BR112015009393B1

BR112015009393B1 - método de preparação de ésteres

Info

Publication number: BR112015009393B1
Application number: BR112015009393-0A
Authority: BR
Inventors: Kenneth Stensrud; Mitchell Schultz; Padmesh Venkitasubramanian
Original assignee: Archer Daniels Midland Company
Priority date: 2012-10-29
Filing date: 2013-10-11
Publication date: 2020-12-22
Also published as: SG10201701568XA; BR112015009393A2; KR20150076162A; WO2014070415A1; KR102038177B1; JP2017081998A; AU2013338397B2; US9388116B2; US20150299095A1; JP6084699B2; US20160289161A1; CN104661992A; EP2912007A4; IN2015DN04068A; JP2015536331A; ES2762415T3; PL2912007T3; EP2912007B1; CN104661992B; MX2015005292A

Abstract

MÉTODO DE PREPARAÇÃO DE ÉSTERES; MÉTODO DE ESTERIFICAÇÃO; E COMPOSTO DE ÉSTER. Trata- se de um processo para produzir ésteres a partir de ácidos orgânicos por meio da reação de um ácido carboxílico com carbonato de dialquila em um solvente que contém álcool sem qualquer ácido extrínseco ou catalisador básico. Um benefício do processo de preparação é que o mesmo pode fazer a separação e extração de produtos de éster de modo mais simples e fácil vis-à-vis técnicas de isolamento convencionais.

Description

REIVINDICAÇÃO DE PRIORIDADE

[001] O presente pedido reivindica o benefício de prioridade do Pedido de Patente Provisório no U.S. 61/719.537, depositado em 29 de outubro de 2012, cujo conteúdo está incorporado no presente documento.

CAMPO DA INVENÇÃO

[002] A presente invenção refere-se a um processo químico para preparar ésteres a partir de ácidos orgânicos. Em particular, a invenção se refere a reações de ácidos carboxílicos com carbonatos em um solvente para produzir ésteres.

ANTECEDENTES

[003] Os ésteres são uma classe importante de compostos que são encontrados em várias funções em todas as áreas da química orgânica sintética. Os métodos gerais de preparação de ésteres iniciam a partir de ácidos carboxílicos que são diretamente condensados com álcool através do uso de catálise ácida (esterificação de Fischer). Esses métodos de esterificação anteriores, apesar da utilidade dos mesmos, sofrem de inúmeras desvantagens ambientais. A esterificação de Fischer é um processo de equilíbrio tipicamente catalisado por ácidos minerais fortes e corrosivos (por exemplo, pKa <0). A água gerada na reação deve ser continuamente removida por azeotropia ou através do uso de um agente de desidratação, ou a função da mesma deve ser compensada através do uso de um grande excesso de álcool. Álcoois comumente usados, tais como metanol e etanol, podem gerar sulfatos de alquila genotóxicos. A acilação e a alquilação são inerentemente poluentes devido à geração de sal, o uso de catalisadores e reagentes tóxicos e o uso de solventes clorados.

[004] Recentemente, químicos observaram outras abordagens de preparação de éster que pudessem ser menos poluentes e mais ambientalmente amigáveis. O carbonato de dimetila (DMC) ganhou proeminência como um reagente “verde” em ambos metilação ou metoxicarbonilação, catalisadas por base ou ácido, de anilinas, fenóis, compostos de metileno ativo e ácidos carboxílicos. A atração de DMC reside no fato de ser não tóxico e dar origem somente a CO2 e metanol (recuperável) como o subproduto.

[005] Inúmeros grupos propuseram abordagens diferentes para o uso de DMC em metilação ou metoxicarbonilação catalisadas por base de anilinas, fenóis, compostos de metileno ativo e ácidos carboxílicos. Outros propuseram um processo quimiosseletivo para a esterificação de ácidos carboxílicos sob condições moderadas (~80 a 90 °C) e sem solvente através do uso de DMC e carbonato de dietila (DEC) sob catálise ácida. (Consulte, Vamsi V. Rekha et al., “A Simple, Efficient, Green, Cost Effective and Chemoselective Process for the Esterification of Carboxylic Acids”, Organic Process Research & Development, volume 13, No 4, páginas 769 a 773 (2009)). O processo exige o uso de ácidos fortes (isto é, pKa <0) tais como H2SO4, ou ácido p- toluenossulfônico (PTSA), ou ácidos suaves tais como ácido m- tolúico (MTA), o qual exige uma etapa de neutralização a jusante anterior a purificação.

[006] Um outro problema com as atuais reações de esterificação de ácidos orgânicos com DMC é que as mesmas são frequentemente executadas em dimetilformamida (DMF), que pode ser problemática em processamento e purificação a jusante pós síntese, devido ao alto ponto de ebulição do DMF (por exemplo, ~153 °C) e propensão a decompor ao longo do tempo, o que pode levar a formação de dimetilamina altamente tóxica e reativa. Essa contaminação dos produtos de éster desejados pode ser dispendiosa e nociva.

