NL9302127A - Werkwijze voor het bereiden van 2-keto-aldonzuren. - Google Patents

Description

Titel: Werkwijze voor het bereiden van 2-keto-aldonzuren.

De uitvinding heeft betrekking op de selectieve heterogene katalytische oxidatie van aldonzuren tot 2-keto-aldonzuren.

Een dergelijke werkwijze is bekend uit het Europese octrooischrift 151 498. Volgens dit octrooischrift worden 2-keto-aldonzuren bereid door een waterige oplossing van een aldose of aldonzuur te oxideren met moleculaire zuurstof in aanwezigheid van een platinakatalysator samen met een katalytische hoeveelheid lood en/of bismut en/of een verbinding hiervan. De pH van de waterige oplossing ligt bij 4 tot 12 en bij voorkeur bij 7 tot 9. Volgens alle voorbeelden oxideert men bij een constante pH van 8, door tijdens de reactie continu een waterige oplossing van een alkalimetaalhydroxide of -carbonaat toe te voegen. Dit kan gebeuren door middel van een automatische titrator.

Met behulp van geschikte microörganismen kan men gluconzuur met opbrengsten tot 100% omzetten in 2-keto-gluconzuur. Dergelijke opbrengsten kunnen tot nu toe niet bereikt worden door middel van katalytische oxidatie met moleculaire zuurstof. Het Europese octrooischrift 151 498 geeft in de voorbeelden een opbrengst die loopt van 59,1% (Example XIV) tot 92,8% (Example X). Door de onvolledige chemische omzetting van de aldonzuren in 2-keto-aldonzuren en/of door de desintegratie van het gevormde 2-keto-aldonzuur, verkrijgt men uiteindelijk een reactiemengsel waarin naast 2-keto-aldonzuur nog andere ongewenste verbindingen aanwezig zijn zoals aldonzuur (uitgangsmateriaal), oxaalzuur, glutaarzuur, tartronzuur, guluronzuur, 5-keto-aldonzuur en wijnsteenzuur. Voor het verkrijgen van zuivere 2-keto-aldonzuren moeten nog kostbare zuiveringsprocessen toegepast worden. Er is dus behoefte aan processen voor de katalytische oxidatie van aldonzuren, waarbij de opbrengst aan 2-keto-aldonzuur boven 93% ligt, waardoor tevens de zuiveringskosten verlaagd worden.

De werkwijze volgens de uitvinding voorziet in een proces voor de selectieve heterogene katalytische oxidatie van aldonzuren tot 2-keto-aldonzuren, waarbij een hogere opbrengst aan 2-keto-aldonzuur verkregen wordt in vergelijking met de werkwijze als beschreven in het Europese octrooischrift 151 498. Verrassenderwijs is namelijk gevonden, dat men een verhoogde opbrengst aan 2-keto-aldonzuur verkrijgt wanneer men de oxidatie uitvoert bij een pH tussen 3 en 6,9.

De uitvinding heeft derhalve betrekking op een werkwijze voor het bereiden van een 2-keto-aldonzuur door het oxideren van een in water opgelost aldonzuur met moleculaire zuurstof in aanwezigheid van een platina-katalysator samen met een katalytische hoeveelheid lood en/of bismut en/of een verbinding hiervan, waarbij de oxidatie wordt uitgevoerd bij een pH tussen 3 en 6,9. De werkwijze volgens de uitvinding maakt opbrengsten aan 2-keto-aldonzuur van 94% tot 97% en hoger mogelijk.

Het uitgangsmateriaal dat gebruikt wordt bij de werkwijze volgens de uitvinding is een aldonzuur zoals gluconzuur, arabinonzuur, ribonzuur, gulonzuur en glucuronzuur. De volgens de uitvinding toegepaste waterige oplossing bevat bij voorkeur 1 tot 60 gew.% en liefst 10 tot 50 gew.% aldonzuur. Het aldonzuur kan als oplosbaar zout, bijvoorbeeld als alkalimetaalzout, in oplossing worden gebracht.

De volgens de uitvinding toe te passen katalysator is een platinakatalysator met een katalytische hoeveelheid lood en/of bismut en/of een verbinding daarvan. Dit katalysatorsysteem is op zichzelf bekend en is beschreven in de Europese octrooi-schriften 5779 en 151 498. Om de activiteit van bovengenoemde metalen te verhogen, kunnen deze metalen in een hoogdisperse vorm worden aangebracht op een drager, zoals bijvoorbeeld actieve kool. Geschikte hoeveelheden van de toe te passen metalen en van de toe te passen drager zijn vermeld in bovengenoemde octrooischriften. Het katalysatorsysteem kan als een poeder worden gesuspendeerd in de waterige oplossing van het aldonzuur.

