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Verfahren zum Abtrennen und Reinigen
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von wasserlöslichen, nicht-ionischen Verbindungen
Die
Erfindung betrifft den Gegenstand der Ansprüche.
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Zu den bisher unzureichend gelösten Aufgaben in der organischen Chemie
gehört die Abtrennung gut wasserlöslicher anorganischer und organischer Salze von
solchen Verbindungen, die selbst gut wasserlöslich sind. Meist verwendet man hierfür
Ionenaustauscher im Mischbett-Verfahren oder hintereinander geschaltete Kationen-
und Anionen-Austauscher. Das Regenerieren dieser Austauscher, besonders bei technischer
Anwendung, ist recht aufwendig und kostenintensiv wegen der großen Mengen an Säuren
und Basen, die zum Regenerieren benötigt werden.
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Auch ist bekannt, daß mit Adsorberharzen eine Entsalzung zu erreichen
ist. Die hohe Empfindlichkeit dieser Adsorberharze gegenüber Restmengen an Lösungsmittel
oder organischen Salzen ist problematisch, da diese dazu neigen, die zu entsalzende
Substanz mitzuschleppen und zum sogenannten Schlupf führen, d.h.
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dem Miteluieren der an sich zu reinigenden Substanz mit den Salzen.
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Die Anwendung an sich üblicher Verfahren zur Extraktion aus wässrigem
Medium ist nicht möglich, da die Polarität wasserlöslicher, nicht-ionischer Verbindungen
annähernd der des Wassers entspricht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war, ein Verfahren bereitzustellen,
mit welchem sich wasserlösliche> nichtionische Verbindungen quantitativ von gut
wasserlöslichen ionischen Salzen trennen und somit reinigen lassen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wurde durch die Verwendung von silanisiertem
Trennmaterial zur Chromatographie gelöst.
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Als silanisierte Treunmaterialien lassen sich allgemein hydrophile,
chemisch inerte Verbindungen, deren freie -OH, -NH2 etc. -Gruppen mit z.fl. Chlor-Trimethylsilan
oder Dichlor-Dimethylsilan oder Dichlor-Dioctylsilan bzw. analogen Silizium-Verbindungen
chemisch in -O-Si-C Bindungen, in hydrophobe, inerte Verbindungen überführt wurden,
verwenden. Genannt seien beispielsweise silanisiertes Kieselgel, silanisiertes Aluminiumoxid
und silanisiertes räumlich vernetztes Polysacharid auf Dextranbasis.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird so ausgeführt, daß die Rohsubstanz
auf eine zweckmäßigerweise mit leichtem Druck betriebene Säule als wässrige Lösung
gegeben wird. Dabei wird das organische Material quantitativ gebunden. Man eluiert
zunächst mit Wasser die Salze (Entsalzungsphase), dann weitere ionische organische
Substanzen als Verunreinigungen (Reinigungsphase). Das gewünschte, nicht ionische
wasserlösliche Produkt wird in den meisten Fällen mit Wasser allein nicht desorbiert.
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Mann kann nun entweder isokratisch mit einem Zusatz von einem niederen
aliphatischen Alkohol, wie Methanol oder Ethanol oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel,
wie Dioxan oder Tetrahydrofuran, Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid u.a., das gewünschte
Produkt von der Säule wieder eluieren oder man fraktioniert durch einen Wasser/Lösungsmittel-Gradienten
geeigneter Relation.
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Als geeignet hat sich ein Bereich von 1-50 ,~, vorzugsweise 5-20 ~~erwiesen.
Man erhält so in hoher Ausbeute
ein reines Produkt, das abgestuft
nach seiner Polarität, von den Nebenprodukten befreit, eluiert werden kann.
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Die Produktreinheit liegt bei über 99 ,~.
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Das Verhältnis von silanisiertem Trennmaterial, wie Kieselgel zum
gewünschten Produkt liegt beim Entsalzen zwischen 2 : 1 bis zu 15 : 1, vorzugsweise
bei 10 : 1.
