Verfahren zur Herstellung des Calciumsalzes der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure
Das Calciumsalz der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure, auch Calciumsalz des Methioninhydroxyanalogen (MHA-Ca-Salz) genannt, spielt in der Tierernährung eine bedeutende Rolle. Seine Wirkung bei der Aufzucht von Geflügel ist nach der Literatur mit derjenigen von Methionin zu vergleichen. Schon geringe Beimischung dieses Calciumsalzes zum Futter bewirkt nicht nur ein rascheres Wachstum der Tiere, sondern auch eine bessere Ausnutzung der Nahrung.
Bei einer Diät, die tierische und pflanzliches Eiweiss enthält, kann ersteres durch Zugabe von kleinen Mengen von MHA-Ca-Salz in hohem Masse ersetzt werden.
Die Synthese des Calciumsalzes der a-Oxy-ymethylthio-buttersäure schliesst sich eng an die Herstellung von Methionin an. Für die technische Synthese ist der Weg über Acrolein der gangbarste.
Methylmercaptan wird in bekannter Weise an Acrolein angelagert und der resultierende Methylthiopropionaldehyd mit Cyanwasserstoff umgesetzt. Durch Verseifen des Methylthiopropionaldehydcyanhydrins erhält man die a-Oxy-y-methylthio-buttersäure. Die Verseifung wird üblicherweise mit einer Mineralsäure, vorzugsweise mit Schwefelsäure, durchgeführt. Nach normaler Aufarbeitungsweise wird nach der Reaktion die überschüssige Schwefelsäure mit Calciumhydroxyd oder Calciumcarbonat neutralisiert. Dabei entsteht in grossen Mengen Calciumsulfat, das durch Filtration entfernt werden muss. Verwendet man das Fällungsmittel im Uberschuss, so bildet sich das Calciumsalz, das in der Mutterlauge gelöst zurückbleibt. Man kann das Calciumsalz gewinnen, indem man die wässrige Lösung zur Trockne eindampft oder so weit einengt, dass das Produkt ausfällt.
Beide Verfahren weisen für die Durchführung im technischen Massstab Nachteile auf. Im ersten Fall entstehen sehr grosse Mengen Calciumsulfat, wodurch das Eindampfen zur Trockne im Hinblick auf die Eindampfapparatur erschwert wird. Beim Ausfällen des Ca Salzes aus der Mutterlauge wird durch den Niederschlag viel Wasser mitgerissen, so dass bei der Filtration Schwierigkeiten entstehen. Zudem muss man das Calciumcarbonat oder Calciumhydroxyd im Über- schuss anwenden, um einen restlosen Umsatz zu gewährleisten.
Dabei können Einschlüsse des Ca-Salzes im ausgefällten Calciumsulfat auftreten, was die Aus beute an gewünschtem Produkt verringert. tÇblicher- weise arbeitet man auch bei erhöhten Temperaturen, wobei bei einem Überschuss an Fällungsmittel im alkalischen Milieu durch Nebenreaktionen wiederum Verluste in Kauf genommen werden müssen. Man hat deshalb schon vorgeschlagen, die Verseifung in sehr konzentrierter Säure vorerst nur bis zur Amidstufe auszuführen und durch Verdünnen der ReaktionsIösung das entstehende a-Oxy-y-methylthio- buttersäureamid ausfallen zu lassen. Die Isolierung gelingt auf diese Art jedoch nicht quantitativ, so dass der Rest des Produktes aus der verdünnten Mutterlauge durch umständliches Verfahren gewonnen werden muss.
Es ist schon vorgeschlagen worden, die Reaktionslösung nach der Verseifung mit Diäthyläther zu extrahieren. Nach der Extraktion wird das Lösung mittel verdampft und die freie a-Oxy-y-methylthio- buttersäure isoliert. Die Leichtflüchtigkeit dieses Extraktionsmittels verunmöglicht aber die Durchführung dieses Verfahrens in technischem Massstab.
Andere organische Extraktionsmittel sind kaum brauchbar.
