DE102006052311A1

DE102006052311A1 - Verbessertes Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxysäuren

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Publication number: DE102006052311A1
Application number: DE200610052311
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-08

Abstract

Verfahren zur Herstellung von freien alpha-Hydroxysäuren aus deren Ammoniumsalzen durch Erhitzen und durch destillative Abtrennung des in den Ammoniumsalzen gebundenen Ammoniaks, dadurch gekennzeichnet, dass man diese Ammoniumsalze zunächst in Gegenwart von tert.Aminen erhitzt unter Freisetzung von gasförmigen Ammoniak und anschließend aus dem gebildeten Salz aus dem zugesetzten tert.Amin und der alpha-Hydroysäure das tert.Amin durch Abdestillieren zurückgewinnt unter Freisetzung der alpha-Hydroxysäure.

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von Alpha-hydroxysäuren im Folgenden abkürzend als AHS bezeichnet.
Nach dem Stand der Technik werden AHS bevorzugt aus den ihnen zugrunde liegenden Cyanhydrinen mit Hilfe von Mineralsäuren wie z.B. mit Salzsäure, Phosphorsäure oder bevorzugt mit Schwefelsäure hergestellt. Zur Isolierung von AHS neutralisiert man anschließend nur die zur Hydrolyse eingesetzte Mineralsäure mit einer Base und isoliert dann anschließend die freie AHS entweder durch Phasentrennung, Kristallisation oder durch fl.fl.-Extraktion mit einem mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittel (vgl. z.B. US 6815560 und die hier zitierte Literatur).
Die gesamte Mineralsäure und die zur Neutralisation eingesetzte Base fallen bei diesen Verfahren zwangsweise in mindestens stöchiometrischen und damit sehr großen Mengen in Form von mineralischen Salzen, meist als Ammonsulfat, an.
Diese Salze sind auf dem Markt nur schwierig und im Vergleich zu den Einsatzstoffen nur unter großen Verlusten absetzbar. Wegen dieser Problematik müssen große Mengen dieser Salze sogar kostenpflichtig entsorgt werden.
Im US-Patent 6066763 wird ein Verfahren zur Herstellung von alpha-Hydroxysäuren beschrieben, das nun ohne den Zwangsanfall großer Mengen nicht oder nur schlecht absetzbarer Salze auskommt. Bei diesem Verfahren setzt man als Ausgangsmaterial die aus den Cyanhydrinen mit Hilfe von aus Mikroben gewonnenen Enzymen, der sog Nitrilasen, erhältlichen Ammoniumsalzen der entsprechenden alpha-Hydroxysäuren ein. Das betreffende Ammoniumsalz wird nach US 6066763 in Gegenwart von Wasser und einem Lösungsmittel erhitzt. Als Lösungsmittel werden solche bevorzugt, die über 40 Grad Celsius sieden und solche, die mit Wasser ein Azeotrob bilden. Durch das gemeinsame anschließende Abdestillieren des Wassers und des Lösungsmittels wird Ammoniak freigesetzt, das gasförmig über den zur Verflüssigung der Dampfe eingesetzte Kondensator entweicht. Die dem eingesetzten Ammoniumsalz zugrunde liegende AHS reichert sich im Sumpf der Destillationsanlage an. Durch das Entfernen des Wassers bei erhöhter Temperatur gehen jedoch große Mengen der zunächst in Freiheit gesetzten AHS durch sowohl intra- als auch intermolekulare Veresterung in Dimere und Polymere der betreffenden AHS über.
Diese müssen daher anschließend durch Erhitzen mit Wasser unter erhöhtem Druck wieder in die betreffende, monomere AHS überführt werden.
Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens liegt in den langen Verweilzeiten in beiden Verfahrensstufen, welche in den Beispielen mit jeweils 4 Stunden beziffert werden. Da bei Stufe 1 während dieser ganzen Zeit das eingesetzte Lösungsmittel am Sieden gehalten wird, resultiert hieraus ein unwirtschaftlicher hoher Dampfverbrauch. Die Ursache ist vermutlich darin zu suchen, dass durch die Anreicherung von freier Säure im Sumpf die Abreicherung von Ammoniak zunehmend erschwert wird und auch nicht 100%-ig gelingt. So bleiben nach beendeter Destillation noch rd. 3 bis 4 % gebundenes Ammoniak im Sumpf zurück.
Außerdem bildet sich unter Reaktionsbedingungen als Nebenprodukt das Amid der AHS, welches in der Stufe 2 des Verfahrens nur teilweise durch Hydrolyse in das Ammoniumsalz der ASH übergeführt wird.
Die nach US 6066763 gewonnenen AHS besitzen darüber hinaus nur eine Reinheit von "80 % und mehr", so dass in der Patentschrift empfohlen wird, sie durch eine fl.fl.Extraktion oder eine Kristallisation weiter zu reinigen.
Es wurde jetzt ein im Vergleich zu US 6066763 wesentlich verbessertes Verfahren zur Herstellung von AHS gefunden, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man das Ammoniumsalz der betreffenden AHS in Gegenwart eines tert-Amins unter Freisetzung von gasförmigem Ammoniak erhitzt und das tert.Amin anschließend aus dem hierbei gebildeten Salz aus tert.Amin und AHS durch Destillation zurück gewinnt unter Freisetzung der gewünschten AHS.
