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Verfahren zur Herstellung von Ribonsäure, ihres Cadmiumsalzes oder
Lactons Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Ribonsäure,
ihres Cadmiumsalzes oder Lactons, die als Zwischenprodukte zur Gewinnung von Ribose
und von dieser sich ableitendenVerbindungen, z. B. Vitaminen der B-Reihe und Nucleinsäuren,
dienen.
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Bekanntlich ist die Gewinnung der Ribose durch Isolierung aus natürlichem
Material und auch durch Synthese sehr umständlich. Der günstigste Weg ist die Reduktion
der Ribonsäure, die durch Epimerisierung von Arabonsäure hergestellt werden kann.
Die Arabonsäure ist gut zugänglich. Sie wird bei der Oxydation von Glukose in wäßrig-alkalischer
Lösung erhalten. Ihre Isolierung und Reinigung geschieht über das schwerlösliche,
gut urukristallisierbare Calciumsalz.
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Die ersten Angaben über die Gewinnung der Ribonsäure aus Arabonsäure
durch Epimerisierung stammen von E. Fischer und 0. Piloty (»Berichte der Deutschen
Chemischen Gesellschaft«, Bd. 24 118911, S. 4214 ff.). Danach wird eine wäßrige
Lösung der freien Arabonsäure in Gegenwart von Pyridin einige Stunden im Autoklav
erhitzt. Aus dem hierbei entstandenen Gemisch aus Arabonsäure und Ribonsäure wird
die erstere als Calciumsalz entfernt.
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Nach Beseitigung der überschüssigen Calciumionen wird die Ribonsäure
aus der Mutterlauge als Cadmiumsalz isoliert.
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Nach Angaben von M. Steiger (»Helvetia Chimica Acta«, Bd. 19 [1936],
S. 189) gelingt die Epimerisierung der freien Arabonsäure auch durch Erhitzen bei
Normaldruck; allerdings ist mehrtägiges Kochen unter Rückfluß erforderlich. Der
Nachteil dieses Verfahrens liegt in der langen Reaktionsdauer und der damit vermehrten
Zerstörung des Reaktionsgutes.
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Über die Epimerisierung homologer Carbonsäuren wurde bekannt, daß
an Stelle von Pyridin auch andere tertiäre organische Basen verwendet werden können.
Andere Autoren (Tadashi Shirai und Mitarbeiter, »Chemical Abstracts«, Bd. 52 {1958j,
Spalte 11 906 f) empfehlen die Verwendung von Ammoniak. Nach ihnen erhält man Ribonsäure
durch Erhitzen einer ammoniakalisch-wäßrigen Lösung der freien Arabonsäure im Autoklav.
Eine Vereinfachung stellt das in den USA-Patentschriften 2438 881 und 2438 882 beschriebene
Verfahren dar. Danach ist es möglich, eine neutrale, schwach alkalische oder schwach
saure Lösung von Calciumarabonat in Wasser durch Erhitzen im Autoklav direkt zu
epimertsieren.
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Nach dem geschilderten Stand der Technik war nicht vorauszusehen,
daß die Epimerisierung der Ara-
bonsäure bzw. ihrer Salze durch kurzzeitiges Erhitzen
mit einem wasserfreien organischen Lösungsmittel unter Normaldruck möglich ist.
Die Vorteile dieses Verfahrens liegen in dem sehr viel geringeren apparativen und
zeitlichen Aufwand, der durch die kürzere Epimerisierung&zeit geringeren Zerstörung
der Arabonsäure und der damit besseren Ausbeute.
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Als organische Lösungsmittel finden mehrwertige Alkohole, deren Ester
und Äther Verwendung, z. B.
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Glycerin, Glykol, Propylenglykol, Athylenglykolmonophenyläther. Mit
Vorteil wird die Arabonsäure in Form ihres Calciumsalzes eingesetzt und so ihre
spätere Abtrennung aus dem Epimerisationsgut vereinfach.
