WO2010006834A2 - Thermisches salzspalten von ammoniumcarboxylaten - Google Patents

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WO2010006834A2
WO2010006834A2 PCT/EP2009/056402 EP2009056402W WO2010006834A2 WO 2010006834 A2 WO2010006834 A2 WO 2010006834A2 EP 2009056402 W EP2009056402 W EP 2009056402W WO 2010006834 A2 WO2010006834 A2 WO 2010006834A2
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hydroxyl group
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ammonium
mol
ammonium salt
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Thomas Haas
Thomas Tacke
Alexander Schraven
Hans-Joachim Schleef
Olivier Zehnacker
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Evonik Röhm Gmbh
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    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/02—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides from salts of carboxylic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01C—AMMONIA; CYANOGEN; COMPOUNDS THEREOF
    • C01C1/00—Ammonia; Compounds thereof
    • C01C1/02—Preparation, purification or separation of ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C51/00—Preparation of carboxylic acids or their salts, halides or anhydrides
    • C07C51/42—Separation; Purification; Stabilisation; Use of additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C59/00—Compounds having carboxyl groups bound to acyclic carbon atoms and containing any of the groups OH, O—metal, —CHO, keto, ether, groups, groups, or groups
    • C07C59/01—Saturated compounds having only one carboxyl group and containing hydroxy or O-metal groups

Definitions

  • the present invention relates to a process for the preparation of hydroxycarboxylic acids from ammonium carboxylates of the general formula
  • R 1 , R 2 and R 3 are independently H, OH, optionally substituted by a hydroxyl group (Ci-C 6 ) alkyl, optionally substituted with a hydroxyl-substituted (Ci-Ce) -alkenyl, optionally substituted with a hydroxyl group (CrC 6) - alkoxy optionally substituted with a hydroxyl group (Ci -C O) -AI kylthio- (Ci - C ⁇ J-alkyl, optionally substituted with a hydroxyl group (C 6 -Cio) aryl, optionally substituted with a hydroxyl group (C 7 - Ci 2 ) -Aralkyl, optionally substituted by a hydroxyl group substituted (C 3 -C 5 ) heteroaryl, with the proviso that at least one hydroxyl group in at least one radical R 1 , R 2 and R 3 is included, mean by heating an aqueous Starting solution containing the am
  • glycolic acid such as glycolic acid, lactic acid or 2-hydroxyisobutyric acid are important starting materials in the field of pharmaceutical chemistry, agrochemical and polymer chemistry and for the synthesis of industrially used intermediates such as. Acrylic acid derivatives and are also used as food and feed additives.
  • Hydroxycarboxylic acids can be made by chemical syntheses or biotechnological processes such as the fermentation of sugars or starch using microorganisms or the enzymatic hydrolysis of carboxylic acid solubles.
  • a number of processes for preparing the free hydroxycarboxylic acids from an aqueous solution of the corresponding ammonium carboxylate, such as, for example, cationic or anionic ionic surfactants, are known from the prior art. Nuclear exchange chromatography, electrodialysis, extraction with reactive solvents or acidification of the fermentation broth with mineral acids and subsequent isolation of the carboxylic acid by concentration, crystallization or distillation (Joglekar et al., Separation and Purification Technology, 2006, 52, 1-17). Many of these methods have significant disadvantages with regard to the production of hydroxycarboxylic acids on an industrial scale.
  • the methods are sometimes very expensive, especially in view of the relatively low concentrations of the ammonium carboxylate in the solution obtained from a biotechnological process, sometimes require an expensive and trouble-prone equipment and / or generate by the use of additional chemicals molar amounts of by-products either disposed of or extensively recycled.
  • the acidification of the ammonium carboxylate with a mineral acid or, in the case of ion exchange chromatography gives rise to molar amounts of a mineral salt, which causes additional disposal costs.
  • US Pat. No. 6,291,708 B1 describes a process in which an aqueous solution of an ammonium salt is mixed with a suitable alcohol and this alcohol-water mixture is then heated under elevated pressure to thermally decompose the ammonium salt to the free acid and ammonia.
  • a suitable gas is brought as entraining agent with the alcohol-water mixture in contact, so that a gaseous product stream containing ammonia, water and a part of the Alcohol is expelled while at least 10% of the alcohol remain in the liquid phase and react with the free acid to the corresponding ester.
  • the disadvantages of this process include the need for additional chemicals (alcohol and a gas entrainer) and the partial conversion of the resulting free carboxylic acid to the ester, which in turn must be hydrolyzed to yield the free carboxylic acid.
  • US 2003/0029711 A1 describes a process for obtaining organic acids, inter alia from aqueous solutions of the ammonium salts with addition of a hydrocarbon as entraining agent.
  • a gaseous product stream is obtained which contains an azeotrope consisting of the organic acid and the entraining agent.
  • additional steps such as condensation and additional distillations must be performed.
  • this process also requires the addition of additional chemicals (entrainers), which makes the process considerably more costly, especially for an industrial-scale application.
  • EP 0 884 300 A1 describes a two-stage process for obtaining ⁇ -hydroxycarboxylic acids from the corresponding ammonium salts, in which, in a first step, an aqueous solution of the ammonium salt either as such or in a suitable organic solvent such as. XyIoI, toluene or Anis sol is heated, so that low molecular weight poly- ⁇ -hydroxycarboxylic acids are formed and in addition to the free water and a part of the water formed by the condensation of monomeric ⁇ -hydroxycarboxylic acid to poly- ⁇ -hydroxycarboxylic acid and ammonia are removed.
  • a related method is described in WO 2006/069129 A1.
  • the free water is largely removed from an aqueous solution of the ammonium carboxylate, thus obtaining the anhydrous ammonium carboxylate.
  • This is then heated in a separate process step in vacuo to 100 to 140 0 C, wherein the thermal decomposition of the salt takes place, the ammonia formed is removed in vacuo and so a product mixture of poly-hydroxy acids, oligomers of hydroxycarboxylic acids, oligomers of Ammonium salts and unreacted ammonium carboxylate is obtained.
  • This must then be added in a further step with water and heated for hydrolysis.
  • the representation of a largely anhydrous salt is necessary, which can be thermally decomposed only in a separate process step.
  • another separate process step for hydrolysis is necessary.
  • WO 00/59847 describes a process for the preparation of hydroxycarboxylic acids from aqueous solutions of their ammonium salts.
