DE2245892C3

DE2245892C3 - Verfahren zur Herstellung von Citronensäure

Info

Publication number: DE2245892C3
Application number: DE2245892A
Authority: DE
Inventors: Vittorio Meda Mailand/Milano Carletti; Gian Paolo Novara Chiusoli
Original assignee: Montedison SpA
Current assignee: Montedison SpA
Priority date: 1971-09-20
Filing date: 1972-09-19
Publication date: 1987-07-30
Also published as: NL7212569A; DE2245892B2; FR2153281A1; DE2245892A1; JPS5644057B2; YU236672A; HU165719B; CS178875B2; AU461322B2; SE392610B; IL40430A0; RO61076A; AU4677672A; IL40430A; ZA726365B; BE789049A; DD99984A5; GB1350717A; YU39205B; US3798266A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Citronensäure aus Aceton.
Citronensäure ist ein großtechnisches Produkt, das in der Industrie vielseitige Verwendung findet. So kann sie beispielsweise in der Nahrungsmittelindustrie, in der Textilindustrie und auf dem Gebiet der Alkydharze verwendet werden.

Im allgemeinen enthält man Citronensäure entweder durch Fermentation verschiedener Substrate (beispielsweise von Zuckerlösungen) mit geeigneten Mikroorganismenstämmen oder aus Zitronensaft Diese genannten Verfahren besitzen jedoch verschiedene Nachteile. So müssen beispielsweise bei der Fermentationsmethode großflächige Vorrichtungen eingesetzt werden, die aufgrund ihres Platzbedarfes in wirtschaftlicher und praktischer Hinsicht nachteilig sind. Ferner müssen die Zuckerlösungen ständig den genannten Vorrichtungen zuge-

2S führt werden. Auch die Auswahl der Mikroorganismenstämme bereitet Probleme. Andererseits ist die Verwendung von Zitronensaft als Ausgangsmaterial besonders kostspielig.

In dem Lehrbuch der Organischen Chemie von P. Karrer, 13. Auflage (1949), Seite 360, ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Citronensäure aus Aceton beschrieben. Dieses Verfahren verläuft über sechs Stufen und unter anderem auch über eine sehr giftige Zwischenverbindung, so daß dieses Verfahren für einen großtechnischen Einsatz nicht geeignet ist und in der Industrie auch keinen Eingang gefunden hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Citronensäure, das vollsynthetisch und großtechnisch durchführbar ist und zu einem reineren Produkt in besserer Ausbeute führt.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man Aceton in einem N-dialkylsubstituierten organischen Säureamid oder in einem N-Alkyllactam mitjeweils bis zu 10 Kohlenstoffatomen oder in Dimethylsulfoxid als inertes dipoiares aprotisches Medium in Gegenwart von mindestens 4 Mol Phenol-Alkalisalzen pro Mol Aceton bei einer Temperatur zwischen 0 und 6O⁰C und bei im wesentlichen atmosphärischem Druck mit Kohlendioxid umsetzt, das erhaltene 3-Ketoglutarsäurealkalisalz in wäßrigem Medium mit einem Überschuß an Cyanwasserstoff bei einer Temperatur zwischen 0 und 1O⁰C in das entsprechende Cyanhydrin

umwandelt, das letztere mit einem Überschuß an Schwefelsäure hydrolysiert und die Citronensäure als Erdalkalimetallsalz gewinnt. Dieses Verfahren kann durch die folgenden Gleichungen schematisch dargestellt werden:

CH₃-CO-CH₃ + 2CO₂ + 2C₆H₅ONa > CH₂-CO-CH₂ + 2C₆H₅OH (1)

AS I I

COONu COONti

CH₂-COONa CH₂-COONa

CO + HCN > HO —C-CN (2)

CH₂-COONa CH₂-COONa

CH₂-COONa

2 HO — C — CN + 4H₂O + 3 H₂SO₄ (3)

r-vs

CH₂-COOH
,. > 2H0 —C —COOH + (NH₄)₂SO₄ + 2Na₂SO₄

&igr;

CH₂-COOH

Während der Dicarboxyliening von Aceton zur Gewinnung von 3-Ketoglutarsäure werden geringfügige Mengen Acetessigsäure aufgrund einer Monocarboxylierungsreaktion gebildet.

