ES2326330T3 - Metodo para la produccion de mentol. - Google Patents

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Eike Johannes Bergner
Klaus Ebel
Thorsten Johann
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Abstract

Método para la producción de mentol ópticamente activo proveniente de geraniol o nerol o mezclas de geraniol y nerol en el que a) se hidrogena de manera enantioselectiva geraniol o nerol o mezcla de geraniol y nerol hasta dar citronelol ópticamente activo, b) se hace reaccionar el citronelol ópticamente activo así obtenido hasta dar citronelal ópticamente activo, c) se transforma en ciclo el citronelal ópticamente activo así obtenido hasta una mezcla de sustancias que contiene isopulegol ópticamente activo y d) se separa el isopulegol ópticamente activo de la mezcla de sustancias así obtenida y se le hidrogena hasta mentol ópticamente activo o se hidrogena el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias así obtenida hasta mentol ópticamente activo y el mentol ópticamente activo así obtenido es separado de la mezcla de sustancias obtenida como producto de la hidrogenación.

Description

Método para la producción de mentol.
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un método para la producción de mentol ópticamente activo, resultante del geraniol o nerol o mezclas de geraniol y nerol.
El mentol representa una de las sustancias químicas aromatizantes más importante, cuya mayor parte todavía es aislada de fuentes naturales. De allí que existe una continua necesidad de optimización del acceso totalmente sintético al mentol a escala técnica industrial, en particular el enantiómero L-mentol que se encuentra en forma natural, respecto a la rentabilidad del método. En particular, la síntesis del L-mentol proveniente de reactivos baratos no quirales representa por ello todavía un reto.
Para la síntesis de L-mentol pueden seguirse dos estrategias: por un lado obtener una mezcla racémica de mentol, a la cual se puede acceder por ejemplo mediante hidrogenación de timol, después una esterificación mediante separación del racemato (por cristalización o resolución enzimática), como se describe por ejemplo en la EP-A 0 743 295, la EP-A 0563611 o la EP-A 1 223 223. Por otro lado, también se pueden seguir estrategias de síntesis asimétrica, las cuales contienen una etapa de síntesis enantioselectiva.
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Estado de la técnica
K. Tani et al. describen en J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1982, 11, 600-601 la síntesis asimétrica de L-mentol proveniente de dietilgeranilamina. En ello, se isomeriza la dietilgeranilamina en presencia de un complejo catiónico Rh(I) como catalizador hasta dar la correspondiente enamina ópticamente activa.
La JP-A 53-116348 divulga la producción de L-isopulegol, un precursor del mentol, mediante formación de ciclo de L-isopulegol por formación selectiva del ciclo de D-citronelal en presencia de bromuro de zinc como catalizador.
S. Akutagawa describe en Topics in Catalysis 4 (1997) 271- 274 la síntesis del L-mentol mediante formación enatioselectiva del isómero de alilaminas hasta dar enaminas con Rh-BINAP (2,2'-Bis(difenilfosfino)-1,1'-binaftilo) como catalizador.
R. Noyori et al. describen en J. Am. Chem. Soc. 1987, 109, 1596-1597 y en Organic Syntses 1995, 72, 74-85 la hidrogenación asimétrica del geraniol por medio de un catalizador Ru-BINAP.
La US 6,342,644 divulga un método para la síntesis asimétrica de L-mentol mediante hidrogenación enantioselectiva del piperitenon como etapa clave.
R. NOYORI divulga en Angew. Chem. Int. Ed., vol. 41, 2002, páginas 2008-2022 un proceso de cinco etapas que abarca la etapa a) adición regio- y estereoselectiva de dietilamida de litio sobre mirceno para obtener N, N-Dietilgeranil-amina, b) formación asimétrica de isómeros de N,N-dietilgeranil-amina en presencia de rodio (S)-BINAP hasta dar (R)-citronelil-enamina, c) hidrólisis ácida de la (R)-citronelil-enamina hasta dar (R)-citronelal, d) formación de ciclo en presencia de ZnBr_{2} como ácido Lewis hasta dar L-isopulegol y e) hidrogenación catalítica hasta L-mentol.
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Objetivo de la invención
La presente invención basó el objetivo en un método para poner a disposición la síntesis asimétrica de mentol ópticamente activo proveniente de una sustancia o sustancias de partida baratas, no quirales y por parte su sintéticamente bien accesibles, es decir que no necesariamente deben ser aisladas a partir de fuentes naturales.
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Descripción de la invención así como de las formas preferidas de operar
De acuerdo con la invención, el objetivo fue logrado poniendo a disposición un método para la producción de mentol ópticamente activo resultante de geraniol o nerol o mezclas de geraniol y nerol en las que
a)
se hidrogenan de manera enantioselectiva geraniol o nerol o mezclas de geraniol y nerol hasta dar citronelol ópticamente activo,
b)
se transforma el citronelol ópticamente activo así obtenido hasta dar citronelal ópticamente activo,
c)
el citronelal ópticamente activo así obtenido es transformado en ciclo hasta obtener una mezcla de sustancias que contienen isopulegol ópticamente activo y
d)
se separa el isopulegol ópticamente activo a partir de la mezcla de sustancias obtenida y se hidrogena hasta mentol ópticamente activo, o se hidrogena el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias así obtenida hasta mentol ópticamente activo y se separa el mentol ópticamente activo así obtenido, a partir de la mezcla de sustancias obtenida como producto de la hidrogenación.
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Como sustancia o bien sustancias de partida para la ejecución del método acorde con la invención, sirven los compuestos geraniol de la fórmula (I) y/o nerol de la fórmula (II)
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en cada caso como tal o en forma de mezcla de ellas. En ello, los compuestos individuales a ser empleados o las mezclas de ellos a ser empleadas pueden contener pequeñas cantidades, preferiblemente hasta aproximadamente 5% en peso, preferiblemente hasta aproximadamente 3% en peso de otros compuestos o bien impurezas, como por ejemplo solvente remanente, agua o productos secundarios de las etapas previas de síntesis.
