PL200217B1 - Sposób otrzymywania kwasu poliasparaginowego - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że proces ogrzewania kwasu asparaginowego, kwasu maleinowego, jedno- lub dwuamonowej soli kwasu maleinowego, prowadzi się w środowisku eteru nonylofenylopolioksyetylenopolioksypropylenoglikolowego. Proces prowadzi się w reaktorze zapewniającym ciągły przepływ surowców przez strumień promieniowania mikrofalowego.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kwasu poliasparaginowego, będącego biodegradowalnym, nietoksycznym rozpuszczalnym w wodzie polimerem, znajdującym zastosowanie dzięki jego właściwościom chelatującym i dyspergującym.

Polimer ten po usieciowieniu ma właściwości hydrożelu o możliwości spęcznienia w wodzie 3400 g wody na 1 g polimeru. Kwas poliasparaginowy znajduje zastosowanie jako środek stymulujący metabolizm azotu w roślinach. Biodegradowalne nawozy chelatowe żelaza oparte o ten polimer stosuje się bezpośrednio na rośliny lub do gleby, w celu zapobiegania w sposób długotrwały deficytowi żelaza. Związki będące pochodnymi tego polimeru mają duże zdolności jonowymienne, dzięki czemu zdecydowanie poprawiają efektywność stosowanych nawozów. Stosowane w mieszaninie z nawozami i oddzielnie przedłużają znacznie czas przebywania związków azotowych w zasięgu korzeni roślin. Zdolność utrzymywania wilgoci i niezbędnych do rozwoju roślin składników pokarmowych na właściwym poziomie, przy korzeniach roślin, niewątpliwie wpływa na wcześniejsze kiełkowanie, szybszy ich wzrost i wyższe plony.

Ważnym zastosowaniem związków poliasparaginowych jest ich użycie jako aktywnych wypełniaczy w detergentach do prania, mycia naczyń i innych środkach czyszczących. Ponieważ poliasparaginiany bardzo dobrze absorbują się na osadzie ściekowym, są degradowane przez organizmy obecne w komunalnych oczyszczalniach ścieków. Związki te hamują osadzanie kamienia, są więc cennymi środkami uzdatniania wody w wielu rozwiązaniach. Ponadto używa się ich jako dodatków do farb oraz przy obróbce papieru. Bardzo ważną dziedziną wykorzystującą związki poliasparaginowe jest produkcja materiałów superabsorbujących. Właściwości absorbujące pozwalają na otrzymywanie różnorodnych środków sanitarnych o bardzo dobrych właściwościach chłonnych. Jednym z najważniejszych zastosowań związków poliasparaginowych jest ich wykorzystanie jako materiałów biomedycznych. Tak więc polimery te mogą służyć jako czasowe substytuty sztucznej skóry w leczeniu oparzeń, jako czasowe osłony zapobiegające przyleganiu tkanek, do wytwarzania syntetycznych tkanek oraz w różnych urządzeniach medycznych. Wchodzą też w skład systemów podawania leków powodując zmniejszenie toksyczności, a jednocześnie zmniejszając działania leku. Znane jest tez z literatury wykorzystanie polikwasów będących pochodnymi kwasu asparaginowego w budowie membran selektywnych np. wrażliwych na pH. Dzięki swoim specyficznym właściwościom dyspergującym odpowiednio zmodyfikowany nadaje się także jako środek dyspergujący dla nieorganicznych pigmentów i do wytwarzania dyspersji fazy stałej o dużym stężeniu, pochodzących na przykład z wodorotlenków, tlenków i węglanów metali ziem alkalicznych. Stosowany jest również jako dodatek do cementu, względnie jako środek do rozrzedzania cementu. Znaczny udział soli kwasu poliasparaginowego wykorzystuje się jako smar w przemyśle metalurgicznym lub środek powstrzymujący powstawanie korozji.

Znane są trzy zasadnicze metody otrzymywania kwasu poliasparginowego, przy wykorzystaniu trzech różnych typów związków:

a) polikondensacja z odpowiednich n-karboksybezwodników,

b) termiczna polimeryzacja kwasu asparaginowego,

c) polimeryzacja kwasu aminomaleinowego otrzymywanego z bezwodnika maleinowego i amoniaku.