Zur Verwendung eignen sich tert.Amine mit einem Siedepunkt bei Normaldruck von über 40 Grad Celsius und einem um mindestens 100 Grad Celsius niedrigeren Siedepunkt im Vergleich zum Siedepunkt der freien AHS.
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. durch Dialkylaminogruppen..
Die tert.Amine werden mindestens im Molverhältnis von 1,1 und bevorzugt von 1.5 bis 5 bez. auf das Ammoniumsalz der AHS sowie in Gegenwart von mindestens 1,0 oder bevorzugt 1.5 bis 5 Mol Wasser eingesetzt.
Als Ausgangssubstanzen eignen sich vor allem die wirtschaftlich wichtigen Ammoniumsalze beispielsweise der Glykol-, der Milch-, der Mandel-, der alpha-Hydroxybutter-, der alpha-Hydoxyvalerian- und vor allem der 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen folgendermaßen durchgeführt :
In einem Rührgefäß mit aufgesetztem Rückflusskühler bringt man das betreffende Ammoniumsalz der AHS, das tert.Amin und Wasser unter fortwährendem Rühren zum Sieden und setzt das Kochen am Rückfluss noch solange fort bis aus dem Rückflusskühler kein gasförmiges Ammoniak mehr entweicht. Danach ersetzt man den Rückflusskühler durch einen absteigenden Kühler und destilliert je nach Siedepunkt des gewählten tert.Amins entweder zuerst das tert.Amin und dann Wasser oder beide in umgekehrter Reihenfolge ab. Bei ähnlichen Siedepunkten von Wasser und tert.Amin kann man in vorteilhafter Weise auch beide Produkte gleichzeitig abdestillieren.
Die gewünschte AHS fällt meist in öliger Form als Destillationsrückstand an.
Im Vergleich zur US-Patentschrift 6066763 zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass sich hierbei keine polymeren AHS bilden, die erst noch bei erhöhter Temperatur in einer Druckapparatur durch Umsetzung mit Wasser in die monomeren (und dimeren) AHS überführt werden müssen. Das nach US 6066763 als Nebenprodukt beobachtete Amid der AHS bildet sich ebenfalls nicht.
Die Reinheit der als Destillationsrückstand anfallenden AHS ist im Vergleich zur zitierten US-Patentschrift ebenfalls deutlich verbessert und liegt über 95 %.
Diese Reinheit ist für viele Verwendungszwecke vollkommen ausreichend.
Für manche Einsatzgebiete wie z.B. auf dem Lebensmittel- und Pharmagebiet lassen sich die so gewonnenen AHS beispielsweise durch Extraktion, Kristallisation oder durch Destillation im Hochvakuum noch weiter aufreinigen.
Da sich aus den AHS auch schon bei längerer Lagerung bei Zimmertemperatur cyclische Dimere (sog. Lactide), und telomere AHS bilden können, setzt man zur Stabilisierung häufig Wasser zu. So hat sich beispielsweise bei der großtechnisch hergestellten alpha-Hydroxy4-methylthiobuttersäure, dem sog. Methioninhydroxyanalogen (MHA) eine flüssige Mischung aus 88 Teilen MHA und 12 % Wasser in der Praxis bewährt.
Beispiel 1 (D,L-Milchsäure)
In einem Rührkolben mit aufgesetztem Rückflusskühler erhitzt man unter Rühren eine Mischung von 107 g Ammoniumlactat, 198 g N-Metyhlpiperidin und 54 ml Wasser zum Sieden. Das Erhitzen und Rühren setzt man so lange fort bis über den Rückflusskühler kein Ammoniak mehr gasförmig entweicht. Danach ersetzt man den Rückflusskühler durch einen absteigenden Kühler und destilliert bei einer Badtemperatur von 130 Grad Celsius ein Gemisch von Wasser und tert.Amin über. Wenn kein Destillat mehr übergeht, befreit man den Kolbeninhalt durch stufenweises Erniedrigen des Innendruckes auf 20 mm Hg (Wasserstrahlvakuum) noch von Resten an Wasser und tert.Amin und erhält dadurch 190 g Destillationsrückstand als ein nur leicht gelblich gefärbtes niedrig viskoses Öl, das nach dem Ergebnis der HPLC-Analyse mit innerem Standard zu 97 % aus D,L-Milchsäure und D,L-Milchsäure-Lactid besteht und das kein analytisch feststellbares D,L-Milchsäure-amid enthält.
Das abdestillierte Gemisch aus Wasser und tert.Amin kann direkt für den nächsten Ansatz verwendet werden.
Beispiel 2 (2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure)
Eine Mischung von 167 g Ammoniumsalz der 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure, 228 g N-Methylmorpholin und 54 ml Wasser wird in einem Rührkolben mit aufgesetztem Rückfluß-Kühler solange zum Sieden erhitzt bis über den Rückflusskühler kein Ammoniak mehr gasförmig entweicht. Nach dem Ersetzen des Rückflusskühlers durch einen absteigenden Kühler destilliert man bei einer Badtemperatur von 135 Grad Celsius das Gemisch von Wasser und von N-Methylmorpholin ab. Danach erniedrigt man den Druck in der Destillationsapparatur stufenweise bis auf 20 mm Hg, wobei noch die Reste an Wasser und an N-Methylmorpholin übergehen. Man erhält als Destillationsrückstand 146 g eines noch leicht beweglichen Öls, das nach der HPLC-Analyse zu 95 % aus monomerer und dimerer 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure besteht. Durch Zugabe von Wasser stellt man einen Gehalt Von 88 % in der Summe dieser beiden Verbindungen ein und erhält so ein allen Marktprodukt in Bezug auf Farbe und Viskosität überlegenes Verkaufsprodukt.

