Herstellung von α-Tocopherol aus nicht-α-Tocopherole enthaltendem Rohmaterial
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von α-Tocopherol aus einem nicht-α-Tocopherole enthaltenden Rohmaterial.
Die natürlich vorkommenden ß-, γ- und δ-Tocopherole (im Folgenden kollektiv als nicht- α-Tocopherole bezeichnet) unterscheiden sich von α-Tocopherol, das die höchste Vi- tamin E-Aktivität aufweist und somit biologisch am wertvollsten ist, durch das Fehlen einer oder zweier Methylgruppen in 5- und/oder 7-Stellung des Chromanrests des Moleküls. Da sich vollsynthetische Verfahren zur Herstellung von naturidentischem α- Tocopherol bislang als unwirtschaftlich erwiesen haben und der Anteil des α-Toco- pherols am gesamten Tocopherolgehalt in natürlichen, insbesondere pflanzlichen Quellen von Tocopheroien nur relativ gering ist, besteht ein Bedürfnis, die nicht-α- Tocopherole chemisch in das α-Tocopherol umzuwandeln. Das Hauptproblem besteht in der effizienten, ergänzenden Mono- bzw. Dimethylierung des Benzolrings der substituierten Chromanylgruppe.
Die EP-A 769 497 beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung von nicht-α-Toco- pherolen in α-Tocopherol durch Umsetzung mit Formaldehyd in Gegenwart von Borsäure unter katalytisch reduzierenden Bedingungen.
Die natürlichen Quellen der Tocopherole, wie pflanzliche öle und Fette, enthalten nur geringe Konzentrationen an Tocopheroien. Bei der Raffination von Speiseölen reichern sich die Tocopherole in einem Beiproduktstrom, dem so genannten Dämpferkondensat (deodorizer distillate), an. Zur weiteren Aufkonzentrierung erfolgen meist destillative Schritte. Leider enthalten die natürlichen Quellen Begleitstoffe, die ähnliche Siedepunkte wie die Tocopherole aufweisen. Aufgrund der Zersetzungsneigung der Tocopherole und der Begleitstoffe kann jedoch die Trennleistung der Destillation nicht beliebig gesteigert werden.
Aus der WO 02/11720 ist bekannt, die Tocopherole durch Umsetzung mit Borsäure und langkettigen Alkoholen in gemischte Tocopherolborsäureester umzuwandeln. Die- se Ester weisen hohe Siedepunkte auf, so dass die Begleitstoffe nun leicht abdestilliert werden können. Anschließend werden die Borsäureester wieder zu den Tocopheroien solvolysiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein effizientes Verfahren zur Anreicherung von Tocopheroien aus natürlichen Quellen und Umwandlung der nicht-α-Tocopherole in α-Tocopherol anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von α- Tocopherol aus einem nicht-α-Tocopherole enthaltenden Rohmaterial gelöst, bei dem man
a) das Rohmaterial mit einer Borverbindung behandelt, um die im Rohmaterial enthaltenen Tocopherole zumindest teilweise in Tocopherylborate umzuwandeln,
b) das so behandelte Rohmaterial erhitzt, um niedriger als die Tocopherylborate siedende Bestandteile des Rohmaterials abzudestillieren,
c) den Rückstand einer Methylierung unterzieht, um die nicht-α-Tocopherylreste zumindest teilweise in α-Tocopherylreste umzuwandeln und die Tocopherylborate einer Solvolyse zu einem α-Tocopherol-haltigen Produkt unterzieht, und
d) die borhaltigen Solvolyseprodukte entfernt.
Das Rohmaterial enthält zumindest ein nicht-α-Tocopherol, z. B. ß-, γ- oder δ-Toco- pherol. Es ist natürlich unschädlich, wenn die Rohmaterialien auch α-Tocopherol ent- halten, da das α -Tocopherol die Umwandlung der nicht-α-Tocopherole in α-Tocopherol nicht beeinträchtigt und selber unverändert im Verfahrensprodukt auftritt. Da bekanntlich pflanzliche öle und Fette, wie beispielsweise Sojaöl, Rapsöl, Baumwoll- saatöl, Erdnussöl, Weizenkeimöl, Maisöl, Gerstenöl, Roggenöl, Distelöl und dergleichen, wertvolle natürliche Quellen von Tocopheroien sind, können solche öle oder vorzugsweise deren Destillate oder Dämpferkondensate, die einen höheren Gehalt an Tocopheroien aufweisen und weniger unerwünschte andere Bestandteile, z. B. Sterole, freie und veresterte Fettsäuren, Wachse und Glyzeride, enthalten, als Edukt im erfindungsgemäßen Verfahren Verwendung finden. Insbesondere Distelöl und Sojaöl erweisen sich als wertvolle Quellen von Tocopheroien. Besonders bevorzugt ist das so genannte Dämpferkondensat, das bei der Desodorierung von Speiseölen mit Wasserdampf erhalten wird, und das in der Regel 4 bis 15 Gew.-% Tocopherole enthält.
