MÉTODO PARA AISLAR METILGLICINANITRILO-N, N-DIACETONITRILOS DE
UNA MEZCLA CRUDA ACUOSA Descripción La invención se relaciona con un proceso para aislar metilglicinanitrilo-N,N-diacetonitrilo de una mezcla cruda acuosa, como se obtiene en la preparación de metilglicinanitrilo-N, N-diacetonitrilo . Los aminopolifosfonatos, policarboxilatos o a inopolicarboxilatos, tales como ácido etilendiaminatetraacético (EDTA) , que se usan frecuentemente como agentes de formación de complejo en detergentes domésticos son biodegradables solamente hasta un cierto grado. Se proporciona una alternativa económica por los derivados de ácido glicina-N,N-diacéticos, tales como ácido metilglicina-N,N-diacétido (MGDA), que es no tóxico y fácilmente biodegradable. El uso de MGDA y de derivados de ácido glicina-N, N-diacética relacionados en detergentes y sus síntesis se describen en WO-A 94/29421 y US 5,849,950. Para producción económica del derivados de ácido de glicina-N, N-diacético, se hacen demandas elevadas en el rendimiento de los pasos de síntesis individuales y pureza de los intermediarios aislados. MGDA se prepara haciendo reaccionar
i inodiacetonitrilo con acetaldehído y ácido cianhídrico o de alfa-alaninanitrilo con formaldehído y ácido cianhídrico, y la hidrólisis alcalina del MGDN obtenido como un intermediario con solución de hídróxido de sodio para obtener la sal de trisodio de MGDA. A fin de lograr rendimientos elevados de MGDA, es deseable aislar MGDN como un intermediario y usarlo como una substancia pura en el paso de hidrólisis que sigue. En US 5,849,950, ejemplo 2, MGDN se cristaliza de la mezcla de producto crudo de la reacción de HCN, formaldehído y alaninanitrilo que se obtiene en un paso anterior in situ de acetaldehido, HCN y amoníaco, enfriando la mezcla de producto. La mezcla cruda acuosa que comprende MGDN puede comprender una serie de componentes secundarios. Cuando se prepara MGDN mediante reacción de Strecker controlada en pH de iminodiacetonitrilo (IDN) con acetaldehído y ácido cianhídrico, IDN puede usarse como una materia prima cristalina o bien obtenerse mediante reacción controlada en pH de urotropina con HCN en solución acuosa y convertirse en MGDN sin aislamiento. Como componentes secundarios, la mezcla cruda de MGDN acuosa luego comprende sulfato de amonio, cianohidrina de acetaldehído, cianohidrina de formaldehido, metilenbisiminodiacetonitrilo (MBIDN) , nitriloacetonitrilo
(NTN), y reactivos no convertidos. MGDN tiene solubilidad altamente dependiente de temperatura en agua. Por ejemplo, solamente alrededor de 0.5% en peso de MGDN se disuelva a 10°C en agua o una solución acuosa de sulfato de amonio. A aproximadamente 60°C, la solubilidad es todavía alrededor de 5% en peso. Por encima de aproximadamente 60°C, una emulsión de MGDN y su solución acuosa con más de 5% en peso de MGDN disuelto está presente. No se conoce diagrama de fase del sistema de agua-MGDN. Debido a la dependencia a temperatura elevada de la solubilidad de MGDN en agua, el MGDN se puede aislar de su solución acuosa mediante cristalización por enfriamiento y separación de sólido/líquido subsecuente. En el curso de enfriamiento de una solución o emulsión acuosa de MGDN, MGDN se precipita como un sólido en la forma de cristales semejantes a aguja, finos que se aglomeran. El licor madre incorporado en los aglomerados comprende, como impurezas, todos los componentes secundarios de la síntesis de MGDN, de modo que los cristales húmedos removidos por filtración tienen un color café oscuro. En la cristalización por enfriamiento, ocurren adicionalmente incrustaciones en las paredes del cristalizador. Un objeto de la invención es proporcionar un
