ES2252107T3 - Procedimiento para la preparacion de soluciones alcoholicas de alcoholatos alcalinos. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos, caracterizado porque se hace reaccionar un metal alcalino con un alcohol en un microreactor. El presente invento tenía como fundamento la misión de encontrar un procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos a un coste favorable, técnicamente fiable y rápido, que también en el caso de los alcoholes elevados y de los ramificados llevase a tiempos de reacción económicos y a procedimientos de producción técnica satisfactorios, en el cual el salto de escala fuera sencillo de superar y el riesgo de seguridad del procedimiento se pudiera mantener bajo, por ejemplo, minimizando las cantidades de metal alcalino añadidas por volumen de reactor.

Description

Procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos.

El presente invento describe un procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos en microreactores.

Los alcoholatos alcalinos son de gran importancia como productos intermedios, partícipes de reacciones y catalizadores en la síntesis de muchos compuestos orgánicos. Para su preparación se conoce una serie de procedimientos distintos.

Los alcoholatos alcalinos de alcoholes terciarios han encontrado un interés creciente como catalizadores y agentes de condensación, puesto que los correspondientes alcoholes están impedidos estéricamente, poseen una baja acidez y, por ello, son por un lado fuertes receptores de protones y, por otro, tienen una tendencia esencialmente menor a reacciones secundarias que los alcoholes primarios o secundarios. En muchos casos los alcoholatos se utilizan en forma de sus soluciones en el alcohol correspondiente. Al mismo tiempo, el alcohol puede servir como disolvente en la reacción deseada, de forma que se puede reducir el número de disolventes empleados y, de este modo, son posibles procedimientos de menor coste con menor necesidad de aparatos. Además, la manipulación de los alcoholatos en forma de sus soluciones, técnicamente es esencialmente menos problemática que en forma sólida.

Una de las formas de procedimiento para la preparación de alcoholatos consiste en hacer reaccionar directamente el metal alcalino libre con el alcohol. Por ejemplo, del documento DE-A-26 12 642 se conoce que a creciente longitud de la cadena del alcohol la reacción se hace más lenta, igualmente para creciente grado de ramificación: los alcoholes primarios son los que más rápidamente reaccionan, los terciarios los más lentos.

A partir de la bibliografía se conocen distintos procedimientos especiales para la preparación de alcoholatos.

Los documentos DE-A-23 33 634, DE-A-26 12 642 y EP-A-0 749 947 dan a conocer procedimientos para la preparación de alcoholatos alcalinos exentos de alcohol en un disolvente inerte, en los cuales la reacción del metal alcalino con el alcohol se lleva a cabo por lotes. En el caso del documento DE-A-23 33 634 se emplean presión y temperatura elevadas para acelerar la reacción, en el caso de los documentos DE-A-26 12 642 y EP-A-0 749 947 se añade el sodio metálico en forma finamente repartida. Sin embargo, todos estos procedimientos tienen la desventaja de que se utiliza un disolvente inerte adicional. Para obtener una solución alcohólica del alcoholato alcalino, antes se tiene que separar de nuevo, por completo, este disolvente inerte y disolver de nuevo en alcohol el alcoholato sólido obtenido. Por ello, se producen costes adicionales, se necesita un gasto mayor en aparatos y los tiempos de proceso se prolongan.

El documento EP-A-0 192 608 da a conocer un procedimiento por lotes para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos terciarios por reacción de un metal alcalino con un alcohol terciario, en el cual el alcohol caliente se añade al metal alcalino fundido, bajo agitación con un agitador de ancla o de aletas. También aquí los tiempos de reacción suponen horas. Además, no se pueden hacer reaccionar con suficiente velocidad de reacción los alcoholes con puntos de ebullición inferiores al punto de fusión del metal empleado, puesto que el metal alcalino sólido no se puede dispersar suficientemente en el disolvente.

El documento WO 99/65849 da a conocer un procedimiento por lotes para la preparación de alcoholatos alcalinos sólidos en presencia de un catalizador, el cual, sin embargo, ya no se retira.

Una característica común a estos procedimientos son las cantidades relativamente elevadas de metal alcalino que hay que añadir a la vez y que son puestas en contacto con el alcohol, de modo que también se forman grandes cantidades de hidrógeno en poco tiempo. Esto lleva a elevadas exigencias técnicas de seguridad en la producción técnica a gran escala. Para conseguir tiempos de reacción económicamente razonables es decisiva la fina distribución del metal alcalino, esto se consigue generalmente por medio de una dispersión mecánica intensiva. También en el caso de un procedimiento por lotes es complicado el salto de procedimiento a escala de laboratorio a procedimiento a gran escala técnica y puede dar lugar a problemas, puesto que, por ejemplo, las geometrías de calderas y agitadores o las transmisiones de calor tienen gran influencia, por ejemplo sobre los tiempos de reacción y sobre las reacciones.

