DE1814341A1

DE1814341A1 - Verfahren zur Herstellung von Komensaeure

Info

Publication number: DE1814341A1
Application number: DE19681814341
Authority: DE
Inventors: Kazuo Asano; Katsumi Imada; Shiyunichiro Oga
Original assignee: Daiichi Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Daiichi Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1967-12-15
Filing date: 1968-12-12
Publication date: 1969-07-24
Also published as: DE1814341C3; US3654316A; BE738432A; GB1202120A; DE1814341B2; FR1599260A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zur Herstellung von Kbmensäure (comenic acid) (5-Hydroxy-2-carboxy-4-pyron),

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Koniensäure aus 2,5-Diketogluconsäure, wobei Komensäure aus der Reaktionsmischung gewonnen wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und wertvollen Verfahrens zur Herstellung von Kbmensäure, die für die Herstellung von Maltol, einem wichtigen Nahrungsmittelzusatz für Geschmack und Aroma, brauchbar ist.

Es gibt einige Berichte Über Herstellungsarbeitsweisen von Komensäure. So wurde beispielsweise Komensäure, Rubiginsäure (rubiginic acid) und Aibiglnol durch Papierchromatographie einer inkubierten oder gebrüteten Lösung von 2,5-Diketogluconsäure mit Gluconoacetobacter liquefaciens und Phosphorsäurepuffer beschrieben (vgl. Bulletine of Ub Agricultural Chemical Society of Japan, 21, S.3O-37 (1957)). Überdies wurde auch beschrieben, daß Komensäure und andere γ-Pyronderivate durch Fermentierung eines Gluconacetobacter liquefaciens in dem Medium mit einem Gehalt von Glucose (9,3 %), Hefeextrakt (0,8 #) und Calciumcarbonat (2,5 #) während 10 Tagen gebildet wurden (vgl. Bulletineof the Agricultural Chemical Society of Japan, 19, S,97 (1955))· Das letztere Fermentationsverfahren ist jedoch für die Herstellung von «Komensäure aufgrund seiner schlechten Ausbeute

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nicht brauchbar (beispielsweise werden nur 0,5 g Komensäure aus 100 g Glucose durch Fermentation erhalten).

Andererseits waren auch chemische Arbeitsweisen bekannt. Derartige Arbeitsweisen umfassen die ^uxydation von Kojisäure oder eine Decarboxylierung von MeIconsäure (meconic acid), jedoch sind diese Arbeitsweisen nicht wirtschaftlich, da deren Ausgangsmaterialien sehr teuer sind.

Es wurde dann als Ergebnis von Untersuchungen gefunden, daß 2,5-Diketogluconsäure hauptsächlich in Komensäure und in einige andere γ-Pyronderivate in hoher Ausbeute umgewandelt werden kann. Die Reaktion schreitet von 2,5-Diketogluconsäure (I) Ms zur Komensäure (II) infolge der Dehydratations- und Umlagerungsreaktion fort, wie dies

durch das nachstehende Schema gezeigt wird: 0

OH

C-CH₂OH Erhitzen

HO-CH /0 —■> 0< ,Ό '+ 2H₉O

p

"-COOH ^C00H

Gemäß der Erfindung wird die Komensäure (II) in wirtschaftlicher Weise durch Erhitzen der wäßrigen Lösung von 2,5-Diketogluconsäure (l) hergestellt und'rein in guter Ausbeute aus der Reaktionsmischung zusammen mit einigen anderen γ-Pyronderivaten, die als Nebenprodukte gebildet werden, abgetrennt.

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Das gemäß der Erfindung verwendete Ausgangsmaterial, nämlich 2,5-Diketogluconsäure (I), wird leicht als Stoffwechselprodukt nach bekannten Herstellungsarbeitsweisen, nämlich durch Fermentation von einem Gluconobacter melanogen-um MA 6,2 und/oder oxydative Bakterien, die zu.einem Gluconoacetobacter liquefaciens gehören, in einem Glucosemedium hergestellt (Katynelsonu.a.; J. Biol. Chem. 204 S. 43 (1953); Aida u.a.; Bull. Agr. Chem. Soo. Japan, 21, s: 30-37 (1957)).

Gemäß der Erfindung wird die Komensäure (II) durch Erhitzen einer 1- üs 30 $igen wäßrigen Lösung von 2,5-Diketogluconsäure (I) oder der Fermentationsflüssigkeit, die die Verbindung (I) enthält, auf eine Temperatur von 20 bis 20O⁰C hergestellt. Der erwünschte und bevorzugte Temperaturbereich erstreckt sich von 50 bis 120⁰C und der pH-Wert der Reaktionslösung, die die Verbindung (I) enthält, kann im Bereich von 1,0 bis 7*0* vorzugsweise 1,0 bis 4,0, liegen. Hierbei wird 2,5-Diketcg}.uconsäure (I) in γ-Pyronderivate umgewandelt.

