DE3750986T2 - Glykosidherstellung. - Google Patents
Glykosidherstellung.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von Glycosidprodukten durch die säurekatalysierte Reaktion eines Alkoholreaktanten und eines Monosaccharidreaktanten. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Glycosidprodukte direkt aus einer wäßrigen Lösung oder einem Sirup des Monosaccharidreaktanten, ohne daß der Monosaccharidreaktant zuerst in eine im wesentlichen trockene wasserfreie oder kristalline Form gebracht werden muß.
- Alkylglycosidprodukte, wie zum Beispiel Methylglycosid, Ethylglycosid, Propylglycosid, Butylglycosid usw. und ihre Alkylpolyglycosid-Gegenstücke sind allgemein bekannt, wie auch ihre Herstellung über die Reaktion eines Alkoholreaktanten und eines Saccharidreaktanten in Gegenwart eines geeigneten sauren Katalysators. Siehe im Hinblick hierauf U.S.-Patent 2,390,507 an Cantor (erteilt am 11. Dezember 1945); U.S.-Patent 3,219,656 an Boettner (erteilt am 23. November 1965); U.S.-Patent 3,450,690 an Gibbons et al. (erteilt am 17. Juni 1969) und U.S.-Patent 3,974,138 an Lew (erteilt am 10. August 1976).
- "Das U.S.-Patent 3,375,243 an Nevin et al. schlägt vor, eine Suspension eines Polysaccharids in dem Alkoholreaktanten zu verwenden und dieses Gemisch nach der Zugabe des Säurekatalysators unter Druck auf eine Temperatur von etwa 100ºC bis 250ºC zu erwärmen, wobei das suspendierte Polysaccharid Feuchtigkeit in Form von Wasser enthalten oder in Form eines konzentrierten Sirups vorliegen kann. Der nicht umgesetzte Alkohol und das Wasser aus dem Reaktionsmedium werden am Ende der Reaktion nach Entfernen/Neutralisieren des Säurekatalysators abdestilliert."
- "Die Deutsche Patentanmeldung DE 20 36 472 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Glucosid-Gemischen aus höheren einwertigen C&sub8;-C&sub2;&sub5;-Alkoholen und von aliphatischen Glycolen mit von 3 bis 5 Kohlenstoffatomen. Das Verfahren wird durchgeführt durch Erwärmen eines Gemischs des Glycols, des höheren einwertigen Alkohols und eines Saccharids, bei dem es sich um Glucose oder um Verbindungen, die zu Monosacchariden hydrolysierbar sind, wie Stärke und Stärkesirups, handeln kann, zusammen mit einem sauren Katalysator. Das Wasser aus dem Reaktionsmedium wird durch Destillation kontinuierlich entfernt, anschließend wird der Säurekatalysator neutralisiert und die überschüssigen Lösungsmittel durch Vakuumdestillation entfernt."
- Bekannt ist auch die Tatsache, daß sich Niederalkylglycoside, wie Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Butyl- usw. -glucoside, als Zwischenprodukte bei der Herstellung längerkettiger (z.B. höherer Alkyl-) Glycosidprodukte eignen, welche wiederum oberflächenaktive Eigenschaften haben und sich für eine Vielzahl von Tensid-, Emulgator-, Detergens- usw. -endverbrauchsanwendungen eignen.
- Bei der Herstellung wasserlöslicher Alkylglycosidprodukte aus wasserlöslichen Monosaccharid- und Polysaccharidausgangsstoffen (wie Glucose, Maltose, Sucrose, Xylose, Lactose und ähnliche) durch die säurekatalysierte Reaktion derselben mit einem Alkoholreaktanten (wie zum Beispiel Propanol, Butanol, Amylalkohol, 2-Ethylhexylalkohol, Octylalkohol usw.) war es allgemein üblich, den Saccharidreaktanten in einer im wesentlichen trockenen (d.h. wasserfreien oder kristallwasserhaltigen kristallinen) Form in das Reaktionsgemisch einzubringen und die Reaktion unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen durchzuführen, um die Bildung erheblicher Mengen unerwünschter unlöslicher Reaktionsnebenprodukte in Form von höheren Polysacchariden zu vermeiden.
- Kristalline Dextrose ist als potentieller Ausgangssaccharidrohstoff relativ teuer. Ahnlich hat auch die Aufnahme eines speziellen Schrittes für die vorherige Umwandlung eines Zulaufstromes in Form einer wäßrigen Saccharidlösung oder eines Sirups in eine im wesentlichen trockene, wasserfreie oder kristalline Form vor dessen Verwendung bei der gewünschten Saccharid/Alkohol- Reaktion in das Gesamtreaktionsverfahren eine weitere Komplizierung und Verteuerung des gesamten Glycosidherstellungsverfahrens zur Folge oder bringt diese mit sich. Dementsprechend wäre es sehr wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, durch das eine wäßrige Saccharidlösung oder ein Sirup direkt mit einem Alkoholreaktanten (d.h. ohne daß es speziell notwendig ist, die Reaktion unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen durchzuführen) zur Reaktion gebracht werden könnte, während gleichzeitig die Bildung wesentlicher Mengen unerwünschter unlöslicher Nebenprodukte in Form von höheren Polysacchariden vermieden wird.
