DE2140506B2

DE2140506B2 - Verfahren zur herstellung von dl- methionin

Info

Publication number: DE2140506B2
Application number: DE19712140506
Authority: DE
Inventors: Shunji; Shibuya Chisel· Tokio Ouchi
Original assignee: Deutsche Gold und Silber Scheideanstalt
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1970-08-12
Filing date: 1971-08-12
Publication date: 1976-08-12
Also published as: GB1362377A; BE801604Q; US3833651A; DE2140506A1; JPS49818B1; FR2104266A5

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein verbessertes is Verfahren zur Herstellung von D,L-Methjoiin entsprechend den vorstehenden Patentansprüchen.

Zur Herstellung von DJL-Methk>nin über 5-(2-Methyunercaptoäthyl)-hydantoin und dessen Verseifung sind verschiedene Wege bekannt, die sich durch die folgenden Gleichungen wiedergeben fassen:

CN«/NHf/COj

Weg A

H₃CS-CH₂-CH₂-C

HCN

Weg B

H₃CS — CH₂ — CH₂ -CH C=O

I I

NH \

NH

Il ο

NH/ COi

H₃CS-CH₂-CH₂-CH-CN OH

Verfahren zur Synthese von D,L-Methionin gemäß Weg A sind bekannt aus US-PS 25 27 3661, US-PS 57 913 und GB-PS 6 30 139, während solche gemäß Weg S beschrieben sind in J. Amer. Chem. Soc 70 (1948), 1450 und 1451, GB-PS 6 53 803 und der japanischen Patentveröffentlichung 14 688/1964.

Der in die Reaktion eingesetzte 3-Methytmercaptopropionaldehyd wird durch Addition von Methylmer- captan an Acrolein erhalten.

Die erwähnten konventionellen Methoden weisen Jedoch einige Nachteile auf. So ist beispielsweise zur Herstellung von 3-Methyunercaptopropioaaldehyd durch Addition von Methylmercaptan an Acrolein ein Oberschuß an Methylmercaptan erforderlich, und außerdem ist die Ausbeute nicht sehr hoch. Weg B schließt zwei Stufen ein und ist daher kompliziert in der Verfahrensführung. Darüber hinaus ist gemäß Weg B für die Additionsreaktion von Cyanwasserstoffsäure gewöhnlich ein Katalysator erforderlich.

Um die Nachteile der erwähnten konventionellen Verfahren zu vermeiden, wurde bereits ein Verfahren zur Herstellung von D,L-Methionin vorgeschlagen (DT-OS 2122 491), bei dem Acroleincyanhydrin als Ausgangsmaterial eingesetzt und 5-(2-Methyünercaptoäthyl)-hydantoin als Zwischenprodukt erhalten wird.

Der Erfindung liegen nun ausgedehnte, auf ein verbessertes Verfahren zur Synthese von D,L-Methionin unter Verwendung von Acrolein als Ausgangsmaterial gerichtete Untersuchungen zugrunde, die ergaben, daß ersteres durch Umsetzung von Acrolein in einer Stufe mit Methylmercaptan, Cyanwasserre, Ammoniak oder einer Ammoniak oder Ammomum-Ionen liefernden Verbindung und Kohlendioxid oder einer Kohlendioxid oder Carbonat-Ionen fielen

Verbindung und anschließende Hydrolyse des gebikjeten 5-{2-Methylmercaptoäthyl)-hydantoins erhalten werden kann. Es wurde außerdem gefunden, daß die gewünschte Reaktion glatt verläuft, ohne daß ent Verlust an Acrolein durch Polymerisation eintritt und daß D,L-Methionin in hoher Ausbeute erhalten wird, wenn die Hydantoinsynthese in Gegenwart eines üblichen Polymerisationsinhibitors in einem Reaktion«-

medium vorgenommen wird, das aus Wasser, einem organischen Lösungsmittel oder einem wäßrigen organischen Lösungsmittel besteht

Darch dieses Verfahren kann in einfacher und wirtschaftlicher Weise reines Dl-Methk>nm(Reinheitsgrad 99 bb 99,5%) in hoher Ausbeute hergestellt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch folgende Reaktionsgleichung veranschaulicht werden:

10 H₁C=CHCHO + CH₃SH + HCN + NHf + CO₃^

» H₃CSCH₂CH₂CH C=O

NH NH

Hydrolyse

1 ο

D,L-Methionin

20

Wie daraus ersichtlich ist, werden erfindungsgemäß das als Ausgangsmaterial eingesetzte Acrolein und die übrigen Reaktanten in einer einzigen Stufe zu dem als Zwischenprodukt gebildeten Hydantoin umgesetzt, im Gegensatz zu dem konventionellen Zweistufen-Verfahren, bei dem Acrolein zuerst mit einem Oberschuß an Methylmercaptan in Gegenwart eines basischen Katalysators zu S-Methylmercaptopropionaldehyd umgesetzt und daraus das als Zwischenprodukt gebildete Hydantoin in relativ schlechter Ausbeute erhalten wird. Durch das erftndungsgemäße Verfahret, wird eine vereinfachte Verfahrensführung erzielt und die erforderliche Menge an Methylmercaptan vermindert Die Ausbeute an Hydantoin wird erfindungsgemäß merklich verbessert