Die Verbindung (I) wurde in einem.um 20 % höheren Ausmaß in γ-Pyronderivate in Gegenwart eines Erdalkalicarbonats, z.B. Calciumcarbonats oder Bariumcarbonate, in der Reaktionslösung umgewandelt als in dem Fall, bei welchem derartige Erdalkalisalze nicht vorhanden sind. Die Anwesenheit einer Spur von Eisen-, Nickel- oder Cobaltsalz in der Lösung beeinflußt ebenfalls die Reaktion, obgleich" die Ursache für das wirksame Arbeiten dieser Metallionen noch nicht ersichtlich ist.

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Eine große Menge von Komensäure einschließlich einer geringen Menge von einigen anderen γ-Pyronderivaten, wie Rubiginsäure, Pyromekonsäure, Rubiginol o.dgl., die positiv mit einem Ferrisulfat . reagieren, wurde aus der Reaktionsmischung mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels, z.B. Äther, extrahiert.

Die Ausbeute an γ-Pyronderivaten wurde durch die Reaktionsbedingungen kaum beeinflußt. Wenn z.B. eine 5 $ige wäßrige Lösung der Verbindung (i) bei 12O⁰C während etwa 30 Min. erhitzt wurde, wurden die nachstehend angegebenen Produktverhältnisse erhalten:

Komensäure:Rubiginsäure jPyromekonsäure:Rubiginol:anderen Perrisulfat-positivem Material = 70:9,4:5,4:5,4:9,4.

Außerdem wurde ein Reaktionsprodukt, das aus einem großen Anteil von Komensäure und einer Spur von anderen γ-Pyronderivaten bestand, unter der Bedingung eines Erhitzens bei 50°ö während mehrerer Tage gebildet.

Eine quantitative Analyse von γ-Pyronderivaten wurde unter Anwendung eines kolorimetrischen .Verfahrens von Kojisäure ausgeführt (Ishige u.a.; Nippon Nogeikagakukaishi, 46, S.35>358 (1966)).

Die Gesamtmenge von γ-Pyron (als Äquivalent für Komensäure) wurde aus der optischen Dichte, gemessen bei 500 m/U, mittels eines Spektro-photometers, berechnet. Dabei wurde die Parbbildung in folgender Weise angenommen:

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Ein halber ml der Versuchsprobe (die γ-Pyronderivate enthielt) wurde in einem Prüfglas nacheinander mit 1,2 ml einer 10 ^igen Schwefelsäure, o',4 ml von 5 tigern Ferrisulfat und 2,9 ml destilliertem Wasser behandelt. Das Verhältnis der Menge von jedem γ-Pyronderivat wurde durch Vergleich mit dem Wert, der nach dem vorstehend beschriebenen kolorimetrischen Ana^ysenverfahren mit Bezug auf die auf einem Papierchromatogramm getrennten Flecken, die aus der Reaktionsmischung erhalten wurden, gemessen wurde, berechnet.

Komensäure (II) wurde leicht in reiner Form von anderen γ-Pyronderivaten durch Umkriaallisation aus Wasser abgetrennt, da die Verbindung (II) eine stark verschiedene Löslichkeit besitzt. Aufgrund dieser Tatsache werden die Komensäure und andere γ-Pyronderivate enthaltenden Extrakte in Wasser unter Erhitzen gelöst, mit Holzkohle behandelt, unter Absaugen und unter Erwärmen filtriert, worauf das Filtrat unter verringertem Druck konzentriert wird. Dabei kristallisiert dielbmensäure. Die Umkristallisation von Komensäure aus Wasser ergibt reine plattenförmige oder rosettenförmige Kristalle, die bei 276⁰C schmelzen. Die erhaltenen Kristalle sind mit der Standard- oder Vergleichskomensäure (hergestellt nach anderen Herstellungsverfahren) hinsichtlich der Elementaranalyse, des UV-Spektrums, IR-Spektrums und der "Mischschmelzprobe identisch.

Wie vorstehend ausgeführt, ist das geschilderte Herstellungsverfahren von Komensäure· einfach und für die

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technische Ausführung brauchbar und besitzt überdies den großen Vorteil einer hohen ÄEbeute.

Die'rfindung wird nachstehend anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

20 g einer rohen 2,5-Diketogluconsäure (Reinheit etwa 45 %, berechnet nach dem Katynelson'schen Reduktionsverfahren) wurden in Wasser gelöst und"ein Kationenaustauschharz (Amberlite IR-120) wurde der Lösung zur Entsalzung zugegeben. Das Harz wurde abfiltriert und das Piltrat wurde auf 200 ml verdünnt. Diese 4,5-#ige Lösung von 2,5-Diketogluconsäure wurde bei 100⁰C während 1 Std. erhitzt, worauf 66,5 % des Ausgangsmaterials in γ-Pyronderivate umgewandelt waren. Das Bildungsverhältnis von jedem γ-Pyronderivat war wie folgt: Körnensäure:anderen γ-Pyronderivaten = 7*5*2,5.'

