СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТИЛОВОГО ЭФИРА ПАЛЬМИТИНОВОЙ КИСЛОТЫ (МЕТИЛПАЛЬМИТАТА)

Предлагаемое изобретение относится к способу получения метилового эфира пальмитиновой кислоты (метилпальмитата).

Метиловый эфир пальмитиновой кислоты (МЭПК, метилпальмитат) широко используется в косметической, пищевой, фармацевтической и топливной промышленности. Метилпальмитат является эмульгатором и стабилизатором эмульсий, обладает смягчающими и пластифицирующими свойствами, его применяют в кремах, масках и эмульсиях разного назначения. Кроме того, он используется в составе пищевых продуктов в качестве ароматизирующего вещества, служит прекурсором в синтезе витамина А и гексадеканола (Тонконогов Б.П., Попова К.А., Хурумова А.Ф. Химическая технология топлива и высокоэнергетических веществ. 2015, 278 (12), 109-120 [1]; D'Oca C.D.R.M., Coelho Т., Marinho T.G., Hack C.R.L., Duarte R.C., Silva P.A., D'Oca M.G.M. Biorg. Med. Chem. Lett., 2010, 20, 5255-5257 [2]).

Наиболее распространенным методом синтеза метилпальмитата является этерификация пальмитиновой кислоты (ПК) метанолом под действием кислотных катализаторов. Классический метод синтеза МЭПК с использованием в качестве катализатора 1 масс. % H₂SO₄ в условиях: 65°С, 3 ч при 10-кратном избытке метанола позволяет получать эфир с выходом 94%. (Yadav P.K.S., Singh О., Sing R.P. J. Oleo Sci., 2010, 59 (11), 575-580 [3]). При микроволновом облучении указанная реакция завершается за 15 мин (Lokman I.M., Rashid U., Zainal Z., Yunus R., Taufid-Yap Y.H. J. Oleo Sci., 2014, 63 (9), 849-855 [4]).

Этерификацию ПК с помощью метанола катализируют кислоты Льюиса Sc(OTf)₃ и Bi(OTf)₃. Реакция в их присутствии проходит при повышенной температуре (150°С) в условиях микроволнового облучения и завершается за 1 минуту (Sello J.K., Socha A.M. Methods of making fatty acids and fatty acid alkyl esters. US 2013/0019520 (24.01.2013) [5]):

Обнаружено ускоряющее действие ультразвукового облучения при синтезе метилпальмитата этерификацией ПК метанолом в присутствии n-толуолсульфокислоты (50 мл %) в качестве катализатора. Реакция проходит за 20 минут при 25°C с выходом эфира 82% (Pacheco B.S., Nunes C.F.P., Rockembach C.T., Bertelli P., Mesko M.F., Roesch-Elyd M., Moura S., Pereira C.M.P. Green Chem Lett and Rev. 2014, 7, 265-270 [6]). Аналогичная реакция в присутствии CH₃SO₃H/Al₂O₃ (60 мол %) проходит при 80-120°С за 20 мин и приводит к эфиру с 97% выходом (Fabian L., М., Kuran J.A.C., Moltrasio G., Moglioni A. Synth. Commun, 2014, 44, 2386-2392 [7]).

Для синтеза метилпальмитата используют Бренстедовские кислотные катализаторы, не содержащие галогены: триметилциклогексиламмонийсульфонат (TCyAMsO), метансульфонаттриметилбензиламмоний (TBnAMsO), триметилоктиламмонийметансульфонат (TOAMsO) и триметилциклогексиламмоний-n-толуолсульфонат (TCyATos). Реакция в их присутствии проходит за 2 ч при 60°C с выходом МЭПК 77-93%. Катализаторы используются в количестве 30 мол % по отношению к ПК (Santi V.D., Cardellini F., Brinchi L., Germani R. Tetrahedron Letters, 2012, 53, 5151-5155 [8]). Достаточно активными катализаторами этерификации ПК с метанолом являются гетерополикислоты (C₁₆TA)H₄TiPW₁₁O₄₀ (С₁₆ТА = цетилтриметиламмоний). В их присутствии реакция ПК с метанолом проходит с высокой конверсией (95%) при 65°С в течение 6 ч при мольном соотношении метанол : ПК : катализатор = 4856:243:1 (Zhao J., Guan Н., Shi W., Cheng M., Wang X., Li S. Catal. Communs, 2012, 20, 103-106 [9]).

Эффективным катализатором этерификации пальмитиновой кислоты метанолом является пористый органический полимер, имеющий в своей молекуле сульфогруппу (PDVTA-SO₃H) на поверхности. Катализатор получали сульфированием сополимера полидивинилбензола с триаллиламином с использованием хлорсульфоновой кислоты в качестве сульфирующего агента. Реакция проходит при комнатной температуре за 10 ч с использованием 10-кратного избытка метанола и 10 мг катализатора на 1 ммоль кислоты с выходом эфира 95% (Gomes R., Bhanja P., Bhaumik A.J. Mol. Cat. A: Chemical, 2016, 411, 110-116 [10]).

