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Die
Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von 4-Methylmercapto-2-hydroxy-buttersaure
im Folgenden abkürzend
als Methioninhydroxyanalog oder als MHA bezeichnet.
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Nach
dem Stand der Technik wird MHA großtechnisch durch Hydrolyse
von 4-Methylmercapto-2-hydroxy-butyronitril mit Hilfe von Mineralsäuren wie
z.B. mit Salzsäure,
Phosphorsäure
oder bevorzugt mit Schwefelsäure
hergestellt. Zur Isolierung von MHA neutralisiert man anschließend die
zur Hydrolyse eingesetzte Mineralsäure mit Ammoniak weitgehend
und isoliert dann anschließend
das Wertprodukt aus dem Hydrolysegemisch entweder durch Phasentrennung
oder extrahiert dieses mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel
(vgl. z.B.
US 6815560 und
die hier zitierte Literatur).
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Die
gesamte Mineralsäure
und das sowohl zur Neutralisation eingesetzte als auch das bei der Hydrolyse
freigesetzte Ammoniak fallen bei diesen Verfahren zwangsweise in
mindestens stöchiometrischen
und damit sehr großen
Mengen in Form von Ammoniumsalzen an.
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Diese
Salze sind auf dem Markt nur schwierig und im Vergleich zu den Einsatzstoffen
nur unter großen
Verlusten absetzbar, zumal diese bräunlich verfärbt sind und einen unangenehmen
Geruch aufweisen. Wegen dieser Problematik müssen große Mengen dieser Salze sogar
kostenpflichtig entsorgt werden.
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Nach
US 6342651 kann auch aus
dem bei der Produktion von MHA anfallenden Ammoniumsulfat wenigstes
die darin gebundene Schwefelsäure unter
hohen Aufwendungen durch reduktive Verbrennung zurück gewonnen
werden.
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Es
wurde jetzt ein überlegenes
Verfahren zur Herstellung von MHA gefunden, das vollkommen ohne
den Zwangsanfall großer
Mengen an unerwünschten
anorganischen Salzen auskommt.
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Nach
diesem Verfahren stellt man zunächst aus
dem Cyanhydrin des Propionaldehyds, dem üblichen Ausgangsprodukt für Methionin
und MHA, durch partielle Hydrolyse das 4-Methylmercapto-2-hydroxy-buttersäureamid
her, das im Folgenden abkürzend
als MHBA bezeichnet wird. MHBA lässt sich
beispielsweise mittels speziellen Enzymen, den sog. Nitrilhydratasen,
ohne einen Zwangsanfall anorganischer Salze aus dem allen Verfahren
gemeinsamen Ausgangsprodukt – dem
4-Methylmercapto-2-hydroxy-butyronitril
herstellen (
US 5866379 ). Zur
chemischen Weiterbearbeitung muss nach
US 5866379 dann jedoch MHBA sauer
oder alkalisch zur Säure
hydrolysiert werden, so dass auch dieses Verfahren bei beiden Varianten
zu einem zwar etwas geringeren aber dennoch sehr störenden Zwangsanfall von
anorganischen Salzen führt.
Bei der sauren Hydrolyse fällt
der Amidstick-stoff direkt als Ammoniumsalz der zur Hydrolyse eingesetzten
Mineralsäure
an.
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Bei
der alkalischen Hydrolyse bildet sich zunächst das betreffende Salz der
substituierten Hydroxybuttersäure
(MHA), aus der durch Zugabe einer stärkeren Säure diese erst noch freigesetzt
werden muss. Der Amid-Stickstoff fällt dann ebenfalls als sehr
störendes
Ammoniumsalz der zur MHA-Freisetzung eingesetzten Säure an.
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Es
wurde nun ein Verfahren zur Herstellung von 4-Methylmercapto-2-hydroxy-buttersaure
ohne den Verbrauch an Mineralsäure
und ohne zwangsweise anfallende anorganische Salze gefunden, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass man HMBA zunächst in Gegenwart eines geringer
als MHA flüchtigen
tert. Amins unter Freisetzung von Ammoniak hydrolysiert und aus
dem gebildeten Salz des eingesetzten tert. Amins und der dabei gebildeten 4-Methlylmercapto-2-buttersaure
das tert. Amin durch Destillation abtrennt und dieses in die Hydrolyse
zurückführt Im Sumpf
der Destillationsanlage fällt
MHA als freie Säure
in reiner Form an.
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Das
bei der Hydrolyse freigesetzte Ammoniak kann werterhaltend zur Synthese
von Blausäure eingesetzt
werden- einem bei allen Methionin- oder MHA-Synthesen benötigten Vorprodukt.
