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Verfahren zur Herstellung optisch aktiven Lysins Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zu der Herstellung optisch aktiven Lysins, oder einer gebräuchlichen
optisch aktiven Lysinverbindung, wie z.B. L-lysinmonohydrochlorid, indem man DL-Lysin
gemäss der Methode der Salzbildung mit optisch aktiver Säure einer optischen Spaltung
unterzieht.
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Dieses Verfahren ist von Bedeutung mit Rücksicht auf die Verwendung
von L-lysin zur Steigerung des Nährwert von z.B. Viehfutter.
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Zur optischen Spaltung von DL-Lysin sind bereits mehrere optisch
aktive Säuren vorgeschalgen worden, wie optisch aktive o-Phenoxypropionsäurc (siehe
die amerikanische Patentschrift 3.431.295). Bei dieser Methodik benutzt man den
Unterschied in der Löslichkeit der diastereoisomeren Salze.
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Ein Nachteil der Anwendung bekannter optisch aktiver Spaltungsmittel
besteht darin, dass während der optischen Spaltung des DL-Lysins eine Raceaisierung
dieses Mittels auftreten kann. Auch eine sehr langsame Racemisierung kann fur die
Praxis beschwerlich sein, weil das Spaltungsmittel stets zuruckgeftihrt wird und
nur die sog. 'handlings'-Verluste ergänzt werden. Um diese Racemisieruug zu vermeiden,
hat man nach optisch inaktiven Säuren gesucht als Hilfsmittel bei der optischen
Spaltung von DL-Lysin unter Anwendung der Methode der selektiven Kristallisation.
Eine bekannte optisch inaktive und fflr eine optische Spaltung von DL-Lysin sehr
geeignete Säure ist Sulfanilsäure (siehe die britische Patontschrift 1.191.100)
Bei optisch inaktiven Säuren kann selbstverständlich
keine Racemisierung
des Spaltungsmittels eintreten. Verglichen mit den optisch aktiven Spaltungsmitteln
hat die Anwendung einer optisch inaktiven Säure aber den Nachteil, dass der Ertrag
an selektiv auskristallisiertem Salz weitaus geringer ist als der Ertrag an diastereoisomerem
Salz und deshalF stets eine weit grössere Menge zurückgeführt werden muss.
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Es wurde nunmehr ein Spaltungsmittel gefunden, das für eine grosstechnische
Anwendung sehr interessante Möglichkeiten bietet und bei dem sich sowohl der Nachteil
einer Racemisierung als einer grossen Umlaufmenge vermeiden lässt. Das erfindungsgemässe
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man als Spaltungsinittel t[ 5-(5-Methylhydantoin)]
-propionsäure (nachstehend als Levulinsäurehydantoin zu bezeichnen) in optisch aktiver
Form anwendet.
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Dieses neue Spaltungsmittel für DL-Lysin besitzt die folgenden Eigenschaften,
wordurch es sich ausgezeichnet für diesen Zweck eignet: a. An das asymmetrische
Zentrum ist kein Wasserstoffatom gebunden, so dass die Säure nicht racemisieren
kann.
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b. es bildet sich diastereoisomeres Salz In guter Ausbeute.
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c. das anfallende diastereoisomere Salz zeigt einen hohen Reinheitsgrad.
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d. Wasser erweist sich als ein ausgezeichnetes Lösungsmittel für die
Trennung der diastereoisomeren Salze.
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e. das geringst lösliche diast@reoisomere Salz, das als Monohydrat
auskristallisiert, zeigt eine solche Kristallstruktur, dass es ich gut von der Mutterlauge
trennen lässt.
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Beim erfindungsgemässen Verfahren kann sowohl das (-)-Levulinsäurehydantoin
oder das (+)-Levulinsäurehydantoin verwendet werden. Im ersteren Falle ist das betreffende
Salz mit L-Lysin (das (-)-L-Salz) bedeutend weniger löslich als das betreffende
Salz mit D-Lysin (das (-)-D-Slz, während im anderen Fall das Salz mit D-Lysin (das
(+)-D-Salz) weit weniger löslich ist als das Salz mit L-Lysin (das (+)-L-Salz).
