Verfahren zur Herstellung von D-Ascorbinsäure
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zur Umwandlung des Methylesters der 2-Ketoglukonsäure in D-Ascorbinsäure.
Die Umwandlung des Methylesters der 2-Ketoglukonsäure in D-Ascorbinsäure ist an sich bekannt.
Im USA-Patent Nr. 2 160 621 (1939) wird beschrieben, dass Methyl-2-ketoglukonat in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure übergeführt werden kann. Der Patentinhaber gibt an, dass man diesen Schritt in Gegenwart von Natriumkarbonat und Wasser durchführen kann. Im USA-Patent Nr. 2 179 978 (1939) wird ausgesagt, dass man das 2-Methyl-2-ketoglukonat durch Reaktion mit Natriumbikarbonat in Methanol in das Natriumsalz der Levo-Ascorbinsäure überführen kann.
Die Reaktion, mit der sich vorliegende Erfindung befasst, kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:
EMI1.1
Hinsichtlich des Standes der Technik wurde gefunden, dass, wenn man das Verfahren des erst- genannten USA-Patentes auf die Umwandlung von Methyl-2-ketoglukonat in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure anwendet, Ausbeuten im Bereiche von 500/o, bezogen auf das Methyl-2-ketoglukonat, erhalten werden, was für ein technisches Verfahren zu niedrig ist. Diese schlechten Ausbeuten wurden der Anwesenheit von Wasser zugeschrieben, das aus zwei Gründen unerwünscht schien, weil
1. Wasser in alkalischer Reaktion die Verseifung des Methyl-2-ketoglukonats erhöht, und
2. weil das Wasser eines der Reaktionsprodukte ist, dessen Anwesenheit die rückläufige Reaktion begünstigt und so die Ausbeute vermindert.
Bei Übertragung des Verfahrens des zweitgenann ten Patentes auf die Umwandlung des Methyl-2-keto glukonats in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure wurde gefunden, dass die Reaktion sehr langsam fort schreitet und niedrige Ausbeuten liefert. Man glaubte dies der schwachen Alkalinität des Natriumbikarbo nats zuschreiben zu müssen. Ersetzte man dieses durch das alkalischere Natriumkarbonat, so erhielt man eine sehr schwer aufzuarbeitende harzige Mi schung, die über mässiges Rühren und grosse Mengen
Methanol erforderte. Dies schien eine Folge der koagulierenden Wirkung von nicht umgesetztem Na triumkarbonat auf das unter den Reaktionsbedingun gen entstandene ölige Natriumsalz der D-Ascorbin säure zu sein.
Es wurde nun gefunden, dass der Zusatz einer kleinen Menge Wasser zu dieser Reaktion die Harzbildung eliminiert und hohe Ausbeuten an dem gewünschten Endprodukt liefert. Diese Entdeckung ist vollkommen überraschend und unerwartet im Hinblick auf die allgemein angenommenen Nachteile infolge der Anwesenheit von Wasser bei Reaktionen dieses Typs.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens kann man z. B. folgendermassen vorgehen: Methyl-2-ketoglukonat wird in einem Lösungsmittel dispergiert und so viel Wasser zugesetzt, dass in der Mischung pro Mol Methyl-2-ketoglukonat etwa 1 Mol Wasser zugegen ist. Man erhitzt hernach die Mischung mit Natriumkarbonat in einer inerten Atmosphäre am Rückfluss. Anschliessend wird angesäuert und filtriert, wonach die D-Ascorbinsäure nach bekannten Methoden isoliert werden kann.
