Verfahren zur Herstellung von Glutamin
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glutamin, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Lösung von D-, L- oder DL;'-Glutamyl-hydrazid in einem wässrigen Medium, das mindestens 65 Gew. /a Wasser enthält, auf erhöhte Temperatur in Gegenwart eines Raney-Nickel Katalysators erhitzt und D-, L- oder DL-Glutamin aus dem Reaktionsgemisch gewonnen wird.
L-Glutamin kommt in der Natur in reichlicher Menge vor, aber seine Gewinnung aus natürlichen Quellen ist schwierig und teuer. Demzufolge hat man sich verschiedenen Verfahren zur Synthese von Glutamin zugewandt, jedoch ist ein billiges, einfaches Verfahren bis jetzt noch nicht vorgeschlagen worden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, L-Glutamin in vergleichsweise hohen Ausbeuten, ohne Herstellung und anschliessendes Spalten eines racemischen Gemisches unter Verwendung von leicht zugänglichen billigen Substanzen herzustellen.
Das wässrige Medium kann aus Wasser allein oder aus einem Gemisch von Wasser und einem organischen wasserlöslichen Lösungsmittel, das gegenüber der Reaktion inert ist, bestehen. Bevorzugt wird als Lösungsmittel Wasser allein verwendet; wenn jedoch etwas geringere Ausbeuten an Glutamin in Kauf genommen werden können, kann das Wasser mit einem wasserlöslichen organischen Lösungsmittel, das sich gegenüber der Reaktion inert verhält, verdünnt werden.
Wenn die Konzentration des Wassers in dem Lösungsmittel auf weniger als 65 o/a verringert wird, vermindern sich die Ausbeuten des nach diesem Verfahren hergestellten Glutamins sehr schnell, bis ein Gemisch aus 50 : 50 wasserorganisches Lösungsmittel erreicht ist, wobei die Ausbeute an Glutamin 60 /o oder weniger der Ausbeute beträgt, die mit einer 65 0/oigen Wasserkonzentration erreicht wird.
Das wässrige Medium wird zweckmässig in einer Menge verwendet, die gerade noch eine vollständige Auflösung des Hydrazids bei der verwendeten Reaktionstemperatur erlaubt. Bei der Verwendung von Wasser allein als Lösungsmittel ist es angebracht,
12 Teile Wasser auf je 1 Teil Hydrazid zu verwenden. Die Auflösung des Hydrazids in Wasser oder in dem wässrigorganischen Lösungsmittelgemisch kann gegebenenfalls durch Erwärmen erleichtert werden.
Es können auch gegebenenfalls Mengen an Wasser oder wässrigorganischem Lösungsmittelgemisch verwendet werden, die oberhalb der geringsten, zur Lösung des Hydrazids benötigten Menge liegen, jedoch ergeben sich daraus Nachteile, da Wasser und Lösungsmittel unter Umständen entfernt werden müssen und jeder Überschuss an diesen Stoffen die Kosten des Verfahrens erhöht.
Organische Lösungsmittel, die mit Wasser unter Bildung des wässrigen Mediums zur Durchführung dieser Erfindung vermischt werden können, sind wasserlösliche polare Lösungsmittel, die unter den Reaktionsbedingungen inert sind, z. B. die niederen Alkohole, die weniger als etwa 8 Kohlenstoffatome enthalten, wie Methanol, Äthanol, Isopropanol, Butanol, sek. Butanol, tert. Butanol, Pentanol usw. Weitere Lösungsmittel, die verwendet werden können, sind Dimethylformamid, Dioxan, Tetrahydrofurfurylalkohol und dergleichen.
Der bei dem Verfahren dieser Erfindung verwendete Raney-Nickel-Katalysator ist bevorzugt ein Ra ney-Nickel-W-4-, -W-6- oder -W-7-Katalysator.
Diese Katalysatoren und andere Raney-Nickel-Katalysatoren sind sehr gut bekannt. Der Raney-Nickel W-4-Katalysator ist in JACS 68, S. 1471 (1946) beschrieben. Die Raney-Nickel-W-5-, -W-6- und -W-7 Katalysatoren sind in JACS 70, S. 695 (1948) beschrieben. Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird der Raney-Nickel-W-4-Katalysator besonders bevorzugt, weil mit ihm die grössten Aus beuten an Glutamin erhalten werden.