Ad a). N-karboksybezwodniki są w pewnym sensie monomerami α-aminokwasów, które są zablokowane przy jednym karboksylu, a aktywowane do polimeryzacji przy drugim. Kwas poliasparaginowy otrzymuje się stosując roztwór wyżej wymienionego bezwodnika podstawiony p-benzylo-1-asparaginianem w dioksanie oraz jakiś inicjator aminowy, np. trójetyloaminę. Po polimeryzacji osłonięty karboksyl zostaje odblokowany (np. przez obróbkę z zastosowaniem bezwodnego HBr w kwasie trifluorooctowym). Otrzymany kwas poliasparaginowy posiada około 45% wiązań β-. Sposób powyższy znany jest z opisu patentowego US nr 5 830 985. Synteza kwasu o czystych wiązaniach x- polega na zastosowaniu n-karboksybezwodników x-aminokwasów i asparaginianu dialkilu jako głównego inicjatora aminowego.

Ad b). Kwas L-asparaginowy poddaje się polimeryzacji termicznej w temperaturze 185-190°C. W tej temperaturze następuje inicjacja reakcji polikondensacji. Następnie temperaturę podnosi się do 225-230°C i utrzymuje w tej temperaturze do uzyskania około 80% konwersji kwasu asparaginowego na polimer bezwodny. Rozwiązanie takie znane jest z opisów patentowych US nr nr 5 315 010, 5 221 733, opisu patentowego WO 92/14753. Późniejsza hydroliza daje kwas poliasparaginowy, który zawiera około 70% wiązań β- i 30% wiązań α. Metoda może być tez prowadzona z użyciem katalizatorów kwaPL 200 217 B1 sowych (kwas ortofosforowy), które znacznie ułatwiają i przyśpieszają przebieg procesu. Znana jest też z opisów patentowych US nr nr 5 380 817, 5 859 149 metoda, w której stosuje się glikol polialkilenowy jako fazę rozpraszającą. Kwas i glikol ogrzewa się do temp. 120-300°C i utrzymuje w tej temperaturze. Kwas poliasparaginowy uzyskuje się przez hydrolizę wytrąconego produktu. Korzystnym jest prowadzenie procesu polimeryzacji w rozpuszczalniku, który w wysokiej temperaturze rozpuszcza monomer, a także powstający polimer, rozwiązania takie przedstawione są w opisach patentowych US nr nr 5 714 558, 5 288 783. Wyodrębnienie produktu odbywa się poprzez wytrącenie acetonem. Jako rozpuszczalniki stosuje się cykliczne węglany organiczne, np. węglan propylenu, węglan etylenu. W opisanych wyżej metodach bardzo często stosuje katalizatory przyśpieszające polimeryzację. Najczęściej stosowanymi katalizatorami są: kwas ortofosforowy lub kwas polifosforowy, kwas siarkowy oraz wodosiarczan sodowy.

Ad c). Metoda ta przebiega w trzech etapach. W pierwszym etapie tworzy się kwas maleinowy z bezwodnika maleinowego, w wyniku jego rozpuszczenia się w wodzie w temperaturze około 75°C. Następnie, ze względu na duży efekt egzotermiczny, obniża się temperaturę (do około 25°C) i dodaje wodorotlenek amonu. Tak przygotowaną mieszaninę ogrzewa się 30-90 minut do temperatury 85°C w celu otrzymania przezroczystego, szklistego kwasu aminomaleinowego. Po wyodrębnieniu ze środowiska reakcji, kwas ten poddaje się polimeryzacji termicznej w temperaturze 115-230°C w czasie 3-20 godzin otrzymując stały, kruchy kwas poliasparaginowy.

