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Verfahren zur Herstellung von ß-Alanin Die Erfindung betrifft ein
neues Verfahren zur Herstellung von ß-Alanin aus Acrylamid.
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ß-Alanin ist eine wichtige Aminocarbonsäure, und viele Versuche sind
gemacht worden, um es in einem wohlfeilen technischen Verfahren synthetisieren zu
können. Bis heute sind jedoch alle Verfahren zur Herstellung von ß-Alanin kostspielig,
entweder wegen der bei der Synthese verwendeten kostspieligen Reagenzien oder wegen
der dabei erhaltenen niedrigen Ausbeuten.
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So ist z. B. die Herstellung von ß-Alanin und seinen Salzen durch
Behandlung von acrylsaureri Salzen oder niederen Alkylestern der Acrylsäure mit
Ammoniumhydroxyd bekannt. Diese Verfahren benötigen zu ihrer Durchführung eine Druckapparatur,
und die mit ihnen erzielten Ausbeuten liegen bei etwa 5o bis 7o °/o. Durch die Erfindung
wird dieser apparative Nachteil beseitigt, und es werden Ausbeuten von go °/o und
mehr erzielt.
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Es wurde nämlich ein Verfahren gefunden, wodurch ß-Alanin in hohen
Gesamtausbeuten aus einem verhältnismäßig wohlfeilen Ausgangsstoff, nämlich Acrylamid,
in einem einfachen und leicht durchzuführenden Verfahren hergestellt werden kann.
Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird Acrylamid durch Zusammenbringen mit
einem stark basischen Katalysator polymerisiert und das polymere Zwischenprodukt
durch
Erwärmen mit einer wäßrigen Lösung einer Säure oder Base hydrolysiert. Es wird angenommen,
daß bei dieser Synthese folgende Reaktion abläuft:
Einer der Vorzüge dieses Verfahrens besteht darin, daß die Hydrolyse unmittelbar
nach der Polymerisation ohne vorherige Isolierung der Fraktionierung des Polymerisates
durchgeführt werden kann.
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Das Acrylamid wird durch Zusammenbringen mit einem stark basischen
Katalysator unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen polymerisiert. Jeder
stark basische Katalysator kann zur Katalyse der Polymerisation benutzt werden.
Beispiele brauchbarer Katalysatoren sind die stark basischen Alkalihydroxyde, wie
Natrium- und Kaliumhydroxyd; quaternäre Ammoniumhydroxyde, wie Benzyltrimethylammoniumhydroxyd;
Alkalimetallalkoholate, wie Natriummethylat, Natriumäthylat und Natriumtert.-Butylat
und die entsprechenden Kaliumalkoholate; Alkalimetallamide, wie Natriumamid, Kaliumamid;
Alkalimetallhydride, wie Natriumhydrid; Alkalimetallverbindungen von Triphenylmethan,
wie Triphenylmethylnatrium, und die Alkalimetalle selbst, wie Natrium und Kalium.
Die basische Verbindung wirkt als echter Katalysator für die Polymerisationsreaktion,
und daher kann jede :Menge von ihm von einem katalytischen Betrag bis zu einem großen
Überschuß gewünschtenfalls angewendet werden. Im allgemeinen wird eine Menge von
etwa 0,03 bis 10/" berechnet auf das Gewicht des Monomeren, verwendet.
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Die Polymerisation kann in Ab- oder Anwesenheit eines inerten flüssigen
Verdünnungsmittels durchgeführt werden. In jedem Fäll sollte sie in einem nicht
wäßrigen Medium, also unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen, ausgeführt
werden, um Anlagerung von Wasser an die Doppelbindung des Acrylamids zu verhindern.
Polymerisation im Block wird gewöhnlich bevorzugt, weil es dann nicht notwendig
ist, das inerte flüssige Verdünnungsmittel entweder vor-oder nach der Hydrolyse
zu entfernen. Es ist jedoch auch möglich, die Polymerisation in Lösung unter Verwendung
einer Flüssigkeit, welche unter den Reaktionsbedingungen inert ist, als Verdünnungsmittel
auszuführen. So kann z. B. das Verfahren in Gegenwart inerter organischer Flüssigkeiten,
wie der Kohlenwasserstofflösungsmittel, z. B. Hexan, Heptan, Octan, Benzol, Toluol
usw., tertiärer Alkohole, wie tert.-Butanol, tert.-Amylalkohol usw., Äther, wie
Dioxan, Dibutyläther, Diphenyläther, oder basischer Lösungsmittel, wie Pyridin und
Chinölin, durchgeführt werden. Es kann auch mit flüssigem Ammoniak als Verdünnungsmittel
gearbeitet werden. Jede gewünschte Menge von Lösungsmittel kann benutzt werden,
aber im allgemeinen wird eine solche Menge gewählt, daß man Lösungen mit Gehalten
von 2 bis 5004, vorzugsweise von etwa io bis 2o0/" Acrylamid erhält.
