MX2015005292A - Esterificacion mediada por alcohol de acidos carboxilicos con carbonatos. - Google Patents

Abstract

Se describe un proceso para preparar ésteres a partir de ácidos orgánicos haciendo reaccionar un ácido carboxílico con un carbonato de dialquilo en un disolvente que contiene alcohol sin ningún catalizador ácido o básico. Un beneficio del proceso de preparación es que puede hacer que la separación y la extracción de productos que son ésteres sean más simples y más fáciles en comparación con las técnicas de aislamiento convencionales.

Description

ESTERIFICACIÓN MEDIADA POR ALCOHOL DE ÁCIDOS CARBOXÍLICOS CON CARBONATOS REIVINDICACIÓN DE PRIORIDAD La presente Solicitud reivindica el beneficio de prioridad de la Solicitud Provisional de EE. UU. N.° 61/719.537, presentada el 29 de octubre de 2012, cuyo contenido se incorpora a la presente.

CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un proceso químico para preparar ásteres a partir de ácidos orgánicos. En particular, la invención se refiere a reacciones de ácidos carboxílicos con carbonatos en un disolvente para producir ásteres.

ANTECEDENTES Los ásteres son una clase importante de compuestos que desempeñan diversas funciones en todas las áreas de la química orgánica sintética. Los métodos generales para preparar ásteres parten de ácidos carboxílicos que se condensan directamente con alcohol utilizando una catálisis ácida (esterificación de Fischer). Estos métodos de esterificación previos, a pesar de su utilidad, presentan varios inconvenientes medioambientales. La esterificación de Fischer es un proceso en equilibrio normalmente catalizado por ácidos minerales, corrosivos y fuertes (p. ej., pKa <0). El agua generada en la reacción se ha de eliminar de forma continua por destilación azeotrópica o utilizando un agente deshidratante o su efecto se puede compensar utilizando un gran exceso de alcohol. Los alcoholes utilizados habitualmente, tales como metanol y etanol, pueden generar sulfatos de alquilo genotóxicos. La acilación y alquilación son inherentemente contaminantes debido a la generación de sales, el uso de catalizadores y reactivos tóxicos, y el uso de disolventes clorados.

En los últimos años, los químicos han investigado otras estrategias para la preparación de ésteres que puedan ser menos contaminantes y más ecológicas. El carbonato de dimetilo (DMC) ha cobrado relevancia como reactivo "verde" (ecológico), ya sea en la metilación catalizada por ácidos o bases, o la metoxicarbonilación de anilinas, fenoles, compuestos metilénicos activos y ácidos carboxílicos. El atractivo de DMC radica en que es atóxico y solamente genera CO2 y metanol (recuperable) como subproductos.

Varios grupos han sugerido estrategias diferentes de empleo de DMC en la metilación catalizada por bases o la metoxicarbonilación de anilinas, fenoles, compuestos metilénicos activos y ácidos carboxílicos. Otros han sugerido un proceso quimioselectivo para la esterificación de ácidos carboxílicos en condiciones suaves (~80-90 °C) y sin disolvente utilizando DMC y carbonato de dietilo (DEC) con catálisis ácida (remítase a, Vamsi V. Rekha et al . , "A Simple, Efficient, Green, Cost Effective and Chemoselective Process for the Esterification of Carboxylic Acids", Organic Process Research & Development, Vol.13, N.° 4, 769-773 (2009)). El proceso requiere el uso de ácidos fuertes (es decir, pKa <0), tales como H2SO4 o el ácido p-toluenosulfónico (PTSA), o ácidos débiles, tales como el ácido m-toluico (MTA), lo cual requiere un paso de neutralización posterior antes de la purificación.

Otro problema de las reacciones de esterificación de ácidos orgánicos con DMC actuales es que normalmente se llevan a cabo en dimetilformamida (DMF) y esto puede suponer un problema en el procesamiento posterior y la purificación después de la sintesis, debido al alto punto de ebullición de la DMF (p. ej., ~153 °C) y a su tendencia a descomponerse con el tiempo, lo cual puede hacer que se forme dimetilamina reactiva y extremadamente tóxica. Esta contaminación de los productos correspondientes a los ésteres deseados puede ser costosa y dañina.

En vista de los inconvenientes anteriores, se necesita un proceso de esterificación nuevo que pueda eliminar o minimizar los problemas asociados con las reacciones de esterificación que dependen de un catalizador extrínseco.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN La presente invención proporciona un método para preparar ésteres. El método implica la reacción de un ácido orgánico con un carbonato de dialquilo en presencia de un disolvente que contiene alcohol y sin una especie catalizadora ácida o básica extrínseca. El método comprende además aislar los ésteres correspondientes. El ácido orgánico es un ácido mono-, di- o tricarboxílico, o una combinación de tales ácidos orgánicos. El disolvente está compuesto por un alcohol, una mezcla de alcoholes diferentes o una combinación de un alcohol y una especie no alcohólica. El alcohol actúa como agente mediador en la reacción entre el carbonato de dialquilo y el ácido orgánico. No hay ningún catalizador ácido ni básico extrínseco presente, ya que la nucleofilia inherente del alcohol controla la síntesis del áster. Dependiendo de las especies que reaccionen, se pueden producir monoésteres, diésteres o triésteres de forma independiente o mezclas de estos en diferentes combinaciones.

En otro aspecto, la presente invención se refiere a un compuesto que es un áster formado a partir de la reacción de un ácido carboxílico con un carbonato en un disolvente que contiene alcohol sin que esté presente un catalizador ácido o básico.

