PL233234B1 - Sposób izomeryzacji limonenu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób izomeryzacji limonenu, w wyniku której otrzymuje się jako główne produkty: alfa-terpinen, gamma-terpinen, alfa-terpinolen, izoterpinolen, alfa-felandren, beta-felandren i p-cymen.

Alfa-terpinen jest naturalnym związkiem zapachowym, występującym między innymi w pomarańczach, kolendrze i w oregano. Dzięki orzeźwiającemu zapachowi jest on szeroko stosowany w produktach spożywczych oraz jako środek zapachowy w kosmetykach i w produktach gospodarstwa domowego. Alfa-terpinen jest składnikiem wielu olejków eterycznych, między innymi olejku z drzewa herbacianego, w którym odpowiada za wysokie właściwości antyoksydacyjne tego olejku, co pozwala na zastosowanie olejku z drzewa herbacianego miejscowo, w roli środka przeciwbakteryjnego i przeciwzapalnego. Olejek ten jest stosowany głównie w leczeniu takich dolegliwości skórnych, jak: trądzik, czy grzybica. Ponadto alfa-terpinen jest stosowany jako dodatek do żywności, leków i kosmetyków, gdyż zapewnia im stabilność oksydacyjną. Wykazano również skuteczność tego związku w leczeniu pasożytniczego zakażenia świdrowcem u kon i. Cienka warstwa alfa-terpinenu spolimeryzowanego pod wpływem plazmy, jest wykorzystywana do zabezpieczania ogniw słonecznych przed działaniem czynników atmosferycznych oraz wilgoci. Poddanie alfa -terpinenu światłoczułej reakcji utleniania katalizowanej fotokatalizatorami osadzonymi na krzemionce, prowadzi do uzyskania wielu wartościowych produktów, takich jak: askarydol, izoaskarydol, kwasu 4-izopropylobenzoesowy, czy aldehyd kuminowy.

Gamma-terpinen wykazuje właściwości antybakteryjne. Związek ten jest syntetyzowany przez niektóre gatunki roślin, między innymi ryż. Jego obecność w ryżu powoduje niszczenie błony komórkowej bakterii, będącej przyczyną choroby tej rośliny. Ponadto gamma-terpinen może być stosowany w leczeniu miażdżycy, gdyż dzięki swoim właściwościom antyoksydacyjnym, zapobiega utlenianiu LDL - w badaniach na zwierzętach zaobserwowano znaczący spadek całkowitego stężenia cholesterolu o 18,3% oraz stężenia trójglicerydów o 30,3% w surowicy. Gamma-terpinen jest jednym z dwóch składników olejku sosnowego, wykazujących właściwości roztoczobójcze. Dzięki temu znalazł on zastosowanie do walki z roztoczami podczas przechowywania żywności.

Alfa-terpinolen jest stosowany jako dodatek do żywności (pieczone produkty, lody, bezalkoholowe napoje i cukierki). Ponadto jest on składnikiem środków czyszczących, a w kosmetyce jest stosowany w dezodorantach. Alfa-terpinolen znalazł również zastosowanie do syntez organicznych, gdyż jest wykorzystywany do syntezy terpineolu, 1-methyl-4-izopropylidenu, czy cykloheksan-1-olu. Alfa-terpinolen może być również wykorzystywany w medycynie, gdyż wykazano, że związek działa uspokajająco na człowieka. Inhalacje alfa-terpinolenem wpływały na działanie nerwowego układu autonomicznego i na psychikę człowieka - w konsekwencji alfa-terpinolen zmniejszał napięcie oraz wzmagał uczucie relaksu. Dlatego związek ten mógłby być wykorzystywany w leczeniu zaburzeń psychicznych, np. depresji. Badania pokazały, że alfa-terpinolen jest związkiem pośredniczącym w biosyntezie Hinokitolu (4-izopropylotropolonu) przez komórki cyprysu. Hinokitol ma właściwości antynowotworowe, antybakteryjne i przeciwgrzybicze. Alfa-terpinolen może również być stosowany w leczeniu miażdżycy, gdyż związek ten w połączeniu z β-karotenem oraz α-tokoferolem efektywnie zapobiega utlenianiu LDL, które odgrywa kluczową rolę w powstawaniu arteliosklerozy.

