ES2262268T3 - Procedimiento para la preparacion de beta-hidroxialquilamidas. - Google Patents

Procedimiento para la preparacion de beta-hidroxialquilamidas.

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ES2262268T3 ES99109940T ES99109940T ES2262268T3 ES 2262268 T3 ES2262268 T3 ES 2262268T3 ES 99109940 T ES99109940 T ES 99109940T ES 99109940 T ES99109940 T ES 99109940T ES 2262268 T3 ES2262268 T3 ES 2262268T3
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    • C07C231/02Preparation of carboxylic acid amides from carboxylic acids or from esters, anhydrides, or halides thereof by reaction with ammonia or amines

Abstract

Procedimiento para la preparación de beta-hidroxialquilamidas de fórmula general IV: (Ver fórmula) en la que A es un enlace químico o un grupo orgánico polivalente o, cuando n¿ = 0, es hidrógeno o un grupo monovalente, seleccionándose el grupo orgánico mono- o polivalente entre grupos alquilo, cicloalquilo, arilo, carboxialquenilo, alcoxicarbonilalquenilo o trialquenilamino (C1-C60) saturados o insaturados, R1 es hidrógeno o un grupo alquilo C1-C5, R2 es hidrógeno, un grupo alquilo C1-C5 o: (Ver fórmula) n es un número entero con un valor de 1 a 10 y n¿ es un número entero con un valor de 0 a 2, en el que los ésteres alquílicos correspondientes se transforman con los beta-aminoalcoholes correspondientes en ausencia de disolventes y en presencia de un catalizador básico y el alcohol generado se elimina, caracterizado porque para mejorar la selectividad, la relación entre equivalentes de éster y equivalentes de amina asciende a entre 1:1, 05 y 6, el catalizador básico se destruye tras la aminolisis y el aminoalcohol no transformado se elimina.

Description

Procedimiento para la preparación de \beta-hidroxialquilamidas.
La siguiente invención describe un procedimiento para la preparación, la purificación y el aislamiento de \beta-hidroxialquilamidas que se usan como productos intermedios químicos y como reticulantes químicos para poliésteres y acrilatos carboxifuncionales en barnices con contenido en disolventes, barnices acuosos y barnices en polvo. Los requisitos exigidos respecto a la apariencia de las \beta-hidroxialquilamidas son muy elevados, especialmente cuando se usan en barnices en polvo. Sólo son adecuados para el uso en barnices en polvo los polvos de corriente libre, es decir, no los blandos, pegajosos o cerosos.
Las \beta-hidroxialquilamidas se preparan por aminolisis de ésteres alquílicos con \beta-aminoalcoholes en presencia de catalizadores básicos como, por ejemplo, sosa cáustica o metilato sódico, usándose en la mayoría de los casos un exceso de \beta-aminoalcoholes debido a la selectividad de la reacción.
En el caso de las \beta-hidroxialquilamidas líquidas, éstas no se pueden aplicar antes de eliminar de la mezcla de reacción los \beta-aminoalcoholes no transformados. En el caso de las \beta-hidroxialquilamidas sólidas, el aislamiento y la purificación de las \beta-hidroxialquilamidas se llevan a cabo por cristalización en un disolvente (J. Coat. Tech., 50(643), 49-55 (1978), documentos US4.076.917 y US4.727.111) o bien, especialmente en el caso de las \beta-hidroxietilamidas sólidas, directamente a partir de la mezcla de reacción sin disolventes según el denominado procedimiento de suspensión espesa (documento US5.101.073).
Para la cristalización en un disolvente, generalmente se añaden las \beta-hidroxialquilamidas en caliente a un disolvente como, por ejemplo, metanol y/o acetona, o bien el disolvente se añade a las \beta-hidroxialquilamidas. Tras el enfriamiento de la solución y la cristalización, las \beta-hidroxialquilamidas se recogen por filtración y se secan para eliminar el disolvente. El rendimiento se reduce por la solubilidad en el disolvente usado. Además, el catalizador, que permanece en la mezcla de reacción, puede provocar reacciones secundarias no deseadas, como, por ejemplo, la formación de diacetonaalcohol cuando se usa acetona como disolvente, lo que también ocasiona pérdidas a la hora de recuperar el disolvente usado. Asimismo se observa que los \beta-aminoalcoholes no transformados coprecipitan durante la cristalización como impurezas no deseadas, y los \beta-aminoalcoholes actúan además de solubilizadores que influyen negativamente en la cristalización. De este modo se reduce de nuevo el rendimiento de \beta-hidroxialquilamidas.
