Pierwszenstwo: Opublikowano: 30. I. 1969 56722 KI. 12 o, 15 MKP C07c 39 \b% UK Twórca wynalazku: dr inz. Romuald Bogoczek Wlasciciel patentu: Politechnika Slaska im. W. Pstrowskiego (Katedra Chemii Organicznej), Gliwice (Polska) Sposób wytwarzania kwasu 2-keto-l-gulonowego i/lub jego analo¬ gów lub ich soli i urzadzenie do stosowania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarza¬ nia kwasu 2^keto-l-giulonowego i/lub jego analo¬ gów lub ich prostych soli przez utlenienie l^sorbozy i/lub jej analogów stosowanymi do tego celu utle¬ niaczami i wydzielania produktów reakcji.' Zwiazki te moga stanowic bezposrednie pólpro¬ dukty do syntezy kwasu 1-askorbinowego zwanego witaminum C lub jego analogów posiadajacych znaczenie jako reduktory i antyutleniacze.Znany jest sposób wytwarzania kwasu 2^keto- -1-gulonowego lub jego soli metoda Reichsteina, polegajacy na acetonowaniu 1-sorbozy, utlenieniu otrzymanej dwuacetoino-1-sorbozy i nastepnym hydrolityoznym rozszczepieniu produktu utlenienia.Chociaz metoda ta pozwala uzyskac produkt o wy¬ sokiej jakosci, to jednak jej wielostopniowosc po¬ woduje duze straty surowcowe.Znane sa równiez metody otrzymywania kwasu 2-keto-l-gulonowego i jego analogów na drodze bezposredniego utlenienia l^soirbozy i jej analogów róznymi utleniaczami, lecz wydajnosci jakie sie uzyskuje sa niskie i miedzy innymi dlatego me¬ tody te nie posiadaja znaczenia przemyslowego.Próby utleniania sorbozy nadsiarczanem potasu lub woda utleniona w obecnosci siarczanu zelazawego daly w wyniku znikome ilosci produktu. Znana me¬ toda utleniania sorbozy i jej analogów kwasem azo¬ towym pozwala uzyskac zadane produkty z wydaj¬ noscia okolo 5°/o. Odmiana tej metody stosujaca mieszanine kwasu azotowego z kwasem azotawym 10 15 20 25 30 jest bardzo czasochlonna, przy czym wydajnosc; jest nizsza od 20,%. W metodzie elektrolitycznego utleniania sorbozy uzyskuje sie 14—35,5% pozada¬ nego produktu.Szczególnie rozpowszechniona jest metoda utle¬ niania bardzo rozcienczonych roztworów l^sorbozy powietrzem w obecnosci platyny jako katalizatora, Ze wzgledu na latwosc zatrucia katalizatora7 me¬ toda ta nie znajduje zastosowania przemyslowego, chociaz wydajnosc jej siega 50% teorii. Ostatnio próbowano zastapic katalizator platyny znaczna iloscia soli miedziowych, co spowodowalo powsta¬ wanie znacznych ilosci sorbosonu.Znane sposoby bezposredniego utleniania 1-sor- bazy cechuje równiez skomplikowany sklad mie¬ szaniny poreakcyjnej, co pociaga za soba trudnosci wydzielenia i oczyszczenia pozadanego produktu reakcji sposród znacznej ilosci produktów ubocz¬ nych i produktów rozkladu.Stwierdzono nieoczekiwanie, ze normalny poten¬ cjal oksydacyjnonredukcyjny l^sorbozy jest znacz¬ nie wyzszy od normalnego potecjalu oksydacyjno- -redukcyjnego kwasu 2-keto-l-guloniowego. Pro¬ dukt ten jest wiec znacznie silniejszym redukto¬ rem od substratu z którego powstal przez utlenie¬ nie. Fakt ten tlumaczy niskie wydajnosci kwasu 2Hketo-l-gulonowego uzyskiwane w dotychczaso¬ wych sposobach bezposredniego utlenienia 1-sor¬ bozy. Produkt powstaly w pierwszych stadiach procesu ulega nastepnie Oksydatywnej destrukcji. 5672256722 3 4 Stwierdzono, ze mozna uzyskac kwas 2^keto-l- -gulonowy i/lub jego analogi, to jest kwasy 2-keto- heksonowe, lub ich proste sole przez bezposrednie utlenienie 1-sorbozy iAub jej analogów, to jest ketoheksoz z wydajnoscia przeszlo 90% teorii, w sposób ciagly stosujac przy tym rózne utlenia¬ cze w bardzo szerokim zakresie, chociaz stosowa¬ nie niektórych z nich jest wyraznie korzystniejsze, a innych wyraznie gorsze. Wydzielanie czystego produktu lz mieszaniny poreakcyjnej jest praktycz¬ nie niezalezne od rodzaju stosowanego utleniacza i utlenianej keto-heksozy. i x Wynalazek polega na ciaglym parcjalnym utle¬ nianiu wodnego roztworu l^sorbazy lub keto-hek- soz z nastepujacym sorbowaniem kwasów 2-keto- -heksonowych