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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein technisches Verfahren zur Herstellung
von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureestern.
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2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure wird
bekanntlich als Methionin-Analogon zur Fütterung von Zuchttieren verwendet.
Dieses Produkt wird unter den Handelsnamen Rhodimet AT 88TM und AlimetTM vertrieben.
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2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure ist
bekanntlich nach verschiedenen Verfahren durch Hydrolyse von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäurenitril erhältlich.
Die Hydrolyse kann mit einer anorganischen Säure, wie Salzsäure oder
Schwefelsäure, durchgeführt werden.
Alternativ dazu kann die Reaktion durch enzymatische Hydrolyse durchgeführt werden.
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Auch
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureester
wird als Mittel zur Zufuhr von Methionin zu Tieren verwendet und
kann in der Tat als Alternative zur Säure verwendet werden. Es hat
sich herausgestellt, daß der
Ester stabiler als die Säure
ist und daß Methionin
aus dem Ester schneller freigesetzt wird als aus der Säureform.
Daher ist die Esterform zu einem bevorzugteren Mittel zur Einführung von
Methionin in den Blutstrom des Tiers, insbesondere bei Wiederkäuern, geworden,
wie in der französischen
Patentanmeldung 98 14249 beschrieben.
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2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureester kann
auch durch Veresterung des Hydrochloridsalzes der Säure und
nachfolgende Umsetzung dieses Salzes mit dem Alkohol hergestellt
werden. Derartige Verfahren sind aus den US-Patentschriften 3,850,987 und 3,761,518
bekannt. 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureester
können
auch nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem man 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäurenitril
mit Schwefelsäure hydratisiert
und dann das erhaltene Produkt verestert.
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Derartige
Verfahren werden in den US-Patentschriften 4524077 und 4912257 sowie
WO 96/40630 beschrieben.
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Es
ist an sich bekannt, daß die
monomere Form von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure oder Derivaten
davon biologisch wirksamer ist als die dimeren und oligomeren Formen.
Wenn das Produkt als Additiv in Tierfutter verwendet werden soll,
ist es somit bevorzugt, ein Produkt mit möglichst wenig Dimeren und Oligomeren
herzustellen.
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Daher
ist es bei der Herstellung des Esters ausgehend von der Säure oder
dem Salz davon wesentlich, daß die
Säure bzw.
das Salz im wesentlichen in monomerer Form vorliegt. Zur Verringerung der
Dimer- und Oligomermenge in der Säure kann die Säure auf
verschiedenen Wegen gereinigt werden, z.B. durch Flüssig/Flüssig-Extraktion.
Diese behandelte Säure
kann dann zur Herstellung des Esters verwendet werden.
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Es
wurde gefunden, daß durch
Veresterung von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureester
mit geringem Oligomerengehalt hergestellt werden kann, ohne daß man die
Säure vor
der Veresterungsreaktion vorbehandeln muß, wenn man die Veresterungsreaktion
unter speziellen Bedingungen durchführt. Es wurde nämlich gefunden,
daß der
Ester aus der Säure
mit hohem Oligomerengehalt hergestellt werden kann, der resultierende
Ester aber bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oligomerenarm
ist. Ferner wurde gefunden, daß dieses
Verfahren besonders gut zur Anwendung als technisches Verfahren geeignet
ist.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung
eines 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureesters
in monomerer Form, bei dem man: aus der Hydrolyse von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäurenitril
direkt 2-Hydroxy-4-methylthio buttersäure erhält, welche ein Gemisch von
Monomeren, Dimeren und höheren
Oligomeren enthält,
und die 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure in Gegenwart
von Wasser und einem sauren Katalysator bei einer Temperatur von
30 bis 150°C mit
einem Alkohol umsetzt.