Especialmente la preparación de las \beta-hidroxietilamidas sólidas se puede llevar a cabo en masa fundida sin disolventes según el denominado procedimiento de suspensión espesa. El procedimiento de suspensión espesa (documento US5.101.073) se basa en que las reacciones de equilibrio que transcurren durante la preparación de las \beta-hidroxietilamidas se desplazan en el sentido del producto final deseado, la \beta-hidroxietilamida, porque, al templar en un determinado intervalo de temperaturas, la \beta-hidroxietilamida deseada precipita en la masa fundida de manera que la masa fundida cristaliza. En el caso de las sustancias en las que la \beta-hidroxialquilamida deseada no precipita en la masa fundida, por ejemplo en el caso de las \beta-hidroxipropilamidas, el procedimiento de suspensión espesa falla. Además, el procedimiento de suspensión espesa está limitado al uso de cantidades equimolares de ésteres alquílicos y \beta-hidroxietilamidas. Cuando en el proceso de suspensión espesa se usan cantidades equimolares de ésteres dialquílicos con \beta-hidroxietilaminas en presencia de catalizadores básicos como, por ejemplo, sosa cáustica o metilato sódico, se generan también, además de las \beta-hidroxietilamidas monoméricas deseadas (I), los denominados dímeros (II) y amidoésteres (III) como productos secundarios. El producto de reacción contiene además \beta-hidroxietilamina.
1
en las que m = 0 a 10 y R es un grupo alquilo inferior C1-C5.
Un paso de procedimiento importante en la preparación de las \beta-hidroxialquilamidas por aminolisis de ésteres alquílicos con \beta-aminoalcoholes en presencia de catalizadores básicos, como, por ejemplo, sosa cáustica o metilato sódico, consiste en eliminar de la mezcla de reacción los \beta-aminoalcoholes no transformados.
De la bibliografía antes mencionada se conoce hasta ahora la separación del exceso de \beta-aminoalcohol por disolución en un disolvente adecuado, como, por ejemplo, metanol, y la eliminación siguiente del \beta-aminoalcohol con la ayuda de un intercambiador iónico. La \beta-hidroxialquilamida deseada se obtiene después eliminando el disolvente por destilación. Sin embargo, este procedimiento sólo es adecuado para la escala de laboratorio. A saber, la separación de los productos secundarios mediante un intercambiador iónico sólo es adecuada para la separación de cantidades pequeñas de productos secundarios. Cuando la proporción de productos secundarios es elevada, es decir, cuando se usa un gran exceso de \beta-aminoalcohol en la reacción, un procedimiento de este tipo resulta muy costoso técnicamente y poco rentable.
Por el documento US5.646.318 se conoce otro procedimiento para la preparación de hidroxialquilamino.
Partiendo del documento US5.101.073, el objetivo de la presente invención es indicar un procedimiento mejorado en cuanto a la pureza, el rendimiento y la variabilidad de las \beta-hidroxialquilamidas que se han de preparar, así como su uso. El objetivo se alcanza mediante la parte caracterizadora de la reivindicación 1. Las reivindicaciones subordinadas muestran variantes ventajosas.
