ES2223462T3 - Procedimiento para la oxidacion selectiva de la celulosa. - Google Patents

Procedimiento para la oxidacion selectiva de la celulosa.

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Abstract

Procedimiento para oxidar celulosa utilizando peróxido de hidrógeno u oxígeno como agente oxidante en presencia de un compuesto de di-terc-alquil nitrosilo, caracterizado porque el compuesto de nitrosilo se oxida en presencia de un enzima oxidante o de un complejo de metal de transición y un agente acomplejante.

Description

Procedimiento para la oxidación selectiva de la celulosa.
La invención se refiere a la oxidación de la celulosa y de los derivados de celulosa utilizando iones nitrosonio (iones oxoamonio) obtenidos por oxidación de radicales nitrosilo, especialmente 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oxilo (TEMPO).
Un procedimiento en el que TEMPO se vuelve a oxidar por medios químicos es conocido a partir de un estudio realizado por De Nooy en Synthesis 1996, 1153-1174 y a partir de la patente WO 95/07303.
La oxidación de la celulosa a 6-aldehído-celulosa por fotolisis de 6-azido-6-desoxi-celulosas fue descrita por Horton et al. Carbohidrate Research, 26 (1973) 1-19.
Se descubrió según la invención que la oxidación de celulosa, especialmente de las fibras de celulosa, utilizando iones nitrosonio, se puede realizar sin utilizar agentes oxidantes basados en cloro y con utilización de peróxido de hidrógeno o de oxígeno como último agente oxidante. La oxidación según la invención se realiza utilizando enzimas capaces de oxidación o complejos de transición de un metal de transición y un agente acomplejante como oxidantes intermedios. Esta oxidación da como resultado la formación de 6-aldehídos de celulosa. Los aldehídos pueden estar presentes en forma de (hemi)acetal y estructuras relacionadas. El proceso de la invención está definido además por las propiedades características de las reivindicaciones adjuntas.
En la siguiente descripción, se hace referencia a TEMPO únicamente por sencillez, pero debería entenderse que se pueden sustituir por TEMPO otros nitroxilos adecuados, es decir, compuestos de nitroxilo orgánico que carecen de átomos de \alpha-hidrógeno, tales como 2,2,5,5-tetrametil-pirrolidina-N-oxil (PROXIL), 4-hidroxi-TEMPO, 4-acetamido-TEMPO y sus derivados y los descritos en la patente WO 95/07303. Estos di-terc-alquil-nitroxilos son especialmente adecuados para oxidar selectivamente los alcoholes primarios a aldheídos funcionales, en particular en presencia de grupos funcionales de alcohol secundario que no deberían oxidarse. Los nitroxilos menos estéricamente impedidos, tal como 4,4-dimetiloxazolidina-N-oxil (DOXIL) son adecuados para oxidar preferentemente alcoholes secundarios a grupos funcionales ceto, por ejemplo en la producción de ceto-celulosa o ceto-almidón. La especie oxidante activa es el ión nitrosonio (ión oxoamonio >N^{+}=O), que se produce in situ por oxidación de la correspondiente hidroxilamina y del radical nitroxilo. Si se desea, la reacción se puede realizar en dos etapas, siendo la primera la producción de ión nitrosonio y la segunda la oxidación del grupo funcional de alcohol.
Una cantidad catalítica de nitroxilo es preferentemente 0,1 a 25% en peso, referida a los grupos funcionales de alcohol primario de la celulosa o 0,1 a 25% mol con respecto al alcohol primario. El nitroxilo también puede estar inmovilizado, p. ej., por acoplamiento del grupo hidroxilo de 4-hidroxi-TEMPO a un vehículo adecuado o en forma de un nitroxilo polimérico tal como:
-[((CH_{3})_{2}C-NO-C(CH_{3})_{2}-A-]_{n}-, en el que A puede ser un grupo alquileno y/o un heteroátomo, y n es una forma numérica, p. ej., 10 hasta varios centenares.
