-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Produktion von Zuckeralkoholen.
Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von Anhydrozuckeralkoholen aus Zuckeralkoholen, welches
nicht die Verwendung von organischen Lösungsmitteln benötigt.
-
Hintergrund
-
Die
chemische Ausbildung von organischen Molekülen mit geschlossenen Ringen
hat viele Fragen für
die organische Strukturchemika aufgeworfen. Dies trifft insbesondere
mit Blick auf Synthesereaktionen zu, welche Zucker und Polyole einschließen, bei
denen Säuredehydratation
zu inneren Anhydroverbindungen führen
(Mono- und Dianhydro-Produkten).
Fleche und Huchette, Staerke, 38 (1985) 26–30.
-
Die
früheste
Arbeit in diesem Gebiet wurde mit 1,4:3,6-Dianhydro-D-Mannitol von
Fauconnier in 1884 durchgeführt.
Nur sporadische Arbeit folgte bis in die 1940er und 1950er, wo intensive
Arbeit mit allen möglichen
Isomeren von 1,4:3,6-Dianhydro-Hexitolen
durchgeführt
wurden. Seit dem hat sich ein großer Komplex an chemischer Literatur
in diesem Gebiet entwickelt.
-
Die
1,5:3,6-Dianhydro-Hexitole gehören
zu den sogenannten "Biomasse-abgeleiteten
Substanzen", erhältlich aus
natürlichen
Produkten. Folglich werden diese Verbindungen als "regenerierbare Ressourcen" klassifiziert. Des
weiteren können 1,4:3,6-Dianhydrohexitole,
wie z.B. Isosorbid (Isosorbit; engl.: isosorbide) als Ausgangsmaterialien
und Zwischenprodukte in verschiedenen organischen Synthesereaktions-Schemata eingesetzt
werden. Beispielsweise ist Isosorbid bedeutsam für die Ausbildung verschiedener
pharmazeutischer Verbindungen, bei der Nahrungsmittelherstellung,
bei der Kosmetikaproduktion, in der Plastik- und Polymerproduktion
und in anderen industriellen Anwendungen, wie z.B. in der Produktion
von Polyurethan, Polycarbonat, Polyestern und Polyamiden. Stoss
und Hemmer, 1991.
-
Von
den benannten Isohexiden gilt Isosorbid als dasjenige mit der höchsten Bedeutung.
Stoss und Hemmer (1991) beschreiben die möglichen Schritte, welche von
D-Glucitol (auf dem Gebiet auch als Sorbitol bezeichnet) zu Isosorbid.
Saure Medien werden im allgemeinen eingesetzt, zur Dehydratation
von Zucker-Alkoholsubstrat. Speziell, um die Ausbeute zu erhöhen und
Nebenreaktionen zu vermeiden, wurden bestimmte Modifikationen der
Reaktionsbedingungen über
die Jahre eingesetzt, mit verschiedenerlei Auswirkungen auf die
Ausbeute des Isosorbid-Produktes. Stoss und Hammer, 1991.
-
Verschiedene
Prozesse zur Herstellung von Anhydro-Zuckeralkohol (einschließend Isohexide, wie
z.B. Isosorbid) sind bekannt. Siehe beispielsweise die PCT-Anmeldenummer PCT/US99/00537 (WO00/14081),
worin Verfahren gesammelt werden und ein kontinuierliches Produktionsverfahren
offenbart wird unter Rückgewinnung
von organischen Lösungsmitteln.
Die meisten Verfahren involvieren die Verwendung von konzentrierten
Säuren
und organischen Lösungsmitteln.
Goodwin et al. (Carbohydrate Res. 79 (1980), 133–141) haben ein Verfahren offenbart,
involvierend die Anwendung von saurem Kationenasustauscher-Harz
anstelle von konzentrierten korrosiven Säuren, jedoch mit geringer Ausbeute
an Isosorbid-Produkten. Ein alternatives Übersättungsbasiertes Verfahren wird
offenbart in US-Patent Nr. 4,564,692 (Feldmann et al., Jan. 14,
1986). Jedoch besteht nach wie vor auf dem Gebiet ein Bedarf für ein Verfahren
zum Herstellen von sehr sauberem Isosorbid in vernünftigen
Ausbeuten und vorzugsweise ohne die Anwendung von potentiell schädlichen
organischen Lösungsmitteln.