Un sustancia de partida preferida es el geraniol, en particular el que tiene una pureza de por lo menos 95% en peso, el cual contiene como contaminante principal el nerol. Típicamente, se emplea geraniol, el cual contiene hasta aproximadamente 0,1 a 5% en peso de nerol. Tal mezcla de los mencionados compuestos surge por ejemplo en la síntesis técnica del geraniol mediante hidrogenación selectiva de citral seguida de purificación mediante destilación, como se describe por ejemplo en EP- A 1 317 959, EP-A 1 318 129, DE-A 31 38423 o DE-A 101 60 143.
En otra forma de operar del método acorde con la invención, también se emplea la mezcla apropiada de nerol, es decir nerol que contiene hasta aproximadamente 0.1 a 10% en peso de geraniol o también se emplea como materia prima nerol puro.
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Descripción de la etapa a): hidrogenación enantioselectiva
En una primera etapa del método acorde con la invención, se hidrogenan de manera enantioselectiva las materias primas mencionadas, preferiblemente geraniol, hasta dar citronelol ópticamente activo de la fórmula (III).
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Bajo el concepto de citronelol ópticamente se entiende en ello el citronelol que está compuesto predominantemente de uno de los dos posibles enantiómeros de citronelol. En el marco de la presente invención, preferiblemente se entiende por citronelol ópticamente activo el citronelol que exhibe un exceso de enantiómero (ee) de por lo menos 90% ee, preferiblemente de aproximadamente 95 a 99% ee. En ello, dependiendo de las condiciones elegidas de reacción, en particular dependiendo del catalizador empleado, el átomo de carbono asimétrico caracterizado por (*) en la fórmula (III) puede estar presente en la configuración R o S.
La hidrogenación enantioselectiva es ejecutada en la forma conocida por los expertos en presencia de un catalizador adecuado así como en presencia de hidrógeno. Se considera catalizadores adecuados, los que están en capacidad de hidrogenar de manera enantioselectiva dobles enlaces etilénicos sustituidos tres veces, en particular aquellos que son vecinales de un grupo hidroxilo.
Preferiblemente, se realiza la mencionada hidrogenación enantioselectiva según la etapa a) en presencia de un catalizador homogéneo de metal de transición, el cual incluye Ru, Rh o Ir así como un ligando quiral que exhibe por lo menos un átomo de fósforo, arsénico y/o antimonio, preferiblemente por lo menos un átomo de fósforo. Tales catalizadores son, como se menciona principio, conocidos y por ejemplo descritos en T. Ohkuma et al. Asymmetric Synt. (2nd Ed.) 1999, 1-110; Dep. Chem., Res. Cent. Mater. Sci., Nagoya 464, Japan o W. Tang et al. Chem. Rev. 2003, 103, 3029-3069.
Como ligandos, se preferidos en particular compuestos que contienen fósforo con la capacidad de formar atropisómeros respecto al segundo sistema arilo o bien hetarilo según las siguientes fórmulas generales (IV) a (VI):
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donde los radicales R1 a R10, R5' a R8' así como X y X' tienen los siguientes significados:
R1, R2 pueden ser iguales o diferentes y pueden significar arilo, heteroarilo, alquilo, cicloalquilo con 1 a 20 átomos de carbono sustituidos o no sustituidos por halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}- o alcoxi C_{1}- a C_{6}-;
R3, R4 pueden ser iguales o diferentes y puede significar arilo, heteroarilo, alquilo, cicloalquilo con 1 a 20 átomos de carbono sustituidos o no sustituidos por halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}- o alcoxi C_{1}- a C_{6}-;
R5, R5' pueden ser iguales o diferentes y pueden significar hidrógeno, halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}-, arilo C_{6}- a C_{10}-, alcoxi C_{1}- a C_{6}-, amino o tio;
R6, R6' pueden ser iguales o diferentes y pueden significar hidrógeno, halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}-; arilo C_{6}- a C_{10}-, alcoxi C_{1}- a C_{6}-, amino o tio;
R7, R7' pueden ser iguales o diferentes y pueden significar hidrógeno, halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}-, arilo C_{6}- a C_{10}-, alcoxi C_{1}- a C_{6}-, amino o tio;
donde R6 y R7 (en caso de que ambos estén presentes) y/o R6' y R7' (en caso de que ambos estén presentes) pueden formar en cada caso conjuntamente uno o varios anillos, los cuales pueden contener otros 1 o 2 dobles enlaces y/o uno o varios heteroátomos elegidos de entre el grupo de heteroátomos N, O, S;
R8, R8' pueden ser iguales o diferentes y pueden significar hidrógeno, halógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}-, arilo C_{6}- a C_{10}-, alcoxi C_{1}- a C_{6}-, amino o tio;
X, X' pueden ser iguales o diferentes y significan S, O o NR9, donde
R9 es hidrógeno, alquilo C_{1}- a C_{6}-, arilo C_{6}- a C_{10}-, acilo C_{1}- a C_{6}- o SO_{2}R10, donde
R10 significa arilo C_{6}- a C_{10}-, alquilo C_{1}- a C_{6}-, fluoroalquilo C_{1}- a C_{6}-, en particular CF_{3} y por halógeno se entiende flúor, cloro, bromo o yodo, en particular flúor o cloro.
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Bajo el concepto de alquilo C_{1}-C_{6}- se entienden en ello radicales alquilo de cadena recta, ramificada o cíclica con 1 a 6 átomos de carbono como por ejemplo metilo, etilo, propilo, isopropilo, n-butilo, isobutilo, tert.-butilo, n-pentilo, isopentilo, neopentilo, ciclopentilo, n-hexilo, ciclohexilo.
Por alcoxi C_{1}- a C_{6}-se entienden sustituyentes alcoxi de cadena recta o ramificada con 1 a 6 átomos de carbono, como por ejemplo metoxi, etoxi, propoxi, isopropoxi.
Arilo C_{6}- a C_{10}- significan fenilo o naftilo; por heteroarilo se entiende en particular piridilo o tiofenilo.
El concepto amino significa -NH_{2}, -NHR11 o -NR11, R12, donde R11, R12 independientemente uno de otro pueden significar en cada caso al alquilo C1-C6-.
Bajo el concepto tio se entienden tanto grupos tiol -SH libres como también tioeter -SR11.
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Son ligandos particularmente bien adecuados para los sistemas de catalizador que se emplean preferiblemente en la etapa a) del método acorde con la invención, los siguientes ligandos conocidos a partir de la literatura (1) a (43):
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En ello, "tol" representa toluilo, "xil" representa xililo y "ci" representa ciclohexilo.
