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Verfahren zur Herstellung von Methionin
Methionin spielt heute sowohl auf pharmazeutischem Gebiete wie auch in der Tierernährung eine bedeutende Rolle. Aus diesem Grunde werden schon lange billige Verfahren zur Synthese dieser Aminosäure gesucht. Neben anderen Methoden, die für die präparative Darstellung geeignet sind, kommt für die technische Herstellung hauptsächlich der Weg über Acrolein in Frage, wie er in den USA-Patentschriften Nr. 2, 732, 400 und Nr. 2, 485, 236 beschrieben wird. An Acrolein wird Methylmercaptan angelagert, der entstehende Aldehyd nach der Streckerschen Synthese in das Cyanhydrin übergeführt. Durch Reaktion mit Ammoniak wird das Methylthiopropionaldehydcyanhydrin zum entsprechenden Aminonitril verarbeitet, welches zu Methionin verseift werden kann.
Die einzelnen Stufen sowie auch die direkte Herstellung des x-Amino-y-methylthiobutyronitrils aus dem Methylthiopropionaldehyd sind sowohl in Patenten wie auch in der Literatur mehrfach beschrieben worden (D. O. Holland and J. H. C. Nayler, J. org. Chemistry 1952, 3403, USA-Patentschriften Nr. 2, 542, 768 und Nr. 2, 520, 312, britische Patentschrift Nr. 670, 774 usw. ). Dabei wird immer wieder auf die Schwierigkeiten hingewiesen, welche bei der Verseifung des Aminonitrils zum Methionin auftreten.
Erschwerend zeigt sich zudem der Umstand, dass sich das x-Amino-y-methylthiobuttersäurenitril nicht
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Nr. 257, 403 usw. ).
Aber auch nach diesen Verfahren treten bei der Verseifung immer wieder Verharzungen auf. Alle diese Umstände führen dazu, dass die Ausbeute bei der Methioninsynthese zu wünschen übrig lässt, was sich hauptsächlich auf die Herstellungskosten des Methionins ungünstig auswirkt.
Es wurde nun gefunden, dass man Methylthiopropionaldehyd in guter Ausbeute durch Reaktion mit Ammoniak und Blausäure bei erhöhter Temperatur und bei erhöhtem Druck bei nachfolgender Verseifung des entstandenen Nitrils direkt in Methionin überführen kann, indem man den Umsatz von Methylthiopropionaldehyd mit Ammoniak und Blausäure in einer verdünnten, maximal 5 Gew.-% Methylthiopropion- aldehyd enthaltenden alkoholischen Lösung vornimmt, das Reaktionsgemisch nach Abdampfen des überschüssigen Ammoniaks und der überschüssigen Blausäure in einer Destillationskolonne einengt, die dabei entweichenden Alkoholdämpfe über ein Gebläse ansaugt, verdichtet und zur indirekten Beheizung des Sumpfes der genannten Destillationskolonne verwendet, und nach ihrer Verflüssigung über Pumpen zum Teil in den Kopf der Destillationskolonne führt,
während man die im Sumpf der Destillationskolonne anfallende Lösung des Reaktionsgemisches vom Lösungsmittel befreit und durch Verseifen in Methionin überführt.
Die Cyanwasserstoffsäure kann in flüssiger oder gasförmiger Form dem Reaktionsgemisch zugegeben werden. Besonders günstige Resultate werden erhalten, wenn man pro Mol Methylthiopropionaldehyd 2-3, 5 Mol Cyanwasserstoffsäure verwendet. Die überschüssige Säure kann nach der Reaktion wieder regeneriert werden.
Die Ammoniakmenge wird vorzugsweise so berechnet, dass pro Gewichtseinheit Aldehyd 6 Gew.-Teile Ammoniak kommen. Grössere Mengen an Ammoniak bringen keine weitere Verbesserung der Ausbeute.
Die Reaktionstemperatur liegt zwischen 40 und 110 C. Je nach der gewählten Höhe derselben beträgt die Reaktionsdauer 2-20 Stunden.
Die Ausführung der Reaktion erfolgt in einem geschlossenen Druckgefäss, da entsprechend den Arbeitsbedingungen Drucke bis zu 40 atü auftreten können. Nach Beendigung der Umsetzung wird der Ammoniak verdampft, wobei auch der Überschuss an Cyanwasserstoff in Form von Ammoncyanid abgetrieben werden kann. Das Methanol der Reaktionslösung wird darauf in einer Kolonne mit Hilfe einer Wärmepumpe verdampft. Die Temperatur des Sumpfes soll dabei nicht über 68 C steigen und der Rückstand nur so weit eingedampft werden, dass er noch genügend viskos ist, um aus der Verdampferblase abgezogen werden zu können. Auf diese Weise wird nur etwa 117 der Energiemenge gebraucht, die sonst zum Verdampfen
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der gleichen Lösungsmittelmenge nötig wäre.