[007] Em vista das desvantagens supracitadas, um novo processo de esterificação que possa eliminar ou minimizar os problemas associados às reações de esterificação que dependem de um catalisador extrínseco é necessário.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[008] A presente invenção fornece um método de preparar ésteres. O método envolve a reação de um ácido orgânico com um carbonato de dialquila na presença de um solvente que contém álcool e sem uma espécie de catalizador ou ácido ou básico extrínseco. O método compreende adicionalmente o isolamento dos ésteres correspondentes. O ácido orgânico é um ácido mono, di ou tricarboxílico ou uma combinação de tais ácidos orgânicos. O solvente é composto por um álcool, uma mistura de diferentes álcoois, ou uma combinação de um álcool e uma espécie não alcoólica. O álcool funciona como um agente de mediação na reação entre o carbonato de dialquila e o ácido orgânico. Um ácido extrínseco ou um catalisador básico estão ausentes, enquanto a nucleofilicidade inerente do álcool aciona a síntese de éster. Dependendo do tipo de reação, pode-se produzir monoésteres, diésteres, ou triésteres separadamente, ou misturas dos mesmos em várias combinações.

[009]Em outro aspecto, a presente invenção se relaciona a um composto de éster formado a partir de uma reação de um ácido carboxílico com um carbonato em um solvente que contém álcool sem a presença de um catalisador tanto básico como ácido.

[010] Recursos e vantagens adicionais dos presentes métodos serão revelados na descrição detalhada a seguir. Compreende-se que tanto o sumário supracitado quanto a descrição detalhada e os exemplos a seguir são meramente representativos da invenção, e são destinados a fornecer uma visão geral para a compreensão da invenção conforme reivindicado.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[011] A Figura 1 é uma ilustração de uma reação de esterificação de acordo com uma iteração do presente processo.

[012] A Figura 2 é uma ilustração de uma etapa limitadora de taxa para metátese de carbonato in-situ.

[013] A Figura 3 mostra um conjunto de reações de esterificação nas quais vários ácidos carboxílicos reagem com metilcarbonato em metanol, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[014] A Figura 4 mostra um conjunto de reações de esterificação nas quais vários ácidos carboxílicos reagem com carbonato de dietila em etanol, de acordo com uma modalidade da presente invenção.

[015] A Figura 5 mostra um conjunto comparativo de reações de esterificação nas quais o ácido levulínico reage em carbonatos puros sem um solvente alcoólico.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[016] Seção I – Descrição

[017] Na presente revelação, é descrito um método fácil e eficaz de preparação de ésteres a partir de ácidos orgânicos através do uso de carbonatos de dialquila não tóxicos ambientalmente amigáveis ou denominados “verdes” (por exemplo, dimetil ou dietilcarbonatos) em um solvente alcoólico (por exemplo, metanol ou etanol). O processo de síntese de éster envolve uma reação mediada por álcool entre um ácido orgânico e um carbonato sem a presença de tanto um ácido extrínseco como catalisador básico, conduzido por períodos de reação relativamente curtos. Essa abordagem é sem precedentes pelo fato de nenhum ácido extrínseco ou catalisadores básicos adicionais serem necessários para que ocorra a esterificação. A esterificação de um ácido orgânico com um carbonato de dialquila de acordo com o presente processo resulta em altas taxas de conversão (por exemplo, > 50%) do ácido orgânico nos correspondentes ésteres de alquila de ácido orgânico em produtividade relativamente alta (por exemplo, > 35%) do mesmo. Os ésteres de alquila podem ser facilmente isolados da mistura de reação sem a necessidade de neutralização, como por meio de pelo menos destilação fracionada, cromatografia, ou ambas. Esse processo é alcançado com uma quantidade mínima de produtos secundários.

[018] Apesar de não ser limitada por uma teoria, a Figura 1 apresenta uma ilustração de um mecanismo não limitador proposto para a presente reação de esterificação. No mecanismo proposto, o ácido orgânico serve a uma função dupla na reação. O próprio ácido orgânico serve primeiro para ativar o carbonato e, depois, como um reagente químico. A autocatálise pelo ácido orgânico contorna a necessidade de um catalisador externo. Adicionalmente, o mecanismo mostra que um solvente/cossolvente de álcool serve como um reagente na etapa irreversível da decomposição da estrutura de anidrido putativa que resulta na formação do produto e de CO2.

[019] Em geral, as presentes reações de esterificação tiram vantagem de solvólise, na qual o solvente serve como um reagente, que conduz a reação adiante em virtude do grande excesso da mesma. Para que a esterificação proceda de acordo com o presente processo, o solvente na reação é um álcool. As reações solvolíticas acarretam substituições nucleofílicas (isto é, reações nas quais um átomo ou um grupo de átomos em uma molécula é substituído por um outro átomo ou grupo de átomos), em que os solventes ricos em elétron agem como nucleófilos que adicionam e então forçam a eliminação de pequenas moléculas ou grupo a partir do substrato.

[020] Diferente das reações de esterificação convencionais, no presente método o solvente que contém álcool não funciona de acordo com mecanismos de substituição nucleófila tradicional, nos quais o R-substituinte do álcool desloca diretamente um grupo de saída. Não se limitando à teoria, a Figura 2 ilustra uma etapa limitadora de taxa putativa da presente reação de esterificação, a qual envolve uma geração in-situ de carbonatos de alquila a partir de carbonatos de dialquila através de um processo de metátese, no qual é formado um éster de anidrido. Essa espécie intermediária transitória em uma conversão intermolecular se decompõe rapidamente na presença de álcool para um éster de alquila correspondente com a liberação de CO2 e um equivalente molar de álcool. O carbonato de solvente submetido à metátese é o produto favorecido estatisticamente.

