Verfahren zur Herstellung von Aminocarbonsäuren
Aminocarbonsäuren können auf verschiedene Arten hergestellt werden. Besonders gebräuchlich ist die Darstellung derselben aus den entsprechenden Halogenfettsäuren mit Ammoniak oder Aminen, die Aminosäuresynthese nach Strecker aus Cyanhydrin, durch Verseifung von Lactamen sowie durch Hydrierung von Nitrocarbonsäuren, Oximinocarbon- säuren und Ketocarbonsäuren nach Mignonac.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Aminocarbonsäuren durch Reduktion von Cyancarbonsäuren. Dieses Verfahren bietet besonderes Interesse, da die Ausgangsprodukte nach den DBP Nrn. 805758 und 806454 von J. Kleine leicht aus den technisch gut zugänglichen Dicarbonsäureamiden erhalten werden können. Die Hydrierung von Cyancarbonsäuren ist bereits untersucht worden. P. Ruggli (Helv. 25, 35 [1942]) hat sich mit der Herstellung von S-Alanin aus Cyanessigsäure näher befasst. Die besten Resultate wurden erhalten, wenn man dabei vom Kalisalz der Cyanessigsäure ausging.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich Aminocarbonsäuren aus Cyancarbonsäuren gewinnen lassen, wenn letztere auf einen Anionenaustauscher, der saure Gruppen zu binden vermag, aufgezogen und in Gegenwart eines Katalysators hydriert werden. Durch dieses Verfahren erreicht man, dass die saure Gruppe vom Austauscher gebunden wird und somit ihren störenden Einfluss auf die Reaktion verliert. Man kann deshalb ohne weiteres in Gegenwart normaler Hydrierkatalysatoren, wie Raney-Nickel, die sonst in saurem Milieu angegriffen werden, hydrieren. Da die Cyancarbonsäuremoleküle am Austauscher örtlich gebunden und somit nicht frei beweglich sind, wird die Bildung von sekundären Aminoverbindungen, wie sie bei der Hydrierung von Nitrilen normalerweise auftritt, stark gehemmt.
Ebenso wird die Reaktion der entstehenden Aminogruppe mit der Carboxylgruppe verhindert, so dass es auch möglich ist, solche Aminosäuren herzustellen, die unter normalen Versuchsbedingungen in die entsprechenden Lactame übergehen.
Da die Carboxylgruppen am Anionenaustauscher gebunden sind, lässt sich die Cyangruppe unter den üblichen milden Reaktionsbedingungen hydrieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch das Aufziehen der Cyancarbonsäure und durch das Ablösen der Reaktionsprodukte vom Austauscher eine Reinigung der Produkte eintritt.
Als Austauscher können besonders die Ionenaustauscher vom Polystyroltypus, wie die Amberlite und Permutite (eingetragene Marken), die eine genügende Beständigkeit bei der Hydrierung aufweisen, verwendet werden.
Die Reduktion kann bei Zimmertemperatur ausgeführt werden. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, bei Temperaturen bis zu 600 C zu arbeiten, wodurch die Reaktionsdauer wesentlich reduziert wird. Die obere Temperaturgrenze ist natürlich durch die Beständigkeit des Austauschers gegeben.
Das Verfahren lässt sich zum Beispiel durchführen, indem die Cyancarbonsäure auf den Austauscher aufgezogen und in einem gebräuchlichen Lösungsmittel im Schüttelautoklaven in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserstoff behandelt wird.
Die Zugabe von Ammoniak zur Zurückdrängung der Bildung von sekundären Aminoverbindungen, ist nur bei solchen Austauschern möglich und wünschenswert, die so basisch sind, dass die aufgezogene Säure nicht durch das Ammoniak wieder abgelöst wird. Es sind dies besonders die Amber lite IRA-400 und IRA-4l0 sowie der Permutite ESB .
Nach Beendigung der Reaktion kann das Reaktionsgut durch ein Sieb filtriert und gewaschen werden. Es ist zweckmässig, den Katalysator in so fein verteilter Form zu verwenden, dass er durch das Waschen auf dem Sieb leicht vom Austauscher getrennt werden kann.
Die entstandene Aminosäure kann darauf mit einer stärkeren Säure, wie zum Beispiel Salzsäure, abgelöst werden. Die entstandene Lösung kann eingedampft und das entsprechende Salz der Aminocarbonsäure isoliert werden, oder man kann die Lösung des Salzes direkt nach den Angaben der Org. Synth. Vol. 32, 13, durch aktivierten Amberlite IR - schicken, wobei im Auslauf die wässerige Lösung der freien Aminosäure anfällt. Ebenso besteht beim Ablösen mit Salzsäure die Möglichkeit, die Salzsäurelösung des Chlorhydrates über einen stark sauren Kationenaustauscher, wie zum Beispiel über Amberlite IR - 120 , zu schicken.
Dabei wird die Aminosäure vom Austauscher gebunden. Anschliessend kann mit Ammoniak abgelöst werden. Durch Eindampfen der ammoniakalischen Lösung kann die freie Aminosäure isoliert werden.
