Verfahren zur Herstellung von kristallinem Natriumisoascorbatmonohydrat
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Natriumisoascorbatmonohydrat von hoher Reinheit in grosser Ausbeute.
Isoascorbinsäure und Natriumisoascorbat sind wie ihre bessere bekannten Analogen, Ascorbinsäure und Natriumascorbat, Reduktionsmittel, die besonders in der Nahrungsmittelindustrie in weitem Umfang angewendet werden. Beispielsweise kann Isoascorbinsäure oder Natriumisoascorbat als Antioxydationsmittel in Fetten und blen, zur Behandlung von Mehl, als Teigkonditioniermittel beim Brotbacken und zur Verbesserung der physikalischen Erscheinung des Brotes, als Stabilisator für Bier und Ale, zur Konservierung natürlicher Aromas in Milch- produkten und zum Verhindern des Bräunens und der Entwicklung eines Beigeschmackes bei gefrorenen Nahrungsmitteln verwendet werden. Sie sind auch verwendbar, um in frischen Fleischprodukten die leuchtend rote Farbe aufrechtzuerhalten.
Im Un terschied zu Ascorbinsäure besitzt Isoascorbinsäure jedoch sehr wenig Antiscorbutwirksamkeit, obgleich sie in Verbindung mit Ascorbinsäure verwendet werden kann, um eine einsparende Wirkung zu erzielen, wenn die Ascorbinsäure als Vitamin C verstärkendes Mittel in Nahrungsmitteln verwendet wird. Anwendungen von Isoascorbinsäure und Natriumisoascorbat, die nicht die Nahrungsmittelindustrie betreffen, liegen in der Farbphotographie und in photographischen Entwicklerlösungen.
In der Literatur und in Patenten sind zahlreiche Methoden zur Herstellung von Isoascorbinsäure und Natriumisoascorbat berichtet worden. Diese Verfahren verwenden verschiedene Techniken, um die Enolisierung verschiedener Derivate der 2-Keto D-gluconsäure zu erreichen. Zum Beispiel erhielten Heimann und Reiff, Zentralhalle 93,97-99 (1954) eine Ausbeute von 63 % Isoascorbinsäure, indem sie eine äquivalente Menge Natrium zu einer Lösung von Methyl-2-keto-D-gluconat in Methanol unter Verwendung einer Stickstoffatmosphäre zugaben.
Dieses Gemisch wurde angesäuert und eingeengt, um die Säure zu erhalten. Pasternack und Regna, USA-Patent Nr. 2165151 (1939), stellten Isoascorbinsäure in Ausbeuten von 45% her, indem sie Methyl-2-keto-D-gluconat mit Eisenfeilspänen oder gepulvertem Mangan, Nickel, Kobalt, Cadmium oder Zink behandelten. Ohle, Erlbach und Carls, Ber. 67B, 324 (1934), stellten das gelbe wasserfreie Natriumisoascorbat in einer Ausbeute von 73,5 % her, indem sie das Methyl-2-keto-D-gluconat mit Natrium in Methanol behandelten. Sie erhielten auch 70 % Ausbeute an rohem Natriumisoascorbat, indem sie Methyl-2-keto-D-gluconat mit wässerigem Natriumbicarbonat behandelten.
Ettel, USA-Patent Nummer 2590163 (1952), enolisierte Methyl-2-keto-Dgluconat mit einer Suspension von Natriumzinkat [Zn (ONa) OH] in Methanol. Das Zink wurde in Form des Sulfates oder Sulfides entfernt, und das entstehende Filtrat im Vakuum eingeengt, um die freie Säure in Ausbeuten von 75-78 % zu erhalten.
