Brevet FR2791673A1 — publié le 20001006

PROCEDE DE PREPARATION DES ESTERS DE L'ACIDE HYDROXYMETHYLTHIOBUTYRIQUE La présente invention concerne un nouveau procédé de préparation des esters de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique. Il concerne plus particulièrement un procédé en deux étapes consistant à hydrater le 2hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile puis à estérifier le produit obtenu intermédiairement. L'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique est connu comme étant utilisé comme analogue de la méthionine pour nourrir les animaux d'élévage et principalement parmi ces animaux les volailles. Ce produit est commercialisé sous les marques Rhodimet AT 88TÖ ou AlimétTM. Il est connu de préparer l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique par différents procédés d'hydrolyse du 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile. L'hydrolyse est réalisée par un acide minéral tel que l'acide chlorhydrique ou sulfurique ou peut encore être réalisée par hydrolyse enzymatique. Les esters de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique présentent l'avantage d'être utilisables pour nourrir une autre catégorie d'animaux que sont les ruminants. En effet l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique n'est pas stable dans le rumen de cette classe d'animaux car il est consommé par les microorganismes qui y sont présents. Les esters présentent une propriété avantageuse car ils traversent la paroi ruminale et se présentent sous forme libre dans le flux sanguin. Jusqu'à présent lesdits esters étaient préparés à partir de l'acide commercial par un procédé qui consiste à préparer le chlorhydrate de l'acide puis à le faire réagir avec l'alcool. Il est apparu que lesdits esters pouvaient être préparés par synthèse directe à partir du nitrile et qu'on évitait ainsi la préparation de l'acide, la chloration et l'estérification subséquente. Il est apparu qu'il était possible de préparer les esters de l'acide 2hydroxy 4-méthylthiobutyrique par un procédé consistant comme décrit dans les brevets US 4 524 077, US 4 912 257 ou la demande de brevet WO 96/40630 à hydrater le 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile avec de l'acide sulfurique puis à estérifier le produit obtenu. La réaction d'hydrolyse pour former l'acide étant une réaction en deux étapes consistant d'abord en une hydratation du nitrile en amide puis en une hydrolyse de l'amide en acide, ces deux étapes étant réalisées dans le même milieu réactionnel, il est apparu que l'alcool pouvait aussi bien être utilisé comme milieu réactionnel lors de l'hydratation que comme réactant lors de l'estérification. Il est apparu de façon tout à fait étonnante qu'il était possible de réaliser l'hydratation du 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile en ester de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique avec d'excellents rendements avec un rapport molaire d'acide sulfurique par rapport au 2- hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile compris entre 0.6 et 1.2, de préférence entre 0.6 et 1 et tout particulièrement entre 0.6 et 0.88. De préférence la première étape qui est une réaction d'hydratation du 2hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile en 2-hydroxy 4-méthylthiobutyroamide est réalisée en milieu acide sulfurique très concentré et en présence d'une quantité d'eau suffisante pour réaliser cette réaction. La vitesse de cette réaction est inversement proportionnelle à la quantité d'eau. Ainsi une quantité d'eau au moins égale à une mole d'eau par mole de 2- hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile est nécessaire et une quantité molaire d'eau comprise entre 1 et 3.0 est préférée. On utilise encore plus préférentiellement un rapport molaire entre l'eau et le 2-hydroxy 4méthylthiobutyronitrile compris entre 1 et 2.5. Cette faible concentration en eau limite très fortement lors de la première étape l'hydrolyse successive du 2-hydroxy 4méthylthiobutyroamide en acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique. On préfère ainsi lors de cette première étape ne pas produire plus de 5 %, de préférence moins de 2 % en poids d'acide 2-hydroxy 4- méthylthiobutyrique. On préfère également lors de cette première étape obtenir une concentration en 2-hydroxy 4-méthylthiobutyroamide supérieure à 95 % en poids et de préférence supérieure à 98 % en poids. Les