Sorprendentemente se descubrió ahora que en la preparación de \beta-hidroxialquilamidas por aminolisis de ésteres alquílicos con un exceso de \beta-aminoalcoholes en presencia de catalizadores básicos, como, por ejemplo, sosa cáustica o metilato sódico, los \beta-aminoalcoholes no transformados se pueden eliminar directamente de la mezcla de reacción por destilación después de destruir previamente el catalizador básico, por ejemplo mediante un ácido orgánico o inorgánico como, por ejemplo, ácido clorhídrico o ácido acético. Un exceso de \beta-aminoalcohol en la preparación de las \beta-hidroxialquilamidas aumenta la selectividad de la reacción por el producto final monomérico deseado. De este modo se obtiene un producto aún más puro, lo que en el caso de las \beta-hidroxialquilamidas sólidas también se refleja en el aumento del punto de fusión y en un comportamiento de cristalización mejorado. Las \beta-hidroxialquilamidas así preparadas se caracterizan por una muy elevada pureza. Para la eliminación del aminoalcohol no transformado son especialmente adecuadas, además de la destilación clásica a presión normal o al vacío, la destilación de vía corta, la destilación por capa fina y la destilación molecular por gravedad, puesto que estos procedimientos de destilación protegen especialmente el producto, lo que permite evitar las reacciones secundarias no deseadas provocadas por una carga térmica demasiado prolongada. Sin la destrucción del catalizador pueden producirse durante la destilación reacciones secundarias no deseadas, por ejemplo se pueden volver a formar los dímeros (III) antes descritos que influyen negativamente en las propiedades de producto de las \beta-hidroxialquilamidas, por ejemplo en el punto de fusión o en el comportamiento de cristalización en el caso de las \beta-hidroxialquilamidas sólidas. Otra ventaja adicional de la destrucción del catalizador reside en que los \beta-aminoalcoholes en exceso se pueden recuperar en forma pura sin productos secundarios y aprovechar para transformaciones posteriores. Las \beta-hidroxialquilamidas líquidas se pueden usar directamente sin ningún paso de procesamiento adicional. En el caso de las \beta-hidroxialquilamidas sólidas, el aislamiento del producto final se lleva a cabo bien directamente por cristalización del producto de reacción o bien por cristalización en un disolvente, pues los inconvenientes antes mencionados de la cristalización ya no existen después de la destrucción del catalizador y la eliminación del \beta-aminoalcohol no transformado. El procedimiento se puede realizar de forma discontinua y/o continua.
Se reivindica un procedimiento para la preparación de \beta-hidroxialquilamidas (IV)
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2
en las que A es un enlace químico o un grupo orgánico polivalente o, cuando n' = 0, A puede ser hidrógeno o un grupo orgánico monovalente, seleccionándose el grupo orgánico mono- o polivalente entre grupos alquilo, cicloalquilo, arilo, carboxialquenilo, alcoxicarbonilalquenilo o trialquenilamino (C1-C60) saturados o insaturados, prefiriéndose en el caso de los tres grupos mencionados en último lugar grupos alquenilo inferior, es decir, grupos alquenilo con 1 a 20 átomos de carbono. R1 es hidrógeno o un grupo alquilo C1-C5, R2 es hidrógeno, un grupo alquilo C1-C5 o:
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3
n es un número entero con un valor de 1 a 10 y n' es un número entero con un valor de 0 a 2. Se transforman ésteres alquílicos con \beta-aminoalcoholes en ausencia de disolventes y en presencia de catalizadores básicos, ascendiendo la relación entre equivalentes de éster y equivalentes de amina a entre 1:1,05 y 6 para mejorar la selectividad. De acuerdo con la invención se transforma, por lo tanto, un exceso del 5 al 600% de aminoalcohol. Se prefiere especialmente una relación de 1:1,1 a 1:2. El alcohol generado durante la reacción se elimina de la mezcla de reacción a temperaturas adecuadas y, dado el caso, a presión reducida. Tras la destrucción del catalizador básico, por ejemplo mediante un ácido orgánico o inorgánico adecuado, el \beta-aminoalcohol no transformado se elimina de la mezcla de reacción por destilación, preferentemente por destilación de vía corta, destilación por capa fina o destilación molecular por gravedad. Las \beta-hidroxialquilamidas líquidas se pueden usar sin ningún paso de purificación adicional. Las \beta-hidroxialquilamidas sólidas se aislan directamente de la mezcla de reacción o de un disolvente adecuado por cristalización, dado el caso a temperatura aumentada. El procedimiento se puede realizar de forma discontinua y/o
continua.
