WO2009071786A1 - Procede de synthese de (meth)acrylates d'alcoxypolyalkylene glycols par transesterification - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un procédé de synthèse d'esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols par réaction de transestérification d'un (méth)acrylate d'alkyle léger et d'un alcoxypolyalkylène glycol en présence d'un catalyseur choisi dans la liste constituée des acétylacétonates de zirconium, de lithium ou de calcium, de l'oxyde de dibutylétain, de distannoxanes, et du carbonate de césium, utilisés seuls ou en mélange. Ce procédé est avantageusement mis en œuvre pour préparer des méthacrylates de méthoxypolyéthylène glycols (MAMPEG) de masse molaire allant d'environ 500 à environ 5000.
Description
PROCEDE DE SYNTHESE DE (METH)ACRYLATES D'ALCOXYPOLYALKYLENE GLYCOLS PAR TRANSESTERIFICATION
La présente invention concerne un procédé de synthèse de monomères (méth)acryliques de type esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols par réaction de transestérification entre un ester (méth)acrylique et un alcoxypolyalkylène glycol.
Dans la présente invention, le terme (méth)acrylique signifie acrylique ou méthacrylique.
De tels monomères possèdent des séquences hydrophiles-hydrophobes qui leur confèrent d'intéressantes propriétés pour la préparation de polymères utilisables dans des domaines variés tels que les épaississants, les dispersants ou les fluidifiants pour béton.
De nombreux brevets décrivent la synthèse des esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols par estérification directe entre, soit un acide (méth)acrylique, soit un anhydride (méth)acrylique, et un alcoxypolyalkylène glycol (US 4,384,096 ; FR 2 739 850).
Une autre voie de synthèse est relative à la transestérification qui est décrite, notamment dans les documents suivants :
La demande internationale WO 00/012576 décrit la réaction entre un (méth)acrylate d'alkyle et un monoalkyl éther de polyalkylène glycol catalysée par l'acide paratoluène sulfonique (APTS).
La demande de brevet JP 2002-338519 décrit l'utilisation des hydroxydes de Li, Na, K, des carbonates de Li, Na, des alcoolates type EtONa, des alcoolates de Ti comme catalyseurs de transestérification pour la synthèse de (méth)acrylates de polyalkylène glycol.
Le brevet US 4,916,255 revendique l'utilisation d'uns substance alcaline choisie parmi l'hydroxyde de lithium ou les alcoolates de lithium pour catalyser la synthèse de méthacrylates d'alcools porteurs de chaînons éthers.
La demande de brevet JP 2004-234877 décrit l'utilisation de titanate de tétraalkyle Ti(OR)4 avec R = méthyl, éthyle, isobutyle, butyle, comme catalyseur pour la synthèse des (méth)acrylates d'alcoxypolyalkylène glycols.
Le brevet US 6,040,473 décrit quant à lui pour la synthèse de ces monomères par transestérification, l'utilisation de l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 pris seul ou en mélange avec le chlorure de lithium.
Les différentes voies de synthèse des (méth)acrylates d'alcoxypolyalkylène glycols, en particulier la synthèse des méthacrylates de méthoxypolyéthylène glycols (généralement connus sous le terme de (MAMPEG) peuvent être résumées ainsi :
- Estérification : à partir d'acide méthacrylique (AMA) et de méthoxypolyéthylène glycol (MPEG): AMA + MPEG «• MAMPEG + eau à partir d'anhydride méthacrylique (AMA2O) : AMA2O + MPEG «• MAMPEG + AMA
- Transestérification : à partir de méthacrylate de méthyle (MAM) : MAM + MPEG «• MAMPEG + méthanol
Le choix de la voie de synthèse est fortement dépendant de la masse molaire du méthacrylate de méthoxypolyéthylène glycol (MAMPEG). Pour les MAMPEG de hautes masses moléculaires (tel que le MAMPEG 5000), la voie de l'estérification directe à partir d'anhydride méthacrylique (AMA2O) a été souvent privilégiée, sa mise en œuvre nécessitant de disposer simplement d'un réacteur agité chauffé. Cependant, si le poids de I1AMA2O sur le coût des matières premières est relativement modeste pour le MAMPEG 5000, il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit de MAMPEG de masse molaire plus faible, en particulier pour le MAMPEG 2000, et ses homologues inférieurs. II apparaît donc préférable d'envisager une voie de synthèse par estérification directe à partir d'acide méthacrylique ou une voie de synthèse par transestérification.
