Procédé de préparation de la méthionine. La présente invention se rapporte à la préparation de la méthionine à partir de l'acroléine.
La méthionine (acide a-amino-y-méthyl- thiol-butyrique), qui répond à la formule CII;sSCII.@CH ;CHNH=COOH, est un solide blanc, cristallisant: dans l'eau sous forme de plaques ou de feuilles, dont le point de fusion est. de 2810C environ. Le produit synthétique s'obtient sous la forme racémique ou d,1.
Il avait. déjà été proposé de préparer la méthionine à partir de l'acroléine comme ma tière première. Les procédés proposés précé demment, cependant, sont indirects et exigent la séparation des produits de réaction inter médiaires. En outre, les méthodes connues sont conteuses et donnent des rendements relativement faibles.
La présente invention a pour objet un procédé sûr et satisfaisant de préparation de la méthionine à partir de l'acroléine, se pré- tant â une opération économique pour donner un produit industriel.
Le procédé objet de la présente invention permet la. préparation de la méthionine di- reetement à partir de l'acroléine, sans qu'il soit nécessaire de séparer ou d'isoler aucun produit intermédiaire. Ce procédé est simple et direct, et donne de bons rendements en méthionine.
Il est caractérisé en ce que, à partir d'acroléine, de méthy lmercaptan et d'acide cyanhydrique, on forme l'a-hydroxy-y-méthyl- thiol-butyronitrile, on fait réagir ce butyro- nitrile avec NH? (anhydre ou en solution aqueuse) pour remplacer le groupe hydroxyle par un groupe amino et pour former l'a-amino- y-méthylthiol-butyronitrile,
et on hydrolyse ensuite ce dernier composé pour convertir le groupe nitrile en un groupe carboxyle avec formation d'acide a-amino-y-méthy1thiol-buty- rique (méthionine).
On peut représenter schématiquement comme suit la série de réactions impliquée dans ce procédé pour convertir l'acroléine en méthionine:
EMI0001.0028
On peut préparer aussi l'a-hydroxy-y-mé- thylthiol-butyronitrile en faisant réagir l'aero- léine avec le méthylmercaptan pour former le fi-méthylthiol-propionaldéhyde que l'on fait réagir ensuite avec l'acide cyanhydrique pour former la cyanhydrine correspondante,
soit l'a- hy droxy-y-méthylthiol-butyronitr ile. On con vertit ensuite le butyronitrile en méthionine comme ci-dessus.
On peut représenter schématiquement comme suit la série de réactions impliquée dans ce mode de préparation:
EMI0002.0008
D'une autre manière, on peut préparer aussi l'a-hydroxy-y-méthylthiol-butyronitrile par réaction de l'acroléine avec l'acide cyan hydrique pour former la cyanhydrine corres pondante et par réaction subséquente de l'acroléine-cyanhydrine résultante avec le méthylmercaptan. On peut convertir ensuite le butyronitrile résultant en méthionine, comme ci-dessus.
On peut représenter comme suit la série de réactions impliquée dans ee mode de pré paration
EMI0002.0016
<I>Exemple 1:</I> Cet exemple illustre la préparation de la méthionine à partir de l'acroléine, par réac tion simultanée du méthylmercaptan et de l'acide cyanhydrique avec, l'acroléine. Dans un récipient muni d'un agitateur et pouvant être refroidi, on place 324 g d'acide cyanhydrique liquide, en maintenant la tem pérature à 2-30 C.
On ajoute à. l'acide cyanhydrique<B>576</B> g de méthylmercaptan et une solution de 2,4 g de cyanure de potassium dans 3,6 g d'eau. On agite bien les compo sants et on ajoute lentement au mélange 672 g d'acroléine, en maintenant. la température du mélange à<B>100</B> C environ. L'addition doit être lente par suite de la nature exothermique de la réaction. Quand la température cesse de monter, on ajoute 288 g d'ammoniac anhydre et on agite bien les composants dans le récipient, ce der nier devant être résistant à la corrosion et capable de supporter des pressions modérées. La réaction qui se produit est exothermique, et on laisse la température s'élever spontané ment.
On laisse refroidir le mélange à la tem pérature ambiante et on élimine l'excès d'am moniac par évaporation sous pression réduite à une température d'environ 750 C.
On ajoute ensuite 2400 cm' d'acide chlor hydrique concentré, et on maintient le mé lange à ébullition modérée sous un condenseur à reflux pendant, une heure environ. Du chlo rure d'ammonium précipite quand on laisse refroidir la solution. On sépare le précipité par filtration et on le lave avec de l'alcool; on réunit le filtrat et les alcools de lavage et on évapore sur un bain de vapeur sous pres sion réduite, jusqu'à ce que tout l'alcool et la phis grande partie de l'eau soient éliminés.
