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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von Ascorbinsäureestern
von Fettsäuren,
genauer gesagt ein Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäureestern
von gesättigten
und ungesättigten
Fettsäuren,
wie Laurin-, Myristin-, Palmitin- und Stearinsäuren.
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Bekanntermaßen können Fettsäureester
von Ascorbinsäure
durch die Umsetzung von Ascorbinsäure mit einer Fettsäure wie
Palmitinsäure,
oder dem Methyl- oder Ethylester hiervon, in der Gegenwart von konzentrierter
Schwefelsäure,
zum Beispiel etwa 95%iger Schwefelsäure oder einem Oleum (hoch
konzentrierte Schwefelsäure)
wie einem, das etwa bis zu 30 % zugegebenes Schwefeltrioxid enthält, Gießen des
Reaktionsproduktes auf Eis oder Zugabe von kaltem Wasser zu dem
Reaktionsprodukt und Aufarbeitung des gewünschten Ascorbinsäurefettsäureesters
(Ascorbylfettsäureester)
als einen festen Niederschlag oder durch Kristallisation nach Extraktion
hergestellt werden: siehe z. B. die US-Patente 4,151,178 und 4,705,869.
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Wie
durch diese Beschreibung hindurch verwendet, soll sich der Ausdruck „Ascorbinsäure" oder „Ascorbyl" auf irgendein Isomer
von Ascorbinsäure beziehen,
wie das natürliche
Isomer, L-Ascorbinsäure,
und D-Isoascorbinsäure, sofern
nicht etwas anders angegeben ist.
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Die
Umsetzung von Ascorbinsäure
oder einem Salz hiervon mit einer Fettsäure, oder einem Ester oder
Salz hiervon, in der Gegenwart von konzentrierter Schwefelsäure, erzeugt
außer
dem gewünschten
Ascorbinsäure-6-fettsäureester,
z. B. L-Ascorbyl-6-palmitat, Nebenprodukte wie den Ascorbinsäure-5-fettsäureester,
z. B. L-Ascorbyl-5-palmitat,
und ebenso die Sulfate der 6- und 5-Ester, z. B. L-Ascorbyl-6-palmitat-
oder L-Ascorbyl-5-palmitat-2- oder -3-sulfat. Bei den üblichen
Aufarbeitungsverfahren, das heißt,
der Isolierung des 6-Esters durch Feststoffausfällung oder Extraktion mit einem
Lösungsmittel
wie Diethylether gefolgt von der Kristallisation, verbleiben die
weiteren veresterten Nebenprodukte wie das L-Ascorbyl-5- oder 6-palmitat-2-sulfat
und/oder -3-sulfat in dem Produkt und steigern die sekundäre Bildung
von noch weiteren Nebenprodukten. Daher wird der reine 6-Ester,
z. B. L-Ascorbyl-6-palmitat, nicht erhalten und die Ausgangs-Ascorbinsäure wird
nicht in einem adäquaten
Ausmaß zu
dem gewünschten
6-Fettsäureester
umgewandelt.
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Nunmehr
ist herausgefunden worden, das bei der Schwefelsäure-katalysierten Veresterung
von Ascorbinsäure
mit Fettsäuren
die Ascorbinsäure
effizienter zu einem im wesentlichen reinen Ascorbyl-6-fettsäureester
umgewandelt werden kann, wenn die Veresterungsprodukte mit Diethylketon
extrahiert werden, gefolgt von der Hydrolyse von Sulfatgruppen,
die in den Estersulfatnebenprodukten vorhanden sind, Entfernung
von Schwefelsäure
aus dem Produkt dieser Hydrolyse und schließlich Isomerisation der Ascorbinsäure-5-fettsäureester-Nebenprdukte
zu dem gewünschten
Ascorbinsäure-6-fettsäureester
durch Säurekatalyse
in einem nicht polaren aprotischen organischen Lösungsmittel. In der vorangegangenen
Aussage und jedesmal, wenn sie nachstehend auftritt, beschreibt
der Ausdruck „im wesentlichen
rein" bezogen auf
den Ascorbyl-6-fettsäureester,
eine Reinheit von zumindest 95 %, insbesondere eine von zumindest
98,5 %.