-
Die
US 4,861,513 offenbart eine
Polyalkoholmischung hergestellt durch Erhitzen und Dehydratisieren
einer Reaktionsmischung umfassend D-Sorbitol und L-Sorbitol oder
eine Mischung davon in der Gegenwart eines saueren Katalysators.
Explizit wird ein wässriger
Sorbitolsirup erwähnt,
der zusammen mit Natrium-Hypophosphat-Hydrat unter Rühren mit Stickstoffblubbern
erhitzt wird, wozu Schwefelsäure bei
einer Temperatur von 100°C
hinzugegeben wird. Nach Destillation des Wassers wird das erhaltene Produkt
in Wasser zur Entsalzung aufgelöst
und schließlich
unter Vakuum eingedampft.
-
GB600870 offenbart die Herstellung
von 1:4-3,6-Dianhydriden von Mannitol und Sorbitol aus Sucrose oder
Invertzucker durch Hydrieren desselben in einer Atmosphäre von Wasserstoff
bei hohem Druck und hoher Temperatur, katalysiert mit Raney-Nickel
in der Gegenwart von Natrium- und Kalziumcarbonaten.
-
DE 488602 offenbart ein Verfahren
zum Herstellen von Sorbitol-abgeleiteten Produkten, wobei 100 äquivalente
Sorbitol für
25 Minuten bei 140°C
erhitzt werden, in Schwefelsäure
neutralisiert werden und einer Destillation unterzogen werden.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Anhydro-Zuckeralkoholen aus
Zuckeralkoholausgangs-Materialien. Der Prozess resultiert in sehr
sauberen Produkten mit relativ hohen Ausbeuten ohne die Anwendung
von anorganischen Lösungsmitteln.
-
Im
allgemeinen involviert der Prozess das Erhitzen eines geeigneten
Zuckeralkohol-Ausgangsmaterials
unter Rühren
bis zur Schmelze; Dehydratisieren des geschmolzenen Ausgangsmaterials
in der Gegenwart eines geeigneten Katalysators (beispielsweise einer
löslichen
Säure oder
eines saueren Ionenaustauscher-Harzes) unter Rühren und unter Vakuum bei erhöhter Temperatur;
Aufreinigen des Anhydrozuckeralkohols, beispielsweise durch Destillation
und anschließend
durch Schmelzkristallisation und/oder Re-Destillation; und Isolieren
des letztendlich aufgereinigten Produkts (beispielsweise durch Zentrifugation
oder alternativ durch Filtration.
-
Detaillierte
Beschreibung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt einen Lösungsmittel-freien Prozess
zur Herstellung von sehr reinen Anhydrozuckeralkoholen zur Verfügung. Der Prozess
der vorliegenden Erfindung schließt im allgemeinen die Schritte
des Schmelzens des Zuckeralkohol-Ausgangsmaterials,
des Erhaltens erhöhter Temperatur
und des Zugebens eines geeigneten Katalysators unter Anwendung von
Vakuum bei Rühren über einen
langen Zeitraum (der von den Reaktionsbedingungen abhängen wird),
hinreichend, um das gesamte Wasser zu entfernen, ein. Die resultierende Anhydrozuckeralkohol-Mischung
wird dann einer Aufreinigung sowie einem Abtrennungsprozess unterzogen
und das Anhydrozuckeralkohol-Produkt von hoher Reinheit wird erzeugt.
-
Typische
Zuckeralkohole insbesondere Pentide und Hexide sind geeignet als
Ausgangsmaterialien in dem Prozess der Erfindung. Die Ausgangsmaterialien
können
Zuckeralkohole, Monoanhydrozuckeralkohole oder eine Mischung solcher
Alkohole einschließen.