P-cymen jest jedyną, naturalnie występującą formą cymenu. P-cymen stosuje się jako dodatek maskujący zapach w mydłach oraz w różnych produktach przemysłowych. Związek ten jest stosowany jako rozpuszczalnik do barwników i lakierów, jako środek przenoszący ciepło, a także jako dodatek do kompozycji zapachowych i perfum piżmowych. P-cymen jest substratem do syntezy krezoli. Innym zastosowaniem tego monoterpenu jest przekształcanie go w aromatyczne monomery, takie jak: kwas tereftalowy lub dimetylostyren. Ponadto p-cymen stanowi ligand w katalizatorze metatezy olefin. Z p-cymenu można otrzymać kwas p-cymenosulfonowy, który ma zbliżone właściwości do szeroko stosowanego w chemii organicznej kwasu p-toluenosulfonowego, m.in. wykorzystywanego w reakcji estryfikacji Fishera. Substratem w reakcji otrzymywania kwasu p-toluenosulfonowego jest toksyczny toluen, dlatego ważne jest poszukiwanie alternatywy, którą może stanowić kwas p-cymenosulfonowy, którego synteza nie wymaga stosowania rozpuszczalników organicznych.

G.L.K. Hunter i W.B. Brogden (J. Org. Chem. 28(6) (1963) 1679-1682) opisali izomeryzację limonenu na żelu krzemionkowym (Fisher S157, 28-200 mesh), którą prowadzono w temperaturach: 100°C i 150°C. W temperaturze 100°C limonen izomeryzował do terpinolenu, alfa-terpinenu, gamma

PL 233 234 B1 terpinenu i izoterpinolenu. W temperaturze 150°C reakcja zachodziła bardzo szybko, a jako produkty otrzymywano: 1-p-menthen, t-2-p-menthen, 3-p-menthen, t-8-(9)-p-menthen i p-cymen.

N.A. Comelli, E.N. Ponzi i M.I. Ponzi (Journal of the American Oil Chemists' Society 82(7) (2005) 531-535) opisali izomeryzację limonenu na siarczanie cyrkonu. Izomeryzację prowadzono w fazie ciekłej, a głównymi produktami po 20 minutach reakcji były: terpinolen, alfa-terpinen i gamma-terpinen. Wydłużanie czasu reakcji zmniejszało stężenia tych produktów. Terpinolen przekształcał się do m-cymenenu, a alfa-terpinen do p-cymenu. Reakcja izomeryzacji była prowadzona w temperaturach: 90°C, 120°C i 140°C.

M.A. Martin-Luengo, M. Yates, E. Saez Rojo, D. Huerta Arribas, D. Aguilar i E. Ruiz Hitzky (Appl. Catal. A: General 387 (2010) 141-146) opisali otrzymywanie p-cymenu i wodoru z limonenu na minerale z rodziny krzemianów - sepiolicie, który został zmodyfikowany tlenkami sodu, niklu, żelaza i manganu. Badania prowadzono w reaktorze mikrofalowym, gdzie umieszczano 200 mg ciała stałego zmieszanego wcześniej z 0,057 cm³ limonenu. Maksymalna temperatura reakcji wynosiła 165°C. Ta temperatura został wybrana po badanych wstępnych, podczas których 5 cm³ limonenu i maksymalnie 500 mg ciała stałego (sepiolitu) umieszczano pod chłodnicą zwrotną w piecu mikrofalowym. W pierwszym etapie otrzymywano terpineny i terpinolen, które później ulegały odwodornieniu do p-cymenu. Na czystym sepiolicie, po czasie 20 minut, osiągnięto konwersję limonenu 31%, a selektywności produktów były następujące: alfa-terpinen - 20%, gamma terpinen 10%, alfa terpinolen 38% mol i p-cymen 32% mol. Na sepiolicie modyfikowanym tlenkiem sodu reakcja nie zachodziła, natomiast na sepiolitach modyfikowanych tlenkami niklu, żelaza i manganu jako jedyny produkt otrzymywano p-cymen, a konwersja limonenu po czasie 20 minut osiągała 100% mol.

