DE1518630B2

DE1518630B2 - Verfahren zur Herstellung von oxydierter Stärke

Info

Publication number: DE1518630B2
Application number: DE1518630A
Authority: DE
Inventors: Yoshinobu Hirasaka; Yuji Imai; Kiyoshi Urawa Inoue; Kaiiti Kyoto Sisido
Original assignee: Chugai Pharmaceutical Co Ltd
Current assignee: Chugai Pharmaceutical Co Ltd
Priority date: 1964-02-25
Filing date: 1965-02-06
Publication date: 1973-09-27
Also published as: DE1518630C3; US3377339A; DE1518630A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oxydierter Stärke durch Oxydation von Stärke mit Salpetersäure.

Oxydierte Stärke ist ein Material, das beispielsweise zur Synthese von Schwefelsäureesterverbindungen von oxydierter Stärke verwendet wird, die ähnlich wie Heparin als Antikoagulantien wirken. Ferner läßt sich oxydierte Stärke als Ausgangsmaterial zur Herstellung von pharmazeutisch verwendbarer Glucuronsäure einsetzen, die durch Hydrolyse aus der oxydierten Stärke gewonnen werden kann.

Bei der Herstellung von oxydierter Stärke durch Oxydation von Stärke mit Salpetersäure kann man die Salpetersäure in unterschiedlichen Konzentrationen einsetzen. Beispielsweise wird bei den in der deutschen Patentschrift 849 692 und in der USA.-Patentschrift 2 650 237 beschriebenen Verfahren Salpetersäure in einer Konzentration von 70 % und höher eingesetzt. Gemäß dem in der japanischen Patentschrift 241 792 beschriebenen Verfahren ist die Konzentration der verwendeten Salpetersäure mit Erfolg auf 65 bis 45 % erniedrigt. Ferner ist in den japanischen Patentveröffentlichungen 12114/61, 8113/63 und 14 566/63 die Oxydation von Stärke unter Verwendung eines Gemisches von vorwiegend Salpetersäure mit weniger als 40% und Schwefelsäure mit weniger als 10% angegeben.

Diese bekannten Oxydationsverfahren sind charakterisiert, z. B. durch die Temperatur, bei der die Oxydationsreaktion durchgeführt wird, durch die Zeit, die für die Oxydationsreaktion zur Verfügung steht, durch die Menge der eingesetzten Oxydationsmittel und durch Katalysatoren u. dgl., denn die Anwendung von Salpetersäure ergibt je nach deren Konzentration Nebenreaktionen, wie Oxydationen, Aufspaltungen, Hydrolyse u. dgl.

Da zwangläufig mit fortschreitender Oxydationsreaktion die Konzentration an Salpetersäure in der Reaktionslösung absinkt, ändern sich die Reaktionsbedingungen während der Durchführung der Oxydationsreaktion ständig, auch wenn die äußeren Arbeitsbedingungen festliegen, so daß man stets eine Mischung von Oxydationsprodukten mit verschiedenem Oxydationsgrad erhält. Daher ist es eine ideale Methode, die äußeren Arbeitsbedingungen, wie beispielsweise die Temperatur, ebenfalls ständig entsprechend der Konzentrationsabnahme der Salpetersäure zu verändern. Jedoch ist im allgemeinen eine solche Arbeitsweise nicht nur deswegen mit Schwierigkeiten verbunden, weil man sie praktisch kaum korrekt handhaben kann, sondern auch, weil komplizierte Verfahrensmaßnahmen erforderlich werden, so daß sie technisch nicht vorteilhaft ist. Ferner ist bei dieser Arbeitsmethode die Qualität der oxydierten

ίο Stärke sehr häufig stark vermindert, beispielsweise dadurch, daß Glucuronlacton durch Hydrolyse der oxydierten Stärke gebildet wird, wodurch die Ausbeute an in kristallinem Zustand anfallendem Produkt vermindert ist. Die Neigung zu dieser Art Umsetzung ist besonders dann sehr groß, wenn mit niedrig konzentrierter Salpetersäure gearbeitet wird. Um diese Nachteile zu vermeiden, pflegt man im allgemeinen große Mengen an Oxydationsmitteln einzusetzen. Bei solchen Verfahren sind etwa 2 Mol oder mehr an Salpetersäure, bezogen auf Stärke, erforderlich. Wenn man dabei niedrig konzentrierte Salpetersäure einsetzt, so wird dadurch insbesondere ein gleichmäßiger Ablauf der Reaktion erheblich beeinträchtigt, und man kann infolge der unzureichenden Wirkung des Oxydationsmittels nicht erwarten, daß oxydierte Stärke hoher Qualität anfällt. "-"-^ - _ ..

