sels. Ce sont des composés de formule Rl, R2 pouvant être, indépendamment, l'hydrogène ou des groupes carbonés aliphatiques de 1 à 6 atomes de carbone. Les acides a-hydroxycarboxyliques de base sont, de préférence, l'acide glycolique et l'acide lactique conduisant, respectivement, au glycolide et au lactide. Quant il s'agit d'esters, les substituants du carboxyle sont, de préférence, choisis parmi les groupements hydrocarbonés aliphatiques ayant de 1 à 6 atomes de carbone, comme par exemple les méthyles ou les éthyles. Les oligomères ou les cooligomères, destinés à être craqués, sont des prépolymères préparés à partir d'acides a-hydroxycarboxyliques et/ou de leurs dérivés, tels que les esters ou les sels ci-dessus définis, ou bien encore des cooligomères, c'est-à-dire de copolymères d'acides a-hydroxycarboxyliques et/ou de leurs dérivés (esters et/ou sels) avec des noyaux polymériques, tels que des polyéthers thermiquement stables et porteurs de radicaux réactifs à chacune de leurs extrémités. Conformément à l'invention, ces (co)oligomères sont soumis à une étape de thermolyse ou de craquage thermique, connue en elle-même, en mettant en oeuvre une température de craquage comprise entre 160 et 300, de préférence, entre 180 et 260 et, plus préférentiellement encore, entre 210 et 230 C. Avantageusement, on effectue ce craquage thermique en présence d'un catalyseur, choisi parmi ceux couramment employés pour la catalyse de la thermolyse d'oligomères en esters cycliques, tels que ceux décrits dans les brevets antérieurs us 4 727 163, 4 835 293 et 5 023 349. En ce qui concerne la vapeur d'eau permettant l'entraînement des esters cycliques formés, elle peut être amenée sous pression, au plus tard lors du craquage thermique et/ou être formée in situ dans le milieu réactionnel par apport d'eau exogène. Cette dernière variante est la préférée. Pour sa mise en oeuvre on utilise, avantageusement, de l'eau exogène préchauffée à une température voisine de sa température d'ébullition. En pratique, cette eau est ajoutée goutte à goutte dans le milieu réactionnel au cours du craquage thermique. Ainsi, les vapeurs d'esters cycliques produites sont véhiculées par la vapeur d'eau dans un condenseur. Cette étape de condensation/refroidissement provoque, selon la température du condenseur, la liquéfaction ou la cristallisation des esters cycliques. Cela permet leur séparation aisée, par toute méthode appropriée, du genre filtration, démixion, décantation. Avantageusement, les esters cycliques cristallisés recueillis sont lavés à l'eau froide. n est à noter que le condensat aqueux obtenu n'est pas un solvant des esters cycliques cristallisés mais, par contre, dissous parfaitement les impuretés d'acides a-hydroxycarboxyliques présentes. Naturellement, la solution résiduelle obtenue, qui contient les motifs linéaires d'acide lactique, peut, après séparation, être recyclée dans l'étape de craquage thermique. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'eau sous forme de vapeur utile à l'entraînement des esters cycliques est présente dans une quantité au moins égale à 0,5, de préférence comprise entre 1 et 5 grammes d'eau pour 10 grammes d'oligomères. n est intéressant de noter que le procédé conforme à l'invention s'effectue, de préférence, à pression atmosphérique ambiante + 10 %, mais il est clair que l'on peut parfaitement imaginer des conditions opératoires à pression réduite ou en surpression, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Ce procédé peut être mis en oeuvre selon un mode discontinu ou continu. Dans les deux cas, l'introduction de vapeur d'eau dans le réacteur de craquage thermique est, de prérérence, effectuée de manière continue. Le réacteur employé doit permettre un contact vapeur/liquide efficace, c'est-à-dire offrir une grande surface de contact, étant donné que le temps consacré à cette opération est nécessairement court. On peut ainsi utiliser tout type de réacteur connu pour autant qu'il permette un contact biphasique intense et bref. I1 peut s'agir, en fait, de tous les contacteurs gaz/liquide, tels que: - une cuve pourvue de moyens d'agitation et de dispersion de gaz dans le liquide, - une colonne remplie, - un film raclé ou non, - une colonne à plateaux. ll faut également noter, à ce propos, qu'un procédé à contrecourant est parfaitement envisageable : oligomères dans un sens et vapeur