ES2332284T3 - Proceso para la preparacion de carbonato de dialquilo. - Google Patents

Proceso para la preparacion de carbonato de dialquilo. Download PDF

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Rajendra Srivastava
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Abstract

Proceso para la preparación de carbonato de dialquilo de fórmula general (1) **(Ver fórmula)** en la que R = alquil (C1-C8) ó C6H5CH2 el cual comprende hacer reaccionar un carbonato cíclico con un alcohol, en presencia de un catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, a una temperatura en el intervalo de entre 140ºC y 180ºC, durante un periodo de entre 4 y 10 horas, separando el catalizador de la mezcla de reacción antes mencionada mediante métodos conocidos para obtener el producto deseado.

Description

Proceso para la preparación de carbonato de dialquilo.
La presente invención se refiere a un proceso para la preparación de carbonatos de dialquilo. Particularmente, se refiere a un proceso eficaz, respetuoso con el medio ambiente, para la producción de carbonatos de dialquilo de fórmula general (1).
1
en la que R = alquilo (C_{1}-C_{8}) ó C_{6}H_{5}CH_{2}.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un proceso para la preparación de carbonato de dialquilo a partir de carbonato cíclico en presencia de un catalizador de cianuro metálico doble.
El catalizador sólido de cianuro metálico doble usado en la presente invención se describe y se da a conocer en nuestra solicitud de patente india en tramitación con la presente n.º 2723/DEL/2005.
Antecedentes de la invención
Los carbonatos de dialquilo son precursores del policarbonato de bisfenol-A, un polímero conocido por su amplia gama de usos basados en sus características de transparencia, resistencia a los impactos y procesabilidad. Los mismos son intermedios importantes para la síntesis de productos de química fina, farmacéuticos y plásticos. Los carbonatos de dialquilo encuentran también aplicación como lubricantes sintéticos, disolventes, plastificantes y monómeros para vidrio orgánico. Los mismos son agentes alquilantes eficaces y los procesos que los usan son más respetuosos con el medio ambiente en comparación con los procesos convencionales de alquilación.
Convencionalmente, los carbonatos de dialquilo, y en particular el carbonato de dimetilo, se sintetizan usando productos químicos tóxicos tales como fosgeno (COCl_{2}). Alternativamente, los mismos se pueden sintetizar por una vía de carbonilación oxidativa (CO + O_{2}) usando catalizadores con base de CuCl a temperaturas de reacción elevadas. Sin embargo, esta vía es peligrosa y produce ácido clorhídrico corrosivo. También se producen a partir de metanol por reacción con NO + CO + O_{2} en presencia de un catalizador de Pd/C. Esta vía también conlleva un problema potencial de explosión. El NO tóxico es un problema importante en la carbonilación de metilnitrilo intermedio en esta vía (Encycopledia of Chemical Processing and Design, Vol 40, Ed. por J.J. McKetta y W.A. Cunningham, Marcel Dekker Inc., Nueva York, 1992, y Ulmann's encyclopedia of Industrial Chemistry, Vol. A 21, Ed. por B. Elvers, S. Hawkins y G. Schulz, 5ª ed. VCH Verlagsgesellschaft, mbH, Alemania, 1992).
La síntesis de carbonatos de dialquilo por transesterificación de carbonatos cíclicos con alcoholes correspondientes es una vía no tóxica, respetuosa con el medio ambiente. En los últimos tiempos, se sintetizan comercialmente mediante esta tecnología carbonatos de dialquilo, especialmente carbonato de dimetilo y carbonatos de dipropilo (Filtration Industry Analyst 1999 (Publicación n.º 27, junio de 1999) 2 y S. Fukuoka, M. Kawamura, K. Komiya, M. Tojo, H. Hachiya, K. Hasegawa, M. Aminaka, H. Okamoto, I. Fukawa, S. Konno, Green Chem. 5 (2003) 497). Además de los ácidos minerales y las bases alcalinas, se sabe que compuestos tales como alcóxidos metálicos (isopropóxido de aluminio, tetraalcoxititanio, (RO)Cu(PPh_{3})_{n}, PdMe(OCHCF_{3}Ph(dpe)), alcóxidos organoestánnicos, etcétera), bases no iónicas (aminas, dimetilaminopiridina, guanidinas, etcétera) y enzimas lipasas catalizan la transformación de carbonatos cíclicos en carbonatos de dialquilo. Sin embargo, estos catalizadores poseen el inconveniente de la inestabilidad o la dificultad en su separación y reutilización (J. Otera, Chem. Rev. 93 (1993) 1449).
Se realizaron esfuerzos por el desarrollo de catalizadores sólidos para preparar carbonatos de dialquilo. Tatsumi et al (Chem. Commun. año 1996, página 2.281) informaron sobre la síntesis de carbonatos de dimetilo a partir de carbonato de etileno y metanol usando K-TS-1 como catalizador básico sólido. Ma et al. (Fuel Proc. Tech. Vol. 83, año 2003, página 275) informaron recientemente sobre la transesterificación de oxalato de dimetilo con fenol. Srivatsava et al informaron sobre la aplicación de catalizadores de titanosilicato (Catal. Today Vol. 93, año 2004, página 127). En todas estas aplicaciones, la eficacia de los catalizadores sólidos y el rendimiento de carbonato de dialquilo son bastante bajos. Wei et al (Green Chem. Vol. 5, año 2003, página 343; Catalysis of Organic Reactions Ed. por D. G. Morrell, Marcel y Decker Inc., Nueva York, año 2003, Capítulo 58, página 659), Chu et al (Inorg. Chim. Acta Vol. 307, año 2000, página 131), Watanabe y Tatsumi (Microporous Mesoporous Mater. Vol. 22, año 1998, página 399) y Fang y Xiao (Separation and Purification Tech. Vol. 34, año 2004, página 255) informan sobre el uso de catalizadores sólidos aunque el rendimiento de carbonato de dialquilo es bajo (50% molar). Se produjeron informes sobre la síntesis de carbonatos de dialquilo en un proceso de una sola etapa mediante la reacción de epóxidos, CO_{2} y alcohol sobre catalizadores sólidos (Bhanage, et al. Green Chem. Vol. 5, año 2003, página 71; Appl. Catal. A: Gen Vol. 219, año 2001, página 259; Chang et al., Appl. Catal. A: Gen Vol. 263, año 2004, página 179; Jiang y Yang Catal. Lett. Vol. 95, año 2004, página 127) aunque los rendimientos de carbonatos de dialquilo son muy deficientes. La patente US n.