Otras características y ventajas de los métodos de la presente se describirán en la siguiente descripción detallada. Se sobreentiende que tanto el compendio anterior como la siguiente descripción detallada y los ejemplos son meramente representativos de la invención, y su propósito es proporcionar una descripción general para comprender la invención tal como se reivindica.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La FIG. 1 es una ilustración de una reacción de esterificación de acuerdo con una versión del proceso de la presente.

La FIG.2 es una ilustración de un paso limitante de la velocidad para la metátesis del carbonato in situ.

La FIG. 3 muestra un conjunto de reacciones de esterificación en las que se hacen reaccionar varios ácidos carboxilicos con carbonato de metilo en metanol, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La FIG. 4 muestra un conjunto de reacciones de esterificación en las que se hacen reaccionar varios ácidos carboxilicos con carbonato de dietilo en etanol, de acuerdo con una realización de la presente invención.

La FIG. 5 muestra un conjunto comparativo de reacciones de esterificación en las que se hace reaccionar el ácido levulinico en carbonatos solos sin un disolvente alcohólico. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Sección I - Descripción En la presente exposición, describimos un método eficaz y sencillo para preparar ésteres a partir de ácidos orgánicos utilizando carbonatos de dialquilo atóxicos ecológicos o denominados "verdes" (p. ej., carbonatos de dimetilo o dietilo) en un disolvente alcohólico (p. ej., metanol o etanol). El proceso para la sintesis de ésteres implica una reacción mediada por alcohol entre un ácido orgánico y un carbonato sin que esté presente un catalizador ácido o básico extrínseco, que se lleva a cabo en tiempos de reacción relativamente cortos. Esta estrategia no tiene precedentes ya que no se necesita ningún catalizador ácido o básico extrínseco adicional para llevar a cabo la esterificación. La esterificación de un ácido orgánico con un carbonato de dialquilo de acuerdo con el proceso de la presente genera unas tasas de conversión altas (p. ej., > 50%) del ácido orgánico en sus correspondientes ésteres alquílicos del ácido orgánico con un rendimiento relativamente alto (p. ej., ³ 35%). Los ésteres alquílicos se pueden aislar fácilmente de la mezcla de reacción sin requerir neutralización, tal como por medio de al menos una destilación fraccionada, cromatografía o ambas. Este proceso se efectúa con una producción de una cantidad mínima de productos secundarios.

Sin que ello suponga ceñirse a ninguna teoría, la Figura 1 presenta una ilustración de un mecanismo no limitante propuesto para la reacción de esterificación de la presente. En el mecanismo propuesto, el ácido orgánico desempeña una función doble en la reacción. El propio ácido orgánico sirve, en primer lugar, para activar el carbonato y, en segundo lugar, actúa como reactivo químico. La autocatálisis del ácido orgánico permite prescindir de un catalizador externo. Además, el mecanismo muestra que un disolvente/codisolvente alcohólico actúa como reactivo en el paso irreversible de descomposición de la supuesta estructura de anhídrido que da lugar a la formación del producto y CO2.

En general, las reacciones de esterificación de la presente aprovechan la solvólisis, en la que el disolvente actúa como reactivo, impulsando el avance de la reacción en virtud de su gran exceso. Para que la esterificación se efectúe de acuerdo con el proceso de la presente, el disolvente de la reacción es un alcohol. Las reacciones solvolíticas implican sustituciones nucleófilas (es decir, reacciones en las que se reemplaza un átomo o un grupo de átomos en una molécula por otro átomo o grupo de átomos), en las que los disolventes ricos en electrones actúan como nucleófilos que se adicionan a grupos o moléculas pequeñas del sustrato y luego fuerzan su eliminación.

A diferencia de las reacciones de esterificación convencionales, en el método de la presente, el disolvente que contiene alcohol no funciona de acuerdo con los mecanismos de sustitución nucleófila tradicionales en los que el sustituyente R del alcohol desplaza directamente a un grupo saliente. Sin que ello suponga ceñirse a ninguna teoría, la Figura 2 ilustra un supuesto paso limitante de la velocidad de la reacción de esterificación de la presente, que implica la generación in situ de carbonatos de alquilo a partir de carbonatos de dialquilo mediante un proceso de metátesis, en el que se forma un éster de un anhídrido. Esta especie intermedia transitoria se descompone rápidamente en una conversión intramolecular en presencia de alcohol para obtener el éster alquílico correspondiente con la liberación de CO2 y un equivalente molar de alcohol. El carbonato metatesizado con el disolvente es el producto favorecido estadísticamente.

Este resultado sugiere que la especie alcohólica controla la formación del éster a través de la descomposición del intermedio anhídrido, no del propio carbonato, ya que cualquier carbonato del que se parta se alterará dependiendo de qué tipo de alcohol se utilice. En general, cuando se hacen reaccionar ácidos carboxílicos con un carbonato de dialquilo en un alcohol alquílico correspondiente, el grupo alquilo del alcohol parece controlar qué especie de éster se genera. Por ejemplo, cuando el grupo alquilo del carbonato de dialquilo sea diferente al del alcohol (p. ej., DMC con etanol), el éster resultante tendrá predominantemente grupos alquilo similares a los del alcohol (es decir, éster dietílico). Por tanto, la presencia de un disolvente que contiene alcohol es importante para este proceso. La reacción de esterificación puede ser controlada por un disolvente alcohólico solo o por un disolvente mixto que contenga un alcohol y una especie no alcohólica, y no requiere ningún catalizador ácido o básico extrínseco.