[021] Esse resultado sugere que a espécie de álcool aciona a formação de éster através da decomposição do anidrido intermediário, não o próprio carbonato, pelo fato de que, qualquer carbonato que se possa usar de início, será alterado dependendo de qual tipo de álcool é usado. Em geral, quando os ácidos carboxílicos reagem com um carbonato de dialquila em um álcool alquílico correspondente, o grupo alquila do álcool parece controlar qual espécie de éster é gerada. Por exemplo, quando o grupo alquila do carbonato de dialquila é diferente daquele do álcool (por exemplo, DMC com etanol) o éster resultante terá, predominantemente, grupos alquila similares àquele do álcool (isto é, dietil-éster). Portanto, a presença de um solvente que contém álcool é importante para esse processo. A reação de esterificação pode ser acionada por um solvente de álcool por si só ou um solvente misturado que contém um álcool e uma espécie não alcoólica, e não exige nenhum ácido extrínseco ou catalisadores básicos.

[022] Aparentemente, uma quantidade maior de álcool acima da quantidade de carbonato em uma reação ajudará a completar a esterificação. Portanto, em determinadas modalidades a quantidade de álcool presente é de cerca de 1,5 a 3 vezes o excesso da quantidade estequiométrica de carbonato. Em outras modalidades, a quantidade de álcool usada é de cerca de 2 a 4 vezes, ou desejavelmente de cerca de 5 a 7 ou 10 vezes o excesso da quantidade estequiométrica de carbonato.

[023] A quantidade estequiométrica de carbonato usada na reação deveria estar em excesso equivalente ao número de grupos carboxila do ácido orgânico. No mínimo, o carbonato deveria ser cerca de 1,5 ou 2 equivalentes por grupo carboxila. Tipicamente, a quantidade de carbonato é de cerca de 2,5 equivalentes ou mais, mais tipicamente de cerca de 3 a cerca de 5 ou 7 equivalentes por grupo carboxila.

[024] A presente reação de esterificação de ácido carboxílico com carbonato de dialquila é executada tipicamente na fase líquida, em um solvente que contém álcool. A quantidade em particular de álcool e espécies de álcool pode variar. O solvente pode ser composto inteiramente (isto é, 100%) de um álcool ou uma mistura de álcoois diferentes, ou pode compreender uma mistura de um álcool e uma espécie não alcoólica (por exemplo, um álcool e CO2 ou mistura de carbonato, que pode gerar um reagente ativo in situ). Uma determinada quantidade de espécies de álcool no solvente é exigida para perpetuar rendimentos mais altos dos di/monoésteres correspondentes. A concentração de álcool no solvente deveria ser, pelo menos, de cerca de 5% a cerca de 10% em peso da composição da solução.

[025] Um solvente misturado de álcool e espécies não alcoólicas pode produzir um bom rendimento de ésteres. O componente não alcoólico do solvente pode incluir um solvente orgânico, tal qual: carbonato/CO2, dimetilformamida (DMF), sulfóxido de dimetila (DMSO), acetonitrila, tetraidrofurano (THF), acetona, N-metil-2- pirrolidona (NMP), clorofórmio, acetato de etila, desde que os ácidos orgânicos sejam pelo menos parcialmente solúveis entre si nas temperaturas da reação.

[026] Por exemplo, quando um solvente misturado ou sistema mesclado de DMF/álcool, tal qual metanol, é usado em uma razão de 1:1, tal como nos exemplos 7 e 20 da tabela 3, a mescla de solvente misturado pode ajudar a aprimorar a solubilidade do substrato para as espécies de carbonato que têm um alto peso molecular. Em outro exemplo, uma mistura de reação é preparada com CO2 e metanol com um catalisador heterogêneo para gerar um produto de reação que contenha DMC e metanol. Esse produto de reação pode ser parte de um sistema de reagente autossustentável e não dispendioso, e permite que seja evitada a necessidade de síntese de DMC pura. (para maiores detalhes sobre esse processo de conversão de CO2 e metanol para DMC, consulte: Michael A. Pacheco, et al., “Review of Dimethyl Carbonate (DMC) Manufacture and Its Characteristics as a Fuel Additive”. Energy & Fuels 1997, 11, 2 a 19; Masayoshi Honda, et al., “Catalytic Synthesis of Dialkyl Carbonate from Low Pressure CO2 and Alcohols Combined with Acetonitrile Hydration Catalyzed by CeO2”, Catalysis A: General 384 (2010) 165 a 170; ou Masayoshi Honda, et al., “Ceria-Catalyzed Conversion de Carbon Dioxide into Dimethyl Carbonate with 2-Cyanopyridine”, ChemSUSChem, versão 6, edição 8, páginas 1341 a 1344 agosto de 2013, cujos conteúdos estão incorporados, cada um, no presente documento a título de referência).