Das gelb gefärbte Sumpfprodukt wird mit Hilfe von Ionenaustauschern der Verseifung zugeführt. Als Verseifungsmittel verwendet man einen stark sauren Ionenaustauscher, wie z. B. Permutit RS oder Amberlite JR 120. Pro Gewichtseinheit des getrockneten Rückstandes wählt man vorteilhaft das 20-30fache Volumen an Austauschharz. Man gibt dabei soviel Wasser zu, dass das Harz vollständig bedeckt ist und kocht am Rückfluss während 10-15 Stunden. Hernach wird vom Austauscher abfiltriert und mehrmals mit Wasser nachgewaschen. Das gebildete Methionin, das an das Harz gebunden ist, wird nun mit Ammoniak abgelöst. Man kann dabei so vorgehen, dass man mit 5-10%gem Ammoniak arbeitet, in dem sich schon eine gewisse Menge an Methionin befindet.
Arbeitet man bei 50 C, so können pro 250 Vol.-Teile Ammoniak 20 Gew.-Teile Methionin abgelöst werden.
Man engt nun die Mutterlauge ein und lässt das Methionin auskristallisieren. In 100 Gew.-Teilen Wasser bleiben bei 30 C noch 4, 3 Gew.-Teile Methionin gelöst. Diese Mutterlauge wird mit Ammoniak versetzt und wiederum in einer folgenden Charge zum Ablösen des Methionins vom Austauscher verwendet.
Der abdestillierte Ammoniak kann ebenfalls für den nächsten Zyklus wieder verwendet werden. Nach diesem Verfahren können bis zu 85% Methionin gewonnen werden, bezogen auf das eingesetzte Methylthiopropionaldehyd.
Beispiel.
In einem Druckgefäss mit 3000 Vol.-Teilen Inhalt werden 52 Gew.-Teile Methylthiopropionaldehyd in 2000 Vol.-Teilen Methanol gelöst und zu diesem Gemisch 50 Gew.-Teile flüssige Cyanwasserstoffsäure zugegeben. Dann werden 333 Gew.-Teile flüssiger Ammoniak eingepumpt und die Temperatur unter Rühren auf 65 C erhöht. Nach 18stündiger Reaktionszeit wird entspannt, wobei ein Teil des Ammoniaks verdampft. Die Mutterlauge wird dann über einen Vorverdampfer, wo das restliche Ammoniak und Ammoncyanid abgetrieben wird, einer Destillationskolonne, die mit einer Wärmepumpe kombiniert ist, zugeführt. Die Temperatur der Blase wird dabei so eingestellt, dass sie nicht über 68 C steigen kann.
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gebenen Methanols verdampft sind.
Das Reaktionsprodukt wird nun aus der Blase abgezogen und der Verseifung zugeführt. Dies wird in einer Säule von 3000 Vol.-Teilen Inhalt, die mit 1500 Vol.-Teilen Austauscherharz Permutit RS gefüllt ist, ausgeführt. Das Harz ist mit Wasser überdeckt und kann durch Einleiten von Stickstoff am unteren Ende der Säule gut durchgerührt werden. Das obere Ende der Säule ist mit einem Rückflusskühler versehen.
Das Reaktionsprodukt wird nun in die Säule gegeben, gut mit dem Harz vermischt und am Rückfluss während 10 Stunden gekocht. Damit in der Säule keine Siedeverzüge stattfinden, wälzt man ständig mit vorgeheiztem Stickstoff um. Nach Beendigung der Reaktionszeit wird die Heizung abgestellt und das Aus-
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Methionin, was einer Ausbeute von 82% entspricht. Naturgemäss enthalten die ersten Fraktionen der Ablösung die höchsten Konzentrationen an Methionin. Deshalb nimmt man nur die ersten 1200 V 01. - Teile ab, während der Rest für die nächste Ablösung wieder verwendet werden kann. Nach jeder Verseifung wird der Austauscher mit 3000 Vol. -Teilen 2n-Schwefelsäure regeneriert und mit Wasser neutral gewaschen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Methionin aus Methylthiopropionaldehyd durch Reaktion mit Ammoniak und Blausäure in alkoholischer Lösung bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur mit nachfolgender Verseifung des entstandenen 1X-Amino-y-methylthiobuttersäurenitrils, dadurch gekennzeichnet, dass man die Reaktion in einer verdünnten Lösung, die maximal 5% Methylthiopropionaldehyd enthält, vornimmt, das Reaktionsgemisch nach Abdampfen des überschüssigen Ammoniaks und der überschüssigen Blausäure in eine Destillationskolonne entspannt, die am Kopf entweichende Alkoholdämpfe über ein Gebläse ansaugt, verdichtet und zur indirekten Beheizung des Sumpfes der genannten Destillationskolonne verwendet und nach ihrer Verflüssigung durch Kühlen über Pumpen zum Teil in den Kopf der Destillationskolonne führt,
während man die im Sumpf der Destillationskolonne anfallende Lösung des Reaktionsgemisches vom Lösungsmittel befreit und durch Verseifen in Methionin überführt.