Als Lösungsmittel verwendet man vorzugsweise Methylalkohol, doch kann man auch in Athyl- alkohol arbeiten. Während bei den bekannten Verfahren grosse Lösungsmittelmengen erforderlich waren, besteht ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens darin, dass man bis zu etwa 1, 7 Teile Lösungsmittel pro Teil Methyl-2-ketoglukonat verwenden kann, was viel weniger ist als bei den bekannten Arbeitsweisen. Die für die Durchführung des Prozesses erforderliche bevorzugte Wassermenge liegt zwischen 1 bis 1,5 Mol pro Mol Methylester, wobei der verwendbare Bereich zwischen 0,9 und 2,2 Mol liegt. Das Natriumkarbonat kann in einer Menge verwendet werden, die etwas höher liegt als die theoretisch erforderliche von etwa 0,5 Mol pro Mol des Esters. Grössere Mengen sind natürlich ebenfalls verwendbar.
Zur Bildung der inerten Atmosphäre kann man eines der üblichen inerten Gase verwenden, wobei Stickstoff besonders geeignet ist. Ein weiterer Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass das aus dem Natriumkarbonat freigesetzte Kohlendioxyd zum Teil die Luft aus dem Reaktionsgemisch heraustreibt und eine inerte Atmosphäre aufrechterhält. Die Temperatur, bzi der die Umwandlungsreaktion stattfindet, ist die Rückflusstemperatur. Niedrigere Temperaturen ergeben niedrigere Ausbeuten.
Der genaue Mechanismus der bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung erzielten Verbesserung ist nicht bekannt. Es wird jedoch angenommen, dass die Verharzung und niedrigen Ausbeuten ohne Wasserzusatz auf die Koagulation des wasserfreien Natriumsalzes der D-Ascorbinsäure zurückzuführen sind. Der Wasserzusatz gemäss der Erfindung bewirkt die vollständige Bildung des Monohydrats des Natriumsalzes der D-Ascorbinsäure, das kristallin ist und mit Natriumkarbonat nicht koaguliert.
Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert:
Beispiel 1
Methyl-2-ketoglukonat (140 g) wurden in 240 g Methanol suspendiert und so viel Wasser zugesetzt, dass die Mischung pro Mol Ester 0,45 Mol Wasser enthielt. Die Mischung wurde dann mit 53 g wasserfreiem Natriumkarbonat bei 500 C umgesetzt (unter Stickstoffatmosphäre). Nach 2stündigem Kochen am Rückfluss wurde angesäuert, filtriert und die erhaltene Lösung jodometrisch titriert, woraus sich eine 95 0/oige Umwandlung in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure ergab. Die D-Ascorbinsäure wurde nach bekannten Methoden isoliert.
Anderseits wurde Methyl-2-ketoglukonat (140 g) in 420 g Methanol suspendiert und unter Stickstoffatmosphäre bei 520 C portionenweise mit 54 g wasserfreiem Natriumkarbonat während 21/2 Stunden behandelt. Nach dem Erhitzen auf Rückflusstemperatur bildete die feste Phase eine harzige Masse, welche das verbleibende Natriumkarbonat an der richtigen Reaktion hinderte. Nach dem Abkühlen bildete diese harzige Masse einen harten Klumpen, der sich sehr schlecht zerkleinern und aus dem Kolben entfernen liess. Die Mischung wurde in Wasser gelöst und jodometrisch titriert. Die Umwandlung von Methyl-2-ketoglukonat in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure betrug nur 75 O,'o der Theorie.
Beispiel 2
Methyl-2-ketoglukonat (140 g) wurde in 420 g Methanol, das 20 g Wasser (2,2 Mol pro Mol Ester) enthielt, suspendiert und im Verlaufe von 21/2 Stunden bei 500 C in Stickstoffatmosphäre mit 50 g wasserfreiem Natriumkarbonat versetzt. Beim Erhitzen auf Rückflusstemperatur ergab sich keine Neigung zur Verharzung. Die Umwandlung wurde jodometrisch zu 87 /o der Theorie ermittelt.