Der verwendete Raney-Nickel-Katalysator wird vorteilhaft in einer Menge von etwa 1 bis 4 Teilen je Teil Hydrazid in der Lösung oder Suspension des 7-Glutamyl-hydrazids zugesetzt. Es kann weniger als 1 Teil Katalysator auf 1 Teil Hydrazid verwendet werden; dadurch wird aber die Ausbeute an Glutamin verschlechtert. Die Verwendung von mehr als 4 Teilen Katalysator je Teil Hydrazid ergibt keine merkliche Steigerung der Ausbeuten an Glutamin und ist wegen des teuren Katalysators unwirtschaftlich. Bevorzugt werden 2 Teile Katalysator auf 1 Teil Hydrazid verwendet, um optimale Ausbeuten des gewünschten Produktes zu erhalten.
Um grösstmögliche Ausbeuten an Glutamin zu erhalten, muss die Reaktion unter alkalischen Bedingungen durchgeführt werden. Die Alkalinität ergibt sich durch Verwendung eines feuchten Raney Nickel-W-4-Katalysators, der unter Wasser aufbewahrt worden ist, wobei das Wasser einen grösseren pH-Wert als 7 und bevorzugt einen grösseren als etwa 9 hatte. Die Zugabe eines solchen feuchten Katalysators mit der anhaftenden alkalischen Flüssigkeit zu einer Lösung des y-Glutamyl-hydrazids in Wasser oder einem wässrigorganischen Lösungsmittelgemisch verursacht einen alkalischen pH-Wert der Lösung und stellt für die Durchführung des vorliegenden Verfahrens geeignete Bedingungen her.
Bei der Verwendung eines nichtalkalischen Raney-Nickel-Katalysators bewirkt die Zugabe eines solchen Katalysators zu der Lösung von y-Glutamyl-hydrazid in Wasser oder einem wässrigorganischen Lösungsmittelgemisch der Lösung keine alkalische Reaktion; unter diesen Umständen ist es erwünscht, den pH-Wert der Lösung auf über 7, bevorzugt über etwa 9, durch Zusatz eines Alkalis, z. B. eines Alkalihydroxyds, wie Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd, jedoch vor allem durch Zugabe von Ammoniak zu der Lösung, einzustellen. Verminderte Ausbeuten an Glutamin werden erhalten, wenn der pH-Wert des Reaktionsgemisches bei Beendigung der Reaktion kleiner als 9 ist. Vorteilhaft wird der pn-Wert des Reaktionsgemisches zur Erzielung grösster Ausbeuten grösser als etwa 9,5 gehalten.
Nach erfolgter Zugabe des Raney-Nickel-Katalysators zu der Lösung oder Suspension des y-Glutamyl-hydrazids wird das Gemisch zweckmässig auf etwa 50O bis etwa Rückflusstemperatur der Lösung erhitzt, bis die Umsetzung des Hydrazids unter Bildung von Glutamin praktisch vollständig beendet ist.
Temperaturen unterhalb etwa 50O können verwendet werden, jedoch wird dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit stark beeinträchtigt. Bevorzugt wird das Reaktionsgemisch auf eine Temperatur zwischen etwa 65 und 75O erhitzt. Gewöhnlich ist die Umsetzung in etwa 2 Stunden beendet, jedoch kann unter bestimmten Bedingungen die Umsetzung in etwa 1 bis 3 Stunden beendet werden. Bei der Verwendung von Wasser als Lösungsmittel allein beträgt die optimale Reaktionszeit etwa 2 Stunden.
Nach Beendigung der Umsetzung kann der Katalysator nach üblichen Verfahren, z. B. durch Filtration, entfernt werden. Aus dem Filtrat kann das Glutamin gewonnen werden, indem beispielsweise das Filtrat eingedampft und das Konzentrat zwecks Kristallisation des Glutamins abgekühlt wird.