conditions opératoire utilisées lors de cette première étape sont choisies dans des limites ne conduisant pas à la production d'acide 2- hydroxy 4-méthylthiobutyrique, on préfère ainsi travailler à une température inférieure à 60 C et notamment comprise entre 0 C et 50 C. La réaction est de préférence réalisée dans un système de réacteurs continu et en série avec un temps de séjour compris entre 15 minutes et 2 heures. La pression réactionnelle est de préférence choisie entre 0.01 et 3 bars. La seconde étape de la réaction est une estérification et ou concomitamment une hydrolyse et une estérification du 2-hydroxy 4-méthylthiobutyroamide en ester de l'acide 2-hydroxy 4méthylthiobutyrique. Elle est réalisée en présence de la quantité subsistante d'acide sulfurique non consommée dans la première étape et en présence d'une quantité d'alcool suffisante pour estérifier l'amide présent. Le rapport molaire entre I'alcool et le nitrile est de préférence compris entre 2 et 6 et tout particulièrement entre 2 et 4. L'alcool utilisé est de préférence un alcool aliphatique contenant 1 à 10 atomes de carbone sous forme linéaire ou ramifiée. On préfère utiliser pour des raisons d'efficacité biologique un alcool ramifié et tout particulièrement l'alcool isopropylique. Cette étape est de préférence réalisée en ce qui concerne les conditions réactionnelles, à une température comprise entre 60 et le point d'ébullition de l'alcool. De préférence on opère sous une pression comprise entre 0,5 bar et une pression de 5 bars. Une pression inférieure à la pression atmosphérique permet d'éliminer des traces de gaz légers malodorant par exemple du type diméthylsulfure, diméthyldisulfure et méthylmercaptan. Le faible excès d'acide et la présence de sulfate acide d'ammonium limitent fortement le pouvoir corrosif du milieu à cette température. Selon une meilleure manière de mise en oeuvre du procédé selon l'invention on introduit lors de la première étape une solution de 2- hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile concentrée ou on évapore une solution aqueuse de 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile. Selon un meilleur moyen industriel de mise en oeuvre de l'invention on procède selon l'enchaînement des étapes suivant au départ d'une solution de 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile concentrée: Selon un premier procédé de mise en oeuvre industrielle on met en oeuvre une solution de 2-hydroxy 4-methylthiobutyronitrile concentré et d'H2S04 concentré, contenant moins de 20 % en poids d'eau. Le 2-hydroxy 4-methylthiobutyronitrile concentré à environ 80 % en poids et l'acide sulfurique concentré à environ 90 % en poids sont alimentés dans un appareil dans lequel le 2-hydroxy 4-methylthiobutyronitrile est hydraté. On obtient ainsi une solution contenant du 2-hydroxy 4methylthiobutyramide. On ajoute de l'alcool à cette solution. La solution obtenue après chauffage contient l'ester de l'acide 2- hydroxy 4-methylthiobutyrique. L'ester de l'acide 2-hydroxy 4- methylthiobutyrique est récupéré à partir de cette solution. On peut, par exemple, réaliser ce procédé en continu, semi continu ou discontinu. Lorsque le procédé est mis en oeuvre en continu, l'appareillage utilisé pour l'hydratation du 2-hydroxy 4méthylthiobutyronitrile peut comprendre un premier réacteur agité avec boucle de recirculation externe qui notamment sert à éliminer les calories dégagées par la réaction. L'hydratation du 2-hydroxy 4-methylthiobutyronitrile pourra être terminée dans un ou plusieurs réacteurs, agités ou piston, de préférence, en série avec le premier réacteur. On obtient ainsi une solution contenant du 2-hydroxy 4-methylthiobutyramide. On ajoute l'alcool à cette solution. L'appareillage utilisé pour l'hydrolyse/estérification ou I'estérification du 2-hydroxy 4methylthiobutyramide peut notamment comprendre un premier réacteur agité. L'hydrolyse/estérification ou l'estérification du 2-hydroxy 4methylthiobutyramide peut être terminée selon un schéma de mise en oeuvre industrielle dans un ou plusieurs réacteurs, agités ou piston, en série avec le premier réacteur d'hydrolyse. Selon un deuxième procédé de mise en oeuvre à partir du 2-hydroxy 4methylthiobutyronitrile concentré à environ 80 % en poids, d'alcool et d'H2S04, on procède selon les étapes suivantes: Le 2-hydroxy 4methylthiobutyronitrile concentré à environ 80 % en poids, I'alcool et l'acide sulfurique sont alimentés