proceso mejorado para remover MGDN de las mezclas de producto crudo acuosas obtenidas en su preparación. El objeto se logra mediante un proceso para aislar metilglicinanitrilo-N, N-diacetonitrilo (MGDN) de una emulsión acuosa que comprende MGDN y tiene un contenido de MGDN de 3-50% en peso en un cristalizador, que comprende los pasos: (a) la emulsión acuosa, empezando desde una temperatura superior al punto de solidificación, se enfría a una temperatura inferior al punto de solidificación, el régimen de enfriamiento promediado sobre el tiempo no excediendo 5 k/h, hasta que substancialmente la totalidad del MGDN emulsionado se ha solidificado, (b) la suspensión acuosa resultante se enfria adicionalmente y/o concentra y el régimen de enfriamiento puede ser mayor que en el paso (a) . Es esencial que la mezcla de producto crudo que comprende MGDN y está presente por encima del punto de solidificación de MGDN como una emulsión de MGDN como una fase orgánica dispersa en una solución de MGDN acuosa saturadea como una fase acuosa continua se enfría por debajo del punto de solidificación en el paso (a) , promediado sobre tiempo, solo muy lentamente, es decir con un régimen de
enfriamiento bajo (expresado en K/h) . El punto de solidificación es aquella temperatura a la que MGDN de la pureza determinada se solidifica, es decir, las gotas de MGDN emulsionadas en la fase acuosa se solidifican. Este punto, dependiendo del tipo y cantidad de las impurezas presentes en el MGDN, pueden variar por unos pocos °C y es aproximadamente 65°C para MGDN puro. El régimen de enfriamiento en el paso (a) , prome3diado sobre tiempo, es < 5 K/h, de preferencia < 3 K/h. El régimen de enfriamiento en principio puede ser tan pequeño como se desee; para propósitos prácticos, es generalmente de 1 K/h a 5 K/h. El régimen de enfriamiento instantáneo puede ser constante o variar siempre y cuando que, hasta el momento en el que virtualmente la totalidad del MGDN emulsionado se ha convertido del estado líquido al sólido (cristalino) , es decir, una suspensión se ha formado de la emulsión, el régimen de enfriamiento promediado sobre tiempo no excede el valor de limitación especificado. Por ejemplo, la emulsión primero se puede enfriar rápidamente, a un régimen que momentáneamente excede significativamente el valor de limite especificado, y subsecuentemente se enfría adicionalmente con un régimen de enfriamiento mucho más lento que es distintivamente inferior al valor de límite especificado, o
la temperatura se mantiene subsecuentemente de manera substancialmente constante durante un período, hasta que virtualmente todo el MGDN emulsionado se ha solidificado. Por ejemplo, la emulsión se puede enfriar "rápidamente", por ejemplo con un régimen de enfriamiento instantáneao de > 5 K/h, a una temperatura de hasta 10°C inferior al punto de solidificación, que es seguido por un "tiempo de retención" durante el que la temperatura se mantiene substancialmente constante hasta que virtualmente todo el MGDN emulsionado se ha solidificado. Por ejemplo, este tiempo de retención puede ser de 0.5 a 2 h. La emulsión acuosa se puede enfriar en el paso (a) dejando que el agua se evapore y/o removiendo el calor a través de la pared de cristalizador. En el paso (b) que sigue, la suspensión acuosa resultante se puede enfriar adicionalmente y/o concentrar, y el régimen de enfriamiento puede ser mayor que en el paso (a) . El enfriamiento lento de la suspensión en el paso (a) asegure que el MGDN emulsidonado ya se haya solidificado y esté presente en forma cristalina antes de que haya cristalización significativa del MGDN disuelto de la solución como resultado de enfriamiento adicional de la mezcla de