Es ist außerdem bemerkenswert daß die erfindungsgemäß durchgeführte Reaktion vorteilhaft selbst in Gegenwart von Wasser in dem Reaktionssystem abläuft

Das als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwendende Acrolein ist unter alkalischen Bedingungen instabil besonders in einer wäßrigen Lösung. Wenn beispielsweise Acrolein einer wäßrigen Lösung von Ammoniumcarbonat, einem repräsentativen Beispiel für eine zur Hydantoinbildung erforderliche Verbindung zugegeben wird, so entwickelt die resultierende Lösung sofort Wärme und verfärbt sich, und es tritt Polymerisation ein. Wenn Acrolein und Ammoniumcarbonat in absolutes Methanoi gegeben und eine Stunde auf 50° C erwärmt werden, so wird eine stark gefärbte harzartige Substanz erhalten, und es wird kaum Acrolein zurückgewonnen. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Acrolein direkt mit Methylmercaptan, Cyanwasserstoffsäure und einer zur Hydantoinbildung erforderlichen Verbindung umgesetzt Obwohl letztere häufig eine basische Reaktion bedingt läuft jedoch die Hydantoinbildung in unerwarteterweise auch in dem basischen Reaktionssystem glatt ab, ohne daß Nebenreaktionen, wie die Polymerisation von Acrolein, eintreten.

Um die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nachzuweisen, wurde ein Vergleichsversuch in folgender Weise durchgeführt: Acrolein und Cyanwasserstoffsäure wurden in Abwesenheit von Methyl· mercantan mit Ammoniumcarbonat umgesetzt Dabei setae die Polymerisation von Acrolein ein, was zeigt, daS Acrolein unter diesen Bedingungen nicht stabil ist

Das als Ausgangsmaterial dienende Acrolein kamt nach dem Reinigen durch Destillation oder in Form einer Lösung in einem geeigneten i/^amg-yni eingesetzt werden. Um die Polymerisation von Acrolein vöffig zu verhindern, wird dein Reaktionssystem eine geringe Menge eines Stabilisators zugesetzt Dieser Stabilisator kann ein allgemein verwendeter Inhibitor für die Vinylpolymerisation sein. Der Stabifisstor kann allgemein in einer Menge vou 1 Gewichtsprozent oder weniger, bezogen auf das Gewicht des Acroleins, verwendet werden.

Methylmercaptan kann in Gasform oder in flüssiger Form eingesetzt werden. Die Menge des einzusetzenden Methyhnercaptans kann der Acrolein-Menge äquivalent sein; vorzugsweise wird jedoch ein gewisser Oberschuß angewendet

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verwendende Menge an Cyanwasserstoffsäure kann im allgemeinen ein Moläquivalent oder mehr, bezogen auf Acrolein, betragen. Durch Verwendung von mehr als zwei Mol der Säure auf 1 Mol Acrolein wird jedoch eine Nebenreaktion verursacht welche die Ausbeute an Hydantoin vermindert

Beispiele für Ammoniak oder Ammonium-Ionen liefernde Verbindungen Sind gasförmiges Ammoniak, flüssiges Ammoniak, Ammoniumcarbonat Ammoniumbromid, Ammoniumchlorid, Ammoniumsulfat Ammoniumacetat Ammoniumcyanid, Ammoniumcarbamat Ammoniumhydrogencarbonat Beispiele für Kohlendioxid oder Carbonat-Ionen liefernde Verbindungen sind gasförmiges Kohlendioxid, festes Kohlendioxid, Ammoniumcarbonat Ammoniumcarbamat Ammoniumhydrogencarbonat Natriumcarbonat Die einzusetzenden Mengen dieser Substanzen sind nicht kritisch; gewöhnlich werden solche Mengen wie bei einer konventionellen Hydantoin-Synthese eingesetzt beispielsweise 1 bis 4 Moläquivalente, vorzugsweise 1,5 bis 3 Moläquivalente, bezogen auf Acrolein.

