Verfahren zur Herstellung von Aminocarbonsäuren
Aminocarbonsäuren können auf verschiedene Arten hergestellt werden. Besonders gebräuchlich ist die Darstellung derselben aus den entsprechenden Halogenfettsäuren mit Ammoniak oder Aminen, die Aminosäuresynthese nach Strecker aus Cyanhydrin, durch Verseifung von Lactamen sowie durch Hydrierung von Nitrocarbonsäuren, Oximinocarbon- säuren und Ketocarbonsäuren nach Mignonac.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Aminocarbonsäuren durch Reduktion von Cyancarbonsäuren. Dieses Verfahren bietet besonderes Interesse, da die Ausgangsprodukte nach den DBP Nrn. 805758 und 806454 von J. Kleine leicht aus den technisch gut zugänglichen Dicarbonsäureamiden erhalten werden können. Die Hydrierung von Cyancarbonsäuren ist bereits untersucht worden. P. Ruggli (Helv. 25, 35 [1942]) hat sich mit der Herstellung von S-Alanin aus Cyanessigsäure näher befasst. Die besten Resultate wurden erhalten, wenn man dabei vom Kalisalz der Cyanessigsäure ausging.
Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass sich Aminocarbonsäuren aus Cyancarbonsäuren gewinnen lassen, wenn letztere auf einen Anionenaustauscher, der saure Gruppen zu binden vermag, aufgezogen und in Gegenwart eines Katalysators hydriert werden. Durch dieses Verfahren erreicht man, dass die saure Gruppe vom Austauscher gebunden wird und somit ihren störenden Einfluss auf die Reaktion verliert. Man kann deshalb ohne weiteres in Gegenwart normaler Hydrierkatalysatoren, wie Raney-Nickel, die sonst in saurem Milieu angegriffen werden, hydrieren. Da die Cyancarbonsäuremoleküle am Austauscher örtlich gebunden und somit nicht frei beweglich sind, wird die Bildung von sekundären Aminoverbindungen, wie sie bei der Hydrierung von Nitrilen normalerweise auftritt, stark gehemmt.
Ebenso wird die Reaktion der entstehenden Aminogruppe mit der Carboxylgruppe verhindert, so dass es auch möglich ist, solche Aminosäuren herzustellen, die unter normalen Versuchsbedingungen in die entsprechenden Lactame übergehen.
Da die Carboxylgruppen am Anionenaustauscher gebunden sind, lässt sich die Cyangruppe unter den üblichen milden Reaktionsbedingungen hydrieren. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass durch das Aufziehen der Cyancarbonsäure und durch das Ablösen der Reaktionsprodukte vom Austauscher eine Reinigung der Produkte eintritt.
Als Austauscher können besonders die Ionenaustauscher vom Polystyroltypus, wie die Amberlite und Permutite (eingetragene Marken), die eine genügende Beständigkeit bei der Hydrierung aufweisen, verwendet werden.
Die Reduktion kann bei Zimmertemperatur ausgeführt werden. Es ist jedoch ohne weiteres möglich, bei Temperaturen bis zu 600 C zu arbeiten, wodurch die Reaktionsdauer wesentlich reduziert wird. Die obere Temperaturgrenze ist natürlich durch die Beständigkeit des Austauschers gegeben.
Das Verfahren lässt sich zum Beispiel durchführen, indem die Cyancarbonsäure auf den Austauscher aufgezogen und in einem gebräuchlichen Lösungsmittel im Schüttelautoklaven in Gegenwart eines Katalysators mit Wasserstoff behandelt wird.
Die Zugabe von Ammoniak zur Zurückdrängung der Bildung von sekundären Aminoverbindungen, ist nur bei solchen Austauschern möglich und wünschenswert, die so basisch sind, dass die aufgezogene Säure nicht durch das Ammoniak wieder abgelöst wird. Es sind dies besonders die Amber lite IRA-400 und IRA-4l0 sowie der Permutite ESB .
Nach Beendigung der Reaktion kann das Reaktionsgut durch ein Sieb filtriert und gewaschen werden. Es ist zweckmässig, den Katalysator in so fein verteilter Form zu verwenden, dass er durch das Waschen auf dem Sieb leicht vom Austauscher getrennt werden kann.