On ajoute au résidu d'évaporation 840 cm3 d'ammoniaque concentrée et 4200 cm' d'alcool éthylique. La méthionine précipite et, après que le mélange s'est refroidi à la température ambiante, on la sépare par filtration. On lave la méthionine brute avec de l'alcool éthylique et on la sèche. On peut, si on le désire, puri fier le produit par traitement au charbon dé colorant et recristallisation dans l'eau chaude. Exemple _): Cet exemple illustre la préparation de la méthionine à partir de l'acroléinc, par réac- tion clé l'acroléine successivement avec le mé- thylmercaptan et l'acide cyanhydrique.
On place 112 g d'acroléine et quelques milligrammes de cyanure de potassium clans un flacon muni d'un agitateur et refroidi. On ajoute lentement dans le flacon 96 g de mé- thylmercaptan, en brassant constamment et en maintenant la température à 10(l C environ.
Quand le dégagement de chaleur prove nant de la réaction cesse, on ajoute dans le flacon une nouvelle quantité de cyanure de potassium, environ 0,4 g, et 54 g d'acide cyanhydrique liquide. On effectue lentement cette addition, en maintenant la température du mélange réactionnel à 120 C environ et en brassant constamment.
Quand le mélange réactionnel ne dégage plus de chaleur, on lui ajoute 48 g d'ammo niac anhydre et on laisse le mélange se chauf fer spontanément, la réaction étant effectuée dans un récipient. résistant à la corrosion et capable de supporter des pressions modérées. On laisse refroidir le mélange réactionnel ré sultant à la température ambiante, et on éli mine l'excès d'ammoniac par chauffage à 75 C environ et évaporation sous pression réduite.
On ajoute 400 em3 d'acide chlorhydrique concentré au résidu d'évaporation, et on fait bouillir doucement le mélange pendant une heure environ. Après refroidissement, on sé pare par filtration le chlorure d'ammonium précipité et. on le lave avec de l'alcool. On évapore le filtrat et les alcools de lavage sous pression réduite jusqu'à élimination de l'eau, de l'alcool et de l'acide chlorhydrique.
On ajoute ensuite au résidu -une solution de 200 cm3 de pyridine dans 700 em3 d'alcool éthylique anhydre, et on refroidit le mélange à<B><I>100</I></B> C environ. On filtre la méthionine qui se sépare, on la lave avec de l'alcool éthylique et on la sèche. On peut purifier le produit par traitement. avec du charbon décolorant et recristallisation dans l'eau chaude.
<I>Exemple 3:</I> Cet exemple, de même que le suivant, illustre la préparation de la méthionine à. partir de l'acroléine par réaction de l'acro léine successivement avec l'acide cyanhydrique et le méthylmer captan.
On ajoute 112 g d'acroléine à un mélange de 54 g d'acide cyanhydrique liquide, 0,4 g clé cyanure de potassium et 0,6 g d'eau dans un flacon refroidi extérieurement avec de la glace et muni d'un agitateur. On ajoute l'aeroléine lentement (en une demi-heure approximativement), et on maintient la tem pérature des composants dans le flacon à <B>150</B> C environ. Peu avant la fin de l'addition de l'acroléine, on laisse la température du mé lange réactionnel s'élever jusqu'à la tempéra ture ambiante.
Après avoir ajouté toute l'acroléine, on refroidit le mélange réactionnel à 70 C envi ron, et on lui ajoute lentement et avec un bon brassage 96 g de méthylmercaptan. La réac tion résultante est. exothermique, et on main tient la température à 5-150 C. Par suite de la. quantité de chaleur considérable libérée pendant cette réaction, l'addition du mercap- tan peut demander 2 à 3 heures.
Après l'addition du mercaptan et après dissipation de la chaleur produite par l'élé vation finale de température, on transfère le mélange dans un récipient métallique doublé de verre, capable de résister à des pressions modérées. On ajoute 48 g d'ammoniac anhydre, et on brasse le mélange dans le récipient. La réaction qui se produit est exothermique, et on laisse la température de réaction s'élever spontanément. On laisse ensuite refroidir le mélange à la température ambiante, puis on élimine l'excès d'ammoniac par évaporation, en utilisant une pression réduite pendant. les derniers stades de l'évaporation.
On ajoute ensuite 400 cm' d'acide chlor hydrique concentré, et on maintient le mé lange à ébullition douce sous un condenseur à reflux pendant une heure environ. Le chlo rure d'ammonium précipite, et on laisse refroi dir la solution. On sépare le précipité par fil tration, on le lave avec de l'alcool, on réunit le filtrat et les alcools de lavage et on évapore sur un bain de vapeur sous pression réduite jusqu'à. élimination de l'alcool et de la plus grande partie de l'eau.