El proceso de la invención produce la oxidación de unidades de anhidroglucosa celulósica a los correspondientes aldehídos y ácidos carboxílicos. Si se requiere se pueden oxidar además los productos primarios a los correspondientes ácidos carboxílicos utilizando conocidos agentes oxidantes tales como hipoclorito, clorito, peróxido de hidrógeno o utilizando la oxidación mediada por TEMPO en condiciones más fuertes, tal como un aumento de temperatura p. ej. de 40 a 80ºC, o por exposición prolongada a las condiciones de reacción. Por otra parte, la relación aldehído/ácido carboxílico se puede aumentar utilizando pHs relativamente bajos (p. ej. pH 3 a 7), por adición controlada de agente oxidante, reduciendo la concentración de oxígeno o preparando en primer lugar la solución de ión microsonio (proceso en dos etapas).
Un grupo distinto de compuestos adecuado para la oxidación con el presente proceso consiste en celulosa hidroxialquilada, tal como hidroxipropilcelulosa e, hidroxietilcelulosa.
La oxidación de las funciones del alcohol primario (6-CH_{2}OH) da como resultado los aldehídos correspondientes y los ácidos carboxílicos, con sistemas de anillo intacto. Estos productos son intermedios útiles para los derivados funcionales de celulosa en los que los grupos aldehídos se hacen reaccionar además, p. ej., con compuestos de amina y similares. Son también intermedios útiles para los derivados reticulados de celulosa, en los que los grupos aldehídos se hacen reaccionar además, p. ej., con reactivos de diamina.
Los catalizadores que se han de utilizar según la invención son complejos de metales de transición, es decir compuestos de coordinación entre un metal de transición y una molécula orgánica como agente acomplejante que tiene uno o más pares de electrones libres, especialmente compuestos de nitrógeno. Los compuestos de nitrógeno adecuados incluyen los aminoácidos, las fenantrolinas y otras poliaminas. Una poliamina, que forma un complejo con el metal de transición, se entiende que se refiere a compuestos que comprenden al menos dos átomos de nitrógeno de la amina separados al menos por dos átomos de carbono. Preferentemente, las poliaminas comprenden al menos tres átomos de nitrógeno que en cada caso están separados por dos o más, en particular dos o tres, más en particular dos, átomos de carbono. Las valencias restantes de los átomos de nitrógeno se unen preferentemente a grupos alquilo pequeños, en particular metilo. También es posible que las poliaminas tengan grupos funcionales de éter o alcohol. Las poliamidas pueden ser lineales o cíclicas. Las poliaminas deberían ser alcalinas, es decir, no deberían contener funciones ácidas. Ejemplos de poliaminas que se pueden emplear son 2,2'-bipiridil, 2,2'-bipirrol, 2-(dimetilamino-metil)piridina, tetrametiletilendiamina, pentametil-dietilentriamina, 1,4-dimetilpiperazina, 1,4,7-trimetil-1,4,7-triazonano (= tri-azaciclononano), 1,4,7-trimetil-1,4,7-triazecano, 1,4,7,10-tetrametil-1,4,7,10-tetraaza-ciclododecano, 1,2-bis(4-metil-1-piperazinil)etano, 1,2-bis(4,7-dimetil-1,4,7-triazonan-1-il)etano y los compuestos correspondientes en los que uno o más de dichos grupos metilo se han sustituido, por ejemplo, por grupos etilo. También es posible utilizar porfina y otras porfirinas y los correspondientes compuestos de poliamina macrocíclica. La histidina y los aminoácidos comparables que tienen un átomo de nitrógeno adicional y sus oligopéptidos, tales como la histidil-histidina, son otros ejemplos de agentes acomplejantes adecuados. Se da preferencia a los compuestos de tipo bipiridilo, de tipo triazonona y a las aminas cuyas valencias residuales se unen a grupos metilo. Los contraaniones requeridos para la neutralidad de los complejos pueden ser contraaniones habituales, preferentemente no tóxicos tales como, óxido, haluro, perclorato, acetilacetonato, nitrato, sulfato y similares.