º 6.835.858 describe la preparación de carbonatos orgánicos sobre catalizadores con soporte de Zn a 100ºC, una presión de 25 bar y una velocidad espacial WHSV = 5 g/g/h. Sin embargo, el rendimiento de carbonato de dialquilo es bajo y se detectó la lixiviación de Zn a partir del sólido. La patente US n.º 6.479.689 expone un método para producir de forma continuada carbonato de dialquilo y diol en el que se podían obtener rendimientos de carbonato de dialquilo del 99% aunque, entonces, la separación del catalizador resultaba problemática. La patente US n.º 6.392.078 detalla la síntesis de carbonato de dimetilo a partir de urea y metanol usando un catalizador de alcóxido de estaño homogéneo. La patente US n.º 6.407.279 describe la síntesis a partir de epóxido, alcohol monohídrico y CO_{2} usando un catalizador homogéneo y heterogéneo. En otras palabras, los procesos de la técnica anterior tienen una o más de las siguientes desventajas: (1) dificultades en la separación del catalizador, una menor eficacia del catalizador, estabilidad del catalizador durante la reacción, rendimientos menores de carbonatos de dialquilo, etcétera.
La presente invención trata sobre un proceso que elimina todos los inconvenientes antes mencionados de los procesos de la técnica anterior. Trata sobre una producción de carbonatos de dialquilo que comprende la reacción de un carbonato cíclico con un alcohol sobre un catalizador sólido de cianuro metálico doble reutilizable. Uno de los metales del catalizador de cianuro metálico doble es un ión metálico ácido de Lewis tal como un Zn^{2+} mientras que el otro es un ión metálico básico tal como Fe. La coexistencia de Zn y Fe en el sitio activo enlazándose a través de puentes de ciano consigue que el catalizador resulte eficaz para transformar carbonatos cíclicos en carbonatos de dialquilo. El catalizador se podría separar fácilmente por centrifugación o filtración sencilla y se podría reutilizar en varios experimentos de recirculación con poca pérdida de actividad/selectividad. Lo que es más importante, el catalizador es altamente eficaz y solamente es necesaria una pequeña cantidad (\sim5% en peso de carbonato cíclico) para llevar a cabo la reacción. El proceso es económico desde el punto de vista atómico y las condiciones de la reacción como temperatura y presión son moderadas.
Objetivos de la invención
El objetivo principal de la presente invención es proporcionar un proceso para la producción de carbonato de dialquilo usando un catalizador heterogéneo eficaz.
Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un proceso para la preparación de carbonatos de dialquilo a partir de carbonatos cíclicos y alcoholes en presencia de un catalizador sólido con una selectividad y unos rendimientos elevados.
Todavía otro objetivo es describir un proceso para la producción de carbonatos de dialquilo en condiciones moderadas de la reacción.
Resumen de la invención
Por consiguiente, la presente invención proporciona un proceso para la preparación de carbonato de dialquilo de fórmula general (1)
2
en la que R = alquil (C_{1}-C_{8}) ó C_{6}H_{5}CH_{2}
el cual comprende hacer reaccionar un carbonato cíclico con un alcohol, en presencia de un catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, a una temperatura en el intervalo de entre 140ºC y 180ºC, durante un periodo de entre 4 y 10 horas, separando el catalizador de la mezcla de reacción antes mencionada mediante métodos conocidos para obtener el producto deseado.
En una realización de la presente invención, la relación molar de carbonato cíclico con respecto a alcohol usado está en el intervalo de entre 1:8 y 1:12.
Todavía en otra realización, el carbonato cíclico usado se selecciona del grupo consistente en carbonato de propileno, carbonato de cloropropileno, carbonato de etileno y carbonato de estireno:
Todavía en otra realización, el alcohol usado se selecciona del grupo consistente en metanol, etanol, propanol, butanol, hexanol, octanol y alcohol bencílico.
Todavía en otra realización, el catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, usado tiene una fórmula general:
Zn_{3}M_{2}(CN)_{n}(ROH) \cdot xZnCl_{2} \cdot yH_{2}O
en la que M es un ión de un metal de transición; Zn y el metal de transición (M) están coordinados a través de grupos puente de cianuro; R es butilo terciario, x varía entre 0 y 0,5, y varía entre 3 y 5 y n es 10 ó 12.
Todavía en otra realización, el ión del metal de transición básico, M, usado es Fe ó Co.
Todavía en otra realización, el catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, usado es fácilmente separable de la mezcla de la reacción y reutilizable en varios experimentos de recirculación sin una pérdida significativa en la actividad.
Todavía en otra realización, el rendimiento de carbonato de dialquilo obtenido por análisis GC está en el intervalo de entre el 60 y el 100% molar.
Todavía en otra realización, el rendimiento de carbonato de dialquilo obtenido por cromatografía de columna está en el intervalo de entre el 60 y el 90% molar.
Descripción detallada de la invención
En las investigaciones que llevan a la presente invención, se observó que los catalizadores de cianuro metálico doble de Fe-Zn son altamente eficaces y se podían separar fácilmente de los productos para su posterior reutilización. Los catalizadores de la técnica anterior, ácidos minerales, bases alcalinas y lipasas necesitaban unos gastos y esfuerzos adicionales para la separación del catalizador. Un sistema catalizador fácilmente separable, por ejemplo, el catalizador de la presente invención, resulta más ventajoso. El catalizador sólido de la presente invención no solamente es eficaz sino que evita el proceso tedioso de recuperación del catalizador característico de los procesos de la técnica anterior.