Es wurde überraschend gefunden, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Citronensäure die Anwesenheit von Acetessigsäure zusammen mit 3-Ketoglutarsiiurc den weiteren Ablauf des Verfahrens nicht negativ beeinflußt. Tatsächlich ergibt die Acetessigsäure während der Kondensation mit Cyanwasser- &iacgr; stoffsäure das entsprechende Cyanhydrin, das anschließend zu Citiramalsäure hydrolysiert wird.

Folglich ist nach Beendigung des Verfahrens die Citronensäure mit einer kleinen Menge Citramalsäure gemischt, die durch eine Reihe von Reaktionen analog denen zur Urnwandlung von 3-Ketoglutarsäure in Citronensäure von Acetessigsäure abgeleitet ist.

Darüber hinaus wurde gefunden, daß die Citramalsäure durch Ausfällung der entsprechenden Erdalkalimetallsalze von der Citronensäure getrennt werden kann. Jedoch sind derartige Reinigungsoperationen nur dann erforderlich, wenn Citronensäure zum Verzehr hergestellt werden soll. Sofern ein Produkt von industriellem Reinheitsgrad hergestellt werden soll, ist der Reinigungsschritt überflüssig.

Bevorzugt werden die Alkalisalze der Acetessigsäure nicht von denen der 3-Ketoglutarsäure getrennt, sondern die Kondensation mit Cyanwasserstoffsäure und die anschließende Hydrolyse wird mit der Mischung der Salze 15 | der beiden sich ergebenden Cyanhydrine ddrehgeführt und nach !Beendigung des Verfahrens wird gegebenenfalls die Citramalsäure von der Citronensäure durch die obenerwähnte Ausfällung der Erdalkalimetallsalze getrennt

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Reaktionsmischung des Aceton/Kohlendioxid-Umsetzungsproduktes mit Wasser verdünnt Anschließend wird das aprotische Lösungsmittel und das Phenol mit einem Lösungsmittel extrahiert. Die sich ergebende wäßrige Mischung, die im wesentlichen die Alkalisalze von 3-

Ketoglutarsäure und in kleineren Mengen von Acetessigsäure, Alkalibicarbonate und -carbonate enthält, wird ™ mit einem Überschuß an Cyanwasserstoff bei einer Temperatur zwischen 0 und 10⁰C umgesetzt, wobei sich die

entsprechenden Cyanhydrine bilden. Dann wird mit einem Überschuß an Schwefelsäure hydrolysiert und ' schließlich die Citronensäure aus der sich ergebenden Reaktionsmiischung von der als Nebenprodukt anfallen-

den Citramalsäure durch selektive Ausfällung als Erdalkalimetallsalz abgetrennt.

Die Dicarboxylierung (Gleichung 1) wird bei einer Temperatur zwischen 0 und 60⁰C, bevorzugt zwischen 20 und 30⁰C, durchgeführt Wenn man bei Temperaturen arbeitet, die höher als 6O⁰C sind, so bilden sich in mehr oder weniger beträchtlichen Mengen Nebenprodukte, wie z. B. Salicylsäure.

Die Reaktion dauert etwa 2 bis 4 Stunden. Vorzugsweise werden als Alkaliphenolat Natrium- oder Kaliumphenolat verwendet, wobei aus wirtschaftlichen Gründen Natriumphenolat bevorzugt wird.

Das Alkaüphcnolat wird in Mengen vor. 0,2 bis 3 Mo! pro Liter Lösungsmittel, vorzugsweise von 1 bis 2 Mol pro Liter, dem Lösungsmittel zugesetzt.

Je nach der Art des Lösungsmittels wird das Alkaliphenolat in variablen Mengen dem Lösungsmittel zugesetzt, beispielsweise liegt der optimale Wert in Dimethylformamid zwischen 1 und 2 Mol pro Liter Lösungsmittel.