Los metales de transición que se han de utilizar en los complejos metálicos incluyen especialmente a los del cuarto periodo de la tabla periódica de elementos, del vanadio al cinc, preferentemente manganeso, hierro, cobalto, níquel y cobre, en particular manganeso, hierro, cobalto y cobre. También se pueden utilizar, aunque menos preferentemente, los metales correspondientes de los periodos superiores. Los complejos metálicos requieren peróxido de hidrógeno, hidroperóxidos de alquilo y ar(alqu)ilo (tal como el hidroperóxido de terc-butilo), oxígeno o clorito como último aceptor de electrones. Se puede utilizar de forma adecuada aproximadamente de un átomo de metal a dos a cuatro átomos de nitrógeno de agente impulsor.
Se puede utilizar el complejo metálico en cantidad catalítica, p. ej., aproximadamente en una cantidad equimolar con respecto al compuesto de nitroxilo. Cantidades adecuadas de complejos metálicos son, por ejemplo, 1 a 25% mol con respecto al alcohol que se ha de oxidar.
Los catalizadores que se han de utilizar según la invención pueden ser también las oxidorreductasas u otras enzimas que son capaces de oxidación en presencia de un sistema redox adecuado. Las oxidorreductasas, es decir, enzimas capaces de oxidación sin la presencia de sistemas redox adicionales, que se han de utilizar en el proceso de la invención incluyen las peroxidasas y oxidasas, en particular polifenol-oxidasas y laccasa.
Las peroxidasas (EC 1.11.1.1 -1.11.1.11) que se pueden utilizar según la invención incluyen las peroxidasas que son independientes del cofactor, en particular las peroxidasas clásicas (EC 1.11.1.7). Las peroxidasas pueden proceder de cualquier origen, incluyendo plantas, bacterias, filamentosas y otros hongos y levaduras. Son ejemplos la peroxidasa del rábano picante, la peroxidasa de la vaina de soja, la mieloperoxidasa, la lactoperoxidasa, las peroxidasas de Arthromyces y Coprinus. Varias peroxidasas están disponibles en el comercio. Las peroxidasas requieren peróxido de hidrógeno como aceptor de electrones.
Las polifenol-oxidasas (EC 1.10.3.1) incluyen las tirosinasas y las catecol-oxidasas, tal como la lignina-peroxidasa. Las polifenol-oxidasas adecuadas se pueden obtener a partir de hongos, plantas o animales. Las polifenol-oxidasas requieren oxígeno como aceptor de electrones. Las laccasas (EC 1.10.3.2) están agrupadas a veces con las polifenol-oxidasas, pero se pueden clasificar también como un grupo distinto, denominado a veces p-difenol-oxidasas. Las laccasas pueden ser de origen vegetal o de origen microbiano, especialmente fúngico. p. ej. de la especie Trametes versicolor. Las laccasas necesitan también oxígeno como aceptor de electrones.
El proceso de la invención se puede llevar a cabo en condiciones relativamente suaves, p. ej. a un pH entre 5 y 10 y a una temperatura entre 15 y 60ºC (dependiendo ambos del complejo metálico o del enzima en concreto). El medio de reacción puede ser un medio acuoso o un medio mixto homogéneo, p. ej. de una mezcla de agua y de un alcohol secundario o terciario o de una mezcla éter/agua, o un medio heterogéneo, p. ej., una mezcla de agua y un disolvente orgánico inmiscible en agua, tal como un éter hidrófobo, un hidrocarburo o un hidrocarburo halogenado. En este último caso, el complejo metálico o el enzima y/o el nitroxilo y el agente oxidante puede estar presente en la fase acuosa y el sustrato alcohólico y el producto de aldehído o de cetona pueden estar presentes en la fase orgánica. Si es necesario, se puede utilizar un catalizador de transferencia de fase. El medio de reacción puede ser también una mezcla sólido/líquido, en particular cuando el nitroxilo se inmoviliza en un vehículo sólido. Cuando el sustrato del producto sea relativamente sensible o cuando la separación del producto de los demás reactivos presente dificultades, un medio de reacción heterogéneo puede resultar ventajoso.