La transestérification se heurte généralement à des problèmes de réactivité des alcools MPEG, traduits par un mauvais taux de conversion et une durée de mise en réaction importante, avec de ce fait risque de polymérisation. L'estérification directe, quant à elle, met en œuvre des catalyseurs acides du type acide sulfurique, très corrosifs. En présence de ces catalyseurs,
on observe en outre des coupures des chaînons polyéthoxylés au niveau des ponts éthers. Il en résulte une augmentation de la polydispersité avec réduction des masses moléculaires. Les installations doivent pouvoir résister à la corrosion, ce qui nécessite l'emploi de réacteurs émaillés ou vitrifiés très sensibles aux chocs. La coloration des produits préparés par estérification est aussi plus marquée.
La Société Déposante a maintenant découvert qu'en préparant les méthacrylates de méthoxypolyéthylène glycols par transestérification avec un catalyseur spécifique, il est possible de remédier aux différents inconvénients précités, notamment en termes de taux de conversion et de coût.
La présente invention a donc pour objet un procédé de synthèse d'esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols de formule (I) :
AO est (CH2-CH2O) ou (CH2-CH(CH3)O, seuls ou en mélange, les motifs pouvant être répartis sous forme bloc ou statistique, n varie entre 2 et 250,
R3 est un radical alkyle linéaire ou ramifié, pouvant comporter des insaturations, comportant de 1 à 6 atomes de carbone, par réaction d'un (méth)acrylate d'alkyle de formule (II) :
R3-O(AO)nH (III) dans laquelle R3 , AO et n ont les significations précitées,
en présence d'un catalyseur de transestérification caractérisé en ce que le catalyseur est choisi dans la liste constituée des acétylacétonates de zirconium, de lithium ou de calcium, de l'oxyde de dibutylétain, de distannoxanes, et du carbonate de césium, utilisés seuls ou en mélange. Les catalyseurs utilisés dans le procédé selon l'invention présentent l'avantage d'être très actifs, conduisant ainsi à peu d'alcool résiduel, tout en étant sélectifs. L'utilisation de l'acétylacétonate de zirconium permet en outre d'obtenir des (méth)acrylates d'alcoxypolyalkylène glycols, tels que les MAMPEG, peu colorés. Comme composés de départ de formule (II), on peut citer le
(méth)acrylate de méthyle, le (méth)acrylate d'éthyle ou le (méth)acrylate de butyle, plus particulièrement le méthacrylate de méthyle.
Dans la formule (III) de l'alcool de départ, R3 est avantageusement un radical méthyl, éthyl, propyl, butyl ou allyl. De préférence, on utilise un méthoxypolyalkylène glycol.
De préférence, AO est un motif dérivé de l'oxyde d'éthylène, -CH2-CH2O-
Avantageusement, le nombre n varie de 2 à 100, en particulier de 2 à 50.
Les alcoxypolyalkylène glycols sont avantageusement des composés de masse molaire inférieure ou égale à environ 10000, plus particulièrement de masse allant d'environ 500 à environ 5000, de préférence allant d'environ 500 à environ 2000. On peut citer les alcoxypolyéthylène glycols, et plus particulièrement les méthoxypolyéthylène glycols MPEG 500, 750, 1000, 2000, 5000 commercialisés par exemple par BASF sous la marque Pluriol A, par INEOS ou CLARIANT sous la marque POLYGLYKOL M 250, 350, 500, 750, 1100, 2000, 5000.