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Beim Reinigen verschiebt sich das Verhältnis von silanisiertem Trennmaterial
zum gewünschten Produkt auf 5 : 1 bis 100 : 1, vorzugsweise auf 15 : 1.
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Zum Eluieren sind prinzipiell Wasser und alle mit Wasser mischbaren,
weniger stark polaren Lösungsmittel geeignet.
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Genannt seien neben Ethanol die niederen aliphatischen Alkohole wie
Methanol und Isopropanol. Geeignet sind aber auch andere Eluierungsmittel wie Dioxan,
Tetrahydrofuran, Dimethylformamid und Dimethylsulfoxid.
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Das Rohprodukt kann Salze bis zu 50 X und Lösungsmittel ohne weiteres
bis 10 %, gegebenenfalls auch darüber, enthalten. Bei Lösungsmittelgehalten über
10 ~ hilft man sich, indem man das Rohprodukt statt in konzentrierter Form, z.B.
als 20 %ige Lösung, in einer Verdünnung von 1 : 10 (als 2 ziege Lösung) oder 1 :
100 (als 0,2 ziege Lösung) langsam auf das silanisierte Trennmaterial aufgibt. Dabei
eluieren die organischen Lösungsmittel mit ab, während das stark polare, nichtionische,
wasserlösliche gewünschte Produkt quantitativ festgehalten wird. Die Verdünnung
der Lösung sollte
dabei zweckmäßigerweise in einer Größenordnung
liegen, bei der der Gehalt an Fremdlösungsmittel im Wasser pro Volumeneinheit nicht
größer als 0,1o ist.
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Der Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens war insofern überraschend,
als nicht zu erwarten war, daß der geringe Unterschied in der Polarität in der Reihe
anorganische, organische Salze, polare organische Lösemittel und hochpolare, organische
nicht-ionische, wasserlösliche, polyhydroxilierte Verbindungen zu einem solchen
starken Unterschied in der Adsorption an silanisiertem Kieselgel führen würde.
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Ebensowenig war zu erwarten gewesen, daß die Bindungskapazität von
silanisiertem Kieselgel bezogen auf polyhydroxilierte, nicht-ionische organische
Verbindungen bis in die Größenordnung von 5 : 1 reicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich im Prinzip auf alle wässrigen
Lösungsgemische anwenden, die ionische neben nicht-ionischen Substanzen in variabler
Menge enthalten. Insbesondere läßt es sich beim Entsalzen und Reinigen von nicht-ionischen
jodhaltigen Röntgenkontrastmitteln anwenden. Diese fallen bei der Synthese meist
als anorganische oder organische Salze enthaltende wasserlösliche Polyhydroxy-Verbindungen
an und lassen sich häufig extrem schwer reinigen. Man hilft sich meist mit einer
Vorreinigung, wie dem Ausfällen einer methanolischen Lösung des Röntgenkontrastmittels
durch Zugabe von oder Einrühren in ein weniger polares Lösungsmittel, wie z.B. Isopropanol.
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Man erhält so ein vorgereinigtes Produkt, das noch Lösungsmittel und
Salze enthält, die meist in der Größenordnung
zwischen 1-5 ,~ Lösungsmittel
und 2-10 % Salzen liegen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann man nun über
silanisierten Kieselgel in einem Zug sowohl entsalzen wie auch reinigen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch weitgehend automatisieren.
Mit einem Mikroprozessor gesteuert kann dieses Verfahren zur vollautomatischen Reinigung
und Entsalzung von nicht ionischen Röntgenkontrastmitteln verwendet werden. So wird
im ablaufenden Wasser kontinuierlich oder diskontinuierlich durch Probenentnahme
automatisch die Leitfähigkeit gemessen und anhand dieser Werte der Salzgehalt registriert.
Liegt die Leitfähigkeit unterhalb eines über einen Programmer vorgegebenen Wertes,
kann die Elutionsgeschwindigkeit der wässrigen Lösung programmgesteuert erhöht werden.