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Bevorzugt wird das linksdrehende Levulinsäurehydantoin. Er wird dann
als Salz mit der geringsten Löslichkeit und somit mit der höchsten optischen Reinheit
das Salz mit L-Lysin erhalten. Au ihm lässt sich dann als ar meisten gewünschte
Antipode das L-Lysin mit hoher optischer Reinheit gewinnen.
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Wasser ist ein sehr geeignetes Lösungsmittel, in dem die diastereoisolieren
Salze unterschiedlich löslich sind wnd es wird deshalb auch bevorzugt verwendet.
Es sind im Prinzip aber auch andere Lösungsmittel mbtlich, wie C Z ische von Wasser
mit Methanol und Pvhanol. Das Levulinsäurehydantoin kann auf bekannte Weise (siehe
Journal of Am. Chem. Soc. 77, 1955, Seite 698) aus
Levulinsäure
gewonnen werden. Die Herstellung dicses Levulinsäurehydantoins in optisch aktiver
Form kann sehr zweckmässig mit optisch aktivem Lysin stattfinden, so dass kein fremdes
Spaltungsmittel zur Ergänzung der Einbusse an optisch aktivem Levulinsäurehydantoin
eingesetzt werden muss. Die optische Spaltung von Levulinsäurehydantoin bildet das
Thema einer gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereichten Patentanmeldung.
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Die Salzbildung kann beim erfindungsgemässen Verfahren gemäss an
sich bekannten Methodiken erfolgen, z.B. durch Reaktion von Lysin mit der Säure
in wässerigem Medium, durch Reaktion von Lysin mit dem Ammoniumsalz der Säure in
wässerigem Medium mit anschliessender Entfernung des dabei freiwerdenden Ammoniaks,
durch Reaktion von Lysincarbonat mit der Säure in wässerigem Medium mit anschliessender
Entfernung des anfallenden Kohlendioxyds und durch Reaktion von Lysincarbonat mit
dem Ammoniumsalz der Säure mit anschliessender Abscheidung des gebildeten-Ammoniumcarbonats
durch Eindampfung des Reaktionsgemisches. Die Salzbildungstemperatur soll so gewählt
werden, dass ein flüssiges Reaktionsmedium gewährleistet ist, im Ubrigen aber ist
sie nicht kritisch, Gewnnlich wird für die Salzbildung eine Temperatur zwischen
0 - 100 OC verwendet. Bei der Salzbildung können die Reaktionsteilnehmer in äquimolekularen
oder etwa äquinolekularen engen eingesetzt werden, es sind aber auch andere Verhältnisse
anwendbar.
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Nach der Salzbildung kann eins der diastereoisomeren Salze durch
fraktionierte Kristallisation aus einer Lösung des bei der Salzbildung erhaltenen
Reaktionsgemisches in einem geeigneten Lösungsmitti abgesondert werden. Die Konzentration
der Ausgangslösung kann dabei unterschiedlich gewählt werden, z.B. zwischen 35 und
70 Gew.-%. Es kann auch das bei der Salzbildung anfallende Reaktionsgemisch in fester
Form einer selektiven Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel unterzogen werden.
Die Mutterlauge, welche nach Isolierung des geringstlöslichen diastereoisomeren
Salzes aus dem bei der Salzbildung anfallenden Reaktionsgemisches zurückbleibt,
kann auf vielerlei, bereits bekannte Weise aufgearbeitet werden.
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Die Salze von L- und D-Lysin mit optisch aktivem Levulinsäurehydantoin
können gleichfalls mit Hilfe verschiedener, an sich bekannter Methoden in Lysin
und Levulinsäurehydantoin getrennt werden, z.B. indem man eine wässerige Lösung
des Salzes über einen Ionenaustauscher mit SO 3H-Gruppen leitet (z.B. Dowex 50 in
der H -Form). Das Lysin, z.B. L-Lysin, wird dann an den Austauscher gebunden; als
Eluat wird das Levulinsäurehydantoin erhalten. Durch Waschung des Austauschers mit
verdUnntem Ammoniakwasser erhält man eine wässerige Lösung, aus der nach Ausscheidung
des Ammoniaks und Neutralisation mit Salzsäure L-Lysinmonohydrochlorid
in
fester Form gewonnen werden kann. Als Ionenaustauscher kann z.B. auch @@@@@ 50 in
d@r NH+ Dowex 50 in der NH4-Forx benutzt werden. Das Eluat enthält dann das Levulinsäurehydantoin
als Ammoniumsalz. Aus diesem Ammoniumsalz kann anschliessend die freie Säure gewonnen
werden. Es kann aber auch das Ammoniumsalz als solches für die Salzbildung verwendet
werden.