[027] Qualquer álcool líquido com grupos R que possuem de 1 a 12 carbonos, ou mais, pode servir como o solvente (reagente). Os grupos R podem ser saturados, insaturados, ou aromáticos. Os álcoois tais como metanol, etanol, propanol, ou butanol são mais típicos em vista da disponibilidade comum, baixo custo, e simplicidade mecânica dos mesmos na reação de esterificação. A Tabela 1 mostra exemplos não limitadores de alguns álcoois aromáticos e insaturados, que representam espécies alternativas, inclusive as várias permutações e derivados dos mesmos. Esses álcoois de alceno, de alcino e aromáticos estão disponíveis comercialmente e em um custo relativamente baixo. TABELA 1. - ÁLCOOIS AROMÁTICOS E INSATURADOS

[028] A escolha particular de espécies de álcool pode determinar o tipo de espécie de éster gerado. Em determinadas modalidades, o álcool pode ter um R-grupo diferente de o do grupo alquila no carbonato de dialquila. Por exemplo, quando o grupo alquila no carbonato de dialquila é um grupo metil e o álcool é um grupo etila. De modo alternativo, as espécies de álcool podem ter um grupo R com um número idêntico de átomos de carbono como o do carbonato de dialquila, tal como etanol que reage com carbonato de dietila.

[029] Várias espécies de alquilcarbonato podem ser usadas na reação de esterificação de acordo com o presente processo. O grupo alquila no carbonato de dialquila pode ter qualquer número de átomos de carbono, por exemplo, a partir de 1 ou 2 a 18 ou 20 átomos de carbono, tipicamente entre 1 e 15 átomos de carbono, mais tipicamente entre 1 e 10 átomos de carbono. Preferivelmente, o grupo alquila tem 1 a 6 átomos de carbono. O grupo alquila pode ser, por exemplo, metila, etila, n-propila, isopropila, n-butila, iso-butila, pentila, isopentila, hexila, ou isohexila. Preferivelmente, a alquila é metila ou etila. A Tabela 2 fornece exemplos não limitadores de espécies comuns de carbonato de dialquila, tais como carbonato de dimetila (DMC), carbonato de dietila (DEC), dipropilcarbonato (DPC), ou dibutilcarbonato (DBC), e os respectivos pesos moleculares e pontos de ebulição dos mesmos. Por questões de rentabilidade, disponibilidade comum e facilidade de manuseamento, o carbonato de dimetila ou o carbonato de dietila são as espécies de carbonato tipicamente empregadas, porém outras espécies de carbonato de dialquila também podem ser usadas. TABELA 2. - CARBONATOS

[030] Pode-se usar uma variedade de ácidos orgânicos diferentes, por exemplo, selecionados a partir de: a) ácidos monocarboxílicos: ácido fórmico, ácido acético, ácido propiônico, ácido lácteo, ácido butírico, ácido isobutírico, ácido valérico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, ácido decanoico, ácido láurico, ácido mirístico, e ácidos graxos C14-C18; b) ácidos dicarboxílicos: ácido 2,5- furandicarboxílico (FDCA), ácido fumárico, ácido itacônico, ácido málico, ácido succínico, ácido maleico, ácido malônico, ácido glutárico, ácido glucárico, ácido oxálico, ácido adípico, ácido pimélico, ácido subérico, ácido azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodióico, ácido glutacônico, ácido ortoftálico, ácido isoftálico, ácido tereftálico; ou c) ácidos tricarboxílicos: ácido cítrico, ácido isocítrico, ácido aconítico, ácido tricarbálico, e ácido trimésico. Desejavelmente, o ácido orgânico é um ácido dicarboxílico ou tricarboxílico. Em determinadas modalidades preferenciais, o ácido carboxílico pode ser selecionado a partir de um ou mais dos seguintes: ácido succínico, ácido málico, ácido cítrico, ácido levulínico, ou ácido adípico. Conforme usado no presente documento, um ácido orgânico pode ser tanto um ácido carboxílico como um aminoácido.

[031] A quantidade de reagentes usada em cada reação é ajustada para alcançar as exigências dos ácidos orgânicos diferentes. Em outras palavras, um monoácido precisará de um equivalente de reagentes, enquanto um diácido irá usar dois equivalentes, e a um triácido irá usar três equivalentes.

[032] Tipicamente, as reações são executadas em um período de tempo que não excede cerca de 24 horas, frequentemente que não excede cerca de 10 ou 12 horas, ou preferivelmente dentro de cerca de 6 ou 8 horas, e mais preferivelmente dentro de cerca de 4 ou 5 horas. Para cerca de cada hora de elevação na duração da reação, a quantidade de produto de rendimento de éster ode aprimorar em cerca de 5 a 10%.

[033] As temperaturas nas quais a reação de esterificação é conduzida pode variar consideravelmente, porém comumente a temperatura de reação é numa faixa a partir de cerca de 130 °C a cerca de 230 °C, dependendo das espécies de ácido orgânico e carbonato de dialquila usadas na reação, em uma atmosfera inerte tal como N2. Tipicamente, a temperatura está numa faixa a partir de cerca de 140 °C ou 150 °C a cerca de 215 °C ou 220 °C. Em determinadas modalidades o ácido carboxílico e o carbonato reagem a uma temperatura entre cerca de 150 °C ou 160 °C a cerca de 208 °C ou 215 °C. Exemplos particulares envolvem reações a uma temperatura entre cerca de 165 °C ou 168 °C a cerca de 205 °C ou 212 °C. Em outros exemplos, a temperatura está numa faixa a partir de cerca de 170 °C ou 175 °C a cerca de 200 °C ou 210 °C; particularmente, a partir de cerca de 180 °C ou 185 °C a cerca de 190 °C ou 195 °C.