Beispiel 3
41 g Methyl-2-ketoglukonat wurden in 124 g Äthanol, das 2 ml Wasser enthielt, bei 50O unter Stickstoffatmosphäre dispergiert. Die Mischung wurde im Verlaufe von 3ss4 Stunden mit 21 g wasserfreiem Natriumkarbonat versetzt. Die gesamte Mischung wurde 2 Stunden am Rückfluss gekocht, und die Titration mit Jod ergab eine Umwandlung in das Natriumsalz der D-Ascorbinsäure von 930/0 der theoretisch möglichen.
Man wiederholte das Beispiel 3 in Abwesenheit von zugesetztem Wasser, mit dem Ergebnis, dass die Umwandlung nur 28 ovo betrug.
In der nachfolgenden Tabelle sind die Ergebnisse einer Anzahl Versuche unter Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zusammengestellt. Die Zahlen zeigen, dass ein brauchbarer Bereich des Wassergehaltes pro Mol Ester von 0,9-2,2 liegt und der bevorzugte Bereich zwischen 1,0 und 1,5 Mol Wasser pro Mol Ester liegt.
Tabelle
Beziehung des Verhältnisses von Wasser/Ester zur Harzbildung und Ausbeute in O/o.
Gesamtmole H20 Ausbeute Harzbildung pro Mol Ester in % der Theorie
0,6 ? positiv
0,6 75
0,6 63
0,7 37
0,9 95 negativ
1,0 94
1,4 94
1,8 88,5
2,2 87
2,6 82
3,1 77
3,4 74
Man kann natürlich kleine Abänderungen der Verfahreusbedingungen der Beispiele vornehmen, ohne von dem Prinzip der Erfindung abzuweichen.
Process for the production of D-ascorbic acid
The present invention relates to an improved process for converting the methyl ester of 2-ketogluconic acid to D-ascorbic acid.
The conversion of the methyl ester of 2-ketogluconic acid into D-ascorbic acid is known per se.
US Pat. No. 2,160,621 (1939) describes that methyl 2-ketogluconate can be converted into the sodium salt of D-ascorbic acid. The patentee states that this step can be carried out in the presence of sodium carbonate and water. US Pat. No. 2,179,978 (1939) states that 2-methyl-2-ketogluconate can be converted into the sodium salt of levo-ascorbic acid by reaction with sodium bicarbonate in methanol.
The reaction with which the present invention is concerned can be represented by the following equation:
EMI1.1
With regard to the prior art, it has been found that, if the process of the first-mentioned USA patent is applied to the conversion of methyl 2-ketogluconate into the sodium salt of D-ascorbic acid, yields in the range of 500 / o, based on the Methyl 2-ketogluconate, which is too low for a technical process. These poor yields were attributed to the presence of water, which appeared undesirable for two reasons
1. Water in an alkaline reaction increases the saponification of methyl-2-ketogluconate, and
2. Because water is one of the reaction products, the presence of which favors the reverse reaction and thus reduces the yield.
When the process of the second-named patent was transferred to the conversion of methyl 2-keto gluconate into the sodium salt of D-ascorbic acid, it was found that the reaction proceeds very slowly and gives low yields. It was believed that this was due to the weak alkalinity of the sodium bicarbonate. If this was replaced by the more alkaline sodium carbonate, a resinous mixture was obtained which was very difficult to work up and which required moderate stirring and large quantities
Methanol required. This appeared to be a consequence of the coagulating effect of unreacted sodium carbonate on the oily sodium salt of D-ascorbic acid formed under the reaction conditions.
It has now been found that the addition of a small amount of water to this reaction eliminates resin formation and provides high yields of the desired end product. This discovery is completely surprising and unexpected in view of the generally believed disadvantages due to the presence of water in reactions of this type.
When carrying out the process according to the invention you can, for. B. proceed as follows: Methyl 2-ketogluconate is dispersed in a solvent and so much water is added that about 1 mole of water is present in the mixture per mole of methyl 2-ketogluconate. The mixture is then refluxed with sodium carbonate in an inert atmosphere. It is then acidified and filtered, after which the D-ascorbic acid can be isolated by known methods.