Zur Herstellung von 5-(2-Methylmercaptoäthyl)-hydantoin wird die Umsetzung in einem Reaktionsmedium durchgeführt das aus Wasser, einem organischen Lösungsmittel oder einem wäßrigen organischen Lösungsmittel besteht Als organische Lösungsmittel können alle diejenigen eingesetzt werden, die sich während der Reaktion nicht zersetzen und unter den Reaktionsbedingungen inert sind. Beispiele hierfür sind übliche Lösungsmittel, wie Alkohole, Alkoholäther, Nitrile, Nitroalkane, Amide, Amine, Äther, Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe. Besonders bevorzugt werden

niedere aliphatische Alkohole, niedere aliphatische Nitrile, Nitroalkane, Alkoholäther,
Dialkylsulfoxide, Dialkylformamide,
Dialkylacetamide.Hexaalkylphosphoramide,
cyclische Amine.

Beispiele für bevorzugte Lösungsmittel sind

Methanol, Äthanol, Isopropanol, n-Propanol,
tert.-Butanol, n-Butanol, Äthylenglykol, Acetonitril, Propionitril, Matonitril, Succinnitril,
Äthylenglykolmonomethyläther.Nitromethan,
Nitroäthan, Dimethylformamid, Dimethylacetamid, N-Methylpyrrolidon, Dimethylsulfoxid,
Hexamethylphosphoramid, Pyridin.

In Wasser als Reaktionsmedium ist die Lösungsgeschwindigkei; von Acrolein und Methylmercaptan geringer, wodurch die Reaktionsgeschwindigkeit erniedrigt wird. Bei ausreichender Reaktionszeit kann jedoch auch in Wasser eine annehmbare Ausbeute erreicht werden. In Gemischen aus organischem Lösungsmittel und Wasser können die Reaktanten selbst in hoher Konzentration eingesetzt werdca.

Die Reaktion dieser Stufe wird bei Temperaturen von etwa 40 bis 150⁰C durchgeführt to

Die Reaktionsdauer in dieser Stufe ist nicht kritisch; gewöhnlich ist die Umsetzung in etwa 0,5 bis 3 Stunden beendet

Has so als Zwischenprodukt erhaltene Hydantoin wird danach der zweiten Verfahrensstufe, der Hydrolyse, unterworfen. Es ist wünschenswert, vor der Durchführung der Hydrolyse zuerst das bzw. die Lösungsmittel aus dem Reaktionsgemisch abzudestillieren.

Die zweite Stufe kann nach üblicherweise zur Hydrolyse von Hydantoinen verwendeten Methoden durchgeführt werden, beispielsweise durch Erhitzen mit Natronlauge.

Danach kann D,L-Methionin in einfacher Weise in Form reiner Kristalle aus dem Reaktionsgemisch erhalten werden, indem man es wie üblich isoliert und reinigt, beispielsweise durch Behandlung mit einem geeigneten Ionenaustauscherharz oder durch Neutralisation.

Beispiel 1

56 g (1 Mol) Acrolein mit einem Gehalt an 0,1 Gewichtsprozent N-Phenyl-0-naphthyiamin, 48 g (1 Mol) Methylmercaptan, 27 g (1 Mol) Cyanwasserstoffsäure und 240 g (24 Mol) Ammoniumcarbonat wurden zusammen mit 1000 ml Methanol in einen 2-Liter-AutokJav gegeben, wobei äußere Kühlung angewendet wurde. Das Reaktionsgemisch wurde 1,5 Stunden unter Rühren auf 8O⁰C erhitzt und dann unter vermindertem Druck eingedampft Danach wurden dem erhaltenen braunen Feststoff 600 ml 3 N-NaOH zugesetzt und durch 14stündiges Erhitzen auf 160⁰C hydrolysiert Das Reaktionsgemisch wurde auf eine Säule mit einem stark sauren Kationenaustauscher aufgebracht die danach mit einer 5%igen wäßrigen Ammoniaklösung eluiert wurde. Das Eluat wurde mit Aktivkohle behandelt und eingeengt Durch Umkristallisieren aus Wasser wurden 134 g kristallines D₁L-Methionin (90% der Theorie) erhalten

beschriebenen Weise aufgearbeitet wobei 12,0 g D,L-Methionin (80,7% der Theorie) erhalten wurden.

Beispiel 3

In der nachstehend beschriebenen Weise wurden Umsetzungen in verschiedenen organischen Lösungsmitteln durchgeführt In einen 100-ml-Dnickreaktor aus rostfreiem Stahl wurden 2^4 g Acrolein mit einem Gehalt an 0,1 Gewichtsprozent Methoxyhydrochinon und 9^g Ammoniumbicarbonat zusammen mit 40 ml eines der nachstehend angegebenen organischen Lösungsmittel eingeführt Der Reaktor wurde durch äußere Kühlung mit Trockeneis/Methanol auf -30⁰C abgekühlt Dann wurden 2,0 g kaltes flüssiges Methylmercaptan aus einer Bombe in den Reaktor eingeleitet Außerdem wurden 1,1 g flüssige Cyanwasserstoffsäure in den Reaktor eingeführt Dann wurde der Reaktor dicht verschlossen und 2 Stunden in einem Ölbad bei 70⁰C geschüttelt Danach wurden das Lösungsmittel und die nicht umgesetzten Reaktanten aus dem Reaktionsgemisch entfernt Zu dem Rückstand wurden 40 ml 2N-NaOH gegeben, und das Gemisch wurde während 1,5 Stunden bei 160° C hydrolysiert

Das Reaktionsprodukt wurde in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise behandelt, wobei D,L-Methionin in der nachstehend genannten Ausbeute (bezogen auf Acrolein) erhalten wurde.