[034] Visto que as temperaturas exigidas para se obter bons resultados em tempos de reação razoáveis a partir de um ponto de vista industrial são geralmente maiores que 120 °C, e desde que o carbonato de dialquila (por exemplo, DMC, DEC, DPC, DBC) ferve sob tais faixas de temperatura, as reações de alquilação são executadas em um dispositivo com a capacidade para tolerar as pressões exigidas.

[035] As pressões nas quais a reação é conduzida são similarmente suscetíveis à variação. As pressões atmosféricas e superatmosféricas são geralmente aplicadas, dependendo da pressão de vapor do solvente em particular em uma temperatura particular na faixa de temperatura operacional. Tipicamente, a pressão está em uma faixa a partir de cerca de 10 kPa (145 psi) a cerca de 6.550,01 kPa (950 psi); mais tipicamente a partir de cerca de 1.034,21 kPa (150 psi) ou 1.068,68 kPa (155 psi) a cerca de 6.205,28 kPa (900 psi) ou 6.343,17 kPa (920 psi) (medida). Em determinados exemplos, a pressão é entre cerca de 1.103,16 kPa (160 psi) e cerca de 4.481,59 kPa (650 psi), ou cerca de 1.241,05 kPa (180 psi) a cerca de 4.274,74 kPa (620 psi). Por exemplo, a pressão de vapor de metanol é de cerca de 2.026,36 kPa (293,90 psi) ou 4.052,73 kPa (587,80 psi), respectivamente, a cerca de 167,8 °C ou 203,5 °C. O etanol, por exemplo, tem uma pressão de vapor de cerca de 2.033,95 kPa (295 psi) e 3.998,95 kPa (580 psi), respectivamente, a cerca de 185 °C e 212 °C.

[036] De acordo com o presente processo, é possível alcançar pelo menos 50% de conversão de um ácido carboxílico em particular aos mono, di, ou triésteres correspondentes do mesmo. Tipicamente, a taxa de conversão de ácido é de pelo menos cerca de 55%. Mais tipicamente, a taxa de conversão de ácido é entre cerca de 60% e cerca de 100%. Desejavelmente, pode-se alcançar pelo menos 70% de conversão. Em algumas reações, pelo menos 50% do ácido orgânico são convertidos para um rendimento combinado de monoésteres e diésteres. Normalmente, a taxa de conversão de monoéster e diéster combinada é de cerca de 65% ou maior. Com otimização, ácidos carboxílicos aos correspondentes mono e/ou diésteres dos mesmos podem ser alcançadas sob as condições da reação. A reação pode ser executada em tanto um lote como em processo de reação continua.

[037] A principal vantagem do presente método de esterificação deriva do engano de catalisador adicionado para executar conversões de ácido ou éster completas. Uma conclusão para esse benefício é a simplificação de processo de separação a jusante para os produtos de reação em comparação com técnicas convencionais. Pode-se eliminar uma etapa a jusante necessariamente convencional de ajuste de pH anterior à purificação. Além disso, a evitação de tanto um ácido extrínseco como catalizador alcalino com a presente síntese processo, não é preciso se preocupar sobre os efeitos que ácidos ou bases presentes nas colunas de destilação e é possível reciclar o produto do fundo da destilação de volta para a reação.

[038] Os diferentes ésteres de ácido orgânico produzidos na reação de esterificação podem ser isolados a partir da mistura de reação pelo uso de várias técnicas, tais como por meio de destilação ou extração de ácido-base. Por exemplo, é possível separar o mono e diésteres, que tendem a ter um ponto de ebulição de cerca de 200 °C ou maior, a partir da diminuição dos solventes em ebulição por meio de destilação simples, ou do uso de uma extração de ácido-base para precipitar o carboxilato, e então regenerar o ácido orgânico com um forte ácido (pKa <0, por exemplo, HCl).

[039] Seção II - Exemplos

[040] De acordo com o presente processo de esterificação, é provável que em reações que envolvem diácidos, a formação de monoésteres seria dominante durante os estágios iniciais da reação primariamente devido às estatísticas. A equação (1) representa um exemplo desse mecanismo que envolve a reação de ácido succínico com um carbonato de dietila em etanol. De acordo com o mecanismo, caso uma molécula de diácido colidisse com duas moléculas do carbonato, o diéster se formaria. Estatisticamente, entretanto, seria mais provável que uma molécula do diácido colida com uma molécula do carbonato, gerando assim o monoéster. Ao longo do tempo, o monoéster se converteria para diésteres correspondentes.

[041] Equação [1].

[042] A taxa de monoésteres para diésteres produzidos pode variar dependendo da duração e temperatura da reação de esterificação. No início da reação (isto é, de 0 a 1 hora), a razão favorece significativamente a espécie de monoéster (por exemplo, cerca de 95:0,5). A razão é de cerca de 4:1 depois de cerca de 3 a 4 horas, e de cerca de 1:1 a 1:2,5 (dependendo do ácido e das condições) após 5 horas. Essa razão seria de cerca de 1:3 ou 1:4 após cerca de 6 a 7 horas e de cerca de 0,5:95 após cerca de 8 a 10 horas. A repetição dessas reações irá dar origem ao diéster ou triéster dos di ou triácidos correspondentes.