В качестве катализатора этерификации ПК метанолом был использован поливиниловый спирт (ПВС), сшитый с сульфоянтарной кислотой, и полистирол, сшитый с дивинилбензолом с SO₃H-группами. Установлено, что ПВС матрица SO₃H-группами более активна, чем полистирольная. При конверсии пальмитиновой кислоты 75-94% селективность по целевому продукту в условиях: 60°С, 24 ч составила 97%. Опыты проводились в соотношении 0.2 г катализатора на 8 ммоль ПК (Caetano C.S., Guerreiro L., Fonseca I.M., ramos A.M., Vital J., Castanheiro J.E. Appl. Catal. A: General. 2009, 359, 41-46 [11]).

Эффективным катализатором этерификации пальмитиновой кислоты с помощью метанола является полимерный катализатор - n-фенолсульфокислота-формальдегидная смола (Minakawa М., Baek Н., Yamada Y.M.A., Han J.W., Uozumi Y. Org. Lett, 2013, 15 (22), 5798-5801 [12]):

Метилпальмитат получали с использованием в качестве катализатора Бренстедовских кислотных ионных жидкостей, содержащих SO₃H-группы. Они проявляют высокую активность и могут использоваться повторно (Li X., Eli W. J. Mol. Catal. A: Chemical, 2008, 279, 159-164 [13]; Zhao Y., Long J., Deng F., Liu X., Li Z., Xia C, Peng J. Cat. Commun, 2009, 10, 732-736 [14]):

Сульфатированный циркониевый катализатор (SZr=SO₄^-/ZrO₂), закрепленный на мезопористых SBA-15 молекулярных ситах (ZS/SBA-15), проявил высокую активность в этерификации пальмитиновой кислоты метанолом (выход 90%). Реакция проходит при 60°С за 5-7 ч (Tian Z., Deng Q., Li L. Adv. Materials Res. 2011, V. 233-235, 1714-1717 [15]; Saravanan K., Tyagi В., Shukla R.S., Bajai H.C. Fuel, 2016, 165, 298-305 [16]).

Все описанные выше методы имеют один общий недостаток - использование в качестве метилирующего агента большого избытка (10-48) метанола, который является сильнодействующим ядом, вызывающим поражение центральной нервной и сердечно-сосудистой систем.

Применение избытка метанола приводит к увеличению материальных, трудовых и энергозатрат из-за необходимости использования объемных реакторов и другого технологического оборудования (емкости, насосы, трубопроводы). Непрореагировавший метанол отделяют от метилпальмитата перегонкой на колонке - т.е. процесс является двухстадийным.

В работах (Chau K.D.N., Duus F., Le T.N. Green Chem Lett. And Rev. 2013, 6 (1), 89-93 [17]; Caretto A., Perosa A. ACS Sustainable Chem & Eng. 2013, 16 [18]) для получения метиловых эфиров ароматических карбоновых кислот предложено использовать реагент «зеленой химии» диметилкарбонат (ДМК). Так, метилирование бензойной кислоты с помощью ДМК осуществлено с использованием в качестве катализаторов K₂CO₃ и ТБАХ (тетрабутиламмоний хлорид) при 150-190°С (12-24 ч, выход 99%):

Недостатки метода

Использование большого количества катализаторов - K₂CO₃ (0,5-1 экв.) и ТБАХ (0,3 экв.), что затрудняет выделение целевого продукта.

Этерификацию ароматических карбоновых кислот диметилкарбонатом катализирует цеолит типа фожазита NaY, который используется в 3-кратном избытке по отношению к кислоте (165°С, 24 ч) (Selva М., Tundo P. J. Org. Chem., 2006, 71, 1464-1470 [19]):

На основании сходства по трем признакам: исходные реагенты - карбоновая кислота и диметилкарбонат, использование гетерогенного катализатора фожазита NaY, образование в результате реакции - метилового эфира карбоновой кислоты за прототип взят способ получения метиловых эфиров карбоновых кислот, приведенный в работе [19].

Прототип имеет следующие недостатки:

1. Использование 3-кратного избытка катализатора NaY и 30-кратного избытка диметилкарбоната.

2. Продолжительность реакции составляет 24-26 ч.

3. Образование большого количества отходов.

Задачей настоящего изобретения является упрощение технологии получения метилпальмитата и удешевление себестоимости за счет использования нового микро-, мезо- и макропористого катализатора NaY (NaY-MMM), активированного триэтиламином, в концентрации 5:10 масс. % по отношению к пальмитиновой кислоте и уменьшение количества диметилкарбоната ([ПК]:[ДМК] = 1:3÷5).

Авторами предлагается способ получения метилпальмитата, не имеющий недостатков, присущих прототипу.

Сущность способа заключается во взаимодействии пальмитиновой кислоты с диметилкарбонатом под действием цеолитного катализатора NaY-MMM, активированного триэтиламином (ТЭА) [NaY-MMM:TЭA = 50:1] 5-10 масс. %, при 150°С в течение 3-5 часов при мольном соотношении [пальмитиновая кислота] : [диметилкарбонат] = 1:3÷5 без использования растворителя.