Die höhere Konzentrationsgrenze ist nicht kritisch, da höhere Konzentrationen möglich sind, wenn die verwendeten Vorrichtungen die Behandlung mehr oder weniger pastenartiger Mischungen gestatten, wie sie bei hohen Fhenolatkonzentrationen auftreten können.

Das Molverhältnis Alkaliphenolat/Aceton muß mindestens 4 betregen, um ein Umwandlungsverhältnis von Aceton zu bevorzugt 3-Ketoglutarsäure, bezogen auf Acetessigsäure, zu gewährleisten. Höhere Werte sind möglieh, aber unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht interessant

Unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen beträgt die Selektivität der Dicarboxylierungsreaktion von Aceton zu 3-Keloglutarsäure 90%. N-dialkylsubstituierte Amide von organischen Säuren und N-Alkyl-Iaclamc, beide mit bis zu 10 KohlcnslolTatomen, oder Dimethylsulfoxide sind als Lösungsmittel geeignet.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse werden jedoch erreicht, wenn man Dimethyllbrmamid oderN-Methylpyrrolidon als Lösungsmittel verwendet.

Der Wassergehalt im Lösungsmittel soll bevorzugt unterhalb von 0,1 Gew.-% gehalten werden.

Das Lösungsmittel und das Phenol können durch Extrahieren mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielsweise CH₂CI₂, zurückgewonnen und erneut in das Verfahren rückgeführt werden.

Die Kondensation der wäßrigen Lösung, die die Alkalisalze der 3-Ketoglutarsäure und in einer geringeren so Menge der Acetessigsäure enthält, mit Cyanwasserstoffsäure (Gleich. 2) wird mit gasförmigem oder flüssigem HCN, in einem Überschuß von etwa 20 Gew.-%, bezogen auf die theoretische Menge, die notwendig ist, um die entsprechenden Cyanhydrine aus der Mischung der Alkalisalze der 3-Ketoglutarsäure und der Acetessigsäure zu erhalten, bei einer Temperatur von 0 bis 1O⁰C durchgeführt. !Dies erfolgt unter ständigem Rühren während einer Zeitspanne von etwa 2 bis 4 Stunden, und man rührt für etwa 1 bis 2 Stunden weiter.

Höhere Umwandlungsraten werden bei der Kondensation erhalten, wenn diese in konzentrierten wäßrigen ■ Lösungen durchgerührt wird. Deshalb arbeitet man bevorzugt mit Konzentrationen der Alkalisalze von 3-Ketoglutarsäure, die bezogen auf Wasser höher als 10% sind. Deshalb sollte die Zugabe von Wasser nach der Carboxylierungsstufe bevorzugt auf die unbedingt notwendige Menge begrenzt werden.

bs ist möglich, mii hohen Kunzeiiuaiiuuen der reagierenden Substanzen oder sogar in einer Suspension davnn no zu arbeiten. Die Hydrolyse (Gleichung 3) wird unter Verwendung von gegebenenfalls konzentrierter H₂SO₄, um weitere Verdünnungen zu verhüten, und in einem Überschuß von etwa 20 Gew.-%, bezogen auf das anwesende Alkali und den Stickstoff, die in die Alkali- bzw. Ammoniumsulfate umgewandelt werden sollen, unter Rückfluß während einer Zeitdauer von etwa 4 bis 5 Stunden durchgeführt.

Offensichtlich entwickelt sich während der Zugabe von Schwefelsäure CO₂ aus den Bicarbonaten und Carbonaten, das mit bekannten Verfahren entsprechend zurückgewonnen werden kann, um das Verfahren so wirlschaftlich wie möglich zu machen. |

Nach Beendigung der Hydrolysereaktion enthält die wäßrige schwefelsaure Lösung neben Alkali- und

Ammoniumsulfaten, Citronensäure und geringe Mengen Citramalsäure.