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Wie
für den
Fachmann leicht ersichtlich ist, enthält die als direktes Produkt
der Hydrolyse von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäurenitril
erhaltene 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure ein
Gemisch von Monomeren, Dimeren und höheren Oligomeren.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erbringt gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, daß die Säure vor der Veresterung nicht
gereinigt werden muß.
Dies ist natürlich
bei einem technischen Verfahren ein wichtiger Vorteil, durch den
auf die Verwendung von zusätzlichen
großen
Einrichtungen verzichtet werden kann.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird direkt aus der Hydrolyse von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäurenitril
erhaltene 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure mit einem Alkohol umgesetzt.
Bei der Säure
handelt es sich somit um das direkte Produkt eines technischen Verfahrens
und daher um ein Gemisch von Monomeren, Dimeren und höheren Oligomeren.
Die Säure
kann auch Verunreinigungen enthalten, wie Wasser, Schwefelsäure und
Ammoniumsulfat. Insbesondere kann die Säure nach einem technischen
Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure hergestellt
werden und beispielsweise RhodimetTM AT
88, das von Rhône Poulenc
vertrieben wird, sein. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann diese unbehandelte
Säure direkt
zur Herstellung des Esters verwendet werden, und es ist überraschend,
daß der
erhaltene Ester einen geringen Oligomerengehalt aufweist.
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Der
Alkohol, der zur Verwendung bei dem in Rede stehenden Verfahren
geeignet ist, kann ein aliphati scher Alkohol mit 1 bis 10 Kohlenstoffatomen sein.
Der Alkohol kann linear oder verzweigt sein. Vorzugsweise ist der
Alkohol verzweigt, insbesondere Isopropylalkohol. Die Verwendung
von Isopropylalkohol ist besonders bevorzugt, da der 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
eine hohe biologische Wirksamkeit besitzt.
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Die
Säure und
der Alkohol können
geeigneterweise in einem Molverhältnis
von 1 bis 20 umgesetzt werden. Bei kontinuierlichem Betrieb des
Verfahrens beträgt
das Gesamtmolverhältnis
von Säure zu
Alkohol vorzugsweise 1 bis 10. Die Alkoholmenge bei der kontinuierlichen
Umsetzung kann durch Rezyklierung auf dem gewünschten Niveau gehalten werden.
Bei diskontinuierlichem Betrieb des Verfahrens beträgt das Molverhältnis von
Säure zu
Alkohol vorzugsweise 2 bis 10. Nicht umgesetzter Alkohol kann rezykliert
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird in Gegenwart von Wasser durchgeführt. Das Wasser kann in das
Reaktionsgefäß gegeben
oder in situ produziert werden. Insbesondere wurde gefunden, daß die Umwandlung
von Säureoligomeren
besonders begünstigt
ist, wenn Wasser zu Beginn der Veresterungsreaktion vorliegt.
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Das
Verfahren wird in Gegenwart eines sauren Katalysators durchgeführt. Zu
den Katalysatoren, die zur Verwendung bei dem Verfahren geeignet sind,
gehören
u.a. Säuren
mit einem pKa-Wert von weniger als 3, beispielsweise
Schwefelsäure,
Xylolsulfonsäure
und Trifluoressigsäure.
Alternativ dazu kann man zur Katalyse des Verfahrens ein saures Harz
verwenden, insbesondere ein Sulfonsäureharz, beispielsweise Amberlyst
15 von Rohm & Haas.
Das Verfahren kann auch mit Aluminiumoxid oder einem Aluminosilicat,
beispielsweise einem Zeolith, oder mit einem Enzym, beispielsweise
Esterase, katalysiert werden.
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Der
Katalysator kann in dem Umsetzungsverfahren in einer Konzentration
von geeigneterweise mindestens 0,01 mol Katalysator pro mol 2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäure und
vorzugsweise 0,02 bis 0,2 mol Katalysator pro mol Säure vorliegen.
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Das
Verfahren kann unter Normaldruck oder erhöhtem Druck durchgeführt werden.
