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Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure In dem Hauptpatent 676
oi z ist ein Verfahren zur Herstellung von Ascorbinsäure beschrieben, das darin
besteht, daß man auf Diaceton-2-keto-l-gulonsäure konzentrierte Salzsäure einwirken
läßt und die" gebildete Ascorbinsäure aus der Reaktionsmischung nach üblichen Methoden
gewinnt.
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Bei der weiteren Ausarbeitung der Erfindung würde gefunden, daß man
nicht nur die Diaceton-2-keto-l-gulonsäure, sorndern auch die freie Säure selbst
und ihre Ester mit niederen aliphatischen Alkoholen der gekennzeichneten Umsetzung
unterwerfen bann.
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Es ist bekannt, 2-Keto-l-gulonsäure oder ihren Methylester mit verdünnter
Salzsäure in Ascorbinsäure umzulagern. Als besonders günstig wird dafür der pg-Bereich
0,3 bis 3,4 angegeben; das entspricht einer o,ooo4 bis o,5 n/Salzsäure. Dabei
werden jedoch nur sehr schlechteAusbeuten erzielt, so daß dieses Verfahren keine
praktische Anwendung zur Herstellung von Ascorbinsäure finden konnte.
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Bei der bekannten Empfindlichkeit der Ascorbinsäure gegen Salzsäure
ist es sehr überraschend, daß es nach der Erfindung gelingt, durch Arbeiten mit
konzentrierter Salzsäure den Umsetzungsgrad von der Größenordnung 20 bis 30 °/o
der Theorie (beirr Arbeiten mit verdünnter Salzsäure) auf über 8o °/o der Theorie
(mit konzentrierter Säure) zu heben.
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Die Durcharbeitung der Erfindung zeigte, daß die Einwirkung der konzentrierten
Salzsäure auf die Ketogulonsäure und ihre Ester mit niederen aliphatischen Alkoholen
weitgehend- analog der im Hauptpatent beschriebenen Einwirkung der konzentrierten
Salzsäure auf die Diaceton-ketogulonsäure verläuft: Die Ausbeute an Ascorbinsäure
steigt im allgemeinen mit der Konzentration der angewendeten Salzsäure, wenn man
die übrigen Bedingungen - Menge der Säure, Temperatur und Zeitdauer der Reaktion
-auf günstigste Werte einstellt. Es kann danach also vorteilhaft sein, die beim
Erhitzen weggehende Salzsäure durch dauerndes Einleiten von Salzsäuregas in die
Reaktionsflüssigkeit zu ersetzen oder im geschlossenen Gefäß (also unter Druck)
zu arbeiten. Änderungen der Temperatur innerhalb praktisch anwendbarer Grenzen bedingen
keine wesentlichen Veränderungen der Ausbeuten, nur ist dann die Zeitdauer stark
verschieden, innerhalb der die Höchstausbeute an Ascorbinsäure
erreicht
wird. Wenn man nämlich den Reaktionsverlauf durch Herausnähme von Proben und Titration
auf Ascorbinsäure verfolgt, sieht man unter allen Bedingungen, daß die titrierbare
Ascorbinsäure bis zu einer gewissen höchsten Ausbeuteziffer ansteigt, um dann (langsamer)
wieder abzufallen. Dieser Abfall ist auf die Zersetzung der Ascorbinsäure durch
die vorhandene Salzsäure zurückzuführen. Z. B. war bei der Behandlung von Ketogulonsäuremethylester
mit Salzsäure von der Dichte i,ig bei Zimmertemperatur die günstigste Ausbeute (85
% der Theorie) unter bestimmten Versuchsbedingungen nach 5 Tagen erreicht,
worauf die titrierbare Ascorbinsäure in der Reaktionsmischung langsam zurückging.
Bei 6o° und unter sonst gleichen Versuchsbedingungen war bereits nach i Stunde das
Maximum der Ascorbinsäurebildung erreicht. Erhitzt man noch höher (auf ioo°), so
wurden noch wesentlich kürzere Zeiten benötigt.