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Demgemäß liefert
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Isolierung von im wesentlichen
reinem Ascorbyl-6-fettsäureester
aus den Produkten, die durch die Schwefelsäure-katalysierte Veresterung
von Ascorbinsäure
mit Fettsäuren
erhalten wurden, das die Extraktion mit Diethylketon solcher Reaktionsprodukte
aus dem Gemisch, das nach der Veresterungsreaktion verbleibt, die
Hydrolyse der Sulfatesternebenprodukte in dem Diethylketonextrakt,
die Entfernung der erzeugten Schwefelsäure aus dem Produkt dieser
Hydrolyse, die Isomerisierung des Ascorbyl-5- fettsäureester-Nebenproduktes zu
dem gewünschten
Ascorbyl-6-fettsäureester durch
Säurekatalyse
in einem nicht polaren aprotischen organischen Lösungsmittel und die Gewinnung
des angesammelten Ascorbyl-6-fettsäureesters umfaßt.
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Als
einen anderen Aspekt liefert die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von Fettsäureestern
von Ascorbinsäure,
wobei das Verfahren die Schritte:
- a) Umsetzung
von Ascorbinsäure
oder einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz hiervon mit einer
Fettsäure
oder mit einem Niederalkylester oder einem Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz hiervon
in konzentrierter Schwefelsäure;
- b) Extraktion der erhaltenen Veresterungsprodukte aus dem Gemisch,
das nach der Umsetzung von Schritt a) verbleibt, gegebenenfalls
nach der Zugabe von Wasser zu dem Gemisch, mit Diethylketon;
- c) Hydrolyse jeglicher Sulfatesternebenprodukte in der Diethylketonphase,
die bei der Extraktion von Schritt b) erhalten wurde;
- d) Entfernung der Schwefelsäure
aus dem hydrolysierten Reaktionsprodukt, das in Schritt c) erhalten
wurde;
- e) Entfernung von so viel wie möglich an Diethylketonlösungsmittel
aus der Diethylketonphase, die nach Schritt d) vorhanden ist;
- f) Zugabe eines nicht polaren aprotischen organischen Lösungsmittels
und gegebenenfalls etwas zusätzlicher
starker Säure
zu dem Produkt aus Schritt e) und Isomerisierung des vorhandenen Ascorbyl-5-fettsäureesters
zu Ascorbyl-6-fettsäureester;
- g) Neutralisierung der Säure
in dem Gemisch, das nach der Beendigung von Schritt f) vorhanden
ist und
- h) Isolierung des Ascorbyl-6-fettsäureesters aus dem Gemisch,
das nach der Neutralisierung von Schritt f) vorhanden ist,
umfaßt.
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Die
Umsetzung der Ascorbinsäure
oder ihres Salzes mit der Fettsäure
oder dem Ester oder Salz in der konzentrierten Schwefelsäure [Verfahrensschritt a)]
kann auf bekannte Art und Weise, beispielsweise wie in den oben
genannten Referenzen beschrieben, durchgeführt werden. An Stelle von Ascorbinsäure selbst
(freie Ascorbinsäure)
kann ein Alkalimetallsalz von Ascorbinsäure, wie das Natrium- oder
Kaliumsalz, oder ein Erdalkalimetallsalz, wie das Calciumsalz, verwendet
werden. Vorzugsweise wird jedoch freie Ascorbinsäure verwendet. Die Fettsäure ist
geeigneterweise eine gesättigte
C4-20-Alkansäure, z. B. Laurin-, Myristin-,
Palmitin- oder Stearinsäure,
vorzugsweise Palmitinsäure,
kann jedoch auch eine ungesättigte
C4-20-Fettsäure zusammen mit ein bis drei ethylenischen
Doppelbindungen sein, wie eine mehrfach ungesättigte Fettsäure (PUFA).
Anstelle der freien Fettsäure
kann ein Ester, geeigneterweise ein Niederalkylester, z. B. der
Methyl- oder Ethylester, oder ein Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz,
vorzugsweise das Natrium- oder Calciumsalz, verwendet werden.