Z literatury znany jest sposób izomeryzacji limonenu na dwóch dostępnych komercyjnie rodzajach ferrytowych zeolitów K, Na-FER i NH4-FER, opisany przez R. Rachwalika, M. Hungera i B. Sulikowskiego (Applied Catalysis A: General 427-428 (2012) 98-105). Wymienione wyżej zeolity przekształcono w ich formy wodorowe, a następnie stosowano w procesie izomeryzacji. Izomeryzację prowadzono pod ciśnieniem atmosferycznym, w szklanym reaktorze zaopatrzonym w chłodnicę zwrotną, efektywne mieszadło (800 rpm) i kontroler temperatury. W typowej syntezie 5 ml limonenu ogrzewano do odpowiedniej temperatury i dodawano do niego w tej temperaturze odpowiednio przygotowany katalizator. Test katalityczny prowadzono w zakresie temperatur 40-75°C. Po odpowiednich czasach reakcji pobierano próbkę mieszaniny reakcyjnej do badań metodą GC (chromatografia gazowa). Jako główne produkty reakcji otrzymywano alfa-terpinen, gamma-terpinen, terpinolen i p-cymen, przy konwersji limonenu dla pierwszego z badanych katalizatorów od 1 do 6% mol w zależności od temperatury, i od 2% mol do 39% mol dla drugiego z badanych katalizatorów.

C.A. Sanchez-Vazquez, T.D. Sheppard, J.R.G. Evans, H.C. Hailes (RSC Advances 4 (2014) 61652-616555 opisali reakcję odwodornienia limonenu do p,alfa-dimetylostyrenu (DMS). W tej reakcji jako produkty uboczne tworzyły się p-cymen, terpinolen, gamma-terpinen i alfa-terpinen. Reakcje prowadzono na katalizatorach palladowych, w bezwodnym DMF-ie, w obecności różnych związków o charakterze zasadowym, jako katalizator zastosowano CuCl2, a reakcje prowadzono w temperaturze 70-120°C. W zależności od użytego związku o charakterze zasadowym otrzymywano różne konwersje limonenu (od 2 do 98%). Najwyższą selektywność DMS (65,4%) otrzymano przy konwersji limonenu 75% mol. Selektywności innych związków wynosiły: 14,3% - p-cymen, a terpinolen - 14,3%. Przetestowano również zastosowanie innych rozpuszczalników w tej reakcji: eteru cyklopentylo-metylowego, 2-metylotetrahydrofuranu i acetonitrylu. W tych rozpuszczalnikach tworzyły się niewielkie ilości DMS, natomiast tworzyły się p-cymen (w eterze cyklopentylometylowym), terpinolene i alfa-terpinen (w 2-metylotetrahydrofuranie), a w acetonitrylu tylko DMS (przy konwersji limonenu 7%). Konwersje limonenu dla eteru cyklopentylometylowego i 2-metylotetrahydrofuranu zmieniały się od 3 do 55%.

H. Cui, J. Zhang, Z. Luo, Ch. Zhao (RSC Advances 6 (2016) 66695-66704) opisali otrzymywanie p-cymenu na katalizatorze Pd/HZSM-5 w obecności i pod nieobecność wodoru. Do syntezy stosowano 10 ml limonenu, 0,2 g katalizatora (Pd/HZSM-5) i 80 ml n-dodekanu, które umieszczano w autoklawie. Autoklaw najpierw przedmuchiwano azotem, a później napełniono go odpowiednią ilością azotu lub wodoru, w zależności od warunków prowadzenia reakcji. Reakcje prowadzono w temperaturze 260°C, przy szybkości mieszania 650 r.p.m. W reakcjach prowadzonych bez wodoru tworzyły się najpierw izomery limonenu: alfa-terpinen, gamma-terpinen, terpinolen i alfa-felandren, które później ulegały odwodornieniu do p-cymenu. Zwiększenie ilości dodawanego do autoklawu wodoru powodowało wzrost ilości tworzącego się p-cymenu, ale jednocześnie wzrastała ilość tworzących się w procesie produktów uwodornienia, co zmniejszało selektywność tworzenia p-cymenu.