Dans le cadre de la présente invention, les masses molaires sont des masses moyennes en poids, la fabrication des polyalkylène glycols conduisant à une répartition de composés de différentes masses molaires selon une distribution de Gauss. Les catalyseurs utilisables dans le procédé selon l'invention sont l'acétylacétonate de zirconium (ZrAcac), l'acétylacétonate de lithium (LiAcac), l'acétylacétonate de calcium (CaAcac), l'oxyde de dibutylétain (DBTO), les
distannoxanes de formule A2XSnOSnXA2 dans laquelle A est un radical alkyl de Ci à Cs et X est Cl ou OB, B étant CH3 ou OCOCH3 , tel que par exemple le tétrabutyldichloro distannoxane, ou le carbonate de césium (Cs2CO3). Ils peuvent être utilisés seuls ou en mélange à raison de 0,01 mole à 0,1 mole par mole d'alcool (III) de départ, de préférence de 0,05 mole à 0,1 mole par mole d'alcool (III).
Les catalyseurs préférés sont l'acétylacétonate de zirconium ou de lithium ou le tétrabutyldichloro distannoxane.
L'ester léger de type (méth)acrylate d'alkyle de formule (II) est utilisé en excès molaire par rapport à l'alcoxypolyalkylène glycol (III). Le rapport molaire entre (II) et (II) est généralement compris entre 1 et 20, et préférentiellement entre 5 et 10.
Le (méth)acrylate d'alkyle (II) en excès est, ou non, éliminé par distillation en fin de réaction. L'alcoxypolyalkylène glycol (III) se présente généralement sous forme pur, il peut être en solution dans l'ester léger (II). Il peut aussi être mis en solution dans l'eau après avoir éliminé l'excès d'ester léger (II).
La réaction de transestérification est généralement réalisée à une température allant de 800C à 1300C, et la pression est généralement maintenue entre 0,025 bar et la pression atmosphérique. De préférence, la température de réaction varie de 90°C à 1200C. et la pression est de l'ordre de 0,5 bar à la pression atmosphérique.
La réaction de transestérification génère la formation d'un alcool léger R2OH. La réaction se fait en déplaçant l'équilibre par distillation de l'alcool léger
R2OH au fur et à mesure de sa formation sous forme d'un azéotrope ester léger (II) / R2OH.
L'ajout d'un solvant formant un azéotrope à minima avec l'alcool léger
R2OH est aussi possible. Parmi les solvants utilisables, on peut citer de manière non limitative, l'hexane, l'heptane, le méthylcyclohexane, le toluène.
Dans ce cas, l'alcool R2OH est distillé sous forme d'un azéotrope solvant/R2OH.
La synthèse des (méth)acrylates d'alcoxypolyéthylène glycols selon le procédé selon l'invention est effectuée en présence d'un ou plusieurs inhibiteurs de polymérisation choisis parmi les composés bien connus de l'homme de l'art, notamment l'hydroquinone, l'éther monométhylique d'hydroquinone, la phénothiazine, le diterbutyl para-crésol (BHT), la paraphénylène diamine, le TEMPO (2,2,6,6-tétraméthyl-1-piperidinyloxy), le di- tertiobutylcatéchol (BHT), ou les dérivés du TEMPO, pris seuls ou en mélange, à raison de 100 à 5000 ppm par rapport à la charge initiale, de préférence entre
500 et 3000 ppm par rapport au mélange des réactifs. Un bullage d'air, préférentiellement d'air appauvri (8% O2 en volume), est effectué avantageusement durant toute la durée de la synthèse, au cœur du mélange réactionnel.
Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en œuvre pour préparer des méthacrylates de méthoxypolyéthylène glycols (MAMPEG) de masse molaire allant d'environ 500 à environ 5000, de préférence allant d'environ 500 à environ 2000.