[043] A Tabela 3 resume inúmeros exemplos comparativos e exemplos inventivos. Nos exemplos comparativos 1 e 2, quando um ácido orgânico (por exemplo, ácido succínico ou ácido levulínico) reage com um solvente de álcool por si só, virtualmente nenhum éster é produzido, e o ácido permanece amplamente não reativo. Quando o ácido orgânico reage com um carbonato de dialquila em solvente DMF, como nos exemplos comparativos 3 e 4, o ácido ficou novamente amplamente não reativo e gerou um rendimento a partir de cerca de 0 % por peso a cerca de 17 % por peso de éster.

[044] Quando a reação de esterificação é executada sem a presença de um álcool, pode-se observar muito pouco a quase nenhuma conversão do ácido carboxílico para o monoéster, diéster, triéster, ou poliéster correspondente do mesmo. Nos exemplos comparativos, as reações de esterificação conduzidas puras em solvente de carbonato resultaram em conversões desprezíveis de produto de ácido para éster, tal como nos exemplos comparativos 5 e 6 (isto é, ácido levulínico ~10% por peso de esterificação de metil com DMC; ~1.1% por peso de esterificação de etil com DEC). Portanto, os álcoois parecem ser um reagente importante na reação de modo a obter um processo de esterificação de alto rendimento (por exemplo, rendimento de diéster de > 35%) .

[045] Por outro lado, o presente método de esterificação pode funcionar bem com uma variedade de ácidos orgânicos diferentes. Nos exemplos conduzidos de acordo com as presentes reações de esterificação, é demonstrado que pode-se produzir mono, di ou triésteres através da reação de um ácido carboxílico e carbonato de dialquila correspondentes em um solvente alcoólico. Ao reagir cinco ácidos carboxílicos diferentes (isto é, mono, di e triácidos: ácidos levulínico, succínico, málico, adípico, e cítricos) e a combinação de espécies de carbonato de dialquila, os exemplos mostram que ésteres de cada combinação de ácido e carbonato podem ser preparados em rendimentos relativamente bons (por exemplo, > 45% ou 50%) e especificamente (por exemplo, para cerca de até ~79% ± 3% de diéster). A quantidade de éster produzido e de conversão do ácido são significativamente maiores que, por exemplo, 90% a 100% de conversão, para cerca de até 80% de rendimento vis-à-vis o dos exemplos comparativos. Dependendo de parâmetros de reação particulares, tal como a temperatura, pressão e duração da reação de esterificação, os ésteres foram produzidos com rendimentos entre cerca de 43% ou 45% e 75% ou 80% por peso (por exemplo, 50% ou 60% por peso). Com a otimização do processo, pode-se alcançar rendimentos e taxas de conversão ainda mais favoráveis (por exemplo, cerca de 90%, 95%, 97%, ou 98% por peso). TABELA 3 . - RESULTADOS EXPERIMENTAIS COM ESPÉCIES

Condições da reação: 20 g de ácido, 5 equivalentes molares de DMC/DEC/DPC (2,5 equivalentes molares em caso de ácido levulínico), 300 g de solvente reagido a 180 °C, 5 h, 1.378,95 kPa (200 psi) N2

[046] seguinte descreve a preparação e reação de alguns dos exemplos da invenção e comparativos na Tabela 3 em maiores detalhes.

[047] Exemplo A: Síntese de adipato de dietila a partir de ácido adípico, carbonato de dietila e etanol

[048] Vinte gramas de ácido adípico, 83 ml de carbonato de dietila, e 300 g de etanol foram carregados para um corpo de um reator Parr de 1 l de aço inoxidável. Enquanto agita mecanicamente a 1.100 rpm, o espaço livre interno foi pressurizado a 1.378,95 kPa (200 psi) N2 e aquecido a 180 oC por 5 h. Após esse período de tempo, o corpo do reator foi resfriado em banho-maria até alcançar temperatura ambiente e a pressão ser liberada. A solução homogênea foi entornada em um frasco de armazenamento e, uma amostra da mesma, analisada quantitativamente para adipato de dietila, adipato de monometila e ácido adípico.

[049] Exemplo B: Síntese de malato de dimetila a partir de ácido málico, carbonato de dimetila, e metanol

[050] Vinte gramas de ácido málico, 63 ml de carbonato de dimetila e 300 g de metanol foram carregados para um corpo de um reator Parr de 1 l de aço inoxidável. Enquanto agita mecanicamente a 1.100 rpm, o espaço livre interno foi pressurizado a 1.378,95 kPa (200 psi) N2 e aquecido a 180 oC por 5 h. Após esse período de tempo, o corpo do reator foi resfriado em banho-maria até alcançar temperatura ambiente e a pressão ser liberada. A solução homogênea foi entornada em um frasco de armazenamento e, uma amostra da mesma, analisada quantitativamente para malato de dimetila e ácido málico. Com base nas descobertas com ácido adípico, a ausência de ácido málico na mistura de produto e 79% de rendimento de diéster aduz os 21% restantes da mistura de produto como o monoéster correspondente.