PL 233 234 B1

Nieoczekiwanie okazało się, że katalizator Ti-SBA-15 otrzymany metodą bezpośrednią według przepisu F. Berube i współpracowników (F. Berube, A. Khadhraoui, M.T. Janicke, F. Kleitz, S. Kaliaguine, Optimizing Silica Synthesis for the Preparation of Mesoporous Ti-SBA-15 Epoxidation Catalysts, Ind. Eng. Chem. Res. 49 (2010) 6977-6985) i zawierający 2,53% wag. Ti, jest bardzo aktywnym katalizatorem izomeryzacji limonenu.

Sposób izomeryzacji limonenu, według wynalazku, w obecności katalizatora, pod ciśnieniem atmosferycznym, charakteryzuje się tym, że jako katalizator stosuje się katalizator tytanowo-silikalitowy Ti-SBA-15 w ilości 5-15% wagowy w mieszaninie reakcyjnej. Proces izomeryzacji prowadzi się w temperaturze 140-160°C, w czasie od 0,5 do 23 godzin, stosując intensywność mieszania 500 obr/min. Do reaktora wprowadza się w pierwszej kolejności limonen, a później katalizator.

Zaletą zaproponowanego sposobu izomeryzacji jest otrzymywanie w nim stosunkowo wysokich konwersji limonenu (do 99% mol). Podobnie użycie reaktora szklanego, mimo prowadzenia izomeryzacji nawet w temperaturze 160°C, obniża koszty prowadzenia procesu, gdyż reaktory szklane są tańsze niż wykonane np. ze stali nierdzewnej. Ponadto izomeryzacja ta jest prowadzona pod ciśnieniem atmosferycznym i nie wymaga użycia aparatury ciśnieniowej, np. autoklawów. Inną, istotną korzyścią zastosowanej metody izomeryzacji limonenu, jest otrzymywanie w niej dużych ilości (w zależności od czasu prowadzenia izomeryzacji) alfa-terpinenu, gamma-terpinenu, alfa-terpinolenu, izoterpinolenu, alfa-felandrenu, beta-felandren i p-cymenu. Związki te są cennymi związkami zapachowymi w kosmetyce i w chemii gospodarczej, mogą być stasowane jako dodatki do żywności i półprodukty do syntez cennych związków organicznych. Znalazły też zastosowania w medycynie w leczeniu miażdżycy, nowotworów i zaburzeń psychicznych oraz mogą być stosowane w preparatach o działaniu przeciwgrzybiczym i antybakteryjnym. Substrat stosowany do izomeryzacji - limonen, może być pozyskiwany z odpadów jakimi są skórki pomarańczy, dlatego jest on tanim i łatwo dostępnym surowcem.

Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładach wykonania.

P r z y k ł a d 1

Do reaktora szklanego o pojemości 25 cm³, który był zaopatrzony w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne z funkcją grzania wprowadzano 5,000 g limonenu oraz 0,250 g katalizatora Ti-SBA15. Reaktor umieszczano w łapie, a następnie zanurzano w łaźni olejowej i włączano mieszanie (500 obr/min). Proces izomeryzacji limonenu badano w temperaturze 160°C, przy zawartości katalizatora 5% wag. oraz dla następujących czasów reakcji: 30 minut, 60 minut, 90 minut, 120 minut, 180 minut, 240 minut i 1380 minut. Analizy ilościowe wykonywano metodą GC, aparatem FOCUS firmy Thermo, wyposażonym w detektor płomieniowo-jonizacyjny i kolumnę kapilarną Rtx-WAX. W badanym zakresie czasów reakcji selektywności produktów głównych zmieniały się następująco: selektywność beta-felandrenu rosła od 2 do 3% mol, selektywność alfa-felandrenu malała od 17 do 2% mol, selektywność alfa-terpinenu rosła od 0 do 37% mol, selektywność gamma-terpinenu malała od 19 do 16% mol, selektywność p-cymenu rosła od 6 do 12% mol, selektywność alfa-terpinolenu malała od 56 do 18%, a selektywność izoterpinolenu rosła od 1 do 7% mol. Konwersja limonenu w miarę wydłużania czasu reakcji rosła od 3 do 86% mol.

