DE10358922A1

DE10358922A1 - Enzymatische Acrylierung von Arylketonen

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Publication number: DE10358922A1
Application number: DE2003158922
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. Häring; Holger Dr. Schöpke; Bernhard Dr. Hauer; Sylke Dr. Haremza; Dominik Dr. Winter
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-28
Also published as: WO2005059151A3; WO2005059151A2

Abstract

Verfahren zur enzymkatalysierten Herstellung von (Alk)acrylaten der allgemeinen Formel (I) DOLLAR F1 durch Veresterung oder Umesterung von Arylketonen der allgemeinen Formel (II) DOLLAR F2 mit (Alk)acrylsäure, einem (Alk)acrylsäureester der allgemeinen Formel (III) oder einem (Alk)acrylsäureanhydrid der allgemeinen Formel (IIIa) DOLLAR F3 in Gegenwart eines die Veresterung bzw. Umesterung katalysierenden Enzyms.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymkatalysierten Herstellung von (Alk)acrylaten, insbesondere von (Meth)acrylaten.

Ester der (Meth)acrylsäure werden üblicherweise durch säurekatalysierte Veresterung von (Meth)acrylsäure mit dem entsprechenden Alkohol bei Temperaturen > 100°C hergestellt, wobei das entstehende Reaktionswasser mit einem Schleppmittel durch azeotrope Destillation entfernt wird.

US 3,365,421 beschreibt die Herstellung der nachstehenden Verbindung (Ia)

durch Umsetzung von 2-Hydroxy-4-(2-hydroxyethoxy)benzophenon mit Acrylsäure in Benzol in Gegenwart katalytischer Mengen para-Toluolsulfonsäure. Dabei wird in Gegenwart von Hydrochinon als Stabilisator gearbeitet und das gebildete Reaktionswasser azeotrop abdestilliert. Nach Beendigung der Reaktion wird Benzol abdestilliert und das Produkt mit Cyclohexan ausgefällt. Durch Umsetzung mit Methacrylsäure wird das entsprechende Methacrylat erhalten.

Verbindungen vom Typ der Verbindung (Ia) sind insbesondere als UV-Stabilisatoren von Bedeutung.

Nachteilig an der säurekatalysierten, chemischen Veresterung von (Meth)acrylsäure sind die hohen Temperaturen von im Allgemeinen > 100°C, welche zur Bildung von Nebenprodukten führen, welche für die Verfärbung der erhaltenen (Meth)acrylate ursächlich sind. Ebenfalls ist im Allgemeinen die Gegenwart von Stabilisatoren erforderlich. Ferner führen die sauren Bedingungen der Veresterung zur Bildung von Nebenprodukten durch Umlagerungen und Umesterungen. Ein weiterer Nachteil der säurekatalysierten chemischen Veresterung ist die geringe Selektivität der Reaktion bei Vorliegen von mehreren, chemisch verschiedenen OH-Gruppen.

Es ist bekannt, (Meth)acrylsäureester durch enzymkatalysierte Veresterung oder Um esterung von Alkoholen mit Acrylsäure oder Alkylacrylaten herzustellen.

Warwel et al., Biotechnol. Lett. 196, 10, S. 283–286 beschreiben die enzymatische Umesterung von gesättigten und ungesättigten Fettalkoholen mit Methyl- oder Ethylacrylat.

Nurok et al., J. Mol. Cat. B Enzym. 1999, 7, S. 273–282 beschreiben die Lipasekatalysierte Umesterung von 1-Ethylhexanol mit Methylacrylat.

Hajjar et al., Biotechnol., Lett. 1990, 12, S. 825–830 beschreiben die enzymatische Umesterung von cyclischen und offenkettigen Alkandiolen mit Ethylacrylat.

Tor et al., Enzym. Microb. Technol. 1990, 12, S. 299–304 beschreiben die Umesterung von Ethylenglykol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Propylenglykol, 1,4-Butandiol und Glycerin mit Methyl- oder Ethyl(meth)acrylat. Die Umesterung wird von der Esterase aus Schweineleber (PLE) katalysiert, die mit Glutardialdehyd und Polyacrylamid-Hydrazid behandelt wurde. Die spezielle Vorbehandlung des Enzyms ist notwendig, um es gegenüber der wässrigen Substratlösung zu stabilisieren.