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Die
verwendete Schwefelsäure
kann 95%ige Schwefelsäure
oder ein Oleum, das bis zu 30 Gew.-% zugegebenes Schwefeltrioxid
enthält,
sein, ist jedoch bevorzugt Schwefelsäure, die üblicherweise als „95%ige
Schwefelsäure" bezeichnet wird,
oder eine höher
konzentrierte Variante mit bis zu „100,5 Gew.-% Schwefelsäure".
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Geeigneterweise
wird die Fettsäure
oder ihr Niederalkylester oder Alkalimetall- oder Erdalkalimetallsalz
in einem Überschuß, zum Beispiel
etwa 20 % bis etwa 100 % molarem Überschuß, bezogen auf die molare Menge
der verwendeten Ascorbinsäure
oder ihres Salzes, umgesetzt. Bevorzugt wird ein etwa 25%iger molarer Überschuß verwendet. Überdies wird
die Veresterung geeigneterweise bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur,
z. B. im allgemeinen im Bereich von etwa 20 °C bis etwa 30 °C, durchgeführt. In
Abhängigkeit
von der Reaktionstemperatur wird die Veresterungsreaktion von Schritt
a) üblicherweise
innerhalb von 8 bis 12 Stunden beendet.
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In
dem nächsten
Verfahrensschritt [b)] wird das Gemisch, das nach der Veresterungsrekation verbleibt,
mit Diethylketon extrahiert. Da das Gemisch im allgemeinen sehr
viskos ist, wird es geeigneterweise vor der Extraktion mit Diethylketon
mit Wasser verdünnt,
vorzugsweise mit Wasser, das auf nur 0 °C abgekühlt wurde, um unerwünschte weitere Reaktionen
zu vermeiden, und geeigneterweise mit der etwa dreifachen bis etwa
sechsfachen Menge bezogen auf sein Gewicht. Bei der Zugabe des kalten Wassers
wird die Temperatur des Gemisches, das verdünnt wurde, geeigneterweise
im Bereich von etwa 0 °C
bis etwa 5 °C
gehalten.
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Das
verdünnte,
weniger viskose Gemisch wird dann mit Diethylketon extrahiert, geeigneterweise
mit der etwa dreifachen bis etwa fünffachen Menge, bezogen auf
das Volumen des Ketons. Die Diethylketonphase wird schließlich aus
der wässerigen Phase
abgetrennt, was auf herkömmliche
Weise durchgeführt
werden kann.
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In
dem folgenden Verfahrensschritt [c)] wird die abgetrennte Diethylketonphase
geeigneterweise bei erhöhter
Temperatur, z. B. einer Temperatur von etwa 30 °C bis etwa 80 °C, bevorzugt
etwa 55 °C
bis etwa 70 °C,
für einen
Zeitraum gehalten, der ausreicht, um die Sulfatestergruppen aus
dem sulfatierten Ascorbyl-5- und/oder 6-fettsäureester, der in dem Produkt
aus den Schritten a) und b) enthalten ist, abzuhydrolysieren. Der
Verlauf der Hydrolyse in dem erhitzten Diethylketonextrakt kann
durch herkömmliche
analytische Mittel, zum Beispiel durch Hochdruckflüssigchromatographie
(HPLC) oder durch Dünnschichtchromatographie
(DC) aufgezeichnet werden. Die Hydrolyse wird typischerweise bei
60 °C innerhalb
von etwa 30 Minuten beendet.