Im allgemeinen schließen
die bevorzugten Ausgangsmaterialien Arabinitol, Ribitol, D-Glucitol
(auch im Stand der Technik bezeichnet als D-Sorbitol oder Sorbitol
und hier auch als Sorbitol bezeichnet), D-Mannitol (oder Mannitol),
Galactitol (Dulcitol), Iditol und dergleichen ein. Sorbitol ist
ein besonders bevorzugtes Ausgangsmaterial, da es leicht verfügbar ist
und da reines Isosorbid sehr bedeutsam in einer Vielzahl von chemischen
und pharmazeutischen Anwendungen ist.
-
In
dem ersten Schritt des Prozesses der vorliegenden Erfindung wird
das ausgewählte
Ausgangsmaterial geschmolzen. Falls beispielsweise Sorbitol das
Ausgangsmaterial darstellt, wird es auf ungefähr zumindest 100°C oder zumindest
bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzt. Für Anhydrozuckeralkohole liegt
diese Temperatur im allgemeinen zwischen ungefähr 100°C und ungefähr 191°C. Für Sorbitolpulver, um ein spezielles
Beispiel zu nennen, liegt die bevorzugte Schmelztemperatur zwischen
ungefähr 98°C und ungefähr 105°C und die
noch mehr bevorzugte Schmelztemperatur liegt zwischen ungefähr 98°C und ungefähr 100°C. Sobald
es geschmolzen ist, wird Sorbitol einem Rührprozess unterzogen.
-
Ein
Katalysator, welcher die Dehydratation des Zuckeralkohols ermöglichen
wird, wird dann zum geschmolzenen Ausgangsmaterial hinzugegeben. Typischerweise
sind die Katalysatoren, welche verwendet werden, um die Dehydratation
der Zuckeralkohole zu ermöglichen,
sauere Katalysatoren. Die Klassen von saueren Katalysatoren bedeutend
zum Durchführen
der vorliegenden Erfindung und sind lösliche Säuren, saure Ionenharze und
anorganische Ionenaustauscher-Materialien. Folglich sind Säuren, wie
z.B. Schwefelsäure,
wie z.B. Schwefelsäure, Phosphorsäure, p-Toluensulfonsäure, p-Methansulfonsäure und
dergleichen zur Anwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugt.
Alternativ können beispielsweise
Zeolit-Pulver, wie z.B. CBV 3024 oder CBV 5534G (verfügbar von
Zeolist International), oder T-2665 oder T-4480 (verfügbar von
United Catalysis, Inc.) oder dergleichen zum Durchführen der vorliegenden
Erfindung verwendet werden. Mehr bevorzugt sind sauere Ionenharze,
wie z.B. AG50W-X12 von BioRad Laborstories, Amberlyst 15 oder 35
von Rohm & Hass
und RCP21H von Mitsubishi Chemical Corp., wie auch Dowex 50Wx4 (Dow Chemical
Co.). Amberlyst 35 ist ein insbesondere bevorzugtes Harz zum Durchführen der
vorliegenden Erfindung speziell zur Herstellung von Isosorbid aus Sorbitol.
-
Die
Menge des Katalysators, der verwendet wird, wird von den Reaktionsbedingungen
und dem Ausgangsmaterial abhängen,
die der Fachmann auf dem Gebiet leicht einsehen wird, wird aber
im allgemeinen in der Größenordnung
von ungefähr
0,01 Äquivalenten
bis 0,15 Äquivalenten – bezogen
auf das Gewicht – liegen.
Die hier bevorzugte Menge an Katalysator ist 0,1 Äquivalent
auf das Gewicht bezogen.
-
Es
ist möglich,
eine oder zwei Dehydratationen des Ausgangszuckeralkohols während der
Reaktion durchzuführen,
wodurch Mono- oder Dianhydrozuckeralkohole erzeugt werden. Die Reaktion
kann auch so kontrolliert werden, so dass sie eine Kombination von
Mono- und Dianhydrozuckeralkoholen erzeugt und zwar durch Einstellen
entweder der Reaktionsbedingungen oder des Ausgangsmaterials, welches – wie dem
Fachmann ersichtlich ist – sowohl
Zuckeralkohole als auch Monoanhydrozuckeralkohole enthalten könnte.