d'eau dans l'autre sens. Le débit de vapeur doit être suffisant pour entraîner les esters cycliques au fur et à mesure de leur formation. ll ressort de ce qui précède que le procédé conforme à l'invention est particulièrement économique, simple et aisé à mettre en oeuvre, rentable et performant, notamment sur le plan de la pureté des produits qu'il permet d'obtenir. S'agissant du rendement, il est au moins égal à 30 % en masse, tandis que la productivité peut être estimée comme étant supérieure ou égale à 300 g d'esters cycliques par litre de volume réactionnel et par heure. S'agissant de la pureté des produits formés, elle est supérieure ou égale à 80 %, de préférence à 90 % et, plus préférentiellement encore, à 95 % en esters cycliques visés. Cela signifie que les impuretés acides sont présentes dans ces produits en très faibles quantités, d'où l'avantage économique et technique énorme qui peut en être retiré pour la préparation de polymères à partir de ces esters cycliques. Le procédé selon l'invention sera mieux compris, ses avantages et ses variantes ressortiront bien des exemples qui suivent. EXEMPLES SYNS DE LACIIDE L Le principe du procédé de fabrication de lactide L mis en oeuvre dans les exemples et conforme à l'invention est donné ci-après & 0 IEO de la H2o de lavage L I r &commat; + Lacdde L (oligolacEiques L) oligolacagx lot de la thennolyse | filtrat \ Bowslc tc rcyclagc ivaDOtateur Boudc dc rccydogc Adde lactique L La première phase du procédé consiste à déshydrater de l'acide lactique L pour donner des oligalactiques. Ceux-ci sont ensuite chauffés à 240 C pendant que l'on ajoute goutte à goutte de l'eau liquide préchauffée à 90" C.La vaporisation de l'eau entraîne une baisse de la température du milieu réactionnel ( - 2100 C) et les vapeurs de lactide produites sont véhiculées par la vapeur d'eau dans un condenseur. Le lactide cristallisé est rapidement lavé à l'eau froide et filtré. L'acidité du filtrat et du culot de la thermolyse détermine la quantité d'acide lactique à ajouter pour refaire un second craquage dans les mêmes conditions opératoires. L'opération a été ainsi réalisée trois fois. EXEMFI i : 1.1 SYNTHÈSE DU LACm > E : 1ER TOUR. 65 g d'acide lactique L commercial (0,72 mole), titrant 0,483 mole d'll+ (67 %), sont déshydratés pendant 3 h 30 à 170"C sous pression atmosphérique, puis une demi-heure supplémentaire sous pression réduite de 25 mm Hg. On obtient ainsi des d'oligomères qui sont portés à une température de 240 C et auxquels on ajoute, goutte à goutte, 69 g d'eau déminéralisée en 30 minutes. La température de la masse réactionnelle oscille, durant l'opération, entre 210 et 250 C, due à la vaporisation de l'eau. A l'issue de ces trente minutes, on n'observe plus de distillation du lactide et seule l'eau distille. Le lactide précipité est recueilli sur un fritté, puis lavé rapidement avec de l'eau froide. 2 p tes H20 dc lavagc 169g À . . i I ~i t210-250oC'LE ffla 14 vi 10g 91,5g }C: Q2 mole Le poids de lactide récupéré après séchage (une nuit sous vide à température ambiante) est de 15,6 g. La proportion d'isomère méso est de 2 % et l'acidité de 0,33 meqH+/g. Le rendement en lactide est donc de 45 % par rapport à la quantité de H+ de l'acide lactique et de 30 % si l'on considère que les 65 g d'acide lactique engagés contiennent 100 % d'acide. Ces valeurs s'entendent par défaut, dans la mesure où il a pu être constaté des pertes dues à une mauvaise condensation des vapeurs.Les conditions de lavage sont optimisables et il a, d'ailleurs, pu être montré sur un essai annexe qu'il est possible de diviser par dix l'acidité du lactide (de 0,7 à 0,07 meqH+/g) par un simple lavage à l'eau à température ambiante. Le filtrat de la réaction représente 0,2 mole de H+. L'acidité du culot n'a pas été déterminée. Le filtrat est joint au culot et additionné de 37 g d'acide lactique. La solution est déshydratée à 110 C et les conditions d'oligomérisation sont de nouveau imposées dès que l'eau ne distille plus. 1.2 SYNTHESE DU LACTIDE : 2ÈME TOUR. Une procédure identique au premier tour est suivie. Le lactide récupéré contient 4 % d'isomère méso et une acidité plus faible que celle de la réaction précédente. Le culot de distillation est jaune et toujours fluide. Aide lactique L (37g;O,27moleH ) ELlo lo' pates IEZO de lavage ll2odclavage lactide L I Oligolaaiqr L acideL9.6a 3q,Zg Filaat FAcidai: Ou mcaH+/g lS,4g 147g l3,4g 147g H+: 0,04 mole H+: 0,21 mole Le filtrat et le culot de la thermolyse sont de nouveau réunis et additionnés de 32 g d'acide lactique L commercial. Après distillation de l'eau et oligomérisation, le troisième craquage est effectué. 