On ajoute 1-10 cm- d'ammoniaque con centrée et 700 cm" d'alcool éthylique au résidu d'évaporation. La méthionine précipite et, après avoir refroidi le mélange à la tem pérature ambiante, on la sépare par filtration. On lave la méthionine brute avec de l'alcool éthylique ou de l'acétone et on la sèche. On obtient environ 230 g de méthionine brute. On peut purifier ce produit par traitement au charbon décolorant et recristallisation dans l'eau chaude.
Exemple <I>1:</I> Dans cet exemple, le procédé est le même que celui de l'exemple 3, sauf en ce qui con cerne les conditions maintenues pendant la réaction du méthylmercaptan avec l'acroléine- c yanhydrine.
On place l'acroléine-cyanhydrine dans un récipient à pression doublé de verre et on la refroidit à<B><I>00</I></B> C environ. On ajoute du méthyl.- mercaptan bien refroidi, on ferme le réci pient et on le laisse se réchauffer à la tempé rature ambiante. La réaction débute à 100 C environ et, comme elle est exothermique, elle libère rapidement de la chaleur et augmente la pression dans le récipient. Quand le réci pient et son contenu se sont refroidis à la température ambiante, la réaction est achevée, et le procédé continue comme dans l'exemple 3.
Par suite de la quantité de chaleur consi dérable libérée dans la réaction de l'acroléine- eyanhydrine avec le méthylmercaptan, il faut veiller qu'il ne se produise pas des tem pératures et des pressions excessives. Quand la réaction est effectuée de cette manière, il suffit de quelques minutes pour qu'elle soit achevée.
On petit apporter de nombreux change ments aux procédés décrits dans les exemples ci-dessus. Ainsi, ait lieu d'ajouter du cyanure de potassium comme catalyseur de réaction, on peut le remplacer par une grande variété d'autres substances à réaction alcaline, comme d'autres cyanures de métaux alcalins (par exemple le cyanure de sodium, le cyanure de lithium, etc.), le cyanate de potassium, le ev anate de sodium, l'hv droxvde de trintéthyl- benzylammonium, le carbonate de sodium,
le carbonate de potassium, l'acétate de sodium, le propionate (le potassium, le benzoate de so dium, les aleoylamines (par exemple la mono- méthylamine, la climétliylantine, la monoéthyl- amine, ete., et partie alièrenient les trialcoyl- amines comme la tri niéthvlamine, la triéthyl- amine, etc.),
l'hydroxyde de tétraméthylam- monium, la benzylamine, la diméthylaniline, les alcanolaniines (par exemple la mono- éthanolamine, la diéthanolainine, la t.riétha- nolamine, etc.), ete. En outre, on petit former les cyanures alcalins directement dans le mé= lange réactionnel,
par addition à ce dernier d'hy drox:u-des alcalins, comme l'hydroxyde de sodium ou l'hydroxyde de potassium. Cepen dant, il faut éviter l'emploi de substances fortement alcalines comice l'hydroxyde de so dium et l'hydroxv de de potassium en quan tités supérieures aux quantités nécessaires pour avoir une action catalytique,
car il peut se produire une polymérisation indésirable de l'acroléine. Les exemples donnés fournissent une bonne indication de la proportion du catalyseur par rapport aux réactifs qui peut être employée pour obtenir le produit désiré avec tin bon rendement. Pour la même rai son, on additionne de préférence l'aldélivde au mélange contenant les autres réactifs et le catalyseur.
En outre, il n'est pas nécessaire que l'acide cyanhydrique employé comme réactif soit anhydre; on peut utiliser avec d'excellents résultats des solutions aqueuses d'acide cyanhydrique contenant 20% ek moins d'acide cyanhydrique. On petit former aussi l'acide eyanhydriqtte directement dans le mélange réactionnel, par exemple en faisant réagir le cyanure de sodium et l'acide acé tique.
De plus, pendant: la réaction de l'acro- léine, de l'acide cyanhydrique et du ntéthyl- inercaptan, il est préférable de maintenir la température (le réaction dans les limites de 0 à 500 C environ, afin d'obtenir le produit désiré avec le plus haut rendement.
On petit aussi apporter des modifications au procédé donné dans les exemples pour la préparation de la m.éthionine à partir de l'a-liyclroxy-y-métliylthiol-btutyronitrile inter médiaire. Dans les exemples, on emploie l'am moniac anhydre pour transformer le com posé susmentionné en amine correspondante. Il n'est pas nécessaire cependant d'employer l'ammoniac anhydre; on peut aussi utiliser des solutions aqueuses - d'hydroxyde d'ammo nium ne contenant pas plus de 15% d'am moniac.
On préfère cependant employer l'am- inoniac anhydre pour que le mélange réac tionnel contienne une concentration aussi élevée due possible en amine correspondante. Dans certaines limites, le rendement clé cette réaction augmente avec la quantité cl'amnio- niac utilisée. Il est par conséquent indiqué d'utiliser un excès d'ammoniac allant de 25 à 200 % de la quantité théorique.
