DE1643285C3 - Verfahren zur Reduktion von Disulfidbrucken enthaltenden Aminocarbonsäuren und Aminocarbonsaurederivaten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuerlichen Reduktion von Disulfidbrücken enthaltenden Aminocarbonsäuren und Aminocarbonsäurederivaten zu fi-n entsprechenden Thiolverbindungen durch kalhodische Reduktion.

Neben auf der Einwirkung von Reduktionsmitteln beruhenden Verfahren isi auch die kathodische Reduktion von oxydiertem Glutathion. Cystin und Homocystin beschrieben worden (DE-PS 7 21 723; Journal biol. Chem. 69 [1926] 213-214: Chem. Abstr. 42 [1948] 3726 a). Bei einem bekannten Verfahren /ur Herstellung von Cysteinhydrochlorid und Homocysteinhydrochlorid wird Cystin bzw. Homocystin in salzsaurer Lösung an Kathoden mit Metalloberflächen, die wie Zinn. Kupfer. Nickel. Blei und Silber mit dem C'ysiin vorübergehend in Reaktion treten, bei einer Stromdichte von 0.02 bis 03 Amp/cm² reduziert (DE-PS IO 24 518 und 10 81 466).

Abgesehen von der sehr unterschiedlichen Ausbeute, gemessen am Einsatz von Strom und Material, besitzen die bekannten elektrolytischen Verfahren den Nachteil, daß sie alle diskontinuierlich arbeiten und daher unwirtschaftlich sind. Die bisher beschriebenen Verfahren /ur kathodischen Reduktion von Cystin, oxydiertem Glutathion oder Homocystin arbeiten ausschließlich mit einer einzelnen Elektrolysenzelle, deren Inhalt nach erfolgter Umsetzung in diskontinuierlicher Weise aufgearbeitet wird. Lediglich in der deutschen Patentschrift 10 24 518 wird erwähnt, daß eine derartige Elektrolysenzelle gegebenenfalls auch kontinuierlich betrieben werden könne, ohne daß jedoch eine Lehre gegeben wird, wie eine kontinuierliche Arbeitsweise durchgeführt werden soll.

Beim kontinuierlichen Betrieb eirler einzelnen Elek» troiysenzelle ergibt sich die Schwierigkeit, daß im Verlauf der Elektrolyse stets eine Vermischung von noch nicht reduziertem, frisch eingetragenem Aüs^ färigsmaterial mit dem reduzierten Reaktionsprodukt stattfindet. Auf diese Weise wird stets eine nicht unbeträchtliche Menge" an unverändertem Ausgangsmaterial aus dem Kathodenraum zusammen mit dem gewünschten Reaktionsprodukt ausgetragen, wodurch die Ausbeute des Verfahrens wesentlich verschlechtert wird. Die unvermeidliche Vermischung mit dem Ausgangsprodukt mindert darüber hinaus die Qualität des hierbei erzeugten Cysteins, Homocysteins oder Glutathions derart, daß umfangreiche Reinigungsoperationen im Anschluß an die elektrolytische Reduktion notwendig sind, was die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahrensweise ebenfalls sehr beeinträchtigt

Versucht man das bekannte, einzellige diskontinuierliche Reduktionsverfahren auf produktionstechnisch verwertbaren Maßstab zu bringen, so sind erheblich größere Behältnisse erforderlich, als sie in einem Laborverfahren angewandt werden, wobei dann zwangsläufig einem relativ großen Elektrolysatvolumen eine nur kleine Kathodenfläche und ein großer Elektrodenabstand gegenüber steht wenn man nicht einen großen apparativen Aufwand betreiben will. In einer solchen diskontinuierlichen Anordnung können im Vergleich zu Aufwand an Energie und Apparatur nur geringe Durchsatze erzielt werden. Darüber hinaus muß das empfindliche Produkt langen Verweilzeiten bei positiver Wärmetönung ausgesetzt werden.

So muß in einer zum Beispiel 400-Liter-Batch-Anordnung mit rundläufiger außenliegender Kupferkathode und einer in Stabform ausgebildeten zentral angeordneten Kohleanode ein Ansatz von 60 kg Cystin in wäßriger salzsaurer Lösung 96 Stunden einem Stromfluß von 200 Ampere und 7 Volt, entsprechend 2,24 kWh/kg, ausgesetzt werden, um vollständig reduziert /u werden. Die dabei auftretenden Temperature.! betragen mindestens 6O⁰C. Eine derartige Anlage bedingt Ausbeuteminderung und Qualitätseinbußen.