Das Rohmaterial kann vor seiner Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren einem oder mehreren Vorbehandlungsschritten unterworfen werden. Hierzu zählen beispiels- weise die Abtrennung freier Fettsäuren, z. B. durch direkte destillative Abtrennung, beispielsweise wie in der DE-A 196 52 522 beschrieben. Alternativ können die freien Fettsäuren vorab mit niederen Alkoholen, insbesondere Methanol, verestert werden, worauf die leichter siedenden Fettsäureester abdestilliert werden. Die Veresterung kann säurekatalysiert oder durch Enzymkatalyse erfolgen.
Außerdem können die im Rohmaterial enthaltenen Sterole abgetrennt werden. Sie können beispielsweise durch Kühlungskristallisation abgetrennt werden. Die Kristallisation von Sterolen aus einer methanolischen oder ethanolischen Lösung ist in der EP-B 0 610 742 beschrieben.
Gewünschtenfalls kann das Rohmaterial noch weiter aufgereinigt werden. Z. B. kann das Rohmaterial mit einem Ionenaustauscher behandelt werden, wobei Tocopherole an den Ionenaustauscher gebunden werden und Begleitstoffe durch Spülen eluiert werden können (vgl. EP-B 0 610 742). Alternativ kann man auch eine Chroma- tographie an Kieselgel, z.B. mit überkritischem Kohlendioxid als Lösungsmittel durch-
führen (vgl. JP 88-309645). Anstelle der chromatographischen Verfahren kann man auch eine Extraktion durchführen, z. B. mit einem Ethanol-Wasser-Gemisch (vgl. DE-A 31 126 110) oder überkritischem Kohlendioxid (vgl. JP 600 584 98).
Im erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Borverbindungen sind unter anderem Borsäure, Metaborate oder Orthoborsäureester, vorzugsweise höherer Alkohole. Die Borverbindung sollte einen ausreichend hohen Siedepunkt aufweisen, damit man bei der Veresterung eine Temperatur wählen kann, bei der sich das Veresterungsgleichgewicht rasch einstellt und die freiwerdenden Veresterungsnebenprodukte, wie Reakti- onswasser, abdestilliert werden können. Vorzugsweise verwendet man Borsäure.
Die Borverbindung wird vorzugsweise in einer Menge verwendet, die ausreichend ist, um mit den vorhandenen Tocopheroien und gegebenenfalls anwesenden anderen Alkoholen im Wesentlichen Orthoester zu bilden. Das molare Verhältnis der Summe der Tocopherole und sonstigen Alkohole zur Borverbindung, gerechnet als B, beträgt im Allgemeinen wenigstens 2,5:1. Vorzugsweise beträgt das molare Verhältnis wenigstens 2,75:1 und insbesondere wenigstens 3:1. Die Tocopherole und sonstigen Alkohole können im Überschuss vorliegen; aus wirtschaftlichen Erwägungen sollte das molare Verhältnis jedoch 3,5:1 , vorzugsweise 3,25:1 , nicht übersteigen.
Bei der Behandlung mit der Borverbindung können neben den Tocopheroien andere Alkohole anwesend sein, die in dem Rohmaterial natürlich vorkommen, wie Sterole, oder die man dem Reaktionsgemisch zugesetzt hat. Der Zusatz höherer Alkohole, wie aliphatischen Alkoholen mit 12 bis 30 Kohlenstoffatomen, z.B. Oleylakohol, kann im Einzelfall vorteilhaft sein.
Bei den gebildeten Tocopherylboraten handelt es sich vorzugsweise im Wesentlichen um Orthoborate, die Mono-tocopherylborate, Di-tocopherylborate, Tri-tocopherylborate und Gemische davon sein können. Die von Tocopherol verschiedenen Alkoholreste werden von anderen Alkoholen gebildet, die im Rohmaterial natürlich vorkommen oder zugesetzt wurden.
Die Behandlung mit der Borverbindung erfolgt vorzugsweise unter Bedingungen, die eine möglichst vollständige Umwandlung der Tocopherole in Tocopherylborate erlau- ben. Da die Bildung der Borsäureester reversibel ist, erfolgt die Umsetzung vorzugsweise unter Bedingungen, die das Gleichgewicht auf die Seite der gewünschten Ester verschieben. Die Umsetzung erfolgt im Allgemeinen bei einer Temperatur von 40 bis 305 °C, vorzugsweise 100 bis 225 °C und insbesondere 160 bis 200 °C.