dans les conditions décrites au premier procédé de mise en oeuvre et on hydrate le 2-hydroxy 4methylthiobutyronitrile. On obtient ainsi une solution contenant du 2-hydroxy 4-methylthiobutyramide, de l'alcool et une certaine quantité d'ester. On chauffe cette solution afin d'estérifier et/ou hydrolyser/estérifier le 2-hydroxy 4-methylthiobutyramide restant. La solution obtenue après estérification contient l'ester de l'acide 2-hydroxy 4methylthiobutyrique. L'ester de l'acide 2-hydroxy 4-methylthiobutyrique est récupéré à partir de cette solution. On peut, par exemple, réaliser ce procédé en continu, semi continu ou discontinu. Selon un troisième procédé de mise en oeuvre de l'invention on réalise la fin de la deuxième étape sous pression. L'estérification du 2-hydroxy 4-methylthiobutyramide s'accélère lorsque la température augmente. Pour dépasser la température d'ébullition du milieu on peut réaliser cette étape sous pression. Le mélange obtenu est ensuite traité comme décrit dans les brevets US No 4 524 077 ou US No 4 912 257. Ainsi le brevet US No 4 912 257 décrit pour la préparation de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique à la suite de l'étape d'hydrolyse, une étape de neutralisation suivie par une étape de séparation biphasique et de séchage de chacune des deux phases suivie pour l'une des phases par une étape de filtration et pour l'autre par une étape de cristallisation. La mise au titre final se fait par addition d'eau. Un procédé équivalent peut être utilisé pour la séparation de l'ester. Le brevet US No 4 524 077 concernant aussi la préparation de l'acide 2hydroxy 4-méthylthiobutyrique consiste à réaliser une extraction directe du milieu d'hydrolyse par un solvant non miscible à l'eau suivie d'une évaporation dudit solvant en présence d'une quantité d'eau de façon à réduire l'apparition d'une coloration brune du produit obtenu. Le solvant est choisi notamment parmi la méthyléthylcétone, la méthylisobutylcétone, le méthyltertiobutyléther, le diisopropyléther, le diéthylcarbonate. Un procédé équivalent peut être utilisé pour la séparation de l'ester. Le procédé décrit dans le brevet US No 4 912 257 appliqué à la séparation de l'ester consiste à réaliser une séparation biphasique. On additionne au milieu issu de l'étape d'estérification un agent de neutralisation basique du type amine ou hydroxyde alcalin, on préfère utiliser l'ammoniaque. Le milieu se sépare en une phase organique (1) contenant l'ester recherché, et des sels subsistants. La phase aqueuse (2) constituant I'autre phase contient essentiellement des sels minéraux, surtout du sulfate acide d'ammonium et des traces d'ester. Les deux phases peuvent être évaporées de façon à éliminer l'alcool pour obtenir une solution organique d'ester 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique contenant de faibles quantités de sulfate d'ammonium qui cristallise, ce dernier est séparé par filtration et l'ester de l'acide 2-hydroxy 4- méthylthiobutyrique est récupéré et mélangé avec la phase organique obtenue précédemment. Une autre solution consiste à se débarrasser des sels minéraux présents dans la solution d'ester de l'acide 2-hydroxy 4- méthylthiobutyrique-par addition d'un solvant organique peu miscible à l'eau tel que notamment la méthyléthyl cétone, la niéthylisobutyl cétone, le diéthylcarbonate ou les solvants chlorés. On observe alors le relargage d'une phase aqueuse saline, la phase organique est débarrassée du solvant et de l'alcool résiduaire par évaporation et l'ester de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutytique est séparé. La phase aqueuse (2) est évaporée de façon à précipiter les sels minéraux, essentiellement le sulfate d'ammonium qui peut être commercialisé tel quel mais qui contient des traces de dérivés organiques malodorants. Cette phase aqueuse peut aussi être traitée de façon à l'épuiser en ester de l'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique. Cet épuisement est réalisé par addition d'un solvant peu miscible à l'eau choisi parmi la méthyléthyl cétone, la méthylisobutyl cétone, le diéthylcarbonate et les solvants chlorés. La phase aqueuse débarrassée de ses dérivés organiques est séchée de façon à isoler les sels minéraux inodores et commercialisables directement. La phase organique d'épuisement est recyclée par exemple avec la phase ester de l'acide 2-hydro 4- méthylthiobutyrique afin de récupérer les quantités d'ester