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Además entran en consideración como ligandos también los ligandos de aminofosfina según la siguiente estructura general (VII):
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donde
R1, R2 puede tener el significado arriba indicado y
Ar significa arilo C_{6}- a C_{10}-o -heteroarilo.
En ello, se emplean preferiblemente los ligandos mencionados en la forma de enantiómeros. En particular, se prefiere un catalizador que contiene Ru y un ligando, elegido de entre el grupo de los ligandos 2,2'- bis(difenilfosfino-1,1'-binaftilo (BINAP), 2,2'-bis[di(p-toluil)fosfino]-1,1'-binaftilo (p-tol-BINAP), 2,2'-bis(difenilfosfino)-4,4',6,6'-tetrametil-3,3'-bibenzo[b]tiofeno (tetraMetianp), 2,2'-bis-(difenilfosfino)-3,3'-tetrametil-3,3'-bibenzo[b]tiofeno (bitianp). Además, se prefiere un catalizador que contiene Ru y BINAP (2,2'-bis (difenilfosfino- . 1,1'-binaftilo) (estructura (1)) o p-tol-BINAP (2,2'-bis[di(p-toluil)fosfino]-1,1'-binaftilo) (estructura (2)), en particular (S)-BINAP.
Los compuestos y complejos de metales de transición mencionados y otros adecuados son conocidos y descritos en la literatura o pueden ser producidos por el experto de forma análoga a los compuestos la conocidos.
Como es sabido por los expertos, dependiendo de la elección de la forma enantiomérica del ligando quiral empleado así como dependiendo de la configuración del doble enlace que va ser hidrogenado, pueden obtenerse los dos enantiómeros de citronelal preferiblemente deseados. De este modo, por ejemplo mediante hidrogenación de geraniol en presencia de un catalizador que contiene Ru y (S)-BINAP se obtiene preferiblemente D-(R)-citronelol.
Si para la hidrogenación asimétrica de geraniol o bien de nerol con los ligandos previamente mencionados de aminofosfina se emplean complejos de iridio, como por ejemplo 2-amino-2'-diarilofosfino-1-1'-binaftilo (SMAP), 2-amino-2'-diarilofosfinil-1-1'-binaftilo o 2-carbamoil-2'-diarilofosfinil-1-1'-binaftilo, entonces puede trabajarse tanto con nerol o geraniol puros o incluso una mezcla 1 : 1 de ambos terpenalcoholes, como se describe en la EP-A 1 013 658.
Los catalizadores mencionados pueden ser empleados como compuestos listos, parcialmente obtenibles en el comercio o ser producidos en la forma de por si conocida por los expertos, ante todo a partir de compuestos precursores. Son compuestos precursores adecuados para la producción de complejos que contienen Ru, por ejemplo [RuCl_{2} (benceno)]_{2}, Ru(acac)_{3}, (RuCl_{2}(COD)], donde por acac se entiende acetolacetonato y por COD se entiende ciclooctadieno.
En el marco del método acorde con la invención, como catalizadores que son empleados se producen in situ comúnmente complejos quirales de rutenio en los que el compuesto precursor elegido es puesto en contacto en un solvente orgánico adecuado con el ligando quiral elegido, y con exclusión de oxígeno, es decir preferiblemente bajo atmósfera de gas inerte. En ello, pueden ser ventajoso añadir la mezcla de sales de metal alcalino o alcalinoterreo de ácido acético o bien ácido trifluoroacético o también ácido acético o bien ácido trifluoroacético como tales.
La relación molar de rutenio empleado (referido a los átomos de Ru presentes en el compuesto precursor) al ligando quiral empleado asciende comúnmente a aproximadamente 1:1 1 a aproximadamente 2:1, preferiblemente cerca de 1:1,05 a aproximadamente 1:1,5.
Como solvente particularmente adecuado para la producción in situ del catalizador como también para la ejecución de la hidrogenación enantioselectiva acorde con la invención, se han probado alcanoles como por ejemplo metanol, etanol y/o isopropanol, y también alcanodioles como por ejemplo etilenglicol, dietilenglicol, trietilenglicol y/o tripropilenglicol. Además, la hidrogenación puede ser realizada con buen éxito también sin adición de solvente, es decir en el compuesto de partida puro.
En particular, se ejecuta la hidrogenación enantioselectiva según la etapa a) de manera que como solvente se emplea metanol. En la hidrogenación enantioselectiva acorde con la invención de geraniol hasta citronelol se emplea ventajosamente una solución de 1 a 50% en peso de geraniol en mentol. Preferiblemente se emplea una solución de 3 a 20% en peso, en particular preferiblemente 7 a 12% en peso de geraniol en metanol.
Comúnmente, la mencionada hidrogenación es llevada a cabo en un rango de temperatura de 1 a 60ºC, preferiblemente de 20 a 50ºC y particularmente preferido de 35 a 45ºC y bajo una presión de hidrógeno de 10 a 150 bar, preferiblemente de 70 a 120 bar. Sobre los recipientes de reacción o bien reactores empleados no se plantean particulares reivindicaciones. Son adecuadas todas las formas apropiadas para los expertos, que surgen para la ejecución de reacciones a presiones elevadas y temperaturas elevadas, que garanticen un buen mezclado de la mezcla de reacción.
Mediante las disposiciones mencionadas se realiza la hidrogenación enantioslectiva acorde con la invención de geraniol o bien nerol hasta citronelal ópticamente activo de una manera particularmente económica, en particular en las reacciones a escala industrial. Dependiendo de la elección de las materias primas, catalizadores y condiciones de reacción se logran valores de retorno (Turnover-Numbers, TON) de hasta 10000.
El citronelal obtenido de acuerdo a lo descrito anteriormente puede ser purificado adicionalmente de acuerdo con todos los métodos y procedimientos conocidos por los expertos, en particular mediante destilación.
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Descripción de la etapa b): reacción hasta dar citronelal ópticamente activo
En una segunda etapa b) del método acorde con la invención, se hace reaccionar el citronelol ópticamente activo obtenido como se describió anteriormente en la etapa a), hasta citronelal ópticamente activo de la fórmula (VIII).