In Abänderung der beschriebenen Ausführungsform kann die Cyancarbonsäure auf Amberlite IR 4B aufgezogen und hydriert werden. Die entstehende Aminosäure wird bei Verwendung dieses Austauschers direkt frei und kann aus der Lösung auf bekannte Art isoliert werden. Bei dieser Arbeitsweise sind jedoch nur sehr milde Hydrierungsmethoden möglich, da der Austauscher unbeständig ist.
Als Katalysatoren können im Prinzip alle jene Katalysatoren verwendet werden, die für die Hydrierung von Nitrilen geeignet sind. Da man jedoch zweckmässig eine relativ grosse Menge Katalyt verwendet (30 bis 50 4/o, bezogen auf die Cyancarbonsäure), um die erwünschte Durchmischung mit dem Austauscher zu erreichen, wird man sich vorteilhafterweise auf billige Katalysatoren, wie Raney Nickel, beschränken. Nach der Reaktion kann der Katalysator ohne irgendwelche Regenerierung wieder eingesetzt werden.
Beispiele
1. 85 Teile Cyanessigsäure werden in wässeriger Lösung auf 1500 Volumteile aktivierten Amberlite IRA - 410 aufgezogen. Anschliessend wird mit Äthanol gewaschen. Darauf wird der beladene Austauscher mit 3000 Volumteilen Äthanol und 30 Teilen Raney-Nickel in einem geeigneten Schüttelgefäss bei Zimmertemperatur und Normaldruck so lange hydriert, bis die berechnete Menge Wasserstoff aufgenommen ist. Alsdann wird das Reaktionsgut durch zwei Siebe filtriert und mit Wasser gewaschen, bis der Austauscher vom Katalysator befreit auf den Sieben zurückbleibt. Der Austauscher wird in ein Chromatographierrohr gegeben und mit so viel 2prozentiger Salzsäure behandelt, bis im Auslauf eine deutlich kongosaure Reaktion beobachtet wird.
Darauf wird mit Wasser gewaschen, bis der Auslauf nur noch schwach sauer reagiert. Die wässerige Lösung des so erhaltenen Chlorhydrates wird anschliessend im Vakuum eingedampft. Man erhält so 122 Teile des Chlorhydrates von fl-Alanin vom Schmelzpunkt 120"C, was einer Ausbeute von 97,2 O/o entspricht.
2. 183 Teile c, j-Cyan-pelargonsäure werden in wässerig-alkoholischer Lösung auf 1750 Volumteile aktivierten Amberlite IRA - 410 aufgezogen.
Der Austauscher wird darauf mit 70 Teilen Raney Nickel, 75 Teilen Ammoniak und 3000 Volumteilen Äthanol versetzt und bei 45O C und 80 atü Druck im Drehautoklaven hydriert. Nach 2 Stunden ist die Reaktion beendet. Nach dem Erkalten wird das Harz mit Hilfe von 2 Sieben vom Katalyt und dem Lösungsmittel getrennt, mit Wasser gewaschen und in ein Chromatographierrohr gebracht. Die entstehende c)-Amino-decansäure wird anschliessend mit 2n Salzsäure vom Austauscher abgelöst und die resultierende Lösung des Chlorhydrates über 700 Volumteile aktivierten Amberlite IR - 4B geschickt. Die anfallende wässerige Lösung wird am Vakuum eingedampft.
Die Ausbeute an freier ct)-Amino-decansäure vom Schmelzpunkt 180"C beträgt 170 Teile, entsprechend 90,9 O/o der Theorie.
3. 127 Teile w-Cyan-valeiiansäure werden auf 1500 Volumteile Amberlite IRA -400 aufgezogen und nach Beispiel 2 hydriert und aufgearbeitet.
Dabei werden 110 Teile cs-Amino-capronsäure erhalten, was einer Ausbeute von 84 0/0 der Theorie entspricht.
Process for the preparation of aminocarboxylic acids
Aminocarboxylic acids can be made in a number of ways. The preparation of the same from the corresponding halogen fatty acids with ammonia or amines, the amino acid synthesis according to Strecker from cyanohydrin, by saponification of lactams and by hydrogenation of nitrocarboxylic acids, oximinocarboxylic acids and ketocarboxylic acids according to Mignonac is particularly common.
The present invention relates to a process for the preparation of aminocarboxylic acids by reducing cyanocarboxylic acids. This process is of particular interest since the starting products according to DBP nos. 805758 and 806454 from J. Kleine can easily be obtained from the technically readily available dicarboxamides. The hydrogenation of cyanocarboxylic acids has already been investigated. P. Ruggli (Helv. 25, 35 [1942]) dealt more closely with the production of S-alanine from cyanoacetic acid. The best results were obtained when starting from the potassium salt of cyanoacetic acid.
It has now been found, surprisingly, that aminocarboxylic acids can be obtained from cyanocarboxylic acids if the latter are absorbed on an anion exchanger which is able to bind acidic groups and hydrogenated in the presence of a catalyst. This process ensures that the acidic group is bound by the exchanger and thus loses its disruptive influence on the reaction. You can therefore easily hydrogenate in the presence of normal hydrogenation catalysts, such as Raney nickel, which are otherwise attacked in an acidic medium. Since the cyanocarboxylic acid molecules are locally bound on the exchanger and are therefore not freely mobile, the formation of secondary amino compounds, as normally occurs in the hydrogenation of nitriles, is strongly inhibited.