1.3 Synthèse du lactide : 3ème tour. Le lactide obtenu contient la même proportion de méso que lors du 2ème tour. La RMN 13C indique que les oligomères présents ne sont pratiquement pas isomérisés. Acide lactique L O2g; 0,24 mole H +) B20 I EO dc lavage 1 pates Crur Ih LP"n SS,2g 210-2S0 C j Flltat tådit: 0 14 meqH+Is l l tir 4,lg 167g H+:0,013 mole H+: 0,21 molc COMMENTAIRES : Le bilan global sur les trois essais montre que le rendement en lactide est de 33 % par rapport à l'acide lactique engagé, considéré à 100 %. L'isomérisation moyenne est très faible, inférieure à 4 % et l'acidité résiduelle est plus faible que celle des essais avec le dodécane ou par distillation sous vide. En tout état de cause, cette acidité résiduelle, qui traduit le taux d'impuretés présentes, est extrêmement réduite. C'est là l'un des avantages inattendus et importants du procédé selon l'invention, dans la perspective de la préparation de polymères d ' a-hydroxyacides. La productivité obtenue est également tout à fait satisfaisante, puisqu'elle s'élève à 300 g de lactide/l de volume réactionnel/h. EXEMPlE 2: Cet exemple illustre la réalisation en mode continu du nouveau procédé de fabrication du lactide conforme à l'invention. Dans un réacteur de 250 ml chauffé à 230 C, on ajoute, en parallèle et de façon continue, les oligolactiques L préchauffés à 120 C (0,33 g/min) et de l'eau (0,87 g/min), maintenue à 80 C. Après 80 minutes, on récupère 12,2 g de lactide L, parfaitement blanc et contenant 4 % d'isomère méso. l'acidité résiduelle est de 0,1 meqH+/g. Le rendement massique par rapport aux oligolactiques est de 46 % et le rendement molaire par rapport à l'acide lactique de 44 %. Le tableau ci-dessous résume les bilans massiques, molaires et acides de l'exemple 2. MASSE MOLE AUDITS (g) (meqH+/g) Acide lactique L (85 %) 36,0 0,400 0,400 Oligolactiques L 26,6 Lactide L 12,2 0,085 0,169 Filtrat 156,2 0,234 REVENDICATIONS: 1 - Procédé de préparation d'esters cycliques de formule dans laquelle Rl et R2 représentent, indépendamment, l'hydrogène ou un groupe alkylé ayant de 1 à 6 atomes de carbone, dans lequel on transforme des (co)oligomères d'acides a-hydroxycarboxyliques ou dérivés en esters cycliques, par craquage thermique, caractérisé en ce que: - on extrait les esters cycliques formés du milieu réactionnel, par entraînement à la vapeur d'eau, - et on soumet le mélange de vapeurs obtenu à une condensation, de manière à récupérer, d'une part, les esters cycliques et, d'autre part, une solution aqueuse résiduelle. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les esters cycliques sont lavés à l'eau. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on recycle la solution résiduelle dans l'étape de craquage thermique. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la température de craquage est comprise entre 160 et 300, de préférence entre 180 et 260 et, plus préférentiellement encore, entre 210 et 230" C. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le craquage thermique est effectué en présence d'un catalyseur. 6 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les produits de départ sont des acides a-hydroxycarboxyliques ou leurs drivés esters et/ou sels, de préférence en solution aqueuse, et en ce qu'ils sont soumis à une déshydratation conduisant à des (co)oligomères. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la vapeur d'eau est amenée sous pression, au plus tard, lors du craquage thermique. 8 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la vapeur d'eau est formée in situ dans le milieu réactionnel, de préférence par apport d'eau exogène préchauffée. 9 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'eau sous forme de vapeur utile à l'entraînement des esters cycliques formés est présente dans une quantité au moins égale à 0,5, de préférence comprise entre 1 à 5 g d'eau pour 10 g d'oligomères. 10 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à une pression sensiblement égale à la pression ambiante + 10 %. il - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'ester cyclique obtenu est le glycolide ou le lactide.