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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung einer
unreinen Substanz durch Emulsionskristallisation. Insbesondere ermöglicht die vorliegende
Erfindung die Herstellung hoch reiner kristalliner Materialien mit
hoher Ausbeute.
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Die
Kristallisation von Substanzen aus Emulsionen ist gut bekannt. Vgl.
EP 0 548 028 A1 und
WO 97/32644 , die beide dem
Inhaber der vorliegenden Erfindung gehören. Bei derartigen Emulsionskristallisationsverfahren
wird eine Emulsion aus organischen Flüssigkeitstropfen in einer kontinuierlichen wässrigen
Phase gebildet. Anschließend
wird eine Mischung aus Substanzen in der Emulsion gelöst und die
Emulsion mit der erwünschten
Substanz der Mischung übersättigt. Die
erwünschte
Substanz wird dann in der wässrigen
Phase gegebenenfalls mithilfe von Impfkristallen auskristallisiert.
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Die
vorliegende Erfüllung
baut auf dieser Technik auf, um eine ultrahohe Reinigung von Substanzen
mit hohen Ausbeuten zu ermöglichen.
Somit erhöht
die vorliegende Erfindung das kommerzielle Potenzial von Emulsionskristallisationsverfahren enorm.
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Die
vorstehend genannten Patentveröffentlichungen
beschreiben Emulsionskristallisationsverfahren zur Reinigung von
Substanzen, die gegebenenfalls kontinuierlich durchgeführt werden
können. Bei
diesen Verfahren werden gebildete Kristalle von der Emulsion abfiltriert
und das gebildete Emulsionsfiltrat erwärmt. Das erwärmte Emulsionsfiltrat
wird dann in einer Säule,
die von dem Gefäß, in dem
die Kristallisation stattfindet, getrennt gehalten wird, mit verunreinigter
Substanz in Berührung
gebracht. Dies dient zur erneuten Beladung des Emulsionsfiltrats
mit verunreinigter Substanz, das dann filtriert und abgekühlt und
erneut in das Kristallisationsgefäß eingebracht wird.
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Die
Durchführung
einer kontinuierlichen Emulsionskristallisation wie in diesen Patentveröffentlichungen
beschrieben kann einige Schwierigkeiten mit sich bringen. Die erforderliche
Ausrüstung
ist verhältnismäßig kompliziert
und verlangt eine externe Säule,
zwei Filter und zwei Wärmetauschereinheiten.
Die externe Säule
und die Filter neigen zum Verstopfen. Beim Verfahren besteht das
Risiko von Emulsionsverlusten während
des Entfernens ungelöster
Restrohstoffe in der Säule,
was den Wirkungsgrad verringert. Das erneute Beladen mit verunreinigter
Substanz in der externen Säule
erfolgt ohne den Vorteil des Rührens,
was ebenfalls den Wirkungsgrad verringert.
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Ein
weiterer Nachteil einiger Emulsionskristallisationsverfahren besteht
darin, dass ihre Ausbeute nach einem einzigen Kristallisationsschritt
aufgrund der Schwierigkeit beim Entfernen von Lösungsmittel aus der Mutterlauge
wesentlich geringer sein kann als die entsprechende Ausbeute, die
mittels klassischer Kristallisation erreicht wird. Oder die Emulsionen
kann nicht ausreichend mit verunreinigter Substanz beladen werden,
da dies zu einer Instabilität
der Emulsion, einer die Verarbeitung behindernden Viskosität und/oder
ungünstigen
Wachstumsbedingungen für
die Kristalle führen
würde.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Probleme des Standes der Technik durch Bereitstellung eines vereinfachten
Verfahrens zur Durchführung
der Emulsionskristallisation mit Recyceln der Emulsion. Die vorliegende
Erfindung stellt auch ein Verfahren für den Erhalt von Substanzen
mit ultrahohen Reinheitsgraden und hervorragenden Ausbeuten be reit. Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren zur Reinigung einer verunreinigten Substanz durch Emulsionskristallisation
gemäß Anspruch
1 bereitgestellt.