[051] Exemplo C: Síntese de evulinato de metila a partir de ácido levulínico e carbonato de dimetila

100% de 10% de conversão rendimento

[052] Vinte gramas de ácido levulínico e 300 g de carbonato de dimetila foram carregados para um corpo de um reator Parr de 1 l de aço inoxidável. Enquanto agita mecanicamente a 1.100 rpm, o espaço livre interno foi pressurizado a 1.378,95 kPa (200 psi) N2 e aquecido a 180 oC por 5 h. Após esse período de tempo, o corpo do reator foi resfriado em banho-maria até alcançar temperatura ambiente e a pressão ser liberada. A solução homogênea foi entornada em um frasco de armazenamento e, uma amostra da mesma, analisada quantitativamente para evulinato de metila e ácido levulínico.

[053] Exemplo D: Síntese de succinato de dimetila a partir de ácido succínico, carbonato de dimetila, e dimetilformamida

40^ de 16% de conversão rendimento

[054] Vinte gramas de ácido succínico, 72 ml de carbonato de dimetila e 300 g de DMF foram carregados para um corpo de um reator Parr de 1 l de aço inoxidável. Enquanto agita mecanicamente a 1.100 rpm, o espaço livre interno foi pressurizado a 1.378,95 kPa kPa (200 psi) N2 e aquecido a 180 oC por 5 h. Após esse período de tempo, o corpo do reator foi resfriado em banho-maria até alcançar temperatura ambiente e a pressão ser liberada. A solução homogênea foi entornada em um frasco de armazenamento e, uma amostra da mesma, analisada quantitativamente para succinato de dimetila e ácido succínico.

[055] As tabelas anexas 4 a 7 resumem os exemplos da síntese de diésteres a partir de dimetil carbonato e dietil carbonato pelo uso de ácido succínico e tanto solvente de etanol como de metanol. Na tabela 4, o ácido succínico reage com carbonato de dimetila em etanol a uma temperatura de cerca de 180 °C em uma atmosfera de nitrogênio inerte a uma pressão de 3.447,37 kPa (500 psi). O produto de diéster é predominantemente succinato de dietila a cerca de 56,5% de rendimento com o mínimo de succinato de dimetila a 0,1% de rendimento. Uma pequena quantidade de ácido succínico permaneceu não reagida. Por outro lado, na Tabela 5, o ácido succínico reage com o carbonato de dietila e metanol a 190 °C sob condições similares. O produto de diéster é esmagadoramente succinato de dimetila a cerca de 57,64% de rendimento com o mínimo de succinato de dietila a 0,0% de rendimento. A Tabela 6 apresenta uma reação de ácido succínico com carbonato de dietila em etanol a 190 °C por 5 horas, a qual produziu succinato de dietila a cerca de 52,5% de conversão. A tabela 7 resume os resultados de uma reação entre ácido cítrico e carbonato de dietila em etanol a uma temperatura de 190 °C por cerca de 5 horas em uma atmosfera inerte a uma pressão de cerca de 3.447,37 kPa (500 psi). A reação produziu citrato de trietila a cerca de 38% de conversão. Todo o ácido cítrico foi consumido. Conforme os exemplos mostram nessas tabelas, a esterificação conduzida sob condições suaves de acordo com o presente processo produz vários tipos de diésteres e triésteres a partir de ácidos orgânicos diferentes a taxas de conversão relativamente boas. O rendimento do éster irá aprimorar com ajustes para elevar o tempo de reação e/ou temperaturas para resultados ideais.

[056] A Figura 3 apresenta uma série de reações de esterificação de metil através do uso de vários tipos de ácidos carboxílicos com carbonato de dimetila em metanol. Cada reação usou 20 g de ácido carboxílico, 5 equivalentes molares de carbonato de dimetila (DMC) (2,5 equivalentes para ácido levulínico), 300 g de metanol absoluto, a 180 oC, 5 h, 1.378,95 kPa (200 psi) N2. Todos os ácidos, exceto o ácido levulínico, se converteram completamente na reação. Cada um exibiu alta seletividade (por exemplo, 40%) da espécie alvo (diéster) inteiramente esterificada. As Figuras 3A e 3B representam a esterificação de ácido succínico e ácido málico, respectivamente, que produz aproximadamente um rendimento de cerca de 60% e 79%, respectivamente, dos diésteres correspondentes. Na Figura 3C, cerca de 71% de ácido levulínico foram consumidos na reação para produzir cerca de 70% de rendimento do éster. A reação de esterificação com ácido adípico produziu um produto misto do monoéster e diéster correspondente, respectivamente, a cerca de 60% e 40% de rendimento.

[057] Similar às reações na Figura 3, a Figura 4 apresenta um número de reações nas quais diferentes ésteres etílicos de ácidos carboxílicos são preparados com carbonato de dietila em etanol. Cada das reações foi executada com 20 g de ácido carboxílico, 5 equivalentes molares de carbonato de dietila (DEC) (2,5 equivalentes para ácido levulínico, 300 g de etanol, a 180 oC, 5 h, 1.378,95 kPa (200 psi) N2). Novamente, todos os ácidos, exceto o ácido levulínico, manifestaram uma conversão completa durante as reações respectivas. A seletividade para cada dos alvos esterificado foi muito boa, a cerca de 35% ou maior. A Figura 4A mostra a esterificação de ácido succínico, que produziu um rendimento de cerca de 54% do diéster correspondente. Na Figura 4B, o ácido málico também é completamente consumido e produziu um rendimento de cerca de 69% do diéster correspondente. Na Figura 4C, cerca de 50% do ácido levulínico é consumido para render cerca de 47% do éster correspondente. Na Figura 4D, o ácido cítrico é completamente convertido para produzir cerca de 46% do triéster. A Figura 4E mostra a reação de ácido adípico para fazer um produto misto do monoéster e diéster correspondente, cerca de 65% e 35%, respectivamente. O produto restante em cada caso, exceto o ácido levulínico, resume-se ser o monoéster.