  • the process described there also requires a separate process step for concentrating the aqueous ammonium salt solution, since the concentration of the ammonium salt in the aqueous solution for aqueous salt splitting must be more than 60% by weight and a further separate process step for the thermal decomposition of the ammonium salt, moreover also requires the use of an entraining agent to remove the ammonia formed.
  • the object of the present invention was therefore to provide a process for the recovery of free hydroxycarboxylic acids from aqueous solutions of their ammonium salts, in which no concentration of the aqueous solution must be carried out in a separate process step, but the thermal decomposition of the ammonium salt and the removal of the ammonia formed and of the free water can be carried out from an aqueous solution in a single process step without the addition of an organic solvent as entraining agent.
  • hydroxycarboxylic acids can be obtained by thermal salt splitting of aqueous solutions of their ammonium salts, in which the content of the ammonium salt is less than 60 wt .-%, by heating the aqueous solution, wherein at least a portion of the free water and the ammonia formed can be removed without having to use an organic solvent or inert gas as the entraining agent.
  • the present invention therefore provides a process for the preparation of hydroxycarboxylic acids, preferably of ⁇ - and ⁇ -hydroxycarboxylic acids from ammonium carboxylates of the general formula
  • R 1, R 2 and R 3 are independently H, OH, optionally substituted with a hydroxyl group (Ci -C O) -AI alkyl, optionally substituted with a hydroxyl group (Ci -Ce) -alkenyl, unsubstituted or substituted (with hydroxyl group -C 6) - alkoxy optionally substituted with a hydroxyl group (Ci -C O) -AI kylthio- (Ci - C 6) alkyl optionally substituted with a hydroxyl group (C 6 -C 0) aryl optionally substituted with a hydroxyl group (C 7 -C 2) aralkyl optionally substituted with a hydroxyl group (C 3 -C 5) heteroaryl, with the proviso that at least one hydroxyl group is contained in at least one radical R 1, R 2 and R 3, mean comprising the following step:
  • Free water in the context of the invention means the water used as the solvent of the aqueous solution, in contrast to the water, which could be formed in principle by condensation of the hydroxycarboxylic acids formed to poly-hydroxycarboxylic acids.
  • An advantage of the present invention is that, in contrast to other processes, the ammonium salt of the hydroxycarboxylic acid in the thermal salt cleavage does not first have to be converted to a large extent into (low molecular weight) polyhydroxycarboxylic acids, from which the free hydroxycarboxylic acid only by hydrolysis in a separate process step can be obtained.
  • the type of heating is dependent on the related apparatus / plant and can be done for example via a heating bath, a temperature-controllable reactor jacket or by contacting the starting solution with a heated gas stream. Preference is given to using apparatuses with short residence times and high surface area, such as, for example, thin-film evaporators, short-path evaporators, falling-film evaporators.
  • the temperature is chosen as a function of the related pressure so that the thermal salt splitting takes place and the formation of by-products such as carboxylic acid amides is minimized.
  • at least a portion of the free water and the ammonia formed during the reaction is removed by distillation at the same time. Suitable temperature and pressure ranges can be determined by a person skilled in the art as well as the necessary duration of the thermal treatment, for example by monitoring the amount of ammonia formed or the temperature profile of the reaction solution.
  • the temperature of the reaction solution is 70 to 300 ° C., preferably 80 to 250 ° C., in particular 100 to 220 ° C., and particularly preferably 120 to 200 ° C.
  • the heating of the aqueous starting solution containing the ammonium carboxylate is carried out under reduced pressure.
  • a reduced pressure is here in the sense of the invention a pressure of less than 1 * 10 5 Pa, preferably less than 0.9 * 10 5 Pa and most preferably less than 0.8 * 10 5 Pa and more preferably less than 0.7 * 10 5 Pa.
  • a combination of pressure, temperature and apparatus is selected so that short residence times of the aqueous starting solution are achieved in the reaction apparatus.
  • entrainers are both organic solvents which are mixed with a water or with one of the components formed during the thermal salt splitting form an azeotrope, as well as inert gases or vapors of the organic solvents which are used to expel the ammonia formed and / or the water vapor (carrier gases).
  • inert gases or vapors of the organic solvents which are used to expel the ammonia formed and / or the water vapor (carrier gases).
  • carrier gases for the purposes of the invention, preference is given to using no organic solvent or organic amine as entrainer or extractant. It is furthermore preferred that no inert gas is used as entrainer for removing the ammonia and the water.
  • air can be used as a carrier gas.
  • the concentration of the ammonium salt in the starting solution is in a preferred embodiment less than 50 wt .-%, preferably less than 30 wt .-%, in particular less than 20 wt .-%, and particularly preferably less than 15% by weight.
  • the aqueous starting solution used may be a fermentation broth or the reaction solution of an enzymatic reaction for preparing the hydroxycarboxylic acid ammonium salt solution, which may optionally be partially purified before use in the process according to the invention.
  • Methods for the partial purification of fermentation broths are known in the art and include, for example, filtration or centrifugation to separate the cell material.
  • the starting solution may contain traces of organic solvents due to the fermentation process, no organic solvent is added to the aqueous solution as an entrainer or extractant.
  • the possibly resulting in the fermentation process as by-products organic solvent referred to their proportion in the triggering preferably less than 10 mol%, preferably less than 5 mol%, more preferably less than 2 mol% and in particular less than 1 mol% based on the molar amount of the ammonium carboxylate.
  • the starting solution can also be obtained from other sources, for example by degradation of polymers such as polylactide.
  • hydroxycarboxylic acid amide in the product fraction is less than 25 mol%, preferably less than 15 mol%, in particular less than 7.5 mol%, and particularly preferably less than 1 mol%, based on the Total amount of Hydroxycarbon Tarenderivate is.
  • hydroxycarboxylic acid derivatives are to be understood as meaning the free hydroxycarboxylic acid, oncogenic and polyhydroxycarboxylic acids, the ammonium salt of the hydroxycarboxylic acid and the hydroxycarboxylic acid amide.
  • the content of the ammonium salt throughout the process is less than 60% by weight, preferably less than 50% by weight, preferably less than 30 wt .-%, in particular less than 20 wt .-%, and particularly preferably less than 15 wt .-%.
  • the degree of epimerization of the resulting free hydroxycarboxylic acid in a preferred embodiment is less than 50%, preferably less than 25%, more preferably less than 10% and especially less than 5% based on the enantiomeric excess of the ammonium carboxylate used.
  • the product fraction obtained can be converted to secondary products without further purification.
  • the process of the invention may further comprise one or more subsequent steps for purification and isolation of the hydroxycarboxylic acids from the product fraction.