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Genaue Beschreibung der Erfindung
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Verunreinigte
Substanzen, die gemäß der vorliegenden
Erfindung gereinigt werden, können
beliebige Substanzen sein, die für
Emulsionskristallisationsverfahren geeignet sind. Die verunreinigte
Ausgangssubstanz enthält
in der Regel > 60
Gew.-% reine Substanz, vorzugsweise > 70 %, mehr bevorzugt > 80 %. Besonders gute Ergebnisse wurden
in Fällen mit > 95 % Reinheit erzielt,
was zu einer endgültigen Reinheit
der Substanz von beispielsweise > 99,9
% führte.
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Emulsionen
und ihre Bildung sind im Fachgebiet gut bekannt. Emulsionen sind
definitionsgemäß "Tropfen", die in einer "kontinuierlichen
Phase" dispergiert
sind. In der vorliegenden Erfindung sind die Tropfen organische
Flüssigkeitstropfen
und die kontinuierliche Phase ist eine wässrige Phase.
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Die
Emulsion enthält
gegebenenfalls Zusätze,
wie Tenside und Dispergiermittel, die im Fachgebiet bekannt sind,
um die Bildung und Stabilisierung der Emulsion zu fördern und
um den Transport der Substanz aus den organischen Flüssigkeitstropfen und
in die wässrige
Phase, in der die Kristallisation auf einer Kristalloberfläche (d.
h. entweder dem Impfkristall oder dem spontan gebildeten Kristall)
stattfindet, zu erleichtern. Derartige Tenside und Dispergiermittel
sind entsprechend der Art der Emulsion ausgewählt und können nichtionisch, anionisch
und/oder kationisch sein. Die Zusätze sind normalerweise in einer
Menge von 0,01–30
Gew.-%, vorzugsweise 0,1–20
Gew.-%, vorhanden.
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Die
Tropfen haben normalerweise einen Durchmesser von ungefähr 0,05
bis 80 μm.
Tropfen mit einem Durchmesser im Bereich von 0,3 bis 80 μm sind als "Makrotropfen" und die Emulsionen
als "Makroemulsionen" bekannt. Tropfen
mit einem Durchmesser im Bereich von 0,05 bis 0,3 μm sind als "Mikrotropfen" und die Emulsionen
als "Mikroemulsionen" bekannt. Zur Vereinfachung
werden die Begriffe "Tropfen" und "Emulsionen" im Sinne der Erfindung derart
verwendet, dass sie sowohl Makro- als auch Mikrotropfen und Makro-
und Mikroemulsionen erfassen.
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Die
organische Flüssigkeitsphase
der Tropfen ist wasserunlöslich. "Wasserunlöslich" bedeutet im Sinne
der Erfindung alles, was weniger ist als mit Wasser mischbar ist,
in den meisten Fällen
vermischt sich die organische Flüssigkeitsphase
bei der Temperatur, bei der die Kristallisation stattfindet, jedoch mit
Wasser in einer Menge von nicht mehr als 30 Gew.-%.
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Die
Emulsion kann ferner ein Puffermittel, wie Natriumacetat und Essigsäure, enthalten,
um den pH-Wert der Emulsion auf einem gewünschten Niveau zu halten, Gefrierschutzmittel
und die Löslichkeit
verändernde
Mittel, wie im Fachgebiet bekannt; und kann ebenfalls einen Lösungsvermittler
für die verunreinigte
Substanz, wie Aceton oder Methanol, enthalten, der nach der Kristallisation
ohne weiteres entfernt und wieder verwendet werden kann.
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Die Übersättigung
der Emulsion und die Einleitung der Kristallisation erfolgen auf
jede beliebige herkömmliche
Weise. Die Übersättigung
wird in der Regel durch Abkühlen
der Emulsion erreicht. Die Kristallisation kann entweder spontan
oder durch Beimpfen mit Impfkristallen der Substanz eingeleitet werden.