Es wurde gefunden, daß die kathodische Reduktion von Cystin. Homocystin oder oxydiertem Glutathion praktisch quantitativ in kontinuierlicher Weise durchgeführt werden kann, wenn man die Eleklrolysepflüssigkeit in kontinuierlicher Weise mit leichtem Gefälle durch die Kathodenräume von it ihreren. mindestens drei, hintereinander geschalteten Elektrolysenzelle!! führt, das Elektrolysat kontinuierlich abzieht und in bekannter Weise aufarbeitet.

Es reicht aus, wenn das Gefälle /wischen den ein/einen Elektrolysenzellen I-2cm beträgt. Zweckmäßigerweise ι ^ffolgt der Einlauf und Auslauf der Elektrolysenflüssigkeit in den bzw. aus dem Kathodenraum an möglichst weit auseinanderliegenden, also entgegengesetzten Stellen.

Fs empfiehlt sicfi. die Elcklrolysenflüssigkeit auf dem Weg von einer Elektrolysenzelle in die nächste zu kühlen, z. B. indem man sie durch eine Kühlschlange laufen läßt. Bevorzugt wird eine Stromdichte von 0.005 - 0.03 Ampere/cm² bei einer mittleren Verweil/eit der Elektrolysenflüssigkeit in der gesamten Elektrolyse apparatur von I 5 - 30 Stunden.

Für die Kathode kann eins der für diesen Zweck bekannten Kathodenmatenahen verwendet werden. Obwohl für die Anode z. B. Titan ein geeignetes Material ist. wird vorzugsweise eine Kohleanode verwendet. Dabei ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daß die Anodenflüssigkeit schnell Verschmutzt und bei kontinuierlichem Betrieb schon nach etwa einer Woche allein wegen der Verschmutzung der Anodenflüssigkeit das Verfahren nicht mehr rationell arbeitet Diese Schwierigkeit konnte dadurch überwunden werden, daß man die Anodertflüssigkcit ebenfalls kontinuierlich und im Kreislauf durch die Anodenräume der hintereinander

geschalteten Elektrolysenzellen leitet und an einer passenden Stelle, zweckmäßigerwejse nach Durchlaufen der Apparatur vor Rückführung in die erste Zelle einer Reinigungsoperation unterwirft.

Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist es möglich, in kontinuierlicher Weise große Mengen der entsprechenden Disulfidbrücken enthaltenden Aminocarbonsäuren praktisch quantitativ zu reduzieren. Hierbei können die Reduktionsprodukte in Form ihrer Salze durch einfaches Eindampfen in großer Reinheit durch Kristallisation direkt gewonnen werden. Die relativ einfache Zwischenschaltung eines Kühlsystems erm&glicht die Anwendung auch hoher Stromdichten und damit ein besonders wirtschaftliches Arbeiten.

Bei der erfindungsgemäßen kontinuierlichen und mehrzelligen Anordnung, läßt sich das Elektrolysatvolumen sehr viel niedriger, die Katodenfläche dementsprechend größer und der Elektrodenabstand wesentlich kleiner halten. Bei einer zwölfzelligen Anlage mit zum Beispiel einem Elektrodenabstand von nur 5,8 cm läßt sich bei gegenüber dem diskontinuierlichen Beispiel um 23% verminderten Strombedarf eine Verweilzeit von nur 2 Stunden des Elektrolysats erzielen.

Überraschenderweise bringt also das erfindungsgemäße Verfahren eine bessere Ausbeute, ein reineres Produkt und eine günstigere Strombilanz.

Eine geeignete Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Zeichnung dargestellt. Aus einem Vorratsgefäß 1 wird über einen Niveauregler 2 die Aminocarbonsäurelösung in den Kathodenraum der ersten Elektrolysenzelle A eingeleitet. Jede Elektrolysenzelle A-K besteht aus einem etwa 200 Liter fassenden Behälter, in dessen Zentrum, durch ein Tondiaphragma 4 vom Kathodenraum getrennt, eine Kohle-Anode 3 in cone. Salzsäure taucht. Der Kathodenraum ist zylindrisch mit einer amalgamierten Schwermetall-Kathode 5 ausgelegt.