Aparentemente, una cantidad mayor de alcohol en exceso respecto a la cantidad de carbonato en una reacción ayudará a hacer que la esterificación finalice. Por ende, en ciertas realizaciones, la cantidad de alcohol presente es un exceso que es aproximadamente 1.5-3 veces superior a la cantidad estequiométrica de carbonato. En otras realizaciones, la cantidad de alcohol utilizada es un exceso que es aproximadamente 2-4 veces, o con preferencia aproximadamente 5-7 o 10 veces, superior a la cantidad estequiométrica de carbonato.

La cantidad estequiométrica de carbonato utilizada en la reacción debe ser en equivalentes en exceso respecto al número de grupos carboxilicos del ácido orgánico. Como mínimo, la cantidad de carbonato debería ser de aproximadamente 1.5 o 2 equivalentes por grupo carboxilo. Normalmente, la cantidad de carbonato es mayor o igual a aproximadamente 2.5 equivalentes, más habitualmente está comprendida entre aproximadamente 3 y aproximadamente 5 o 7 equivalentes, por grupo carboxilo.

La reacción de esterificación del ácido carboxílico con carbonato de dialquilo de la presente se lleva a cabo normalmente en fase líquida, en un disolvente que contiene alcohol. La cantidad particular de alcohol y la especie de alcohol pueden variar. El disolvente puede estar compuesto íntegramente (es decir, un 100%) por un alcohol o una mezcla de alcoholes diferentes, o puede comprender una mezcla de un alcohol y una especie no alcohólica (p. ej., una mezcla de alcohol y CO2 o carbonato, que puede generar in situ un reactivo activo). Se necesita una cierta cantidad de la especie alcohólica en el disolvente para perpetuar unos rendimientos más altos de los di-/monoésteres correspondientes. La concentración de alcohol en el disolvente debería estar comprendida entre al menos aproximadamente un 5% y aproximadamente un 10% en peso de la solución.

Un disolvente mixto constituido por un alcohol y una especie no alcohólica puede generar un buen rendimiento de los ésteres. El componente no alcohólico del disolvente puede incluir un disolvente orgánico, tal como: carbonato/CC>2, dimetilformamida (DMF), sulfóxido de dimetilo (DMSO), acetonitrilo, tetrahidrofurano (THF), acetona, W-metil-2-pirrolidona (NMP), cloroformo, acetato de etilo, siempre que los ácidos orgánicos sean al menos parcialmente solubles en ellos a las temperaturas de la reacción.

Por ejemplo, cuando se utiliza un disolvente mixto o un sistema mezclado de DMF/alcohol, tal como metanol, en una proporción 1:1, tal como en los Ejemplos 7 y 20 de la Tabla 3, la mezcla del disolvente mixto puede ayudar a incrementar la solubilidad del sustrato para las especies de carbonato que tienen un peso molecular alto. En otro ejemplo, se prepara una mezcla de reacción con CO2 y metanol con un catalizador heterogéneo para generar un producto de reacción que contenga DMC y metanol. Este producto de reacción puede formar parte de un sistema de reactivos autónomo y rentable, y permite prescindir de la necesidad de sintetizar DMC puro (para consultar más información sobre este proceso de conversión de CO2 y metanol en DMC, remítase a: Michael A. Pacheco, et al . , "Review of Dimethyl Carbonate (DMC) Manufacture and Its Characteristics as a Fuel Additive", Energy & Fuels 1997, 11, 2-19; Masayoshi Honda, et al . , "Catalytic Synthesis of Dialkyl Carbonate from Low Press ure CO2 and Alcohols Comblned with Acetonitrile Hydration Catalyzed by CeOå", Catalysis A: General 384 (2010) 165-170; o Masayoshi Honda, et al . , "Ceria-Catalyzed Conversión of Carbón Dioxide into Dimethyl Carbonate with 2-Cyanopyridine" , ChemSUSChem, v.6, edición 8, págs.1341-1344, agosto de 2013, el contenido de cada uno de estos documentos se incorpora a la presente por referencia).

Cualquier alcohol líquido con grupos R que contenga de 1 a 12 carbonos o más puede servir de disolvente (reactivo). Los grupos R pueden estar saturados, insaturados o ser aromáticos. Los alcoholes tales como el metanol, etanol, propanol o butanol son más típicos debido a su amplia disponibilidad, bajo costo y simplicidad mecanística en la reacción de esterificación. La Tabla 1 muestra ejemplos no limitantes de algunos alcoholes insaturados y aromáticos, que representan especies alternativas incluidas sus diferentes permutaciones y derivados. Estos alcoholes alquénicos, alquínicos y aromáticos se pueden adquirir de proveedores comerciales y su costo es relativamente bajo.

Tabla 1. - Alcoholes insaturados y aromáticos La elección particular de una especie alcohólica puede determinar el tipo de especie de éster que se genere. En ciertas realizaciones, el alcohol puede tener un grupo R diferente al del grupo alquilo del carbonato de dialquilo. Por ejemplo, cuando el grupo alquilo del carbonato de dialquilo es un grupo metilo y el alcohol es un grupo etilo. Como alternativa, la especie alcohólica puede tener un grupo R con un número de átomos de carbono idéntico al del carbonato de dialquilo, tal como la reacción de etanol con carbonato de dietilo.