The reaction of the amino group formed with the carboxyl group is also prevented, so that it is also possible to produce those amino acids which are converted into the corresponding lactams under normal test conditions.
Since the carboxyl groups are bound to the anion exchanger, the cyano group can be hydrogenated under the usual mild reaction conditions. Another advantage of the process is that the absorption of the cyanocarboxylic acid and the detachment of the reaction products from the exchanger result in a purification of the products.
The ion exchangers of the polystyrene type, such as Amberlite and Permutite (registered trademarks), which have sufficient resistance to hydrogenation, can be used as exchangers.
The reduction can be carried out at room temperature. However, it is easily possible to work at temperatures of up to 600 ° C., which significantly reduces the reaction time. The upper temperature limit is of course given by the durability of the exchanger.
The process can be carried out, for example, by drawing the cyanocarboxylic acid onto the exchanger and treating it with hydrogen in a common solvent in a shaking autoclave in the presence of a catalyst.
The addition of ammonia to suppress the formation of secondary amino compounds is only possible and desirable with exchangers that are so basic that the absorbed acid is not removed again by the ammonia. These are especially the Amber lite IRA-400 and IRA-4l0 as well as the Permutite ESB.
After the reaction has ended, the reaction mixture can be filtered through a sieve and washed. It is advisable to use the catalyst in such a finely divided form that it can easily be separated from the exchanger by washing it on the sieve.
The resulting amino acid can then be replaced with a stronger acid such as hydrochloric acid. The resulting solution can be evaporated and the corresponding salt of the aminocarboxylic acid can be isolated, or the solution of the salt can be used directly according to the information in Org. Synth. Vol. 32, 13, through activated Amberlite IR - send, whereby the aqueous solution of the free amino acid is obtained in the outlet. When removing with hydrochloric acid, it is also possible to send the hydrochloric acid solution of the chlorohydrate over a strongly acidic cation exchanger, such as Amberlite IR - 120.
The amino acid is bound by the exchanger. It can then be removed with ammonia. The free amino acid can be isolated by evaporating the ammoniacal solution.
In a modification of the embodiment described, the cyanocarboxylic acid can be absorbed and hydrogenated on Amberlite IR 4B. The resulting amino acid is released directly when this exchanger is used and can be isolated from the solution in a known manner. In this procedure, however, only very mild hydrogenation methods are possible, since the exchanger is unstable.
In principle, all those catalysts which are suitable for the hydrogenation of nitriles can be used as catalysts. However, since it is advisable to use a relatively large amount of catalyst (30 to 50 4 / o, based on the cyanocarboxylic acid) in order to achieve the desired mixing with the exchanger, it is advantageous to limit oneself to cheap catalysts such as Raney nickel. After the reaction, the catalyst can be used again without any regeneration.
Examples
1. 85 parts of cyanoacetic acid are absorbed in an aqueous solution onto 1500 parts by volume of activated Amberlite IRA-410. It is then washed with ethanol. The loaded exchanger is then hydrogenated with 3000 parts by volume of ethanol and 30 parts of Raney nickel in a suitable shaking vessel at room temperature and normal pressure until the calculated amount of hydrogen has been absorbed. The reaction mixture is then filtered through two sieves and washed with water until the exchanger, freed from the catalyst, remains on the sieves. The exchanger is placed in a chromatography tube and treated with so much 2 percent hydrochloric acid that a clearly Congo acidic reaction is observed in the outlet.
It is then washed with water until the spout reacts only slightly acidic. The aqueous solution of the chlorohydrate obtained in this way is then evaporated in vacuo. 122 parts of the chlorohydrate of α-alanine with a melting point of 120 ° C. are thus obtained, which corresponds to a yield of 97.2%.
2. 183 parts of c, j-cyano-pelargonic acid are absorbed in an aqueous-alcoholic solution on 1750 parts by volume of activated Amberlite IRA-410.
70 parts of Raney nickel, 75 parts of ammonia and 3000 parts by volume of ethanol are then added to the exchanger and the mixture is hydrogenated in a rotary autoclave at 450 ° C. and 80 atmospheric pressure. The reaction has ended after 2 hours. After cooling, the resin is separated from the catalyst and the solvent with the aid of 2 sieves, washed with water and placed in a chromatography tube. The resulting c) -amino-decanoic acid is then removed from the exchanger with 2N hydrochloric acid and the resulting solution of the chlorohydrate is sent over 700 parts by volume of activated Amberlite IR-4B. The resulting aqueous solution is evaporated in vacuo.
The yield of free ct) -amino-decanoic acid with a melting point of 180 ° C. is 170 parts, corresponding to 90.9% of theory.
3. 127 parts of w-cyano-valeiic acid are applied to 1500 parts by volume of Amberlite IRA -400 and hydrogenated and worked up according to Example 2.
110 parts of cs-amino-caproic acid are obtained, which corresponds to a yield of 84% of theory.