CN111670175A - 用于制备聚甘油脂肪酸酯的工艺 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于由添加了金属催化剂的反应混合物制备聚甘油脂肪酸酯的工艺，以及一种用于纯化中间合成产物的方法，所述中间合成产物除聚甘油脂肪酸酯之外还包含过量脂肪酸。与现有技术相比，随着原料、辅料、溶剂和能源的更经济的使用，获得了显著提高的产率和更高的工艺速度。

Description

用于制备聚甘油脂肪酸酯的工艺

描述了一种用于由添加了金属催化剂的反应混合物制备聚甘油脂肪酸酯的工艺，以及一种用于纯化中间合成产物的方法，所述中间合成产物除聚甘油脂肪酸酯之外还包含过量脂肪酸。与现有技术相比，随着原料、辅料、溶剂和能源的更经济的使用，获得了显著提高的产率和更高的工艺速度。

聚甘油脂肪酸酯(缩写为PGE)已经在工业上使用，例如用作食品和化妆品工业中的乳化剂、用作防锈剂的组分、用作纺织工业中或杀虫剂中的增塑剂。近来，应用的可能性也出现在药物的配制中，其中在此优选的制备是通过不使用有潜在毒性的起始材料并且不生成有毒的中间产物和副产物的合成来进行。

可以形成PGE的基本结构的最简单的聚甘油是具有实验式C₆O₅H₁₄的直链双甘油和支链双甘油，所述双甘油可以在工业规模上且以已知方式合成，例如通过使甘油与2,3-环氧-1-丙醇在碱性催化下反应以形成醚键或通过在碱性催化下的热缩合来合成，其中主要包含双甘油的级分随后可以被分离。

双甘油可以以三种不同的结构异构形式存在，即，呈直链形式，其中醚桥形成在所涉及的两个甘油分子的相应的第一碳原子之间；呈支链形式，其中醚桥形成在所用的第一甘油分子的第一碳原子与第二甘油分子的第二碳原子的第一碳原子之间；以及呈核枝状聚合形式，其中醚桥形成在相应的第二碳原子之间。在由碱催化的两个甘油分子缩合的情况下，至多约80％以直链形式存在，并且至多约20％以支链形式存在，而仅产生非常少量的核枝状聚合形式。

在与脂肪酸酯化的情况下，还可使用包含多于两个甘油基单元的聚甘油。一般来讲，聚甘油缩写为“PG”，并且整数n作为后缀添加(其提供了聚甘油基单元的数量)，即，“PG_n”。作为实例，三甘油写为PG₃，并且具有实验式C₉O₇H₂₀。现在应在PG_n分子的所有游离羟基处发生与脂肪酸(例如与硬脂酸)的完全酯化。在直链PG₃的情况下，则完全酯化将在第一甘油基单元的第一碳原子和第二碳原子处、在第二甘油基单元的第二碳原子处以及在第三甘油基单元的第二碳原子和第三碳原子处发生。因此，在具有实验式C₁₈OH₃₅的所选实例中，这个实例的实验式给定为C₉O₇H₁₅R₅，其中每个R表示脂肪酸残基。

在聚甘油脂肪酸酯的情况下，必须在偏酯与全酯之间进行区分。用饱和非支链脂肪酸酯化的聚甘油的确立缩写的名称为PG(n)-Cm全酯，或者视情况名称为PG(n)-Cm偏酯，其中呈与聚甘油的名称类似的方式的括号中的“n”给出分子中所包含的甘油基单元的数量，并且m表示用于酯化反应的饱和脂肪酸的碳原子数量。因此，“n”表示具有实验式C₃O₂H₅R的甘油基单元的数量，其中R可表示脂肪酸残基或游离羟基的氢原子。因此，“PG(2)-C18全酯”将描述具有实验式C₇₈O₉H₁₅₀的聚甘油脂肪酸全酯。在PG(n)-Cm-偏酯的情况下，脂肪酸残基的数量取平均值，于是同时，实验式为级分提供大多存在于多数中的酯化变化。通过另外提供羟值(所述羟值为非酯化羟基含量的量度)来提供聚甘油脂肪酸偏酯的更准确名称，并且因此提供关于偏酯的酯化程度的信息。可能由于空间原因，在这种情况下酯化反应优选从外向内发生。因此，最初，被酯化的羟基是允许脂肪酸残基具有最高自由度的那些。然后，直链聚甘油处的第一酯化反应优选地在位于一端处的边缘聚甘油基单元的第一碳原子的羟基处发生，然后，第二酯化反应在位于另一端处的边缘聚甘油基单元的第一碳原子的羟基处发生。接下来，与已经酯化的位置紧邻的碳原子位置处的羟基被酯化等等。