MGDN/agua. De esta manera, la solidificación del MGDN emulsionado y la cristalización de MGDN disuelto de la solución se separan en el tiempo. Esto suprime substancialmente la poca formación de semillas de cristal, como resultado de lo cual la formación de finos se impide. El MGDN luego se cristaliza de la solución muy predominantemente en los cristales de MGDN gruesos ya presentes. Este efecto no ocurre cuando el enfriamiento excesivamente rápido resulta esencialmente en solidificación simultánea de las gotas de MGDN emulsionadas y la cristalización de MGDN disuelto. Durante la operación de cristalización, se da preferencia a evaporar agua de la mezcla acuosa durante cuando menos algún tiempo, en cuyo caso esta operación de evaporación se puede acompañar por enfriamiento y/o concentración de la mezcla. Como resultado de la evaporación, se forma una zona de supersaturación, adjuntando esencialmente la interfas de espacio de liquido/gas de la mezcla acuosa, en la que hay una cristalización aumentada de MGDN de la solución. Cuando semillas de cristal adicionales se forman, se forman solamente en una zona relativamente estrecha de supersaturación en la cercanía de la interfaz, de manera que su número es restringido. Estos subsecuentemente se transportan al interior de la suspensión, en donde crecen
adicionalmente a solamente supersaturación lenta. Se debe dar preferencia a enfriamiento permitiendo que el agua se evapore durante el enfriamiento removiendo el calor a través de la pared de recipiente, siempre y cuando el enfriamiento evaporativo sea todavía técnicamente posible sin ningún problema. Esto también impide que cristales de MGDN de ser depositados en la pared de cristalizador, y habiendo incrustación de la pared de cristalizador. Generalmente es posible sin ningún problema que haya enfriamiento evaporativo hasta una temperatura de la mezcla acuosa de aproximadamente 30°C. La mezcla se puede enfriar y la fracción de agua de la mezcla mantenida substancialmente constante. La mezcla se enfría mediante el retiro de calor por la operación de vaporación cuando la operación de evaporación se lleva a cabo substancialmente (o cuando menos parcialmente) adiabáticamente. El contenido de agua de la mezcla de MGDN se mantiene substancialmente constante en vista de la condensación de vapor de agua y regreso hacia la mezcla (trabajando con "reflujo total") . La evaporación se ocasiona por la reducción de presión a una presión inferior a la presión parcial del vapor de agua en la mezcla a la temperatura particular.
Alternativamente, la mezcla se puede concentrar evaporando agua, en cuyo caso la temperatura se mantiene substancialmente constante, es decir, la operación de evaporación se lleva a cabo de manera substancialmente isotérmica. La mezcla se puede enfriar o concentrar mediante evaporación de agua. Estas dos operaciones se pueden llevar a cabo simultánea o sucesivamente. Ambas operaciones ocurren sucesivamente cuando la operación de evaporación se efectúa adiabáticamente y el agua evaporada no se reemplaza completamente, es decir, por ejemplo, hay solamente reflujo parcial del agua condensada o no reflujo. Sin embargo, también es posible, por ejemplo, primero llevar a cabo una evaporación isotérmica con un aumento en concentración y luego una evaporación añdiabática, en cuyo caso es posible trabajar con reflujo total, parcial o sin reflujo. En una modalidad del proceso de conformidad con la invención, el enfriamiento se efectúa en el paso (b) mediante enfriamiento evaporativo, en cuyo caso se lleva a cabo hasta que la temperatura de la mezcla ha caído cuando menos a 30°C. Se prefiere además remover el calor a través de la pared de cristalizadeor tan pronto como la temperatura va debajo de aproximadamente 30°C o inferior. Se prefiere además mantener