extraites de la phase aqueuse saline. La présente invention sera plus complètement décrite à l'aide des exemples suivants qui ne doivent pas être considérés comme limitatifs de l'invention. Dans les exemples suivants on entend par HMTBE les esters de I'acide 2-hydroxy 4-méthylthiobutyrique. Exemple 1 Synthèse d'HMTBE isopropyle à partir d'HMTBN Préparation de I'HMTBM On charge 314.4 g d'HMTBN à 78.47% soit 1.88 moles, dans un réacteur agité doublé enveloppé muni de chicanes.On ajoute lentement 201.3 g d'acide sulfurique à 95 % soit 1.951 moles, en maintenant la température inférieure à 50 C. Après la fin de l'introduction de l'acide, la température du réacteur est maintenue à 45 C pendant 15 minutes. Synthèse de l'HMTBE isopropylique Après la fin du maintien en température, on introduit 227.3 g d'isopropanol, le réacteur est porté par palier de 5 C par 5 minutes jusqu'à l'ébullition 116 C en pied et 75 C en tête. Le réacteur est maintenu dans ces conditions pendant 5 heures. Une partie du distillat est soutiré et remplacé par autant isopropanol frais. Neutralisation de la phase organique La masse réactionnelle est neutralisée par 161.2 g d'ammoniaque à 32 % soit 2.72 moles d'ammoniac. Extraction On obtient deux phases. On ajoute 780 g d'eau et 449.7 g de dichlorométhane. La masse neutralisée est décantée et l'on obtient 939. 1 g phase organique et 1247.4 g de phase aqueuse. Purification Par distillation sous faible pression, les légers sont éliminés. La distillation est poursuivi en augmentant la température du bain de l'évaporateur et en abaissant la pression vers quelques mmHg. On récupère 263.5 g de distillat. Le titre de l'HMTBE isopropylique est supérieure à 99 %. Le rendement est de 72 % par rapport à I'HMTBN engagée. Exemple 2 Synthèse d'HMTBE isopropyle à partir d'HMTBN Préparation de I'HMTBM On charge 300.6 g d'HMTBN à 80 % soit 1.836 moles, puis 228.19 g d'alcool isopropylique, dans un réacteur agité doublé enveloppé muni de chicanes On ajoute lentement 192.48 g d'acide sulfurique à 95 % soit 1. 866 moles, en maintenant la température inférieure à 50 C. L'introduction de l'acide dure 37 minutes. Après la fin de l'introduction de l'acide, la température du réacteur est maintenue 50 C pendant 2 heures 15. Synthèse de I'HMTBE isopropylique Après la fin du maintien en température, le réacteur est porté à l'ébullition (100 C en pied) pendant 1 heure. Neutralisation de la phase organique On ajoute dans le réacteur après refroidissement 200ml de dichlorométhane (261.32 g) et 100 g d'eau. La masse réactionnelle est neutralisée à 20 C par 131.24 g d'ammoniaque (30 %) jusqu'à pH 7.7, soit 2.32 mole d'ammoniac. On obtient une phase supérieure aqueuse et une phase organique inférieure. On ajoute 100 ml d'eau (100.45 g) puis la masse réactionnelle est filtrée on récupère 305.4 g de gâteau. Extraction La masse réactionnelle (1030.4 g) obtenu est décanté à 20 C. On obtient 701 g de phase organique inférieure qui est lavée avec 245 g d'eau. On obtient 569 g de phase organique. Purification On élimine les légers de la phase organique par évaporation sous vide à C. Par distillation sous pression réduite, on obtient 201.8 g d'HMTBE isopropyle dont le titre est supérieur à 99 % poids. Le rendement est de 57 % par rapport à l'HMTBN introduit. Exemple 3 Synthèse d'HMTBE isobutyle à partir d'HMTBN Préparation de l'HMTBM On charge 298.34 g d'HMTBN à 80 % soit 1.824 moles, puis 274.87 g d'alcool isobutyle, dans un réacteur agité doublé enveloppé muni de chicanes. On ajoute lentement 188.3 g d'acide sulfurique à 95 % soit 1.825 moles, en maintenant la température inférieure à 45 C. L'introduction de l'acide dure 22 minutes. Après la fin de l'introduction de l'acide, la température du réacteur est maintenue 50 C pendant 10 heures. Synthèse de î'HMTBE isopropylique Après la fin du maintien en température, le réacteur est porté à l'ébullition (100 C en pied) pendant 2heure. Au cours du maintien en température, un solide apparaît. Neutralisation de la phase organique La masse réactionnelle est neutralisée à 20 C par 120.36 g d'ammoniaque (30 %) jusqu'à pH 7,7 soit 2.12 moles d'ammoniac. Le mélange est filtré et on récupère 106.5 g de gâteau. Extraction Au filtrat biphasique, on ajoute 263.8 g de dichlorométhane. Les deux phases sont séparées par décantation et après lavage de la phase aqueuse par du dichlorométhane te de la phase organique par de l'eau distillée et recyclage des lavages