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Die
Bildung der ursprünglichen
Emulsion sowie das erneute Beladen des Emulsionsfiltrats mit verunreinigter Substanz
können
in dem Gefäß durchgeführt werden,
in dem die Kristallisation stattfindet, oder in einem getrennten
Gefäß. Dieses
getrennte Gefäß ist vorzugsweise
mit einem Rührer,
einer Einrichtung mit hoher Scherkraft und/oder einer Heizeinrichtung
ausgestattet, sodass eine optimale Emulsion erzeugt werden kann.
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Das
Isolieren von Kristallen aus der Emulsion kann auf jede beliebige
herkömmliche
Weise, wie Filtrieren oder Zentrifugieren, durchgeführt werden. Das
Zentrifugieren ist bevorzugt, da es zu einem höheren Prozentsatz an Emulsionsfiltrat
führt,
das von den Kristallen abgetrennt wird.
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Das
nach dem Isolieren der Kristalle erhaltene Emulsionsfiltrat wird
dann "erneut mit
verunreinigter Substanz beladen",
d. h., es wird verunreinigte Substanz zugegeben und gelöst. Das
Lösen kann
auf jede beliebige herkömmliche
Weise durchgeführt werden,
z. B. mit einem oder mehreren Elementen der Gruppe aus Ultraschall,
Erwärmen
und Rühren.
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Nach
dem erneuten Beladen und Lösen
der verunreinigten Substanz wird das Emulsionsfiltrat wie die ursprüngliche
Emulsion behandelt und weiter wie vorstehend beschrieben verarbeitet;
d. h., in der Substanz übersättigt, die
Kristallisation wird eingeleitet und die Kristalle werden isoliert.
Das Recyceln des Emulsionsfiltrats kann so lange durchgeführt werden,
wie akzeptable Ergebnisse erzielt werden. Mit zunehmender Wiederholung
des Recycelns des Emulsionsfiltrats besteht das Risiko, dass die
Reinheit der isolierten Kristalle mit zunehmendem Gehalt an Verunreinigungen
in der Emulsion abnimmt.
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Isolierte
Kristalle der Substanz können
auf bekannte Weise gewaschen werden, z. B. mit Wasser, das gegebenenfalls
Tenside enthält.
Das Aufbringen des Wasch- Wassers
auf die Kristalle, während
diese zentrifugiert werden, stellt eine besonders zweckmäßige Art
und Weise zu Durchführung
dieses Verfahrens dar.
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Es
folgen repräsentative
Beispiele, die in den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung fallen, aber
nicht als Begrenzung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung
gedacht sind:
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Beispiel 1 – Fluoren
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120
g technisch reines Fluoren (85%ige Reinheit) werden zu einem Liter
einer Mikroemulsion gegeben, die aus 10 % Acetophenon, 50 % Aceton, 10
% Synperonic NP 10 (einem Nonylphenoltensid, das mit 10 Mol Ethylenoxid
ethoxyliert ist; ICI PLC, Großbritannien)
und 30 % Wasser gebildet ist. Durch Erwärmen auf 95–100 ºC wird das gesamte Fluoren gelöst und bildet
eine klare Emulsion. Durch Abkühlen
auf Raumtemperatur wird die Emulsion übersättigt und ergibt innerhalb
von einer Stunde Fluorenkristalle.
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Die
gereinigten Kristalle werden durch Zentrifugieren aus der Emulsion
isoliert und das Emulsionsfiltrat wird zur Seite gestellt. Um überschüssiges Wasser
zu entfernen, werden die Kristalle mit insgesamt 0,5–2 Liter
Wasser gewaschen, während
sie zentrifugiert werden, und bei 50–60 °C getrocknet. Alternativ zum
Waschen beim Zentrifugieren können die
Kristalle in Wasser dispergiert und die Dispersion anschließend zentrifugiert
und getrocknet werden.