El presente invento tenía como fundamento la misión de encontrar un procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos a un coste favorable, técnicamente fiable y rápido, que también en el caso de los alcoholes elevados y de los ramificados llevase a tiempos de reacción económicos y a procedimientos de producción técnica satisfactorios, en el cual el salto de escala fuera sencillo de superar y el riesgo de seguridad del procedimiento se pudiera mantener bajo, por ejemplo, minimizando las cantidades de metal alcalino añadidas por volumen de reactor.

Es conocido llevar a cabo reacciones químicas en microreactores. Los microreactores se construyen por apilamiento de placas estructuradas y están descritos en los documentos DE-39 26 466 C2, US-A-5,534,328 y US-A-5,811,062.

Ahora, se ha encontrado, sorprendentemente, que los microreactores son adecuados para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos.

La denominación microreactor utilizada es en este caso representativa para micro y minireactores, los cuales únicamente se diferencian en las dimensiones y en la construcción de las estructuras de los canales de reacción.

Por ejemplo, se pueden utilizar microreactores como los conocidos a partir de las memorias citadas o de las publicaciones del Instituto de Microtécnia Mainz GmbH, Alemania, o también microreactores adquiribles en el mercado tales como, por ejemplo, el Selecto^{TM} basado en Cytos^{TM} de la razón social Cellular Process Chemistry GmbH,
Frankfurt/Main.

Objeto del invento es un procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos, caracterizado porque se hace reaccionar un metal alcalino con un alcohol en un microreactor.

En el procedimiento conforme al invento se añaden al microreactor el metal alcalino y el alcohol en forma líquida o fundida, se mezclan entre sí en el interior del microreactor de modo continuo y se hacen reaccionar. En lugar del alcohol puro se puede utilizar también una solución alcohólica de baja concentración de un alcoholato alcalino, y concentrarla en el microreactor por la reacción con el metal alcalino. También la solución de alcoholato formada se puede llevar en circuito cerrado. En lo que sigue, los dos participantes en la reacción, añadidos, el metal alcalino y el alcohol o, respectivamente, la solución de alcoholato, se llamarán flujos de material.

El hidrógeno producido es conducido de forma conveniente a zonas de desgasificación.

En el procedimiento conforme al invento también se pueden emplear los medios auxiliares que se utilizan en los procedimientos convencionales.

Como metales alcalinos se utilizan preferentemente litio, sodio, potasio o una aleación que contiene litio, sodio o potasio, preferentemente sodio o potasio, en especial sodio.

El procedimiento conforme al invento se aplica para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos de alcoholes con 1 a 30 átomos de C, preferentemente con 3 a 30 átomos de C, de modo especialmente preferido para alcoholes secundarios, terciarios y ramificados con 4 a 30 átomos de C, en especial para sec-butanol, terc-butanol, alcohol terc-amílico, 3,7-dimetil-1,6-octadieno-3-ol (linalool), 3,7,11-trimetil-3,6,10-dodecatrieno-3-ol, 3,7,11,15-tetrametil-1-hexadeceno-3-ol y tetrahidrolinalool. Otra aplicación preferida es la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos de alcoholes de cadenas largas tales como, por ejemplo, alcohol estearílico, o de alcoholes polivalentes.

El alcohol se emplea en un exceso tal respecto al metal alcalino añadido, como para que el alcoholato formado permanezca constantemente en solución o, respectivamente, para que constantemente se encuentre una masa fundida libre de sólidos.

Durante la reacción, la temperatura se mantiene convenientemente por encima del punto de fusión del metal alcalino, del alcohol y por encima del punto de fusión de la solución alcohólica del alcoholato alcalino que se forma. Las temperaturas se pueden encontrar entre 25ºC y 250ºC, preferentemente entre 25ºC y 200ºC, en especial entre 25ºC y 150ºC. La reacción también se puede llevar a cabo ventajosamente a presión elevada, por ejemplo en el caso de alcoholes cuyo punto de ebullición a presión normal sea inferior o tan sólo ligeramente superior al punto de fusión del metal alcalino, para poder llevar a cabo la reacción a temperaturas por encima del punto de fusión del metal alcalino y no tener que trabajar cerca del punto de ebullición del alcohol. Las presiones pueden estar comprendidas entre la presión normal y 100 bar de sobrepresión, preferentemente entre la presión normal y 50 bar, en especial entre la presión normal y 25 bar.