Gewöhnlich enthält das Filtrat, das nach Entfernung des Nickelkatalysators aus dem Reaktionsgemisch verbleibt, geringe Mengen Nickel, die wenn sie nicht entfernt werden - das schliesslich aus der Lösung auskristallisierende Glutamin verunreinigen. Das Nickel im Filtrat kann durch Zugabe von Ameisensäure bis zur Einstellung des pH-Wertes auf etwa 5 und Zugabe einer zur Umsetzung allen Nickels ausreichenden Menge Dimethylglyoxims entfernt werden. Nach Zugabe von Dimethylglyoxim zu dem Filtrat wird der pH-Wert des letzteren mit wässrigem Ammoniak auf etwa 7,2 eingestellt, worauf der Nickel-Dimethylglyoxim-Komplex durch Filtration oder andere geeignete Verfahren entfernt werden kann. Die verbleibende, Glutamin enthaltende Lösung kann dann eingedampft werden, worauf Glutamin aus der Lösung auskristallisiert.
Bei dieser Arbeitsweise hat das Glutamin eine Reinheit in der Grössenordnung von etwa 98 bis 99 o/o und kann in Ausbeuten in der Grössenordnung von etwa 80bis der Theorie, bezogen auf das Gewicht des eingesetzten y-Glutamyl-hydrazids, erhalten werden.
Nach einer andern Durchführungsform kann das im Filtrat nach Abtrennung des Nickelkatalysators von dem Reaktionsproduktgemisch verbliebene Nickel durch Behandlung des Filtrates mit Schwefelwasserstoff unter alkalischen Bedingungen, bevorzugt mit Ammoniumsulfid, entfernt werden. Gemäss einer bevorzugten Arbeitsweise wird das Filtrat, das einen pH-Wert von etwa 9,5 hat, mit einer ausreichenden Menge Ammoniumsulfid behandelt, um alles vorhandene Nickel umzusetzen. Die Zugabe von Ammoniumsulfid bewirkt die Bildung von Nickelsulfid, das ein Kolloid ist und in Suspension verbleibt.
Das Nikkelsulfidkolloid wird durch Zugabe von Essigsäure zu dem Reaktionsgemisch in einer ausreichenden Menge, um den pH-Wert zwischen etwa 4 und 5 einzustellen, und durch Erhitzen des Gemisches auf etwa 409 für einige Minuten koaguliert. Das koagulierte Nickelsulfid kann dann von der Lösung auf geeignete Weise, z. B. durch Filtration, abgetrennt werden. Wenn zur Entfernung des Nickelsulfids filtriert wird, ist es angebracht, zur Beschleunigung der Filtrationsgeschwindigkeit dem Gemisch ein Filtrierhilfsmittel zuzusetzen. Nach erfolgter Abtrennung des Nickelsulfids kann die verbleibende Glutaminlösung nach üblichen Verfahren zwecks Gewinnung von Glutamin behandelt werden. Die Lösung kann zum Beispiel, bevorzugt im Vakuum, eingedampft und dann zur Kristallisation des Glutamins abgekühlt werden.
Das als Ausgangsstoff verwendete y-Glutamyl- hydrazid kann wie folgt hergestellt werden:
Glutaminsäure wird mit Phenol oder einem Alkohol, bevorzugt einem niederen aliphatischen Alkohol, das heisst einem Alkohol mit weniger als 8 Kohlenstoffatomen, z. B. Methylalkohol oder Äthylalkohol, unter Herstellung des y-Esters der Glutaminsäure verestert. Die Veresterung wird bevorzugt bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur in Gegenwart von Schwefelsäure als Katalysator durchgeführt.
Der y-Ester der Glutaminsäure hat die Strukturformel:
EMI3.1
wobei R eine niedere Alkyl- oder eine Phenylgruppe ist. y-Alkylester von Glutaminsäure und besonders die ;.-Alkylester von Glutaminsäure werden bevorzugt, bei denen die Alkylgruppe eine niedere Alkylgruppe, das heisst eine Alkylgruppe mit weniger als 8 Kohlenstoffatomen, ist. Spezifische Ester, die verwendet werden können, sind y-Methyl-, y-Athyl-, y-Propyl-, ;.-Isopropyl-, y-Butylester usw. von Glutaminsäure. Der y-Methylester der Glutaminsäure wird besonders bevorzugt, weil die Ausbeuten dabei an Glutamin höher sind als bei Verwendung anderer y-Ester der Glutaminsäure und weil zur Durchführung des Verfahrens weniger Zeit benötigt wird.