Methyl alcohol is preferably used as the solvent, but it is also possible to work in ethyl alcohol. While the known processes required large amounts of solvent, a further advantage of the present process is that up to about 1.7 parts of solvent per part of methyl 2-ketogluconate can be used, which is much less than in the known procedures. The preferred amount of water required to carry out the process is between 1 and 1.5 moles per mole of methyl ester, the useful range being between 0.9 and 2.2 moles. The sodium carbonate can be used in an amount slightly higher than the theoretically required of about 0.5 moles per mole of the ester. Larger amounts can of course also be used.
One of the customary inert gases can be used to form the inert atmosphere, nitrogen being particularly suitable. Another advantage of the present process is that the carbon dioxide released from the sodium carbonate drives some of the air out of the reaction mixture and maintains an inert atmosphere. The temperature at which the conversion reaction takes place is the reflux temperature. Lower temperatures result in lower yields.
The exact mechanism of the improvement obtained in practicing the present invention is not known. However, it is believed that the resinification and low yields without the addition of water are due to the coagulation of the anhydrous sodium salt of D-ascorbic acid. The addition of water according to the invention brings about the complete formation of the monohydrate of the sodium salt of D-ascorbic acid, which is crystalline and does not coagulate with sodium carbonate.
The invention is illustrated by the following examples:
example 1
Methyl 2-ketogluconate (140 g) was suspended in 240 g of methanol and sufficient water was added so that the mixture contained 0.45 mol of water per mol of ester. The mixture was then reacted with 53 g of anhydrous sodium carbonate at 500 ° C. (under a nitrogen atmosphere). After boiling under reflux for 2 hours, the mixture was acidified, filtered and the solution obtained was titrated iodometrically, which resulted in a 95% conversion into the sodium salt of D-ascorbic acid. The D-ascorbic acid was isolated by known methods.
On the other hand, methyl 2-ketogluconate (140 g) was suspended in 420 g of methanol and treated in portions at 520 ° C. under a nitrogen atmosphere with 54 g of anhydrous sodium carbonate for 21/2 hours. After heating to reflux temperature, the solid phase formed a resinous mass which prevented the remaining sodium carbonate from reacting properly. After cooling, this resinous mass formed a hard lump that was very difficult to break up and remove from the flask. The mixture was dissolved in water and titrated iodometrically. The conversion of methyl 2-ketogluconate into the sodium salt of D-ascorbic acid was only 75.0% of theory.
Example 2
Methyl 2-ketogluconate (140 g) was suspended in 420 g of methanol containing 20 g of water (2.2 mol per mol of ester), and 50 g of anhydrous sodium carbonate were added over the course of 21/2 hours at 500 ° C. in a nitrogen atmosphere . When heated to reflux temperature, there was no tendency to resinify. The conversion was determined iodometrically to be 87% of theory.
Example 3
41 g of methyl 2-ketogluconate were dispersed in 124 g of ethanol which contained 2 ml of water at 50 ° under a nitrogen atmosphere. The mixture was treated with 21 g of anhydrous sodium carbonate in the course of 3ss4 hours. The entire mixture was refluxed for 2 hours and titration with iodine showed a conversion to the sodium salt of D-ascorbic acid of 930/0 of that theoretically possible.
Example 3 was repeated in the absence of added water, with the result that the conversion was only 28 ovo.
The results of a number of tests using the method according to the invention are compiled in the table below. The numbers show that a useful range of water content per mole of ester is 0.9-2.2 and the preferred range is between 1.0 and 1.5 moles of water per mole of ester.
table
Relationship of the ratio of water / ester to resin formation and yield in O / o.
Total moles of H20 yield of resin formation per mole of ester in% of theory
0.6? positive
0.6 75
0.6 63
0.7 37
0.9 95 negative
1.0 94
1.4 94
1.8 88.5
2.2 87
2.6 82
3.1 77
3.4 74
Of course, it is possible to make small changes to the operating conditions of the examples without departing from the principle of the invention.