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Para ello son adecuados todos los métodos, procedimientos o bien reacciones (en lo que sigue transformaciones) en las que se garantice que se mantiene en gran parte el exceso de enantiómero (ee) del citronelol ópticamente activo, logrado en la hidrogenación enantioselectiva según la etapa a). En consecuencia, para la ejecución de la etapa b) del método acorde con la invención son adecuadas todas las transformaciones en las cuales se obtiene citronelal, cuyo exceso de enantiómero (ee) corresponde por lo menos al 80%, preferiblemente por lo menos al 90%, en particular 95 a 100% del exceso de enantiómero empleado en el citronelol obtenido en la etapa a).
Son reacciones adecuadas para llevar a cabo la oxidación o bien deshidrogenación acorde la invención del citronelal ópticamente activo hasta citronelol ópticamente activo, por ejemplo la oxidación con oxígeno atmosférico bajo catálisis con Fe(NO_{3})_{3}-FeBr_{3} como por ejemplo es descrito por S. E. Martin et al. en Tetrahedron Lett. 2003, 44, 549-552; la oxidación TEMPO en líquidos iónicos, como por ejemplo es descrito por 1. A. Ansari et al. en Organic Letters, 2002, 4, 1507-1509; la oxidación aeróbica catalizada por cobre con TEMPO en un sistema de dos fases con solventes fluorados, como por ejemplo es descrito por G. Ragagnin et al. en Tetrahedron, 2002, 58, 3985-3991; la oxidación aeróbica catalizada por rutenio con TEMPO, por ejemplo según A. Dijksman et al., Chem. Commun., 1999, 1591-1591; la oxidación selectiva de alcoholes ópticamente activos con dimetildioxirano, como es descrito por ejemplo por L. D'Accolti et al. en Org. Chem. 1998, 58, 3600-3601 o la oxidación selectiva de alcoholes con NaOCl y cantidades catalíticas de TPAP, como se describe por L. Gonsalvi et al en Organic Letters, 2002, 4, 1659-1661.
Un método preferido en el marco de la presente invención para la reacción de citronelol ópticamente activo hasta citronelal ópticamente activo según la etapa b) es la deshidrogenación de citronelal ópticamente activo en presencia de un catalizador en fase gaseosa, como se describe en la inscripción internacional con el código de acta PCT/EP/05/002288, a la cual se hace referencia por la presente en toda su extensión.
Para la realización del método de deshidrogenación preferido acorde con la invención según la etapa b), es adecuada una gran multiplicidad de catalizadores, en particular aquellos catalizadores que contienen por lo menos uno de los elementos elegidos de entre el grupo de elementos zinc, calcio y cobre, en cada caso como tales por la forma de compuestos adecuados.
Aparte de los mencionados elementos, los catalizadores utilizables en la etapa b) de acuerdo con la invención pueden contener uno o varios elementos de los grupos 1, 2, 3, 4, 13 y/o 14, como por ejemplo Na, K, Mg, Ti, Zr, C, Si, y/o Ge.
Son particularmente adecuados para la ejecución del método de deshidrogenación preferido aquellos catalizadores que contienen zinc y calcio, preferiblemente en forma de óxido y/o en forma de su carbonato. En ello, se prefieren en particular aquellos catalizadores que contienen óxido de zinc y carbonato de calcio.
Son catalizadores preferidos para la realización del método de deshidrogenación aquellos cuyo componente activo está compuesto hasta por 30 a 60% en peso, preferiblemente hasta 40 a 50% en peso de óxido de zinc y hasta 40 a 70, preferiblemente hasta 50 a 60% en peso de carbonato de calcio. Entre ellos además se prefieren aquellos cuyo componente de carbonato de calcio está presente en la modificación calcita. Las fracciones de cantidad mencionadas se determinan a partir de la masa de catalizador calcinado, en la que el zinc y el calcio en cada caso están presentes en forma de su óxido.
Otros catalizadores utilizables para la deshidrogenación del citronelol ópticamente activo son los catalizadores que contienen cobre, en particular aquellos que contienen el cobre en un estado de oxidación > 0 en forma depositada sobre un soporte oxidado, como se describen en la DE-A 197 57 297. Como otros materiales de soporte entran en consideración por ejemplo también carbonato de calcio así como otros materiales de soporte adecuados.
En una forma preferida de operar, los catalizadores utilizables acorde con la invención exhiben una superficie específica según BET de 5 a 50, preferiblemente de 10 a 30 m^{2}/g.
Tal catalizador es obtenible por ejemplo mediante precipitación con una base de compuestos difícilmente solubles de zinc y calcio a partir de compuestos solubles en agua de zinc y calcio, y una subsiguiente incorporación en una forma de por sí conocida, donde
I.
como base se emplea un carbonato básico soluble en agua,
II.
si se desea, después de la precipitación se filtran los compuestos difícilmente solubles de zinc y calcio,
III.
se lavan los, en caso de desearse, compuestos filtrados de zinc y calcio,
IV.
se secan los compuestos lavados de zinc y calcio de la etapa III. para obtener un polvo, y a continuación
V.
se calcina el polvo de la etapa IV. a temperaturas de no más de 600ºC, y
VI.
en caso de desearse se comprime el polvo calcinado hasta dar formas moldeadas.
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Como sales de zinc y calcio solubles en agua pueden emplearse acetatos, sulfatos, nitratos, cloruros, preferiblemente nitratos como nitrato de zinc, acetato de zinc, sulfato de zinc, acetato de calcio, nitrato de calcio, preferiblemente nitrato de zinc y nitrato de calcio. Comúnmente se emplean soluciones acuosas de las sales correspondientes en concentraciones en el rango de 3 a 25, preferiblemente de 10 a 25, en particular 20% en peso.
Se elige la relación molar de zinc a calcio preferiblemente de manera que después de la calcinación el componente activo del catalizador consiste en 30 a 60% en peso de óxido de zinc y hasta 40 a 70% en peso de carbonato de calcio, el cual preferiblemente está presente en la modificación calcita.