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Ähnliche Verhältnisse liegen bei der Umlagerung der freien Keto-1-gulonsäure
(z. B. 85 % Ausbeute beim Erhitzen mit io Teilen Salzsäure von der Dichte
i,ig auf 6o° näch 21/2 Stunden) vor. Für die technische Ausnutzung der Reaktion
sind Reaktionstemperaturen unterhalb der Zimmertemperatur - zu zeitraubend, während
man bei Reaktionstemperaturen oberhalb etwa 8o° so rasch arbeiten müßte, daß dies
nur durch besondere apparative Mittel durchzuführen wäre. Die für die Praxis am
besten brauchbaren Zeiten liegen bei Reaktionstemperaturen zwischen 4o und 6o°,
die deshalb vorzuziehen sind.
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Die Menge der Salzsäure im Verhältnis zur Ketogulonsäure bzw. deren
Ester ist nicht ohne Einfluß auf den Reaktionsverlauf. Es ist z. B. günstiger, io
Teile Salzsäure auf i Teil Substanz zu nehmen, als mit gleichen Teilen zu arbeiten.
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Aus diesen Ergebnissen ist zu entnehmen, daß für jeden abgeänderten
Ansatz die günstigste Dauer der Reaktion zunächst durch Titration von laufend entnommenen
Proben ermittelt werden muß. Weitere Ansätze unter genau gleichen Bedingungen können
dann zum so ermittelten günstigsten Zeitpunkt abgebrochen werden. Die Aufarbeitung
der Reaktionslösung auf reine Ascorbinsäure erfolgt nach den üblichen Methoden.
Man kann z. B. die dunkel gefärbte Reaktionslösung durch Tierhöhle aufhellen, dann
die Salzsäure eindampfen und den Rückstand aus Wasser umkristallisieren. Wegen der
Empfindlichkeit der Ascorbinsäure gegen Salzsäure wird man das Eindampfen der Salzsäure
vorzugsweise unter Vakuum und bei niederer Temperatur vornehmen. Man kann die Salzsäure
natürlich auch neutralisieren, hat aber dann mit der Unbequemlichkeit zu rechnen,
die Ascorbinsäure von Salzen abtrennen zu müssen.
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Neben komplizierteren Verfahren, die für die praktische Technik kein
Interesse haben, ist es bekannt, Ascorbinsäure dadurch herzustellen, daß man 2-Keto-l-gulonsäuremethylester
in absolutem Methanol mit Natriummethylat behandelt, wobei die Umlagerung zu Ascorbinsäure
stattfindet. Bei diesem Verfahren wird in wasserfreien organischen Lösungsmitteln
gearbeitet, während nach der Erfindung in wäßriger Lösung gearbeitet werden kann.
Für die Technik bedeutet der Ersatz eines organischen Lösungsmittels durch Wasser
in jedem Falle einen erheblichen Fortschritt.
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Ferner wird beim bekannten Verfahren Natriummethylat, Natriumäthylat
oder Natriumamid benutzt, Substanzen, die unter Verwendung von metallischem Natrium
hergestellt werden müssen. Letzteres ist bekanntlich eine mit besonderer Vorsicht
handzuhabende Substanz, und es bedeutet eine Erleichterung, statt dessen mit ungefährlicheren
Mitteln arbeiten zu können.
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Die beim bekannten Verfahren zugesetzten Alkalien müssen vor der Gewinnung
der Ascorbinsäure durch Zusatz von Mineralsäuren neutralisiert werden. Es entstehen
also in der Lösung wasserlösliche Alkalisalze (praktisch: Natriumchlorid), von denen
die Ascorbinsäure, die in Wasser ebenfalls leicht löslich ist, durch fraktionierte
Kristallisation oder unter Verwendung organischer Lösungsmittel abgetrennt werden
muß.
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Nach der Erfindung erhält man eine wäßrige Lösung, die neben Ascorbinsäure
nur die leichtflüchtige Salzsäure und gegebenenfalls einen gleichfalls leichtflüchtigen
niederen Alkohol enthält. Durch einfaches Eindampfen im Vakuum kann man also die
genannten Produkte leicht entfernen und die Ascorbinsäure aus der zurückbleibenden
Lösung frei von Alkalisalz gewinnen. Dieser Vorzug der Erfindung hat sich für die
Herstellung von reiner Ascorbinsäure als außerordentlich wertvoll erwiesen, da es
recht schwer ist, Ascorbinsäure in wohlfeiler Weise von beigemischtem Kochsalz zu
reinigen.