Neben dieser programmgesteuerten Leitfähigkeitsmessung erfolgt die Messung des Jodgehaltes
durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Bestrahlung eines Teileluates mit
einer P Am-Americiumquelle, die zu einer Fluoreszenzstrahlung des in der Lösung
enthaltenen Jods führt, die gemessen und automatisch registriert wird. Parallel
hierzu wird über den Mikroprozessor ein W-Detektor gesteuert, der mit einer eingegebenen
Standardkurve die W-Kurve der auslaufenden wässrigen Lösung vergleicht. Nach Absinken
der Leitfähigkeit unter einen vorgegebenen Wert wird nun z.B. mit einem konstanten
Gemisch Wasser 90 %, Ethanol 10 ,~ die auf der Säule adsorbierte Substanz desorbiert.
Hierbei wird kontinuierlich oder diskontinuierlich die UV-Aktivität mit
einer
eingegebenen Standardkurve verglichen und hieraus der Reinheitsgrad des jeweils
abfließenden Eluates bestimmt. Über die programmierte Vorgabe kann nun z.B. ein
Substanzgemisch, das im Vergleich der W-Kurven 50 % Reinsubstanz enthält, gesondert
aufgefangen werden bis zu einem Reinheitsgrad von 90 ~1 dann von 90 - 99 5' und
schließlich ab 99 * die Reinsubstanz und zwar so lange, bis der W-Kurvenvergleich
zeigt, daß der Reinheitsgrad wieder unter 99 46 zu sinken beginnt. Je nach vorgegebenem
Programm können nun wieder stärker verunreinigte Substanzchargen gesondert aufgefangen
werden.
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Ist der Reinheitsgrad der abfließenden Substanz so weit abgesunken,
daß ihr weiterer Einsatz nicht mehr sinnvoll erscheint, wird über den im W-Kurvenvergleich
vorgegebenem Wert umgeschaltet auf ein Eluierungsgemisch von Wasser/Methanol 50
: 50. Es werden ca.
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5 Bettvolumina Lösungsmittel durchgepumpt. Anschliessend werden noch
einmal 5 Volumina Ethanol und danach 5 Volumina Wasser durchgepumpt. Über parallel
gesteuerte Leitfähigkeits- und Jodmessung wird bei dem vorgegebenen Wert das Entsalzen
und das Reinigen der Säule -beendet.
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Sie kann für eine neue Trennung ohne weitere Vorbehandlung wieder
verwendet werden.
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Die nachfolgenden Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren
erläutern.
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Beispiel 1 100 g reine Thiodipropionsäure-bis-[3.5-bis-2.3-dihydroxypropyl-N-methyl-carbamoyl)-2.4.6-trijod-anilidj,
die noch ca. 8 5' N-Methyl-amino-propan-diol-2.3 (überwiegend als Hydrochlorid)
und ca. 1 48 Methanol/Isopropanol als Restlösungsmittel enthalten, sowie weniger
als 0,1 5' Dimethyl-formamid, werden in 500 ml Wasser gelöst, mit Salzsäure auf
pH 7 eingestellt und auf eine 2,15 m lange Säule mit 500 g silanisiertem Kieselgel
gefüllte Säule gepumpt. Vor dem Aufpumpen der Produktlösung wird die Säulenfüllung
mit 20 1 Wasser, 5 1 Ethanol, 5 1 Methanol, 5 1 Methanol/Wasser 1 : 1 und wieder
mit 5 1 Wasser gespült. In der letzten Methanol/ Wasser- bzw. reinen Wasserphase
dürfen in 500 ml Eluat höchstens 10 mg von der Säule desorbiertes, unbekanntes Material
sein. Die Aufpumpgeschwindigkeit der Substanzlösung beträgt etwa 200 ml pro Stunde.