PG全酯的合成与PG偏酯的合成的不同之处尤其在于在前者中，必须向待酯化的聚甘油提供尽可能多的脂肪酸，这允许存在的聚甘油的所有羟基都被酯化。作为实例，一摩尔的直链双甘油理论上应用四摩尔的脂肪酸酯化，以便获得PG全酯，因为双甘油的每个分子具有能够因此被酯化的四个游离羟基。在实践中，使用超过用于完全酯化的理论上必需的量的摩尔过量是有利的，任选地根据游离羟基的数量的反应决定的减少而减少，以便保持完全酯化的反应时间尽可能地短。这种类型的反应决定的减少可能由于通过加热反应混合物的升华过程而发生。

在此所用的术语“脂肪酸”应被理解为意指优选包含6至22个碳原子的脂肪族单羧酸，所述脂肪族单羧酸优选是非支链的且饱和的并且具有偶数个碳原子，但是其也可包含奇数个碳原子、是支链的和/或不饱和的。特别优选地，对于制备待纯化的聚甘油脂肪酸全酯，使用包含16、18、20或22个碳原子的非支链的饱和脂肪酸，即，棕榈酸、硬脂酸、花生酸或山嵛酸。

在制备前述的PG(n)-Cm全酯的情况下，在合成期间采用的过量脂肪酸必须在酯化反应之后尽可能完全去除。在这方面，出现的问题是由于所涉及的努力和参与组分的高沸点，作为一种方法的蒸馏是不可能的，因为反应产物受到严重的热应力并且不能预期达到小于1mg KOH/g的目标酸值。相反，通常进行用稀释的含水氢氧化钠或氢氧化钾精炼，在此期间也形成对应的脂肪酸钠盐或钾盐，其通常称为皂。然后，通常在若干步骤中用水洗涤所形成的皂，尤其如由Michael Bockisch在“Handbuch der Lebensmitteltechnologies”[Food Technology Manual]，ulmerverlag，Stuttgart 1993，第484ff页中所述。在这种情况下的问题是皂充当乳化剂，并且在这种情况下发生的大量乳液形成导致聚甘油脂肪酸酯产率的损失，所述损失通常总计多于50％。然而，一旦已进行小于3.0mg KOH/g的酸值的碱精炼，就形成如此多的皂以致不再可以容许与乳液相关的产率损失。

作为使用稀释的含水氢氧化物精炼的替代方案，如DE 41 01 431A1中所公开，还尝试了干法精炼，其中在完全酯化反应之后，用十水碳酸钠或碳酸氢钠作为精炼剂来补充包含过量脂肪酸的反应产物，以便然后机械分离已从PG全酯形成的皂。由于事实是反应只可以在脂肪酸与精炼剂之间的界面处发生，因此在此的转化程度高度取决于粒度测定和混合强度。在这种方法中，例如，使用诸如膨润土的过滤助剂滤除皂和过量精炼剂，其中伴随的和不希望的产率损失多于12％。因此，目的是使用于制备聚甘油脂肪酸酯的合成条件对于使用相应反应混合物的无毒组分的药物目的更有效，并且还使在合成后纯化过程期间尽可能定量地分离任何过量脂肪酸，同时将产率提高到多于90％。

关于通过如权利要求1所述的工艺的合成条件，以及关于通过如权利要求3所述的方法的纯化来实现所述目的；在相应的从属权利要求中限定了有利的实施方案。

提出了一种包括合成方法的工艺，所述工艺用于由包含脂肪酸和聚甘油的反应混合物制备聚甘油脂肪酸酯。在这方面，向反应混合物添加具有至少一种金属化合物的催化剂，所述至少一种金属化合物至少包含金属锰、锌、钴或钛，诸如例如，乙酸锌、乙酸钴或乙酸锰(II)的相应四水合物。关于转化程度和反应速率的高效率由无毒的钛酸四丁酯提供，其根据本发明优选用于合成聚甘油脂肪酸全酯，并且其还可以用于提高由聚甘油和脂肪酸合成PG(n)-Cm偏酯的效率。因为钛是四价的，所以正丁醇配体球可以被交换成至多四种分别具有至少一个反应性羟基的试剂。在这方面，强路易斯酸钛(IV)用作试剂的活化剂，其与脂肪酸反应以形成对应的酯。