Der ;,-Ester von Glutaminsäure wird mit Hydrazin in Form einer wässrigen Lösung oder einer wässrigen Alkohollösung unter Bildung des y-Hydrazids der Glutaminsäure behandelt, das auch als y-Glutamyl-hydrazid bezeichnet wird und die folgende Strukturformel hat:
EMI3.2
Hydrazin oder Hydrazinhydrat wird in einer Menge von mindestens etwa 1 Mol und bevorzugt etwa 3 bis 7 Molen Hydrazin je Mol des y-Esters der Glutaminsäure verwendet. Die Umsetzung wird bevorzugt bei einer Temperatur zwischen etwa Raumtemperatur und 65o, bevorzugt bei der sich selbst einstellenden Temperatur, durchgeführt, bis die hydrazidbildende Umsetzung praktisch vollständig beendet ist. Gewöhnlich erfordert die Umsetzung nur einige Minuten.
Nach erfolgter Beendigung der Umsetzung kann das L-y-Glutamyl-hydrazid von dem Reaktionsproduktgemisch in jeder üblichen Weise, z. B. durch Filtration, abgetrennt und durch Waschen mit einem Lösungsmittel, z. B. Methanol, gereinigt werden. Das Produkt wird dann zum Beispiel bei etwa 80" getrocknet.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Glutamin hat eine Reinheit von etwa 95 /o oder mehr und kann in Ausbeuten von etwa 80 Q/o der Theorie, bezogen auf das Gewicht des eingesetzy-Glutamyl-hydrazids, gewonnen werden.
In den folgenden Beispielen sind alle Teile und Prozentzahlen, wenn nicht anders vermerkt, in Gewichtseinheiten angegeben.
Beispiel 1
147 Teile L-Glutaminsäure wurden in etwa 1890 Teilen absoluten Methanols suspendiert. Das Gemisch wurde in einem Eisbad auf etwa 12" abgekühlt und mit 134 Teilen Schwefelsäure (95 0/0) unter Rühren mit solcher Geschwindigkeit versetzt, dass die Temperatur des Gemisches unter 25" gehalten wurde. Das Kühlen wurde dann eingestellt, aber das Reaktionsgemisch wurde bei etwa 270 etwa 5 Stunden lang gerührt. Das Gemisch wurde erneut auf etwa 12 abgekühlt und mit einem Gemisch aus Diäthylamin und Methanol im Verhältnis 1:1 bis zu einem pH-Wert von etwa 7 neutralisiert. Es wurde dann bei etwa 00 oder darunter 5 Stunden lang gehalten. Rühren war dabei nicht nötig. Das Reaktionsprodukt L-y-Methyl-glutamat wurde durch Filtration gewonnen.
Etwa 23,5 Teile einer wässrigen Hydrazinlösung, die 12,8 Gewichtsteile Hydrazin enthielt, wurden in 136 Teilen absoluten Athanols gelöst. Zu dieser Lösung wurden unter Rühren und in einer Zeit von etwa 5 Minuten 16,1 Teile L-y-Methyl-glutamat in kleinen Anteilen gegeben. Nach erfolgter Zugabe war die Temperatur von Raumtemperatur auf etwa 320 gestiegen. Das Rühren wurde weitere 5 Minuten fortgesetzt, wobei der Inhalt des Reaktionsgefässes sich fast verfestigt hatte. Die festen Anteile wurden von dem Reaktionsgemisch durch Filtration abgetrennt und dann fünfmal mit 40 Teilen absoluten Athanols gewaschen. Nach zweistündigem Trocknen bei 80O wurden 13,4 Teile des Produktes erhalten, was einer Ausbeute von 70 Mol der Theorie entsprach.
Das Produkt war L-y-Glutamyl-hydrazid mit einem Schmelzpunkt von 161".
20 Teile L-y-Glutamyl-hydrazid wurden mit 240 Teilen Wasser und 40 Teilen eines alkalischen Raney-Nickel-W-4-Katalysators vermischt. Das alkalische Gemisch wurde während des Erhitzens auf etwa 680 gerührt und das Rühren bei dieser Temperatur etwa 2 Stunden lang fortgesetzt. Das Reaktionsgemisch, das einen pn-Wert von etwa 9,7 hatte, wurde dann zur Entfernung des Katalysators filtriert, der Katalysator mit 20 Teilen Wasser gewaschen und das Waschwasser dem Filtrat zugesetzt.