Se pueden utilizar diferentes especies de carbonato de alquilo en la reacción de esterificación de acuerdo con el proceso de la presente. El grupo alquilo del carbonato de dialquilo puede contener cualquier número de átomos de carbono, por ejemplo, de 1 o 2 a 18 o 20 átomos de carbono, normalmente entre 1 y 15 átomos de carbono, más normalmente entre 1 y 10 átomos de carbono. Preferentemente, el grupo alquilo contiene de 1 a 6 átomos de carbono. El grupo alquilo puede ser, por ejemplo, metilo, etilo, n-propilo, isopropilo, n-butilo, isobutilo, pentilo, isopentilo, hexilo o isohexilo. Preferentemente, el alquilo es metilo o etilo. La Tabla 2 proporciona ejemplos no limitantes de especies de carbonato de dialquilo habituales, tales como carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo (DPC) o carbonato de dibutilo (DBC), y sus pesos moleculares y puntos de ebullición respectivos. Debido a su costo, amplia disponibilidad y fácil manipulación, el carbonato de dimetilo o el carbonato de dietilo son las especies de carbonato empleadas habitualmente, pero también se pueden utilizar otras especies de carbonato de dialquilo.

Tabla 2. - Carbonatos Se pueden utilizar varios ácidos orgánicos diferentes, por ejemplo, seleccionados entre: a) ácidos monocarboxílíeos: ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido láctico, ácido butírico, ácido isobutírico, ácido valérico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, ácido decanoico, ácido láurico, ácido mirístico y ácidos grasos C14-C18; b) ácidos dicarboxílicos: ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), ácido fumárico, ácido itacónico, ácido málico, ácido succínico, ácido maleico, ácido malónico, ácido glutárico, ácido glucárico, ácido oxálico, ácido adípico, ácido pimélico, ácido subérico, ácido azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácido glutacónico, ácido orto-itálico, ácido isoftálico, ácido tereftálico; o c) ácidos tricarboxílíeos: ácido cítrico, ácido isocítrico, ácido aconítico, ácido tricarbalílico y ácido trimésico. Deseablemente, el ácido orgánico es un ácido dicarboxílico o tricarboxílico . En ciertas realizaciones preferidas, el ácido carboxílico se puede seleccionar entre uno o más de los siguientes: ácido succínico, ácido málico, ácido cítrico, ácido levulínico o ácido adípico. Tal como se utiliza en la presente, un ácido orgánico puede ser un ácido carboxílico o un aminoácido.

La cantidad de reactivos utilizada en cada reacción se ajusta para satisfacer las necesidades de los diferentes ácidos orgánicos. Dicho de otro modo, un monoácido necesitará un equivalente de reactivos, mientras que un diácido utilizará dos equivalentes y un triácido utilizará tres equivalentes.

Normalmente, las reacciones se llevan a cabo durante un periodo que no supere aproximadamente 24 horas, normalmente que no supere aproximadamente 10 o 12 horas, o preferentemente durante un periodo de aproximadamente 6 u 8 horas, y más preferentemente durante un periodo de aproximadamente 4 o 5 horas. Por aproximadamente cada hora de incremento en la duración de la reacción, la cantidad obtenida de éster como producto puede mejorar aproximadamente un 5-10%.

Las temperaturas a las cuales se lleva a cabo la reacción de esterificación puede variar considerablemente, pero normalmente la temperatura de la reacción está comprendida en un rango de entre aproximadamente 130 °C y aproximadamente 230 °C, dependiendo de las especies de ácido orgánico y carbonato de dialquilo que se utilicen en la reacción, en una atmósfera inerte tal como N2. Normalmente, la temperatura está comprendida en un rango de entre aproximadamente 140 °C o 150 °C y aproximadamente 215 °C o 220 °C. En ciertas realizaciones, el ácido carboxilico y el carbonato se hacen reaccionar a una temperatura comprendida entre aproximadamente 150 °C o 160 °C y aproximadamente 208 °C o 215 °C. Los ejemplos particulares implican reacciones a una temperatura comprendida entre aproximadamente 165 °C o 168 °C y aproximadamente 205 °C o 212 °C. En otros ejemplos, la temperatura está comprendida entre aproximadamente 170 °C o 175 °C y aproximadamente 200 °C o 210 °C; y en particular entre aproximadamente 180 °C o 185 °C y aproximadamente 190 °C o 195 °C.

Debido a que las temperaturas requeridas para obtener buenos resultados en tiempos de reacción razonables desde un punto de vista industrial son generalmente superiores a 120 °C y debido a que el carbonato de dialquilo (p. ej., DMC, DEC, DPC, DBC) hierve en tales rangos de temperatura, las reacciones de alquilación se llevan a cabo en un aparato capaz de soportar las presiones requeridas.

Las presiones a las que se lleva a cabo la reacción tienden a variar de forma similar. Las presiones atmosféricas y superatmosféricas se aplican generalmente, dependiendo de la presión de vapor del disolvente particular a una temperatura particular en el rango de temperatura operativa. Normalmente, la presión está comprendida en un rango de entre aproximadamente 145 psi y aproximadamente 950 psi; más normalmente entre aproximadamente 150 psi o 155 psi y aproximadamente 900 psi o 920 psi (presión nanométrica). En ciertos ejemplos, la presión está comprendida entre aproximadamente 160 psi y aproximadamente 650 psi o entre aproximadamente 180 psi y aproximadamente 620 psi. Por ejemplo, la presión de vapor del metanol es de aproximadamente o 293.9 psi o 587.8 psi, respectivamente, a aproximadamente 167.8 °C o 203.5 °C. El etanol, por ejemplo, tiene una presión de vapor de aproximadamente 295 psi y 580 psi, respectivamente, a aproximadamente 185 °C y 212 °C.