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Anschließend wird
in dem Verfahrensschritt d) die Diethylketonphase im wesentlichen
von der Schwefelsäure,
die darin teilweise als ein Ergebnis ihrer Erzeugung in dem vorhergehenden
Wärmebehandlungsschritt
enthalten ist, befreit. Die Entfernung dieser Schwefelsäure wird
herkömmlicherweise durch
das Waschen des Diethylketons mit Wasser und/oder durch die Behandlung
mit einer festen, schwachen, im wesentlichen unlöslichen Base, wie festem Calcium-
oder Magnesiumcarbonat oder einem festen schwach basischen Ionenaustauschharz, zum
Beispiel XE 654 (Rohm and Haas) herbeigeführt. Wenn das Waschen mit Wasser,
gefolgt von der Behandlung mit einer festen Base eingesetzt wird, muß die wässerige
Phase aus der Wäsche
abgetrennt werden, bevor die Base zugegeben wird. Nach der Behandlung
mit einer festen Base verbleiben die festen Komponenten in der organischen
Phase und diese müssen
entfernt werden, geeigneterweise durch Filtration. Wenn als eine
Alternative der Durchlauf des Diethylketonextrakts über die
Base bewirkt wird, kann, insbesondere da, wo ein festes schwach basisches
Ionenaustauschharz eingesetzt wird, die Gegenwart der festen Komponenten
im wesentlichen vermieden werden, und demzufolge die anschließende Filtration
unnötig
werden. Wenn gewünscht
kann der Behandlung mit einer festen Base die Wäsche mit Wasser folgen, wobei
in diesem Fall die Diethylketonphase schließlich von der wässerigen
Phase getrennt wird; dies kann herkömmlich durchgeführt werden.
Die isolierte Diethylketonphase, die von den festen Komponenten
befreit und/oder von der wässerigen
Phase getrennt wurde, verleiht im allgemeinen einem Drittel ihres
Volumens eines Wasserextrakts, der herkömmlicherweise dazu verwendet
wird, um das Ausmaß der
Säureentfernung
anzuzeigen, einen pH von 3,0 bis 4,5 und enthält den gewünschten Ascorbyl-6-fettsäureester
sowie etwas Ascorbyl-5-fettsäureester,
der später
[(in Verfahrensschritt f)] zu dem 6-Fettsäureester isomerisiert wird.
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In
dem nächsten
Schritt [e)] wird das Diethylketonlösungsmittel dann entfernt,
geeigneterweise auf herkömmliche
Art und Weise, durch Verdampfung unter vermindertem Druck und bei
erhöhter Temperatur.
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Auf
diese Weise können
in der Regel 98 bis 100 % des Lösungsmittels
entfernt werden.
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Die
Isomerisierung, die in der nächsten
Stufe, Schritt f) herbeigeführt
wird, kann durch die Wirkung von Spuren einer starken Säure, die
aus den vorhergehenden Schritten d) und e) verbleiben, in der Gegenwart
eines nicht polaren aprotischen organischen Lösungsmittels bewirkt werden.
Geeigneterweise wird ein nicht polares aprotisches orga nisches Lösungsmittel
zu dem Gemisch, das aus der Entfernung des Diethylketonlösungsmittels,
die in Schritt e) herbeigeführt
wurde, resultiert, zugegeben. Das Lösungsmittelmedium für das Isomerisierungsverfahren
sollte im wesentlichen nicht polar sein, da dies die Bildung des
Ascorbyl-6-fettsäureesters,
der in nicht polaren Lösungsmitteln
im allgemeinen weniger löslich
ist als der 5-Ester, vorteilhaft beeinflußt; überdies unterdrückt ein
im wesentlichen nicht polares Lösungsmittelsystem
jegliche Isomerisierung des 6-Fettsäureesters zu dem 5-Fettsäureester,
was andernfalls auftreten könnte.
Geeigneterweise sind nicht polare aprotische organische Lösungsmittel
für die
Verwendung in diesem Schritt f) Niederalkane, insbesondere Hexan,
und aromatische Kohlenwasserstoffe, zum Beispiel Benzol und Toluol.
Vorzugsweise umfaßt
das Lösungsmittelsystem
zumindest etwa 9 Vol.-% des zugegebenen Lösungsmittels, wobei das Lösungsmittel
vorzugsweise Hexan ist und der Rest verbleibendes Diethylketon ist.