un régimen de enfriamiento en el paso (b) que, promedio sobre tiempo, es cuando menos 5 K/h, de preferencia > 7.5 K/h, en particular de 10 a 30 K/h. Se da preferencia a enfriar en el paso (b) a una temperatura inferior a 20°C. Esto logra la cristalización substancial del MGDN disuelto. De conformidad con la invención, se forman en total cristales mayores. Sin embargo, menos licor madre se adhiere a los mismos; en particular, ningún licor madre se puede "incorporar" en los aglomerados de cristales ultrafinos, o el licor madre adherente se puede remover fácilmente, por ejemplo mediante simple filtración o centrifugación. Esto reduce considerablemente la complejidad de purificación. La incrustación de las paredes del cristalizador también se impide efectivamente. La concentración de MGDN de la mezcla de producto acuoso es generalmente de 3 a 50% en peso, de preferencia de 15 a 40% en peso, más preferentemente de 20 a 35% en peso. Un contenido de MGDN disuelto de 1% en peso corresponde a una temperatura de cristalización de aproximadamente 20°C, un contenido de MGDN disuelto de 5% en peso a una temperatura de cristalización de aproximadamente 55°C. A 10°C, la solubilidad en agua de MGDN es todavía alrededor de 0.5% en
peso. A solamente bajos contenidos de MGDN de la mezcla de generalmente hasta 105 en peso, puede ser apropiado al principio de la operación de cristalización para llevar a cabo un llamado "circuito de sembrado", es decir, primero recalentar la mezcla a unos pocos °C después de la formación de cristal a fin de redisolver una porción de los cristales formados, y subsecuentemente enfriarla nuevamente. En una modalidad del proceso de conformidad con la invención, la mezcla acuosa se enfría en el paso (b) evaporando agua, en el curso de lo cual la concentración de MGDN de la mezcla se mantiene substancialmente constante. Esta variante también se puede referir como "cristalización por enfriamiento al vacio" que se lleva a cato con reflujo total. En una modalidad adicional del proceso de conformidad con la invención, la mezcla acuosa se concentra en el paso (b) evaporando agua, en el curso de lo cual la temperatura de la mezcla se mantiene substancialmente constante. Esta variante también se puede referir como "cristalización evaporativa isotérmica". En una modalidad adicional del proceso de conformidad con la invención, el paso (b) comprende ambos
enfriamiento y concentración de la mezcla acuosa, estas dos operaciones prosiguiendo simultánea o sucesivamente. En una variante preferida de esta modalidad, se lleva a cabo una cristalización de enfriamiento al vacío con solamente reflujo parcial del vapor de agua condensado o sin reflujo. El diseño del cristalizador en el que el proceso de conformidad con la invención se lleva a cabo puede ser cualquier diseño deseado. Puede, por ejemplo, ser un cristalizador de tanque agitado, cristalizador de circulación a fuerza, cristalizador de tubo de guía o cristalizador de lecho fluidizado, por ejemplo del tipo Oslo. El proceso de conformidad con la invención se puede llevar a cabo por lotes, semicontinuamente o continuamente. De preferencia se lleva a cabo por lotes, por ejemplo, en un cristalizador de tanque agitado. Los cristales se pueden remover mediante separación de sólido/líquido con cualquier aparato de separación de sólido/líquido, por ejemplo un filtro de succión, un filtro giratorio, un filtro de banda, una centrífuga de impulso, una centrífuga de tazón o lo semejante. Los cristales removidos subsecuentemente se pueden lavar, por ejemplo con agua o la mezcla de partida de la cristalización como un líquido de lavado.