El presente proceso genera productos de oxidación de celulosa y sus derivados. Éstos incluyen celulosa en la que al menos 1 por 100 de hidroximetilo, especialmente por 50 o incluso por 25, unidades de monosacárido se han transformado en un grupo carbaldehído, esté o no en forma de hemiacetal o similar, con la condición de que el promedio por cada molécula contenga al menos 1 grupo carbaldehído aparte de un posible grupo aldehído (hemiacetalizado) en el extremo reductor de un oligo- o polisacárido, además de al menos 1 por 100 de grupo hidroximetilo que se oxida a grupo carboxilo. Los productos que se pueden obtener según la invención pueden contener, además de grupos aldehído, otros grupos funcionales, especialmente grupos carboxilo obtenidos por oxidación adicional o por carboxialquilación.
Los nuevos derivados de la invención son muy adecuados como aditivos resistentes a la humedad, polímeros absorbentes de agua y similares y especialmente como materiales de partida para otros grupos funcionales, especialmente alcoholes, aminas y otros agentes capaces de acoplarse con un grupo funcional aldehído. Dichos agentes incluyen los agentes de reticulación (diaminas, dioles y similares), que se pueden utilizar para reticular los derivados de celulosa o para acoplarlos a aminoácidos, proteínas, grupos activos, etc.
La invención se refiere también a derivados obtenidos por acoplamiento de los derivados del aldehído de celulosa descritos anteriormente con p. ej., aminas, especialmente por aminación reductora, para producir los derivados imino o amino de celulosa definidos en las reivindicaciones adicionales. Asimismo, los derivados del aldehído de celulosa se pueden hacer reaccionar acetalizados con compuestos con grupos funcionales hidroxi, p. ej., ácido glicólico, para la formación de otros derivados.
La oxidación de celulosa y sus derivados según la invención da como resultado la presencia tanto de grupos aldehído como de grupos carboxilo en el producto. El proceso es especialmente útil para oxidar fibras de celulosa, ya que las fibras oxidadas resultantes han mejorado las propiedades resultantes de resistencia a la humedad para aplicaciones en papel y tejido. El proceso también es útil para oxidar la celulosa para producir, si se desea, un material celulósico absorbente de agua después de la oxidación o la carboximetilación adicionales o de otra formación de derivados del producto.
Ejemplos Generalidades
Se determinaron los contenidos de ácido urónico (unidades 6-COOH de hexopiranosa) utilizando el método de Blumenkrantz et al. (Anal. Biochem. 54, (1973) 484). Se adaptó el procedimiento de la forma siguiente. Se ponen en suspensión en agua 5 ml de muestra. Se añaden 20 ml de una solución de ácido bórico (0,0125 M) en ácido sulfúrico concentrado (95 a 97%). El volumen final (V) se lleva a 25 ml. Se añade 0,2 ml de esta solución a 0,2 ml de agua pura y a continuación se añade 1,0 ml de reactivo ácido bórico-ácido sulfúrico. Se calienta esta solución a 100ºC durante 5 minutos. Después de enfriar en hielo se añade 20 \mul de una solución acuosa de 3-hidroxibifenilo (0,2% p/p), momento en el que se desarrolla un color rosa. Después de 15 minutos de incubación se mide la extinción a 520 nm. La curva de calibración está basada en el ácido D-glucurónico como material de referencia.
Se determinaron los contenidos de aldehído por un método sustractivo (determinando el contenido de ácido urónico antes y después de la oxidación de los aldehídos con clorito y peróxido de hidrógeno), o por adición de hidrocloruro de hidroxilamina para producir una oxima y por valoración por retroceso del ácido clorhídrico liberado, o por espectroscopia de ^{13}C RMN (intensidad de la señal de C6 del aldehído con respecto a C1 de la unidad de anhidroglucosa o a la intensidad de C6 (C=N) en la oxima).