Como base se emplean carbonatos básicos solubles en agua como carbonatos de metales alcalinos como carbonato de sodio, carbonato de potasio, hidrogenocarbonatos de metales alcalinos como hidrogenocarbonato de sodio, hidrogenocarbonato de potasio, carbonato de amonio o hidrogenocarbonato de amonio así como sus mezclas, preferiblemente carbonato de sodio, particularmente preferido en forma de su solución acuosa en concentraciones en general en el rango de 0,5 a 30, preferiblemente de 10 a 25 de base Gramm /100 de solución Gramm.
En general, se ejecuta la precipitación a temperaturas en el rango de 10 a 90ºC, preferiblemente de 40 a 80ºC. En caso de desearse, después de la precipitación puede separarse el precipitado por filtración. El precipitado separado por filtración es, en caso de desearse, lavado por regla general con agua, preferiblemente por el tiempo necesario hasta que ya no se detecta nitrato por la prueba del anillo de nitrato, y se le seca a continuación preferiblemente a una temperatura en el rango de 90 a 150ºC para obtener un polvo seco. El secado ocurre en capa estática o móvil, preferiblemente mediante secado por la atomización.
A continuación, se calcina el polvo seco preferiblemente en aire a temperaturas no superiores a 600ºC, preferiblemente en el rango de 300 a 600ºC, en particular de 400 a 475ºC. Según las observaciones hechas hasta ahora, un calentamiento largo por encima de 600ºC conduce a la formación de la modificación aragonita de CaCO_{3}. Entonces, un breve calentamiento por encima de 600ºC no es impedimento para la producción de los catalizadores utilizables de acuerdo con la invención, en tanto que no se forma aragonita (demostración por medio de difractometría de rayos X).
En caso de desearse, después de la calcinación puede comprimirse el polvo calcinado hasta formas moldeadas como tabletas, anillos, cilindros, etc., preferiblemente tabletas.
En una forma preferida de operar se comprime el polvo calcinado junto con grafito, preferiblemente con 0,1 a 5, particularmente preferido con 1 a 2,5, en particular 2% en peso, referido a la masa total de grafito.
En otra forma preferida de operar, se comprime el polvo no calcinado de la etapa III. (ver arriba) hasta formas moldeadas, preferiblemente hasta tabletas, tabletas anulares, tabletas de cazuela, como se describe en la US-6,518,220, o trilobulados y se calcina la forma moldeada así obtenida como se describió anteriormente. De modo alternativo, se puede ejecutar una extrusión hasta obtener cuerdas o cuerdas de estrella, preferiblemente hasta cuerdas.
Los polvos calcinados y formas moldeadas obtenidos de esta manera pueden ser empleados como catalizadores, donde estos catalizadores pueden contener como componentes activos óxido de zinc y carbonato de calcio (en la modificación calcita) y como componente pasivo, en caso de desearse, pueden contener grafito.
En otra forma preferida de operar se emplea un catalizador de deshidrogenación, el cual exhibe un volumen de poro en el rango de 0,10 a 0,50, en particular de 0,20 a 0,35 cm3/g, con un diámetro de poro en el rango de 5 nm a 300 mm, donde de modo particularmente preferido por lo menos 85%, preferiblemente más de 90% de este volumen de poro tiene un diámetro de poro en el rango de 0,01 a 0,5 mm.
Son catalizadores particularmente preferidos del tipo mencionado aquellos que exhiben una estabilidad a la presión frontal en el rango de 500 a 4000 N/cm^{2}, en particular de 1000 a 2500 N/cm^{2} y una estabilidad a la presión lateral de 30 a 300 N, preferiblemente 50 a 200 N.
La superficie específica según BET es en general de 5 a 50 m^{2}/g, preferiblemente 10 a 30 m^{2}/g. El volumen de poro en el rango de diámetro de poro entre 0,1 nm y 300 nm posee comúnmente valores entre 0,1 y 0,5 cm^{3}/g, preferiblemente 0,2 a 0,35 cm^{3}/g con la condición de que por lo menos 85%, preferiblemente más de 90% de este volumen de poro esté en el rango de diámetro de poro de 0,01 a 0,5 mm.
La estabilidad a la presión frontal de las tabletas está preferiblemente en 500 a 4000 N/cm^{2}, en particular 1000 a 2500 N/cm^{2} y la estabilidad a la presión lateral de las píldoras esta preferiblemente entre 30 y 300 N, preferiblemente 50 a 200 N.
En una forma particularmente preferida de operar, se lava el precipitado de compuestos difícilmente solubles de zinc y calcio, preferiblemente carbonato hidróxido de zinc y carbonato de calcio, en filtros prensa, se macera con agua la torta de filtro así obtenida, y se atomiza el macerado para el secado en una torre de atomización. Después, el polvo secado por atomización obtenido de esta manera es reprocesado como se describió arriba.
En el marco de la forma preferida de operar de la etapa b) del método conjunto acorde con la invención, se pone en contacto el citronelol ópticamente activo evaporado, en forma de gas en una forma de por sí común, con el catalizador de deshidrogenación empleado, por ejemplo en un reactor del lecho fijo, reactor de tubos, reactor de haz de tubos o un reactor de capa turbulenta, preferiblemente en un reactor de tubos, en el cual el catalizador es dispuesto en forma sólida. Se prefieren particularmente los reactores de haces de tubos. Comúnmente, el producto de salida es reacondicionado mediante destilación.
En general, se evapora el citronelol ópticamente activo empleado de una forma de por si conocida, por ejemplo en un evaporador adecuado.
El método de deshidrogenación visto previamente en el marco de la forma preferida de operar es ejecutado comúnmente a temperatura elevada. Comúnmente, se elige la temperatura de la fase gaseosa en la zona de reacción 350 a 450ºC. En general se elige la presión de la fase gaseosa en la zona de reacción en el rango de 0,3 a 10 bar.
En general, se elige la carga del catalizador en el rango de 0,5 a 3,0, preferiblemente de 0,6 a 2,0 litros de citronelol ópticamente activo por litro de catalizador y por hora.