L'emploi de grands excès d'ammoniac n'augmente pas d'une manière appréciable la transformation (lu groupe hydroxyle en un groupe amino. Comme c'est le cas ordinairement. dans lune opération industrielle, on ajoute l'ammoniac à l'hydroxy-nitrile, mais il est possible de ren verser l'ordre d'addition avec peu ou pas d'ef fet sur le rendement.
On peut effectuer le remplacement du groupe 01I par NIL, dans un grand domaine de températures. Ainsi dans les exemples don nés, quand on commence l'addition de l'am moniac, on maintient le mélange réactionnel à la température ambiante, et pendant l'addi tion de l'ammoniac la température du mélange réactionnel s'élève à 1000 C environ. On peut utiliser aussi des températures de réaction supérieures à 1000 C, sans affecter notable ment l'étendue de la réaction.
Après avoir transformé l'hydroxy-nitrile en amino-nitrile, on hydrolyse le mélange pour former la méthionine. On peut réaliser cette hydrolyse avec ou sans élimination de l'excès d'ammoniac contenu dans le mélange réac tionnel. Quand on utilise de grands excès d'ammoniac (par exemple de 100 à 200 O/o), on peut éliminer une certaine partie de cet excès en exposant le mélange réactionnel à l'air, en l'aérant. par insufflation de gaz inertes comme l'azote, etc.
De tels procédés ne sont pas nécessaires cependant, quel que soit l'excès d'ammoniac employé, car on peut neu traliser l'excès d'ammoniac par l'acide em ployé dans l'hydrolyse de l'amino-nitrile, pourvu qu'on utilise un acide dans ce stade.
Dans l'hydrolyse de l'amino-nitrile en méthionine, on préfère utiliser l'acide chlor hydrique comme catalyseur, bien qu'on puisse utiliser d'autres acides, comme l'acide sulfu rique, avec une diminution chi rendement en produit désiré. On peut de même -utiliser de l'acide chlorhydrique gazeux pour remplacer une partie de l'acide chlorhydrique aqueux. La vitesse d'addition de l'acide semble être une donnée critique, puisqu'elle affecte la température développée dans le mélange réac tionnel. Dans ce cas, l'expérience montre avec.
évidence que la température du mélange réac tionnel ne doit pas dépasser 400 C quand l'excès d'ammoniac qu'il contient doit être neutralisé par l'acide. Après la neutralisation complète de l'excès d'ammoniac cependant, la vitesse d'addition de l'acide ne paraît plus être une valeur critique, ce qui fait qu'en suite on peut permettre à la température du mélange réactionnel de s'élever à une valeur supérieure.
En réalisant l'hydrolyse, avec un catalyseur acide, d'un mélange dont l'excès d'ammoniac n'a pas été éliminé, on a trouvé qu'il était préférable d'ajouter au mélange réactionnel une quantité d'acide équivalente à l'ammoniac ajouté, plus quatre fois l'équiva lent de la teneur théorique en méthionine du mélange réactionnel, basée sur la quantité d'hydro,,,y-nitrile utilisée. Après addition de tout l'acide, on effectue de préférence l'hydro lyse en chauffant le mélange réactionnel approximativement à son point d'ébullition, et en le maintenant ensuite à cette température jusqu'à ce que l'essai pour déceler la présence de nitrile soit négatif.
Ce procédé demande habituellement d'une demi-heure à trois heures.
On peut réaliser aussi l'hydrolyse en uti lisant un catalyseur alcalin, tel que l'hy- droxy de de sodium ou l'hydroxyde de potas sium, bien qu'en général l'emploi de ces cata- lyseurs alcalins conduise à des rendements en méthionine inférieurs.
On a réalisé avec suc cès des expériences dans lesquelles on a bouilli l'amino-nitrile pendant 2 à 15 heures avec un excès d'hydroxyde de sodium de 20 à 100 % (basé sur la quantité de nitrile à hydrolyser), l'hydroxyde de sodium ayant été ajouté en solution aqueuse à 35 0/0.
Après achèvement de l'hydrolyse en utilisant de tels catalyseurs alcalins, il faut refroidir le mé lange réactionnel, le neutraliser avec de l'acide chlorhydrique, éliminer par filtration de chlorure de sodium ou le sel équivalent précipité, et séparer la méthionine selon le procédé décrit dans les exemples.
En général, plus la température d'hydro lyse est faible, plus le temps nécessaire dans ce stade est long, et plus la concentration du catalyseur est forte, plus le temps nécessaire pour achever la réaction est court. En outre, on -utilise avec avantage dans l'hydrolyse des températures de 70 à<B>1250</B> C, la température préférée étant comprise dans les limites de 105 et 1150 C.