Die Citronensäure kann von der Citramalsäure durch selektive Ausfällung der Citronensäure als ein Salz von Erdalkalimetallen, vorzugsweise als ein Salz von Ba, Cd oder Ca abgetrennt werden. Bei Verwendung von beispielsweise Calciumoxid ist es möglk h, die gleichzeitige Ausfällung deranwesenden SO₄ "-Ionen und der Citronensäure als Calciumsulfat bzw. -citrat zu erhalten, wohingegen die Citramalsäure und/oder ihre Salze in Lösung bleiben.

Aus der Mischung der Calciumsalze wird die Citronensäure durch bekannte Verfahren gewonnen.
Das erhaltene Produkt kann schließlich durch mehrfache Umkristallisationen aus Wasser gereinigt werden. Die Ausfallung der Erdalkalimetallsalze wird bevorzugt bei etwa 70 bis 8O⁰C durchgeführt.
Da& erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt wie folgt durchgeführt Das Alkaliphenolat, das Lösungsmittel und das CO₂ werden unter Rühren in einen Reaktor gegeben, aus dem zuvor die Luft entfernt worden ist. Während der CO₂-Absorption, nämlich während ca. 1 Stunde, wird eine Temperatur von ca. 24 bis 26°C aufrechterhalten.

Nach Beendigung der CO₂-Absorption wird unter beständigem Rühren bei der gleichen Temperatur für ca. weitere 2 bis 3 Stunden Aceton zugesetzt.

Dann wird die Reaktionsmasse mit der maximal möglichen Wassermenge verdünnt und das nicht umgesetzte Aceton, das Phenol und das Lösungsmittel werden mit einem Lösungsmittel, beispielsweise mit Methylenchlorid, extrahiert. Das nicht umgesetzte Aceton, das Phenol und das Lösungsmittel werden zurückgewonnen und wieder in das Verfahren eingebracht.

In die wäßrige Schicht, die die Alkalisalze der3-Ketoglutarsäure und in etnergeringeren Menge der Acetessigsäure enthält, wird HCN, wie vorstehend beschrieben im Überschuß allmählich (während etwa 2 bis 3 Stunden) bei einer Temperatur zwischen 0 und 5°C zugegeben, und man rührt etwa 1 Stunde weiter.

Dann wird die Hydrolyse mit konz. H₂SO₄, wie oben bereits erwähnt in Überschuß, durch Erhitzen unter Rückfluß während ca. 4 Stunden durchgeführt.

Die so erhaltene schwefelsaure Lösung wird dann mit der Erdalkalimetallverbindung, wie Calciumoxid, versetzt und der Niederschlag (Calciumcitrat und -sulfat) wird abfiltriert.

Gemäß bekannten Verfahren wird die Citronensäure schließlich aus dem Niederschlag gewonnen.
Aufgrund der milden Verfahrensbedingungen ergibt das Verfahren besonders vorteilhafte Ergebnisse.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung von Aceton als leicht verfügbares und weniger teures Ausgangsmaterial.

Die nachfolgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung erläutern.

Beispiel 1

42 g Natriumphenolat und 250 cm³ Dimethylformamid werden nach Verdrängung der Luft in einen 5-Hals-Kolben mit einer Kapazität von 1 Liter, der mit einem Rührer, einem Thermometer, einem Tropftrichter und einer Kohlendioxidzuführungsleitung versehen ist, gegeben. Während der Kohlendioxidabsorplion (etwa 1 Stunde) wird eine Temperatur von 24 bis 26° C aufrechterhalten.

Dann werden 5,3 g Aceton zugegeben. Das Ganze wird bei der gleichen Temperatur etwa 3 Stunden weiter gerührt. 300 cm³ Wasser werden nach und nach zugegeben und nicht umgesetztes Aceton, Phenol und Dimethylformamid werden dann mit Methylenchlorid (20mal mit 50 cm') extrahiert.

Die wäßrige Schicht enthält etwa 9,5 g 3-Ketoglutarsäure und 0,8 g Acetessigsäure in Form der entsprechenden Natriumsalze (diese Werte sind colorimetrisch bestimmt worden).