La mezcla de producto crudo acuosa que comprende MGDN de la que el MGDN se aisla mediante el proceso de conformidad con la invención generalmente se obtiene 1. Haciendo reaccionar iminodiacetonitrilo (IDN) con HCN y aceltaldehído en solución acuosa. El iminodiacetonitrilo se puede obtener como una emulsioón acuosa en una etapa precedente de urotropina y ácido cianhídrico o de formaldehída, cianohidrina y amoníaco. 2. Haciendo reaccionar alaninanitrilo con HYCN y formaldehido en solución acuosa. El alaninanitrilo se puede obtener en una etapa precedente de acetaldehído, HCN y amoníaco o acetaldehído cianohidrina y amoníaco. Se da preferencia a obtener una mezcla de producto crudo acuosa que comprende MGDN como sigue: la. Iminodiacetonitrilo (IDN) se convierte haciendo reaccionar urotropina, que se puede obtener in situ de amoníaco y formaldehído, con ácido cianhídrico a un pH de 5.5 a 6.3, de preferencia de 5.7 a 6.1, más preferentemente de 5.8 a 6.0, y una temperatura en la escala de 20 a 90°C, de preferencia de 25 a 80°C. La relación molar de
amoníaco_formaldehído: ácido cianhídrico es generalmente 1:1.5:1.5-1.9; la concentración de IDN en la emulsión acuosa resultante es generalmente 15-40% en peso, de preferencia 20-35% en peso. Subsecuentemente, el pH de la emulsión de IDN acuosa se ajusta con ácido mineral a 2-1.0, de preferencia 1.8-1.5, más preferentemente 1.8-1.7. La emulsión de IDN acidificada luego se hace reaccionar con acetaldehído y ácido cianhídrico para proporcionar MGDN. La relación molar de
IDN: acetaldehído : HCN es generalmente 1:1-1.2:1-1.2, de preferencia 1:1.0-1.1:1.1-1.2; la temperatura en la reacción es generalmente 40-90°C, de preferencia 50-801 °C. La concentración de MGDN de la emulsión acuosa resultante es generalmente 20-50% en peso, de preferencia 25-405 en peso. Antes de que la cristalización se lleve a cabo, se da preferencia a diluir la emulsión acuosa con agua a un contenido de MGDN de 15-40% en peso, de preferencia 20-35% en peso. IDN también se puede preparar haciendo reaccionar cianohidrina de formaldehído con amoníaco. Alternativamente, el material de partida usado como el reactivo puede ser IDN
cristalino que se emulsiona en agua. 2a. Se prepara alfa-alaninanitrilo (AN) haciendo reaccionar exceso de amoníaco con acetaldehído y HCN o haciendo reaccionar cianohidrina de acetaldehído con exceso de amoníaco, el amoníaco siendo usado como una solución acuosa, en forma gaseosa o en forma líquida. La reacción se puede llevar a cabo bajo presión. El exceso de amoníaco de preferencia se separa por destilación bajo presión reducida. El AN crudo se hace reaccionar con formaldehído y ácido cianhídrico para proporcionar MGDN. A este fin, el pH de una solución de AN acuosa se ajusta con ácido mineral de 1-2.0, de preferencia a 1.8-1.5, más preferentemente a 1.8-1.7. La relación molar de
AN: formaldehíco :HCN es generalmente l.:1.0 1.2:1.0 - 1.2; la temperatura en la reacción es generalmente 40.00°C, de preferencia 50-80°C. La concentración de MGDN de la emulsión acuosa resultante es generalmente 20-50% en peso, de preferencia 25-40% en peso. Antes de que la cristalización se lleve a cabo, la emulsión acuosa se diluye de preferencia con agua a un contenido de
MGDN de 15-40% en peso, de preferencia 20-35% en peso. La invención se ilustra con detalle mediante los ejemplos que siguen. Ejemplos Preparación de una emulsión cruda de MGDN acuoso Ejemplo 1 Se prepara IDN haciendo reaccionar una solución de 173.9 g (1.241 mol) de urotropina enh 535 g de agua con 210.9 g (7.814 mol) de ácido cianhídrico. Para regular el pH a 5.8-5.9, un total de 188 g de ácido sulfúrico al 50% en peso se introduce midiendo. Esto resulta en 1090 g de una solución acuosa que comprende 336.3 g (3.54 mol) de IDN (95% de rendimiento basado en formaldehído) . El pH de la solución se ajusta a 1.8 y su temperatura a 60°C añadiendo 60 g (0.306 mol) de ácido sulfúrico al 50% en peso. Subsecuentemente, 105.1 g (3.894 mol) de HCN y 171.6 g (3.894 mol) de acetaldehido se introduce midiendo dentro de 75 minutos. La temperatura se eleva a aproximadamente 80°C. La mezcla se agita a 80°C durante 60 minutos adicionales. Durante la adición de los reactivos y durante la reacción posterior, el pH cae a aproximadamente 1.2. Esto resulta en aproximadamente 1440 g de una emulsión de MGDN de aproximadamente 36% en peso