La concentración de la solución de alcoholato preparada es convenientemente de hasta 70% en peso, preferentemente de 5 a 60% en peso, en especial de 10 a 50% en peso.

Un microreactor está constituido por varias plaquitas apiladas una sobre otra y unidas entre sí, sobre cuyas superficies se encuentran estructuras creadas micromecánica-mente, las cuales forman en su efecto de conjunto espacios de reacción para llevar a cabo reacciones químicas. Contiene al menos un canal que conduce a través del sistema, el cual está unido con la entrada y la salida.

Los caudales de los flujos de material están limitados por el aparato, por ejemplo por las presiones que se establecen según el diseño geométrico del microreactor. Es deseable que la reacción transcurra completamente dentro del microreactor, pero también se pueden anexionar zonas de mezcladura en forma de micromezcladoras y/o zonas de estancamiento. Así mismo, los flujos de material se pueden dirigir repetidamente a varios puntos dispuestos uno tras otro.

Los caudales de flujo se encuentran convenientemente entre 0,05 ml/min y 5 l/min, preferentemente entre
0,05 ml/min y 500 ml/min, de modo especialmente preferido entre 0,05 ml/min y 250 ml/min y, en especial, entre 0,1 ml/min y 100 ml/min. Los caudales de flujo de las dos corrientes de material pueden ser diferentes.

En la figura 1 se describe a modo de ejemplo un microreactor que se puede emplear para las etapas intermedias de la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos.

El presente sistema de microreacción es, en este caso, un módulo a base de seis capas de chapas microestructuradas apiladas una sobre otra y unidas entre sí, y cada una con una placa de tapadera (DP) y una placa de fondo (BP), construido para el procedimiento técnico, el cual por la ensambladura se mantiene bajo presión o se une firmemente entre sí para comprimir superficies de junta entre las placas.

El presente sistema de microreacción comprende dos intercambiadores de calor para medios de refrigeración y/o de calefacción, una zona de mezcladura para mezclar entre sí los reactivos, así como un corto tramo de permanencia.

Con ayuda del intercambiador de calor (W1) se calientan previamente los flujos de material que penetran por separado en la placa (E). En las placas (M), que forman un volumen común, tiene entonces lugar la mezcladura de los flujos de material. En la zona de permanencia (R), con ayuda del intercambiador de calor (W2) la mezcla de reacción se lleva a las temperaturas de reacción anteriormente citadas, de manera que pueda tener lugar la correspondiente reacción.

El sistema de microreacción funciona preferentemente de forma continua, moviéndose las cantidades de material que, en cada caso se han mezclado entre sí, en el intervalo de microlitros (\mul) a mililitros (ml).

Decisivas para las etapas de preparación en el caso de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos en un sistema de microreacción son las dimensiones de las zonas microestructuradas en el interior de un reactor. A través de la correspondiente estructuración geométrica se tiene cuidado de que no existan zonas muertas tales como, por ejemplo, callejones sin salida o esquinas agudas. Por consiguiente, son preferidas vías continuas con esquinas redondeadas. Las estructuras tienen que ser lo suficientemente pequeñas para aprovechar las inmanentes ventajas de la técnica de la microreacción, a saber destacable control térmico, flujo laminar en capas, mezcladura difusa y escaso volumen interno.

La medida interior de los canales que llevan material es convenientemente de 0,1 a 10.000 \mum, preferentemente de 1 a 2.000 \mum, de modo especialmente preferido de 1 a 800 \mum y, en especial, de 1 a 100 \mum.

La medida interior de los canales de intercambio de calor se orienta, en primer lugar, según la medida interior de los canales que llevan líquidos o suspensiones y es convenientemente menor o igual a 10.000 \mum, preferentemente menor o igual a 2.000 \mum, en especial menor o igual a 800 \mum. El límite inferior de la medida interior de los canales de intercambio de calor no es crítico y viene limitado, en todo caso, por el incremento de presión del líquido para el intercambio de calor a bombear y por la necesidad del aporte o extracción de calor óptimos.