An der dem Einlauf entgegengesetzten Seite des Kathodenraumes wird durch ein bis zum Boden eintauchendes Rohr 6 die Aminocarbonsäurelösung ausgetragi 1 und über ein Kühlsystem 7 in den Kathodenraum der nächsten Elektrolysenzelle, dessen Niveau 1 -2 cm tiefer liegt, geleitet. Es ist jedoch auch mit vergleichbarem Erfolg möglich, die Aminocarbonsäurelösung durch ein bis zum Boden eintauchendes Rohr einzutragen und die Kathodenflüssigkeit durch ein. nur i/i die oberste Schicht eintauchendes, kurzes Rohrstück wieder auszutragen. In dieser Weise sind zehn gleiche Elektrolysenzellen A-K hintereinander geschaltet. Die Stromdichte in den Elektrolysenzellen beträgt jeweils 0,02 Ampere/cm². Aus der letzten Zelle K wird die Kathodenflüssigkeit konlinuierlich ausgetragen, eingeengt und eineni Kristallisationsprozeß unterworfen.

B e i s ρ i e I I

L-C'ystin wird als 15 proz. Lösung in 10 proz. Salzsäure kontinuierlich durch die oben beschriebene Apparatur geleitet und bei einer Stromdichte von 0,02 Amp/cm² kathodisch -eduziert Der stündliche Durchsatz beträgt 20 Liter. Nach dem Einengen und Kristallisieren erhält man 4,2 kg L-Cysteinhydrochloridmonohydrat pro Stunde als farblose, grob kristalline Verbindung.[α] ff + 6,3° (c = 0,5 Mol/l in N HCI),
Gehalt: 99,8% Cysteinhydrochloridmonohydrat.
(Potentiometrische SH-Bestimmung mit HgCb.)

Beispiel 2

Entsprechend Beispiel 1 wird L-Cystin kontinuierlich als 10 proz. Lösung in 2 proz. wäßriger Schwefelsäure kathodisch reduziert
Durchsatz: 20 Liter/Stunde.
Ausbeute: 2,7 kg Di-L-Cysteinsulfat/Stunde.
[α] ff + 6,5° (c = 0,5 Mol/l in NH₂SO₄).
Gehalt: 99,5% Di-Cystein-Sulfat.
(Potentiometrische SH-Bestimmung mit HgCb.)

Beispiel 3

Gemäß Beispiel 1 wird eine Lösung vor. 10% DL-Homocystin in 5 proz. wäßriger Salzsäure kontinuierlich kathodisch reduziert.
Durchsatz: 20 Liter/Stunde.

Ausbeute: 2,4 kg DL-Homocysteinhydrochlorid/Stunde. Gehalt: 99,6%.

(Bestimmungsmethode: N nach K j e 1 d a h I als Homocysteinthiolacton-Hydrochlorid.)

Beispiel 4
(Vergleichsversuch)

Eine Cystinlösung wurde einmal kontinuierlich gemäß Beispiel 1 und einmal diskontinuierlirh in einem entsprechend großen Elektrolysebehälter elektrolytisch reduziert. Abweichend von Beispiel 1 wurde die Ebktrolysatlösung beider Herstellungsweisen zur Trokkene eingedampft, so daß das gesamte Cystein einschließlich eventueller Verunreinigungen gewichtsmäßig erfaßt werden konnte. Der Rückstand wurde anschließend durch SH-Titration mit Quecksilberchlorid und Bestimmung des Drehwertes analysiert.
Cystein kontinuierlich:

Drehwert:[α] ff + 6,2° (c = 0,5 Mol/l in N HCI)
Gehalt (SH-Titration): 98.2%.
Cystein diskontinuierlich:

Drehwert:fot] ff + + 4.4° (c = 0,5 Mol/l in N HCI)
Gehalt (SH-Titration): 94.4%.

Aus dem Ergebnis geht eindeutig hervor, daß das erfindungsgemäß kontinuierlich hergestellte Cystein von höherer Reinheit ist. als das diskontinuierlich produzierte Vergleichsprodukt und daß höhere Ausbeuten erzielbar sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Reduktion von Disulfidbrücken enthaltenden Aminocarbonsäuren und Aminocarbonsäurederivaten durch kathodische Reduktion in wäßriger, saurer Lösung, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolysenflüssigkeit in kontinuierlicher Weise mit leichtem Gefälle durch die Kathodenräume von mehreren, mindestens drei, hintereinander geschalteten Elektrolysenzellen führt, das Elektrolysat kontinuierlich abzieht und in bekannter Weise aufarbeitet

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Elektrolysenflüssigkeit auf !5 dem Weg von einer Elektrolysenzelle in die nächste kühlt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Anodenflüssigkeit kontinuierlich im Kreislauf durch die Anodenräume der hintereinander geschalteten Elektrolysenzellen leitet und nach Durchlaufen der Apparatur vor Rückführung in die erste Zelle einer Reinigungsoperation unterwirft.

25