Es wurde nun ein Verfahren gefunden, welches auf der Basis einer Extraktion beruht, das wirtschaftlich gestaltet werden kann und auch alle Schwierig keiten, die sich bei Ausfällen mit einem Calciumsalz nach der üblichen Aufarbeitungsart ergeben, vermeiden lässt. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Gewinnung des Calciumsalzes der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure aus saurer Lösung der a-Oxy-ymethylthio-buttersäure ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Säure mit einem höher als Diäthyläther siedenden Äther extrahiert und durch Neutralisation mit in Wasser aufgeschlämmtem Calciumcarbonat oder Calciumhydroxyd in das Calciumsalz überführt.
Allerdings ist der Extraktionseffekt dabei nicht sehr gross, da man im Minimum sechsmal mehr Extraktionsmittel als Verseifungslösung benötigt. Man erhält deshalb nur Extrakte, die eine sehr geringe Konzentration aufweisen, so dass das Eindampfen im technischen Massstab bereits unwirtschaftlich wird.
Man geht deshalb vorzugsweise folgendermassen vor: Man verseift das Methylthiopropionaldehydcyanhydrin in 10-250/oiger Schwefelsäure während 8 bis 15 Stunden am Rückfluss. Die Reaktionslösung wird darauf mit einem höher siedenden Äther, z. B. Isopropyläther, erschöpfend extrahiert. Der Extrakt, der 2-5 lo der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure enthält, wird darauf mit 3-100/0 seines Volumens mit Wasser versetzt und in einem Rührgefäss mit einem schnelllaufenden Rührer so durchmischt, dass eine feine Emulsion entsteht. Man fügt nun portionenweise die genau der vorliegenden Oxysäure entsprechende Menge Calciumcarbonat oder Calciumhydroxyd zu.
Die Calciumverbindung wird vorher in der nötigen Menge Wasser aufgeschlämmt werden. Dabei bildet sich ein äusserst gut kristallisierter, aus dem Calciumsalz der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure bestehender Niederschlag. Das Ende des Umsatzes, das ungefähr nach 1-2 Stunden erreicht ist, kann durch pH Messung leicht kontrolliert werden. Der Niederschlag wird nun über ein Druckfilter abgetrennt. Das dem Extraktionsmittel zugegebene Wasser wird zum Teil vom Niederschlag adsorbiert. Der Rest scheidet sich im Filtrat vom Äther ab. Der Äther wird abgetrennt und kann ohne vorherige Destillation oder Reinigung wieder zur Extraktion verwendet werden.
Das abgeschiedene Wasser, das noch geringe Mengen des Ca-Salzes enthält, kann zur Zubereitung von frischer Calciumcarbonat- resp. Calciumhydroxydemulsion verwendet werden, so dass auch in diesem Teil des Verfahrens keine Verluste auftreten können.
Die Mutterlauge der Verseifung, die aus der eingesetzten Schwefelsäure und bei der Reaktion entstandenen Nebenprodukten besteht, wird bei erhöhter Temperatur mit Aktivkohle behandelt. Dabei können praktisch alle Verunreinigungen aus der Schwefelsäure entfernt werden, so dass diese wieder in den Prozess zurückgeführt werden kann.
Das Ca-Salz der a-Oxy-y-methylthio-buttersäure wird aus dem Druckfilter entfernt und anschliessend getrocknet. Da die Extraktionsmittel, z. B. die höher siedenden Äther, für die a-Oxy-y-methylthio-buttersäure selektiv sind, erhält man ein Ca-Salz von grösster Reinheit. Verwendet man bei der Reaktion Calciumcarbonat, so entsteht Kohlendioxyd, das für weitere Synthesen verwendet werden kann. Als höher siedende Ather sind vor allem Isopropyläther oder Butyläther geeignet. Der technische Fortschritt des Verfahrens ist augenfällig. So kann man die Isolierung kontinuierlich gestalten, was für einen Prozess in technischem Massstab sehr wichtig ist. Das entstehende Ca-Salz ist rein, weist also keine Verunreinigungen von Calciumsulfat auf, wie es bei dem Verfahren durch Ausfällen der Schwefelsäure in Form von Calciumsulfat der Fall ist.