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Beispiele i. i Teil K,etogulonsäuremethylester wird mit i o Teilen
Salzsäure vermischt und bleibt bei 25° stehen. Täglich wird eine Probe der Lösung
herausgenommen und mit n/io Jodlösung bei saurer Reaktion titriert. Nach etwa 5
bis 7 Tagen sind 85 bis 9o °/o der Theorie an Ascorbinsäure gebildet. Die dunkel
gefärbte Lösung wird dann auf 3 .Teile Eis gegossen, über Tierkohle filtriert und
im
Vakuum bis zur Kristallisation eingedampft. Der kristallisierte
Rückstand wird mit Alkohol gewaschen. Der Waschalkohol wird nach Zusatz von Wasser
zur Entfernung des Alkohols im Vakuum eingeengt. Der Rückstand wird mit der Mutterlauge
der ersten Kristallisation vereinigt, mit Wasser verdünnt und abermals mit Tierkohle
behandelt. Beim Einengen im Vakuum erhält man eine zweite Kristallisation, die in
der gleichen Weise behandelt wird.. Aus den Mutterlaugen ist eine dritte Kristallisation
zu erhalten.
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Die Rohsäure ergibt bereits nach einmaligem Umkristallisieren völlig
reine Ascorbinsäure in einer Ausbeute von etwa 75_% der Theorie.
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2. 1 Teil Ketogulonsäuremethylester wird mit 2o Teilen konzentrierter
Salzsäure (D. = i,ig) auf 6o° erhitzt. Der Versuch wird nach i Stunde (durch Titration
ermitteltes Optimum der Reaktion.) abgebrochen und wie im Beispiel i aufgearbeitet.
Man erhält Ascorbinsäure in einer Ausbeute von 70 bis 8o % der Theorie.
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Gegen eine Veränderung der Menge der angewendeten Salzsäure ist die
Reaktion nicht sehr empfindlich; es werideiz gute Ausbeuten auch mit 5 Teilen Salzsäure
auf i Teil Ketogulonsäuremethylester erhalten.
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Leitet man während der Reaktion dauernd Salzsäuregas durch die Lösung,
um eine möglichst hohe Salzsäurekonzentration aufrechtzuerhalten, so ergibt sich
eine wesentliche Beschleunigung der Reaktion, aber nur eine unwesentliche Verbesserung
der Ausbeute.
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3. 1 Teil Ketogulonsäuremethylester wird mit lo Teilen konzentrierter
Salzsäure (D-. = i, 19) im geschlossenen Gefäß (unter Druck) bei 6o° gehalten.
Bereits nach i Stunde sind fast 9o % der Theorie an Ascorbinsäure gebildet.
Nach einer weiteren Stunde hat diese Ausbeute noch nicht merklich abgenommen. q..
1 Teil Ketogulonsäura wird mit lo Teilen Salzsäure (D. = i,ig) "auf 6o° erwärmt.
Nach :2 bis 21/2 Stunden ist die durch Titration genau zu ermittelnde Höchstausbeute
an Ascorbinsäure erreicht. Durch Aufarbeiten analog Beispiel i erhält man etwa 75
% der Theorie an Ascorbinsäure.
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Wird der Versuch bei q.0° durchgeführt, so muB er nach etwa 22. Stunden
abgebrochen werden.
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5. 30 g Butylester der Ketogulonsäure (erhalten durch Kochen
von Ketogulonsäure mit Butanol bei Gegenwart geringer Mengen Salzsäure, als nicht
kristallisierender Sirup) werden mit ioo ccm wäßriger, konzentrierter Salzsäure
(D. - i,i9) im Wasserbad auf 70° erwärmt. Durch dauernde Entnahme von Proben und
Titration mit nflo Jodlösung wird der Grad der Umlagerung des Butylesters messend
verfolgt. Nach i Stunde ist der Höhepunkt der Reaktion erreicht. Die Umwandlung
des Butylesters erreicht 50 0/0 des theoretisch möglichen Wertes. Die Ascorbinsäure
wird aus der Reaktionslösung in der üblichen Weise isoliert (vgl. Beispiel i).