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Das
Emulsionsfiltrat wird nun erneut mit 80 g desselben technisch reinen
Fluorens beladen, das dann zum Lösen
von Fluoren auf 95–100 °C erwärmt wird.
Die gebildete Emulsion wird wie vorstehend beschrieben behandelt,
um gereinigte Kristalle und Emulsionsfiltrat zu ergeben. Dieses
Verfahren wird erneut wiederholt, sodass insgesamt drei Kristallisationen
durchgeführt
werden. Die erzeugten Fluorenkristalle haben eine Reinheit in der
Größenordnung von
95 %. Die Gesamtausbeute, die nach drei Kristallisationen aus 1
Liter der Emulsion erhalten wird, beträgt 83,5 %. Dies steht im Vergleich
zu einer Ausbeute von 70,6 % nach einer einzigen Kristallisation.
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Beispiel 2 – 2,4-Dinitrophenol
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140
g 2,4-Dinitrophenol (97%ige Reinheit) werden zu 2 Liter einer Lösung, bestehend
aus 2 % Soprophor FL (einem Tensid), 2 % Polyvinylalkohol (Molekulargewicht
15.000), 2,5 % Benzonitril und 93,5 % Wasser, gegeben. Das 2,4-Dinitrophenol
wird gelöst
und die Lösung
durch Erwärmen
auf 90–95 ºC und Einsetzen
von Ultraschall emulgiert. Feststoffreste werden abfiltriert. Die
Emulsion wird über
einen Zeitraum von 16 Stunden, in dem 2,4-Dinitrophenol mit rechteckigen
Plättchen
auskristallisiert, auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Kristalle werden filtriert
und mit 0,5 Liter 1%ige Synperonic-NP-10-Lösung und 1 Liter Wasser gewaschen.
Die gebildeten Kristalle haben eine Reinheit von > 99,9 %.
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Das
Emulsionsfiltrat wird erneut mit 93,5 g 97%igem 2,4-Dinitrophenol
beladen und erneut emulgiert. Die Emulsion wird weiter wie im vorstehenden
Absatz beschrieben behandelt. Das Verfahren wird ein drittes Mal
wiederholt.
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Beispiel 3 – Anthracen
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15
g technisch reines Anthracen (94,5%ige Reinheit) werden zu 1,5 Liter
einer Mikroemulsion gegeben, die aus 10 % Benzonitril, 50 % N-Methylpyrrolidon,
10 % Synperonic NP 10 und 30 % Wasser gebildet ist. Durch Erwärmen auf
95–100 ºC wird das gesamte
Anthracen gelöst
und bildet eine klare Emulsion. Durch Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Emulsion übersättigt und
ergibt innerhalb von zwei Stunden Anthracenkristalle.
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Die
gereinigten Kristalle werden durch Zentrifugieren aus der Emulsion
isoliert und das Emulsionsfiltrat wird zur Seite gestellt. Die Kristalle
werden mit insgesamt 0,5–2
Liter Wasser gewaschen, ein zweites Mal zentrifugiert und bei 50–60 °C getrocknet.
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Das
Emulsionsfiltrat wird nun erneut mit 15 g desselben technisch reinen
Anthracens beladen, das dann zum Lösen von Anthracen auf 95–100 °C erwärmt wird.
Die gebildete Emulsion wird wie vorstehend beschrieben behandelt,
um gereinigte Kristalle und Emulsionsfiltrat zu ergeben. Dieses
Verfahren wird erneut wiederholt, sodass insgesamt drei Kristallisationen
durchgeführt
werden. Die erzeugten Anthracenkristalle haben eine Reinheit in
der Größenordnung
von 99,8 %. Die Gesamtausbeute, die nach drei Kristallisationen
aus 1,5 Liter der Emulsion erhalten wird, beträgt 86,9 %. Dies steht im Vergleich
zu einer Ausbeute von 82,1 % nach einer einzigen Kristallisation.