Regna und Caldwell, J. Am. Chem. Soc. 66,246 (1944) zeigten, dass mit Salzsäure als Enolisierungsmittel keine zufriedenstellenden Umwandlungen von 2-Keto-D-gluconsäure in Isoascorbinsäure erzielt werden können. Die Reinigung der obigen Produkte, um ein verkäufliches Material zu erhalten, das für die Verwendung in Nahrungsmitteln geeignet ist, ist zeitraubend und verursacht Ausbeuteverluste.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren geschaffen, wonach kristallines Natriumisoascorbatmonohydrat von hoher Reinheit in grosser Ausbeute hergestellt werden kann, ohne seine Zuflucht zur Umkristalli sation der Zwischenprodukte oder des Produktes nehmen zu müssen.
Daher betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von kristallinem Natriumisoascorbatmonohydrat.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Kristallisation von Natriumisoascorbatmonohydrat von hoher Reinheit.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von kristallinem Natriumisoascorbatmonohydrat mit hoher Reinheit in grosser Ausbeute ohne Umkristallisation.
Weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden.
Wie oben erwähnt, werden Isoascorbinsäure und Natriumisoascorbat hauptsächlich als Zusätze zu und bei der Behandlung von Nahrungsmitteln und anderen essbaren Materialien verwendet. Daher ist es wesentlich, dass das Produkt rein ist. Im allgemeinen ist es erwunscht"dass ein für die Verwendung in Nahrungsmitteln verkauftes Produkt eine schöne weisse Farbe besitzt. Unglücklicherweise hat wasserfreies Natriumisoascorbat eine ausgeprägte Neigung, an der Luft gelb zu werden. Jedoch ist ein Natriumisoascorbatmonohydrat von guter Qualität weiss und bleibt während längerer Zeiträume weiss. Daher ist das Monohydrat von Natriumisoascorbat das Produkt, das kommerziell verkauft wird.
In erster Linie betrifft die vorliegende Verbindung die Isolierung eines kristallinen Natriumisoascorbatmonohydratproduktes von hoher Reinheit. Bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens wird eine Methanollösung von wasserfreiem Natriumisoascorbat, vorzugsweise heiss, mit einer wässerigen Lösung einer organischen Säure, die in Methanol löslich und schwächer als Isoascorbinsäure ist, behandelt. Das Gemisch wird mit reinen Natriumisoascorbatmonohydrat-Kristallen angeimpft, und ein reines kristallines Natriumisoascorbatmonohydrat-Produkt scheidet sich ab und wird durch Filtration oder Zentrifugieren gesammelt. Die be vorzugte Säure ist Essigsäure, die sowohl löslich in Methanol als auch schwächer als Isoascorbinsäure ist.
Andere organische Säuren, welche diese beiden Bedingungen erfüllen und im erfindungsgemässen Verfahren verwendet werden können, umfassen Pro pionsäure, Acrylsäure und Trimethylessigsäure. Die verwendete Menge Säure hängt im allgemeinen von der Menge an wasserfreiem Natriumisoascorbat in der Lösung, die behandelt wird, ab. Es wird genug organische Säure zugesetzt, dass zwischen etwa 0,5 und etwa 4 Gew. % der organischen Säure, bezogen auf das Natriumisoascorbat, vorzugsweise etwa 2,5-3,5 Gew. %, vorhanden sind. Obgleich höhere Mengen verwendet werden können, wurde gefunden, dal3 die Verwendung von grösseren Mengen Säure die Menge des Natriumisoascorbatmonohydrats, das nach der Entfernung des festen Produktes in der Mutterlauge zurückbleibt, erhöht.
Die in der wässerigen organischen Säurelösung verwendete Menge Wasser ist derart, dass mindestens 1 Mol Wasser auf jedes Mol wasserfreies Natriumisoascorbat, das in der Methanollösung, die behandelt wird, vorhanden ist, zugegen ist. Dieses Wasser soll natürlich das Hydratwasser im Natriumisoascorbat-Erzeugnis liefern. Im allgemeinen können zwischen etwa 1, 3 und 2,5 Mol Wasser pro Mol wasserfreiem Natriumisoascorbat verwendet werden. Die besten Ergebnisse werden erhalten, wenn etwa 2 Mol Wasser pro Mol wasserfreies Natriumisoascorbat verwendet werden. Obgleich auch grössere Mengen Wasser verwendet werden können, werden diese grösseren Mengen nicht bevorzugt, da sie eine schäd- liche Wirkung auf die Ausbeute an kristallinem Natriumisoascorbatmonohydrat-Erzeugnis haben.