  • Suitable process steps include concentration, crystallization, ion exchange chromatography, electrodialysis, extraction and with reactive as well as inert solvents and purification by esterification of Hydroxycar- bonklare with suitable alcohols, subsequent distillation of the resulting ester and subsequent hydrolysis of the ester to the free acid and combinations of these steps.
  • By-products contained in the product fraction can be removed before or after the isolation of the free hydroxycarboxylic acid formed during the thermal salt dissociation or converted to the hydroxycarboxylic acid, for example by enzymatic or chemical hydrolysis of hydroxycarboxamides and oligo- and polyhydroxycarboxylic acids. Since the product fraction contains significantly less ammonium salt and water than the starting solution due to the thermal salt splitting, the amount of chemicals required in these subsequent optional process steps and the amount of waste generated thereby (eg of mineral salts in acidic work-up) are significantly lower than in the purification and isolation from the starting solution which has not previously been thermally treated by the process of the invention. Examples
  • Example 1 Thermal cleavage of ammonium 2-hydroxyisobutyric acid, according to the invention
  • the residual ammonia could be detected in the distillate and wash bottle.
  • the 2-hydroxyisobutyric acid concentration (as free acid and as salt) in the round bottom flask could be determined. From this, the ratio between the free acid and the salt could be determined by stoichiometric analysis. About 48 mol% of the 2-hydroxyisobutyric acid introduced before the start of the test was present as salt and about 51 mol% as free acid. Amides could only be detected in traces. Both the conversion and the yield to the free acid was about 51 mol%.
  • A-2HIBS aqueous ammonium 2-hydroxyisobutyric acid solution
  • the residual ammonia could be detected in the distillate and wash bottle.
  • the 2-HIBS concentration (as free acid and as salt) in the round bottom flask was determined. From this, the ratio between the free acid and the salt could be determined by stoichiometric analysis. About 42 mol% of the 2-HIBS given off before the start of the test were present as salt and about 51 mol% as free acid. About 5 mol% of the ammonium 2-hydroxyisobutyric acid charged before the start of the experiment reacted to the undesired amide. The conversion of the added salt in this experiment was about 56 mol%, the yield of free acid being about 51 mol%.
  • Example 3 Thermal cracking of a concentrated ammonium-2-hydroxyisobutyric acid solution, not according to the invention
  • a concentrated ammonium 2-hydroxyisobutyric acid solution was prepared by weighing 2-hydroxyisobutyric acid (2-HIBS), ammonium hydroxide and water. For this purpose, about 35.9 g of 2-hydroxyisobutyric acid, 21, 6 g of ammonium hydroxide and 6.1 g of water were mixed together in a beaker with continuous stirring. This set a pH of 7.5. This solution corresponds to an approximately 65% by weight ammonium-2-hydroxyisobutyric acid solution.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxycarbonsäuren, bevorzugt von α- und ß- Hydroxycarbonsäuren aus Ammoniumcarboxylaten der allgemeinen Formel (I), worin R1, R2 und R3 unabhängig voneinander H, OH, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C1-C6)-Alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C1-C6)-Al kenyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C1-C6)-Alkoxy, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C1-C6)-Alkylthio-(C1-C6)-alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C6-C10)-Aryl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C7-C12)-Aralkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C3-C5)-Heteroaryl, mit der Maßgabe, dass mindestens eine Hydroxylgruppe in mindestens einem Rest R1, R2 und R3 enthalten ist, bevorzugt R1 = H, CH3, CH2CH3, C6H5, (CH2)2SCH3 und R2 = H, CH3 und R3 = OH, gleichermaßen bevorzugt R1 = CH2OH, CHOHCH3 und R2 = R3 = H, CH3, besonders bevorzugt R1 = R2 = CH3 und R3 = OH, gleichermaßen besonders bevorzugt R1 = CH2OH, R2 = CH3 und R3 = H, bedeuten, umfassend den folgenden Schritt: Erhitzen einer wässrigen Ausgangslösung enthaltend das Ammoniumcarboxylat wobei durch thermische Zersetzung des Ammoniumcarboxylats die Hydroxycarbonsäure und Ammoniak gebildet werden und gleichzeitig mindestens ein Teil des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks aus der Lösung entfernt wird und dadurch eine Produktfraktion enthaltend die Hydroxycarbonsäure erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Ammoniumsalzes in der Ausgangslösung weniger als 60 Gew.-% beträgt, die thermische Zersetzung des Ammoniumsalzes sowie das Entfernen des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks in einem Verfahrensschritt erfolgen, wobei der Umsatz des Ammoniumsalzes mehr als 20 mol%, bevorzugt mehr als 30 mol%, vorzugsweise mehr als 50 mol%, besonders bevorzugt mehr als 75 mol%, ganz besonders bevorzugt mehr als 90 mol% und insbesondere mehr als 95 mol% beträgt und kein Ether, Alkohol oder Kohlenwasserstoff als Schleppmittel verwandt wird.

Description

Thermisches Salzspalten von Ammoniumcarboxylaten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxycarbonsäu- ren aus Ammoniumcarboxylaten der allgemeinen Formel
Figure imgf000003_0001
worin R1, R2 und R3 unabhängig voneinander H, OH, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci-C6)-Alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -Ce)-Al kenyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (CrC6)- Alkoxy, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -CO)-AI kylthio-(Ci - CβJ-alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C6-Cio)-Aryl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C7-Ci2)-Aralkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C3-C5)-Heteroaryl, mit der Maßgabe, dass mindestens eine Hydroxylgruppe in mindestens einem Rest R1, R2 und R3 enthalten ist, bedeuten, unter Erhitzen einer wässrigen Ausgangslösung, enthaltend das Ammoniumcarboxylat, wobei durch thermische Zersetzung des Ammoniumcarboxylats die Hydroxycarbonsäu- re und Ammoniak gebildet werden und gleichzeitig mindestens ein Teil des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks aus der Lösung entfernt wird und dadurch eine Produktfraktion enthaltend die Hydroxycarbonsäure erhalten wird. Hydroxycarbonsäuren der allgemeinen Formel
Figure imgf000004_0001
wie beispielsweise Glykolsäure, Milchsäure oder 2-Hydroxyisobuttersäure sind wichtige Ausgangsstoffe im Bereich der pharmazeutischen Chemie, der Agro- und Polymerchemie und zur Synthese großtechnisch eingesetzter Intermediate wie bspw. Acrylsäurede- rivate und werden darüber hinaus als Nahrungs- und Futtermittelzusätze verwendet. Hydroxycarbonsäuren können durch chemische Synthesen oder biotechnologische Verfahren wie die Fermentation von Zuckern oder Stärke unter Verwendung von Mikroorganismen oder die enzymatische Hydrolyse von Carbonsäurenithlen erfolgen. Sind die Substituenten R1, R2 und R3 in der allgemeinen Formel (I) voneinander verschieden und ungleich CO2H, existieren zwei optisch aktive Formen (Enantiomere) der Verbindung. Während in chemischen Synthesen oft nur ein Racemat der beiden Enantiomere erhalten wird, können in biotechnologischen Verfahren oft hohe Überschüsse eines Enantiomers erzielt werden. Die Wahl des bevorzugt gebildeten Enantiomers kann hierbei über eine geeignete Auswahl des Mikroorganismus oder Enzyms erfolgen. In biotechnologischen Verfahren wird die Carbonsäure häufig als wässrige Lösung eines Ammoniumcarboxylats erhalten. Der Gehalt des Ammoniumcarboxylats in der Fermentationsbrühe bzw. der Reaktionslösung einer enzymatischen Reaktion ist abhängig von dem verwendeten Verfahren, übersteigt jedoch in vielen Fällen nicht 10 Gew.-% und liegt häufig sogar deutlich niedriger (EP 1 466 984 A1 , US 6 937 155, US 7 198 927 B2).