dans les phases respectives, on obtient 925 g de phase organique et 250 g de phase aqueuse. Purification On élimine les légers de la phase organique par évaporation sous vide à C. Par distillation sous pression réduite, on obtient 267.8 g d'HMTBE isobutyle dont le titre est supérieur à 99 % poids. Le rendement est de 70% par rapport à I'HMTBN introduit. Exemple 4 Synthèse d'HMTBE glyceryle à partir d'HMTBN Préparation de I'HMTBM On charge 299.4 g d'HMTBN à 80 % soit 1.826 moles, puis 625.6 g de glycérol, dans un réacteur agité doublé enveloppé muni de chicanes. On ajoute lentement 188.4 g d'acide sulfurique à 95 % soit 1.826 moles, en maintenant la température inférieure à 50 C. L'introduction de l'acide dure minutes. Après la fin de l'introduction de l'acide, la température du réacteur est maintenue 50 C pendant 12 heures. Synthèse de I'HMTBE glyceryle Après la fin du maintien en température, la température du réacteur est montée par palier à 120 C. La température est maintenue à 120 C pendant 6 heures puis à 130 C pendant 1 heure et à 140 C pendant 3 heures. Neutralisation de la phase organique La masse réactionnelle est neutralisée à 20 C par 70 g d'ammoniaque (30 %) jusqu'à pH 7.7. Extraction Au mélange réactionnel neutralisé, on ajoute 463.8 g d'eau et 311.1 g de dichlorométhane. Après décantation, on obtient 407 g de phase organique et 1726.3 g de phase aqueuse. Purification On élimine les légers de la phase organique par évaporation sous vide à C. On obtient dans le culot de distillation 5.8 g d'HMTBE mono glyceryle. REVENDICATIONS - 1 - Procédé de préparation des esters de l'acide 2-hydroxy 4méthylthiobutyrique caractérisé en ce qu'on hydrate le 2-hydroxy 4méthylthiobutyronitrile par de l'acide sulfurique et que l'on réalise une estérification du produit obtenu par un alcool. - 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'hydratation est réalisée en présence d'une quantité molaire d'acide sulfurique comprise entre 0.6 et 1.2 par rapport au 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile. - 3 - Procédé selon la revendication caractérisé en ce que l'hydratation est réalisée en présence d'une quantité molaire d'acide sulfurique comprise entre 0.6 et 0.8 par rapport au 2-hydroxy 4méthylthiobutyronitrile. - 4 - Procédé selon les revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que l'hydratation avec l'acide sulfurique est réalisée en présence d'un rapport molaire eau par rapport au 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile compris entre 1 et 3 et à une température inférieure ou égale à 60 C. - 5 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'estérification est réalisée avec un alcool aliphatique linéaire ou ramifié contenant 1 à 10 atomes de carbone. - 6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'alcool aliphatique est ramifié. - 7 - Procédé selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'alcool est l'isopropanol. - 8 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alcool est introduit soit avant soit après l'étape d'hydratation du 2-hydroxy 4méthylthiobutyronitrile. - 9 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le milieu issu de l'étape d'hydratation contient plus de 95 % en poids de 2-hydroxy 4-méthylthiobutyramide et de préférence plus de 98 % en poids. - 10 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lors de l'étape d'hydratation la quantité molaire d'eau par rapport au 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile est comprise entre 1 et 2.5 mole. - 11 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'hydratation est réalisée à une température comprise entre 0 et 50 C. - 12 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que I'hydratation est réalisée sous une pression comprise 0.01 bar et 3 bars. - 13 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que lors de l'estérification on ajoute une quantité molaire d'alcool par rapport au nitrile comprise entre 2 et 6. - 10 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'estérification est réalisée à une température comprise entre 60 C et le point d'ébullition de l'alcool. - 11 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'estérification est réalisée sous une pression comprise entre 0.5 bar et bars. - 12 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que pour l'hydratation on utilise une solution aqueuse contenant au moins 80 % en poids de 2-hydroxy 4-méthylthiobutyronitrile.