De acuerdo con el proceso de la presente, se puede conseguir una conversión de al menos un 50% de un ácido carboxílico particular en sus mono-, di- o triésteres correspondientes. Normalmente, la tasa de conversión del ácido es de al menos aproximadamente un 55%. Más normalmente, la tasa de conversión del ácido está comprendida entre aproximadamente un 60% y aproximadamente un 100%. Idealmente, se puede conseguir una conversión de al menos un 70%. En algunas reacciones, al menos un 50% del ácido orgánico se convierte en un rendimiento combinado de monoésteres y diésteres. Habitualmente, la tasa de conversión combinada de los monoésteres y diésteres es mayor o igual a aproximadamente un 65%. Con optimización, se pueden conseguir conversiones completas de los ácidos carboxilicos en sus mono- y/o diésteres correspondientes en las condiciones de reacción. La reacción se puede llevar a cabo en un proceso de reacción ya sea continuo o discontinuo.

Una ventaja principal del método de esterificación de la presente se deriva de la posibilidad de prescindir del catalizador añadido para conseguir conversiones completas del ácido o éster. Un corolario de este beneficio es la simplificación del proceso de separación posterior para los productos de reacción en comparación con las téenicas convencionales. Se puede eliminar un paso posterior de ajuste del pH que suele ser necesario antes de la purificación. Es más, al prescindir de un catalizador ácido o alcalino extrínseco en el proceso sintético de la presente, no es necesario preocuparse por los efectos de ácidos o bases que estén presentes en las columnas de destilación y se puede recielar el producto del fondo de destilación de nuevo en la reacción.

Los ésteres de ácidos orgánicos diferentes producidos en la reacción de esterificación se pueden aislar a partir de la mezcla de reacción utilizando varias técnicas tales como mediante destilación o extracción ácido-base. Por ejemplo, se pueden separar los mono- y diésteres, que tienden a tener un punto de ebullición mayor o igual a aproximadamente 200 °C, de los disolventes con puntos de ebullición menores mediante una destilación simple o utilizando una extracción ácido-base para que precipite el carboxilato, y después regenerar el ácido orgánico con un ácido fuerte (pKa <0, p. ej., HCl).

Sección II - Ejemplos De acuerdo con el proceso de esterificación de la presente, es probable que en reacciones en las que intervienen diácidos predomine la formación de monoésteres durante las etapas iniciales de la reacción fundamentalmente debido a las estadísticas. La ecuación (1) representa un ejemplo de este mecanismo que implica una reacción del ácido succinico con un carbonato de dietilo en etanol. De acuerdo con el mecanismo, si una molécula del diácido choca con dos moléculas del carbonato, se formaría el diéster. Sin embargo, estadísticamente, sería más probable que una molécula del diácido chocase con una molécula del carbonato para generar de este modo el monoéster. Con el tiempo, el monoéster se convertiría en los diésteres correspondientes.

^ JWL^ -coa Secuencia iterativa hasta o o O ^ OH -EtOH obtener el ilicster La proporción de monoésteres respecto a diésteres producidos puede variar dependiendo de la duración y la temperatura de la reacción de esterificación. Al principio de la reacción (es decir, 0-1 horas), la proporción favorece significativamente las especies de monoéster (p. ej ., aproximadamente 95:0.5). La proporción es de aproximadamente 4:1 después de aproximadamente 3-4 horas y de aproximadamente 1:1-1:2.5 (dependiendo del ácido y las condiciones) después de 5 horas. La proporción seria de aproximadamente 1:3 o 1:4 después de aproximadamente 6-7 horas y de aproximadamente 0.5:95 después de aproximadamente 8-10 horas. La repetición de estas reacciones generará el diéster o triéster de los di- o triácidos correspondientes.

La Tabla 3 resume varios ejemplos comparativos y ejemplos de la invención. En los Ejemplos comparativos 1 y 2, cuando se hace reaccionar un ácido orgánico (p. ej., ácido succinico o ácido levulinico) con un disolvente alcohólico solo, no se produce prácticamente nada de éster y el ácido permanece en su mayor parte sin reaccionar. Cuando el ácido orgánico se hizo reaccionar con un carbonato de dialquilo en el disolvente DMF, como en los Ejemplos comparativos 3 y 4, el ácido nuevamente permaneció sin reaccionar en su mayor parte y generó un rendimiento comprendido entre aproximadamente un 0% en peso y aproximadamente un 17% en peso del éster.

Cuando la reacción de esterificación se lleva a cabo sin que esté presente un alcohol, observamos muy poca o ninguna conversión del ácido carboxilico en su monoéster, diéster, triéster o poliéster correspondiente. En los ejemplos comparativos, las reacciones de esterificación que se llevaron a cabo en un disolvente de tipo carbonato solo generaron unas conversiones insignificantes del ácido en el producto correspondiente a un éster, tal como en los Ejemplos comparativos 5 y 6 (es decir, para el ácido levulinico se obtuvo ~10% en peso de esterificación metílica con DMC; -1.1% en peso de esterificación etílica con DEC). Por tanto, los alcoholes parecen ser un reactivo importante en la reacción para obtener de este modo un proceso de esterificación de alto rendimiento (p. ej., rendimiento de diésteres ³ 35%).

En cambio, el método de esterificación de la presente puede funcionar bien con una amplia variedad de ácidos orgánicos diferentes. En los ejemplos llevados a cabo de acuerdo con las reacciones de esterificación de la presente, demostramos que se pueden producir mono-, di- o triésteres haciendo reaccionar un ácido carboxilico correspondiente y carbonato de dialquilo en un disolvente alcohólico. Al hacer reaccionar cinco ácidos carboxilicos diferentes (es decir, mono-, di- y triácidos: ácido levulinico, succinico, málico, adipico y cítrico) y una combinación de especies de carbonato de dialquilo, los ejemplos muestran que se pueden preparar ásteres de cada combinación de carbonato y ácido con rendimientos relativamente buenos (p. ej., ³ 45% o 50%) y con especificidad (p. ej., hasta aproximadamente ~79% ± 3% de diéster). La cantidad de éster producida y la conversión del ácido son significativamente superiores, p. ej., una conversión de un 90-100%, con un rendimiento de hasta aproximadamente un 80%, en comparación con los ejemplos comparativos. Dependiendo de ciertos parámetros de reacción particulares, tales como la temperatura, la presión y la duración de la reacción de esterificación, se produjeron ésteres con rendimientos comprendidos entre aproximadamente un 43% o 45% y un 75% u 80% en peso (p. ej., un 50% o 60% en peso). Con la optimización del proceso se pueden conseguir tasas de conversión y rendimientos incluso más favorables (p. ej., de aproximadamente un 90%, 95%, 97% o 98% en peso).