-
Die
Dehydratation in der Gegenwart des Katalysators wird durchgeführt unter
einem Vakuum bei erhöhten
Temperaturen und unter Rühren
mit der Reaktionsmischung. Das Vakuum kann von einem Druck von ungefähr 0,05
Torr bis ungefähr
40 Torr reichen, wobei bevorzugte Drücke von ungefähr 1 Torr bis
ungefähr
10 Torr liegen. Als ein spezielles Beispiel liegt der hier bevorzugte
Druck für
den Dehydratationsschritt in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung,
in welchem Isosorbid aus Sorbitol hergestellt wird, zwischen ungefähr 1 Torr
bis ungefähr
10 Torr. Bei der Herstellung von Isosorbid aus Sorbitol wird die
Dehydratation durchgeführt
für ungefähr 2 Stunden
unter konstantem Rühren,
bei einer Temperatur von ungefähr
120°C. Das
Wasser wird aus der geschmolzenen Sorbitol/Katalysatormischung unter einem
Vakuum von ungefähr
1 Torr bis ungefähr
10 Torr gezogen.
-
Es
wird natürlich
von den Fachleuten auf dem Gebiet leicht erkannt werden, dass in
einem Prozess, wie dem der vorliegenden Erfindung, welcher die Anwendung
sowohl von erhöhter
Temperatur als auch von Vakuum involviert, die spezifischen Parameter
des Prozesses, einschließend
die Zeit, die benötigt
wird, um bestimmte Schritte vollständig durchzuführen, abhängend von
dem Temperaturen und den eingesetzten Drücken variieren. Wie der Fachmann
auf dem Gebiet voraussehen würde,
haben beispielsweise die Erfinder bestimmt, dass höhere Vakuum-Grade
für den
Destillationsschritt zu den erwarteten niedrigeren Destillationstemperaturen
geführt
haben. Eine weitere Variable ist das ausgewählte Ausgangsmaterial, welches
einen speziellen Schmelz- und oder Destillationspunkt (wobei der letztgenannte
natürlich
vom Vakuum abhängt)
aufweist. Das gleiche gilt für
den Aufreinigungsprozess, wie unten beschrieben.
-
Jedoch
liegt es innerhalb der Fähigkeiten des
Fachmanns auf dem Gebiet, berücksichtigt
man die Offenbarung, wie hierin präsentiert, Prozessparameter
der Erfindung für
eine spezielle Anwendung zu optimieren. Dies kann durchgeführt werden
mit nur wenigen vorläufigen
Experimenten und ohne übermäßige Experimentation
im Lichte der dargebotenen Offenbarung.
-
Folgend
auf die Dehydratationsprozedur wird die resultierende Mischung aufgereinigt.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird Vakuumdestillation eingesetzt, obwohl Alternativen, wie z.B.
Filtration oder der Zusatz von Aktivkohle mit nachfolgender Kristallisation
verfügbar
sind. Wie oben erwähnt,
werden die Parameter zur Vakuumdestillation vom Material, das aufgereinigt
werden soll, abhängen
und von der Temperatur und dem Druck; dies wird von den Fachleuten
auf dem Gebiet leicht eingesehen werden. Die Reaktionstemperatur
wird selbstverständlich
von der Temperatur abhängen,
bei welcher das aufzureinigende Material destilliert (im Destillationspunkt),
welcher wiederum vom im System angewandten Vakuum abhängt. Beispielsweise
ist im Falle von Isosorbid ein Bereich an Dampftemperaturen von
ungefähr
155°C bis
ungefähr
170°C bevorzugt; mehr
bevorzugt ist zwischen ungefähr
160°C und
ungefähr
170°C; sogar
noch mehr bevorzugt ist zwischen ungefähr 165°C und ungefähr 170°C. Der Vakuumdruck kann von
ungefähr
0,05 Torr bis ungefähr 40
Torr liegen; bevorzugt von ungefähr
1 Torr bis ungefähr
10 Torr. Beispielsweise sind, speziell im Hinblick auf die Vakuumdestillation
von Isosorbid, eine Vakuumtemperatur von ungefähr 1 Torr bis ungefähr 10 Torr,
eine Reaktionstemperatur in der Mischung (pot temperature) von ungefähr 110°C und eine
Gastemperatur von ungefähr
160°C bis
ungefähr
170°C derzeit
am meisten bevorzugt.