В оптимальных условиях при полной конверсии пальмитиновой кислоты выход метилпальмитата составляет 96%.

Приготовление катализатора NaY-MMM включает следующие стадии: смешение каолина, высокомодульного порошкообразного цеолита NaY и поливинилового спирта, увлажнение смеси до получения однородной массы, формование гранул, термоактивация, гидротермальная кристаллизация, отмывка и сушка гранул. Содержание компонентов смеси составляет, % мас.:

Гидротермальную кристаллизацию гранул осуществляют в растворе силиката натрия из реакционных смесей состава: (2,6-3,4)Na₂O⋅Al₂O₃⋅(10-12)SiO₂⋅(180-220)H₂O.

Частицы цеолита NaY-MMM представляют собой единые сростки кристаллов с пористой структурой, образованной не только микро-, но также мезо- и макропорами, на долю которых приходится свыше 50% общего объема пор (табл. 1 и 2).

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа:

1. Для получения метилпальмитата из пальмитиновой кислоты и диметилкарбоната используется новый цеолитный катализатор NaY-MMM, активированный триэтиламином.

Преимущества предлагаемого метода:

1. Доступность катализатора.

2. Снижение расхода катализатора (5 масс. %).

3. Уменьшение количества отходов.

4. Диметилкарбонат играет роль реагента и растворителя одновременно.

5. Удешевление себестоимости и упрощение технологии в целом за счет использования в качестве катализатора доступных и недорогих реагентов: NaY-MMM и триэтиламина и уменьшение энерго- и трудозатрат.

Предлагаемый способ поясняется примерами.

Общая методика. В микроавтоклав из нержавеющей стали (V=17 мл) или стеклянную ампулу (V=20 мл) (результаты параллельных опытов практически не отличаются) помещали 0,5-1 масс. % NaY-MMM (полученного по методике: Павлов М.И., Травкина О.С., Кутепов Б.И., Павлова И.Н., Басимова Р.А., Хазипова А.Н. Способ получения высокомодульного фожазита без связующих. RU 2456238 (20.07.2012) [21]), активированного триэтиламином (NaY-MMM:ТЭА = 50:1), 10 ммолей пальмитиновой кислоты и 30-50 ммолей диметилкарбоната (ДМК играет роль реагента и растворителя одновременно), автоклав герметично закрывали (ампулу запаивали) и нагревали при 150°С в течение 3-5 часов. После окончания реакции микроавтоклав (ампулу) охлаждали до ~20°С, вскрывали, реакционную массу фильтровали, непрореагировавший диметилкарбонат отгоняли, остаток кристаллизовали из метанола. Выход метилпальмита 96%.

ПРИМЕР 1. Синтез катализатора NaY-MMM осуществляют смешением каолина, высокомодульного порошкообразного цеолита NaY и поливинилового спирта, увлажнение смеси до получения однородной массы, формование гранул, термоактивацию, гидротермальную кристаллизацию, отмывку и сушку гранул. Содержание компонентов смеси составляет, % мас.:

Гидротермальную кристаллизацию гранул осуществляют в растворе силиката натрия из реакционных смесей состава: (2,6-3,4)Na₂O⋅Al₂O₃⋅(10-12)SiO₂⋅(180-220)H₂O.

ПРИМЕР 2. В микроавтоклав помещали 0,5 масс. % катализатора NaY-MMM, активированного триэтиламином (NaY:ТЭА = 50:1), 10 ммолей пальмитиновой кислоты и 50 ммолей диметилкарбоната, автоклав герметично закрывали и нагревали при 150°С в течение 3 часов при перемешивании. После окончания реакции микроавтоклав охлаждали до комнатной температуры, вскрывали, после обработки реакционной массы, как указано выше, был выделен метилпальмитат с выходом 96%.

Полученный метилпальмитат имел т.пл. 32-33°С (метанол). Спектр ЯМР ¹³С (CDCl₃), δ, м.д.: 14.04 (СН₃), 22.688 (С¹⁵), 29.253 (С⁵), 29361 (С¹²), 29.448 (С¹³), 29.539 (С⁴), 29.675 (С^6,7,8,9), 31925 (С¹⁴), 34.115 (С²), 51.431 (ОСН₃), 174.397 (С=O). Масс-спектр, m/z (J_отн, %): 270 [М]⁺ (11), 239 (5), 227 (10), 213 (2), 199(3), 185 (3), 171 (2), 157 (1), 143 (10), 129 (5), 115 (2), 101 (5), 97 (5), 88 (5), 87 (63), 74 (100), 71 (5), 69 (12), 57 (13), 55 (21), 43 (35). 41 (25). Найдено, %: С 75.38; Н 12.59. C₁₇H₃₄O₂. Вычислено, %: С 75.50; Н 12.67.

Другие примеры, подтверждающие способ, приведены в таблице 3.