[058] As Figuras 5A e 5B ilustram exemplos comparativos (entradas 5 e 6 da tabela 3) nos quais o ácido levulínico reage, respectivamente, com carbonato de dietila e carbonato de dimetila sem que qualquer outro solvente seja adicionado. As reações foram executadas com 50 g de ácido carboxílico, 300 g de carbonato de dietila (DEC) / carbonato de dimetila (DMC) (respectivamente 5,9 e 7,7 equivalentes molares), a 180 oC, 5 h, 1.378,95 kPa (200 psi) N2. Ambas as reações nos exemplos comparativos exibiram uma conversão relativamente alta (~80%) do ácido orgânico, porém baixo rendimento de éster, o que indica um método de esterificação ineficaz. As reações geraram uma quantidade de éster muito pequena (~1%) ao usar DEC, e fizeram uma quantidade de éster levemente melhor, porém ainda assim menor (<10%) ao usar DMC. A diferença no rendimento obtida entre as reações que empregam DMC versus DEC é provavelmente um resultado de impedimento estérico para a substituição bimolecular na reação.

[059] A presente invenção foi descrita de um modo geral e em detalhes por meio de exemplos. Um indivíduo versado na técnica compreende que a invenção não se limita necessariamente às modalidades especificamente reveladas, mas tais modificações e variações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção conforme definido pelas reivindicações a seguir ou equivalentes das mesmas, incluindo outros componentes equivalentes conhecidos atualmente, ou a serem desenvolvidos, que possam ser usados no escopo da presente invenção. Portanto, a menos que as modificações se afastem, de outro modo, do escopo da invenção, as modificações devem ser interpretadas como abrangidas pelo presente documento. TABELA 4 - ESTERIFICAÇÃO DE ÁCIDO SUCCÍNICO COM

Claims

1. MÉTODO DE PREPARAÇÃO DE ÉSTERES, caracterizado pelo método compreender: reagir um ácido orgânico em uma mistura de reação com um carbonato de dialquila na presença de um solvente que contém álcool sem um catalisador extrínseco, em que o dito álcool media a formação dos ditos ésteres e está presente em excesso de quantidades estequiométricas do dito carbonato de dialquila.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito ácido orgânico ser um ácido dicarboxílico ou tricarboxílico.

3. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito ácido orgânico ser selecionado a partir de: ácido fórmico, ácido acético, ácido propiônico, ácido lácteo, ácido butírico, ácido isobutírico, ácido valérico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, ácido decanoico, ácido láurico, ácido mirístico, e ácidos graxos de C14-C18, ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), ácido fumárico, ácido itacônico, ácido málico, ácido succínico, ácido maleico, ácido malônico, ácido glutárico, ácido glucárico, ácido oxálico, ácido adípico, ácido pimélico, ácido subérico, ácido azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácido glutacônico, ácido ortoftálico, ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido cítrico, ácido isocítrico, ácido aconítico, ácido tricarbálico, e ácido trimésico.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito carbonato de dialquila ser pelo menos um dentre as seguintes espécies: carbonato de dimetila (DMC), carbonato de dietila (DEC), dipropilcarbonato (DPC), ou dibutilcarbonato (DBC).

5. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito solvente que contém álcool ser: uma única espécie de álcool, ou uma mistura de álcoois diferentes, ou uma mistura de um álcool e outra espécie não alcoólica.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pela dita espécie não alcoólica incluir pelo menos um dentre os seguintes: um carbonato/CO2, dimetilformamida (DMF), sulfóxido de dimetila (DMSO), acetonitrila, tetraidrofurano (THF), acetona, N-metil-2- pirrolidona (NMP), clorofórmio e acetato de etila.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo dito álcool no dito solvente que contém álcool ser pelo menos saturado, insaturado, ou aromático.

8. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito método alcançar pelo menos 45%, preferivelmente 70%, de conversão do dito ácido carboxílico ao éster.

9. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelos ditos ésteres incluírem tanto monoésteres, diésteres, ou triésteres, como uma mistura que contém combinações dos mesmos.

10. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pela dita reação ser realizada tanto em um lote como em um processo contínuo.

11. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito método compreender adicionalmente isolar os ditos ésteres através de pelo menos uma destilação fracionada, cromatografia, ou ambas a partir da dita mistura de reação.

12. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito ácido orgânico e carbonato reagirem a uma temperatura entre 130 °C a 230 °C, a uma pressão numa faixa de 999,73 kPa (145 psi) a 6.550,01 kPa (950 psi) de atmosfera inerte.

13. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo dito ácido orgânico e carbonato reagirem em um período de tempo que não excede 24 horas.