El catalizador complejo sólido de cianuro metálico doble usado compuesto por Zn y otro metal de transición (M) coordinados a través de grupos puente de cianuro tiene la fórmula molecular:
Zn_{3}M_{2}(CN)_{n}(ROH) \cdot xZnCl_{2} \cdot yH_{2}O
en la que, M es un ión de un metal de transición; x varía entre 0 y 0,5, y varía entre 3 y 5 y n es 10 ó 12. R es butilo terciario, x varía entre 0 y 0,5, y varía entre 3 y 5 y n es 10 ó 12 y sus propiedades fisicoquímicas se describen en la Tabla 1.
TABLA 1
3
La presente invención se ilustra a continuación en el presente documento con ejemplos, que son únicamente ilustrativos y no deberían considerarse en modo alguno como limitativos del alcance de la presente invención.
Ejemplo 1
Este ejemplo ilustra la preparación del catalizador sólido de cianuro metálico doble de Fe-Zn de la presente invención. Se disolvió K_{4}[Fe(CN)_{6}] (0,01 mol) en agua bidestilada (40 ml) (Solución 1). Se disolvió ZnCl_{2} (0,1 mol) en una mezcla de agua destilada (100 ml) y butanol terciario (20 ml) (Solución 2). Se disolvió por separado poli(etilenglicol)-bloque-poli(propilenglicol)-bloque-poli(etilenglicol) (E0_{20}-PO_{70}-EO_{20}; peso molecular de aproximadamente 5.800) (15 g) en 2 ml de agua destilada y 40 ml de butanol terciario (Solución 3). La solución 2 se adicionó a la solución 1 durante 60 minutos a 50ºC con agitación vigorosa. Durante la adición se produjo una precipitación de color blanco. A continuación, la solución 3 se adicionó a la mezcla de reacción anterior durante un periodo de 5 minutos y se continuó agitando durante 1 h más. La torta sólida formada se filtró, se lavó con agua destilada (500 ml) y se secó a 25ºC. Este material se activó a entre 180 y 200ºC durante 4 h antes de usarlo en las reacciones.
Ejemplo 2
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dimetilo a partir de carbonato de propileno y metanol. Se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), metanol (100 mmol), catalizador (250 mg) en una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón. El autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. Se separó el catalizador por filtración de la mezcla de la reacción. A continuación, el alcohol en exceso, que no había reaccionado, se retiró de la mezcla de la reacción mediante destilación. Los productos se aislaron por cromatografía de columna (usando éter de petróleo:diclorometano = 1:1 y, a continuación, con diclorometano:metanol = 95:5). Los productos se analizaron además por cromatografía de gases y se identificaron por ^{1}H NMR, FT-IR y GC-MS. Los resultados se presentan tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 3
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dimetilo a partir de carbonato de propileno y metanol sobre un catalizador de cianuro metálico doble de Fe-Zn a 140ºC. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), metanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 4
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dimetilo a partir de carbonato de propileno y metanol sobre un catalizador de cianuro metálico doble de Fe-Zn a 180ºC. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), metanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 180ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 5
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dietilo a partir de carbonato de propileno y etanol. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), etanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 6
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dipropilo a partir de carbonato de propileno y propanol. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), propanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 7
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dibutilo a partir de carbonato de propileno y butanol. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), butanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 8
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dihexilo a partir de carbonato de propileno y hexanol. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), hexanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 9
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dibencilo a partir de carbonato de propileno y alcohol bencílico. En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), alcohol bencílico (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
Ejemplo 10
Este ejemplo describe la preparación de carbonato de dimetilo a partir de carbonato de propileno y metanol sobre un catalizador de cianuro metálico doble de Fe-Zn usado (en 5 experimentos de recirculación). En una autoclave de acero inoxidable de 100 ml que tenía un revestimiento de Teflón se cargaron carbonato de propileno (1,02 g; 10 mmol), metanol (100 mmol), catalizador (250 mg). La autoclave se cerró y, a continuación, se colocó en un reactor de síntesis rotatorio (Hiro Co., Japón, Modelo KH 02, velocidad de rotación = 30 rpm). La reacción se efectuó a 170ºC durante 8 h. El contenido se dejó enfriar a temperatura ambiente. El catalizador se separó por filtración de la mezcla de la reacción. Los productos se aislaron y se analizaron según se describe en el Ejemplo 2. Los resultados se muestran tabulados en la tabla 2.
TABLA 2
4
5
Son ventajas de la presente invención
1.
El proceso antes descrito presenta las ventajas exclusivas combinadas de una elevada conversión acompañada por una alta selectividad para carbonatos de alquilo.
2.
El proceso de la presente invención conduce a la síntesis de carbonatos de dialquilo mediante una vía no peligrosa, respetuosa con el medio ambiente, que evita el uso de productos químicos tóxicos como el fosgeno.
3.
El catalizador se pudo separar fácilmente de la mezcla del producto y reutilizar en varios experimentos de recirculación sin una pérdida significativa de la actividad/selectividad.