Voor het uitvoeren van de oxidatiereactie wordt moleculaire zuurstof in de vorm van zuurstof of een zuurstof-bevattend gas, zoals lucht, door het reactiemengsel geleid, zodanig dat de zuurstof een goed contact heeft met het aldon-zuur en het katalysator systeem. Bij voorkeur wordt gewerkt bij atmosferische druk of bij een geringe overdruk van de zuurstof. De reactietemperatuur ligt bij voorkeur tussen 10 en 85°C en liefst tussen 50 en 70°C. De reactietijd ligt bij voorkeur tussen 20 en 200 minuten.

De werkwijze volgens de uitvinding wordt erdoor gekenmerkt dat men een waterige oplossing van een aldonzuur met zuurstof katalytisch oxideert bij een relatief lage pH die is gelegen tussen 3 en 6,9. Bij voorkeur voert men het oxidatie-proces uit bij een pH die ligt tussen 3,5 en 6,8 en liefst bij een pH die ligt tussen 3,8 en 6,5.

Uitgaande van een reactiemengsel met een pH van bijvoorbeeld 6, treedt bij voortschrijding van het oxidatieproces een geleidelijke daling van de pH van het reactiemengsel op, tot bijvoorbeeld pH 4. Men kan deze pH-daling geheel of ten dele opheffen door toevoeging van een alkalische verbinding. In een voorkeursuitvoering van de werkwijze volgens de uitvinding, wordt tijdens het oxidatieproces geen alkalische verbinding aan het reactiemedium toegevoegd. Tijdens de reactie past men dus geen pH-regulering toe. Deze uitvoeringsvorm is kostenbesparend omdat geen alkalische verbinding verbruikt wordt. Daarnaast worden kosten bespaard doordat geen apparatuur nodig is voor opslag, vervoer en dosering van de alkalische verbinding.

Nadat het oxidatieproces is voltooid kan het reactiemengsel gefiltreerd worden om het katalysatorsysteem uit de vloeistoffase af te scheiden. Deze vloeistoffase kan desgewenst verder behandeld worden om resterend aldonzuur en ongewenste bijprodukten van het 2-keto-aldonzuur af te scheiden.

Het verkregen 2-keto-aldonzuur kan fungeren als tussen-produkt voor de vervaardiging van waardevolle verbindingen.

Zo kan het produkt 2-keto-gluconzuur fungeren als tussen-produkt voor de bereiding van D-arabino-ascorbinezuur (erythrobinezuur; iso-Vitamine C).

Voorbeelden en veraeliikinasvoorbeelden

Oxidatie-apparatuur

De experimenten werden uitgevoerd in een glazen batch-reactor van 300 ml, voorzien van een roerder. In de vergelij kings voorbeelden IB, 2B en 3B werd de pH van het reactiemengsel constant gehouden, door middel van een pH-meter en een daaraan gekoppelde automatische titrator, met een 1,8 M oplossing van KOH. De partiële zuurstofdruk bedroeg 0,02 MPa en werd gedurende de reactie constant gehouden met behulp van een geautomatiseerde zuurstoftoevoer. Gedurende de reactie werd de zuurstofopname en het alkali-verbruik continu geregistreerd met een recorder.

Oxidatieprocedure 0,5 g van een 5% Bi 5% Pt/C-katalysator (bevat 5 gew.% Bi en 5 gew.% Pt op een drager van actieve kool; fabrikant Degussa) werd in de reactor gemengd met 50 ml water.

Vervolgens werd onder roeren 5 minuten stikstofgas doorgeleid om de zuurstof te verwijderen. Daarna werd waterstof door de reactor geleid, namelijk gedurende 5 minuten met een hoge doorstroomsnelheid en lage roersnelheid, gevolgd door 25 minuten met een lage doorstroomsnelheid en hoge roersnelheid. Tenslotte werd gedurende 5 minuten stikstofgas doorgleid om de waterstof te verwijderen.

4 mM aldonaat-zout werd opgelost in 30 ml water. De verkregen oplossing werd toegevoegd aan de gereduceerde katalysator, waarbij stikstofgas met lage snelheid doorgeleid werd. In de vergelijkingsvoorbeelden IB, 2B en 3B werd de pH ingesteld op 8. Daarna werd het reactiemengsel op de gewenste reactietemperatuur (65°C) gebracht en werd de zuurstofdruk ingesteld op 0,02 MPa. Gedurende de reactie werden monsters reactieprodukt afgenomen. De analyse van deze monsters werd uitgevoerd door middel van HPLC (High Performance Liquid Chromatography).