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Zur Epimerisierung wird die Arabonsäure oder ein Salz dieser Säure
mit einem der genannten Lösungsmittel erhitzt. Das Salz kann dabei sowohl in kristallwasserhaltiger
Form als auch wasserfrei eingesetzt werden. Die besten Ausbeuten an Ribonsäure bei
gleichzeitig bester Rückgewinnung an arabonsaurem Calcium werden erhalten, wenn
man 45 bis 90 Minuten auf 125 bis 1350 C erhitzt. In gleicher Weise, bei gleicher
Ausbeute, ist es aber auch möglich, die Epimerisierung in noch kürzerer Zeit bei
höherer Temperatur vorzunehmen. Allerdings empfiehlt es sich nicht, eine Temperatur
über 1500 C zu wählen, da sonst mit einer stärkeren Zerstörung der Reaktionsteilnehmer
bzw. -produkte zu rechnen ist.
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Aus der Reaktionslösung wird das Gemisch der Calciumsalze der Arabon-
und Ribonsäure durch Zugabe eines geeigneten Lösungsmittels, z. B. Methanol oder
Äthanol, gefällt, abfiltriert und mit dem verwendeten Lösungsmittel gewaschen. Das
als Filtrat erhaltene
Lösungsmittelgemisch wird mit Kohle entfärbt
und kann durch Destillation in seine Bestandteile getrennt werden.
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Zur Trennung des erhaltenen Gemisches aus Calciumarabonat und Calciumribonat
macht man von der Schwerlöslichkeit des Calciumarabonats in Wasser Gebrauch. Das
Gemisch wird in möglichst wenig heißem Wasser gelöst. Beim Abkühlen kristallisiert
das Calciumarabonat aus. Durch Einengen der Mutterlauge wird noch eine zweite Fraktion
erhalten. Mit Hilfe eines geeigneten Kationenaustauschers wird die Mutterlauge der
zweiten Calciumarabonatfraktion von Calciumionen befreit. Je nach den Reinheitsanforderungen
kann nun die Ribonsäure aus der Cafreien Lösung entweder durch Einengen im Vakuum
als freie Säure bzw. ihr Lacton oder nach dem Neutralisieren mit Cadmiumhydroxyd
als Cadmiumsalz isoliert werden.
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Beispiel 1 50 g Calciumd-arabonat (Wassergehalt 18 O/o) werden mit
25 ccm Glycerin 1,5 Stunden auf 130 bis 1350 C erhitzt. Es bildet sich eine optisch
klare Lösung, die sich gegen Ende der Reaktion verfärbt.
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Durch Zugabe von 590 ccm Methanol werden die Calciumsalze gefällt,
abfiltriert und mit Methanol gewaschen.
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Das Gemisch der Salze wird in etwa 300 ccm kochendem Wasser gelöst,
mit Kohle entfärbt, nach dem Filtrieren und Abkühlen mit einigen Kristallen Calciumarabonat
angeimpft und für eine Nacht sich selbst überlassen. Dabei kristallisiert das Calciumarabonat
aus, das abgetrennt und mit Eiswasser gewaschen wird. Die Mutterlauge und das Waschwasser
werden nun im Vakuum zu einem Sirup eingeengt, angeimpft und nochmals mindestens
1 Tag im Kühlschrank aufbewahrt. So wird eine zweite kleine Menge Calciumarabonat
erhalten, die ebenfalls abgetrennt und mit Eiswasser gewaschen wird. Insgesamt werden
34,8 g Calciumarabonat zurückgewonnen.