Claims (6)

1. Proceso para la preparación de carbonato de dialquilo de fórmula general (1)
6
en la que R = alquil (C_{1}-C_{8}) ó C_{6}H_{5}CH_{2}
el cual comprende hacer reaccionar un carbonato cíclico con un alcohol, en presencia de un catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, a una temperatura en el intervalo de entre 140ºC y 180ºC, durante un periodo de entre 4 y 10 horas, separando el catalizador de la mezcla de reacción antes mencionada mediante métodos conocidos para obtener el producto deseado.
2. Proceso según la reivindicación 1, en el que la relación molar de carbonato cíclico con respecto a alcohol usado está en el intervalo de entre 1:8 y 1:12.
3. Proceso según la reivindicación 1, en el que el carbonato cíclico usado se selecciona del grupo consistente en carbonato de propileno, carbonato de cloropropileno, carbonato de etileno y carbonato de estireno.
4. Proceso según la reivindicación 1, en el que el alcohol usado se selecciona del grupo consistente en metanol, etanol, propanol, butanol, hexanol, octanol y alcohol bencílico.
5. Proceso según la reivindicación 1, en el que el catalizador complejo de cianuro metálico doble, sólido, usado, tiene una fórmula general:
Zn_{3}M_{2}(CN)_{n}(ROH) \cdot xZnCl_{2} \cdot yH_{2}O
en la que M es un ión de un metal de transición; Zn y el metal de transición (M) están coordinados a través de grupos puente de cianuro; R es butilo terciario, x varía entre 0 y 0,5, y varía entre 3 y 5, y n es 10 ó 12.
6. Proceso según la reivindicación 5, en el que el ión del metal de transición básico, M, usado es Fe ó Co.
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