Las dimensiones de un sistema de microreactor preferentemente utilizado, representado a modo de ejemplo en la figura 1 son:

Estructuras del intercambiador de calor:	Ancho de canal \sim 600 \mum
	Altura de canal \sim 250 \mum
Mezcladora:	Ancho de canal \sim 600 \mum
	Altura de canal \sim 500 \mum

En el tipo de reactor descrito a modo de ejemplo, las seis capas de chapas superpuestas y estrechamente unidas entre sí se proveen preferentemente desde arriba con todos los fluidos del intercambiador de calor y todos los reactivos. La evacuación del producto y de los fluidos del intercambiador de calor tiene lugar, así mismo, preferentemente hacia arriba. El control de los flujos necesarios se realiza preferentemente por medio de bombas de émbolo de precisión y de una regulación dirigida por ordenador. La temperatura de reacción se controla por medio de sensores integrados y se controla y regula con ayuda de la regulación y de un termostato/criostato.

El sistema aquí representado está fabricado en acero especial; así mismo se pueden emplear otros materiales tales como, por ejemplo, vidrio, cerámica, silicio, materiales sintéticos u otros metales.

Fue sorprendente e imprevisible, que la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos fuera posible de esta manera, técnicamente sencilla y fiable, puesto que no era previsible que la reacción se pudiera llevar a cabo sin mezcladura mecánica, es decir que fuera suficiente la mezcladura que tiene lugar en el microreactor.

El procedimiento conforme al invento no necesita el empleo de otros disolventes o elementos auxiliares. De esta manera se elimina una recuperación, por ejemplo de un segundo disolvente. Tampoco es necesario mejorar la dispersión y la mezcladura por adición de una sustancia tensoactiva, así como tampoco es necesario el empleo de un catalizador. Una ventaja más es la relativamente baja temperatura de reacción; ya a temperaturas apenas por encima del punto de fusión del metal alcalino se consiguen producciones económicas y satisfactorias en cuanto a la técnica de producción. A bajas temperaturas también se pueden minimizar reacciones secundarias no deseadas.

Las soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos preparadas conforme al invento se pueden utilizar directamente para todas las síntesis en las cuales se necesiten soluciones alcohólicas de alcoholatos, en especial de alcoholatos secundarios y terciarios.

En los ejemplos siguientes los datos porcentuales se refieren a tantos por ciento en peso.

Ejemplo 1

518 g de alcohol terc-amílico (punto de ebullición a 2,5 bar: 129ºC) se disponen previamente en un recipiente de depósito y a 120ºC se bombean en circuito cerrado a través del microreactor con un caudal de flujo de 30 ml/min. Después, se introducen por bombeo en el microreactor, de forma continua, 34,5 g de sodio con una temperatura de 103ºC y un caudal de flujo de 0,2 ml/min. El recipiente de depósito, cerrado de forma resistente a la presión, está provisto de un refrigerante que está cerrado hacia el exterior con una válvula de descarga. El hidrógeno formado en la reacción se evacua de forma controlada por esta válvula, la cual se abre a una presión mayor que 2,5 bar. El recipiente de depósito, el reactor, las tuberías y los cabezales de las bombas se calientan a 120ºC. Terminada la introducción dosificada del sodio no se detecta ya formación alguna de hidrógeno, se ha formado una solución al 30% de terc-amílato de sodio en alcohol terc-amílico.

Claims (10)

1. Procedimiento para la preparación de soluciones alcohólicas de alcoholatos alcalinos, caracterizado porque se hace reaccionar un metal alcalino con un alcohol en un microreactor.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el metal alcalino y el alcohol se introducen en el microreactor en forma fundida o líquida, se mezclan entre sí en el interior del microreactor, de forma continua, y se hacen reaccionar.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque el metal alcalino es litio, sodio, potasio o una aleación que contiene litio, sodio o potasio.

4. Procedimiento según una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el alcohol es un alcohol(C_{1}-C_{30}), de preferencia un alcohol(C_{3}-C_{30}), en especial un alcohol(C_{4}-C_{30}).

5. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el alcohol es sec-butanol, terc-butanol, alcohol terc-amílico, 3,7-dimetil-1,6-octadieno-3-ol, 3,7,11-trimetil-3,6,10-dodecatrieno-3-ol, 3,7,11,15-tetrametil-1-hexadeceno-3-ol o tetrahidrolinalool.

6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la reacción tiene lugar por encima del punto de fusión del metal alcalino, del alcohol y de la solución del alcoholato alcalino que se forma.

7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la reacción tiene lugar entre 25 y 250ºC, preferentemente entre 25 y 200ºC.

8. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque los líquidos introducidos en el interior del microreactor se llevan a la temperatura de reacción y se mantienen en ella con la ayuda de uno o de varios intercambiadores de calor.

9. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque los líquidos se conducen por el microreactor por una vía continua con esquinas redondeadas.

10. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque las concentraciones, los caudales de flujo y las temperaturas, se registran y controlan por medio de sensores y circuitos de regulación integrados en el microreactor.