Die entstandene Aminosäure kann darauf mit einer stärkeren Säure, wie zum Beispiel Salzsäure, abgelöst werden. Die entstandene Lösung kann eingedampft und das entsprechende Salz der Aminocarbonsäure isoliert werden, oder man kann die Lösung des Salzes direkt nach den Angaben der Org. Synth. Vol. 32, 13, durch aktivierten Amberlite IR - schicken, wobei im Auslauf die wässerige Lösung der freien Aminosäure anfällt. Ebenso besteht beim Ablösen mit Salzsäure die Möglichkeit, die Salzsäurelösung des Chlorhydrates über einen stark sauren Kationenaustauscher, wie zum Beispiel über Amberlite IR - 120 , zu schicken.
Dabei wird die Aminosäure vom Austauscher gebunden. Anschliessend kann mit Ammoniak abgelöst werden. Durch Eindampfen der ammoniakalischen Lösung kann die freie Aminosäure isoliert werden.
In Abänderung der beschriebenen Ausführungsform kann die Cyancarbonsäure auf Amberlite IR 4B aufgezogen und hydriert werden. Die entstehende Aminosäure wird bei Verwendung dieses Austauschers direkt frei und kann aus der Lösung auf bekannte Art isoliert werden. Bei dieser Arbeitsweise sind jedoch nur sehr milde Hydrierungsmethoden möglich, da der Austauscher unbeständig ist.
Als Katalysatoren können im Prinzip alle jene Katalysatoren verwendet werden, die für die Hydrierung von Nitrilen geeignet sind. Da man jedoch zweckmässig eine relativ grosse Menge Katalyt verwendet (30 bis 50 4/o, bezogen auf die Cyancarbonsäure), um die erwünschte Durchmischung mit dem Austauscher zu erreichen, wird man sich vorteilhafterweise auf billige Katalysatoren, wie Raney Nickel, beschränken. Nach der Reaktion kann der Katalysator ohne irgendwelche Regenerierung wieder eingesetzt werden.
Beispiele
1. 85 Teile Cyanessigsäure werden in wässeriger Lösung auf 1500 Volumteile aktivierten Amberlite IRA - 410 aufgezogen. Anschliessend wird mit Äthanol gewaschen. Darauf wird der beladene Austauscher mit 3000 Volumteilen Äthanol und 30 Teilen Raney-Nickel in einem geeigneten Schüttelgefäss bei Zimmertemperatur und Normaldruck so lange hydriert, bis die berechnete Menge Wasserstoff aufgenommen ist. Alsdann wird das Reaktionsgut durch zwei Siebe filtriert und mit Wasser gewaschen, bis der Austauscher vom Katalysator befreit auf den Sieben zurückbleibt. Der Austauscher wird in ein Chromatographierrohr gegeben und mit so viel 2prozentiger Salzsäure behandelt, bis im Auslauf eine deutlich kongosaure Reaktion beobachtet wird.
Darauf wird mit Wasser gewaschen, bis der Auslauf nur noch schwach sauer reagiert. Die wässerige Lösung des so erhaltenen Chlorhydrates wird anschliessend im Vakuum eingedampft. Man erhält so 122 Teile des Chlorhydrates von fl-Alanin vom Schmelzpunkt 120"C, was einer Ausbeute von 97,2 O/o entspricht.
2. 183 Teile c, j-Cyan-pelargonsäure werden in wässerig-alkoholischer Lösung auf 1750 Volumteile aktivierten Amberlite IRA - 410 aufgezogen.
Der Austauscher wird darauf mit 70 Teilen Raney Nickel, 75 Teilen Ammoniak und 3000 Volumteilen Äthanol versetzt und bei 45O C und 80 atü Druck im Drehautoklaven hydriert. Nach 2 Stunden ist die Reaktion beendet. Nach dem Erkalten wird das Harz mit Hilfe von 2 Sieben vom Katalyt und dem Lösungsmittel getrennt, mit Wasser gewaschen und in ein Chromatographierrohr gebracht. Die entstehende c)-Amino-decansäure wird anschliessend mit 2n Salzsäure vom Austauscher abgelöst und die resultierende Lösung des Chlorhydrates über 700 Volumteile aktivierten Amberlite IR - 4B geschickt. Die anfallende wässerige Lösung wird am Vakuum eingedampft.
Die Ausbeute an freier ct)-Amino-decansäure vom Schmelzpunkt 180"C beträgt 170 Teile, entsprechend 90,9 O/o der Theorie.
3. 127 Teile w-Cyan-valeiiansäure werden auf 1500 Volumteile Amberlite IRA -400 aufgezogen und nach Beispiel 2 hydriert und aufgearbeitet.
Dabei werden 110 Teile cs-Amino-capronsäure erhalten, was einer Ausbeute von 84 0/0 der Theorie entspricht.