Bei Durchführung
des Verfahrens unter erhöhtem
Druck kommt ein beliebiger geeigneter Druck in Betracht, beispielsweise
bis zu 50 bar.
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Das
Verfahren wird bei einer Temperatur von 30 bis 150°C durchgeführt. Vorzugsweise
wird das Verfahren bei einer Temperatur von 60 bis 120°C und insbesondere
80 bis 100°C
durchgeführt.
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Das
Verfahren kann kontinuierlich, halbkontinuierlich oder diskontinuierlich
durchgeführt
werden. Insbesondere für
ein technisches Verfahren ist eine kontinuierliche Fahrweise bevorzugt.
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Da
das Verfahren eine Gleichgewichtsreaktion involviert, wird bei der
Reaktion gebildetes Wasser vorzugsweise kontinuierlich entfernt,
um die Reaktion in Richtung der Esterprodukte zu verschieben. Das
bei der Reaktion gebildete Wasser kann auf jedem für ein technisches
Verfahren geeigneten Weg entfernt werden, beispielsweise durch Destillation.
In einigen Fällen
kann der Alkohol zur Bildung eines Azeotrops zugegeben und durch
azeotrope Destillation abgetrennt werden.
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Der
resultierende Produktstrom enthält
den Ester, Wasser, nicht umgesetzen Alkohol, nicht umgesetzte Säure, eine
kleine Menge von Säureoligomeren
und Katalysator. Das Esterprodukt kann durch eine beliebige geeignete
Behandlungsmethode von den übrigen
Komponenten des Produktstroms abgetrennt werden.
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Wenn
es sich bei dem bei dem Verfahren verwendeten Katalysator um einen
sauren Katalysator handelt, kann der nicht umgesetzte Katalysator
im Produktstrom durch Zugabe einer Base, nämlich Neutralisation, entfernt
werden. Dieser Neutralisationsschritt kann in einer beliebigen Stufe
durchgeführt werden.
Wenn es sich bei dem Katalysator um Schwefelsäure handelt, kann man diesen
Schritt durch Zugabe einer Base mit einem pKa-Wert von mehr als
8, beispielsweise Ammoniak oder Ammoniumhydroxid oder Natriumhydroxid,
durchführen. Wenn
es sich bei dem bei dem Verfahren verwendeten Katalysator um einen
Feststoff, wie ein Harz, handelt, wird der Katalysator vorzugsweise
am Ende der Reaktion durch Filtration aus dem Produktstrom entfernt.
Zusätzliche
feste Nebenprodukte können
ebenfalls durch Filtration aus dem Produktstrom abgetrennt und entfernt
werden.
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Die übrigen Nebenprodukte
können
durch Destillation und/oder Verdampfung vom Ester abgetrennt werden.
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Bei
einer geeigneten Methode zur Abtrennung des Esters von den Nebenprodukten
kann man zunächst
zur Entfernung der leichten Produkte, nämlich des nicht umgesetzten
Alkohols und des Wassers, destillieren. Der resultierende Strom
kann kann gegebenenfalls zur Neutralisation des sauren Katalysators
wie oben beschrieben behandelt werden, gefolgt von einem dritten
Schritt, bei dem man zur Entfernung der schweren Produkte destilliert.
Die Destillationsprodukte können
in den Reaktor zurückgeführt werden.
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Alternativ
dazu kann man das Esterprodukt durch Verdampfung des Alkohols und
nachfolgende Kurzdestillation, beispielsweise mit einem Dünnschichtverdampfer,
isolieren.
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Der
den Ester enthaltende behandelte Produktstrom kann dann gewaschen
werden. Der Waschschritt wird vorzugs weise durch Zugabe von Wasser,
das gegebenenfalls ein Additiv zur Verbesserung der Phasentrennung
enthält,
durchgeführt. Geeignete
Additive sind u.a. Salze, wie Ammoniumsulfat. Die resultierende
Mischung trennt sich in eine organische Phase und eine wäßrige Phase.