Vorzugsweise wird die geeignete Menge einer wässerigen Säurelösung, die etwa 10 Gew. % Essigsäure enthält, verwendet.
Es wurde gefunden, dass es notwendig ist, die Lösung, aus der das Natriumisoascorbatmonohydrat kristallisiert wird, anzuimpfen, um das beste Produkt zu erhalten. Wenn nicht angeimpft wird, ist das erzeugte Natriumisoascorbatmonohydrat weiss, jedoch sehr fein und pulverig. Das bevorzugte Verfahren ist, die Lösung während des Verlaufs der Zugabe des wässerigen sauren Gemisches zu dem Zeitpunkt anzuimpfen, wenn das Gemisch bezüglich des Natriumisoascorbatmonohydrats gesättigt wird. Wäh- rend der Zugabe der wässerigen sauren Mischung löst sich eine kleine Menge wasserfreies Material, und bald nach diesem Punkt ist es vorteilhaft anzuimpfen. Dieses Stadium der Zugabe kann visuell beobachtet und die Sättigung bestätigt werden, indem kleine Mengen Impfkristalle zugegeben werden, bis sie sich nicht mehr auflösen.
Zugabe der Impfkristalle, bevor Sättigung mit Natriumisoascorbatmonohydrat erreicht ist, führt zur Auflösung der Impfkristalle. Zugabe von Impfkristallen, nachdem eine merkliche Menge der feinen pulverförmigen Kristalle sich auszuscheiden beginnen, ist weniger wirksam und führt zu einem Produkt von nicht gleichmässigen Eigenschaften. Vorzugsweise werden etwa 3 bis etwa 10 Gew. % Natriumisoascorbat monohydrat-Impulskristalle, bezogen auf die Menge Natriumisoascorbatmonohydrat, die kristallisiert werden soll, zugegeben, obgleich zwecks Anpassung an die Auflösung, wenn sie vor der Sättigung zugegeben wird, auch eine grössere Menge zugegeben werden kann.
Es ist auch vorteilhaft, bei der Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens einen Teil des Methanols aus der endgültigen Aufschlemmung des Produktes in Methanol abzudestillieren. Dieses Verfahren verbessert die Ausbeute des gewonnenen kristallinen Produktes.
Es werden verschiedene Verfahren verwendet, um die Qualität des kristallinen Natriumisoascorbatmonohydratproduktes, das erzeugt wird, abzuschätzen. Eine primäre Abschätzung der Qualität ist die Messung der Prozent-Durchlässigkeit von 8 % igen wässerigen Lösungen im gelben Bereich, nämlich 475 bis 600 m, u, unter Verwendung eines geeigneten Instrumentes, wie beispielsweise eines Beckmann Spektrophotometers B. Hohe Durchlässigkeitswerte zeigen die Abwesenheit von gelber Farbe oder Trübung. Titrationen mit eingestellter Jodlösung ergeben die Reinheit des Natriumisoascorbatmonohydrats.
Auch der pH-Wert der 8% igen wässerigen Lösung wird bestimmt. Ein nahezu neutraler pH-Wert zeigt an, dass das Natriummethylat, das zur t7berführung des Esters in das Natriumisoascorbat verwendet wurde, vollständig neutralisiert ist.
Im oben beschriebenen Kristallisationsprozess wird vorzugsweise eine Methanollösung von Natriumisoascorbat verwendet, die aus einer Methanollösung von Methyl-2-keto-D-gluconat von guter Qualität, wie nachstehend beschrieben, erhalten wurde.