Son formas adecuadas de reactor el reactor de tubos del lecho fijo o reactor de haz de tubos. En estos se encuentra el catalizador elegido como lecho sólido en un tubo de reacción o en un haz de tubos de reacción. Los tubos de reacción comúnmente son calentados de forma indirecta quemando un gas por ejemplo en el espacio vecino a los tubos de reacción, por ejemplo un hidrocarburo como metano o empleando un medio portador de calor (baño de sal, gas de Wälz, etc.). También puede ocurrir un calentamiento eléctrico de los tubos de reacción mediante una manta de calentamiento. Comúnmente, el diámetro interno del tubo de reacción está entre aproximadamente 2,5 a 15 cm. Un típico reactor de deshidrogenación de haz de tubos abarca aproximadamente 10 a 32000 tubos de reacción, preferiblemente cerca de 10 a 200 tubos de reacción. En el interior de los tubos de reacción de la temperatura se mueve comúnmente en el rango de 250 a 600ºC, preferiblemente en el rango de 300 a 600ºC. La presión de trabajo está comúnmente entre 0,5 y 8 bar, frecuentemente entre 1 y 2 bar.
El método preferido de deshidrogenación puede también ser ejecutado, como se describe en Chem. Eng. Sci. 1992 b, 47 (9-11) 2313, mediante catálisis heterogénea en lecho fluido. De manera adecuada se operan para ello dos lechos fluidos adyacentes, de los cuales por regla general uno se encuentra en el estado de regeneración. Típicamente la presión de trabajo está en 1 a 2 bar, la temperatura de deshidrogenación por regla general está en 250 a 600ºC.
La deshidrogenación catalítica preferida acorde con la invención puede ser realizada con o sin gas que contiene oxígeno como coalimentación y opcionalmente mediante el empleo de vapor de agua, nitrógeno, metano y/o argón. El reactor elegido puede exhibir uno o varios lechos de catalizador consecutivos. El número de lechos de catalizador puede ser de 1 a 20, de manera adecuada 1 a 6, preferiblemente 1 a 4 y en particular 1 a 3. El gas de reacción circula por los lechos de catalizador preferiblemente en forma radial o axial. En general, se opera tal reactor de alambre entrelazado con un lecho estático de catalizador. En el caso más sencillo, los lechos sólidos de catalizador están dispuestos en un reactor de horno de cuba axial o en la división anular de enrejado cilíndrico dispuesto de manera concéntrica. Un reactor de horno de cuba corresponde a un marco de alambre entrelazado.
En una forma particularmente preferida de operar del método de deshidrogenación preferido de acuerdo con la invención según la etapa b), se hace reaccionar citronelol ópticamente activo con un exceso de enantiómero de por lo menos 90% ee, preferiblemente 95% ee sobre un catalizador cuyo componente activo contiene 54 a 57% en peso de óxido de zinc y 43 a 46% en peso de carbonato de calcio (determinado en cada caso en forma de óxido de la masa de catalizador calcinado) en un reactor adecuado, por ejemplo un reactor de tubos. En ello, el reactor puede ser calentado mediante todo método adecuado, preferiblemente mediante un fundido de sal, a temperaturas en el rango de aproximadamente 350 a aproximadamente 450ºC. La reacción tiene lugar en fase gaseosa. Se obtienen buenos resultados en particular, cuando la reacción es ejecutada en ausencia de oxígeno. Para ello, se introduce sobre el catalizador elegido la mezcla de sustancias que contiene los reactivos a ser deshidrogenados en una corriente de gas inerte, como por ejemplo una corriente de nitrógeno. De modo opcional, también es posible una forma autotérmica de operar mediante el quemado parcial de H_{2} después de la alimentación precedente de una mezcla de sustancias que contienen H_{2}.
El aislamiento de los productos de reacción puede ser ejecutado según todos los métodos adecuados conocidos de por sí por los expertos. De este modo, por una reacción de preferiblemente cerca de 30 a aproximadamente 60% d. T. citronelal ópticamente activo normalmente se obtiene una selectividad de aproximadamente 60 a aproximadamente 95%.
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Descripción de la etapa c): formación del ciclo
El citronelal ópticamente activo obtenido de acuerdo con la etapa b) del método acorde con la invención es transformado en ciclo de acuerdo con la invención hasta un isopulegol ópticamente activo de la fórmula (IX)
11
o sea es transformado en ciclo dependiendo del enantiómero empleado de citronelal cuya mezcla de sustancias contienen enantiómeros ent-(IX). En la transformación de ciclo de citronelal hasta isopulegol surgen, dependiendo de las condiciones elegidas de reacción y de los catalizadores elegidos para la formación de ciclo, por regla general mezclas de los cuatro diastereisómeros posibles de isopulegol (isopulegol, neo-isopulegol, iso-isopulegol y neoiso-isopulegol). En el empleo de citronelal ópticamente activo se obtienen mezclas de los cuatro diastereisómeros en forma ópticamente activa.
La formación de ciclo según la etapa c) del método acorde con la invención es realizada comúnmente en presencia de un ácido o ácido Lewis como catalizador de formación de ciclo, como es descrito por ejemplo por Y. Nakatani y K. Kawashima empleando halogenuros de zinc en Syntesis, 1978, 147-148 y las citas allí mencionadas. También es posible la formación térmica de ciclo con estereoselectividades ciertamente moderadas (K.H. Schulte-Elte et al. Helv. Chim. Acta, 1976, 50, 153-165).
Son catalizadores útiles para la formación de ciclo por ejemplo ZnBr_{2}, como se divulga por ejemplo en la JP-A 53116348, triflato de escandio, como se describe en la EP-A 0 926 117, SiO_{2} (Kieselgel), como se describe en la US 2,117,414, catalizadores de óxidos mixtos como por ejemplo SiO_{2}-Al_{2}O_{3}, montmorillonita, alumosilicatos, cloruro de hierro (III), cloruro de zinc, tetracloruro de estaño y complejo de trisdiarilofenoxialuminio, como se conoce de la EP-A 1 225 163 o también zeolitas.
La transformación en ciclo del citronelal ópticamente activo hasta mezclas que contienen isopulegol ópticamente activo, puede ser ejecutada mediante una amplia multiplicidad de condiciones de reacción. En particular, pueden variar ampliamente la elección de un solvente adecuado, la concentración de sustrato en la mezcla de reacción así como el tiempo y temperatura de reacción. Además, aparte de la energía térmica pueden también suministrarse otras formas de energía, en particular energía de microondas o ultrasonido. El experto elige las condiciones de reacción preferiblemente de modo que mediante la transformación en ciclo del citronelal ópticamente activo según la etapa c) del método acorde con la invención, él obtiene una mezcla de sustancias que consiste en por lo menos 60% en peso, preferiblemente por lo -75% en peso de isopulegol.