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Die Temperatur, bei welcher die Polymerisation ausgeführt wird, kann
in einem weiten Bereich in Abhängigkeit von dem Katalysator, der Verwendung eines
Lösungsmittels usw. schwanken. Wenn sie z. B. im Block oder in einem inerten organischen
Verdünnungsmittel vor sich geht, kann eine Temperatur von etwa 25 bis 2oo°, vorzugsweise
von etwa 8o bis iio°, angewendet- werden. Wird die Polymerisation in flüssigem Ammoniak
durchgeführt, so können Temperaturen bis -4o° unter Verwendung eines Katalysators
wie Natriumamid angewendet werden.
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Acrylamid erfährt in Anwesenheit eines Peroxydkatalysators oder eines
anderen freie Radikale erzeugenden Katalysators leicht eine Additionspolymerisation,
worin die Polymerisation durch die Reaktion der Doppelbindung eines Moleküls mit
der Doppelbindung eines anderen erfolgt unter Bildung eines Polymers nachstehender
Struktur:
Um zu vernisiden, daß eine solche Polymerisation während der basisch katalysierten
Polymerisation gemäß der Erfindung auftritt, wird eine Verbindung zugesetzt, welche
diese Art der Polymerisation verhindert, die als eine frei radikal veranlaßte Polymerisation
bekannt ist. Diese Verbindungen verhindern aber nicht die Art der Polymerisierung,
welche durch einen stark basischen Katalysator hervorgerufen wird. Alle Verbindungen,
welche als Inhibitoren für radikal veranlaßte Polymerisation bekannt sind, können
verwendet werden, z. B. Hydrochinon, Chinon, Phenyl-ß-naphthylamin usw. Vorzugsweise
wird ein nicht hydroxylischer Inhibitor verwendet, da ein höhermolekulares Zwischenprodukt
bei seiner Verwendung erhalten wird. Die Menge an solch einem zuzusetzenden Inhibitor
schwankt naturgemäß über einen weiten Bereich, liegt aber im allgemeinen innerhalb
eines Betrages von 0,005 bis o,1 °%. berechnet auf das Gewicht des Acrylamids.
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Die für diese erste Stufe bei dem Verfahren nach der Erfindung erforderliche
Zeit hängt von der Temperatur,
dem Katalysator und der Verwendung
eines inerten Verdünnungsmittels ab. Wenn z. B. die Polymerisation in einem Blockverfahren
ausgeführt wird, wird ein hochmolekulares Zwischenprodukt innerhalb weniger Minuten
erhalten. Eine längere Zeit kann jedoch erforderlich sein, wenn die Polymerisation
in einem Lösungsverfahren durchgeführt wird. Der Grad, bis zu welchem die Polymeiisation
durchgeführt wird, ist nicht entscheidend. Für höhere Ausbeuten an ß-Alanin und
Verringerung der Verunreinigung, welche durch die Gegenwart von Vinylendgruppen
im Polymer hervorgerufen wird, ist es jedoch erwünscht, daß das Zwischenprodukt
einen Polymerisationsgrad von mindestens 1o erreicht. Gewöhnlich läßt man die Polymerisation
bis zu einem so hohen Polymerisationsgrad fortschreiten, wie er sich in einer wirtschaftlich
tragbaren Zeit einstellt.
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Wie oben erwähnt, kann die Hydrolyse des Polymers in der Regel unmittelbar
im Reaktionsgemisch ausgeführt werden. Dieses ist der Fall, wenn die Polymerisation
im Block oder in einem inerten organischen Verdünnungsmittel durchgeführt wird,
das nicht mit Wasser mischbar ist. In diesem Fall ist es vorteilhaft, das Lösungsmittel
durch Filtrieren, Destillieren oder andere Maßnahmen vor der Hydrolyse zu entfernen.
Wenn jedoch flüssiges Ammoniak oder ein anderes mit dem bei dem nächsten Schritt
verwendeten hydrolysierenden Mittel reagierendes Lösungsmittel als Verdünnungsmittel
benutzt wird, ist es naturgemäß notwendig, das Lösungsmittel vor dem Beginn der
Hydrolysestufe zu entfernen.
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Die Hydrolyse des Polymers wird leicht durch Zusatz von Wasser und
einer Säure oder Base und anschließende Erwärmung der Reaktionsmischung bis zur
Vollendung der Hydrolyse ausgeführt. Jede starke Mineralsäure kann zum Katalysieren
dieser Hydrolysereaktion benutzt werden, so z. B. eine Mineralsäure, wie Chlorwasserstoffsäure,
Schwefelsäure, Phosphorsäure, Bromwasserstoffsäure, Jodwasserstoffsäure, oder eine
organische Säure, wie Trichloressigsäure. Die Konzentration der zugesetzten wäßrigen
sauren Lösung ist nicht entscheidend, aber im allgemeinen wird eine Konzentration
von etwa 2o bis 5o °% angewendet. Die Hydrolyse kann auch mit einer Base, z. B.