Die organische Phase kann dann isoliert und gegebenenfalls mindestens
noch einmal gewaschen werden. Die resultierende organische Phase
kann zur Abtrennung des Esters von jeglichen verbleibenden, unerwünschten
Nebenprodukten destilliert werden. Die von dem Esterprodukt abgetrennten
unerwünschten Nebenprodukte
können
in den Reaktor zurückgeführt werden.
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Der
resultierende Produktstrom enthält
eine hohe Ausbeute an monomerem Ester, mindestens 90% und insbesondere
mindestens 95%.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden Beispiele erläutert.
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Beispiel 1: Synthese von
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
(HMBI) unter Verwendung eines sauren Katalysators
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- Schritt (a) – Veresterung:
Ein Reaktor wurde mit 170,7 g Rhodimet AT88, das 88% Säure (68%
Monomere und 20% Oligomere) und 12% Wasser enthielt, und 180,3 g
Isopropanol beschickt. Dann wurden 19,6 g 95%ige Schwefelsäure zugegeben,
wobei die Temperatur bei Rückflußtemperatur
gehalten wurde. Die Säure
wurde in einem Guß zugegeben.
Nach dem Eintragen der Säure
in den Reaktor wurde der Ansatz zwei Stunden bei Rückflußtemperatur
gehalten. Die Temperatur wurde auf 90°C erhöht. Über einen Zeitraum von 5 Stunden
wurde kontinuierlich zusätzliches
Isopropanol (420 g) zugegeben, und das Azeotrop aus Alkohol und
Wasser wurde kontinuierlich entfernt.
- Schritt (b) – Neutralisation/Entfernung
von Wasser: Die Reaktionsmischung wurde auf 40°C abgekühlt und dann durch Zugabe von
22 g 32 gew.-%igem Ammoniumhydroxid auf pH 7/8 neutralisiert. Das
resultierende Produkt wurde unter einem Druck von 50 Millibar ungefähr 1 Stunde
bei 60°C
destilliert.
- Schritt (c) – Waschen:
Das Destillatprodukt wurde dann durch Zugabe von 95 g 5%igem wäßrigem Ammoniumsulfat
unter Rühren
gewaschen. Die resultierende Mischung wurde 15 Minuten bei einer
Temperatur von 40°C
gerührt.
Dann wurde der Rührer
abgestellt und die Mischung 30 Minuten bei 40°C stehen gelassen. Danach wurde
die wäßrige Phase
von der organischen Phase abgetrennt. Die organische Phase wurde
erneut mit 30 g Wasser gewaschen.
- Schritt (d) – Entfernung
von Wasser/Isopropanol: Die organische Phase wurde dann unter einem
Druck von 5 mbar ungefähr
2 Stunden bei 100°C
destilliert, was einen hauptsächlich
den Ester enthaltenden Produktstrom ergab. Der resultierende Produktstrom enthielt
gemäß Analyse
92% monomeren Ester, 5% Dimer und 2,5% nicht umgesetzte Säure.
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Beispiel 2: Synthese von
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
(HMBI) unter Verwendung eines Harzkatalysators
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Ein
Reaktor wurde mit 179,6 g Rhodimet AT88, das 88% Säure (68%
Monomere und 20% Oligomere) und 12% Wasser enthielt, und 179,6 g
Isopropanol beschickt. Dann wurden 30 g Amberlyst-15-Harz zugegeben,
wobei die Temperatur bei Rückflußtemperatur
gehalten wurde. Der Ansatz wurde 5 Stunden bei dieser Temperatur
gehalten. Die Analyse des erhaltenen Produkts zeigte einen 65%igen
Umsatz von Säure
(Monomeren und Oligomeren) mit einer Ausbeute von 60% monomerem
Ester und 5% dimerem Ester. Dieses Beispiel zeigt, daß die Verwendung
eines Harzkatalysators möglich
ist.