La mezcla de sustancias obtenida según la etapa c) contiene, aparte del isopulegol deseado ópticamente activo, por regla general también los otros tres diasteroisómeros de isopulegol previamente mencionados en proporciones variables así como pequeñas cantidades de otros contaminantes o bien de residuos del solvente.
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Descripción de la etapa d): separación e hidrogenación
Las mezclas de sustancias así obtenidas según la etapa d) del método acorde con la invención son sometidas a una separación así como una hidrogenación, donde o bien se separa el isopulegol ópticamente activo de la mezcla de sustancias así obtenida y se hidrogena hasta mentol ópticamente activo, o el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias así obtenida es hidrogenado hasta mentol ópticamente activo, y el mentol ópticamente activo así obtenido es separado de la mezcla de sustancias obtenida como producto de la hidrogenación.
De acuerdo con la invención, la mezcla de sustancias obtenida según la etapa c), en el marco de una primera alternativa soporta una separación, en la que se separa el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias de los componentes residuales de la mezcla de sustancias, en particular de los otros tres diastereoisómeros de isopulegol.
Para la separación según la etapa d) del método acorde con la invención son adecuados todos los métodos conocidos por los expertos para la separación de mezclas de sustancias, en particular la separación de mezclas de diastereoisómeros. Los métodos adecuados para la separación de isopulegol ópticamente activo abarcan por ejemplo métodos de cristalización, dado el caso, después de una formación previa de derivado del diastereoisómero-isopulegol obtenido, métodos de destilación y métodos cromatográficos. En el marco de la presente invención, la destilación o la cristalización son métodos preferidos de separación para la separación del isopulegol ópticamente activo de acuerdo con la invención. Es posible un incremento de la pureza óptica del isopulegol obtenido de acuerdo con la invención sobre > 99.7% ee, por ejemplo mediante cristalización a temperaturas muy bajas, por ejemplo a -40ºC, como se describe en la US 5,663,460.
El isopulegol ópticamente activo separado según esta primera alternativa según la etapa d) del método acorde con la invención, es a continuación hidrogenado hasta mentol ópticamente activo.
Según la segunda alternativa de la etapa d) del método acorde con la invención, se somete la mezcla de sustancias obtenida según la etapa c) también primero que todo a una hidrogenación, donde se hidrogena el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias hasta dar mentol ópticamente activo y el mentol ópticamente activo así obtenido es separado de la mezcla de productos obtenida mediante hidrogenación.
Para la separación del mentol ópticamente activo así obtenido de los, dado el caso, otros diastereoisómeros y/o contaminantes obtenidos son adecuados los métodos de separación previamente mencionados para la separación de isolpulegol ópticamente activo.
Las hidrogenaciones de enlace doble etilénico del isopulegol ópticamente activo o bien sus diastereoisómeros que son ejecutadas en ambas alternativas, son adecuadas a todos los métodos de hidrogenación apropiados conocidos por los expertos, en particular métodos para la hidrogenación catalítica de doble enlace etilénico, sobre catalizadores adecuados que contienen metales de transición, en presencia de hidrógeno o donadores de hidrógeno. En ello, son adecuados igualmente los métodos catalíticos homogéneos y heterogéneos, donde para las reacciones en escala industrial técnica se prefieren los métodos de catálisis heterogénea. Como catalizadores son adecuados en particular aquellos que contienen por lo menos un metal de transición de los grupos 7 a 9 del sistema periódico de elementos, en particular Pd, Pt, Ni, Ir, Rh y/o Ru. Los catalizadores heterogéneos adecuados pueden ser empleados en forma soportada o no soportada. Las modificaciones posibles, variantes del método o bien catalizadores pertenecen al conocimiento del experto.
La hidrogenación del isopulegol con catalizadores de suspensión de Pd es descrita por ejemplo en la EP-A 1 053 974. También, en WO 2004/013339 se divulga la hidrogenación de diferentes derivados cíclicos de monoterpeno hasta mentol.
Preferiblemente se ejecuta la etapa d) del método acorde con la invención de manera que primero que todo se hidrogena la mezcla de sustancias obtenida según la etapa c) y a continuación se separa el mentol ópticamente activo de la mezcla de sustancias obtenida mediante la hidrogenación. En particular, preferiblemente separa el mentol ópticamente activo obtenido mediante la hidrogenación, mediante cristalización de los otros componentes de la mezcla de sustancias obtenida mediante hidrogenación.
En una forma particularmente preferida de operar el método acorde con la invención, se ejecuta una hidrogenación enantioselectiva según la etapa a) del método acorde con la invención de geraniol de la fórmula (1), preferiblemente tal que contiene hasta aproximadamente 0,1 a aproximadamente 5% en peso de nerol hasta dar D-(R)-citronelol de la fórmula (X). Preferiblemente, en ello se emplea un catalizador que contiene Ru y (S)-BINAP y se obtiene preferiblemente D-(R)-citronelol con una pureza de 90 a 99% ee. El D-(R)-citronelol así obtenido es llevado mediante hidrogenación, en el marco de la forma particularmente preferida de operar, hasta D-(R)-citronelal de la fórmula (XI), donde en particular se prefieren una deshidrogenación en fase gaseosa como se describió previamente. El D-(R)-citronelal así obtenido es a continuación transformado en ciclo en el marco de la forma preferida de operar, en presencia de catalizador de ZnBr_{2} o Al_{2}O_{3}/SiO_{2} hasta L-isopulegol de la fórmula (IX). El L-isopulegol obtenido mediante formación de ciclo es hidrogenado a continuación como se describió previamente hasta dar L-mentol de la fórmula (XII) y a continuación es separado mediante un método adecuado de separación, en particular mediante cristalización.
12
El método acorde con la invención se distingue por la combinación de las etapas individuales a) a d). Esta combinación abre una entrada ventajosa, bien realizable en escala industrial técnica y que conduce al aprovechamiento total comercialmente aceptable hasta el mentol ópticamente activo. En ello, es de particular importancia que la ruta de síntesis divulgada no depende de fuentes naturales de materias primas o productos intermedios naturales que deban ser separados, los cuales en caso de ser quirales por regla general sólo están disponibles en forma de uno de sus enantiómeros. Como otra ventaja, de allí el método acorde con la invención abre la posibilidad de poner a disposición, a elección, ambos enantiómeros del mentol en escala técnica industrial.