还提出了借助于一种用于纯化聚甘油脂肪酸酯的方法在待纯化的中间产物中从这样的中间产物中去除在聚甘油脂肪酸酯，特别是聚甘油脂肪酸全酯的催化或非催化合成期间出现的过量脂肪酸，所述中间产物可以例如通过进行反应方法从聚甘油和脂肪酸或其衍生物获得，其中用碱性溶液精炼仍包含过量脂肪酸的优选液化的中间产物，优选用稀释的含水氢氧化钠或氢氧化钾精炼直到形成脂肪酸盐，并且获得小于1.0mg KOH/g的脂肪相的酸值，以便此后优选通过减压有利地经历溶剂的去除，随后优选进行分离步骤，所述分离步骤借助于离心或替代地借助于过滤从聚甘油脂肪酸酯中分离脂肪酸盐。令人惊讶地，可以在不损害产率的情况下进行精炼步骤，直到脂肪相的酸值小于1.0mg KOH/g，因为可以优选在通过在约100℃下干燥并通过将压力逐步减小到小于20毫巴来使用含水精炼剂时进行的溶剂的去除快速地充分破坏由溶剂中的脂肪酸盐介导的聚甘油脂肪酸酯的乳液。以这种方式，随后的分离步骤可以递送多于90％的聚甘油脂肪酸全酯的产率。有利地，分离步骤在溶剂去除之后在皂已经部分固化的温度范围内进行。在反应方法中，优选通过加热由聚甘油和脂肪酸的混合物引发的直接酯化反应。

纯化方法的效率可通过修改用于待纯化的中间产物的上游反应方法来提高。在这方面，已表明有利的是，所用的聚甘油和脂肪酸处于约80℃的温度下并且使它们熔融以形成两相混合物，这令人惊讶地对聚甘油脂肪酸全酯的后续产率或产物性质完全没有负面影响，尤其是因为两相反应混合物在反应方法的过程期间均质化。另外，显然，反应混合物的组分中的仅一者可以以液体形式引入，并且反应混合物的液化可以通过组分之间的热交换来实现。

此外，上游反应方法可包括添加具有前述特征的合适的催化剂，其优点在于过量脂肪酸以及因此待从中间产物中去除的脂肪酸的比例可更小而无需延长反应时间。

反应方法所需的过量脂肪酸还可优选地借助于干燥步骤来减少，在所述干燥步骤中，最初施加到反应混合物的压力为低于常压、小于20毫巴的压力。优选地，这种干燥步骤在添加催化剂之前进行。

为了获得尽可能定量的起始产物的反应，反应方法优选地包括加热步骤，在所述加热步骤中，在400毫巴的压力下将反应混合物加热到至多235℃。在此，预期的酯化反应在约200℃下开始。

此外，对于随后的纯化方法和对于中间产物中的少量脂肪酸，在反应方法期间有利地降低反应的反应混合物的压力，在此期间优选地将反应混合物上的压力从400毫巴逐步减小到低于50毫巴。

另外，已表明，当待纯化的中间产物具有小于20mg KOH/g、优选地小于10mg KOH/g并且特别优选地小于4mg KOH/g的羟值，并且同时具有小于15mg KOH/g、优选地小于10mgKOH/g并且特别优选地小于4mg KOH/g的酸值时，用于聚甘油脂肪酸酯的纯化方法特别有效。与聚甘油脂肪酸偏酯相比，低羟值指示所用聚甘油的游离羟基几乎完全酯化，而酸值指示中间产物中的过量脂肪酸的量。