Organisches Lösungsmittel	D,L-Methionin (%)
Methanol	89,2
Äthanol	88,5
³⁵ Äthylenglykol	80,6
Acetonitril	86,5
Dimethylformamid	85,5
Tetrahydrofuran	75,6
Dimethylsulfoxid	82,1
⁴⁰ Chloroform	76.2
Benzol	74,8
Aceton	73,0
Äthylenglykolmonomethyläther	763

Beispiel 2

In einen 300-ml-Autoklav wurden 5,6 g Acrolein mit einem Gehalt an 0,1 Gewichtsprozent Hydrochinon, 5,6 ml Methylmercaptan, 3,2 g Cyanwasserstoffsäure und 24 g Ammoniumbicarbonat zusammen mit 200 ml sauerstofffreiem Wasser gegeben. Nach dem Verdrängen der Atmosphäre in dem Autoklav durch Stickstoff te wurde das Reaktionsgemisch 14 Stunden unter Rühren auf 8O⁰C erhitzt dann unter vermindertem Druck eingeengt wobei ein Teil des Wassers und der nicht umgesetzten Reaktanten abdestilliert wurde. Der Rückstand wurde mit 100 ml 2 N-NaOH versetzt urd dann mit Wasser auf 200 ml verdünnt Das erhaltene Gemisch wurde 14 Stunden auf 160° C erhitzt Das Reaktionsprodukt wurde dann in der im Beispiel 1

Beispiel 4

Unter den im Beispiel 3 angegebenen Reaktionsbedingungen wurden mit Gemischen aus Wasser und Methanol als Lösungsmittel folgende Methionin-Ausbeuten erhalten.

Methanol	Wasser	D,L-Mcthionin (%)
40	0	864
30	10	84.0
20	20	83,5
10	30	823
0	40	81,1

Beispiel 5

In einen 100-ml-Druckreaktor wurden 2,24 g Acrolein mit einem Gehalt an 0,1 Gewichtsprozent /?-Naphthylamin, 2,0 g Methylmercaptan, 1,1g Cyanwasserstoffsäure und 3 Moläquivalente einer der nachstehend

angegebenen zur Hydantoinbildung erforderlichen Verbindungen zusammen mit Methanol eingeführt Die Reaktion wurde dann in der im Beispiel 3 beschriebenen Weise durchgeführt. Die erzielten Ergebnisse sind nachstehend zusammengefaßt

NH3/CO2 bzw. entsprechende Salze D,L-Methionin Beispiel 6

Unter den sonstigen im Beispiel 3 beschriebenen Versuchsbedingungen wurden in Methanol als Lösungsmittel in Abhängigkeit von der bei der Hydantoinbildung vorgegebenen Reaktionstemperatur folgende Ausbeuten an D,L-Methionin erhalten:

Ammoniumcarbonat Ammoniumbicarbonat Ammoniumcarbamat Flüssiges Ammoniak 1 Festes Kohlendioxid J Ammoniumchlorid 1 Natriumcarbonat J

88,1 88,8 85,6

86,5 83,1

10 Temperatur bei der Hydantoinherstellung

.

15

D,L-Methionin (%)

85,1 88,2 87,9 84,5 77,1

Claims

Patentansprüche:

. 1. Verfahren zur Herstellung von DX-Metakrain durch Umsetzung von Acrolein, Methylmercaptan, Cyanwasserstoffsäure, Ammoniak oder einer Ammoniak oder Anunoniumionen liefernden Verbindu9g und Kohlendioxid oder einer Kohlendioxid oder Carbonationen liefernden Verbindung zu S^-MethybnercaptuäthyQ-hydantom und anschließende Hydrolyse dieses Hydantoins, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung zu diesem Hydantoin in einer Stufe bei gleichzeitiger Anwesenheit sämtlicher Reaktionspartner und eines Lösungsmittel in Gegenwart eines übBchen Poh/merisatronsinhibitors bei einer Temperatur von etwa 40 bis 150⁰C durchführt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel ein organisches Lösungsmittel oder ein wäßrig-organisches Losungsmittel einsetzt
3. Verfahren nach Anspruch ! oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses in niedere] aliphatischen Alkoholen als Lösungsmittel cfrrchfOhrt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man dieses in Methanol als Lösungsmittel durchfuhrt