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Die Mutterlauge und das Waschwasser der zweiten Fraktion werden nun
über einen geeigneten, mit Säure aktivierten Kationenaustauscher gegeben, die sauren
Eluate gesammelt und im Vakuum auf 150 ccm eingeengt. Zu der noch warmen Lösung
wird auf dem Wasserbad unter Rühren das Doppelte der stöchiometrisch berechneten
Menge an frisch gefälltem Cadmiumhydroxyd gegeben. Nach etwa 30 Minuten wird vom
überschüssigen Cadmiumhydroxyd abfiltriert, mitWasser gewaschen, Filtrat undWaschwasser
vereinigt, mit Kohle entfärbt und im Vakuum auf etwa 50 ccm eingeengt. Diese Lösung
erstarrt nach dem Animpfen mit Cadmium-d-ribonat und längerem Stehen in der Kälte
zu einem Kristallbrei, der abgesaugt und mit Eiswasser gewaschen wird. Die Mutterlauge
und das Waschwasser werden vereinigt, eingeengt, angeimpft und einige Tage in der
Kälte aufbewahrt, wobei weitere kleine Mengen Cadmium-dribonat auskristallisieren.
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Auf diese Weise können insgesamt 11,3 g Cadmium-d-ribonat isoliert
werden.
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Beispiel 2 19 g Calcium-l-arabonat (Wassergehalt 20 °/o) werden wie
im Beispiel 1 epimerisiert und auf die gleiche Weise aufgearbeitet. Die Menge an
rückgewonnenen Calciumarabonat beträgt 12 g, die Ausbeute an Cadmium-l-ribonat 3,5
g.
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Beispiel 3 An Stelle des kristallwasserhaltigen wird wasserfreies
Calcium-d-arabonat verwendet. Die Epimerisierung und Aufarbeitung geschieht wie
im Beispiel 1.
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Es werden 10 g Cadmium-d-ribonat isoliert und 30 g Calciumarabonat
zurückgewonnen.
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Beispiel 4 Zur Herstellung der freien Arabonsäure werden 50 g Calcium-d-arabonat
(Wassergehalt 17 0/g) in etwa 1 1 heißem Wasser gelöst, über einen geeigneten, mit
Wasserstoffionen beladenen Kationenaustauscher gegeben, die sauren Eluate gesammelt
und im Vakuum das Wasser abdestilliert.
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Die so in Form eines Sirups erhaltene freie Arabonsäure wird mit
50 ccm Glycerin versetzt und 1 Stunde auf 1400 C erhitzt. Anschließend wird die
saure Lösung mit einer Aufschlämmung von Calciumhydroxyd in wenig Wasser neutralisiert,
vom überschüssigen Calciumhydroxyd abgesaugt und das Filtrat unter Rühren mit etwa
500 ccm Methanol versetzt. Die weitere Trennung und Aufarbeitung geschieht wie im
Beispiel 1.
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Es werden 35 g Calciumarabonat zurückgewonnen und 9,5 g Cadmium-d-ribonat
isoliert.
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Beispiel 5 50 g Calcium-d-rabonat (Wassergehalt 18 O/o) und 50 ccm
Äthylenglykol werden 3 Stunden auf 1300 C erhitzt. Durch Zugabe von 500 ccm Methanol
zum Reaktionsgemisch werden die Calciumsalze gefällt und wie im Beispiel 1 aufgearbeitet.
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Die Menge an zurückgewonnenen Calciumrabonat beträgt 30 g, die Ausbeute
an Cadmium-d-ribonat 9,5 g.
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Zur Herstellung der freien Ribonsäure oder ihres Lactons wird das
Cadmiumsalz in 100 ccm Wasser gelöst. Ein geeigneter Kationenaustauscher wird mit
Säure aktiviert, neutral gewaschen und anschließend die wäßrige Lösung des Cadmiumsalzes
darüber gegeben. Die Austauschersäule wird so lange mit Wasser nachgewaschen, bis
das Eluat neutral reagiert.
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Das saure Eluat wird im Vakuum bis zur sirupartigen Konsistenz eingeengt
und so ein Gemisch aus Ribonsäure und Ribonsäurelacton erhalten.
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In bekannter Weise (USA.-Patentschrift 2438 883) kann dieser Sirup
in das kristallisierte Lacton übergeführt werden, wobei 5,4 g d-Ribonolacton erhalten
werden.