为了成功纯化通过所述反应方法产生的含聚甘油脂肪酸酯的中间产物，有利地，所述方法的步骤按以下顺序进行：

i)如权利要求7所述的液化步骤，

ii)如权利要求8所述的干燥步骤，

iii)如权利要求9所述的加热步骤，

iv)如权利要求10所述的减压，

v)如权利要求3所述的精炼步骤，

vi)如权利要求4或权利要求5所述的溶剂提取，

vii)如权利要求6所述的分离步骤。

有利地，然后可使用1μm过滤器进行过滤。

在反应混合物中所使用的脂肪酸或脂肪酸衍生物的量使得能够以这样的方式控制用于制备聚甘油脂肪酸酯的工艺，其方式为使得催化合成方法产生聚甘油脂肪酸偏酯或聚甘油脂肪酸全酯。如果反应混合物包含与待酯化的羧基或羧酸酯基相比显著过量的聚甘油键合的羟基，则产生偏酯。另一方面，如果反应混合物中对应于待酯化的羧基或羧酸酯基中的每一者包含至少一个聚甘油键合的羟基，优选过量的此类羟基，则催化合成方法被定向成朝向生成聚甘油脂肪酸全酯的方向。

在制备工艺的过程期间，合成方法可有利地由用于从包含过量脂肪酸的中间产物纯化聚甘油脂肪酸酯的方法补充。在合成方法期间的催化剂的添加在此针对朝向生成偏酯的合成以及朝向生成全酯的合成两者进行，优选地在针对反应方法所讨论的干燥步骤与之后的加热步骤之间进行，在反应方法中所使用的步骤的剩余顺序保持不变。在此再次，随后可使用1μm过滤器进行过滤，其中，例如当使用钛酸四丁酯时，可以几乎完全消除催化剂或其反应产物(诸如二氧化钛)。然而，将仍可在最终产物中检测到痕量的所用的催化剂的相应金属。

现在将借助于两个实施例更详细地描述一种包括合成方法的用于由反应混合物制备聚甘油脂肪酸酯的工艺，其中第一实施例涉及偏酯的制备，并且第二实施例涉及全酯的制备，包括纯化以便消除过量脂肪酸。

实施例1(PG(3)-C16/C18偏酯)：

将2700g的PG(3)、2390g的棕榈酸和5590g的硬脂酸放入反应器中并在80℃下进行熔融。在真空(小于20毫巴)下干燥之后，将3.3g的钛酸四丁酯作为催化剂加入。在400毫巴真空下，将反应混合物加热到235℃。反应在超过约200℃处开始。在达到400毫巴之后，将反应压力逐步减小到小于50毫巴。继续进行酯化，直到获得小于1.0mg KOH/g的酸值。反应时间为4至6小时。与没有催化剂的程序相比更短的反应时间导致产物的颜色显著改善。然后，通过1μm过滤器过滤以这种方式获得的单相PG(3)-C16/C18偏酯并将其倾析出。在此，催化剂几乎完全去除，然而仍能够检测到痕量的相应金属。

实施例2(PG(2)-C18全酯)：

将1580g的PG(2)和10700g的硬脂酸放入反应器中并在80℃下进行熔融。在小于20毫巴的压力下干燥之后，将3g的钛酸四丁酯作为催化剂加入到所获得的两相混合物。接下来，在400毫巴的压力下将反应混合物加热到235℃，于是反应在约200℃处开始。接下来，将反应压力逐步减小到小于50毫巴。继续进行酯化，直到获得小于4mg KOH/g的羟值。同时，酸值通常为4至6mg KOH/g，但是可能达到至多15mg KOH/g。然后，用10.5％NaOH水溶液将含聚甘油脂肪酸全酯的中间产物在80℃至90℃下精炼，直到获得小于1.0mg KOH/g的酸值，并且因此形成脂肪酸盐。接下来，出于干燥的目的，从800毫巴的压力开始，在100℃下将压力逐步减小到小于20毫巴。通过离心分离所获得的皂，或者替代地可将皂滤除。现在，单相PG全酯的产率多于90％。在倾析之前，可通过1μm过滤器将PG全酯滤除。这几乎完全消除了催化剂，然而仍能够检测到痕量的相应金属。

Claims (18)

