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Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von D-Arabinose
durch Oxidation von D-Gluconat mit Hypochlorit.
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Es sind bereits eine große Zahl von Verfahren bekannt, nach denen
auch Arabinose hergestellt werden kann.
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In der Regel sind dies Abbauverfahren, bei denen eine Kohlenhydratkette
um 1 C-Atom verkürzt wird.
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So wird beim Weerman-Abbau Gluconsäureamid mit Natriumhypochlorit
abgebaut. Beim Ruff-Abbau wird Calcium-D-Gluconat mit H202 in Gegenwart von Eisen(III)-Acetat
zu Arabinose oxidiert. Andere Abbaureaktionen gehen vom Aldonsäurenitril, vom Aldoxim
oder vom Aldosediäthylmercaptal aus, die mit Dinitrofluorbenzol oder Perpropionsäure
umgesetzt werden.
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Alle diese Reaktionen eignen sich nicht für eine großtechnische Synthese,
da entweder die Ausbeuten mit 30 - 40 % nur sehr gering sind oder aber die verwendeten
Ausgangsmaterialien oder Reagenzien zu teuer sind.
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Das trifft auch zu für den Vorschlag, D-Arabinose ausgehend von D-Glucose
in einem Eintopfverfahren durch Oxidation mit Natriumhypochlorit herzustellen.
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Dabei wird jedoch auch nur eine Ausbeute von etwa 35 % der Theorie
über beide Stufen erreicht.
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Es bestand deshalb ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung
von Arabinose, das nicht nur leicht zugängliche Ausgangsmaterialien verwendet, sondern
auch mit preiswerten Reagenzien sowohl hohe absolute Ausbeuten als auch gute Raum/Zeit-Ausbeuten
liefert. Diese Aufgabe wurde durch die vorliegende Erfindung gelöst.
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Es wurde nämlich gefunden, daß überraschenderweise die Ausbeute bei
der Oxidation von z.B. Natriumgluconat mit Hypochlorit wesentlich verbessert werden
kann, wenn die Reaktion bei einem pH-Wert von etwa 4 - 6, in konzentrierten Lösungen
und bei erhöhter Temperatur durchgeführt wird.
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Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Herstellung
von D-Arabinose durch Oxidation von Gluconat mit Hypochlorit, das dadurch gekennzeichnet
ist, daß man zu einer etwa 10 - 40 Gew.-%igen wässerigen Gluconat-Lösung bei einer
Temperatur von etwa 30 - 900 C und einem pH-Wert von etwa 4 - 6 eine etwa 10 bis
20 %ige Hypochlorit-Lösung zudosiert und danach die gebildete Arabinose aus dem
Reaktionsgemisch isoliert.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen vor allem in
der sehr hohen Ausbeute von etwa 70 - 75 %
der Theorie und der Verwendung
von sehr leicht zugänglichen und daher sehr preiswerten Ausgangsmaterialien und
Reagenzien. Dies ist überraschend, denn es war zwar aus dem J. Amer. Chem. Soc.,
Band 81, Seite 5190 (1959) bekannt, daß Gluconat mit Natriumhypochlorit zu Arabinose
oxidiert werden kann. Dabei wird jedoch wegen der Instabilität des Hypochlorits
nur in sehr verdünnter Lösung und bei relativ niedrigen Temperaturen gearbeitet.
Die Oxidation, zu der etwa das 2,5fache der theoretischen Menge an Hypochlorit eingesetzt
wird, läuft dabei über etwa 20 - 30 Stunden und liefert nur eine Ausbeute von etwa
40 %.
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überraschenderweise kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch
die Verwendung von erhöhten Temperaturen nicht nur eine doppelt so hohe Ausbeute
erzielt werden, sondern man kann darüber hinaus auch bei sehr viel höheren Konzentrationen
arbeiten. Da auch die Reaktionszeit von etwa 20 - 30 Stunden bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren auf etwa 10 - 60 Minuten verkürzt werden kann, wird dem erfindungsgemäßen
Verfahren eine um Zehnerpotenzen verbesserte Raum/Zeit-Ausbeute erreicht. Dies ist
besonders deshalb überraschend, weil an sich Arabinose unter diesen Verfahrensbedingungen
in schneller Reaktion mit Hypochlorit weiter oxidiert bzw. abgebaut wird.
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Trotz dieser einen schnellen Umsatz und großtechnischen Durchsatz
ermöglichenden Bedingungen wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar noch das
Oxidationsmittel sehr viel besser ausgenutzt als bei der vorbekannten Reaktion.
Bei der erfindungsgemäßen Reaktion werden nämlich nur etwa 1,0 - 1,5, in der Regel
etwa 1,1 - 1,2 Äquivalente des Oxidationsmittels benötigt gegenüber 2,5 Äquivalenten
bei der bekannten Reaktion.
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Um diese überraschend vorteilhaften Verfahrensbedingungen erreichen
zu können, ist es keineswegs nötig, besonders
reine Ausgangsmaterialien
zu verwenden. Das als Ausgangsmaterial verwendete Natriumgluconat kann in sehr guter
Ausbeute in üblicher Weise durch Fermentation oder durch chemische oder elektrochemische
Oxidation aus D-Glucose gewonnen werden. Es ist ohne weiteres möglich und wird auch
vorteilhafterweise so gehandhabt, die dabei anfallende Gluconatlösung direkt einzusetzen.