Wie schon früher bemerkt, sind die gebräuch- lichen Verfahren zur Reinigung von Natriumisoascorbat sehr zeitraubend. Sie umfassen wiederholte Umkristallisation, und es treten Ausbeuteverluste auf. Es wurde jedoch gefunden, dass Natriumisoascorbat in hoher Ausbeute und Reinheit ohne Zuhilfenahme irgendeiner Umkristallisation erfindungsgemäss erhalten werden kann. Rohes Methyl-2-keto D-gluconat wird fast quantitativ (etwa 95 % und höher) durch Zugabe der theoretischen Menge oder etwas weniger Natriummethylat zu Methanollösun- gen des erwähnten Gluconats in Natriumisoascorbat übergeführt. Das rohe Methyl-2-keto-D-gluconat kann mittels beliebiger bekannter Verfahren hergestellt werden. Ein bevorzugtes Verfahren wird jedoch in der USA-Patentschrift Nr. 3 016 395 beschrieben.
Es wurde gefunden, dass der Methylester in Lösung vorliegen muss, um hohe Ausbeuten zu erzielen. Das durch die Zugabe von Natriummethylat zu einem Brei des Methylesters in Methanol (5 cm3 pro g) erhaltene Produkt ist im allgemeinen gelb und klumpig. Um 1 g Methylester bei der vorzugsweise verwendeten Temperatur zu lösen, sind etwa 24 cm3 Methanol erforderlich. Obgleich niedrigere Temperaturen und höhere Mengen Methanol verwendet werden können, verläuft unter diesen Bedingungen das Verfahren nicht so günstig.
Es wird eine Lösung von rohem Methyl-2-keto- D-gluconat, vorzugsweise heiss, der Behandlung mit entfärbender Kohle unterworfen, um organische und anorganische Farbkörper zu entfernen. Man lässt die Kohle mit der Lösung während eines Zeitraumes von etwa 15 Minuten in Berührung, wonach die Mischung durch Filtration, vorzugsweise in Gegenwart einer Filterhilfe, geklärt wird. Es wurde gefunden, dass man bei der Auswahl der Kohle und Filterhilfe vorsichtig vorgehen muss, um Materialien zu verwenden, die einen niederen Schwermetallgehalt haben. Andernfalls neigen diese Metalle dazu, im geklärten Filtrat zurückgehalten zu werden, und füh- ren dazu, dass das erzeugte Natriumisoascorbat eine gelbe Farbe besitzt.
Diese gelbe Farbe zeigt sich im Natriumisoascorbatmonohydratenprodukt, das mittels des vorstehend beschriebenen Kristallisationsverfahrens hergestellt wird. Eine bevorzugte Kohle wird unter dem Handelsnamen Nuchar C-A durch die West Virginia Pulp and Paper Company verkauft. Eine bevorzugte Filterhilfe wird unter dem Handelsnamen Celite 521 durch die Johns-Manville Corporation verkauft. Überraschenderweise war das Natriumisoascorbatmonohydrat-Endprodukt, das aus einem rohen Methylester hergestellt wurde, nahezu so rein und weiss wie ein Produkt, das unter Verwendung von durch Umkristallisation gereinigtem Methylester hergestellt wurde.
Bei der Ausführung des Verfahrens wird die gereinigte Lösung von Methyl-2-keto-D-gluconat in Methanol vorzugsweise unter Rückfluss oder fast unter Rückfluss erhitzt, und Natriummethylat wird langsam unter Mischen zugesetzt. Die verwendete Menge Natriummethylat sollte die theoretisch oder stöchiometrisch für die Umwandlung in Natriumisoascorbat erforderliche Menge nicht übersteigen, und vorzugsweise wird etwas weniger als die theoretische Menge zugegeben. Da der Methylester in einer Methanollösung vorliegt, kann auch die theoretische Menge Natrium, die im Reaktionsmedium in Natriummethylat umgewandelt wird, zugegeben werden, obgleich dies ein weniger bevorzugtes Verfahren ist.
Bei der Herstellung des Natriummethylats sollte Sorge getragen werden, dass ein Natriummetall, das frei von Verunreinigungen ist, verwendet wird. Daher wird trocken verpacktes Natrium dem Natrium vorgezogen, das unter Olen oder anderen inerten Kohlenwasserstoffen gelagert worden ist. Die Reaktion des Methylesters mit dem Natriummethylat findet während der Zugabe des letzteren statt, im allgemeinen während eines Zeitraumes von etwa 15 Minuten.