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Verfahren zur Herstellung der freien Hydroxycarbonsäuren aus einer wässrigen Lösung des korrespondierenden Ammoniumcarboxylats bekannt wie beispielsweise kationische oder anionische lone- naustauschchromatographie, Elektrodialyse, die Extraktion mit reaktiven Lösungsmitteln oder das Ansäuern der Fermentationsbrühe mit Mineralsäuren und anschließender Isolierung der Carbonsäure durch Konzentrierung, Kristallisation oder Destillation (Joglekar et al. Separation and Purification Technology, 2006, 52, 1 -17). Viele dieser Methoden haben im Hinblick auf die Herstellung von Hydroxycarbonsäuren im industriellen Maßstab entscheidende Nachteile. Die Verfahren sind zum Teil sehr kostenintensiv, insbesondere im Hinblick auf die relativ geringen Konzentrationen des Ammoniumcarboxylats in der aus einem biotechnologischen Verfahren erhaltenen Lösung, erfordern teilweise eine teure und störanfällige apparative Ausstattung und/oder generieren durch die Verwendung zusätzlicher Chemikalien molare Mengen an Nebenprodukten, die entweder entsorgt oder aufwendig recycelt werden müssen. So entstehen beispielsweise beim Ansäuern des Ammoniumcarboxylats mit einer Mineralsäure oder bei der lone- naustauschchromatographie molare Mengen eines Mineralsalzes, welches zusätzliche Entsorgungskosten verursacht.
Ein anderer Ansatz zur Gewinnung freier Hydroxycarbonsäuren aus ihren korrespondierenden Ammoniumcarboxylaten ist die thermische Zersetzung des Ammoniumcarboxylats zur freien Säure und Ammoniak gemäß Gleichung (i).
R1 R1
R3- -CO9- NH, Rά CO2H + NH3
R2 R2 (i)
US 6 291 708 B1 beschreibt ein Verfahren, in dem eine wässrige Lösung eines Ammoniumsalzes mit einem geeigneten Alkohol vermischt wird und dieses Alkohol-Wasser- Gemisch anschließend unter erhöhtem Druck erhitzt wird, um das Ammoniumsalz thermisch zur freien Säure und Ammoniak zu zersetzen. Gleichzeitig wird ein geeignetes Gas als Schleppmittel mit dem Alkohol-Wasser-Gemisch in Kontakt gebracht, so dass ein gasförmiger Produktstrom, enthaltend Ammoniak, Wasser und einen Teil des Alkohols, ausgetrieben wird, während mindestens 10% des Alkohols in der flüssigen Phase verbleiben und mit der freien Säure zum entsprechenden Ester reagieren. Die Nachteile dieses Verfahrens sind unter anderem die Notwendigkeit zusätzlicher Chemikalien (Alkohol und ein Gas als Schleppmittel) sowie die partielle Umsetzung der gebildeten freien Carbonsäure zum Ester, der wiederum hydrolysiert werden muss, um die freie Carbonsäure zu erhalten.
US 2003/0029711 A1 beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung organischer Säuren, unter anderem aus wässrigen Lösungen der Ammoniumsalze unter Zusatz eines Kohlenwasserstoffes als Schleppmittels. Durch Erhitzen des Gemisches wird ein gasförmiger Produktstrom erhalten, der ein Azeotrop bestehend aus der organischen Säure und dem Schleppmittel enthält. Um die Säure aus diesem Produktstrom zu isolieren, müssen weitere Schritte wie Kondensation und zusätzliche Destillationen durchgeführt werden. Darüber hinaus erfordert auch dieses Verfahren die Addition zusätzlicher Chemikalien (Schleppmittel), wodurch das Verfahren, gerade für eine Anwendung im industriellen Maßstab, deutlich kostenintensiver wird.
EP 0 884 300 A1 beschreibt ein zweistufiges Verfahren zur Gewinnung von α- Hydroxycarbonsäuren aus den korrespondierenden Ammoniumsalzen, bei dem in einem ersten Schritt eine wässrige Lösung des Ammoniumsalzes entweder als solche oder in einem geeigneten organischen Lösungsmittel wie bspw. XyIoI, Toluol oder Ani- sol erhitzt wird, so dass niedermolekulare Poly-α-Hydroxycarbonsäuren gebildet werden und neben dem freien Wasser auch einen Teil des durch die Kondensation von monomerer α-Hydroxycarbonsäure zu Poly-α-Hydroxycarbonsäure gebildeten Wassers sowie Ammoniak entfernt werden. In einem zweiten Verfahrensschritt ist danach die erneute Addition von Wasser und das Erhitzen der erhaltenen wässrigen Lösung nötig, um die Poly-α-Hydroxycarbonsäure zur monomeren α-Hydroxycarbonsäure zu hydroly- sieren. Neben dem zusätzlichen Verfahrensschritt sind weitere Nachteile dieses Verfahren der Zusatz eines Schleppmittels (azeotropes Reagenz) bzw. der stark verminderte Druck, der benötigt wird, wenn kein azeotropes Reagenz zu der wässrigen Lösung hinzugegeben wird (typischerweise weniger als 0.002*105 Pa, wenn auf das organische Schleppmittel verzichtet wird) sowie die hohe erforderliche Ausgangskonzentration des Ammoniumcarboxylats in der wässrigen Lösung (Gehalt mehr als 80 Gew-%, wenn ohne Schleppmittel gearbeitet wird).