Opisane rozwiązanie przedstawione jest w opisach patentowych US nr nr 5 688 904, 5 839 461, 5 296 578, opisie patentowym WO 98/34974. Możliwe jest także przeprowadzenie tego etapu bez wyodrębnienia kwasu aminomaleinowego z mieszaniny reakcyjnej, ale wtedy należy podczas polimeryzacji zapewnić dobry odbiór wody, zarówno tej odchodzącej ze środowiska reakcyjnego, jak i tworzącej się w wyniku polikondensacji. Wskazane jest prowadzenie tego etapu pod zmniejszonym ciśnieniem.

Znane są też możliwości wykorzystania promieniowania mikrofalowego w chemii polimerów, a zastosowanie go w termicznej polimeryzacji, występującej przy syntezie kwasu poliasparaginowego jest jak najbardziej uzasadnione i wskazane ze względów ekonomicznych. Długie czasy prowadzenia tej polikondensacji przy tradycyjnym ogrzewaniu, wysokie temperatury i konieczność odprowadzania powstającej wody przemawiały za zastosowaniem tego rodzaju promieniowania jako źródła energii potrzebnej do prowadzenia tych reakcji. Stosując wszystkie opisane wyżej techniki otrzymywano kwas poliasparaginowy w sposób periodyczny, w reaktorach szklanych lub metalowych przy zastosowaniu tradycyjnego grzania reagentów, najczęściej z użyciem łaźni olejowych. Wielkość produkcji określał wsad substratów do reaktora.

Znane jest rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym US nr 4 696 981 ukazujące szybki i łatwy sposób prowadzenia polimeryzacji różnych substancji chemicznych zmierzających do otrzymywania poliaminokwasów, w tym kwasu poliasparaginowego, z użyciem promieniowania mikrofalowego. Metoda pozwoliła na znaczne skrócenie czasu trwania polireakcji i wzrost wydajności procesu ale ograniczyła skalę produkcji - ze względu na małe gabaryty reaktorów mikrofalowych. Reakcje zmierzające do otrzymywania polikwasu są prowadzone głównie w stopie, co łączy się z możliwością występowania niekorzystnego miejscowego przegrzewania się surowców. Brak równomiernego w całej masie ogrzewania rzutuje na rozrzut mas cząsteczkowych, różny udział formy α i β, jak i degradację.

Istotą wynalazku jest sposób otrzymywania kwasu poliasparaginowego przez ogrzewanie kwasu asparaginowego, kwasu maleinowego, jedno- lub dwuamonowej soli kwasu maleinowego, ewentualnie z dodatkiem katalizatorów dowolną metodą, w którym proces prowadzi się w środowisku eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego.

Korzystnie jest jeśli proces prowadzi się w reaktorze zapewniającym ciągły przepływ surowców przez strumień promieniowania mikrofalowego. Nieoczekiwanie stwierdzono, że dodatek do surowców niewielkiej ilości eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego spełnia w szerokim zakresie temperatur, w których prowadzone są reakcje otrzymywania kwasu poliasparaginowego, rolę modyfikatora tarcia przy mieszaniu surowców jak i ośrodka rozpraszającego surowce jak i środowiska umożliwiającego łatwe rozchodzenie się energii cieplnej. To korzystne zjawisko umożliwiło swobodne mieszanie proszkowych reagentów bez oporów tarcia, z użyciem tradycyjnych mieszadeł używanych np. do mieszania cieczy. Po zastosowaniu reaktora w kształcie obracającej się wokół własnej osi, rury szklanej z umieszczonym wewnątrz na całej jego długości szklanym mieszadłem i elementem w kształcie ślimaka, wykonanym ze spieku z AI2O3, udało się stosując proponowany eter prowadzić polimeryzację termiczną kwasu asparaginowego w piecu mikrofalowym, w sposób ciągły. Dzięki temu

PL 200 217 B1 rozwiązaniu reagenty nie przegrzewały się miejscowo, dostarczone ciepło za pośrednictwem promieniowania mikrofalowego rozchodziło się równomiernie. Czas przebywania surowców w piecu był regulowany szybkością przesuwania się ich w rurze na skutek podawania z zewnątrz przez ślimak nowej porcji surowca. Zastosowany, z użyciem eteru jako ośrodka dyspergującego surowce, sposób ułatwia stosowanie wszystkich innych metod - sposobów prowadzenia polimeryzacji Wynalazek poprawia również stopień przereagowania surowców, daje możliwość temperaturowego kontrolowania procesu.