que comprende 515 g de MGDN (3.469 moles; 98% de rendimiento basado en IDN) . Aislamiento de MGDN de la emulsión cruda Ejemplo comparativo Un recipiente agitado con camisa de 1 1 hecho de vidrio como un cristalizador se carga inicialmente con 1120 g de una emulsión de MGDN acuosa al 8% en peso a 70°C con agitación. El fluido de control de temperatura en la camisa se usa para enfriar la solución a 61°C. Esto forma un número muy grande de semillas de cristal. Después de calentar a 64°C justamente abajo del punto de solidificación, una porción de estas semillas desaparece de nuevo. Sulbsecuentemente, la mezcla se enfría a 10°C mediante enfriamiento con salmuera a un régimen de enfriamiento de 10 K/h con agitación. Los cristales precipitados se remueven con un filtro de succión. Como se puede ver bajo el microscopio (figura 1), los cristales comprenden, además de cristales semejantes a aguja de aproximadamente 100 um de largo, predominantemente finos de tamaño <10 um. Puesto que los cristales tienden a aglomerarse y el licor madre se adhiere entre los cristales, los cristales húmedos toman un intenso color café del licor madre. Las paredes del recipiente del cristalizador tienen incrustaciones severas.
Ejemplo 2 El recipiente agitado con camisa de 1 litro se carga inicialmente con 1970 g de una emulsión de MGDN acuosa al 22% en peso a 70°C. El fluido de control de temperatura en la camisa se usa para enfriar la solución a 57°C. Esto forma semillas de cristal. Calentando a 58°C lleva una porción del sólido formado nuevamente hacia solución. Subsecuentemente, se aplica vacío y el agua se evapora a un régimen de evaporación de 250 g/h a 58°C y 170 mbar durante dos horas y media. Posteriormente, la presión en el cristalizador se reduce adicionalmente a 40 mbar. El vapor de agua removido luego se condensa y fluye como condensado en su totalidad nuevamente hacia el cristalizador. Dentro de 2.5 horas adicionales, la suspensión se enfría mediante enfriamiento con salmuera de la pared de recipiente a un régimen de 20 K/h de 30°C a una temperatura final de 10°C. La suspensión fria formada se filtra con un filtro de succión. La torta de filtro beige, húmeda se lava con 1.5 veces la cantidad de agua, después de lo cual toma un color ligeramente amarillento. El análisis de número de color de una solución al 1% en peso de los cristales resultantes en acetonitrílo proporciona un número de color Hazen de 48. Como se puede ver bajo el microscopio (figura 2), una mayoría de los cristales
consiste de cristales semejantes a aguja, gruesos de longitud de 100 a 200 um y espesor de 20 a 40 um. No se pueden ver finos que tengan un tamaño de < 1 um. Ejemplo 3 El cristalizador del ejemplo 1 se carga inicialmente con 1300 g de una emulsión de MGDN acuosa al 30% en peso a 70°C. Después de que la temperatura ha caldo por debajo del punto de solidificación y una fase de retención de 40 minutos a 60°C, la solución se enfría a 10°C a un régimen de 12.5 K/h dentro de 4 horas evaporando a una presión de 170 a 40 mbar y con reflujo total del vapor de agua condensado. De aproximadamente 30°C, el calor se remueve mediante enfriamiento por salmuera por medio de la camisa del cristalizador. La suspensión se carga en una centrifuga de copa de tamiz y se centrífuga a 200 min-1. Se obtienen cristales beige pálido. Bajo el microscopio (figura 3), cristales semejantes a aguja, gruesos, que tienen una longitud de hasta 1 mm y un espesor de hasta 100 um se pueden ver. No se pueden ver finos que tengan un tamaño de < 1 um. El análisis de número de color de solución al 1% en peso de los cristales en acetonitrilo proporciona un número de color Hazen de 65.