Ein verwandtes Verfahren ist in WO 2006/069129 A1 beschrieben. Hier wird in einem ersten Schritt aus einer wässrigen Lösung des Ammoniumcarboxylats das freie Wasser weitestgehend entfernt und so das wasserfreie Ammoniumcarboxylat erhalten. Dieses wird dann in einem separaten Verfahrensschritt im Vakuum auf 100 bis 140 0C erhitzt wird, wobei die thermische Zersetzung des Salzes stattfindet, der gebildete Ammoniak im Vakuum entfernt wird und so ein Produktgemisch aus Poly-Hydroxysäuren, Oligome- ren der Hydroxycarbonsäuren, Oligomeren der Ammoniumsalze und nicht umgesetztem Ammoniumcarboxylat erhalten wird. Dieses muss anschließend in einem weiteren Schritt mit Wasser versetzt und zur Hydrolyse erhitzt werden. Auch in diesem Verfahren ist die Darstellung eines weitestgehend wasserfreien Salzes notwendig, das erst in einem separaten Verfahrensschritt thermisch zersetzt werden kann. Außerdem ist noch ein weiterer separaten Verfahrensschritt zur Hydrolyse notwendig.
WO 00/59847 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxycarbonsäuren aus wässrigen Lösungen ihrer Ammoniumsalze. Auch das dort beschriebene Verfahren erfordert einen separaten Verfahrensschritt zur Konzentrierung der wässrigen Ammoniumsalzlösung, da die Konzentration des Ammoniumsalzes in der wässrigen Lösung zur wässrigen Salzspaltung mehr als 60 Gew.-% betragen muss und einen weiteren separaten Verfahrensschritt zur thermischen Zersetzung des Ammoniumsalzes, der darüber hinaus auch die Verwendung eines Schleppmittels zur Entfernung des gebildeten Ammoniaks erfordert.
Probleme, die darüber hinaus bei vielen der literaturbekannten Verfahren auftreten, sind zum einen die Bildung erheblicher Mengen von Hydroxycarbonsäureamid durch Kon- densation der in der Reaktion gebildeten Carbonsäure mit dem ebenfalls freiwerdenden Ammoniak gemäß Gleichung (ii):
RJ
Figure imgf000008_0001
Des weiteren besteht bei der Umsetzung von Ammoniumsalzen optisch aktiver Hydro- xycarbonsäuren gerade in Gegenwart starker Säuren oder Basen und bei erhöhten Temperaturen eine Gefahr der Epimerisierung des Stereozentrums, die je nach Reaktionsbedingungen zum völligen Verlust der Stereoinformation unter Bildung eines race- mischen Gemisches führen kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Gewinnung von freien Hydroxycarbonsäuren aus wässrigen Lösungen ihrer Ammoniumsalze bereitzustellen, bei denen keine Konzentrierung der wässrigen Lösung in einem separaten Verfahrensschritt erfolgen muß, sondern die thermische Zersetzung des Ammoniumsalzes sowie das Entfernen des gebildeten Ammoniaks und des freien Wassers aus einer wässrigen Lösung in einem einzigen Verfahrensschritt ohne Zusatz eines organischen Lösungsmittels als Schleppmittel erfolgen kann.
Überraschenderweise ist nun gefunden worden, dass Hydroxycarbonsäuren erhalten werden können durch thermische Salzspaltung von wässrigen Lösungen ihrer Ammoniumsalze, in denen der Gehalt des Ammoniumsalzes weniger als 60 Gew.-% beträgt, indem die wässrige Lösung erhitzt wird, wobei zugleich mindestens ein Teil des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks entfernt werden kann, ohne dass ein organisches Lösungsmittel oder Inertgas als Schleppmittel verwandt werden muß. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Hydroxycarbonsäuren, bevorzugt von α- und ß- Hydroxycarbonsäuren aus Ammonium- carboxylaten der allgemeinen Formel
Figure imgf000009_0001
worin R1, R2 und R3 unabhängig voneinander H, OH, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -CO)-AI kyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -Ce)-Al kenyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (CrC6)- Alkoxy, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -CO)-AI kylthio-(Ci - C6)-alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C6-Ci0)-Aryl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C7-Ci2)-Aralkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C3-C5)-Heteroaryl, mit der Maßgabe, dass mindestens eine Hydroxylgruppe in mindestens einem Rest R1, R2 und R3 enthalten ist, bedeuten, umfassend den folgenden Schritt:
Erhitzen einer wässrigen Ausgangslösung enthaltend das Ammoniumcarboxylat wobei durch thermische Zersetzung des Ammoniumcarboxylats die Hydroxycarbonsäure und Ammoniak gebildet werden und gleichzeitig mindestens ein Teil des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks aus der Lösung entfernt wird und dadurch eine Produktfraktion enthaltend die Hydroxycarbonsäure erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Ammoniumsalzes in der Ausgangslösung weniger als 60 Gew.-% beträgt, die thermische Zersetzung des Ammoniumsalzes sowie das Entfernen des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks in einem Verfahrensschritt erfolgen, wobei der Umsatz des Ammoniumsalzes mehr als 20 mol%, bevorzugt mehr als 30 mol%, vorzugsweise mehr als 50 mol%, besonders bevorzugt mehr als 75 mol%, ganz besonders bevorzugt mehr als 90 mol% und insbesondere mehr als 95 mol% beträgt und kein Ether, Alkohol oder Kohlenwasserstoff als Schlepp- mittel verwandt wird.
Bevorzugt erfolgt keine weitere Konzentrierung der Ausgangslösung vor der thermischen Salzspaltung.