Mit der gleichen Pumpgeschwindigkeit wird mit Wasser weiter gepumpt. Ein Microprozessor
steuert die kontinuierliche Messung der Leitfähigkeit. Nach etwa 1 Liter Durchlauf
beginnt die Elution der Salze. Sie ist nach etwa 2 Litern durchgepumpten Wassers
beendet. Man pumpt solange Wasser weiter durch, bis die Leitfähigkeit auf 10 Siemens
abgesunken ist. Anschließend wird zum Eluieren des adsorbierten Produktes mit einem
Gemisch aus Ethanol 50%/Wasser 50% weitergepumpt. Man eluiert so die salzfreie Verbindung,
die über einen Sprühtrockner eingeengt wird. Anschließend wird die Säule wieder
regeneriert, indem 5 Liter Methanol/ Wasser (50 : 50), 5 Liter Ethanol/Wasser (50
: 50) und 5 Liter Wasser durchgepumpt werden, wobei die letzten
100
ml Wasser weniger als 1 mg Produkt enthalten.
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Man gewinnt das gewünschte Produkt in der angegebenen Reinheit, jedoch
ohne die Salze, quantitativ zurück.
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Beispiel 2 Analog Beispiel 1 werden die folgenden Produkte entsalzt:
| Leitfähigkeit in Siemens |
| Produkt (10ehige wässrige Lösung, |
| L-5α-Hydroxy-propionylamino- |
| 2. 4.6-trijod-isophthal-säure-bis- < 10 |
| (1.3-dihydroxy-propylamid) |
| 5-(N-2.3-dihydroxypropylacet- |
| amido)-2.4.6-trijod-N.N'-bis- <10 |
| (2.3-dihydroxypropyl)-isophthal- |
| amid |
| 5-Methoxy-acetylamino-2 .4.6- |
| trijod-isophthalsäure-[DL-2.3- <10 |
| dihydroxy-propyl)-(2.3-dihydroxy- |
| N-methyl-propyl )i-diamid |
| N- (3-Acetamido-5-N-methylacet- |
| amido-2.4.6-trijod-benzoyl)- # 10 |
| D- gluko s amin |
Beispiel 3 Eine 115 cm lange Säule mit einem Innendurchmesser
von 5 cm, gefüllt mit 1,3 kg silanisiertem Kieselgel der Korngröße 0,063 - 0,200
mm, wird solange mit einem Methanol/Wassergemisch 50 : 50, reinem Methanol und Wasser
behandelt, bis 500 ml Ethanol bzw. Wasser eingeengt einen Rückstand von weniger
als 10 mg enthalten.
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Die Säule wird vor dem Beschicken mit der Produktlösung noch einmal
mit 15 Liter Wasser gespült. Man löst 97 g Thiodipropionsäure-bis-#(3.5-bis-2.3-dihydroxy
propyl-N-methyl-carbamoyl)-2.4.6-trijod-anilidj mit dem gleichen Salz- und Lösungsmittelgehalt
wie im Beispiel 1, nach Einstellen auf pH 7, in ca. 400 ml Wasser und drückt diese
Lösung mit einer Geschwindigkeit von ca.
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200 ml pro Stunde auf die Säule. Man pumpt mit dieser Geschwindigkeit
weiter Wasser auf die Säule und mißt diskontinuierlich die Leitfähigkeit. Nach ca.
1 Liter aufgepumpter Flüssigkeit beginnt die Leitfähigkeit deutlich zu steigen,
erreicht bei ca. 1,4 Liter ein Maximum von 104 Siemens, fällt dann kontinuierlich
wieder ab, um nach ca. 3 Litern in der Größenordnung von ca. 500 Siemens zu liegen.
Diese Leitfähigkeit setzt sich additiv aus den Leitfähigkeitswerten der Ionen der
Salze und den Werten der Ionen von z.B. Carboxyl-Funktionen enthaltenden Verunreinigungen
des gewünschten Produkts zusammen. Man pumpt noch weitere 5 Liter destilliertes
Wasser durch und eliminiert nach den Salzen nun vornehmlich organische, jodhaltige
Nebenprodukte mit sauren Funktionen.