-
Um
des weiteren den Anhydrozuckeralkohol aufzureinigen und zu isolieren,
wird das Anhydrozuckeralkohol-Destillat einer Schmelzkristallisation
unterzogen. Das rückgewonnene
Destillatprodukt wird auf seinen Schmelzpunkt erhitzt (beispielsweise
für Isosorbid
auf ungefähr
65°C, bis
zur Schmelze und anschließend über die
Zeit abgekühlt,
bis der Kristallisationspunkt erreicht wird, jedoch nicht soweit,
dass das Material aushärtet.
Tatsächlich
ist eine breiartige Konsistenz bevorzugt, so dass das Material zentrifugiert
werden kann. Die Zentrifugation wird bei relativ hoher Geschwindigkeit
in einen relativ kurzen Zeitraum durchgeführt, wiederum, um Aushärten des Material
zu vermeiden und auch, um zu vermeiden, dass das gewünschte aufgereinigte
Anhydrozuckeralkoholendprodukt entnommen wird mit den verbleibenden
Verunreinigungen. Das resultierende Anhydrozuckeralkoholprodukt
sollte zumindest 98% rein sein und wird in den meisten Fällen zu
mehr als 90% rein sein (abhängend
von der Festigkeit des "Breis").
-
Die
vorliegende Erfindung wird im weiteren Detail in den folgenden nicht
begrenzenden Beispielen beschrieben.
-
Beispiel 1
-
Dieses
Beispiel beschreibt die Produktion sehr hoch reinen Isosorbids aus
Sorbitol unter Verwendung speziell bevorzugter Ausführungsform
des Prozesses der vorliegenden Erfindung.
-
Sorbitolpulver
(180,6 Gramm, 0,99 Mol) wurde in einem Dreihals-Rundkolben, ausgestattet
mit einem Rührer,
einer Temperatursonde und einem Vakuumanschluss, platziert. Das
Sorbitol wurde auf ungefähr
100°C zur
Schmelze erhitzt. Ein wässriges
Ionenaustauschharz, Amberlyst 35 (Rhom & Haas) (19,8 Gramm), wurde hinzugegeben
und das Vakuum wurde bei von ungefähr 1 Torr bis ungefähr 10 Torr
angelegt. Die Temperatur wurde erhöht von ungefähr 120°C auf ungefähr 130°C. Diese
Temperatur und die Vakuumparameter wurden für ungefähr 2 Stunden beibehalten unter
konstantem Rühren.
Die resultierende Mischung wurde dann im Vakuum destilliert bei
von ungefähr
1 Torr bis ungefähr
10 Torr, einer Umsatztemperatur von 180°C, einer Gastemperatur von 170°C. Das Destillat
wurde gesammelt und einer Schmelzkristallisation durch Erhitzen
auf ungefähr
65°C bis
zur Schmelze unterzogen, einem anschließenden Abkühlen ungefähr 30 Minuten bis ungefähr 45 Minuten
auf ungefähr
35°C, wobei
bei dieser Temperatur eine breiartige Lösung ausgebildet wurde. Diese
Lösung
wurde dann schnell zentrifugiert (um ein Aushärten zu vermeiden) und das
resultierende Isosorbid-Produkt
zeigte eine Reinheit von 99,3% mit einer insgesamten Ausbeute von
48%.
-
Beispiel 2
-
Der
gleiche Apparat und die gleichen operativen Bedingungen – außer den
unten spezifizierten – wurden
wie in Beispiel 1 verwendet. Nach Erhitzen von Sorbitol auf ungefähr 100°C in einen
geschmolzenen Zustand, wurde ein saueres Ionen-Austauscherharz, Amberlyst 15 (Rohm
und Haas, 24,2 g), hinzugegeben, und Vakuum wurde angelegt (5 bis
7 Torr). Das Erhitzen wurde auf 135°C erhöht und man ließ die Reaktion
kontinuierlich für
ungefähr
2 Stunden rühren.
Die resultierende Mischung enthielt 64,5% Isosorbid und wurde dann
aufgereinigt durch eine Prozedur, wie in Beispiel 1 beschrieben.