w kolumnach amonitowych oraz uzupelnianiu ilosci keto-heksozy w roztworze i powtórnym parcjalnym utlenianiu.Urzadzenie do wykonywania sposobu wedlug wy¬ nalazku które umozliwia zamkniecie obiegu utle¬ nianego i regenerowanego roztworu oraz -doprowa¬ dzenie swiezej keto-heksozy i odprowadzanie powstalego kwasu 2-keto-hefcsonowego, pozwala na prowadzenie procesu w sposób ciagly.W sposobie wedlug wynalazku wykorzystuje sie zasade, ze potencjal red^oks roztworu wyrazony np. za pomoca wskaznika rH zmienia sie wraz ze stezeniem substancji ulegajacej utlenieniu. Stwier¬ dzono poza tym, ze o ile 10% roztwór 1-sorbozy posiada th równe w przyblizeniu 20 to dla roztwo¬ ru kwasu 2-keto-l-gulonowego wymieniona wartosc rH zostaje osiagnieta juz przy stezeniu równym okolo 1%. Pirzy wiekszym stezeniu roztwór tego kwasu wykazuje jeszcze wieksze zdolnosci reduk¬ cyjne, a w przypadku obecnosci utleniacza, kwas 2-keto-l-gulonowy pierwszy ulega oksydacyjnej destrukcji. Dla innych stezen wartosci punktów ekwipoitiencjaSlnych sa inne.Wedlug wynalazku do roztworu keto-heksozy wprowadza sie jedynie czesc wymaganej stechio- metrycznie ilosci utleniacza, tak aby powstal kwas 2-keto-heksonowy o takim stezeniu jakie powo¬ duje mniejsze wlasciwosci redukcyjne kwasu od wlasciwosci redukcyjnych pozostalej w roztworze keto-heksozy.Sposób wedlug wynalazku nie jest ograniczony do scisle okreslonego jednorazowo stosunku ilos¬ ciowego utleniacza do surowca weglowodanowego.Stosunek ten jest zawsze znacznie mniejszy od stechiometrii, lecz jest tym wiekszy im wieksze jest stezenie wyjsciowe utlenianej keto-heksozy, co zostalo przedstawione przykladowo dla 1-sorbo¬ zy na rysunku fig. 1.Korzystnie byloby pracowac przy jak najwie¬ kszym stezeniu poczatkowym keto-heksozy w roz¬ tworze reakcyjnym, z uwagi jednak na wzrastaja¬ ce równoczesnie trudnosci rozdzialu skladników mieszaniny poreakcyjnej wybór najlepszych para¬ metrów procesu utleniania i rozdzielania zalezy od mozliwosci techniczno-ekonomicznych.Na przyklad stosujac 10% roztwór 1-sorbozy korzystnie stosuje sie utleniacz w ilosci okolo 8% w stosunku do wartosci stechiometrycznej, przy czym otrzymuje sie roztwór poreakcyjny o skla¬ dzie okolo 0,85% kwasu 2-keto-1-gulonowego oraz 9,20% 1-sorbozy. Stosujac 20% roztwór lnsorbozy korzystnie stosuje sie utleniacz w ilosci wynosza¬ cej okolo 12% wartosci stechiometrycznej, uzysku- 5 jac w roztworze poreakcyjnym okolo 17,6% 1-sor¬ bozy i okolo 2,6% kwasu 2-keto-l^gulonowego.Wynalazek nie eliminuje mozliwosci zastosowa¬ nia nieznanych dotad utleniaczy do przeprowadze¬ nia tej reakcji, utleniaczy, które umozliwialyby io osiagniecie szczególnie niskiej wartsoci punktu ekwiipotencjalnego, to jest wyzszej zawartosci kwasu 2-keto-heksonowego przy nizszej zawarosci keto-heksozy w srodowisku poreakcyjnym.Usuwanie kwasów 2-keto-heksonowych z roz- 15 tworu poreakcyjnego odbywa sie wedlug wynalaz¬ ku w sposób ciagly, droga sorpcji w kolumnach anionitowych. Anionity umieszczone sa w systemie kolumn w taki sposób, aby przeplywajacy roztwór pooksydacyjny z chwila wysyoenia sie zloza 20 w jednej kolumnie mógl zostac przelaczony do innej, zregenerowanej kolumny.W przypadku, gdy roztwór pooksydacyjny za¬ wiera kationy metaliczne, które moga pochodzic np. od utleniacza, katalizatora lub zanieczyszczen, 25 przed zetknieciem z amonitem nalezy przeprowa¬ dzic go przez kolumne kationitowa celem zamia¬ ny kationów na jon wodorowy. Z kolumn anioni¬ towych wyplywa w sposób ciagly roztwór keto- heksozy o stezeniu nizszym od pierwotnego o ilosc ,w powstalego, zatrzymanego w kolumnach amonito¬ wych kwasu 2-keto-heksonowego. Roztwór ten do¬ plywa do odbieralników z których dostaje sie za pomoca pompy zasilajacej do zbiornlików przygo¬ towawczych polozonych wyzej od reaktora. 