Bei Temperaturen von mehr als 100 QC kann das bei der Veresterung gebildete Reaktionswasser bei Normaldruck entfernt werden. Gewünschtenfalls kann man zur leichteren Entfernung des Reaktionswassers ein Schleppmittel mitverwenden, das mit Wasser ein Azeotrop bildet, wie aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Cyclohexan, Toluol, Xylol, halogenierte Kohlenwasserstoffe, z. B. Dichlormethan oder Trichlormethan, oder C4-Cι0-Alkanole, wie Butanol. Das Schleppmittel-Wasser-
Azeotrop zerfällt beim Kondensieren in eine organische Phase und eine wässrige Phase, wovon die organische Phase recycliert wird.
Leichter als die Tocopherole flüchtige Verbindungen können bereits während der Ve- resterung abgedampft werden. Gewünschtenfalls kann man während der Veresterung unter vermindertem Druck arbeiten, um die Entfernung von Wasser und anderer flüchtiger Verbindungen zu erleichtern. So kann man bei einem Druck von Normaldruck bis zu einem beliebigen Unterdruck arbeiten. Die Temperatur bei der Veresterung sollte unter dem Siedepunkt der Tocopherole gehalten werden, um einen Abdampfverlust vor der Umwandlung in Tocopherylborate zu vermeiden. In jedem Fall sollte die Temperatur unter der Zersetzungstemperatur der Tocopherole (etwa 250 °C) gehalten werden.
Nach beendeter Veresterung wird das so behandelte Rohmaterial erhitzt, um niedriger als die Tocopherylborate siedende Bestandteile des Rohmaterials abzudestillieren. Die Bedingungen von Druck und Temperatur werden vorzugsweise so gewählt, dass die Verbindungen, die niedriger als die Tocopherylborate sieden, im Wesentlichen vollständig abdestilliert werden, einschließlich solcher, die eine geringe Siedepunktsdifferenz zum unveresterten Tocopherol aufweisen. Die genauen Drücke und Temperaturen hängen von den Siedepunkten der im Rohmaterial vorhandenen Verunreini- gungen ab und können vom Fachmann ohne Weiteres ermittelt werden. Bevorzugte Temperaturen zur Entfernung der niedrig siedenden Verbindungen betragen wenigstens 280 °C, insbesondere wenigstens 300 °C und am meisten bevorzugt wenigstens 305 °C, bei vorzugsweise vermindertem Druck von beispielsweise 500 bis 10 mbar. Im Allgemeinen liegt die bevorzugte Temperatur zur Entfernung der niedrig siedenden Verbindungen etwa 60 bis 70 °C über dem Siedepunkt des Tocopherols bei dem jeweiligen Druck. Das Gemisch wird vorzugsweise so lange erhitzt, bis im Wesentlichen alle niedrig siedenden Verbindungen entfernt sind, d.h. bis die Brüdenbildung nachlässt.
Zum Abdestillieren der niedrig siedenden Bestandteile eignet sich besonders ein Kurz- wegverdampfer. Der Kurzwegverdampfer besteht im Prinzip aus einem von außen beheiztem Verdampferrohr, in dessen Zentrum der innenliegende Kondensator angeordnet ist. Zwischen Heizfläche und Kondensator rotiert ein Wischersystem. Das zu destillierende Gut wird am Kopf des Verdampfers eingespeist und durch den Rotor verteilt. Der Produktdampf strömt durch den Rotor und gegebenenfalls Tropfenabscheider und wird dann am eingebauten Kondensator kondensiert. Das Konzentrat läuft in eine Sammeltasse und wird seitlich abgeführt. Das Destillat fließt die Kondensatorrohre hinunter und wird zentral ausgetragen.
Verbindungen, die eine geringe Siedepunktsdifferenz zum unveresterten Tocopherol aufweisen und die leicht von den Tocopherylboraten abdestilliert werden können, sind z. B. Hydroxylgruppen-freie Verbindungen mit ähnlichem Siedepunkt, die in den natürlichen Quellen vorkommen, die als Rohmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren dienen, wie natürliche Ester, Kohlenwasserstoffe, Ketone, Pestizide und Dünger, insbesondere Sterylkohlenwasserstoffe und Squalen.