Besonders bevorzugt ist die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung der α- Hydroxycarbonsäuren Glykolsäure (R1 = R2 = H; R3 = OH), Milchsäure (R1 = CH3; R2 = H; R3 = OH), Zitronensäure(R1 = R2 = CH2COOH; R3 = OH), Weinsäure (R1 = CHOHCOOH; R2 = H; R3 = OH), 2-Hydroxyisobuttersäure (R1 = R2 = CH3; R3 = OH), 2- Hydroxy-2-phenylpropansäure (R1 = CH3; R2 = Ph; R3 = OH) sowie A- Methylthiobuttersäure (R1 = CH2CH2SCH3; R2 = H; R3 = OH), wobei 2- Hydroxyisobuttersäure besonders bevorzugt ist, und zur Herstellung der ß- Hydroxycarbonsäuren 3-Hydroxypropionsäure (R1 = CH2OH; R2 = H; R3 = H), 3- Hydroxybuttersäure (R1 = CH2OHCH3; R2 = H; R3 = H), 3-Hydroxyvalehansäure (R1 = CH2OHCH2CH3; R2 = H; R3 = H), 3- Hydroxyhexansäure (R1 = CH2OHCH2CH2CH3; R2 = H; R3 = H), 3-Hydroxyheptansäure (R1 = CH2OHCH2CH2CH2CH3; R2 = H; R3 = H), 3- Hydroxyoctansäure (R1 = CH2OHCH2CH2CH2CH2CH3; R2 = H; R3 = H) und 3- Hydroxyisobuttersäure (R1 = CH2OH; R2 = CH3; R3 = H), wobei 3-Hydroxyisobuttersäure besonders bevorzugt ist.
Freies Wasser bedeutet im Sinne der Erfindung das als Solvens genutzte Wasser der wässrigen Lösung, im Gegensatz zu dem Wasser, welches prinzipiell durch Kondensation der gebildeten Hydroxycarbonsäuren zu Poly-Hydroxycarbonsäuren gebildet werden könnte. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass im Gegensatz zu anderen Verfahren das Ammoniumsalz der Hydroxycarbonsäure bei der thermischen Salzspaltung nicht zunächst zu einem großen Teil in (niedermolekulare) Poly-Hydroxycarbonsäuren umgewandelt werden muss, aus denen die freie Hydroxycarbonsäure erst durch Hydrolyse in einem separaten Verfahrensschritt erhalten werden kann. Die Art des Erhitzens ist abhängig von der verwandten Apparatur/Anlage und kann beispielsweise über ein Heizbad, einen temperierbaren Reaktormantel oder durch Kontaktieren der Ausgangslösung mit einem erhitzten Gasstrom erfolgen. Bevorzugt werden Apparaturen mit kurzen Verweilzeiten und großer Oberfläche, wie beispielsweise Dünnschichtverdampfer, Kurzwegverdampfer, Fallfilmverdampfer eingesetzt. Die Temperatur wird in Abhängigkeit von dem verwandten Druck so gewählt, dass die thermische Salzspaltung stattfindet und die Bildung von Nebenprodukten wie Carbonsäureamiden minimiert wird. Bevorzugt wird gleichzeitig mindestens ein Teil des freien Wassers und des während der Reaktion gebildeten Ammoniaks destillativ entfernt. Geeignete Temperatur- und Druckbereiche können von einem Fachmann bestimmt werden ebenso wie die notwendige Dauer der thermischen Behandlung beispielsweise durch ein Überwachen der gebildeten Ammoniakmenge oder des Temperaturverlaufs der Reaktionslösung.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Temperatur der Reaktionslösung 70 bis 300 0C, bevorzugt 80 bis 250 0C, insbesondere 100 bis 220 0C und besonders bevorzugt 120 bis 200 0C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Erhitzen der wässrigen Ausgangslösung enthaltend das Ammoniumcarboxylat unter vermindertem Druck durchgeführt. Ein verminderter Druck bedeutet hier im Sinne der Erfindung einen Druck von weniger als 1 *105 Pa, bevorzugt weniger als 0.9*105 Pa und besonders bevorzugt weniger als 0,8*105 Pa und insbesondere weniger als 0,7*105 Pa.
Bevorzugt wird eine Kombination von Druck, Temperatur und Apparatur gewählt, so dass kurze Verweilzeiten der der wässrigen Ausgangslösung in der Reaktionsapparatur erreicht werden.
Schleppmittel im Sinne der Erfindung sind sowohl organische Lösungsmittel, die mit einer Wasser oder einer der bei der thermischen Salzspaltung gebildeten Komponente ein Azeotrop bilden, wie auch Inertgase oder Dämpfe der organischen Lösungsmittel, die zum Austreiben des gebildeten Ammoniaks und/oder des Wasserdampfes verwandt werden (Trägergase). Bevorzugt im Sinne der Erfindung ist es, dass kein organisches Lösungsmittel oder organisches Amin als Schleppmittel oder Extraktionsmittel verwandt wird. Bevorzugt ist weiterhin, dass zum Entfernen des Ammoniaks sowie des Wassers kein Inertgas als Schleppmittel verwandt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann hingegen Luft als Trägergas verwandt werden.
Die Konzentration des Ammoniumsalzes in der Ausgangslösung beträgt in einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 50 Gew.-%, bevorzugt weniger als 30 Gew.-%, insbesondere weniger als 20 Gew.-%, und besonders bevorzugt weniger als 15 Gew.- %.
Als wässrige Ausgangslösung kann eine Fermentationsbrühe oder die Reaktionslösung einer enzymatischen Reaktion zur Herstellung der Hydroxycarbonsäure- Ammoniumsalzlösung eingesetzt werden, die optional vor der Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren partiell gereinigt werden können. Verfahren zur partiellen Reinigung von Fermentationsbrühen sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Filtration oder Zentrifugation zum Abtrennen des Zellmaterials. Hierbei kann die Ausgangslösung infolge des Fermentationsprozesses zwar Spuren organischer Lösungsmittel enthalten, jedoch wird kein organisches Lösungsmittel als Schleppmittel oder Extraktionsmittel zu der wässrigen Lösung hinzugefügt. Als Spuren organischer Lösungsmittel im Sinne der Erfindung werden die im Fermentationsprozeß möglicherweise als Nebenprodukte entstehenden organischen Lösungsmittel (beispielsweise E- thanol) bezeichnet, deren Anteil in der Auslösung bevorzugt weniger als 10 mol%, vorzugsweise weniger als 5 mol%, besonders bevorzugt weniger als 2 mol% und insbesondere weniger als 1 mol% bezogen auf die Stoffmenge des Ammoniumcarboxylats beträgt. Darüber hinaus kann die Ausgangslösung auch aus anderen Quellen gewonnen werden, beispielsweise durch Abbau von Polymeren wie Polylactid.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist, dass der Anteil an Hydroxycarbonsäu- reamid in der Produktfraktion weniger als 25 mol% bevorzugt weniger als 15 mol%, insbesondere weniger als 7,5 mol%, und besonders bevorzugt weniger als 1 mol% bezogen auf die Gesamtmenge der Hydroxycarbonsäurenderivate beträgt. Unter Hydroxy- carbonsäurenderivaten sind im Sinne der Erfindung die freie Hydroxycarbonsäure, ON- go- und Poly-Hydroxycarbonsäuren, das Ammoniumsalz der Hydroxycarbonsäure sowie das Hydroxycarbonsäureamid zu verstehen.