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nie beim erfindungsgemässen Verfahren als Zwischenprodukt anfallenden
SaIte von DL-, L- und D-Lysin mit einer optisch aktiven Form von Levulinsäurehydantoin
sind neue Verbindungen mit in nachstehender Tabelle angegebenen physikalischen Eigenschaften.
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Salz DL-Lysin L-Lysin D-Lysin DL-Lysin L-Lysin D-Lysin und und und
und und und (-)Säure (-)Saure (-)Säure (+)Säure (+)Säure (+)Säure Wasserlös- 33
27,1 60 33 60 27,1 lichkeit bei 25 °C in Gew.-% idem bei 40 OC 38 30,6 61,8 38 61,8
30,6 idem bei 55 OC 42 34,3 63 42 63 34,3 spez. Drehung - 8,10 - 200 + 200 + 8,10
[α]D22 in 1) Wasser bei C Schmelzpunkt in °C 213 217,8 217,8 213 )oder Monohydrat
fir das-(-)-L-Salz und das (+)-D-Salz, im nachfolgenden Beispiel wird die Erfindung
näher erläutert.
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Beispiel Herstellung des Spaltungsmittels aus racemischem Levulinsäurehydantoin
In eine Lösung von 110 g L-Lysin (0,754 Mol) in 196 ml Wasser werden 140 g racemisches
Levulinsäurehydantoin (0,754 Mol) eingebracht. Das Gemisch wird erhitzt, bis eine
klare Lösung erhalten wird. Die heisse Lösung wird anschliessend unter Rühren langsam
auf Zimmertemperatur gewählt, wobei das Salz von L-Lysin mit (-)-Levulinsäurehydantoin
auskristallisiert Nach vollständiger Beendung der Kristallisation werden die Kristalle
von der FlUssigkeit abfiltriert und auf dem Filter zweimal mit jedesmal 50 ml Methanol
ausgewaschen. Nach Trocknung der Kristalle bei etwa 60 °C bilden sich 106,5 g festes
Monohydratsalz von L-Lysin und (-)-Levulinsäurehydantoin mit einer spezifischen
Drehung
[α]D22 = 7,4° (C = 4; H2O). Die Menge von 106,5 g
Salz wird aus 115 ml Wasser umkristallisiert. Nach Filtrierung, Auswaschen mit Methanol
auf den Filter und Trocknen werden 67,2 g L-Lysin (-)-Levulinsäurehydantoinmonohydrat
mit einer spezifischen Drehung[α]D22 = - 8,1 (C = 4; H20) erhalten.
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Bei weiterer Umkristallisation des Salzes bleibt die spezifische Drehung
konstant. Hieraus kann gefolgert werden, dass es sich um optisch reines Salz handelt
(Elementanalyse in Gew.: C 44,5; H 7,5; N 15,8; berechnet für C13H26N407: C 44,56;
H 7,48; N 15,99). Durch Verdampfung von 79 g Wasser aus der Mutterlauge des umkristallisierten
Produkts bilden sich durch Kristallisation weitere 24,1 g Salz gleichfalls mit einer
spezifischen Drehung [α]D22 = - 8,10 (C = 4; H20).
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Die Menge des so erhaltenen Salzes (insgesamt 91,3 g) wird in 500
ml Wasser gelöst, wonach diese Lösung über eine Kolonne geleitet wird, in der sich
200 ml starksaurer Ionenaustauscher in der H+-Form (Dowex 50 H+) befinden.