Tabla 3. - Resultados experimentales con especies de ácido diferentes DMC Carbonato de dimetilo I DEC = Carbonato de O? dietilo I DPC = Carbonato de dipropilo DMF = Dimetilformamida 15 Condiciones de 20 g de ácido, 5 equivalentes molares de DMC/DEC/DPC (2.5 eq.molares reacción: en el caso del ácido levulínico) y 300 g de disolvente que se hicieron reaccionar a 180 °C, durante 5 h y a 200 psi de N2. 20 D continuación se describen la preparación y la reacción de algunos ejemplos comparativos y de la invención en la Tabla 3 más detalladamente.

Ejemplo A: Síntesis de adipato de dietilo a partir de ácido adípico, carbonato de dietilo y etanol 100%deconversión ^5% de rendimiento 65%de rendimiento Se introdujeron 20 g de ácido adípico, 83 mL de carbonato de dietilo y 300 g de etanol en el cuerpo de un reactor Parr de acero inoxidable con una capacidad de 1 L. Mientras se agitaba mecánicamente a 1100 rpm, la cámara de aire interna se presurizó a 200 psi de N2y se calentó hasta 180 °C durante 5 h. Una vez transcurrido este periodo, el cuerpo del reactor se enfrió en un baño de agua hasta alcanzar la temperatura ambiente y se liberó la presión. La solución homogénea se vertió en un matraz de almacenamiento y una muestra de esta se analizó cuantitativamente para determinar el contenido de adipato de dietilo, adipato de mono etilo y ácido adípico.

Ejemplo B: Síntesis de malato de dimetilo a partir de ácido adípico, carbonato de dimetilo y metanol 100% de conversión 79% de rendimiento Se introdujeron 20 g de ácido málico, 63 mL de carbonato de dimetilo y 300 g de metanol en el cuerpo de un reactor Parr de acero inoxidable con una capacidad de 1 L. Mientras se agitaba mecánicamente a 1100 rpm, la cámara de aire interna se presurizó a 200 psi de N2y se calentó hasta 180 °C durante 5 h. Una vez transcurrido este periodo, el cuerpo del reactor se enfrió en un baño de agua hasta alcanzar la temperatura ambiente y se liberó la presión. La solución homogénea se vertió en un matraz de almacenamiento y una muestra de esta se analizó cuantitativamente para determinar el contenido de malato de dimetilo y ácido málico. Sobre la base de los descubrimientos obtenidos con el ácido adipico, la ausencia de ácido málico en la mezcla del producto y un rendimiento del 79% del diéster indican que el 21% de la mezcla del producto corresponde al monoéster correspondiente.

Ejemplo C: Síntesis de levulinato de metilo a partir de ácido levulínico y carbonato de dimetilo 100% deconversión 10% de rendimiento Se introdujeron 20 g de ácido levulinico y 300 g de carbonato de dimetilo en el cuerpo de un reactor Parr de acero inoxidable con una capacidad de 1 L. Mientras se agitaba mecánicamente a 1100 rpm, la cámara de aire interna se presurizó a 200 psi de N2y se calentó hasta 180 °C durante 5 h. Una vez transcurrido este periodo, el cuerpo del reactor se enfrió en un baño de agua hasta alcanzar la temperatura ambiente y se liberó la presión. La solución homogénea se vertió en un matraz de almacenamiento y una muestra de esta se analizó cuantitativamente para determinar el contenido de levulinato de metilo y ácido levulinico.

Ejemplo D: Síntesis de succinato de dimetilo a partir de ácido succínico, carbonato de dimetilo y dimetilformamida 48% de conversión 16% de rendimiento Se introdujeron 20 g de ácido succínico, 72 mL de carbonato de dimetilo y 300 g de DMF en el cuerpo de un reactor Parr de acero inoxidable con una capacidad de 1 L. Mientras se agitaba mecánicamente a 1100 rpm, la cámara de aire interna se presurizó a 200 psi de N2y se calentó hasta 180 °C durante 5 h. Una vez transcurrido este periodo, el cuerpo del reactor se enfrió en un baño de agua hasta alcanzar la temperatura ambiente y se liberó la presión. La solución homogénea se vertió en un matraz de almacenamiento y una muestra de esta se analizó cuantitativamente para determinar el contenido de succinato de dimetilo y ácido succinico.