35 W zbiornikach tych uzupelnia sie sklad roztworu przez dodanie swiezej keto-heksozy oraz ewentu¬ alnie katalizatora potrzebnego w reakcji utlenienia i ewentualnie substancji buforowych o ile stosowa¬ ny rodzaj utleniacza tego wymaga, po czym roz- 40 twór splywa w sposób ciagly do reaktora, w któ¬ rym na skutek stalego doprowadzenia utleniacza nastepuje parcjalnie utlenienie.W reaktorze utrzymuje sie staly poziom koncen¬ tracji kwasu 2-keto-heksonowego przez równo- 45 mierne doprowadzania swiezego roztworu i utle¬ niacza i odprowadzanie roztworu parcjalnie utle¬ nionego.Kolumna amonitowa, która zostala wysycona kwasem 2-keto-heksonowyim, ulega okresowo re¬ generacji droga wyparcia zatrzymanego produktu rozcienczonym roztworem kwasu mineralnego z nastepujacym po tym przemyciem roztworem lugu w znany sposób, lub tez od razu roztworem lugu. W pierwszym przypadku w wycieku uzysku¬ je sie wolny kwas 2-keto-heksonowy, w drugim — jego odpowiednia sól. Roztwory te poddaje sie odparowywaniu pod zmniejszonym cisnieniem w celu otrzymania krystalicznych produktów. Je- zeli celem produkcji jest kwas askorbinowy, to wyciek z kolumny anionitowej, zwlaszcza po elu- acji kwasem mineralnym wysyca sie chlorowodo¬ rem, a nastepnie przez ogrzanie przeprowadza reakcje laktoniizacji i enolizacji prowadzaca do po- 65 wstania kwasu askorbinowego.5 56722 6 nomie olkolo 0,67°/«. Wyplywajacy z reaktora roz¬ twór przedostawal sie przedluzonym przewodem rurowym poprzez filtr do kolumny amonitowej 5.Przedluzony przewód umozliwdal zupelne ptrzerea- 5 gowanie utleniacza zanim roztwór przedostal sie do kolumn jonitowych.Poniewaz roztwór poreakcyjny nie zawieral ka¬ tionów ani zanieczyszczen mechanicznych, zostal on bezposrednio skierowany do kolumny anionito- 10 wej zawierajacej slabo zasadowy andond/t IR-45 w formie wodorotlenowej. W kolumnie tej zostal zatrzymany kwas 2-keto-l-gulonowy, a 1-sorboza przeszla do wycieku. Ta czesc 1-sorbozy jaka byla poczatkowo równiez zatrzymana przez anionit, 15 ulegla nastepnie wyparciu w miare naplywu dal¬ szych ilosci kwasu 2^keto-l-gulonowego. Roztwór 1-sorbozy o koncentracji obnizonej przez utleniona i zwiazana w zlozu amonitowym czesc, doplywal poprzez odbieralnik 7, pompe 8 do zbiornika przy- 20 gotowawozego 9, do którego dochodzila swieza 1-sorboza przez urzadzenie podawcze 11. Ze zbior¬ nika 9 roztwór doplywal w sposób ciagly do reak¬ tora 1, w którym, jak juz powiedziano zachodzila ciagla reakcja utleniania, na skutek doprowadza- 25 nego ciagle kwasu bromowego.Po pewnym czasie, roztwór wyplywajacy z jed¬ nej kolumny anioniltowej wykazywal odczyn kwasny. Po przelaczeniu przeplywu roztworu do drugiej nie pokazanej na rysunku zregenerowanej 80 kolumny przemyto poprzednia kolumne woda, po czym wyeUubwiano z niej kwas 2-taeto-l-gulonowy przez przemywanie 0,5—ii,5 n kwasem solnym, który splywal do c^bieralinika 6. Wyciek stanowil wodny roztw^ór kwasu 2-keto-l-galonowego o ste- 35 zeniu od okolo 7,5%. Roztwór ten odparowano pod zmniejszonym cisnieniem w temperaturze bliskiej pokojowej, uzyskujac okolo 98% krystaliczny kwas 2-keto-l-gulonowy o temperaturze topnienia 170— 171°C. 40 Kolumna anlionitowa z której wyparto produkt za pomoca kwasu solnego, wymagala uaktywnie¬ nia 2% roztworem lugu.Kwasy 2Hketo-heksonowe zwiazane w zlozu aniooiitowym mozna wyprzec równiez w cyklu 45 zasadowym, przemywajac kolumne roztworem wo¬ dorotlenku amonu, sodu lub potasu, korzystnie o stezeniu 0,3—1,0 normalnym, uzyskujac w eluacie sole tych kwasów.Jezeli ostatecznym celem jest otrzymanie kwasu 50 askorbinowego, to otrzymany roztwór kwasu 2-ke- to-heksonowego przeprowadza sie bezposrednio znanymi sposobami w kwas askorbinowy1.Stosowany w sposobie wedlug wynalazku system kolumn jonitowych moze dzialac zarówno na za- 55 sadzie periodycznej jak tez ciaglej. Szczególnie korzystne wyniki w operacji wypierania kwasów 2-keto-heksonowych lub ich soli uzyskuje sie, stosujac miedzyoperacyjna ewakuacje kolumn. 30 PL