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Die hindurchlaufende Flüssigkeit, eine wässerige Lösung von (-)-Levulinsäurehydantoin,
wird aufgefangen. Nach der Salzlösung wird entmineralisiertes Wasser Uber die Kolonne
hinubergeleitet und die hindurchströmende Flüssigkeit aufgefangen, bis diese ein
pH von 7 zeigt und sich in ihr kein (-)-Levulinsäurehydantoin mehr befindet. Die
so aufgefangene Lösung von (-)-Levulinsäurehydantoin wird unter ermässigtem Druck
trockengedampft. Es bilden sich 48,5 g optisch reines (-)-Levulinsäurehydantoin
(Schmelzpunkt 178,3 °C) mit einer spezifischen Drehung (a]22 von - 16,50 (C=4; H20),
entsprechend einem Wirkungsgrad von etwa 70 %, bezogen auf den Anteil al (-)-Levulinsäurehydantoin
in der ursprünglichen Menge an racemischem Levulinsäurehydantoin.
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Optische Spaltung In eine Lösung von 17,5 g DL-Lysin (0,12 Mol) in
32,6 ml Wasser werden 22,4 g (-)-Levulinsäurehydantoin (0,12 Mol) eingebracht. Durch
erhitzung auf etwa 95 °C bildet sich eine klare Lösung. Diese Lösung wird unter
Rühren langsam auf 22 °C gekühlt, wobei das Salz von L-Lysin mit (-)-Levulinsäurehydantoin
als Monohydrat auskristallisiert. Die anfallenden Kristalle werden von der Mutterlauge
abfiltriert und auf dem Filter zweimal mit jedesmal 10 ml Methanol ausgewaschen.
Nach Trocknung der Kristalle bilden sich 16,2 g L-Lysin (-)-Levulinsäurehydantoin-Monohydrat
mit einer spezifischen Drehung von [a]22 = ~ 8,40 (C = 4; H2O). Eine Lösung dieser
Salzmenge in 95 ml Wasser wird über eine Kolonne mit 50 ml starksaurem Ionenaustauscher
in der Ammoniumform (Dowex 50 NH4+)
,hinübergeleitet. Das L-Lysin
wird an den Ionenaustauscher gebunden, während eine Lösung des Ammoniumsalzes von
(-)-Levulinsäurehydantoin als Eluat anfällt.
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Anschliessend wird entmineralisiertes Wasser übar die Kolonne geleitet,
bis sich in der hindurchgehenden Flüssigkeit kein Ammoniumsalz von (-)-Levulinsäurehydantoin
mehr befindet. Das durch Trockendampfung der anfallenden Lösung gewonnene Ammoniumsalz
von (-)-Levulinsäurehydantoin kann erneut zur Abtrennung von DL-Lysin benutzt werden.
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Das an den Ionenaustauscher gebundene L-Lysin wird mit 200 ml 3,5
N Ammoniakwasser eluiert, wonach die Kolonne mit 200 ml entmineralisiertem Wasser
gespUlt wird. Das Eluat, eine Lösung von L-Lysin in verdUnntem Ammoniakwasser, wird
unter ermässigtem Druck konzentriert, bis das Ammoniak aus der Lösung hinausgetrieben
ist. Die so gewonnene Lysinlösung wird mit der erforderlichen Menge Salzsäure neutralisiert
und anschliessend trockengedampft. Es werden 8,45 g L-Lysinmonohydrochlorid erhalten,
entsprechend einem Wirkungsgrad von 77 %, bezogen auf den Anteil an L-Lysin in der
ursprünglichen Menge DL-Lysin. Die spezifische Drehung des so gewonnenen L-Lysinmonohydrochlorids
beträgt = = + 26,6 (C = 12,5; 6 N HCl). Hieraus ergibt sich eine optische Reinheit
von 97,B S (98,9 Gew.-% L neben 1,1 Gew.-% D). Die Mutterlauge der fraktionierten
Kristallisation, welche 24, g Salz von D-Lysin mit (-)-Levulinsäurehydantoin enthält,
wird auf gleiche Weise wie für dos L-Lysin (-)-Levulinsäurehydantoin erwähnt zum
Ammoniumsalz von (-)-Levulinsäurehydantoin (15,2 g) und 10,8 g D-Lysin (optische
Reinheit 67,2 %, d.h. 83,6 Gew.-% D-Lysin neben 16,4 Gew.-% L-Lysin) aufgearbeitet.
Das Ammoniumsalz von (-)-Levulinsäurehydantoin kann wiederum zur Spaltung von DL-Lysin
benutzt werden, Das D-Lysin kann nach Racemisierung zu DL-Lysin auf die bekannte
Weise erneut Anwendung finden.