Während Spuren
von Schwefelsäure,
die noch immer in dem Diethylketonextrakt vorhanden sind, als die
Säure ausreichen,
um die Isomerisierung zu katalysieren, kann es erforderlich sein,
die Menge an Säure
durch die Zugabe einer kleinen Menge einer starken Säure wie
einer Mineralsäure,
z. B. (zusätzliche)
Schwefelsäure,
Salzsäure,
ein Hydrogensulfat, z. B. Natriumhydrogensulfat, oder eines stark
sauren Ionenaustauschharzes zu ergänzen. Das Gemisch wird dann geeigneterweise
bei Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur, z. B. bei
einer Temperatur von bis zu 60 °C,
gehalten, bis die Isomerisierung beendet ist. Die für die Isomerisierung
erforderliche Zeit hängt unter
anderem von der Temperatur des Reaktionsgemisches ab und kann von
etwa 6 Stunden bei Raumtemperatur bis etwa 3 Stunden bei 60 °C variieren.
In jedem Fall kann der Verlauf der Isomerisierung des Ascorbyl-5-fettsäureesters
zu dem gewünschten
Ascorbyl-6-fettsäureester
durch herkömmliche
analytische Techniken, z. B. HPLC oder DC, aufgezeichnet werden.
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Wenn
die Isomerisierung des Ascorbyl-5-fettsäureesters zu dem gewünschten
Ascorbyl-6-fettsäureester
beendet ist, wird das Reaktionsgemisch in dem folgenden Schritt,
g) isoliert, zum Beispiel durch die Zugabe eines Erdalkalimetallcarbonats,
vorzugsweise Calciumcarbonat. Das Mittel, das zur Neutralisation
zugegeben wird, z. B. Calciumcarbonat, wird herkömmlicherweise in Suspension
in einem nicht polaren organischen Lösungsmittel, z. B Hexan, zugegeben.
Es wird eine Suspension erhalten, die den gewünschten Ascorbyl-6-fettsäureester
und das geeignete Erdalkalimetallsulfat enthält.
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Um
anschließend
den Ascorbyl-6-fettsäureester
in dem letzten Schritt, h) zu isolieren, wird das Diethylketon geeigneterweise
zu der neutralisierten Suspension, die in Schritt g) erhalten wurde,
in einer Menge zugegeben, mit der der Ascorbyl-6-fettsäureester
aufgelöst
wird. Holzkohle kann ebenso geeigneterweise für Reinigungszwecke zugegeben
werden. Der reine Ascorbyl-6-fettsäureester wird geeigneterweise
durch Filtration des warmen Gemisches und Abkühlen des Filtrats erhalten,
wobei der resultierende Niederschlag des Ascorbyl-6-fettsäureesters,
der im allgemeinen in kristalliner Form vorliegt, dann isoliert
wird, herkömmlicherweise
durch Filtration. Wenn gewünscht
und wenn eine höhere Fettsäure, zum
Beispiel Palmitinsäure,
als die Fettsäure
verwendet wird, kann die Stammlösung
dann konzentriert werden, um den Überschuß der entsprechenden Fettsäure, die
als ein Nebenprodukt vorhanden ist, z. B. Palmitinsäure, als
einen Niederschlag umzuwandeln, der dann, sofern gewünscht, aufgearbeitet
werden kann.
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Um
in allen Stufen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung eine optimale
Ausbeute zu erreichen, sollten alle Operationen in einer inerten
Atmosphäre,
z. B. unter Stickstoff, durchgeführt
werden, und die Lösungsmittel,
die verwendet werden, sollten vor der Verwendung mit Inertgas, zum
Beispiel Stickstoff, entgast werden. Ferner ist zu diesem Zweck eine
schnelle Verfahrensweise der Reaktionsschritte b), c) und d) bevorzugt.
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Das
folgende Beispiel veranschaulicht die Erfindung:
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Beispiel
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A. Veresterung [Verfahrensschritt
a)]
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1,02
kg Ascorbinsäure
und 1,85 kg Palmitinsäure
wurden zu 4,7 l Oleum (100,5 % Schwefeltrioxid) unter Rühren und
Kühlung
zugegeben. Die Reaktion konnte 12 Stunden bei 30 °C (Manteltemperatur)
fortlaufen.