P r z y k ł a d l g bezwodnika maleinowego rozpuszcza się, ogrzewając do 75°C pod chłodnica zwrotną w 25 ml wody i 50 g eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego o wzorze 1 oraz nśr = około 8 i mśr = około 7. Po schłodzeniu do 20°C, przy energicznym mieszaniu małymi porcjami dodaje się amoniak. Po zakończeniu wkraplania temperaturę podnosi się do 85°C i utrzymuje ją przez 3 godziny. Po tym czasie oddestylowuje się wodę pod zmniejszonym ciśnieniem. Pozostałość zawierającą kwas aminomaleinowy przenosi się z kolbą do reaktora mikrofalowego zapewniając ciągłe mieszanie wsadu i przepływ gazu obojętnego (azotu). Temperaturę stopniowo podwyższa się ze 120°C do 200°C pracując 12 minut przy wykorzystaniu 15% znamionowej mocy mikrofalowej reaktora. Produkt reakcji jest następnie hydrolizowany do kwasu poliasparaginowego w środowisku wodnym wobec węglanu sodu.

P r z y k ł a d II g roztartego na drobny pył kwasu aminomaleinowego umieszcza się w kolbie płaskodennej, zaopatrzonej w mieszadło mechaniczne, po uprzednim dodaniu 20 g eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego o wzorze jak w przykładzie l oraz nśr = około 6, msr= około 4. Taki zestaw umożliwiający swobodne przepuszczanie przez kolbę azotu umieszcza się w reaktorze mikrofalowym, jak w przykładzie l. Energiczne mieszanie umożliwia zdyspergowanie kwasu w cieczy zapewniając równomierne jego ogrzewanie. Produkt poddaje się hydrolizie po 15 minutach ogrzewania przy mocy mikrofalowej reaktora jak podano w przykładzie II. Produkt identycznie wypełnionej kolby, ogrzewanej na łaźni olejowej otrzymano po 2 godzinach ogrzewania do 185°C.

P r z y k ł a d III g roztartego na drobny proszek kwasu asparaginowego, wobec 0,7 g kwasu o-fosforowego i 20 g eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego o wzorze jak w przykładzie l oraz o nśr = około 9 i mśr = około 14 daje produkt w warunkach podanych w przykładzie II po 12 minutach ogrzewania.

P r z y k ł a d IV

Przygotowano pastę, w skład której wchodziło 100 g kwasu asparaginowego, 15 g eteru nonylofenylopolioksyetyleno-polioksypropylenoglikolowego o wzorze jak w przykładzie l oraz nśr = około 6, mśr = około 6 i 4 g kwasu o-fosforowego Pastę podawano porcjami z zewnątrz do szklanego reaktora w kształcie rury z umieszczonym wzdłuż osi mieszadłem szklanym, przez które mógł przepływać i wydostawać się do wnętrza rury azot. Mieszadło przy wejściu do reaktora rurowego miało umocowany podający surowiec ślimak, wykonany ze spieku AI2O3. Obrót reaktora - rury wokół na stałe umocowanego mieszadła zapewniał równomierny dostęp energii cieplnej - promieniowania mikrofalowego do ogrzewanej pasty. Pastę podawano porcjami za pośrednictwem ślimaka w ten sposób, aby przesuwająca się w kierunku wylotu rury masa była ogrzewana w sumie około 15 minut ± 2 minuty. Kwas poliasparaginowy otrzymano po alkalicznej hydrolizie produktu reakcji.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania kwasu poliasparaginowego polegający na ogrzewaniu kwasu asparaginowego, kwasu maleinowego, jedno- lub dwuamonowej soli kwasu maleinowego, ewentualnie w obecności katalizatorów dowolną metodą, znamienny tym, że proces prowadzi się w środowisku eteru nonylofenylopolioksyetylenopolioksypropylenoglikolowego.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w reaktorze zapewniającym ciągły przepływ surowców przez strumień promieniowania mikrofalowego.