EP-A 0 999 229 offenbart die Lipase-katalysierte Veresterung bzw. Umesterung von (Meth)acrylsäure oder Alkyl(meth)acrylaten mit Polyoxyalkylenen wie Polyethylenglykol.

Goede et al., Biocatalysis 1994, 9, S. 145–155 beschreiben die enzymatische Umesterung von Alkylglucosiden zu (6-O-Acryloyl)alkylglucosiden.

Athawale et al., Tetrahedron Lett. 2002, 43, S. 4797–4800 beschreiben die Lipasekatalysierte Umesterung der Terpenalkohole Geraniol und Nerol mit Methylmethacrylat.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von (Alk)acrylaten der allgemeinen Formel (I)

worin bedeuten:

wobei R in R_n gleich oder verschieden sein können,
R¹ einen unsubstituierten oder mit linearem oder verzweigtem C₁-C₁₂-Alkyl, C₁-C₁₂-Alkoxy, C₁-C₁₂-Alkylthio, OH, Di(C₁-C₄-alkyl)amino, Phenyl, Benzyl und/oder Morpholin-4-yl ein oder mehrfach substituierten Phenylrest, -CR⁵R⁶R⁷
worin R⁵, R⁶ und R⁷ gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl, C₁-C₁₂-Alkoxy, C₅-C₈-Cycloalkyl, OH, Di(C₁-C₄-alkyl)amino, Phenyl oder Benzyl bedeuten, wobei auch zwei der Reste R⁵, R⁶ und R⁷ zu C₅-C₈-Cycloalkyl verbunden sein können,
R² H, OH, lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl, Phenyl, Benzyl,

R³ H oder lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl,
Z -CO-, -O-CO- oder -NH-CO-,
n 0 bis 30,
x 0 oder 1
bereitzustellen, welches selektiv ist und die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur emzymkatalysierten Herstellung von (Alk)acrylaten der allgemeinen Formel (I) durch Veresterung oder Umesterung von Arylketonen der allgemeinen Formel (II)

worin R_n, R¹, R², Z, X und n die oben angegebene Bedeutung haben, mit (Alk)acrylsäure oder einem (Alk)acrylsäureester der allgemeinen Formel (III) oder (Alk)acrylsäureanhydrid der allgemeinen Formel (IIIa)

worin
R⁴ H oder einen C₁-C₃₀-Alkylrest bedeutet und
R³ die oben angegebene Bedeutung hat,
in Gegenwart eines die Veresterung bzw. Umesterung katalysierenden Enzyms.

Enthält R¹ als Substituenten C₁-C₁₂-Alkyl, C₁-C₁₂-Alkoxy oder C₁-C₁₂-Alkylthio, so ist als Alkylrest lineares oder verzweigtes C₁-C₄-Alkyl (Methyl, Ethyl, n-Propyl, iso-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, iso-Butyl und tert.-Butyl) bevorzugt, besonders bevorzugt ist Methyl. Das Gleiche gilt für den Fall, dass R² oder R³ C₁-C₁₂-Alkyl ist. Bevorzugtes Di(C₁-C₄-alkyl)amino ist Dimethylamino. Bevorzugtes R² ist H oder OH, bevorzugtes R³ ist H oder Methyl. Ist R¹ substituiertes Phenyl, so ist es bevorzugt 1–3-fach substituiert. n in R_n ist bevorzugt 1 bis 10, besonders bevorzugt 1 bis 3.

Vorzugsweise ist R¹ ausgewählt aus den nachstehenden Resten

Beispiele für Arylketone (II) sind die nachstehenden Verbindungen (IIa) bis (IIg).

mit n = 1, 2 oder 3.

Geeignete (Alk)acrylsäurederivate, welche zur Veresterung bzw. Umesterung der Verbindungen (II) eingesetzt werden können, sind die (Alk)acrylsäuren selbst, deren Anhydride sowie (Alk)acrylsäureester von C₁-C₃₀-Alkanolen. Bevorzugt sind C₁-C₆-(Meth)acrylate, besonders bevorzugt sind Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- und 2-Ethylhexyl(meth)acrylat, sowie Anhydride der (Meth)acrylsäure.