Las Tablas 4-7 que se presentan a continuación resumen ejemplos de la síntesis de diésteres a partir de carbonato de dimetilo y carbonato de dietilo utilizando ácido succinico y metanol o etanol como disolvente. En la Tabla 4, el ácido succinico se hace reaccionar con carbonato de dimetilo en etanol a una temperatura de aproximadamente 180 °C en una atmósfera de nitrógeno inerte a una presión de 500 psig. El producto correspondiente al diéster es predominantemente succinato de dietilo cuyo rendimiento es de un 56.5% con un mínimo de succinato de dimetilo cuyo rendimiento es de un 0.1%. Una pequeña cantidad de ácido succinico permaneció sin reaccionar. En cambio, en la Tabla 5, el ácido succinico se hace reaccionar con carbonato de dietilo y metanol a 190 °C en condiciones similares. El producto correspondiente al diéster es abrumadoramente succinato de dimetilo cuyo rendimiento es de aproximadamente un 57.64% con un mínimo de succinato de dietilo cuyo rendimiento es de un 0.0%. La Tabla 6 presenta una reacción del ácido succinico con carbonato de dietilo en etanol a 190 °C durante 5 horas, que produjo succinato de dietilo con una conversión de aproximadamente un 52.5%. La Tabla 7 resume los resultados de una reacción entre el ácido cítrico y carbonato de dietilo en etanol a una temperatura de 190 °C durante aproximadamente 5 horas en una atmósfera inerte a una presión de aproximadamente 500 psig. La reacción produjo citrato de trietilo con una conversión de aproximadamente un 38%. Se consumió todo el ácido cítrico. Como los ejemplos muestran en estas tablas, la esterificación realizada en condiciones suaves de acuerdo con el proceso de la presente produce varios tipos de diésteres y triésteres a partir de ácidos orgánicos diferentes con unas tasas de conversión relativamente buenas. Los rendimientos de los ésteres mejorarán con ajustes para incrementar el tiempo y/o las temperaturas de reacción con el fin de obtener unos resultados óptimos.

La Figura 3 presenta una serie de reacciones de esterificación metílica utilizando varios tipos de ácidos carboxílíeos con carbonato de dimetilo en metanol. Cada reacción empleó 20 g de ácido carboxílico, 5 equivalentes molares de carbonato de dimetilo (DMC) (2.5 equivalentes para el ácido levulínico), 300 g de metanol absoluto, a 180 °C, durante 5 h y a 200 psi de N2. Todos los ácidos, excepto el ácido levulínico, se convirtieron por completo en la reacción. Cada uno exhibió una alta selectividad (p. ej., un 40%) para las especies diana completamente esterificadas (diéster). Las Figuras 3A y 3B representan la esterificación del ácido succínico y ácido málico, respectivamente, que produjo aproximadamente un rendimiento de aproximadamente un 60% y un 79%, respectivamente, de los diésteres correspondientes. En la Figura 3C, se consumió aproximadamente un 71% del ácido levulinico en la reacción para producir un rendimiento de aproximadamente un 70% del éster. La reacción de esterificación con ácido adipico produjo un producto mixto del monoéster y diéster correspondientes, respectivamente, con un rendimiento de aproximadamente un 60% y un 40%.

De forma análoga a las reacciones de la Figura 3, la Figura 4 representa varias reacciones en las que se preparan ásteres etílicos diferentes de ácidos carboxílicos con carbonato de dietilo en etanol. Cada una de las reacciones se realizó con 20 g de ácido carboxílico, 5 equivalentes molares de carbonato de dietilo (DEC) (2.5 equivalentes para el ácido levulinico), 300 g de etanol, a 180 °C, durante 5 h y a 200 psi de N2. Nuevamente, todos los ácidos, salvo el ácido levulinico, manifestaron una conversión completa durante las respectivas reacciones. La selectividad para cada una de las dianas esterificadas fue muy buena, con valores mayores o iguales a aproximadamente un 35%. La Figura 4A muestra la esterificación del ácido succínico, que produjo un rendimiento de aproximadamente un 54% del diéster correspondiente. En la Figura 4B, el ácido málico también se consume completamente y produjo un rendimiento de aproximadamente un 69% del diéster correspondiente. En la Figura 4C, aproximadamente un 50% del ácido levulinico se consume para obtener aproximadamente un 47% del éster correspondiente. En la Figura 4D, el ácido cítrico se convierte completamente para producir aproximadamente un 46% del triéster. La Figura 4E muestra la reacción del ácido adípico para obtener un producto mixto del monoéster y el diéster correspondientes, aproximadamente un 65% y un 35%, respectivamente. El producto remanente en cada caso, excepto en el del ácido levulínico, es supuestamente el monoéster.

Las Figuras 5A y 5B ilustran ejemplos comparativos (entradas 5 y 6 de la Tabla 3) en los que el ácido levulínico se hace reaccionar, respectivamente, con carbonato de dietilo y carbonato de dimetilo sin añadir ningún otro disolvente. Las reacciones se realizaron con 50 g de ácido carboxílico, 300 g de carbonato de dietilo (DEC)/carbonato de dimetilo (DMC) (respectivamente 5.9 y 7.7 equivalentes molares), a 180 °C, durante 5 h y a 200 psi de N2. Las reacciones en ambos ejemplos comparativos exhibieron una conversión relativamente alta (~80%) del ácido orgánico, pero un rendimiento bajo del éster, lo cual indica que se trata de un método ineficaz de esterificación. Las reacciones generaron una cantidad muy pequeña de éster (~1%) cuando se utilizó DEC y una cantidad ligeramente mayor pero aún baja de éster (£10%) cuando se utilizó DMC. La diferencia en el rendimiento obtenido entre las reacciones que empleaban DMC en comparación con DEC es probablemente el resultado de un impedimento estérico a la sustitución bimolecular en la reacción.

La presente invención se ha descrito en general y detalladamente mediante ejemplos. Los expertos en la téenica comprenderán que la invención no se limita necesariamente a las realizaciones descritas específicamente, sino que pueden realizarse modificaciones y variaciones sin alejarse del alcance de la invención, tal como se define en las siguientes reivindicaciones o sus equivalentes, incluidos otros componentes equivalentes conocidos en la actualidad o que se vayan a desarrollar, que se puedan utilizar dentro del alcance de la presente invención. Por lo tanto, a menos que los cambios se alejen del alcance de la invención, se debe interpretar que los cambios están incluidos en la presente.