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Das Abfließen der Substanzen wird laufend durch kontinuierliche bzw.
diskontinuierliche Leitfähigkeitsmessung
verfolgt, wobei peakartig
die einzelnen Verunreinigungen der Reihe nach eluiert werden. Die Leitfähigkeit
sinkt hierbei bis auf 10 #Siemens ab und liegt damit unterhalb der Leitfähigkeit
von destilliertem Wasser. Danach beginnt man mit einem Elutionsgemisch von Wasser
: Ethanol wie 90 : 10 zu eluieren. Der gesamte Elutionsprozess, sowohl das Entsalzen
als auch das jetzt nachfolgende Reinigen, kann über einen Mikroprozessor gesteuert
werden. Dieser koordiniert die parallel laufende Leitfähigkeitsmessung mit dem Messen
des Jodgehaltes über eine Americium 241-Anregung und über eine, wie im Beispiel
1 beschrieben, vorgegebene W-Kurve sowohl die Geschwindigkeit der Elution als auch
die Selektion der einzelnen Fraktionen. Die jeweils aufgenommene W-Kurve wird verglichen
mit einer eingespeicherten Vergleichskurve des Reinmaterials und über den Mikroprozessor
so laufend der Reinheitsgrad des auslaufenden Eluats berechnet.
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Daneben werden Einzelproben entnommen, diese eingeengt und dünnschichtchromatographisch
die Qualität des Eluats geprüft. Es werden ca. 4 Liter Elutionsgemisch durchgepumpt.
Man erreicht einen Reinheitsgrad der abfließenden Substanz von ca. 99 5'. Diese
werden nun gesondert aufgefangen und die Elution ist nach dem Durchpumpen von weiteren
6 Litern insoweit beendet. Während des Durchpumpens von weiteren 3,5 Litern werden
Fraktionen unterschiedlichen Reinheitsgrades für eine spätere Chromatographie gesammelt
und abgenommen. Nun ist die Elution der Substanz beendet und die Säule wird, wie
im Beispiel 1 beschrieben, regeneriert. Faßt man die
Eluate zusammen,
so erhält man folgendes Ergebnis: 3 Liter 9,3 g Salze 9,6 5' vom Einsatz 7 Liter
5,8 g gewünschtes Produkt 6,0 5' vom Einsatz und Verunreinigungen 4 Liter 70,0 g
Reinsubstanz 72,0 5' vom Einsatz (80 5' der Theorie unter Abzug der Salze) 15 Liter
10,0 g Verunreinigungen u. 10,3 % vom Einsatz gewünschtes Produkt Die die Reinsubstanz
enthaltende Lösungsmittelmenge wird durch Eindampfen eingeengt} nach dem Einengen
in einem Gemisch Ethanol/Wasser wie 5 : 1,5 ca. 20 sig in der Wärme gelöst,filtriert
und anschließend erneut eingeengt.
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Nach Trocknen im Vakuum erhält man ein Produkt mit einem Reinheitsgrad
von über 99 % und Restlösemitteln wie Wasser und Ethanol in der Größenordnung von
<1 %.
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Beispiel 4 2 g Malonsäure-bis-[3.5-bis-(1.1-bis(hydroxymethyl)-methylcarbamoyl)-2.4.6-trijod-N-(2-hydroxy-ethyl)anilidi
werden in 5 ml Wasser gelöst und auf eine Säule, gefüllt mit 90 g silanisiertem
Kieselgel, gepumpt. Mit einer Pumpgeschwindigkeit von 100 ml/Stunde wird dann Wasser
nachgepumpt. In den ersten 50 ml sind die organischen Salze enthalten, neben kleinen
Mengen an organischen Nebenprodukten. Nach weiteren 100 ml Wasser
wird
die Reinsubstanz eluiert. Nach insgesamt 200 ml Wasser ist die Elution der Reinsubstanz
beendet. Man pumpt mit Ethanol/Wasser 50 : 50 nach. Hierbei wird zunächst noch die
gewünschte Verbindung verunreinigt mit unpolaren Nebenprodukten erhalten und dann
die Säule regeneriert. Das Regenerieren erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben. Man
erhält die Reinsubstanz in ca. 90 zeiger Ausbeute.