Der erhaltene Rückstand wird einer Methylierung und Solvolyse unterzogen. Die Reihenfolge von Methylierung und Solvolyse ist beliebig, die Methylierung erfolgt aber in jedem Fall vor der Abtrennung der bei der Solvolyse gebildeten Borverbindung(en), da die Anwesenheit der Borverbindungen vermutlich katalytisch für die Methylierungsreak- tion wirkt. So kann die Methylierung erfolgen, bevor die Borsäureester gespalten werden, oder die Methylierung erfolgt unter Spaltung der Borsäureester in einem Lösungsmittel wie Methanol. Bei der Solvolyse handelt es sich vorzugsweise um eine Hydrolyse, d. h. eine Spaltung der Borsäureester mit Wasser unter Bildung der freien Tocopherole und Borsäure.
Die Methylierung umfasst vorzugsweise eine Umsetzung mit einer Formaldehydquelle (Hydroxymethylierung) und katalytische Hydrierung.
Die Formaldehydquelle ist insbesondere ein Oligomer oder Oligomerengemisch von Formaldehyd, wie beispielsweise Paraformaldehyd, oder ein Formaldehyd abspaltendes Kondensationsprodukt von Formaldehyd, wie beispielsweise Formaldehyddimethy- lacetal. Gewünschtenfalls kann man den Formaldehyd als gasförmigen Formaldehyd einsetzen. Vorzugsweise verwendet man allerdings den festen Paraformaldehyd. Die anzuwendende Menge an Formaldehyd liegt geeigneterweise zwischen etwa 2 und 10 Moläquivalenten, vorzugsweise zwischen etwa 4 und etwa 8 Moläquivalenten, pro Moläquivalent nicht-α-Tocopherol(e).
Vorzugsweise wird die Hydroxymethylierung unter katalytisch reduzierenden Bedingungen durchgeführt. In der Praxis bedeutet dies, dass die Hydroxymethylierung und die anschließende Hydrierung des hydroxymethylierten Tocopherols bzw. Tocopherol- gemisches gemeinsam im selben Reaktionsgefäß erfolgen, ohne dass eine Isolierung des hydroxymethylierten Produktes erfolgt.
Zur Hydrierung verwendet man als Katalysator einen üblichen hierzu geeigneten Kata- lysator, z. B einen Edelmetallkatalysator, z.B. einen auf Palladium oder Platin oder Verbindungen wie PtO2 basierenden Hydrierungskatalysator, wie beispielsweise Palladium auf Aktivkohle oder Platin auf Aktivkohle. Aber auch andere Metalle wie Nickel, insbesondere Raney-Nickel, können verwendet werden.
In der Regel wird ein Lösungsmittel verwendet, und zwar vorzugsweise ein nichtpolares organisches Lösungsmittel. Dieses ist vorzugsweise ein aliphatischer Kohlenwasserstoff, z.B. ein C5-C8-Alkan, ein Gemisch von Alkanen (Petrolether) oder ein aromatischer Kohlenwasserstoff, z.B. Toluol, ein Alkohol, z.B. ein d-C4-Alkohol, wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, ein Dialkylether mit 1 bis 4 C Atomen je Alkylrest, ein cyclo- aliphatischen Ether mit 4 oder 5 C-Atomen im Ring, beispielsweise Tetrahydrofuran oder 1,4-Dioxan, ein Formaldehyd-dialkylacetal, ein 1 ,2-Dialkylglykolether mit 1 bis 4 C-Atomen je Alkylrest oder Gemische davon. Geeigneterweise verwendet man pro Moläquivalent Gesamt-Tocopherole bis zu etwa 10 Liter Lösungsmittel, vorzugsweise etwa 1 bis etwa 3 Liter.
Die Hydrierung erfolgt zweckmäßigerweise bei einem Wasserstoffdruck von 10 bar bis 75 bar, vorzugsweise 25 bar bis 35 bar.
Die Methylierung wird geeigneterweise so durchgeführt, dass man den nach dem Ab- destillieren der niedrig siedenden Verbindungen erhaltenen Rückstand, die Formaldehydquelle, das Lösungsmittel sowie den Hydrierungskatalysator im Reaktionsgefäß vorlegt und den Wasserstoff einleitet, bis der Hydrierungsdruck erreicht wird. Dann wird das Reaktionsgemisch vorzugsweise unter Rühren aufgeheizt. Die Umsetzung wird zweckmäßigerweise bei Temperaturen zwischen 130 und 180 °C, vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 140 und 170 °C, durchgeführt, und dauert in der Regel zwischen 4 und 8 Stunden. Der Reaktionsablauf kann unter Verwendung von chromatographischen Methoden, z. B. Gaschromatographie (GC), verfolgt werden. Alternativ kann auch ein Rohrreaktor zur kontinuierlichen Hydrierung zum Einsatz kommen.