TABLA 4 Esterificación del ácido succinico con carbonato de dimetilo en etanol 10 TABLA 5 - Esterificación del ácido succínico con carbonato de dietilo en metanol TABLA 6 - Esterificación del ácido succinico con carbonato de dietilo en etanol 20 I 4^ 10 i 15 20 TABLA 7 - Esterificación del ácido cítrico con carbonato de dietilo en etanol Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (28)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como que antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un método para preparar ésteres, donde el método comprende: hacer reaccionar en una mezcla de reacción un ácido orgánico con un carbonato de dialquilo en presencia de un disolvente que contiene alcohol sin un catalizador extrínseco.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, donde dicho método comprende además aislar dichos ésteres de dicha mezcla de reacción mediante al menos una destilación fraccionada, cromatografía o ambas.

3. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dichos ésteres son de forma individual monoésteres, diésteres o triésteres, o mezclas de estos en diferentes combinaciones.

4. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho ácido orgánico se selecciona entre: ácido fórmico, ácido acético, ácido propiónico, ácido láctico, ácido butírico, ácido isobutírico, ácido valérico, ácido hexanoico, ácido heptanoico, ácido decanoico, ácido láurico, ácido mirístico y ácidos grasos Ci4-Ci8, ácido 2,5-furandicarboxílico (FDCA), ácido fumárico, ácido itacónico, ácido málico, ácido succínico, ácido maleico, ácido malónico, ácido glutárico, ácido glucárico, ácido oxálico, ácido adípico, ácido pimélico, ácido subérico, ácido azelaico, ácido sebácico, ácido dodecanodioico, ácido glutacónico, ácido orto- itálico , ácido isoftálico, ácido tereftálico, ácido cítrico, ácido isocitrico, ácido aconitico, ácido tricarbalilico y ácido trimésico.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho ácido orgánico es un ácido dicarboxilico o ácido tricarboxilico.

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho carbonato de dialquilo es al menos una las siguientes especies: carbonato de dimetilo (DMC), carbonato de dietilo (DEC), carbonato de dipropilo (DPC) o carbonato de dibutilo (DBC).

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho disolvente que contiene alcohol es: una única especie alcohólica o una mezcla de diferentes alcoholes, o una mezcla de un alcohol y otra especie no alcohólica.

8. El método de acuerdo con la reivindicación 7, donde dicho alcohol en dicho disolvente que contiene alcohol está al menos saturado, insaturado o es aromático.

9. El método de acuerdo con la reivindicación 7, donde dicha especie no alcohólica incluye al menos una de las siguientes: un carbonato/CCh, dimetilformamida (DMF), sulfóxido de dimetilo (DMSO), acetonitrilo, tetrahidrofurano (THF), acetona, N-metil-2-pirrolidona (NMP), cloroformo y acetato de etilo.

10. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho alcohol media la formación de dichos ásteres.

11. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho alcohol está presente en exceso respecto a las cantidades estequiométricas de carbonato.

12. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho ácido orgánico y carbonato se hacen reaccionar a una temperatura comprendida entre aproximadamente 130 °C y aproximadamente 230 °C, a una presión dentro de un rango comprendido entre aproximadamente 145 psi y aproximadamente 950 psi de atmósfera inerte.

13. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho ácido orgánico y carbonato se hacen reaccionar a una temperatura comprendida entre aproximadamente 160 °C y aproximadamente 215 °C.

14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho ácido orgánico y carbonato se hacen reaccionar en un periodo que no es superior a aproximadamente 24 horas.

15. El método de acuerdo con la reivindicación 14, donde dicho ácido orgánico y carbonato se hacen reaccionar en un periodo que no es superior a aproximadamente 12 horas.

16. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho método es capaz de conseguir al menos una conversión de un 45% de dicho ácido carboxilico en el éster.

17. El método de acuerdo con la reivindicación 16, donde dicho método es capaz de conseguir al menos una conversión de un 70% de dicho ácido carboxilico en el éster.

18. Un método de esterificación que comprende: poner en contacto un ácido orgánico y un carbonato de dialquilo en una mezcla de reacción con un agente mediador alcohólico, sin que esté presente un catalizador ácido o básico extrínseco.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicho alcohol actúa como un nucleófilo que facilita la reacción entre dicho ácido orgánico y dicho carbonato.

20. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde al menos un 45% de dicho ácido orgánico se convierte en un rendimiento de los ésteres correspondientes.

21. El método de acuerdo con la reivindicación 20, donde dichos ésteres incluyen monoésteres, diésteres o triésteres, o una mezcla que contiene combinaciones de estos.

22. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicho ácido orgánico se convierte en un monoéster y un diéster correspondientes en una proporción comprendida entre aproximadamente 95:0.5 y aproximadamente 0.5:95.

23. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicho diéster obtenido como producto se ve favorecido.

24. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde se libera una molécula de CO2 de dicha reacción.

25. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicha reacción se lleva a cabo en un proceso continuo o discontinuo.

26. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicho alcohol está saturado, insaturado, es aromático o es una mezcla de especies alcohólicas diferentes.

27. El método de acuerdo con la reivindicación 18, donde dicho carbonato es al menos uno de: DMC, DEC, DBC y DPC.

28. Un compuesto que es un éster formado a partir de la reacción de un ácido orgánico con un carbonato en un disolvente que contiene alcohol sin que esté presente un catalizador ácido o básico extrínseco de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.