-
Beispiel 3
-
Der
gleiche Apparat und die gleichen operativen Bedingungen, – außer denjenigen,
wie spezifisch unten beschrieben – wurden wie in Beispiel 1 verwendet.
Nach Erhitzen von Sorbitol auf ungefähr 100°C in einen geschmolzenen Zustand
wurde ein saueres Ionenaustauscherharz, Dowex 50WX4 (18,1 g), hinzugegeben,
und Vakuum wurde angelegt (7–9 Torr).
Das Erhitzen wurde auf 135°C
verstärkt
und die Reaktion wurde kontinuierlich über 2 Stunden gerührt. Die
Reaktionsmischung enthielt 64,1% Isosorbid. Aufreinigung wurde dann
durchgeführt.
-
Beispiel 4
-
Der
gleiche Apparat und die gleichen operativen Bedingungen – außer diejenigen,
wie unten beschrieben – wurden
wie in Beispiel 1 eingesetzt. Nach Erhitzen von Sorbitol auf ungefähr 100°C in einen
geschmolzenen Zustand wurde das saure Ionen-Austauscherharz Amberlyst 35 (Rohm und Haas,
11,7 g) hinzugegeben, und Vakuum wurde angelegt (9–12 Torr).
Das Erhitzen wurde auf 135°C verstärkt und
die Reaktion kontinuierlich für
2 Stunden gerührt.
Die resultierte Mischung enthielt 18.6% Sorbitan und 73,4% Isosorbid.
Die Mischung wurde dann aufgereinigt unter Verwendung der oben beschriebenen
Prozedur.
-
Beispiel 5
-
Der
gleiche Apparat und die gleichen operativen Bedingungen – außer denjenigen,
wie unten beschrieben – wurden,
wie in Beispiel 1 eingesetzt. Nach Erhitzen von Sorbitol auf ungefähr 100°C in einen
geschmolzenen Zustand wurde das sauere Ionen-Austauscherharz RCP21H (Mitsubishi Chemical Corporation,
12,9 g) hinzugegeben und Vakuum wurde angelegt (7–9 Torr).
Das Erhitzen wurde auf 135°C vergrößert und
man ließ die
Reaktion kontinuierlich unter Vakuum für ungefähr 5 Stunden rühren. Die
resultierende Mischung enthielt 68,9% Isosorbid. Die Mischung wurde
dann aufgereinigt und unter Verwendung der oben beschriebenen Prozedur.
-
Beispiel 6
-
Der
gleiche Apparat und die operativen Bedingungen – außer denjenigen, wie unten beschrieben – wurden,
wie in Beispiel 1 verwendet. Sorbitol (221,4 g, 0,99 mol) wurde
erhitzt auf ungefähr
100°C in
einem geschmolzenen Zustand. Zu dieser Zeit wurde ein sulfatisiertertes
Zirkoniapellet (#416/03 Japan Energy Corporation, 57,7 g) hinzugegeben
und Vakuum wurde angelegt (5–7
Torr). Das Erhitzen wurde auf 150°C
verstärkt
und die Reaktion ließ man kontinuierlich
für 7 Stunden
rühren.
Die resultierende Mischung enthielt 2,2% Sorbitol, 56% Sorbitan
und 22,9% Isosorbid.
-
Nachdem
nun die vorliegende Erfindung in gewissem Detail in der Verwendung
von Erläuterungen
und Beispielen zum Zwecke der Klarheit des Verständnisses beschrieben worden
ist, wird nun für
den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein, dass die Erfindung
durchgeführt
werden kann durch Modifizieren oder Verändern der Erfindung mit einem
weiten und äquivalenten
Bereich von Bedingungen, Formulierungen und anderen Parametern davon.
Desweiteren wird dem geübten
Fachmann offensichtlich sein, dass solche Modifikationen oder Veränderungen
als eingeschlossen beabsichtigt sind, sofern sie innerhalb des Umfangs
der beigefügten
Ansprüche liegen.