Der Hydrierkatalysator wird abgetrennt und kann nach Spülen mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel, z.B. Methanol, erneut eingesetzt werden.
Die Solvolyse der Tocopherylborate kann mit Wasser oder niederen Alkoholen erfolgen, vorzugsweise mit Wasser. Die Temperatur der Solvolyse beträt im Allgemeinen Raumtemperatur bis 80 °C. Die borhaltigen Hydrolyseprodukte, d. h. Borsäure, können durch Extraktion mit einer wässrigen Flüssigkeit, insbesondere Wasser selbst, entfernt werden. Bei Solvolyse mit niederen Alkoholen, wie Methanol oder Ethanol, können die sich bildenden Ester, d. h. Trimethylborat oder Triethylborat, abdestilliert werden.
Das erhaltene α-Tocopherol-haltige Produkt wird mit Vorteil destilliert, um es von hochsiedenden Nebenprodukten, wie insbesondere unvollständig gespaltenen Tocopherylboraten, abzutrennen und/oder den α-Tocopherolanteil zu erhöhen. Das erhaltene reine α-Tocopherol weist vorzugsweise eine Reinheit von mehr als 98 Gew.-% auf.
Das α-Tocopherol kann gewünschtenfalls acyliert, insbesondere acetyliert werden. Die Acylierung dient der Stabilisierung, da Tocopherylester, wie Tocopherylacetat, stabiler sind als freie Tocopherole. Die Acetylierung kann z. B. in einem Gemisch von Acetan- hydrid und Pyridin unter Zugabe von 4-Dimethylaminopyridin als Katalysator erfolgen, wie in der EP-A 0 769 497 beschrieben.
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele veranschaulicht:
Beispiel
a) Herstellung von Tristocopherylborat
Man füllte 50,0 g Tocopherolkonzentrat (sojaspezifisches Gemisch mit einem Tocophe- rolgehalt von 71 %, der sich wie folgt aufteilt: 17,5 % α-, 2,7 % ß-, 57,3 % γ- und 22,4 % δ-Tocopherol) in einen 500 ml Vierhalskolben, fügte 2,56 g Borsäure und 500 ml Toluol hinzu und erhitzte mit aufgesetztem Wasserabscheider unter Rückfluss, bis 2,5
ml Wasser ausgekreist waren. Nach dem Abkühlen wurde das Lösungsmittel unter vermindertem Druck entfernt.
b) Hydroxymethylierung und Hydrolyse
15,0 g des vorstehend erhaltenen Borsäureesters wurden in 80 ml n-Hexan gelöst und in einen Stahlautoklaven gefüllt. Man fügte 1 ,57 ml Wasser und 14,0 g (466 mmol) Paraformaldehyd, dann 2,5 g Palladium auf Aktivkohle (10%) hinzu. Man verschloss den Autoklaven und presste dreimal 10 bar Wasserstoff ohne Rühren auf und entspannte jeweils anschließend. Dann presste man bei Raumtemperatur unter Rühren 15 bar Wasserstoff auf und erwärmte auf 161 °C Innentemperatur, wobei der Druck auf etwa 25,6 bar stieg. Man presste Wasserstoff auf einen Druck von 32 bar nach und hielt 7 Stunden bei 161 °C. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur wurde der Autoklav entspannt und entleert.
Das Reaktionsgemisch wurde filtriert und der Filterrückstand dreimal mit je 100 ml Hexan gewaschen. Die organischen Phasen wurden vereinigt und unter vermindertem Druck eingeengt. Man nahm den Rückstand in 250 ml Hexan auf und versetzte mit 150 ml Wasser. Das zweiphasige Gemisch wurde30 min bei 55-60 °C gerührt, wobei die restlichen Borsäureester hydrolysiert wurden. Die Hexanphase wurde zur Entfernung der Borsäure mit 150 ml Wasser gewaschen, über MgSO4 getrocknet und zur Trockene eingeengt. Auswaage: 14,42 g (Tocopherolgehalt 75 %, davon 98,6 % α- Tocopherol).
Das Beispiel veranschaulicht die Herstellung von Tocopherylboraten, ihre Methylierung und Hydrolyse. Wird an Stelle des Im Beispiel verwendeten Tocopherolkonzentrats ein Rohmaterial aus einer natürlichen Quelle verwendet, können niedriger als die Tocopherylborate siedende Bestandteile vor der Methylierung und Hydrolyse leicht abdestilliert werden.