Voorbeeld 1 IA Werkwijze volgens de uitvinding 0,5 g van de 5% Bi 5% Pt/C-katalysator werd geactiveerd zoals hiervoor is beschreven. Vervolgeens werd 30 ml water, waarin 0,87 g (4 mM) natriumgluconaat was opgelost, toegevoegd aan de katalysator. De gluconzuurconcentratie in het reactie-mengsel bedroeg 50 mM/Ι. De pH van het reactiemengsel was 5,4. De reactietemperatuur werd ingesteld op 65eC. Door zuurstof door het reactiemengsel te leiden, werd de reactie gestart. De partiële zuurstofdruk werd ingesteld op 0,02 MPa. Eerst steeg de pH van het reactiemengsel tot 6,0 en daalde daarna geleidelijk met het voortschrijden van de reactie. Na een reactietijd van 60 minuten bedroeg de concentratie aan 2-keto-gluconzuur ongeveer 48,4 mM/Ι, terwijl de concentratie aan gluconzuur 0,6 mM/Ι en van oxaalzuur 0,1 mM/Ι bedroeg. Na 80 minuten werd de reactie beëindigd bij een concentratie aan 2-keto-gluconzuur van 48,7 mM/Ι en bij een pH van 4,3.

Het verloop van de reactie is weergegeven in tabel IA, waarbij de concentraties van gluconzuur, 2-keto-gluconzuur en oxaalzuur zijn weergegeven als percentage van het totaal aantal mM aan organische zuren in het reactiemengsel.

TABEL IA

Reactieverloop zonder pH-regulering

In figuur IA is het reactieverloop grafisch weergegeven.

1B Werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 bii constante pH 8

Aan de geactiveerde katalysator werd dezelfde hoeveelheid natriumgluconaat toegevoegd als in voorbeeld IA. De pH van het reactiemedium werd ingesteld op 8 en de oxidatie werd gestart door het inleiden van zuurstof. Bij het begin van de reactie bedroeg de gluconzuurconcentratie 50 mM/1. Gedurende de reactie werd de pH constant gehouden op 8. De concentratie aan 2-keto-gluconzuur bereikte een maximum na 60 minuten (30,4 mM/1). Naast het 2-keto-gluconzuur waren toen tevens 12,5 mM/1 oxaalzuur en 6,8 mM/1 gluconzuur in het reactiemengsel aanwezig. Bij voortzetting van de reactie trad ontleding van 2-keto-gluconzuur op. Na 120 minuten reactietijd waren in het reactiemengsel 25,4 mM/1 2-keto-gluconzuur, 2,4 mM/1 gluconzuur en 22 mM/1 oxaalzuur aanwezig. Het verloop van de reactie is weergegeven in tabel 1B en figuur 1B.

TABEL 1B

Reactieverloop bij constante pH 8

Uit de tabellen IA en 1B en de figuren IA en 1B blijkt, dat bij de werkwijze volgens de uitvinding een veel hogere opbrengst aan 2-keto-gluconzuur verkregen wordt, in vergelijking met de werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 (bij constante pH 8).

Voorbeeld 2 2A Werkwijze volgens de uitvinding

De oxidatie werd op dezelfde wijze uitgevoerd als in voorbeeld IA, waarbij echter in dit geval 0,81 g kalium-arabinonaat als uitgangsmateriaal werd toegepast. De concentratie aan kaliumarabinonaat in het reactiemengsel bedroeg 50 mM/1. De pH van het reactiemengsel bedroeg 5,4. De reactietemperatuur werd ingesteld op 65°C. Bij het doorleiden van zuurstof door het reactiemengsel steeg de pH eerst van 5,4 tot 6,0 en daalde daarna geleidelijk met het voortschrijden van de reactie. De concentratie aan 2-keto-arabinonzuur werd berekend, waarbij werd aangenomen, dat de oppervlakte-verhouding in het HPLC-diagram tussen arabinonzuur en 2-keto-arabinonzuur dezelfde is als de verhouding tussen gluconzuur en 2-keto-gluconzuur. Na een reactietijd van 60 minuten bedroeg de concentratie aan 2-keto-arabinonzuur 45,7 mM/1. Na een reactietijd van 90 minuten werd de reactie beëindigd bij een concentratie aan 2-keto-arabinonzuur van ongeveer 47,6 mM/1 en een pH van 4,1. Het verloop van de reactie is weergegeven in tabel 2A en figuur 2A, waarbij de concentraties van arabinonzuur, 2-keto-arabinonzuur en oxaalzuur zijn weergegeven als percentage van het totaal aantal mM organische zuren in het reactiemengsel.