Zudem geht die bei der Verseifung verwendete Schwefelsäure nicht in Form von Calciumsulfat verloren, und ebenso wird nur so viel Calciumcarbonat oder Calciumhydroxyd gebraucht, als zur Neutralisation der Oxysäure nötig ist. Das Extraktionsmittel muss nach der Extraktion nicht durch Destillation aufgearbeitet werden, sondern kann ohne jegliche Regeneration wieder eingesetzt werden. Ein grosser Vorteil liegt in der Verwendung von Isopropyläther darin, dass dieses das Calciumsalz der a-Oxy-o-methylthio- buttersäure äusserst selektiv aufnimmt. Das auf diese Weise ausgefällte Ca-Salz lässt sich sehr leicht filtrieren und kann in Ausbeuten von über 900/0 gewonnen werden.
Der gleiche Effekt lässt sich auch mit andern höher siedenden Äthern, wie z. B. n-Propyläther, erzielen.
Beispiel
Im Verseifungsgefäss 1, welches zu 3/4 gefüllt und mit einem Rückflusskühler versehen ist, werden 535 Gewichtsteile 200/ & iger Schwefelsäure und 65,5 Gewichtsteile a-Oxy-y-methylthio-buttersäurenitril am Sieden gehalten. Die Verweilzeit beträgt dabei 10 Stunden, so dass also stündlich einerseits 53,5 Gewichtsteile Schwefelsäure und 6,55 Gewichtsteile des Nitrils zugeführt und anderseits die entsprechende Menge des Reaktionsproduktes über den Kühler 3 in die Extraktionskolonne 4 abgeführt werden müssen. Die Extraktion wird mit Isopropyläther durchgeführt, indem davon stündlich 211,5 Gewichtsteile seitlich durch Leitung 4a in die Kolonne zugegeben werden.
Die extrahierte Schwefelsäure, deren Menge 53,5 Gewichtsteilen entspricht, wird unten abgezogen, mit Hilfe der Heizung 11 auf 900 erwärmt und über den Aktivkohle-Filter 12 wieder in das Verseifungsgefäss 1 gepumpt. Der Isopropyl äther mit der extrahierten a-Oxy-y-methylthiobuttersäure wird am Kopf der Kolonne entnommen und in das Fällungsgefäss 5 geführt. Dieses ist zu 3/gefüllt und enthält 2313 Gewichtsteile Reaktionsprodukt. Es ist mit einem sehr wirksamen Rührer und einem Rückflusskühler 6 versehen. Gleichzeitig wird aus dem Rührgefäss 7 mit Hilfe der Pumpe 8 stündlich eine Aufschlämmung von 2,35 Gewichtsteilen Calciumcarbonat in 10 Gewichtsteilen Wasser dem Gefäss 5 zugegeben. Dabei setzt sich die Oxysäure zum a-Oxy-methylthio-buttersäure-Calcium salz um, das als feiner Niederschlag ausfällt.
Die sich dabei bildende Kohlensäure wird über den Kühler 6 abgeführt. Um die StoHbilanz im Fällungsgefäss 5 einzuhalten, werden stündlich 229,5 Gewichtsteile des Reaktionsgemisches über das Druckfilter 9a abgeführt. Das ausgefallene Calciumsalz wird im Filter, dessen Grösse so bemessen ist, dass es eine Produktion von 10 Stunden aufnehmen kann, abgetrennt.
Sobald es voll ist, wird auf das Filter 9b umgeschaltet. Auf diese Weise können nach 10 Stunden 77,7 Gewichtsteile des Calciumsalzes der a-Oxy-ymethylthio-buttersäure isoliert werden, die 30 Gewichtsteile Wasser enthalten. Man trocknet im Vakuum und erhält das Calciumsalz des Methioninhydroxy-analogens in einer Ausbeute von 92 0/
Im Absetzgefäss 10, das für einen Inhalt von 1500 Volumteilen berechnet ist, wird das Filtrat gesammelt, wobei sich der Äther und der Rest des zugegebenen Wassers scheidet. Der Isopropyläther wird nun dermassen abgeführt, dass stündlich 211,5 Gewichtsteile der Extraktionskolonne 4 zugegeben werden können.
Das abgeschiedene Wasser, das noch einen Spiegel von 0,5 Gewichtsteilen Calciumsalz aufweist, wird wieder in das Rührgefäss 7 gepumpt, wo die stündlich benötigte Menge von 2,35 Gewichtsteilen Calciumcarbonat und 3 Gewichtsteilen Wasser zugemischt wird.