Dem Filtrat wurden 38 Teile einer 24 /0, igen Lösung von Ammoniumsulfid in Wasser unter Rühren zugesetzt, worauf das erhaltene Gemisch durch Zugabe von Essigsäure zwecks Koagulation des gebildeten Nickelsulfids auf einen pH-Wert von etwa 4,2 angesäuert wurde. 5 Teile Filterhilfe (Diatomeenerde) wurden dem Gemisch zugesetzt, worauf dieses filtriert wurde.
Der Filterkuchen bestand hauptsächlich aus Nickel sulfid. Das klare Filtrat wurde im Vakuum bei einer maximalen Temperatur von etwa 600 bis zu Beginn der Kristallisation von L-Glutamin aus der Lösung eingedampft. Die Verdampfung wurde dann unterbrochen, und während die Lösung noch warm war, wurden 210 Teile Methylalkohol zugefügt. Die Lösung wurde dann auf etwa 0 bis 100 abgekühlt und bis zur praktisch vollständigen Kristallisation des Glutamins bei dieser Temperatur gehalten. Das Glutamin wurde aus der Lösung durch Filtration abgetrennt. Es wurden 12,7 Teile L-Glutamin mit einer Reinheit von 98,8 /o erhalten, was einer Ausbeute von 80 O/o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte L-y-Glutamyl-hydrazid, entsprach.
Beispiel 2
5 Teile L-y-Glutamyl-hydrazid, hergestellt wie in Beispiel 1, wurden fast vollständig in 60 Teilen einer 25 0/obigen wässrigen Lösung von Dimethylformamid bei etwa 40O gelöst, worauf 20 Teile Raney-Nickel W-4-Katalysator zugesetzt wurden. Der pH-Wert der Lösung wurde mit 28/obigem wässrigem Ammoniak auf etwa 8,0 eingestellt. Das Gemisch wurde unter Rühren auf eine Temperatur zwischen etwa 65 und 750 für eine Zeit von 1 bis 2 Stunden erhitzt, worauf das Reaktionsgemisch abfiltriert wurde.
Der Filterkuchen wurde dreimal mit 10 Teilen warmen Wassers (50 gewaschen, worauf die Waschwasser und das Filtrat vereinigt und durch Zugabe von verdünnter Ameisensäure auf einen pH-Wert von 4,5 eingestellt wurden. 1 Teil Dimethylglyoxim wurde unter kräftigem Rühren zugesetzt, worauf der p-Wert des Gemisches durch die Zugabe von 28 /Figem wässrigem Ammoniak auf 7,3 gebracht wurde.
Der Nickel Dimethylglyoxim-Komplex wurde aus dem Gemisch abfiltriert, worauf das Filtrat, das L-Glutamin enthielt, bis zur^ beginnenden Kristallisation des L-Glutamins im Vakuum bei 40O eingedampft wurde. 48 Teile Äthanol wurden zugesetzt, und die Lösung wurde auf 5 abgekühlt und bis zur praktisch vollständigen Kristallisation des L-Glutamins auf dieser Temperatur gehalten. Das erhaltene L-Glutamin hatte eine Reinheit von 99,3 O/ol und wurde in einer Menge erhalten, die einer Ausbeute von 71,7 /o der Theorie, bezogen auf das eingesetzte L-y-Glutamyl-hydrazid, entsprach.
Beispiel 3
Unter Befolgung des Verfahrens von Beispiel 2 wurde L-y-Glutamyl-hydrazid in Gegenwart eines Raney-Nickel-W-4-Katalysators unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen in einem wässrigen Medium erhitzt. Die verwendete Katalysatormenge, bezogen auf das Gewicht des Hydrazids, und der pH-Wert des Reaktionsgemisches sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Zur Einstellung des pH-Wertes wurde Ammoniak verwendet.
Tabelle 1 Gewichtsverhältnis Reinheit Ausbeute von Katalysator Lösungsmittel zu Hydrazid Glutamin der Theorie
2:1 350/obiger Methyl- oder Äthylalkohol 93,5 69,3 9,5
2:1 250/aiger Methylalkohol 93,2 67,7 9,3
4:1 250/obiges Dioxan 97,81 78,5 9,4
2:1 250/oiger Tetrahydro-furfurylalkohol 91,3 58,2 7,9
2:1 250/oiger Isopropylalkohol 61,3 40,6 7
2:1 250/obiger Isopropylalkohol 97 72,2 9,7
2:1 250/obiger Isopropylalkohol 98,54 71 9,6