In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gehalt des Ammoniumsalzes während des gesamten Verfahrens (d. h. in der Ausgangslösung, der Reaktionslösung während der thermischen Salzspaltung und der erhaltenen Produktfraktion) weniger als 60 Gew.-%, bevorzugt weniger als 50 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 30 Gew.-%, insbesondere weniger als 20 Gew.-%, und besonders bevorzugt weniger als 15 Gew.-%. Wenn R1, R2 und R3 voneinander verschieden und ungleich COOH sind , beträgt der Grad der Epimerisierung der erhaltenen freien Hydroxycarbonsäure in einer bevorzugten Ausführungsform weniger als 50%, bevorzugt weniger als 25%, besonders bevorzugt weniger als 10% und insbesondere weniger als 5% bezogen auf den Enantiome- renüberschuß des eingesetzten Ammoniumcarboxylats.
Die erhaltene Produktfraktion kann ohne weitere Reinigung zu Folgeprodukten umgesetzt werden. Bevorzugt im Sinne der Erfindung ist beispielsweise die Dehydratisierung, von α- und ß-Hydroxycarbonsäuren zu Acrylsäuredehvaten, wobei Hydroxycarbonsäu- ren der allgemeinen Formel (II), wobei α-Hydroxycarbonsäuren mit R1 = (d-CβJ-Alkyl oder (C7-Ci2)-Aralkyl und R2 = H, (Ci-C6)-Alkyl oder (C7-Ci2)-Aralkyl und R3 = OH und ß-Hydroxycarbonsäuren mit R1 = (Ci-C6)-Alkyl-OH oder (C7-Ci2)-Aralkyl-OH und R2 und R3 unabhängig voneinander gleich oder verschieden = H, (d-CβJ-Alkyl oder (C7-Ci2)- Aralkyl. Eine Reihe von Verfahren zur Dehydratisierung von α- und ß- Hydroxycarbonsäuren zu Acrylsäurederivaten sind dem Fachmann bekannt, solche werden beispielsweise in der PCT/EP2007/055394, US 3,666,805 und US 5,225,594 beschrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin eine oder mehrere anschließende Schritte zur Reinigung und Isolierung der Hydroxycarbonsäuren aus der Produktfraktion enthalten. Geeignete Verfahrensschritte sind unter anderen Konzentrierung, Kristallisation, lonenaustauschchromatographie, Elektrodialyse, Extraktion sowie mit reaktiven als auch mit inerten Lösungsmitteln und die Reinigung durch Veresterung der Hydroxycar- bonsäure mit geeigneten Alkoholen, nachfolgender Destillation des erhaltenen Esters und anschließender Hydrolyse des Esters zur freien Säure sowie Kombinationen dieser Schritte. In der Produktfraktion enthaltene Nebenprodukte können vor oder nach der Isolierung der bei der thermischen Salzspaltung gebildeten freien Hydroxycarbonsäure entfernt oder zur Hydroxycarbonsäure umgesetzt werden, beispielsweise durch enzy- matische oder chemische Hydrolyse von Hydroxycarbonsäureamiden sowie Oligo- und Poly-Hydroxycarbonsäuren. Da die Produktfraktion aufgrund der thermischen Salzspaltung deutlich weniger Ammoniumsalz und Wasser als die Ausgangslösung enthält, ist die in diesen nachfolgenden optionalen Verfahrensschritten benötigte Menge an Chemikalien sowie die Menge des dabei anfallenden Abfalls (bspw. an Mineralsalzen bei saurer Aufarbeitung) deutlich geringer als bei der Reinigung und Isolierung aus der Ausgangslösung, die zuvor nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren thermisch behandelt wurde. Beispiele
Beispiel 1 : Thermisches Spalten von Ammonium-2-Hydroxyisobuttersäure, erfindungs- gemäß
In einem Rundkolben mit Liebigkühler, an den über eine Waschflasche eine Vakuumpumpe angeschlossen wurde, wurden 20,53 g einer etwa 11 Gew.-% wässrigen Am- monium-2-Hydroxyisobuttersäure-Lösung (A-2HIBS) vorgelegt. Unter Rühren wurde die Lösung in einem auf 140 0C temperierten Ölbad erhitzt, und bei vermindertem Druck (p = 0.5*105 Pa) das freie Wasser unter gleichzeitiger thermischer Salzspaltung abdestilliert. Während der Destillation nahm die Masse in dem Rundkolben auf 2,86 g ab. Nach 180 Minuten wurde die Reaktion abgebrochen. Die Ammoniak-Konzentration wurde mittels einer Kjeldahl-Analyse bestimmt. Es konnten etwa 49 % der anfangs aufgegebenen Ammoniakmasse (0.32 g) in dem Rundkolben nachgewiesen werden. Der restliche Ammoniak konnte in dem Destillat und der Waschflasche detektiert werden. Mittels einer HPLC-Analyse konnte die 2-Hydroxyisobuttersäure Konzentration (als freie Säure und als Salz) in dem Rundkolben bestimmt werden. Hieraus konnte mit Hilfe einer stö- chiometrischen Betrachtung das Verhältnis zwischen der freien Säure und dem Salz bestimmt werden. Es lagen etwa 48 mol% der vor Versuchsbeginn aufgegebenen 2- Hydroxyisobuttersäure als Salz und etwa 51 mol% als freie Säure vor. Amide konnten nur in Spuren nachgewiesen werden. Sowohl der Umsatz, als auch die Ausbeute zur freien Säure lag bei etwa 51 mol%.