Die Lösung wird dann in einen 1 Liier 5-Hals-Kolben gegeben, der mit Rührer, Thermometer, Tropftrichter ausgestattet ist.

Während, man die Temperatur zwischen 0 und 5°C hält, läßt man während etwa 2 Stunden und 30 Minuten 2,36 g (3,4 cm³) HCN in den Kolben tropfen. Nachdem das Tropfen beendet ist, rührt man bei dieser Temperatur etwa 1 Stunde weiter.
13 cm' konz. H₂SO₄ werden zugegeben und das Ganze wird 4 Stunden unter Rückfluß erhitzt.

Die so erhaltene Schwefelsäure-Lösung, die die Citronensäure und geringe Mengen Citramalsäure enthält, wird in 2 Teile geteilt, aus denen die Citronensäure separat ausgefällt wird.

Der erste Teil wird mit Cd(OH)₂ versetzt, wodurch das Cadmiumcitrat ausgefällt wird. Nach dein Abfiltrieren wird der in Wasser suspendierte Feststotf mit einem starken kationischen Harz behandelt. Das Harz wird dann abfiltriert und der Rückstand wird zur Trockne eingedampft. Der feste Rückstand, bestehend aus wasserfreier Citronensäure, die nahezu völlig frei von Citramalsäure ist, wiegt 4,25 g.

Der erste Filtrat enthält Citramalsäure (etwa 0,9 g). Aus dem letzteren Teil wird durch Zugeben von Calciumoxid bei 70 bis 8O⁰C bis zur Neutralisation Tricalciumcitrat zusammen mit Calciumsulfat ausgefällt. Man filtriert ab. Der in Wasser suspendierte feste Rückstand wird mit so viel konz. H₂SO₄ behandelt, wie notwendig ist, (,&ogr; um die Citronensäure freizusetzen. Nach Abtrennen des Calciumsulfats mit herkömmlichen Verfahren erhält man 4,0 g wasserfreie Citronensäure, die Spuren von Citramalsäure (weniger als 1%) enthält.

Beispiel 2

21 g Natriumphenolat in 125 cm³ N-Methyl-2-pyrrolidon werden in eine Vorrichtung gegeben, die mit der in Beispiel 1 verwendeten identisch ist.
Das Ganze wird in Kohlendioxid-Atmosphäre etwa 1 Stunde bei einer Temperatur zwischen 24 und 26°C

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gerührt. Dann werden;unter Rühren während 3 Stunden bei etwa 25⁰C 2,65 g Aceton zugesetzt.

Man arbeitet wie in Beispiel 1 beschrieben und erhält eine wäßrige Lösung, die 4,8 g 3-Ketoglutarsäure und
0,6 g Acetessigsäure in Form der Natriumsalze enthält.

Diese Lösung wird dann mit Cyanwasserstoffsäure kondensiert und hydrolisiert, wobei man durch Ausrällen
mit CaO und anchließendes Behandeln des erhaltenen Tricalciumcitrats wie in Beispiel 1 beschrieben, 4,3 g s wasserfreie Citronensäure erhält (etwa 0,6 g Citramalsäure bleiben in Lösung).

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von Citronensäure aus Aceton, dadurch gekennzeichnet, daß man Aceton in einem N-dialkylsubstituierten organischen Säureamid oderin einem N-Alkyllactam mitjeweils bis zu 10 Kohlenstoffatomen oder in Dimethylsulfoxid als inertes dipoiares aprotisches Medium in Gegenwart von mindestens 4 Mol Phenol-Alkalisalzen pro Mol Aceton bei einer Temperatur zwischen 0 und 60⁰C und bei im wesentlichen atmosphärischem Druck mit Kohlendioxid umsetzt, das erhaltene 3-Ketoglutarsäurealkalisalz in wäßrigem Medium mit einem Überschuß an Cyanwasserstoff bei einer Temperatur zwischen 0 und 10⁰C in -das entsprechende Cyanhydrin umwandelt, das letztere mit einem Überschuß an Schwefelsäure hydrolysiert und die Citronensäure als Erdalkalimetallsalz gewinnt