1.一种包括合成方法的用于由反应混合物制备聚甘油脂肪酸酯的工艺，

其特征在于，

向包含脂肪酸和聚甘油的所述反应混合物添加具有至少一种金属化合物的催化剂，所述至少一种金属化合物至少包含锰、锌、钴或钛。

2.如权利要求1所述的工艺，

其特征在于，

所述催化剂包括钛酸四丁酯。

3.一种用于从中间产物纯化聚甘油脂肪酸酯的方法，所述中间产物除聚甘油脂肪酸酯之外还包含过量脂肪酸并且能够通过使用优选地使聚甘油和脂肪酸反应的方法获得，

其特征在于，

所述中间产物经历使用碱性溶液的精炼步骤，直到形成脂肪酸盐和脂肪相，并且在所述脂肪相中，获得小于1.0mg KOH/g的酸值。

4.如权利要求3所述的纯化方法，

其特征在于，

在所述精练步骤之后进行溶剂提取。

5.如权利要求4所述的纯化方法，

其特征在于，

所述溶剂提取是在90℃至110℃下以及在小于30毫巴的压力下进行，优选地在小于20毫巴的压力下以及在100℃下进行。

6.如权利要求3至5中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

在分离步骤中，优选地借助于离心进行所述脂肪酸盐与所述聚甘油脂肪酸酯的分离。

7.如权利要求3至6中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

所述上游反应方法包括液化步骤，在所述液化步骤中，使聚甘油和脂肪酸熔融以形成两相反应混合物。

8.如权利要求3至7中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

所述上游反应方法包括干燥步骤，在所述干燥步骤中，所述反应混合物的干燥是在真空下进行。

9.如权利要求3至8中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

所述上游反应方法包括加热步骤，在所述加热步骤中，所述反应混合物在400毫巴的压力下加热到200℃至240℃，优选地加热到220℃至240℃，并且特别优选地加热到230℃至235℃。

10.如权利要求3至9中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

所述上游反应方法包括减压，在所述减压中，所述反应混合物上的压力从400毫巴逐步减小到小于50毫巴。

11.如权利要求3至10中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

在所述精练步骤之前，所述中间产物具有小于20mg KOH/g、优选地小于10mg KOH/g并且特别优选地小于4mg KOH/g的羟值，以及小于15mg KOH/g、优选地小于10mg KOH/g并且特别优选地小于6mg KOH/g的酸值。

12.如权利要求3至11中一项所述的纯化方法，

其特征在于，

以给定顺序进行的以下步骤，包括用于所述中间产物的所述反应方法：

i)如权利要求7所述的液化步骤，

ii)如权利要求8所述的干燥步骤，

iii)如权利要求9所述的加热步骤，

iv)如权利要求10所述的减压，

v)如权利要求3所述的精炼步骤，

vi)如权利要求4或权利要求5所述的溶剂提取，

vii)如权利要求6所述的分离步骤。

13.如权利要求1或权利要求2所述的工艺，

其特征在于，

借助于所述反应中所用的脂肪酸或脂肪酸衍生物的量，所述合成方法被定向成朝向制备聚甘油脂肪酸全酯的方向，并且包括如权利要求7至12中一项所述的或如权利要求3所述的反应方法。

14.如权利要求13所述的工艺，

其特征在于，

如权利要求3至6中一项所述的纯化方法是在所述合成方法之后。

15.如权利要求13或权利要求14所述的工艺，

其特征在于，

如权利要求12所述的步骤，其中在步骤ii)之后且在步骤iii)之前，在步骤ii-a)中，加入所述催化剂，并且所述步骤顺序在其他方面保持不变。

16.如权利要求1或权利要求2所述的工艺，

其特征在于，

借助于所述反应混合物中所用的脂肪酸或脂肪酸衍生物的量，所述合成方法被定向成朝向制备聚甘油脂肪酸偏酯的方向，并且包括如权利要求7所述的液化步骤、如权利要求8所述的干燥步骤、如权利要求9所述的加热步骤和如权利要求10所述的减压。

17.如权利要求16所述的工艺，

其特征在于，

以给定顺序进行的以下步骤：

i)所述液化步骤，

ii)所述干燥步骤，

iii)添加所述催化剂，

iv)所述加热步骤，

v)所述减压。

18.如权利要求16或权利要求17所述的工艺，

其特征在于，

如权利要求3至6中一项所述的纯化方法是在用于合成所述中间产物的所述方法之后。