Les (méth)acrylates d'alcoxypolyalkylène glycols pouvant être obtenus selon le procédé de l'invention sont avantageusement utilisés pour préparer des additifs tels que dispersants, épaississants ou fluidifiants.
Les exemples ci-après illustrent la présente invention sans toutefois en limiter la portée.
EXEMPLES
Les pourcentages sont exprimés en pourcentages massiques. Les abréviations suivantes sont utilisées :
MAM : méthacrylate de méthyle
MPEG : méthoxypolyéthylène glycol
MAMPEG : méthacrylate de méthoxypolyéthylène glycol
BHT : ditertiobutylparacrésol EMHQ : éther méthylique d'hydroquinone
Exemple 1 :
Dans un réacteur agité, chauffé par circulation d'huile thermostatée dans une double enveloppe, surmonté d'une colonne à distiller remplie de garnissage Multiknit, avec condenseur de tête, séparateur à vide, recettes et pièges, on charge : - 403g (0,2 mole) de PLURIOL® A2030E de BASF (MPEG de masse molaire environ 2000), préalablement fondu en étuve à 700C
- 400g de MAM
- 0,8g de BHT - 0,8g d'EMHQ Un bullage d'air est maintenu au cœur du milieu réactionnel durant toute la durée de la synthèse. Le mélange réactionnel est séché en distillant l'eau sous forme d'un azéotrope MAM/eau. On récupère ainsi 108g d'une fraction de tête.
Le séchage est effectué à pression atmosphérique à une température du réacteur comprise entre 95°C et 1000C. Après séchage on ajoute 108g de MAM dans le réacteur et on introduit 0,86g d'acétylacétonate de zirconium (0,09 mole/mole MPEG).
Le mélange réactionnel est chauffé sous pression atmosphérique à une température comprise entre 106-1070C.
La température en tête de colonne est de 65-66°C. Le méthanol formé est distillé au fur et à mesure de sa formation sous forme d'un azéotrope
MAM/méthanol. Après 3h de mise en réaction, celle-ci est terminée et il n'y a plus de méthanol qui se forme.
Le brut se présente sous forme d'une solution jaune limpide.
Après refroidissement vers 700C, on introduit 400g d'eau dans le réacteur puis on distille l'excès de MAM sous forme d'un azéotrope MAM/eau. La distillation de l'excès de MAM est terminée lorsqu'on à une température en tête de colonne qui correspond à celle de l'eau pure.
Le brut final (MAMPEG en solution dans l'eau, 658g à 37,9%) se présente sous la forme d'un liquide peu coloré. Après filtration sur filtre cellulose, le produit est parfaitement limpide.
L'analyse RMN du produit final révèle une conversion totale de l'alcool MPEG.
Exemple 2 :
Dans l'appareillage décrit dans l'exemple 1 , on charge :
- 400g de PLURIOL A 2030 E préalablement fondu en étuve à 700C
- 300g de MAM - 0,8g de BHT
- 0,8g d'EMHQ
Un bullage d'air est maintenu au cœur du milieu réactionnel durant toute la durée de la synthèse. Après séchage tel que décrit à l'exemplei , on introduit 4.9g de carbonate de césium et on effectue la réaction à pression atmosphérique à une température comprise entre 100 et 1200C. Après 6h de mise en réaction le taux de conversion du MPEG mesuré d'après la quantité de méthanol distillé est d'environ 98%. Le brut non épuisé du MAM résiduel se présente à chaud sous forme d'un liquide brun.
Exemple 3 :
L'exemple 2 est repris en utilisant de l'acétylacétonate de lithium comme catalyseur de transestérification, au lieu de l'acétylacétonate de zirconium (0,08 mole/ mole MPEG).
Après 11 h de mise en réaction on obtient un taux de conversion du MPEG de 78%.
