DE2923267A1

DE2923267A1 - Verfahren zur herstellung von d-arabinose

Info

Publication number: DE2923267A1
Application number: DE19792923267
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl Chem Dr Wolf
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 1979-06-08
Filing date: 1979-06-08
Publication date: 1980-12-11

Description

Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose durch Oxidation von D-Gluconat mit Hypochlorit.
Es sind bereits eine große Zahl von Verfahren bekannt, nach denen auch Arabinose hergestellt werden kann.
In der Regel sind dies Abbauverfahren, bei denen eine Kohlenhydratkette um 1 C-Atom verkürzt wird.
So wird beim Weerman-Abbau Gluconsäureamid mit Natriumhypochlorit abgebaut. Beim Ruff-Abbau wird Calcium-D-Gluconat mit H202 in Gegenwart von Eisen(III)-Acetat zu Arabinose oxidiert. Andere Abbaureaktionen gehen vom Aldonsäurenitril, vom Aldoxim oder vom Aldosediäthylmercaptal aus, die mit Dinitrofluorbenzol oder Perpropionsäure umgesetzt werden.
Alle diese Reaktionen eignen sich nicht für eine großtechnische Synthese, da entweder die Ausbeuten mit 30 - 40 % nur sehr gering sind oder aber die verwendeten Ausgangsmaterialien oder Reagenzien zu teuer sind.
Das trifft auch zu für den Vorschlag, D-Arabinose ausgehend von D-Glucose in einem Eintopfverfahren durch Oxidation mit Natriumhypochlorit herzustellen.
Dabei wird jedoch auch nur eine Ausbeute von etwa 35 % der Theorie über beide Stufen erreicht.
Es bestand deshalb ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung von Arabinose, das nicht nur leicht zugängliche Ausgangsmaterialien verwendet, sondern auch mit preiswerten Reagenzien sowohl hohe absolute Ausbeuten als auch gute Raum/Zeit-Ausbeuten liefert. Diese Aufgabe wurde durch die vorliegende Erfindung gelöst.
Es wurde nämlich gefunden, daß überraschenderweise die Ausbeute bei der Oxidation von z.B. Natriumgluconat mit Hypochlorit wesentlich verbessert werden kann, wenn die Reaktion bei einem pH-Wert von etwa 4 - 6, in konzentrierten Lösungen und bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose durch Oxidation von Gluconat mit Hypochlorit, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man zu einer etwa 10 - 40 Gew.-%igen wässerigen Gluconat-Lösung bei einer Temperatur von etwa 30 - 900 C und einem pH-Wert von etwa 4 - 6 eine etwa 10 bis 20 %ige Hypochlorit-Lösung zudosiert und danach die gebildete Arabinose aus dem Reaktionsgemisch isoliert.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen vor allem in der sehr hohen Ausbeute von etwa 70 - 75 % der Theorie und der Verwendung von sehr leicht zugänglichen und daher sehr preiswerten Ausgangsmaterialien und Reagenzien. Dies ist überraschend, denn es war zwar aus dem J. Amer. Chem. Soc., Band 81, Seite 5190 (1959) bekannt, daß Gluconat mit Natriumhypochlorit zu Arabinose oxidiert werden kann. Dabei wird jedoch wegen der Instabilität des Hypochlorits nur in sehr verdünnter Lösung und bei relativ niedrigen Temperaturen gearbeitet. Die Oxidation, zu der etwa das 2,5fache der theoretischen Menge an Hypochlorit eingesetzt wird, läuft dabei über etwa 20 - 30 Stunden und liefert nur eine Ausbeute von etwa 40 %.
überraschenderweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Verwendung von erhöhten Temperaturen nicht nur eine doppelt so hohe Ausbeute erzielt werden, sondern man kann darüber hinaus auch bei sehr viel höheren Konzentrationen arbeiten. Da auch die Reaktionszeit von etwa 20 - 30 Stunden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf etwa 10 - 60 Minuten verkürzt werden kann, wird dem erfindungsgemäßen Verfahren eine um Zehnerpotenzen verbesserte Raum/Zeit-Ausbeute erreicht. Dies ist besonders deshalb überraschend, weil an sich Arabinose unter diesen Verfahrensbedingungen in schneller Reaktion mit Hypochlorit weiter oxidiert bzw. abgebaut wird.
Trotz dieser einen schnellen Umsatz und großtechnischen Durchsatz ermöglichenden Bedingungen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar noch das Oxidationsmittel sehr viel besser ausgenutzt als bei der vorbekannten Reaktion. Bei der erfindungsgemäßen Reaktion werden nämlich nur etwa 1,0 - 1,5, in der Regel etwa 1,1 - 1,2 Äquivalente des Oxidationsmittels benötigt gegenüber 2,5 Äquivalenten bei der bekannten Reaktion.
Um diese überraschend vorteilhaften Verfahrensbedingungen erreichen zu können, ist es keineswegs nötig, besonders reine Ausgangsmaterialien zu verwenden. Das als Ausgangsmaterial verwendete Natriumgluconat kann in sehr guter Ausbeute in üblicher Weise durch Fermentation oder durch chemische oder elektrochemische Oxidation aus D-Glucose gewonnen werden. Es ist ohne weiteres möglich und wird auch vorteilhafterweise so gehandhabt, die dabei anfallende Gluconatlösung direkt einzusetzen.