Process for the preparation of the calcium salt of a-oxy-y-methylthio-butyric acid
The calcium salt of a-oxy-y-methylthio-butyric acid, also known as the calcium salt of methionine hydroxy analog (MHA-Ca salt), plays an important role in animal nutrition. According to the literature, its effect in the rearing of poultry can be compared with that of methionine. Even a small addition of this calcium salt to the feed not only results in faster growth of the animals, but also a better utilization of the food.
In a diet that contains animal and vegetable protein, the former can be largely replaced by adding small amounts of MHA-Ca salt.
The synthesis of the calcium salt of a-oxy-ymethylthio-butyric acid is closely related to the production of methionine. For technical synthesis, the route via acrolein is the most viable.
Methyl mercaptan is added to acrolein in a known manner and the resulting methylthiopropionaldehyde is reacted with hydrogen cyanide. By saponifying the methylthiopropionaldehyde cyanohydrin, a-oxy-y-methylthio-butyric acid is obtained. The saponification is usually carried out with a mineral acid, preferably with sulfuric acid. After the normal work-up procedure, the excess sulfuric acid is neutralized with calcium hydroxide or calcium carbonate after the reaction. This produces large quantities of calcium sulfate, which must be removed by filtration. If the precipitant is used in excess, the calcium salt is formed, which remains dissolved in the mother liquor. The calcium salt can be obtained by evaporating the aqueous solution to dryness or concentrating it to such an extent that the product precipitates.
Both processes have disadvantages for implementation on an industrial scale. In the first case, very large amounts of calcium sulphate are produced, which makes evaporation to dryness difficult with regard to the evaporation apparatus. When the Ca salt precipitates out of the mother liquor, a lot of water is carried away by the precipitate, so that difficulties arise during the filtration. In addition, the calcium carbonate or calcium hydroxide must be used in excess to ensure complete conversion.
Inclusions of the Ca salt in the precipitated calcium sulfate can occur, which reduces the yield of the desired product. Usually one also works at elevated temperatures, and in the case of an excess of precipitant in an alkaline medium, losses have to be accepted due to secondary reactions. It has therefore already been proposed to carry out the saponification in very concentrated acid initially only up to the amide stage and to allow the α-oxy-γ-methylthio-butyric acid amide to precipitate by diluting the reaction solution. The isolation does not succeed quantitatively in this way, so that the remainder of the product has to be obtained from the dilute mother liquor by a complicated process.
It has already been proposed to extract the reaction solution with diethyl ether after the saponification. After the extraction, the solution is evaporated and the free a-oxy-y-methylthio-butyric acid is isolated. However, the high volatility of this extractant makes it impossible to carry out this process on an industrial scale.
Other organic extractants are hardly usable.
A process has now been found which is based on an extraction, which can be designed economically and also all the difficulties that arise in the case of precipitations with a calcium salt according to the usual work-up method, can be avoided. The inventive method for obtaining the calcium salt of a-oxy-y-methylthio-butyric acid from acidic solution of a-oxy-ymethylthio-butyric acid is characterized in that the acid is extracted with an ether boiling higher than diethyl ether and neutralized with in water Slurried calcium carbonate or calcium hydroxide converted into the calcium salt.
However, the extraction effect is not very great, since a minimum of six times more extraction agent is required than the saponification solution. Therefore, only extracts are obtained which have a very low concentration, so that evaporation is already uneconomical on an industrial scale.
The procedure is therefore preferably as follows: The methylthiopropionaldehyde cyanohydrin is saponified in 10-250% sulfuric acid for 8 to 15 hours under reflux. The reaction solution is then treated with a higher boiling ether, e.g. B. isopropyl ether, exhaustively extracted. The extract, which contains 2-5 lo of a-oxy-y-methylthio-butyric acid, is then mixed with 3-100 / 0 of its volume with water and mixed in a mixing vessel with a high-speed stirrer so that a fine emulsion is formed. The exact amount of calcium carbonate or calcium hydroxide that corresponds to the oxyacid present is then added in portions.
The calcium compound has to be suspended in the necessary amount of water beforehand. An extremely well crystallized precipitate consisting of the calcium salt of a-oxy-y-methylthio-butyric acid is formed. The end of the conversion, which is reached after approximately 1-2 hours, can easily be checked by measuring the pH. The precipitate is then separated off using a pressure filter. The water added to the extractant is partly adsorbed by the precipitate. The rest separates from the ether in the filtrate. The ether is separated and can be used again for extraction without prior distillation or purification.