Según el procedimiento de acuerdo con la invención se pueden preparar \beta-hidroxialquilamidas de fórmula IV:
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en la que A es un enlace químico o un grupo orgánico polivalente o, cuando n' = 0, A puede ser hidrógeno o un grupo orgánico monovalente, seleccionándose el grupo orgánico mono- o polivalente entre grupos alquilo saturados o insaturados, incluidos los grupos alquilo sustituidos, con 1 a 60 átomos de carbono, como, por ejemplo, metilo, etilo, propilo, butilo, pentilo, hexilo, heptilo, octilo, nonilo, decilo, eicosilo, triacontilo, tetracontilo, pentacontilo, hexacontilo; grupos cicloalquilo como, por ejemplo, ciclopentilo, ciclohexilo; grupos hidrocarbonados aromáticos que contienen uno o varios núcleos, como, por ejemplo, fenilo, naftilo, etc.; grupos insaturados que contienen uno o varios grupos etilénicos (-C=C-), como, por ejemplo, etenilo, 1-metiletenilo, 3-butenil-1,3-diilo, 2-propenil-1,2-diilo; grupos carboxialquenilo inferior como, por ejemplo, 3-carboxi-2-propenilo, etc.; grupos (alcoxi inferior)-carbonil-(alquenilo inferior), como, por ejemplo, 3-metoxicarbonil-2-propenilo, etc.; grupos (trialquilen inferior)-amino, como, por ejemplo, trimetilenamino, trietilenamino, etc. R1 es hidrógeno o un grupo alquilo C1-C5, como, por ejemplo, metilo, etilo, n-propilo, n-butilo, sec.-butilo, terc.-butilo, pentilo, etc. R2 es hidrógeno, un grupo alquilo
C1-C5 o:
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n es un número entero de 1 a 10, preferentemente 1 ó 2, y n' es un número entero de 0 a 2.
Se prefieren las \beta-hidroxialquilamidas de fórmula IV en la que A es un grupo alquileno, preferentemente C2 a C14. Las \beta-hidroxialquilamidas especialmente preferidas se representan mediante la fórmula V simplificada:
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6
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en la que m = 2 a 14 y R1 presenta el significado antes indicado.
Ejemplos específicos de las \beta-hidroxialquilamidas de fórmula V son la amida del ácido N,N,N',N'-tetraquis(2-hidroxietil)-adípico y la amida del ácido N,N,N',N'-tetraquis(2-hidroxipropil)-adípico.
Las \beta-hidroxialquilamidas (IV) se preparan de acuerdo con la invención sin disolventes por aminolisis de los ésteres de fórmula VI con un exceso de las aminas de fórmula VII a temperaturas adecuadas de hasta 200ºC y en presencia de catalizadores básicos. La siguiente ecuación ilustra el proceso:
7
A, R1 y R2 presentan el mismo significado que anteriormente. Y = 1 a 20, R3 es un resto alquilo con 1 a 5 átomos de carbono, como, por ejemplo, metilo, etilo, propilo, n-butilo, terc.-butilo, pentilo, etc. Los ésteres son productos conocidos que se preparan por esterificación de los ácidos correspondientes mediante procedimientos de esterificación convencionales, conocidos para el experto. Los ácidos preferidos y sus mezclas son ácido oxálico, ácido malónico, ácido succínico, ácido glutárico, ácido adípico, ácido pimélico, ácido subérico, ácido aceláico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácido 1,4-ciclohexanodicarboxílico y sus derivados sustituidos con alquilo, etc. También se pueden usar ácidos diméricos y triméricos y sus mezclas preparados por polimerización de ácidos grasos, como, por ejemplo, ácido dimérico con 2 grupos carboxilo, 36 átomos de carbono y un peso molecular aproximado de 565 o ácido trimérico con 3 grupos carboxilo, 54 átomos de carbono y un peso molecular aproximado de 850.
Ejemplos de las aminas de fórmula VII de acuerdo con la invención son 2-aminoetanol, 2-metilaminoetanol, 2-etilaminoetanol, 2-n-propilaminoetanol, 2,2'-iminodietanol, 2-aminopropanol, 2,2'-iminodiisopropanol, 2-aminociclohexanol, 2-aminociclopentanol, 2-aminometil-2-metiletanol, 2-n-butilaminoetanol, 2-metilamino-1,2-dimetiletanol, 2-amino-2-metil-1-propanol, 2-amino-2-metil-1,3-propanodiol, 2-amino-2-etil-1,3-propanodiol, 2-amino-2-hidroximetil-1,3-propanodiol y 1-amino-2-propanol.