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B. Verdünnung und
Extraktion [Verfahrensschritt b)]
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In
diesem und in den folgenden Schritten wurden alle Lösungsmittel
mit Stickstoff vor der Verwendung entgast, und alle Operationen
wurden unter Stickstoff durchgeführt.
Das viskose Gemisch, das nach der Beendigung des vorhergehenden
Reaktionsschrittes (Veresterung) erhalten wurde, und die dreifache
Menge an deionisiertem Eiswasser wurden gleichzeitig unter kräftigem Rühren in
ein Gefäß gegeben,
während
die Temperatur zwischen 0 und 2 °C gehalten
wurde. Das resultierende verdünnte,
weniger viskose Gemisch wurde dann mit 100 l Diethylketon bei einer
Temperatur, die 20 bis 25 °C
nicht übersteigt,
extrahiert.
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C. Hydrolyse der Sulfatester
[Verfahrensschritt c)]
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Der
abgetrennte Diethylketonextrakt aus dem vorhergehenden Schritt wurde
auf 65 °C
erwärmt,
bis die Menge des Produktes, das die Sulfatestergruppen enthält, weniger
als 0,5 % betrug, wie durch HPLC/DC angezeigt.
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D. Entfernung von Schwefelsäure [Verfahrensschritt d)]
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Der
abgetrennte wärmebehandelte
Diethylketonextrakt, der aus dem vorhergehenden Schritt resultiert,
wurde auf 20 bis 22 °C
gekühlt
und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Dann, nach der Entfernung
der wässerigen
Phase, wurde die abgetrennte Diethylketonphase durch ein Bett aus
schwach basischem Ionenaustauschharz XE 654 (Rohm and Haas) geführt, bis
der pH eines wässerigen
Extraktes (erhalten mit 50 ml Wasser aus einem 150 ml Aliquot der
Diethylketonphase) etwa 3,7 bis 3,8 betrug.
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E. Verdampfung des Lösungsmittels
[Verfahrensschritt e)]
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Die
Diethylketonphase wurde bei 60 mbar (6 kPa) und 45 °C zu einem
festen Rückstand
verdampft und dieser wurde bei 10 mbar (1 kPa) und 60 °C (Manteltemperatur)
getrocknet.
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F. Isomerisierung [Verfahrensschritt
f)]
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30
l Hexan und 5 g konzentrierte Schwefelsäure wurden zu dem Rückstand,
der nach der Beendigung des vorhergehenden Schrittes erhalten wurde,
zugegeben, und die Suspension wurde bei 60 °C 3 Stunden erwärmt.
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G. Neutralisation [Verfahrensschritt
g)]
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Eine
Suspension aus 5,2 g Calciumcarbonat in 200 ml Hexan wurde zu dem
Gemisch, das aus dem vorhergehenden Schritt resultiert, zugegeben, und
das vermehrte Gemisch wurde 30 Minuten gerührt.
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H. Isolierung [Verfahrensschritt
h)]
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12
l Diethylketon bei 60 °C
wurden zu dem Gemisch, das aus dem vorhergehenden Schritt resultiert,
zugegeben, gefolgt von einer Aufschlämmung aus 144 g Holzkohle in
1 l Diethylketon zu der resultierenden Lösung bei 60 °C. Nach der
Filtration der heißen
Lösung
und Waschen des Filterkuchens mit 5 l Diethylketon wurden 6 l Hexan zugegeben.
Die Lösung
wurde dann schrittweise auf 15 °C,
dann auf 3 bis 4 °C
gekühlt.
Der resultierende Niederschlag wurde durch Zentrifugation getrennt,
mit 20 l eines Gemisches mit gleichem Volumens aus Diethylketon und
Hexan bei 3 bis 4 °C
gewaschen, und bei 50 °C unter
vermindertem Druck getrocknet. Das kristalline Produkt bestand aus
im wesentlichen reinem Ascorbyl-6-palmitat. Die Stammlösung wurde
zur Trockne bei 60 °C/100
mbar (10 kPa) verdampft und der Rückstand wurde aus Diethylketon
umkristallisiert.