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Ejemplos
Los siguientes ejemplos sirven para aclarar la invención, sin embargo sin ser de cualquier forma limitantes:
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Ejemplo 1 Hidrogenación enantioselectiva de geraniol con el sistema de catalizador Ru/(S)-BINAP
Bajo atmósfera inerte se disolvieron 2,4 mg [RuCl_{2}(C_{6}H_{6})]_{2} (correspondientes a 0,01 \mumol Ru) en 75 ml de metanol, se añadieron 6,0 mg 80,01 \mumol (s)-BINAP y se agitó a temperatura ambiente por 12 h, hasta que resultó una solución clara. Se llevó la solución de catalizador a un autoclave con agitador de gas y se añadieron otros 75 ml de metanol así como 14.8 g de geraniol (0,096 mol, pureza de 95%). Se agitó durante 24 h a una presión de hidrógeno de 100 bar y una temperatura de 40ºC. Después se determinó por cromatografía de gases un rendimiento de 98,3%. Se obtuvo un rendimiento de 97,2% de (R)-citronelol con una pureza de enantiómero de 95,2% ee.
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Ejemplo 2 Deshidrogenación de citronelol ópticamente activo en la fase gaseosa
Se cargó un reactor de tubos que se puede calentar mediante un fundido de sal, con 10,8 g de un catalizador compuesto por 55% en peso de ZnO, y 45% en peso de CaCO_{3} en la modificación calcita (determinado en cada caso en forma del óxido de la masa de catalizador calcinado). A una temperatura de 400ºC se condujo una mezcla de 46 NI/h de nitrógeno y 3,44 g/h de R-citronelol con un exceso de enantiómero de 95% ee sobre la capacidad. Se obtuvo un rendimiento de 50,2% en una selectividad de 75,5% de citronelal con un exceso de enantiómero, referido al R-citronelal de 95% ee.

Claims (17)

  1. \global\parskip0.900000\baselineskip
    1. Método para la producción de mentol ópticamente activo proveniente de geraniol o nerol o mezclas de geraniol y nerol en el que
    a)
    se hidrogena de manera enantioselectiva geraniol o nerol o mezcla de geraniol y nerol hasta dar citronelol ópticamente activo,
    b)
    se hace reaccionar el citronelol ópticamente activo así obtenido hasta dar citronelal ópticamente activo,
    c)
    se transforma en ciclo el citronelal ópticamente activo así obtenido hasta una mezcla de sustancias que contiene isopulegol ópticamente activo y
    d)
    se separa el isopulegol ópticamente activo de la mezcla de sustancias así obtenida y se le hidrogena hasta mentol ópticamente activo o se hidrogena el isopulegol ópticamente activo presente en la mezcla de sustancias así obtenida hasta mentol ópticamente activo y el mentol ópticamente activo así obtenido es separado de la mezcla de sustancias obtenida como producto de la hidrogenación.
  2. 2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque como sustancia de partida se emplea geraniol.
  3. 3. Método según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque se ejecuta la hidrogenación enantioselectiva según la etapa a) en presencia de un catalizador homogéneo de metal de transición, que contiene Ru, Rh o Ir así como un ligando quiral, que exhibe por lo menos un átomo de fósforo.
  4. 4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque el catalizador de metal de transición contiene Ru, Rh o Ir y un ligando, el cual exhibe la capacidad de formar atropisómeros respecto a un segundo sistema arilo o bien hetarilo.
  5. 5. Método según las reivindicaciones 3 o 4, caracterizado porque el catalizador de metal de transición contiene Ru y un ligando elegido de entre el grupo de ligandos 2,2'-Bis(difenilfosfino-1,1'-binaftilo, 2,2'-Bis[di(p-toluil)-fosfino]-1,1'-binaftilo, 2,2'-Bis(difenilfosfino)-4,4',6,6'-tetrametil-3,3'-bibenzo[b]tiofen y 2,2'-Bis(difenilfosfino)-3,3'-tetrametil-3,3'-bibenzo[b]tiofeno.
  6. 6. Método según una de las reivindicaciones 2 a 5, caracterizado porque para la ejecución de la hidrogenación enantioselectiva según la etapa a) se emplea metanol como solvente.
  7. 7. Método según la reivindicación 6, caracterizado porque se emplea una solución de 3 a 20% en peso de geraniol en metanol.
  8. 8. Método según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque se hace reaccionar el citronelol ópticamente activo según la etapa b) hasta dar citronelal ópticamente activo, en el cual se ejecuta una deshidrogenación en presencia de un catalizador en la fase gaseosa.
  9. 9. Método según la reivindicación 8, caracterizado porque se emplea un catalizador que contiene óxido de zinc y carbonato de calcio.
  10. 10. Método según la reivindicación 8 o 9, caracterizado porque se emplea un catalizador cuyo componente activo está compuesto hasta de 30 a 60% en peso de óxido de zinc y hasta 40 a 70% en peso de carbonato de calcio.
  11. 11. Método según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque se realiza la formación de ciclo según la etapa c) en presencia de un ácido o ácido Lewis.
  12. 12. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque como ácido o ácido Lewis se emplea ZnBr_{2}, triflato de escandio, SiO_{2}, SiO_{2}-Al_{2}O_{3}, montmorillonita, alumosilicatos, cloruro de hierro (III), cloruro de cinc, tetracloruro de estaño, complejos de trisdiarilofenoxialuminio y/o zeolitas.
  13. 13. Método según una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque para la separación del isopulegol según la etapa d) se realiza una destilación y/o una cristalización.
  14. 14. Método según una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado porque según la etapa d) se realiza una hidrogenación catalítica del isopulegol hasta mentol.
  15. 15. Método según una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado porque se hidrogena geraniol de manera enantioselectiva según la etapa a) hasta D-(R)-citronelol.
  16. 16. Método según una de las reivindicaciones 1 a 15, caracterizado porque se transforma D-(R)-citronelol según la etapa b) en D-(R)-citronelal.
  17. 17. Método según una de las reivindicaciones 1 a 16, para la producción de L-mentol.
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