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Beispiel 3: Veresterung
des Nebenproduktstroms
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Ein
Reaktor wurde mit 101 g eines Destillationsstroms, der 40 g dimeren
Ester, 16 g monomere Säure
und 6,5 g dimere Säure
enthielt, 224 g Isopropanol und 17 g Wasser beschickt. Dann wurden
11,5 g 95%ige Schwefelsäure
in einem Guß zugegeben. Nach
dem Eintragen der Säure
in den Reaktor wurde der Ansatz fünf Stunden bei Rückflußtemperatur
gehalten. Dann wurde die Reaktion beendet und der Produktstrom analysiert.
Er enthielt 55 g monomeren Ester, 17 g monomere Säure, 4 g
dimeren Ester und 3 g dimere Säure.
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Dieses
Beispiel belegt, daß die
Rezyklierung eines eine wesentliche Menge der Esterdimere enthaltenden
Stroms möglich
ist.
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Beispiel 4: Synthese von
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
(HMBI) unter Verwendung eines sauren Katalysators mit Rezyklierung
der schweren Produkte und Reinigung durch Destillation
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- Schritt (a) – Rezyklierung
der schweren Produkte: Ein Reaktor wurde mit 113 g eines Rezyklierungsstroms, der
41 g monomeren Ester, 19 g monomere Säure, 11 g dimeren Ester und
88 g Isopropanol enthielt, beschickt. Dann wurden 10 g 95%ige Schwefelsäure in einem
Guß zugegeben.
Dann wurde der Ansatz eine Stunde bei Rückflußtemperatur gehalten. Die resultierende
Mischung enthielt 61 g monomeren Ester, 11 g monomere Säure, 7,9
g dimeren Ester und 2,1 g dimere Säure.
- Schritt (b) – Veresterung:
Ein Reaktor wurde mit 170 9 Rhodimet AT88, das 88% Säure (68%
Monomere und 20% Oligomere) und 12% Wasser enthielt, und 168 g Isopropanol
beschickt, wobei die Temperatur bei Rückflußtemperatur gehalten wurde.
Der Ansatz wurde eine Stunde bei Rückflußtemperatur gehalten. Die Temperatur
wurde auf 90°C
erhöht,
wonach über einen
Zeitraum von 1,5 Stunden kontinuierlich zusätzliches Isopropanol (300 g)
zugegeben wurde. Das Azeotrop aus Alkohol und Wasser wurde kontinuierlich
entfernt.
- Schritt (c) – Neutralisation/Entfernung
von Wasser: Die Mischung wurde dann durch Zugabe von 16,5 g 50 gew.-%igem Natriumhydroxid
auf pH 2,5/3,5 neutralisiert. Das resultierende Produkt wurde unter
einem Druck von 50 mbar ungefähr
1 Stunde bei 80°C destilliert.
- Schritt (d) – Destillation:
Das Destillatprodukt wurde dann unter einem Druck von 10 mbar ungefähr 1 Stunde
bei etwa 150°C
destilliert. Es wurden 183 g destilliertes Produkt erhalten. Die
Analyse des Produkts ergab das Vorliegen von 97% monomerem Ester.
- Schritt (e) – Waschen
des Destillats: Das verbleibende Destillat (119 g) wurde mit 39
g Wasser bei einer Temperatur von etwa 70°C gewaschen. Die wäßrige Phase
wurde von der organischen Phase abgetrennt. 10% der organischen
Phase wurden abgelassen, was 113 g Produkt, das 41 g monomeren Ester,
19 g monomere Säure,
11 g dimeren Ester und 7,6 g dimere Säure enthielt, ergab.
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Beispiel 5: Synthese von
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
(HMBI) unter Verwendung eines sauren Katalysators
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Es
wurde analog Beispiel 4 verfahren, jedoch ohne den Neutralisationsschritt
(c). Die Schritte (a) und (b) wurden wie in Beispiel 4 durchgeführt.