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Da z. B. bei der bekannten Fermentation von Glucose eine etwa 20 -35
%ige Gluconat-Lösung anfällt, wird vorteilhafterweise direkt mit dieser Lösung weitergearbeitet,
obwohl an sich auch höher konzentrierte Lösungen zu verwenden sind.
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Diese Gluconat-Lösung wird auf eine erhöhte Temperatur zwischen etwa
30 und etwa 900 C gebracht, vorzugsweise 0 auf etwa 50 - 70 C, und man stellt mit
einer Säure, vorzugsweise einer Mineralsäure, insbesondere Salzsäure, auf einen
pH-Wert von etwa 4 - 6, insbesondere etwa 4,5 - 5,5 ein Zur Oxidation der Gluconsäure
läßt man dann eine relativ konzentrierte Hypochlorit-Lösung zufließen, wobei man
durch gleichzeitige Säurezugabe, vorzugsweise Salzsäure, den pH-Wert der Reaktionslösung
konstant hält. Trotz der bekannten Instabilität von Hypochlorit, das sich besonders
in saurer Lösung sehr leicht unter Chlor-Entwicklung zersetzt oder in neutraler
Lösung zu Chlorat und Chlorid disproportioniert, kann offenbar die Oxidationsreaktion
mit diesen Zerfallsreaktionen konkurrieren, und es wird bei der erfindungsgemäßen
Reaktion sogar erstaunlicherweise auch in Bezug auf eingesetztes Hypochlorit eine
bessere Ausbeute als bei der bei tiefer Temperatur und niedriger Konzentration ablaufenden
bekannten Reaktion erreicht. In der Regel werden 1,1 - 1,2 Äquivalente des Oxidationsmittels
eingesetzt.
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Die Hypochlorit-Lösung wird so zudosiert, daß innerhalb von etwa 10
- 60 Minuten, vorzugsweise etwa 30 Minuten die Zugabe beendet ist. Selbstverständlich
kann das Zudosieren auch über einen längeren Zeitraum erfolgen, was bei sehr großen
Ansätzen auch durchaus zwingend sein kann.
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In der Regel wird man jedoch versuchen, mit einer möglichst kurzen
Zeit auszukommen. Man rührt danach noch kurz bis überschüssiges Hypochlorit verschwunden
ist und kann dann D-Arabinose auf übliche Weise isolieren.
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Dazu wird die Reaktionslösung zunächst nach üblichen Methoden von
Kochsalz und nicht umgesetztem Gluconat, z.B.
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durch Elektrodialyse oder durch Ionenaustausch, befreit.
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Durch Eindampfen der Lösung und durch Ausrühren z. B.
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mit Methanol erhält man dann in hoher Ausbeute sehr reine D-Arabinose.
Die dabei schon sehr hoch liegende Gesamtausbeute kann noch gesteigert werden, wenn
das zurückgewonnene Gluconat erneut eingesetzt wird.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren steht somit ein Verfahren zur
Verfügung, durch das in sehr vorteilhafter Weise D-Arabinose gewonnen werden kann,
die z.B. als Zwischenprodukt für die Vitamin B2-Synthese genutzt werden kann.
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Beispiel 1 a) Umsetzung von D-Glucose zu Natrium-D-Gluconat.
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In einem Fermenter werden 10 1 einer sterilen wässerigen Lösung,
die 1,5 kg D-Glucose . H20, 10 g Cornsteep-Trockensubstanz, 10 g Ammoniumdihydrogenphosphat,
10 g Kaliumdihydrogenphosphat, 5 g Magnesiumsulfat enthält und einen pH-Wert von
6,5 besitzt, bei einer Temperatur von 30 OC mit einer Schüttelkultur Acetobacter
Suboxydans ATCC 621 beimpft und unter Rühren belüftet. Durch Zudosieren von Natronlauge
wird ein pH-Wert von 5,5 - 6,0 aufrechterhalten. Nach etwa 40 Stunden, wenn die
Glucose vollständig zu Gluconat umgesetzt ist, wird gekühlt und zentrifungiert Natriumgluconat
kann durch Eindampfen der zentrifugierten Lösung in kristalliner Form mit uber 90
% Ausbeute gewonnen werden.
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b) Umsetzung von Natrium-D-Gluconat zu D-Arabinose.
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Eine Lösung von 218 g Natrium-D-Gluconat in 872 ml Wasser bzw. die
entsprechende Menge der Fermentationslösung aus Beispiel la) wird auf 60 OC erhitzt
und bei dieser Temperatur mit 532 ml einer Natriumhypochloritlösung mit einem Gehalt
von
16 % (Gew./Vol.) an aktivem Chlor versetzt, wobei durch gleichzeitige
Zugabe von etwa 80 ml konzentrierter Salzsäure der pH-Wert konstant bei 4,5 -5,0
gehalten wird. Danach wird die Lösung durch Elektrodialyse oder durch Ionenaustausch
(stark saurer und schwach basischer Austauscher) von Elektrolyten befreit. Durch
Eindampfen und Ausrühren des Rückstandes mit Methanol können 108 g (72 %) kristalline
D-Arabinose gewonnen werden.