Ejemplo 1 Producción de 6-aldehído de celulosa
Un gramo de pulpa kraft totalmente blanqueada exenta de cloro y secada en hojas ((Grapo Celeste) peso en seco secado a la estufa) se puso en suspensión en 100 ml de agua. Se añadió a esta suspensión 18 mg de TEMPO (0,1 mmol) y 9 mg de peroxidasa (HRPO), tipo VI (290 unidades/mg). Se ajustó el pH a 5,1 con ácido acético acuoso (0,1 M). Se añadió gota a gota (30 a 50 \mul cada 2 minutos) una solución de peróxido de hidrógeno (1,5 ml al 30% en 50 ml) durante 8 horas. Después de la adición del peróxido disminuyó el pH, pero volvió a su valor original (5,5) después de unos pocos minutos; por consiguiente, no fue necesario ningún ajuste de pH durante la reacción. Después de 21 h se analizó una muestra por adición de cloruro de hidroxil amonio y se valoró con hidróxido de sodio acuoso (0,1 M). Según este análisis, la muestra contenía 160 micromoles de C6-aldehído por g de celulosa.
Ejemplo 2 Oxidación de celulosa con laccasa
A 2 g de fibras de celulosa, activadas por tratamiento con solución de hidróxido de sodio y agua, se añadió 17 mg de lacassa recombinante de Trametes versicolor (Wacker Chemie). La solución (pH entre 6,0 y 5,1) se expuso a oxígeno en un sistema cerrado de modo que el consumo se podía medir con una bureta con gas en función del tiempo. El consumo de oxígeno después de 1 día de reacción fue de 20 ml (0,8 mmol). Como segunda etapa se añadieron a la reacción 0,2 ml de peróxido de hidrógeno (30% p/p) y 250 ml de clorito de sodio (Aldrich, 80%). Después de dejar en reposo durante un día a pH 4 a 4,5, se obtuvo una mezcla casi homogénea, de la que se extrajeron muestras. Se determinó el contenido de ácido urónico en la mezcla de reacción total. Según el método de Blumenkrantz adaptado el contenido fue de 0,7 mmol, lo que da 350 mmol/g.
Ejemplo 3 Oxidación de fibras de celulosa
A 2 gramos de fibras de celulosa (igual que en el Ejemplo 1) en suspensión en 25 ml de agua, se añadieron 28 mg de peroxidasa de rábano picante (HRP, Sigma) y 20 mg de TEMPO. Se llevó el pH de la mezcla a 5,3 y a continuación se añadió 1 mmol de solución de peróxido de hidrógeno (5 ml al 0,6%, p/p) en porciones de 100 \mul en el trascurso de 3 horas. A pesar de la adición relativamente rápida, apenas fue visible la evolución de gas (oxígeno). Según el método de Blumenkrantz el rendimiento de ácido urónico fue del 9%. Este ejemplo ilustra la influencia de la velocidad de adición del peróxido de hidrógeno que fue rápida en comparación con el ejemplo 1, resultando concentraciones relativamente altas de ácido carboxílico.
Ejemplo 4 Oxidación de fibras de celulosa con oxígeno catalizada por cobre/bipiridina
Se puso en suspensión 1 gramo de fibras de celulosa (CTMP) en 50 ml de agua. A continuación se añadieron 10 ml de una solución de TEMPO al 5% (p/p), 0,4 ml de una solución de nitrato de cobre (0,4 M) y 10 ml de solución de bipiridina (0,05 M). Se barboteó oxígeno gas a través de la solución agitada de oxígeno gas. Después de un día se recogieron las fibras por filtración, se lavaron repetidamente con agua y se secaron al vacío. El contenido de ácido urónico (Blumenkrantz adaptado) de las fibras secas fue del 9%.