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Schritt (c) : Destillation
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Das
Produkt wurde unter einem Druck von 10 mbar ungefähr 1 Stunde
bei etwa 150°C
destilliert. Die Destillation verlief langsamer als in Beispiel
4. Es wurden 4,83 9 destilliertes Produkt erhalten. 187 g Destillat
verblieben in der Destillationsblase.
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Die
Analyse der beiden Produktströme
ergab das Vorliegen von 93% monomerem Ester und ungefähr 3% Verunreinigung.
Der Destillatstrom enthielt 8,3% monomeren Ester und 24% dimeren
Ester.
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Beispiel 6: Synthese von
2-Hydroxy-4-methylthiobuttersäureisopropylester
(HMBI) unter Verwendung von kontinuierlicher Reaktivdestillation
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Als
Destillationssäule
diente eine adiabatische Older-Shaw-Säule mit
einem Innendurchmesser von 55 mm und 40 Böden, die mit einem Verdampfer
mit einer Kapazität
von 2 Litern ausgestattet war. Ein Strom von 683 g/Stunde, der 91
Gew.-% AT88 und 9 Gew.-% 95%ige Schwefelsäure enthielt, wurde auf ungefähr 90°C vorerhitzt
und dem Kopf der Säule
zugeführt.
Ein Strom von 3190 g/Stunde auf ungefähr 80°C vorgewärmtem Isopropanol wurde in den
Verdampfer eingetragen. Nach Erreichen des stationären Zustands
(Verdampfertemperatur 88°C und
Säulenkopftemperatur
91°C) wurden
Kondensate mit einer Rate von 1895 g/Stunde am Kopf der Säule und
Destillate mit einer Rate von 1978 g/Stunde am Boden der Säule abgezogen.
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Die
Analyse des Destillats ergab 22% monomeren Ester, 4,7% dimeren Ester,
1% monomere Säure
und 3% dimere Säure.
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Beispiel 7: Reinigung
von HMBI durch kontinuierliche Destillation
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Das
Produktgemisch aus Beispiel 6 wurde in zwei Stufen mit einem Filmverdampfer
mit einem Durchmesser von 2 cm und einer Höhe von 20 cm unter Erhitzen
in einem Ölbad
gereinigt.
- (a) Entfernung von Wasser und Öl – Dem Filmverdampfer
wurde bei einer Temperatur von 30°C und
unter einem Druck von 10 mbar ein wie in Beispiel 6 erhaltener Produktstrom
mit einer Rate von 200 g/Stunde zugeführt. Am Kopf der Säule wurde
ein Kondensatstrom mit einer Rate von 88 g/Stunde kontinuierlich
abgezogen. Am Boden der Säule
wurde ein Destillatstrom mit einer Rate von 112 g/Stunde kontinuierlich
abgezogen.
- (b) Reinigung – Das
in Schritt (a) erhaltene Destillat wurde mit einer Strömungsrate
von 810 g/Stunde bei einer Temperatur von 182°C und unter einem Druck von
6 mbar einem Filmverdampfer zugeführt. Am Kopf der Säule wurde
ein Kondensatstrom mit einer Rate von 394 g/Stunde kontinuierlich
abgezogen. Am Boden der Säule wurde
ein Destillatstrom mit einer Rate von 288 g/Stunde kontinuierlich
abgezogen.
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Bei
der Analyse des Produkts konnten keine Verunreinigungen identifiziert
werden, wie sie im Produktstrom aus Beispiel 5 zu finden waren.
Das Kondensat enthielt 92% monomeren Ester, 1,5% dimeren Ester und
0,6% Säure.
Das Destillat enthielt 3,2% monomeren Ester, 5,6% dimeren Ester,
0,9% monomere Säure
und 1% dimere Säure.