Da z. B. bei der bekannten Fermentation von Glucose eine etwa 20 -35 %ige Gluconat-Lösung anfällt, wird vorteilhafterweise direkt mit dieser Lösung weitergearbeitet, obwohl an sich auch höher konzentrierte Lösungen zu verwenden sind.
Diese Gluconat-Lösung wird auf eine erhöhte Temperatur zwischen etwa 30 und etwa 900 C gebracht, vorzugsweise 0 auf etwa 50 - 70 C, und man stellt mit einer Säure, vorzugsweise einer Mineralsäure, insbesondere Salzsäure, auf einen pH-Wert von etwa 4 - 6, insbesondere etwa 4,5 - 5,5 ein Zur Oxidation der Gluconsäure läßt man dann eine relativ konzentrierte Hypochlorit-Lösung zufließen, wobei man durch gleichzeitige Säurezugabe, vorzugsweise Salzsäure, den pH-Wert der Reaktionslösung konstant hält. Trotz der bekannten Instabilität von Hypochlorit, das sich besonders in saurer Lösung sehr leicht unter Chlor-Entwicklung zersetzt oder in neutraler Lösung zu Chlorat und Chlorid disproportioniert, kann offenbar die Oxidationsreaktion mit diesen Zerfallsreaktionen konkurrieren, und es wird bei der erfindungsgemäßen Reaktion sogar erstaunlicherweise auch in Bezug auf eingesetztes Hypochlorit eine bessere Ausbeute als bei der bei tiefer Temperatur und niedriger Konzentration ablaufenden bekannten Reaktion erreicht. In der Regel werden 1,1 - 1,2 Äquivalente des Oxidationsmittels eingesetzt.
Die Hypochlorit-Lösung wird so zudosiert, daß innerhalb von etwa 10 - 60 Minuten, vorzugsweise etwa 30 Minuten die Zugabe beendet ist. Selbstverständlich kann das Zudosieren auch über einen längeren Zeitraum erfolgen, was bei sehr großen Ansätzen auch durchaus zwingend sein kann.
In der Regel wird man jedoch versuchen, mit einer möglichst kurzen Zeit auszukommen. Man rührt danach noch kurz bis überschüssiges Hypochlorit verschwunden ist und kann dann D-Arabinose auf übliche Weise isolieren.
Dazu wird die Reaktionslösung zunächst nach üblichen Methoden von Kochsalz und nicht umgesetztem Gluconat, z.B.
durch Elektrodialyse oder durch Ionenaustausch, befreit.
Durch Eindampfen der Lösung und durch Ausrühren z. B.
mit Methanol erhält man dann in hoher Ausbeute sehr reine D-Arabinose. Die dabei schon sehr hoch liegende Gesamtausbeute kann noch gesteigert werden, wenn das zurückgewonnene Gluconat erneut eingesetzt wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren steht somit ein Verfahren zur Verfügung, durch das in sehr vorteilhafter Weise D-Arabinose gewonnen werden kann, die z.B. als Zwischenprodukt für die Vitamin B2-Synthese genutzt werden kann.
Beispiel 1 a) Umsetzung von D-Glucose zu Natrium-D-Gluconat.
In einem Fermenter werden 10 1 einer sterilen wässerigen Lösung, die 1,5 kg D-Glucose . H20, 10 g Cornsteep-Trockensubstanz, 10 g Ammoniumdihydrogenphosphat, 10 g Kaliumdihydrogenphosphat, 5 g Magnesiumsulfat enthält und einen pH-Wert von 6,5 besitzt, bei einer Temperatur von 30 OC mit einer Schüttelkultur Acetobacter Suboxydans ATCC 621 beimpft und unter Rühren belüftet. Durch Zudosieren von Natronlauge wird ein pH-Wert von 5,5 - 6,0 aufrechterhalten. Nach etwa 40 Stunden, wenn die Glucose vollständig zu Gluconat umgesetzt ist, wird gekühlt und zentrifungiert Natriumgluconat kann durch Eindampfen der zentrifugierten Lösung in kristalliner Form mit uber 90 % Ausbeute gewonnen werden.
b) Umsetzung von Natrium-D-Gluconat zu D-Arabinose.
Eine Lösung von 218 g Natrium-D-Gluconat in 872 ml Wasser bzw. die entsprechende Menge der Fermentationslösung aus Beispiel la) wird auf 60 OC erhitzt und bei dieser Temperatur mit 532 ml einer Natriumhypochloritlösung mit einem Gehalt von 16 % (Gew./Vol.) an aktivem Chlor versetzt, wobei durch gleichzeitige Zugabe von etwa 80 ml konzentrierter Salzsäure der pH-Wert konstant bei 4,5 -5,0 gehalten wird. Danach wird die Lösung durch Elektrodialyse oder durch Ionenaustausch (stark saurer und schwach basischer Austauscher) von Elektrolyten befreit. Durch Eindampfen und Ausrühren des Rückstandes mit Methanol können 108 g (72 %) kristalline D-Arabinose gewonnen werden.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose durch Oxidation von D-Gluconat mit Hypochlorit, dadurch gekennzeichnet, daß man zu einer etwa 10 - 40 Gew.-%igen wässerigen Gluconat-Lösung bei einer Temperatur von etwa 30 - 900 C und einem pH-Wert von etwa 4 - 6 eine etwa 10 bis 20 %ige Hypochlorit-Lösung zudosiert und danach die gebildete Arabinose aus dem Reaktionsgemisch isoliert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man etwa das 1,0 - 1,5fache der theoretischen Menge an Hypochlorit zudosiert.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Hypochlorit-Lösung während etwa 10 - 60 Minuten zudosiert.
4. Verfahren nach den Anspruchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial eine auf übliche Weise durch Oxidation von D-Glucose gewonnene, Natrium-D-gluconat enthaltende Lösung ohne Isolierung des Gluconats verwendet wird.