The separated water, which still contains small amounts of the Ca salt, can be used to prepare fresh calcium carbonate, respectively. Calcium hydroxide emulsion can be used, so that no losses can occur in this part of the process either.
The saponification mother liquor, which consists of the sulfuric acid used and the by-products formed during the reaction, is treated with activated carbon at an elevated temperature. Practically all impurities can be removed from the sulfuric acid so that it can be fed back into the process.
The Ca salt of a-oxy-y-methylthio-butyric acid is removed from the pressure filter and then dried. Since the extractants, e.g. B. the higher boiling ethers, for which a-oxy-y-methylthio-butyric acid are selective, one obtains a Ca salt of the highest purity. If calcium carbonate is used in the reaction, carbon dioxide is produced, which can be used for further syntheses. Isopropyl ether or butyl ether are particularly suitable as higher-boiling ethers. The technical progress of the process is obvious. So you can design the insulation continuously, which is very important for a process on a technical scale. The resulting Ca salt is pure, so it does not contain any calcium sulphate impurities, as is the case in the process by precipitating the sulfuric acid in the form of calcium sulphate.
In addition, the sulfuric acid used in the saponification is not lost in the form of calcium sulfate, and likewise only as much calcium carbonate or calcium hydroxide is used as is necessary to neutralize the oxyacid. The extraction agent does not have to be worked up by distillation after the extraction, but can be used again without any regeneration. A major advantage of using isopropyl ether is that it takes up the calcium salt of α-oxy-o-methylthio-butyric acid extremely selectively. The Ca salt precipitated in this way can be filtered very easily and can be obtained in yields of over 900/0.
The same effect can also be found with other higher-boiling ethers, such as B. n-propyl ether achieve.
example
In the saponification vessel 1, which is 3/4 full and provided with a reflux condenser, 535 parts by weight of 200% sulfuric acid and 65.5 parts by weight of α-oxy-γ-methylthio-butyric acid nitrile are kept at the boil. The residence time is 10 hours, so that on the one hand 53.5 parts by weight of sulfuric acid and 6.55 parts by weight of the nitrile have to be added every hour and on the other hand the corresponding amount of the reaction product has to be removed via the cooler 3 into the extraction column 4. The extraction is carried out with isopropyl ether by adding 211.5 parts by weight of it every hour from the side through line 4a into the column.
The extracted sulfuric acid, the amount of which corresponds to 53.5 parts by weight, is drawn off at the bottom, heated to 900 with the aid of the heater 11 and pumped back into the saponification vessel 1 via the activated carbon filter 12. The isopropyl ether with the extracted α-oxy-γ-methylthiobutyric acid is removed from the top of the column and fed into the precipitation vessel 5. This is 3 / full and contains 2313 parts by weight of reaction product. It is provided with a very efficient stirrer and a reflux condenser 6. At the same time, a slurry of 2.35 parts by weight of calcium carbonate in 10 parts by weight of water is added to the vessel 5 from the stirred vessel 7 with the aid of the pump 8 every hour. The oxyacid is converted into a-oxy-methylthio-butyric acid calcium salt, which is a fine precipitate.
The carbon dioxide that forms in the process is discharged via the cooler 6. In order to maintain the material balance in the precipitation vessel 5, 229.5 parts by weight of the reaction mixture per hour are removed via the pressure filter 9a. The precipitated calcium salt is separated off in the filter, the size of which is such that it can take up production for 10 hours.
As soon as it is full, a switch is made to filter 9b. In this way, after 10 hours, 77.7 parts by weight of the calcium salt of α-oxy-methylthio-butyric acid, which contain 30 parts by weight of water, can be isolated. It is dried in vacuo and the calcium salt of the methionine hydroxy analogue is obtained in a yield of 92%
The filtrate is collected in the sedimentation vessel 10, which is calculated for a content of 1500 parts by volume, whereby the ether and the rest of the added water separate. The isopropyl ether is now removed in such a way that 211.5 parts by weight of the extraction column 4 can be added every hour.
The separated water, which still has a level of 0.5 parts by weight of calcium salt, is pumped back into the stirred vessel 7, where the hourly required amount of 2.35 parts by weight of calcium carbonate and 3 parts by weight of water is added.