Los alcoholes de fórmula IX que se generan en la aminolisis (reacción de VI con VII) se eliminan de la mezcla de reacción por destilación, dado el caso al vacío. Por motivos de selectividad es necesario usar un exceso molar de \beta-aminoalcoholes, ascendiendo la relación entre equivalentes de éster y equivalentes de amina a entre 1:1,001 y 8, preferentemente a entre 1:1,05 y 6, con especial preferencia a entre 1:1,1 y 1:2. Con este exceso se suprimen reacciones secundarias como, por ejemplo, la formación de compuestos sólo parcialmente aminados cuando se usan ésteres de ácidos carboxílicos polibásicos; como ejemplo es de mencionar la formación de los denominados semiésteres de fórmula X cuando se usan ésteres de ácidos carboxílicos polibásicos:
8
en la que A, R1, R2 y n presentan el significado antes mencionado e y = 1 a 5.
Como otro ejemplo de productos secundarios cuya formación se puede suprimir mediante un exceso de \beta-aminoalcoholes es de mencionar el compuesto de fórmula XI, denominado dímero, que aparece como producto secundario junto con las \beta-hidroxialquilamidas monoméricas puras de fórmula IV. El monómero, el dímero y el \beta-aminoalcohol se encuentran en equilibrio.
9
en la que A y R1 presentan el significado antes indicado.
Para suprimir las reacciones secundarias que se producen durante las reacciones de aminolisis también es importante controlar el contenido de agua de los reactantes. El contenido de agua de los reactantes es típicamente inferior al 0,5%, preferentemente inferior al 0,1%, para evitar la hidrólisis de los ésteres y la disminución de la actividad catalítica.
Como catalizadores se usan catalizadores básicos de tipo hidróxido o alcoholato alcalino, inclusive los compuestos de amonio cuaternario, como, por ejemplo, hidróxido de sodio, hidróxido de tetrametilamonio, metilato sódico, terc.-butilato sódico, metilato de tetrametilamonio. La cantidad usada de catalizadores asciende a entre 0,001 y 5,0% en moles respecto al peso de los ésteres usados.
Una vez completada la reacción, el catalizador se destruye, por ejemplo añadiendo ácidos orgánicos o inorgánicos tales como ácido clorhídrico o ácido acético. A continuación, el exceso de \beta-aminoalcohol se elimina de la mezcla de reacción por destilación, dado el caso al vacío. Si el catalizador no se elimina antes de la destilación, se vuelven a formar productos secundarios durante la destilación, por ejemplo se vuelve a formar el dímero XI a partir del monómero IV en presencia de catalizadores básicos. Esta formación de dímeros se puede suprimir destruyendo el catalizador antes de la destilación. Los tipos de destilación preferidos, sobre todo en el caso de los \beta-aminoalcoholes poco volátiles que presentan un alto punto de ebullición, como, por ejemplo, la diisopropanolamina, son la destilación de vía corta, la destilación por capa fina y la destilación molecular por gravedad, puesto que estos tipos de destilación dañan menos las \beta-hidroxialquilamidas debido a la corta duración de la carga térmica. Asimismo se observó que, debido a su elevada pureza, el \beta-aminoalcohol así eliminado por destilación se puede volver a usar sin pasos de procesamiento adicionales como componente de partida para transformaciones posteriores. Las \beta-hidroxialquilamidas líquidas se pueden seguir procesando sin ningún paso de procesamiento adicional. Las \beta-hidroxialquilamidas sólidas se aislan directamente de la mezcla de reacción o de un disolvente adecuado por cristalización, dado el caso a temperatura aumentada. En la cristalización se observa que cuanto más puras son las \beta-hidroxialquilamidas, tanto mejor y más rápidamente cristalizan. El procedimiento se puede realizar de forma discontinua y/o continua.
A continuación se describen a modo de ejemplo la preparación y las propiedades de las \beta-hidroxialquilamidas de acuerdo con la invención.