Im Allgemeinen werden die (Alk)acrylsäure bzw. das (Alk)acrylat im molaren Überschuss eingesetzt. Vorzugsweise beträgt das Molverhältnis (Alk)acrylsäureverbindung (III) zu Verbindung (II) von 50 : 1 bis 1 : 1, insbesondere von 20 : 1 bis 3 : 1.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Enzym ist eine Hydrolase (E.C.3.-.-.-), vorzugsweise eine Esterase (E.C. 3.1.-.-), Glykosylase (E.C. 3.2.-.-) oder Protease (E.C. 3.4.-.-), insbesondere eine Lipase (E.C.3.1.1.3) in freier oder immobilisierter Form. Besonders bevorzugt sind Novozyme 435 (Lipase aus Candida antarctica B) oder Lipase aus Achromobacter sp., Alcaligenes spl., Aspergillus sp., Burkholderia sp., Candida sp., Mucor sp., Penicillium sp., Pseudomonas sp., Rhizopus sp., Thermomyces sp., Weizenkeimen oder Schweinepankreas. Das Enzym wird im Allgemeinen in Mengen von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf die Verbindung (II), eingesetzt.

Die Umsetzung kann in einem zusätzlichen organischen Lösungsmittel oder in Abwesenheit eines zusätzlichen organischen Lösungsmittels durchgeführt werden. Geeignete organische Lösungsmittel sind beispielsweise Methyl-tert.-butylether, THF, Toluol, 1,3-Dioxolan, Aceton, 1,4-Dioxan, Dimethoxyethan, Cyclohexan, Methylcyclohexan, Toluol, Hexan sowie deren Mischungen. Die Umsetzung kann auch in dem (Alk)acrylsäurederivat (III) als einzigem Lösungsmittel durchgeführt werden, vorzugsweise wird sie in dem (Alk)acrylsäurederivat (III) als Lösungsmittel durchgeführt. Dabei beträgt der Wassergehalt des Reaktionsansatzes vorzugsweise ≤ 5 Vol.-%.

Die Umsetzung wird im Allgemeinen bei einer Temperatur von 0 bis 100°C, vorzugsweise von 20 bis 80°C durchgeführt.

Vorzugsweise wird das bei der Umsetzung freiwerdende Reaktionswasser bzw. der freiwerdende Alkohol R⁴OH in geeigneter Weise aus dem Reaktionsgleichgewicht, vorzugsweise kontinuierlich, entfernt. Die Abtrennung kann mittels Molekularsieben, Destillation im Vakuum oder mittels geeigneter semipermeabler Membranen erfolgen.

Die Umsetzungsdauer liegt üblicherweise im Bereich von etwa 3 bis 72 h.

Die Umsetzung zeichnet sich durch eine sehr hohe Selektivität aus. So werden die an die (Poly)etherol-Kette gebundenen OH-Gruppen verestert, während phenolische oder tertiäre OH-Gruppen nicht verestert werden.

Die so hergestellten (Alk)acrylate (I) können als Photoinitiatoren verwendet werden. Da sie keine Verfärbungen aufweisen, sind sie insbesondere für die Verwendung in Lackformulierungen geeignet.

Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1a
In einem Rundkolben wurden 0,4 mol 2-Hydroxy-4-(2'-hydroxyethoxy)benzophenon 1 (103,3 g), 8.0 mol Methylacrylat (688,7 g) und 4,0 g Novozym 435 (immobilisierte Lipase aus Candida antarctica Typ B, Fa. Novozymes, Dänemark) vermischt und während 24 h bei 40°C gerührt. Das immobilisierte Enzym wurde abfiltriert und der Überschuss Methylacrylat am Rotationsverdampfer im Vakuum entfernt.
Man erhielt 115,9 g (93 % Ausbeute) eines orange-farbenen Öls, das langsam auskristallisierte. Die NMR-Analytik bestätigte die Struktur 2. Die GC-Analytik ergab einen Gehalt von 99 % des acrylierten Benzophenons 2 und eine Restgehalt des Edukts 1 von 1 %. Dieses Produkt wurde ohne weitere Aufarbeitung weiterverwendet.
Beispiel 1b
Der Ansatz 1a wurde verdoppelt und 24 h bei 40°C gerührt. Das Enzym wurde abfiltriert und das Filtrat (1 gelöst in Methylacrylat) ohne weitere Aufarbeitung eingesetzt. Die GC-Analytik ergab einen Umsatz von nahezu 100 % des acrylierten Benzophenons 2 und einen Restgehalt des Edukts 1 von < 0,1 %.
Beispiel 1c
Eine Mischung von 2 mmol 2-Hydroxy-4-(2'-hydroxyethoxy)benzophenon 1 (517 mg), verschiedenen Mengen Methacrylat und 20 mg Novozym 435 wurden 24, 36 oder 72 h bei 20, 40 oder 60°C geschüttelt. Der Umsatz wurde nach Abfiltrieren des Enzym gaschromatographisch bestimmt. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 1 bis 3 wiedergegeben.
Tabelle 1 Umsätze bei 20°C
Tabelle 2 Umsätze bei 40°C
Tabelle 3 Umsätze bei 60°C
Beispiel 2
In einem Rundkolben wurden 30 mmol 2-Hydroxy-4'-hydroxyethoxymethylpropiophenon 3 (6,73 g), 300 mmol Methylacrylat (25,83 g), 6,0 g Molsieb-Pulver 5 Å und 300 mg Novozym 435 (immobilisierte Lipase aus Candida antarctica Typ B) vermischt und während 24 h bei 20°C gerührt. Nach Filtration wurde der Überschuss Methylacrylat am Rotationsverdampfer im Vakuum entfernt.
Man erhielt 7,24 g (87 % Ausbeute) eines farblosen, kristallinen Pulvers. Die NMR-Analytik bestätigte die Struktur 4. Die GC-Analytik ergab einen Gehalt von 99,3 % des acrylierten Benzophenons 4 und einen Restgehalt des Edukts 3 von 0,7 %. Dieses Produkt wurde ohne weitere Aufarbeitung weiterverwendet.

Claims

Verfahren zur enzymkatalysierten Herstellung von (Alk)acrylaten der allgemeinen Formel (I)
worin bedeuten:
wobei R in R_n gleich oder verschieden sein können, R¹ einen unsubstituierten oder mit linearem oder verzweigtem C₁-C₁₂-Alkyl, C₁-C₁₂-Alkoxy, C₁-C₁₂-Alkylthio, OH, Di(C₁-C₄-alkyl)amino, Phenyl, Benzyl und/oder Morpholin-4-yl ein oder mehrfach substituierten Phenylrest, -CR⁵R⁶R⁷ worin R⁵, R⁶ und R⁷ gleich oder verschieden sind und Wasserstoff, lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl, C₁-C₁₂-Alkoxy, C₅-C₈-Cycloalkyl, OH, Di(C₁-C₄-alkyl)amino, Phenyl oder Benzyl bedeuten, wobei auch zwei der Reste R⁵, R⁶ und R⁷ zu C₅-C₈-Cycloalkyl verbunden sein können, R² H, OH, lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl, Phenyl, Benzyl,
R³H oder lineares oder verzweigtes C₁-C₁₂-Alkyl, Z -CO-, -O-CO- oder -NH-CO-, n 1 bis 30, x 0 oder 1 durch Veresterung oder Umesterung von Arylketonen der allgemeinen Formel (II)
worin R_n, R¹, R², Z, X und n die oben angegebene Bedeutung haben, mit (Alk)acrylsäure, einem (Alk)acrylsäureester der allgemeinen Formel (III) oder einem (Alk)acrylsäureanhydrid der allgemeinen Formel (IIIa)
worin R⁴ H oder einen C₁-C₃₀-Alkylrest bedeutet und R³ die oben angegebene Bedeutung hat, in Gegenwart eines die Veresterung bzw. Umesterung katalysierenden Enzyms.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass R¹ ausgewählt ist aus den nachstehenden Resten
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das (Alk)acrylat (III) ausgewählt ist aus Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl-, 2-Ethylhexyl(meth)acrylat und (Meth)acrylsäureanhydrid.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veresterung bzw. Umesterung in einem separaten Lösungsmittel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Veresterung bzw. Umesterung in dem (Alk)acrylsäurederivat (III) als Lösungsmittel durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das die Veresterung bzw. Umesterung katalysierende Enzym ausgewählt ist aus Lipasen, Esterasen oder Proteasen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Arylketone (II) ausgewählt sind aus den nachstehenden Verbindungen (IIa) – (IIg)

mit n = 1, 2 oder 3.
(Alk)acrylate der allgemeinen Formel (I), herstellbar nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verwendung von (Alk)acrylaten gemäß Anspruch 8 als Photoinitiatoren.
Verwendung von (Alk)acrylaten gemäß Anspruch 8 in Lackformulierungen.