Claims

Verfahren zur Herstellung von freien alpha-Hydroxysäuren aus deren Ammoniumsalzen durch Erhitzen und durch destillative Abtrennung des in den Ammoniumsalzen gebundenen Ammoniaks, dadurch gekennzeichnet, dass man diese Ammoniumsalze zunächst in Gegenwart von tert.Aminen erhitzt unter Freisetzung von gasförmigen Ammoniak und anschließend aus dem gebildeten Salz aus dem zugesetzten tert.Amin und der alpha-Hydroysäure das tert.Amin durch Abdestillieren zurückgewinnt unter Freisetzung der alpha-Hydroxysäure.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen in Gegenwart von mindestens 1 Mol und bevorzugt 1,5 bis 5 Mol Wasser und tert.Amin durchgeführt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die tert.Amine bei Normaldruck einen Siedepunkt größer 40 Grad Celsius haben und minimal 100 Grad Celsius tiefer sieden als die freie alpha-Hydroxysäure.
Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man bevorzugt tert.Amine mit einem Siedepunkt von 80 bis 110 Grad Celsius verwendet.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die destillative Abrennung des tert.Amins unter vermindertem Druck und unter Verwendung einer Kurzwegdestillation durchführt.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass man als Ausgangsmaterial bevorzugt das Ammoniumsalz der 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure einsetzt.