Ejemplo 5 Producción de 6-aldehído-6-carboxi celulosa
Producción de 6-aldehído-6-carboxi celulosa. Un gramo de pulpa kraft totalmente blanqueada exenta de cloro y secada en hojas (Grapo Celeste) peso en seco, secado a la estufa) se puso en suspensión en 20 ml de agua. Se añadió a esta suspensión 20 mg de TEMPO (0,1 mmol) y 19 mg de peroxidasa (HRPO), tipo VI (290 unidades/mg). Se ajustó el pH a 5,5 con ácido acético acuoso (0,1 M). Se añadió gota a gota (50 ml cada 10 minutos) una solución de peróxido de hidrógeno (1,2 ml al 3%) durante 6 horas. Después de 21 h se analizó una muestra por adición de cloruro de hidroxil amonio y se valoró con hidróxido de sodio acuoso (0,05 M). Según este análisis, la muestra contenía 300 micromoles de C6-aldehído por g de celulosa. Además se observó que la muestra contiene ácido urónico (100 micromoles por g).

Claims (12)

1. Procedimiento para oxidar celulosa utilizando peróxido de hidrógeno u oxígeno como agente oxidante en presencia de un compuesto de di-terc-alquil nitrosilo, caracterizado porque el compuesto de nitrosilo se oxida en presencia de un enzima oxidante o de un complejo de metal de transición y un agente acomplejante.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el compuesto de di-terc-alquil nitrosilo es 2,2,6,6-tetrametilpiperidina-1-oxilo (TEMPO).
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que el metal de transición es manganeso, hierro, cobalto, níquel, cobre o vanadio.
4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el agente acomplejante es un compuesto que contiene nitrógeno.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que el agente acomplejante es un bipiridilo o un triazonano o una (poli)histidina.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el enzima oxidante es una peroxidasa, una polifenol-oxidasa o una lacassa.
7. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que se produce un derivado de celulosa que contiene al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo de carbaldehído por 25 unidades de monosacárido y por molécula de promedio.
8. Procedimiento para oxidar celulosa oxidando un compuesto de di-terc-alquil nitrosilo a iones nitrosonio con peróxido de hidrógeno u oxígeno como agente de oxidación en presencia de un enzima oxidante o de un complejo de un metal de transición y de un agente acomplejante en una primera etapa y haciendo reaccionar celulosa con iones nitrosonio en una segunda etapa.
9. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la celulosa oxidada además se oxida o se carboximetila posteriormente.
10. Celulosa oxidada, que contiene al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carbaldehído y al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carboxílico por 100 unidades de monosacárido y por molécula de promedio, o uno de sus derivados químicos, y que contiene además grupos carboximetilo.
11. Derivado de celulosa que contiene al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carbaldehído introducido por oxidación y al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carboxílico por 100 unidades de monosacárido y por molécula de promedio, en cuyo derivado al menos una parte de los grupos 6-carbaldehído se ha transformado en un grupo de fórmula -CH=N-R o -CH_{2}-NHR, en las que R es hidrógeno, hidroxilo, amino o un grupo R^{1}, OR^{1} o NHR^{1}, en el que R^{1} es alquilo C_{1}-C_{20}, acilo C_{1}-C_{20}, un resto de carbohidrato o un grupo acoplado o capaz de acoplarse con un resto de carbohidrato.
12. Derivado de celulosa que contiene al menos: 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carbaldehído introducido por oxidación y al menos 1 grupo cíclico con cadena de monosacárido que lleva un grupo 6-carboxílico por 100 unidades de monosacárido y por molécula de promedio, en el que el derivado, al menos una parte de los grupos 6-carbaldehído se ha transformado en un grupo de fórmula -CH(-OR^{3})-O-CH_{2}-COOR^{2} o -CH(-O-CH_{2}-
COOR^{2})_{2}, en las que R^{2} es hidrógeno, un catión metálico o un grupo amonio opcionalmente sustituido y R^{3} es hidrógeno o un enlace directo con el átomo de oxígeno de un grupo hidroxilo deshidrogenado de la celulosa.
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