einem Alkalihydroxyd, wie Natrium- oder Kaliumhydroxyd, einem Erdalkalihydroxyd,
z. B. Barium- oder Calciumhydroxyd, ausgeführt werden. Die Temperatur, bei welcher
diese Hydrolyse durchgeführt wird, kann über einen weiten Bereich schwanken. Die
untere Grenze ist diejenige, bei welcher die Hydrolyse noch mit-wirtschaftlich tragbarer
Geschwindigkeit voranschreitet, und die obere Grenze ist durch die Beständigkeit
des ß-Alanins oder seiner Salze in dem Hydrolysemedium gegeben. Wenn z. B. eine
Base, wie Bariumhydroxyd, zur Durchführung der Hydrolyse benutzt wird, sind höhere
Temperaturen und längere Reaktionszeiten erforderlich als bei Verwendung einer Säure
als Hydrolysiermittel. Unter solchen Umständen kann es erwünscht sein, die Reaktion
unter Druck und bei Temperaturen bis zu 2oo° auszuführen, um die Hydrolyse während
einer angemessenen Zeit zu Ende zu bringen. Somit kann die Hydrolysestufe bei Temperaturen
von etwa 5o bis 2oo°; vorzugsweise bei 8o bis 16o°, ausgeführt werden. Die für die
Hydrolyse erforderliche Zeit schwankt mit der Stärke der als Hydrolysiermittel verwendeten
Säure oder Base und der -Temperatur.- Gewöhnlich reicht es aus, das Polyiper mixt
dem Hydrolysiermittel am Rück flußkühler für kurze Zeit zu erhitzen.
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Das Verfahren, mittels welchem das ß-Alanin abgetrennt und gereinigt
wird, hängt von dem für seine Herstellung benutzten Verfahren ab. Wenn eine Säure
zum Katalysieren der Hydrolyse verwendet - wird, kann sie aus dem Hydrolysat durch
beliebige übliche Mittel entfernt werden. Sie kann z. B. mit einer Verbindung, welche
mit dem Säureanion ein unlösliches Salz bildet, neutralisiert werden, z. B. Bariumhydroxyd,
Bariumcarbonat, Calciumhydroxyd; Calciumcarbonat. Die Säure kann auch mittels eines
Anionen austauschenden Harzes oder durch ein beliebiges anderes Mittel entfernt
werden. Wenn Schwefelsäure benutzt wird, kann jedes neutralisierende Mittel, welches
einen wasserunlöslichen Stoff mit der Schwefelsäure bildet, zur Entfernung der überschüssigen
Säure benutzt werden. Wenn ein Carbonat für diesen Zweck verwendet wird, wird das
ß-Alanin als Sulfat isoliert, welches dann mit einem Erdalkalihydroxyd zwecks Freisetzung
der Aminocarbonsäu_ re behandelt wird. Wenn Chlorwasserstoffsäure als Hydrolysiermittel
verwendet wird, kaurx da9 ß-Alanin aus seinem Hydrochlorid mit Triäthylamin oder
einem beliebigen anderen üblichen Mittel gewonnen werden. Wenn eine basische Hydrolyse
ausgeführt wird, wird das ß-Alanin als Metallsalz gewonnen und mit einer Säure in
Freiheit gesetzt. Bei der Verwendung von Barium- oder Calciumhydroxyd kann Kohlendioxyd
zur Gewinnung des freien ß-Alanins verwendet werden. Das ß-Alanin kann dann weiter
durch Umkristallisieren aus einem geeigneten Lösungsmittel wie wäßrigem Methanol
gereinigt werden.
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Das folgende Beispiel erläutert das Verfahren. Beispiel Zu einer Mischung
aus 1o Teilen Acrylamid und 0,05 Teilen Phenyl-ß-naphthylamin wurde eine Lösung
von 0,4 Teilen Natrium in 15 Teilen tert.-Butanol zugesetzt. Das tert.-Butanol wurde
im Vakuum bei 40° entfernt und die Reaktionsmischung bis zur Bildung einer homogenen
Schmelze erwärmt. Eine kräftige exotherme Reaktion setzte ein,- und die Reaktion
war nach 2 bis 3 Minuten beendet. Ein Überschuß (4o Teile) 50 °/oiger wäßriger Schwefelsäure
wurde zugegeben und das Reaktionsgemisch am Rückflußkühler 4 Stunden erwärmt. Es
wurde dann auf einen pH-Wert von 7 -mit heißem wäßrigem Bariumhydroxyd eingestellt.
Das Bariumsulfat wurde abfiltriert und der Niederschlag zweimal mit Wasser gewaschen.
Die vereinigten Filtrate wurden im Vakuum zur Trockne eingedampft, wobei ein Sirup
erhalten wurde, welcher beim Abkühlen kristallisierte. Es wurde eine Ausbeute von
go°/o ß-Alanin, berechnet auf das angewendete Acrylamid, erhalten. Beim Umkristallisieren
aus heißem Methanol wurde eine Substanz mit einem Schmelzpunkt von 195 bis 1g6°
erhalten. Der Schmelzpunkt
einer Mischung mit einem bekannten Muster
von ß-Alanin zeigte keine Erniedrigung.