Ferner werden bei unter Normaldruck geführten Reaktionen Abgase, insbesondere Stickstoff-Monoxyd, entwickelt, die keine Oxydationskraft haben und die in Form von feinen Blasen aufsteigen; dadurch wird das Volumen der Reaktionslösung im allgemeinen bis auf das 3- bis 4fache der Einsatzmenge vergrößert, und es kann ein gleichmäßiger Ablauf der Reaktion behindert sein, und ferner läßt sich die Temperaturkontrolle bei der Reaktion nur noch schwierig durchführen. Außerdem sind Reaktionsgefäße mit sehr großem Volumen erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche die bei den üblichen Verfahren dieser Art auftretenden Nachteile zu vermeiden und oxydierte Stärke in technisch vorteilhafter Weise herzustellen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von oxydierter Stärke durch Oxydation von Stärke mit Salpetersäure, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Stärke mit 30 bis 70 %iger Salpetersäure bei 25 bis 60°C unter Druck und in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen oxydiert, anschließend die Salpetersäure aus dem Reaktionsgemisch entfernt und die oxydierte Stärke isoliert.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung verwendet man 0,8 bis 3,0 Mol, bezogen auf die eingesetzte Stärke, an 30 bis 70 %iger Salpetersäure, die eine geringe Menge Alkalinitrit enthält, und man arbeitet unter einem Druck von 10 bis 30 kg/cm².

Bei dem Verfahren nach der Erfindung setzt man zweckmäßig den Sauerstoff in einer Menge von mehr als 10 Volumprozent in dem Sauerstoff enthaltenden Gas ein. Man kann beispielsweise Luft als Oxydationsmittel verwenden.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Salpetersäure wieder in Form von Salpetersäure zurückgewonnen, und zwar in dem Maße, wie sie verbraucht wird, und dann in die Reaktionslösung zurückgeführt. Dabei wird die primäre Alkoholgruppe der Stärke selektiv durch das Stickstoffdioxyd nach

und nach oxydiert, wobei das Stickstoffdioxyd in Stickstoffmonoxyd umgesetzt wird. Das Stickstoffmonoxyd wird seinerseits wieder mittels des vorhandenen Sauerstoffes zu Stickstoffdioxyd oxydiert, und dieses kann sich dann in niedrig konzentrierter Salpetersäure mit dem Wasser weiter zu Salpetersäure umsetzen.

Dabei kann Stickstoffmonoxyd, das infolge seiner geringen Löslichkeit aus dem Reaktionssystem entweicht, unter Druck zu Stickstoffdioxyd oxydiert werden. Im Vergleich zu dem Verfahren, bei dem Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltendes Gas unter Normaldruck durch die Reaktionslösung hindurchgeleitet wird, läßt sich beim erfindungsgemäßen Verfahren ein erheblich höherer Nutzeffekt erreichen. Ferner kann man Stickstoffdioxyd unter Druck in einer sehr viel höheren Konzentration in der Reaktionslösung lösen, was ebenfalls vorteilhaft ist, und dadurch erreicht man eine höhere selektive Oxydationswirkimg. Daraus wiederum resultiert, daß die wirksame Konzentration von Salpetersäure in der Reaktionslösung nahezu auf einer bestimmten Konzentration gehalten werden kann und die primäre Alkoholgruppe der Stärke gleichmäßig und schnell oxydiert werden kann. Infolge der kontinuierlichen Wiedergewinnung der Salpetersäure während des Reaktionsablaufes und der wiederholten Verwendung dieser Salpetersäure, ist die für das Verfahren benötigte Einsatzmenge an Salpetersäure sehr stark und in einem solchen Maße verringert, daß selbst dann, wenn man die Menge an Salpetersäure bis auf etwa 0,8 Mol, bezogen auf die Stärke, erniedrigt, dennoch

ίο sehr reine oxydierte Stärke erhalten werden kann. Wenn man jedoch die Salpetersäure in etwa der gleichen Menge einsetzt, wie dies in den bisher üblichen Verfahren geschehen ist, dann läßt sich die Reaktionszeit ganz erheblich verkürzen, und die Menge an kristallisiertem Glucuronlacton, das beispielsweise durch Hydrolyse erhältlich ist, läßt sich, verglichen mit den üblichen unter Normaldruck arbeitenden Oxydationsverfahren, erheblich steigern. Die Ausbeuten an Glucuronlacton, die durch Hydrolyse von nach bisher bekannten Verfahren oxydierten Stärken erhältlich war und die aus einer erfindungsgemäß hergestellten oxydierten Stärke erhältlich ist, sind in der nachfolgenden Tabelle gegenübergestellt:

Versuch Nr.	Konzen tration an Salpetersäure	Menge an verwendeter Salpetersäure	Oxyda tionstem peratur	Druckgas	Druck	Oxydations zeit	Ausbeute an kristallinem Glucuron lacton
	(7o)	(Mol/Mol)	(°C)		(kg/cm²)	(Stunden)	(°/o)
1 (Vergleich)	40	2,0	50	keines	ohne	12	3,0
2 (Erfindung)	40	1,5	50	Sauerstoff	5 bis 10	10	6,6
3 (Erfindung)	40	2,0	50	Sauerstoff	10 bis 20	8	8,6
4 (Vergleich)	50	1,0	50	keines	ohne	12	8,4
5 (Erfindung)	50	0,8	50	Sauerstoff	15 bis 20	10	10,1
6 (Erfindung)	50	1,0	50	Sauerstoff	15 bis 20	8	13,6
7 (Vergleich)	60	1,5	40	keines	ohne	8	• 10,2
8 (Erfindung)	60	1,0	40	Luft	15 bis 30	7	12,9
9 (Erfindung)	60	1,5	40	Luft	15 bis 30	6	15,2

Bemerkung: (1) Ausbeute an kristallinem Glucuronlacton basiert auf Stärke.

(2) Bedingungen der Hydrolyse: 2% Schwefelsäure, 120 bis 130⁰C, 90 Minuten.

(3) In Versuch 4 wurde Sauerstoff während der Reaktion durch die Reaktionslöslung hindurchgeeitet.

Aus den vorstehenden Ausführungen erkennt man, daß sich beim erfindungsgemäßen Verfahren die Menge an eingesetzter Salpetersäure erheblich erniedrigen läßt, daß man die Oxydationszeit verkürzen kann, daß man Reaktionsbehälter mit verringertem Volumen einsetzen kann und daß man die Oxydationsreaktion selektiv führen kann, wodurch die Reinheit der oxydierten Stärke im Vergleich mit der gemäß üblichen Verfahren erhältlichen oxydierten Stärke verbessert wird.

Das Verfahren der Erfindung läßt sich im einzelnen wie folgt konkretisieren:

Vorteilhaft fügt man die Stärke zu einer Menge von 0,8 bis 3,0 Mol, bezogen auf die Stärke, an 30- bis 70%iger Salpetersäure hinzu, die eine geringe Menge an Alkalinitrit, beispielsweise Natriumnitrit, als Katalysator enthält. Die Mischung wird bei 25 bis 60° C gerührt, so daß sich eine gleichmäßige Reaktionslösung bildet. Danach bringt man die Reaktionslösung durch Einleiten von Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltendem Gas unter den gewünschten Druck. Damit ein plötzliches Einsetzen der Reaktion vermieden wird, ist es zweckmäßig, zunächst einen vergleichsweise geringen Druck aufzubringen und diesen allmählich zu steigern. Man beendet die Reaktion, wenn keine merkliche Absorption an Sauerstoff mehr beobachtet wird. Wenn man die Reaktionslösung in ein Lösungsmittel, wie beispielsweise Methanol oder Äthanol, eingießt, dann kann man die oxydierte Stärke in Pulverform erhalten. Sofern Salpetersäure in der Oxydationslösung zurückgeblieben ist, läßt sich diese, wie bekannt durch Erhitzen entfernen, oder man kann sie durch Reduktionsmittel zerstören, beispielsweise mittels Formaldehyd. Man erhält dann eine Lösung der oxydierten Stärke.

Beispiel 1

Eine Mischung von 250 g Kartoffelstärke (etwa 18% Wassergehalt) und 7,5 g Natriumnitrit wurde unter Rühren bei 50°C nach und nach in kleinen Portionen zu 365 g 40°/₀iger Salpetersäure zugegeben, die sich in einem Autoklav befand. Nach etwa 30 Minuten wurde durch Einleiten von Sauerstoff die Luft verdrängt, dann wurde der Druck in dem Autoklav allmählich auf etwa 6 kg/cm² erhöht. Innerhalb von etwa 4 Stunden nach Beginn der Reaktion wurde ein merklicher Sauerstoffverbrauch beobachtet. Der Druck

wurde allmählich. auf 10 kg/cm² erhöht, und die Reaktion wurde bei 50° C unter Rühren fortgeführt. Nach lOstündiger Reaktion wurde der Druck auf Normaldruck erniedrigt, und es wurden 120 g 37 %i§^e Formaldehydlösung nach und nach zugegeben. Die Temperatur wurde nach etwa 60 Minuten allmählich auf 95⁰C erhöht. Diese Temperatur wurde 60 Minuten lang aufrechterhalten, danach fiel eine viskose Lösung oxydierter Stärke an. Die spezifische Drehung betrug [oc]f = +142,0° (C = 1,201; Wasser). Glucuronsäure-Restgehalt: 46,8 %.