TABEL 2A

Reactieverloop zonder pH-regulering

2B Werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 bij constante pH 8

De werkwijze van voorbeeld 2A werd toegepast, waarbij echter in dit geval de pH van het reactiemengsel gedurende het oxidatieproces constant gehouden werd op pH 8. Na 60 minuten was in het reactiemengsel 29 mM/1 2-keto-arabinonzuur, 9,5 mM/1 oxaalzuur en 11,2 mM/1 arabinonzuur aanwezig. Bij het voortzetten van de reactie werd 2-keto-arabinonzuur afgebroken. Na 120 minuten was nog 24,3 mM/1 2-keto-arabinon-zuur aanwezig. Het verloop van de reactie is weergegeven in tabel 2B en figuur 2B.

TABEL 2B

Reactieverloop bij constante pH 8

Uit de tabellen 2A en 2B en de figuren 2A en 2B blijkt, dat met de werkwijze volgens de uitvinding een veel hogere opbrengst aan 2-keto-arabinonzuur verkregen wordt, in vergelijking met de werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 (bij constante pH 8).

Voorbeeld 3 3A Werkwijze volgens de uitvinding

De oxidatie werd op dezelfde wijze uitgevoerd als in voorbeeld IA, waarbij echter in dit geval 0,75 g natrium-ribonaat als uitgangsmateriaal werd toegepast. De begin-concentratie aan natriumribonaat bedroeg 50 mM/1. De begin-pH bedroeg 5,4. Bij het doorleiden van zuurstof door het reactie-mengsel steeg de pH eerst van 5,4 naar 6,0 en daalde daarna geleidelijk met het voortschrijden van de reactie. Na een reactietijd van 60 minuten bedroeg de concentratie aan 2-keto-ribonzuur 47,3 mM/1. De reactie werd beëindigd na 90 minuten bij een pH van 4,3. Het verloop van de reactie is weergegeven in tabel 3A en figuur 3A, waarbij de concentratie van ribonzuur, 2-keto-ribonzuur en oxaalzuur zijn weergegeven als percentage van het totaal aantal mM aan organische zuren in het reactiemengsel.

TABEL· 3A

Reactieverloop zonder pH-regulering

3B Werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 bii constante pH 8

De werkwijze van voorbeeld 3A werd toegepast, waarbij echter in dit geval de pH van het reactiemengsel gedurende de oxidatiereactie constant gehouden werd bij pH 8. Na 60 minuten reactie bedroeg de concentratie aan 2-keto-ribonzuur 33 mM/1. Daarnaast was in het reactiemengsel 7 mM/1 oxaalzuur en 9,9 mM/1 ribonzuur aanwezig. Na 120 minuten reactie was de concentratie aan 2-keto-ribonzuur gedaald tot 27,4 mM/1. het verloop van de reactie is weergegeven in tabel 3B en figuur 3B.

TABEL 3B

Reactieverloop bij constante pH 8

Uit de tabellen 3A en 3B en de figuren 3A en 3B blijkt, dat bij de werkwijze volgens de uitvinding een veel hogere opbrengst aan 2-keto-ribonzuur verkregen wordt, in vergelijking met de werkwijze volgens het Europese octrooischrift 151 498 (bij constante pH 8).

Claims (6)

1. Werkwijze voor het bereiden van een 2-keto-aldonzuur door het oxideren van een in water opgelost aldonzuur met moleculaire zuurstof in aanwezigheid van een platina-katalysator samen met een katalytische hoeveelheid bismut en/of lood en/of een verbinding daarvan, met het kenmerk, dat de oxidatie wordt uitgevoerd bij een pH-waarde die ligt tussen 3 en 6,9.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de pH-waarde ligt tussen 3,5 en 6,8.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de pH-waarde ligt tusen 3,8 en 6,5.

4. Werkwijze volgens conclusies 1-3, met het kenmerk, dat men tijdens de oxidatie geen alkalische verbinding toevoegt.

5. Werkwijze volgens conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de reactietemperatuur ligt tussen 10 en 85°C.

6. Werkwijze volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat gluconzuur geoxideerd wordt tot 2-keto-gluconzuur.