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Ein
weiterer großer
Vorteil bei der Hydrolyse in Gegenwart von tert. Aminen ergibt sich
daraus, dass die Hydrolyse unter basischen Bedingungen stattfindet
und damit die im Apparatebau üblichen metallischen
Werkstoffe eingesetzt werden können, während bei
den jetzt ausgeübten
Verfahren die Hydrolyse im stark mineralsauren und damit in einem hoch
korrosiven Medium stattfindet. Als metallische Werkstoffe kommen
dabei nur hochlegierte, korrosionsfeste Spezialstähle und
somit auch entsprechend teure Werkstoffe in Frage.
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Da
es für
die eigentliche Hydrolyse des MHBA nur auf die beim Kontakt des
Amins mit Wasser gebildeten Hydroxyl-Ionen ankommt, kann für die Hydrolyse
eine Vielzahl tert. Amine einzeln oder auch im Gemisch eingesetzt
werden.
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Eine
Einschränkung
bei deren Auswahl ergibt sich lediglich daraus, dass sich die eingesetzten tert.
Amine nach beendeter Hydrolyse destillativ auch wieder von der gebildeten
substituierten Buttersäure (MHA)
abtrennen lassen. Die Versuche hierzu haben gezeigt, dass das in überraschender
Weise gelingt, wenn die Amine viel leichter flüchtig sind als das angestrebte
Verfahrensprodukt MHA.
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Zur
praktischen Verwendung eignen sich nur tert. Amine mit einem um
mindestens 100 Grad Celsius niedrigeren Siedepunkt im Vergleich
zu MHA.
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In
der allgemeinen Formel NR1R2R3 eines tert. Amins können die
Reste R1, R2 und R3 sowohl die gleiche oder auch eine unterschiedliche
Bedeutung haben. Es kommen beispielsweise Alkyl-, Cycloalkyl- oder
Aralkyl-Reste in Frage. Die Reste R1 und R2 können darüber hinaus auch einen Ring
bilden wie z.B. einen Pyrrolidin-, Piperidin-, Piperazin- und Morpholinring.
Die Reste R1, R2 und R3 können auch
selbst wieder substituiert sein wie z.B. zur Erhöhung der Basizität durch
Dialkylaminogruppen.
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Die
tert. Amine werden zur Hydrolyse des HMBA mindestens im Molverhältnis von
1,1 und bevorzugt von 1.5 bis 6 bez. auf HMBA sowie in Gegenwart
von mindestens 1,1 oder bevorzugt 1.5 bis 10 Mol Wasser eingesetzt.
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Zur
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird im allgemeinen folgendermaßen
verfahren:
In einem druckfesten Rührgefäß mit aufgesetztem druckfesten
Rückflusskühler und
einem an den Rückflusskühler zur
Abführung
des gasförmigen
Ammoniaks angeschlossenen Druckhalteventils (PC) werden HMBA, Wasser
und das tert. Amin unter fortwährendem
Rühren
und geschlossenem Druckhalteventil erhitzt bis sich ein konstanter
Druck eingestellt hat. Durch Probenahme aus dem Gasraum des Autoklaven überzeugt
man sich, dass der Gasraum im wesentlichen aus Ammoniak besteht.
Sollte das nicht der Fall sein, wird die Temperatur weiter erhöht. Im allgemeinen
sind Temperaturen von 130 bis 180 Grad Celsius ausreichend zur Durchführung des
Verfahrens. Das Rühren
wird solange fortgesetzt bis sich kein Ammoniak mehr entwickelt,
was sich bei gleicher Einstellung des Druckhalteventils an einem
Abfall des Reaktordruckes zu erkennen gibt.
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Zur
vollständigen
Umsetzung sind im allgemeinen Verweilzeiten von 20 bis 90 Minuten
bis zur vollständigen
Hydrolyse erforderlich. Danach lässt man
auf Raumtemperatur abkühlen,
ersetzt den Rückflusskühler durch
einen absteigenden Kühler und
destilliert aus dem Hydrolysegemisch das Wasser und/oder das tert
Amin bei Normaldruck oder im Falle höher siedender tert. Aminen
dieses unter Vakuum ab. Als Destillationsrückstand bleibt die reine wasserfreie
4-Methylmercapto-2-hydroxybuttersäure als nur ganz leicht gelbliches öliges Produkt
zurück.
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Durch
Zugabe der berechneten Menge Wasser stellt man dann noch den üblichen
e Gehalt von 88% ein und erhält
so ein allen gängigen
Marktprodukten gegenüber überlegenes
Produkt. Werden niedriger als Wasser siedende Amine zur Hydrolyse verwendet,
kann man nach dem Abdestillieren des tert. Amins gleich die richtige
Wassermenge im Sumpf zurück
lassen.