Exemple 4 :
L'exemple 2 est repris en utilisant de l'oxyde de dibutylétain (DBTO) comme catalyseur (3,8g soit 0,08 mole/mole MPEG). Après 5h de mise en réaction le taux de conversion du MPEG est de 87%
Exemple 5 :
Dans l'appareillage décrit à l'exemplei , on charge :
- 200g de PLURIOL A 500E - BASF (méthoxypolyéthylène glycol de masse molaire 500)
- 400g de MAM
- 0,6g BHT
- 0,6g EMHQ
Un bullage d'air est maintenu au cœur du milieu réactionnel durant toute la durée de la synthèse. Après séchage par élimination de l'eau présente dans le mélange de réactifs par distillation, on introduit 1 ,7g d'acétylacétonate de zirconium et un complément de MAM correspondant à celui distillé dans la fraction de séchage.
Le méthanol généré à la réaction est éliminé au fur et à mesure de sa formation. Le MAM résiduel est ensuite éliminé par distillation. On obtient en final 245g de brut dont la composition massique déterminée par RMN est la suivante : MAMPEG 500 92% - MPEG500 6% - MAM résiduel 2%.
Exemples 6 à 16 :
Une batterie de tubes chauffés électriquement à une température de 105-1100C a été utilisée pour effectuer la réaction entre le MAM et le MPEG 2000 (PLURIOL® A2030E) dans un rapport molaire 15/1 , en présence d'inhibiteurs
BHT/EMHQ dans les proportions 2000 ppm / 2000 ppm pendant une durée de
24h. Différents catalyseurs ont été testés à raison de 7,5 10~2 mole par mole d'alcool.
Les échantillons bruts ont été analysés par RMN et l'efficacité des catalyseurs a été déterminée à partir de la teneur en MPEG 2000 résiduel.
Les résultats sont rassemblés dans le tableau ci-après.
Exemple 17 (comparatif):
Dans un réacteur agité, le couple de catalyseurs LiCI/Ca(OH)2 tel que décrit dans le brevet US 6,040,473 a été testé à raison de 0,075 mole par mole d'alcool, avec un rapport molaire MAM/MPEG 2000 de 15/1 , à une température comprise entre 1100C et 1200C et en présence de BHT/EMHQ de 1000/1000 ppm.
Après 5 h de réaction, on a obtenu un brut final très coloré en mauve à l'état solide contenant encore une forte proportion (85 %) de MPEG résiduel.
Claims
1. Procédé de synthèse d'esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols de formule (I) :
Ri est un atome d'hydrogène ou un groupement méthyle, AO est (CH2-CH2O) ou (CH2-CH(CH3)O, seuls ou en mélange, les motifs pouvant être répartis sous forme bloc ou statistique, n varie entre 2 et 250,
R3 est un radical alkyle linéaire ou ramifié, pouvant comporter des insaturations, comportant de 1 à 6 atomes de carbone, par réaction d'un (méth)acrylate d'alkyle de formule (II) :
R3-O(AO)nH (III) dans laquelle R3 , AO et n ont les significations précitées, en présence d'un catalyseur de transestérification caractérisé en ce que le catalyseur est choisi dans la liste constituée des acétylacétonates de zirconium, de lithium ou de calcium, de l'oxyde de dibutylétain, de distannoxanes, et du carbonate de césium, utilisés seuls ou en mélange.
2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'alcoxypolyalkylène glycol (III) a une masse molaire inférieure ou égale à environ 10000, de préférence allant d'environ 500 à environ 5000.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'alcoxypolyalkylène glycol (III) est un alcoxypolyéthylène glycol, de préférence un méthoxypolyéthylène glycol.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en que le catalyseur est mis en œuvre à raison de 0,01 mole à 0,1 mole par mole d'alcool (III).
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour préparer un méthacrylate de méthoxypolyéthylène glycol.
6. Utilisation des esters (méth)acryliques d'alcoxypolyalkylène glycols de formule (I) obtenus selon le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour préparer des additifs tels que dispersants, épaississants ou fluidifiants.
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