Bei der Überführung von Methyl-2-keto-D-gluconat in Natriumisoascorbat durch Umsetzung mit Natriummethylat ist es das gewöhnliche Verfahren, das Reaktionsmedium mit Stickstoff abzuschirmen.
Es wurde gefunden, dass die Verwendung von Stickstoff nicht erforderlich ist. Das ohne Verwendung von Stickstoff hergestellte Material hatte ungefähr die gleiche Farbe und Reinheit wie das unter Verwendung von Stickstoff hergestellte Produkt.
Nachdem das Natriummethylat mit dem Methylester unter Bildung von wasserfreiem Natriumisoascorbat in Methanol reagiert hat, wird die Kristallisation des Natriumisoascorbatmonohydrats in der vorstehend beschriebenen Weise ausgeführt, und das erhaltene Produkt ist von hoher Reinheit und liegt in weisser kristalliner Form vor. Demgemäss wird ausgehend von rohem Methyl-2-keto-D-gluconat- Material ein verkäufliches Produkt in hoher Ausbeute erzeugt, ohne dal3 man seine Zuflucht zu irgendwelchen Umkristallisationsschritten nehmen muss.
Beispiel I
Dieses Beispiel erläutert die Herstellung eines reinen kristallinen Natriumisoascorbatmonohydrat Produktes ausgehend von einem rohen Methyl-2keto-D-gluconat, das durch Umsetzung von rohem Kalzium-2-keto-D-gluconattrihydrat mit wasserfreiem Chlorwasserstoff in Methanol hergestellt wurde.
Das in diesem Beispiel verwendete Natriummethylat wurde durch Zugabe von 500 cm3 Methanol (destilliert über Natrium) zu 20 g trocken verpacktem Natrium (Dupont) in einem Kolben, der mit einem Kondensator und einem Trockenrohr versehen war, hergestellt. Eine kleine Menge Natriumcarbonat wurde durch Filtration der Lösung entfernt. Normale Salzsäure wurde verwendet, um die Natriummethylatlösung einzustellen (1,681 normal).
21 g rohes Methyl-2-keto-D-gluconat wurden in 500 cm3 am Rückfluss kochenden Methanol (destilliert) gelöst. 2/10 g Entfärbungskohle (Nuchar C-A) wurden zugegeben und dann durch Filtration unter Verwendung eines gesinterten Glastrichters, der mit einer dünnen Schicht Filterhilfe (Celite 521) überzogen war, entfernt. 30 cm3 destilliertes Methanol wurde verwendet, um den Filterkuchen zu waschen. Das wasserhelle Filtrat wurde unter Rüh- ren in einem Kolben, der mit einem Trockenrohr versehen war, am Rückfluss gekocht. 58 cm3 der Natriummethylatlösung, die wie oben beschrieben hergestellt worden war, wurden tropfenweise aus einem Tropftrichter während eines Zeitraumes von etwa 15 Minuten zugegeben.
Als die letzten wenigen Kubikzentimeter Natriummethylat zugegeben wurden, begann eine kleine Menge wasserfreies Natriumisoascorbat zu kristallisieren. Der Trichter wurde mit 10 cm3 Methanol gewaschen, wonach tropfenweise eine wässerige saure Lösung, die 4 cm3 Wasser, 0,5 cm3 Eisessig und 10 cm3 Methanol enthielt, zugesetzt wurde. Die 10 cm3 Methanol wurden nur zum Zwecke der Erhöhung des sonst kleinen Volumens der wässerigen sauren Lösung zugesetzt. Normalerweise sollte kein Methanol zugesetzt werden, ausser vielleicht zum Waschen in der zugesetzten wässerigen sauren Lösung. Das ausgefällte Material löste sich während der Zugabe der sauren Lösung auf.