Die Reaktionsmischung wurde mit Äther während 45 Std. kontinuierlich extrahiert. Nach Entfernung des Äthers wurde die Mischung von γ-Pyronderivaten mit einer geringen Menge von kaltem Wasser gewaschen, der unlösliche Rückstand wurde mit heißem Wasser gelöst, mit Hdilzkohle entfärbt und die Lösung wurde unter verringertem Druck konzentriert. Es wurden platten- oder rosettenförmige Kristalle (Ausbeute 2,76 g; 4-5 %) von Komensäure erhalten, die einen Schmelzpunkt bei 276⁰C aufwiesen.

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Beispiel 2

Acetobacter melanogenuin Stamm IFO J5292 wurde in dem nachstehend angegebenen Kulturmedium während j5 Tagen fermentiert. - ■

Medium

Glucose 5 %

Hefeextrakt 0,5 %

Calciumcarbonat angemessen

Wasser auf 100 ml

Die erhaltene Fermentationsflüssigkeit, die 1,5 bis 2,5 $> an 2,5-Diketogluconsäure enthielt, wurde auf 121°C unter einem Druck von 1,05 kg/cm (15 psi) während ^O Min. erhitzt, wonach 81,5 % des Stoffwechselproduktes (2,5-Diketogluconsäure) in γ-Pyronderivate umgewandelt waren. Das Bildungsverhältnis von jedem γ-Pyronderivat war wie folgta
Komensäure zu anderen γ-Pyronderivaten = 7 '· 3«

Der Reaktionsmischung wurde 0,1 g Holzkohle zugegeben und augenblicklich danach unter Absaugen abfiltriert. _;Das Filtrat wurde durch eine Säule mit einem Kationenaustauschharz (Amberlite IR-120) geführt, um Metallionen zu entfernen, und nach Konzentrieren des Eluats unter verringertem Druck wurde es über Nacht stehengelassen. Dabei kristallisierten 0,8 g Komensäure. Wenn die Mutterlauge in gleicher Weise wie in Beispiel 1 extrahiert und behandelt wurde, wurden weitere 0,15 g an Komensäure erhalten.

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Beispiel 3

100 ml der gemäß der Arbeitsweise von Beispiel 2 erhaltenen Fermentationsflüssigkeit wurden während 10 Min. bei 8000 U/min zentrifugiert. Der überstehenden Flüssigkeit wurde zur Entsalzung ein Kationenaustauschharz (Amberlite IR-120) zugegeben, worauf filtriert wurde. Das FiI-trat wurde bei 50°C in einem Brutschrank mehrere Tage erhitzt, wonach 73 # des Stoffwechselprodukts (2,5-Diketogluconsäure) in γ-Pyronderivate umgewandelt waren. Die Reaktionsmischung enthielt eine große Menge von Komensäure und eine Spur Rubiginsäure. Wenn die Reaktionsmischung in gleicher Weise wie in Beispiel 2 behandelt wurde, wurden 1,1 g Kamensäure erhalten«

Beispiel 4

Zu 10 1 einer Lösung, die 8 % Glucose und 0,5 % Hefeexttakt enthielt, wurde 1 1 einer Impfkultur von Acetobacter melanogenum (IFO 3292), die im voraus fermentiert war, zugegeben, und die Mischung wurde während 3 Tagen bei einer Temperatur von 3O⁰C fermentiert und bei einem pH-Wert zwischen 4,2 und 4,5 durch automatische Zugabe einer Natriumhydroxydlösung während der Fermentierung gehalten. Nach der Fermentierung wurde der pH-Wert mit Schwefelsäure auf 2,Q.eingestellt und die Fermentationsflüssigkeit (die 2,5-DiketQgluconsäure enthielt) wurde während 4 Std. bei 100⁰C erhitzt. Die Reaktionsmischung wurde mit Holzkohle entfärbt, unter verringertem Druck konzentriert, mit Salzsäure angesäuert und über Nacht stehengelassen. Es wurden 241*5 S Komensäure erhalten.

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Claims

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Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Komensäure, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wäßrige Lösung von 2,5-Diketogluconsäure erhitzt und die Komensäure aus der Reaktionsmischung in reiner ^Form und in guter Ausbeute abtrennt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Ausgangs-2,5-Diketogluconsäure ein durch Fermentation erhaltenes Stoffwechselprodukt verwendet.

j5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine 1 bis 30 #ige wäßrige Lösung von

2,5-Diketogluconsäure oder defc dieselbe enthaltende^ Fermentationsflüssigkeit erhitzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis jj* dadurch gekennzeichnet, daß man die wäßrige Lösung von 2,5-Diketogluoonsäure auf eine Temperatur von 20 bis 200°C, insbesondere 50 bis 120⁰C, erhitzt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man den pH-Wert der Lösung im Bereich von 1,0 bis 7,0, insbesondere 1,0 bis 4,0, regelt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart eines Erdalkalisalzes ausführt.

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