Ejemplo comparativo
En un aparato de vidrio de 500 ml se calienta a 100ºC bajo nitrógeno una mezcla de 133,00 g de diisopropanolamina y 1,62 g de metilato sódico. Tras aplicar un vacío de 30 kPa se añaden gota a gota, en un plazo de una hora, 174,00 g de adipato de dimetilo, y el metanol liberado durante la reacción se elimina continuamente por destilación. Después de un tiempo de reacción posterior de 1 hora, el producto se evacúa en una fuente de aluminio.
Ejemplo
En un aparato de vidrio de 500 ml se calienta a 100ºC bajo nitrógeno una mezcla de 239,40 g de diisopropanolamina y 1,62 g de metilato sódico. Tras aplicar un vacío de 30 kPa se añaden gota a gota, en un plazo de una hora, 174,00 g de adipato de dimetilo, y el metanol liberado durante la reacción se elimina continuamente por destilación. Después de un tiempo de reacción posterior de 1 hora, se añaden a la mezcla de reacción 1,80 g de ácido acético y a continuación se elimina el exceso de diisopropanolamina en el aparato de destilación de vía corta KDL-5 de la empresa UIC a un vacío de 0,5 kPa y una temperatura de la camisa de 130ºC. La mezcla de reacción exenta de amina se cristaliza a continuación a 90ºC y después la masa de cristales se evacúa en una fuente de aluminio.
TABLA 1
Ejemplo comparativo Ejemplo
Aspecto Líquido amarillo altamente viscoso. Cristales blancos de
Tras un almacenamiento de varias corriente libre
semanas, masa pegajosa y cerosa
Punto de fusión [ºC] no se puede determinar 118
Contenido en monómero [%] 73 97,9
Contenido en dímero [%] 15 2,1
Hemiéster [%] 3 -
Diisopropanolamina [%] 9 -

Claims (8)

1. Procedimiento para la preparación de \beta-hidroxialquilamidas de fórmula general IV:
10
en la que A es un enlace químico o un grupo orgánico polivalente o, cuando n' = 0, es hidrógeno o un grupo monovalente, seleccionándose el grupo orgánico mono- o polivalente entre grupos alquilo, cicloalquilo, arilo, carboxialquenilo, alcoxicarbonilalquenilo o trialquenilamino (C1-C60) saturados o insaturados, R1 es hidrógeno o un grupo alquilo C1-C5, R2 es hidrógeno, un grupo alquilo C1-C5 o:
11
n es un número entero con un valor de 1 a 10 y n' es un número entero con un valor de 0 a 2, en el que los ésteres alquílicos correspondientes se transforman con los \beta-aminoalcoholes correspondientes en ausencia de disolventes y en presencia de un catalizador básico y el alcohol generado se elimina, caracterizado porque para mejorar la selectividad, la relación entre equivalentes de éster y equivalentes de amina asciende a entre 1:1,05 y 6, el catalizador básico se destruye tras la aminolisis y el aminoalcohol no transformado se elimina.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el \beta-aminoalcohol no transformado se elimina de la mezcla de reacción por destilación.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque para la destrucción del catalizador básico se usan ácidos inorgánicos, preferentemente ácido clorhídrico, o ácidos orgánicos, preferentemente ácido acético o ácido fenilacético.
4. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se usan catalizadores básicos de tipo hidróxido o alcoholato alcalino, inclusive los compuestos de amonio cuaternario, tales como hidróxido de sodio, hidróxido de tetrametilamonio, metilato sódico, terc.-butilato sódico, metilato de tetrametilamonio.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la cantidad usada de catalizador asciende a entre 0,001 y 2,0% en moles respecto al peso de los ésteres.
6. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el alcohol que se genera durante la reacción se elimina a una temperatura de 50 a 150ºC y un vacío de 65 kPa a 0,01 kPa.
7. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque se realiza de forma continua.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque las \beta-hidroxialquilamidas de fórmula IV preferidas son la amida del ácido N,N,N',N'-tetraquis(2-hidroxietil)-adípico y la amida del ácido N,N,N',N'-tetraquis(2-hidroxipropil)-adípico.
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