An dieser Stelle wurde das Kochen am Rückfluss augenblicklich unterbrochen, und 1 g gepulverte Impfkristalle von Natriumisoascorbatmonohydrat wurden zugesetzt. Endlich wurde der Rest der sauren Lösung langsam zugegeben. Zu diesem Zeitpunkt war eine beträchtliche Menge des Produktes auskristallisiert.
Der Kondensator wurde zur Destillation umgedreht, und etwa 350 cm3 Methanol, das wieder verwendet werden kann, wurde aufgefangen. Der Brei wurde unter Rühren auf Raumtemperatur abkristallisiert. Eine Vakuumfiltration entfernte das Produkt, das dann mit 50 cm3 destilliertem Methanol zu einem Brei angerührt und mit 10 cm3 destilliertem Methanol gewaschen wurde.
Das luftgetrocknete Produkt wog 20,1 g, was 87,6 % der Theorie darstellt, wenn man die zugesetzten Impfkristalle berücksichtigt. Eine Jodtitration zeigte, dal3 die Reinheit des weissen körnigen Produktes von 97-99% betrug. Das Filtrat enthielt weitere 7 %, so dass die gesamte Umwandlung in Natriumisoascorbat etwa 95 % betrug.
Beispiel 2
Das Kristallisationsverfahren des Natriumisoascorbatmonohydrats von Beispiel 1 wurde ohne Einschluss der Essigsäure wiederholt. Die Wirkung der Verwendung von Essigsäure kann aus den in Tabelle II dargelegten Daten ersehen werden.
Tabelle Il
Wirkung der Essigsäure
Produkt ohne Säure * Produkt mit Saure
Reinheit durch Jodtitration 97,6 97,4 pH der 8% igen Lösllmg 7,83 7,17 % Durchlässigkeit der 8% igen Lösung
600 m, 84, 0 97, 0
550 m, a 82, 0 98,5
500 m, u 79, 2 98,0
475 m, u 77, 1 99,5 Absorptionszellen waren vielleicht nicht richtig passend gewählt, so dass die Durchlässigkeitswerte nicht genau sind.
Beispiel 3
Das Verfahren von Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Methyl-2-keto-D-gluconat, das durch Umkristallisation gereinigt worden war, als Ausgangsmaterial wiederholt. Die in Tabelle III dar gelegten Ergebnisse zeigen, dass sehr wenig Unterschied in der Ausbeute, Reinheit und Farbe der Produkte des entstehenden Natriumisoascorbatmonohydrats bestehen.
Tabelle Ill
Umkristallisierter gegenüber rohem Methylester
Natriumisoascorbatmonohydrat aus
Methyl-2-keto-D-gluconat
Umkristallisiert Roh
Ausbeute 89% 88%
Reinheit 98% 97% % Durchlässigkeit der 8 % igen Lösung
600 m, 94, 0 97,0
550 m, u 94, 2 98,5
500 m, u 99,0 98,0
475 m, u 95, 0 99,5 * Absorptionszellen waren vielleicht nicht richtig passend gewählt, so dass die Durchlässigkeitswerte nicht genau sind.
Beispiel 4
Wie oben auseinandergesetzt, ist es üblich, bei der Umwandlung von Methyl-2-keto-D-gluconat in Natriumisoascorbat eine Stickstoffatmosphäre zu verwenden. In diesem Beispiel wurde unter Verwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens ein Vergleich zwischen Produkten, die unter Verwendung einer Stickstoffatmosphäre erhalten wurden, und solchen, bei denen keine Stickstoffatmosphäre verwendet wurde, vorgenommen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle IV dargelegt.
Tabelle IV
Wirkung des Stickstoffes
Natriumisoascorbatmonohydrat mit Stickstoff * ohne Stickstoff
Reinheit 98,0 % 97,5% % % Durchlässigkeit der 8% igen Lösung
600 m, 94, 0 96,0
550 mu 94, 2 95,5
500 m, h 99, 0 96,0
475 mut 95, 0 93,1 * Absorptionszellen waren vielleicht nicht richtig passend gewählt, so dass die Durchlässigkeitswerte nicht genau sind.