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Die
verfahrensgemäß in hoher
Ausbeute zu gewinnende HMA zeichnet sich vor allem dadurch aus,
dass die bei der saueren Hydrolyse unvermeidlichen vergleichsweise
hohen Gehalte (in der Summe bis fast 20%) an dem betreffenden Lactid,
den dimeren und trimeren 4-Methylthio-2-hydroxybuttersäuren sich
nur in ganz geringem Maße
bilden (zusammen weniger als 5% i).
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Die
bei der sauren Hydrolyse anfallenden oligomeren Hydroxybuttersäuren stehen
zumindest im Verdacht bei der Verfütterung an Tiere keinen Beitrag zur
Methionin-Versorgung zu liefern (vgl. hierzu beispielsweise H.
Koban u. E. Koberstein, J. Agric. Food Chem. 1984, 32, 393–396).
Sie müssen
daher als zumindest problematische und damit unerwünschte Nebenprodukte
der sauren Hydrolyse eingestuft werden.
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Beispiel 1 (Sdp. des Arms unterhalb von
dem des Wassers):
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In
einem Rührautoklaven
mit aufgesetztem druckfesten Rückflusskühler werden
149 g (1.0 Mol) HMBA mit 144 g (8 Mol) Wasser und 368 g (5 Mol) N-Dimethyl-äthylamin
versetzt und unter fortwährendem
Rühren
auf 170 Grad Celsius erhitzt. Während der
Aufheizphase bleibt das dem Rückflusskühler nachgeschaltete
Druckhalteventil so lange ganz geschlossen bis der Innendruck in
der druckfesten Apparatur einen Überdruck
von 6 bar erreicht hat. Danach wird bei konstant gehaltener Temperatur,
das Überdruckventil
nur soweit geöffnet,
dass das bei der Hydrolyse sich bildende Ammoniak gasförmig entweichen
kann.
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Dieses
kann in einer nachgeschalteten Abgaswäsche im Gegenstromverfahren
in Wasser gelöst
und einer Verwertung zugeführt
werden. Das Reaktionsgemisch wird zu Vervollständigung der Hydrolyse unter
fortwährendem
Rühren
noch 1 Std. bei 170 Grad Celsius belassen und danach auf Zimmertemperatur
abgekühlt.
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Das
flüssige
Reaktionsgemisch überführt man
in eine Destillationsapparatur mit absteigendem Kühler und
erhitzt es unter Rühren.
Bei Normaldruck und einer Badtemperatur von max. 130 Grad Celsius destilliert
man ohne Auftrennung in Fraktionen zunächst das tert. Amin und dann
Wasser ab. Das gesammelte Destillat kann nach Ergänzung des
verbrauchten Wassers direkt zur nächsten Hydrolyse eingesetzt
werden.
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Als
Destillationsrückstand
fallen 150 g eines fast farblosen Öles an, das nach einer HPLC-Analyse mit innerem
Standard zu 97% aus reinem MHA besteht. Dimere, Trimere oder Oligomere
des MHA sind nur in ganz geringen Mengen darin enthalten.
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Die
Ausbeute beträgt
97% d. Th.
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Beispiel 2 (Sdp. des Amins mit fast gleichem
Sdp. wie Wasser):
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In
der gleichen Apparatur wie in Beispiel 1 werden 149 g (1,0 Mol)
MHBA mit 180 g (10 Mol) Wasser und 570 (5,0 Mol) N-Methylmorpholin
unter Rühren
auf 180 Grad Celsius erhitzt. Zur Hydrolyse verfährt man analog Beispiel 1.
Bei der destillativen Aufarbeitung destilliert man zunächst bei
Normaldruck das eingesetzte Amin und das überschüssige Wasser gemeinsam ab.
Das Destillat kann ohne weitere Reinigung direkt im den nächsten Hydrolyse-Ansatz
verwendet werden. Als Destillationsrückstand erhält man 152 g eines fast farblosen Öls mit einem Gehalt
an MHA nach dem Ergebnis der HPLC-Analyse von 95%. Die Ausbeute beträgt damit
96% d. TH.
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Beispiel 3 (Sdp. des Amins mit einem höheren Siedepunkt
als Wasser)
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In
der gleichen Apparatur wie im Beispiel 1 werden 149 g (1,0 Mol)
MHBA mit 388 g (3,0 Mol) N-Äthyl-diisopropyl-amin
zur Reaktion gebracht. Bei der destillativen Aufarbeitung wird jedoch
zunächst bei
Normaldruck nur das überschüssige Wasser
abdestilliert und anschließend
im Wasserstrahlvakuum das zurückzugewinnede
tert. Amin. Man erhält
als Destillationsrückstand
153 g MHA als leicht gelblich gefärbte Flüssigkeit mit einem MHA-Gehalt
nach HPLC-Analyse von 94%. Die Ausbeute beträgt 96% d. TH.