Beispiel 2: Thermisches Spalten von Ammonium-2-Hydroxyisobuttersäure, erfindungsgemäß
In einem Rundkolben mit Liebigkühler, an den über eine Waschflasche eine Vakuumpumpe angeschlossen wurde, wurden 20,03 g einer etwa 11 Gew.-% wässrigen Am- monium-2-Hydroxyisobuttersäure-Lösung (A-2HIBS) vorgelegt. Unter Rühren wurde die Lösung in einem auf 160 0C temperierten Ölbad erhitzt, und bei vermindertem Druck (p = 0.8*105 Pa) wurde das freie Wasser unter gleichzeitiger thermischer Salzspaltung abdestilliert. Während der Destillation nahm die Masse in dem Rundkolben auf 2,51 g ab. Nach 180 Minuten wurde die Reaktion abgebrochen. Die Ammoniak-Konzentration wurde mittels einer Kjeldahl-Analyse bestimmt. Es konnten etwa 44 % der anfangs aufgegebenen Ammoniakmasse (0.32 g) in dem Rundkolben nachgewiesen werden. Der restliche Ammoniak konnte in dem Destillat und der Waschflasche detektiert werden. Mittels einer HPLC-Analyse konnte die 2-HIBS Konzentration (als freie Säure und als Salz) in dem Rundkolben bestimmt werden. Hieraus konnte mit Hilfe einer stöchiometri- schen Betrachtung das Verhältnis zwischen der freien Säure und dem Salz bestimmt werden. Es lagen etwa 42 mol% der vor Versuchsbeginn aufgegebenen 2-HIBS als Salz und etwa 51 mol% als freie Säure vor. Etwa 5 mol% der vor Versuchsbeginn aufgegebenen Ammonium-2-Hydroxyisobuttersäure reagierten zu dem unerwünschten Amid. Der Umsatz des aufgegebenen Salzes betrug in diesem Versuch ca. 56 mol%, wobei die Ausbeute an freier Säure bei etwa 51 mol% lag.
Beispiel 3: Thermisches Spalten einer konzentrierten Ammonium-2- Hydroxyisobuttersäure Lösung, nicht erfindungsgemäß
Eine konzentrierte Ammonium-2-Hydroxyisobuttersäure Lösung wurde durch einwiegen von 2-Hydroxyisobuttersäure (2-HIBS), Ammoniumhydroxyd und Wasser hergestellt. Hierzu wurden ca. 35,9 g 2-Hydroxyisobuttersäure, 21 ,6 g Ammoniumhydroxyd und 6,1 g Wasser in einem Becherglas unter stetigem Rühren miteinander vermischt. Hierbei stellte sich ein pH-Wert von 7,5 ein. Diese Lösung entspricht einer ca. 65 Gew.-% Am- monium-2-Hydroxyisobuttersäure Lösung.
Der folgende Schritt ist der reaktiven Verdampfung der WO 00/59847 nachempfunden: Etwa 10,8 g dieser Lösung wurden in einen Rundkolben eingefüllt und in einem Ölbad erhitzt. Die Temperatur in dem Ölbad wurde auf 180 0C eingestellt und konstant gehalten. Über einen Liebigkühler wurde eine Waschflasche sowie eine Vakuumpumpe an- geschlossen. Der Systemdruck wurde auf 0,05*105 Pa eingestellt und konstant gehalten. Der Versuch wurde nach 10 min abgebrochen und die verbleibende Lösung in dem Rundkolben mittels HPLC analysiert. Es zeigte sich, dass sich bei diesen Reaktionsbedingungen signifikante Mengen des Amides gebildet hatten. Ca. 9% der analysierten 2- Hydroxyisobuttersäure (als freie Säure, als Salz und als Amid) Lagen als Amid vor.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Hydroxycarbonsäuren, bevorzugt von α- und ß- Hydroxycarbonsäuren aus Ammoniumcarboxylaten der allgemeinen Formel
Figure imgf000018_0001
worin R1, R2 und R3 unabhängig voneinander H, OH, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -CO)-AI kyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci-C6)-Alkenyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (Ci -CO)-AI koxy, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (CrCe)-AI kylthio-(Ci-C6)-alkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C6-Cio)-Aryl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C7- Ci2)-Aralkyl, gegebenenfalls mit einer Hydroxylgruppe substituierter (C3-C5)- Heteroaryl, mit der Maßgabe, dass mindestens eine Hydroxylgruppe in mindestens einem Rest R1, R2 und R3 enthalten ist, bedeuten, umfassend den folgenden Schritt:
Erhitzen einer wässrigen Ausgangslösung enthaltend das Ammoniumcarboxylat wobei durch thermische Zersetzung des Ammoniumcarboxylats die Hydroxycar- bonsäure und Ammoniak gebildet werden und gleichzeitig mindestens ein Teil des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks aus der Lösung entfernt wird und dadurch eine Produktfraktion enthaltend die Hydroxycarbonsäure erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Ammoniumsalzes in der Ausgangslösung weniger als 60 Gew.-% beträgt, die thermische Zersetzung des Ammoniumsalzes sowie das Entfernen des freien Wassers und des gebildeten Ammoniaks in einem Verfahrens- schritt erfolgen, wobei der Umsatz des Ammoniumsalzes mehr als 20 mol% beträgt und kein Ether, Alkohol oder Kohlenwasserstoff als Schleppmittel verwandt wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Reaktionslösung 70 bis 300 0C beträgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen der wässrigen Ausgangslösung enthaltend das Ammoniumcar- boxylat unter vermindertem Druck durchgeführt wird.
4. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass kein organisches Lösungsmittel als Schleppmittel verwandt wird.
5. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum Entfernen des Ammoniaks sowie des Wassers kein Inertgas als Schleppmittel verwandt wird.
6. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration des Ammoniumsalzes in der Ausgangslösung weniger als 50 Gew.-% beträgt.
7. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der wässrigen Ausgangslösung um eine Fermentationsbrühe o- der die Reaktionslösung einer enzymatischen Reaktion zur Herstellung des Hydroxycarbonsäure-Ammoniumsalzes handelt, die optional zuvor partiell gereinigt worden sein kann.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, in dem die Ausgangslösung in Folge des Fermentationsprozesses zwar Spuren organischer Lösungsmittel enthalten kann, jedoch kein organisches Lösungsmittel als Schleppmittel hinzugefügt wird.
9. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil von Hydroxycarbonsäureamid in der Produktfraktion weniger als 25 Mol% bezogen auf die Gesamtmenge der Hydroxycarbonsäurederivate beträgt.
10. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Ammoniumsalzes während des gesamten Verfahrens geringer als 60 Gew.-% ist.
11. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Grad der Epimerisierung weniger als 50% beträgt, wenn R1, R2 und R3 voneinander verschieden und ungleich COOH sind.
12. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die erhaltene Produktfraktion ohne weitere Reinigung zu Folgeprodukten, bevorzugt zu Acrylsäuredehvaten umgesetzt wird.
13. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin einen oder mehrere anschließende Verfahrensschritte zur Reinigung und Isolierung der Hydroxycarbonsäure aus der Produktfraktion enthalten kann.
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