P r z y k ł a d 2

Do reaktora szklanego o pojemości 25 cm³, który był zaopatrzony w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne z funkcją grzania wprowadzano 5,000 g limonenu oraz 0,750 g katalizatora Ti-SBA-15. Reaktor umieszczano w łapie, a następnie zanurzano w łaźni olejowej i włączano mieszanie (500 obr/min). Proces izomeryzacji limonenu badano w temperaturze 140°C, przy zawartości katalizatora 15% wag. oraz dla następujących czasów reakcji: 30 minut, 60 minut, 90 minut, 120 minut, 180 minut, 240 minut i 1380 minut. Analizy ilościowe wykonywano metodą GC, aparatem FOCUS firmy Thermo, wyposażonym w detektor płomieniowo-jonizacyjny i kolumnę kapilarną Rtx-WAX. W badanym zakresie czasów reakcji selektywności produktów głównych zmieniały się następująco: selektywność beta-felandrenu rosła od 0 do 2% mol, selektywność alfa-felandrenu malała od 7 do 2% mol, selektywność alfa-terpinenu rosła od 19 do 27% mol, selektywność gamma-terpinenu malała od 13 do 14% mol, selektywność p-cymenu rosła od 6 do 23% mol, selektywność alfa-terpinolenu malała od 39 do 25%, a selektywność izoterpinolenu rosła od 0 do 4% mol. W mieszaninie poreakcyjnej wykrywano jeszcze 2 dodatkowe produkty: izolimonen i menton, ich selektywność zmieniała się następująco: izolimonenu malała od 9 do 2% mol, a mentonu od 5 do 2% mol. Konwersja limonenu w miarę wydłużania czasu reakcji rosła od 2 do 74% mol.

PL 233 234 B1

P r z y k ł a d 3

Do reaktora szklanego o pojemości 25 cm³, który był zaopatrzony w chłodnicę zwrotną i mieszadło magnetyczne z funkcją grzania wprowadzano 5,000 g limonenu oraz 0,500 g katalizatora Ti-SBA-15. Reaktor umieszczano w łapie, a następnie zanurzano w łaźni olejowej i włączano mieszanie (500 obr/min). Proces izomeryzacji limonenu badano w temperaturze 150°C, przy zawartości katalizatora 10% wag. oraz dla następujących czasów reakcji: 30 minut, 60 minut, 90 minut, 120 minut, 180 minut, 240 minut i 1380 minut. Analizy ilościowe wykonywano metodą GC, aparatem FOCUS firmy Thermo, wyposażonym w detektor płomieniowo-jonizacyjny i kolumnę kapilarną Rtx-WAX. W badanym zakresie czasów reakcji selektywności produktów głównych zmieniały się następująco: selektywność beta-felandrenu wynosiła 0% mol, selektywność alfa-felandrenu wynosiła 0% mol, selektywność alfa-terpinenu malała od 25 do 11% mol, selektywność gamma-terpinenu malała od 15 do 7% mol, selektywność p-cymenu rosła od 6 do 35% mol, selektywność alfa-terpinolenu malała od 48 do 26%, a selektywność izoterpinolenu wynosiła 0% mol. W mieszaninie poreakcyjnej oznaczono jeszcze menton, którego selektywność rosła od 5 do 9% mol. Konwersja limonenu w miarę wydłużania czasu reakcji rosła od 3 do 41% mol.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób izomeryzacji limonenu w obecności katalizatora, pod ciśnieniem atmosferycznym, znamienny tym, że jako katalizator stosuje się katalizator tytanowo-silikalitowy Ti-SBA-15 w ilości 5-15% wagowy w mieszaninie reakcyjnej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się w temperaturze 140-160°C, w czasie od 0,5 do 23 godzin.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces prowadzi się stosując intensywność mieszania 500 obr/min.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do reaktora wprowadza się w pierwszej kolejności limonen, a później katalizator.