(Glucuronsäure-Restgehalt wird berechnet aus der Gesamtmenge an Furfurol, das durch Hydrolyse der oxydierten Stärke mit 14°/₀iger Salzsäure und nachfolgender Extraktion mit Xylol gewonnen wird. Diese Methode zur Bestimmung des Glucuronsäure-Restgehaltes in mit Salpetersäure oxydierter Stärke ist beschrieben in Pharmaceutical Society of Japan, Vol. 83, Nr. 11, S. 1073 bis 1077).

B ei spiel 2

Eine Mischung von 250 g Kartoffelstärke, wie sie in Beispiel 1 verwendet wurde, und 5,0 g Natriumnitrit wurden unter Rühren bei 50° C nach und nach zu 486 g 40 °/oig^er Salpetersäure gegeben, die sich in einem Autoklav befand. Nach etwa 30 Minuten wurde zunächst die Luft durch Einleiten von Sauerstoff verdrängt, und dann wurde der Druck allmählich bis auf etwa 12 kg/cm² erhöht. Danach wurde der Druck weiter bis auf 20 kg/cm² gesteigert, und man ließ die Mischung dann 8 Stunden lang bei 50° C reagieren. Danach wurde der Druck abgelassen, und die Reaktionslösung wurde tropfenweise in das lOfache ihres Volumens an Äthanol eingegossen, daraufhin fiel die oxydierte Stärke in Pulverform an. Die Ausbeute betrug 220;2 g. Spezifische Drehung [a]f = +175,6° (C = 1,302; Wasser). Glucuronsäure-Restgehalt: 48,2 «/ο.

_, . Beispiel~3

Eine'Mi'sctongiiäipiö^QjgfK^rtoffelstärke, wie sie in Beispiel·!- verwendet worden war, und 5,0 g Natriumnitrit wurde unter Rühren bei 50° C nach und nach zu 194 g 50 ⁰I₀IgQT Salpetersäure gegeben, die sich in einem Autoklav befand. Nach etwa 30 Minuten wurde zunächst die Luft durch Einleiten von Sauerstoff verdrängt, dann wurde der Druck allmählich bis auf etwa 15 kg/cm² gesteigert und dann über 3 Stunden weiter

ίο bis auf 20 kg/cm² erhöht. Nachdem man 8 Stunden lang bei 50°C die Reaktion hatte ablaufen lassen, wurde der Druck abgelassen und 80 g 37 %ige Formaldehydlösung nach und nach zu der Reaktionsmischung gegeben. Das Reaktionsgemisch wurde dann innerhalb 60 Minuten auf 95⁰C erhitzt und weitere 60 Minuten lang auf dieser Temperatur gehalten, und man erhielt eine Lösung der oxydierten Stärke. Spezifische Drehung [a]f = +155,0° (C = 1,352; Wasser). Glucuronsäure-Restgehalt:

49,7%).

B ei spiel 4

Eine Mischung von 250 g Kartoffelstärke, wie sie in Beispiel 1 verwendet worden war, und 2,5 g Natriumnitrit wurden unter Rühren bei 40° C nach und' nach zu 1,62 g 60%iger Salpetersäure zugegeben, die sich in einem Autoklav befand. Nach etwa 30 Minuten wurde der Druck in dem Autoklav durch Einleiten von Luft auf etwa 20 kg/cm² erhöht. Innerhalb von 3 Stunden wurde der Druck weiter auf 30 kg/cm² gesteigert, wobei der übrigbleibende Stickstoff abgezogen wurde. Die Mischung ließ man insgesamt 7 Stunden bei 4O⁰C reagieren. Nach dem Ablassen der Luft wurde die Reaktionslösung tropfenweise in das 1Ofache ihres Volumens an Methanol eingebracht, und dabei setzte sich die oxydierte Stärke pulverförmig ab. Ausbeute 231 g. Spezifische Drehung [«]«> = +180,3° (C = 1,763; Wasser). Glucuronsäure-Restgehalt: 50,6%.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von oxydierter Stärke durch Oxydation von Stärke mit Salpetersäure, dadurch gekennzeichnet, daß man die Stärke mit 30 bis 70%iger Salpetersäure bei 25 bis 60° C unter Druck und in Anwesenheit von gasförmigem Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltenden Gasen oxydiert, anschließend die Salpetersäure aus dem Reaktionsgemisch entfernt und die oxydierte Stärke isoliert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man 0,8 bis 3,0 Mol, bezogen auf die eingesetzte Stärke, an 30 bis 70%ig^er Salpetersäure verwendet, die eine geringe Menge Alkalinitrit enthält, und unter einem Druck von 10 bis 30 kg/cm² arbeitet.