- Wir fanden nun, daß Glycosidprodukte durch die direkte, säurekatalysierte Reaktion einer wäßrigen Saccharidlösung oder eines Sirups mit einem Alkoholreaktanten (und ohne die Bildung wesentlicher Mengen unerwünschter Polysaccharidnebenprodukte) hergestellt werden können, indem man die Reaktion in einer Weise durchführt, die es verhindert, daß irgendeine gesonderte, vorwiegend wäßrige Saccharidlösung oder Sirupphase während der Reaktion unter Bedingungen, die zur Homopolymerisation des Saccharidreaktanten in der gesonderten wäßrigen Lösung oder Sirupphase führen, mit dem Säurekatalysator in Kontakt gerät. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung in einem ihrer Aspekte ein Verfahren zur Herstellung eines Glycosidprodukts durch Umsetzen eines wasserlöslichen Monosaccharidreaktanten mit einem einwertigen C&sub2;- bis C&sub6;-Alkanolreaktanten oder mit einem Reaktantengemisch aus Methanol und einem einwertigen Alkanol, der von 3 bis 8 Kohlenstoffatome enthält, mit 5 bis 80 Gew.-% Methanol, bezogen auf das Gesamtgewicht des Reaktionsgemischs, bereit, umfassend:
- a. Mischen einer wäßrigen Lösung, die, bezogen auf das Gesamtgewicht der wäßrigen Saccharidlösung, von 20 bis 90 Gew.-% des Monosaccharidreaktanten enthält, mit dem Alkoholreaktanten, um ein homogenes, einphasiges wäßriges Reaktionsmediurn zu erhalten, das die Reaktanten Monosaccharid und Alkohol sowie Wasser enthält; und
- b. Umsetzen des Monosaccharidreaktanten mit dem Alkoholreaktanten durch in-Kontakt-Bringen des homogenen wäßrigen Reaktionsmediums mit einem Säurekatalysator; und
- c. Durchführen der Reaktion bei einer Temperatur von 60ºC bis 200ºC, während man Wasser auf eine Weise aus dem Reaktionsgemisch entfernt, daß die Bildung einer getrennten und unterscheidbaren wäßrigen Monosaccharidlösungsphase im Verlauf der Reaktion verhindert wird, wobei im Verlauf der Reaktion, wenn das Wasser ein azeotropes Gemisch mit dem verwendeten Alkoholreaktanten bildet und ein Teil des Alkoholreaktanten in Form eines Alkohol/Wasser-Azeotrops entfernt wird, zusätzlicher Alkohol allmählich oder portionsweise zu dem Reaktionsgemisch gegeben wird.
- Mit anderen Worten ist es gemäß der Erfindung möglich, ein Glycosid herzustellen, indem man ein Monosaccharid mit einem wie oben definierten Alkohol in Gegenwart eines Säurekatalysators zur Reaktion bringt, wobei die Reaktion in einer wäßrigen Phase durchgeführt wird und die Reaktion unter Bedingungen durchgeführt wird, die so gewählt sind, daß verhindert wird, daß irgendeine vorwiegend wäßrige monosaccharidhaltige flüssige Phase unter Bedingungen, die zur Homopolymerisation des Monosaccharids führen, mit dem Katalysator in Kontakt gerät.
- Die vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, insofern sie die Herstellung von Alkylglycosidprodukten direkt aus einem Zufuhrstrom in Form einer wäßrigen Monosaccharidlösung erlaubt und dadurch die Notwendigkeit umgeht, ein im wesentlichen trockenes, wasserfreies oder kristallines, Saccharidprodukt als notwendigen Rohstoff oder Ausgangsreaktanten für das interessierende Glycosidherstellungsverfahren zu beschaffen oder bereitzustellen.
- Wasserlösliche Monosaccharide werden aus Glucose, Galactose, Mannose, Xylose, Arabinose, Fructose ausgewählt. Solche Monosaccharidreaktanten werden in Form von wäßrigen Monosaccharidlösungen oder Sirups, die typischerweise von 20 bis 90 (vorzugsweise von 50 bis 80) Gew.-% Saccharidfeststoffe (z.B. Glucose) und von 10 bis 80 (vorzugsweise von 20 bis 50) Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht der wäßrigen Saccharidlösung, in das Reaktionsverfahren der vorliegenden Erfindung eingeführt.
- Der Nutzen und die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind im Falle von Alkoholreaktanten, in denen Wasser und/oder wäßrige Lösungen des interessierenden Monosaccharidreaktanten nur eingeschränkt löslich bzw. damit mischbar sind, am meisten ausgeprägt. Zu den Alkoholreaktanten, bei denen die vorliegende Erfindung besonders gut anwendbar und von Vorteil ist, gehören gesättigte und ungesättigte einwertige aliphatische C&sub2;- bis C&sub6;-Alkohole (insbesondere C&sub2;- bis C&sub4;-Alkohole) (z.B. C&sub2;- bis C&sub6;-Alkanole, insbesondere C&sub2;- bis C&sub4;-Alkanole, wie Ethanol, n-Propanol, Isopropanol, n-Butanol, Pentanol und Hexanol) sowie insbesondere die hydrophoberen Spezies darunter, wie zum Beispiel Isopropanol, n-Propanol, n-Butanol, Allylalkohol und ähnliche.
- Ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß man die interessierende säurekatalysierte Alkohol/Monosaccharid-Reaktion in einer solchen Weise durchführt, daß eine persistente, gesonderte vorwiegend wäßrige Monosaccharidlösung oder Sirupphase im Verlauf des gesamten Reaktionsvorgangs entweder nicht gebildet wird oder daß man sie, falls sie irgendwann in dem Verfahren gebildet wird, nicht unter Bedingungen, die zu einer Homopolymerisation des Monosaccharids führen, mit dem Säurekatalysator in Kontakt geraten läßt. In praktischer Hinsicht variiert die Neigung einer gegebenen wäßrigen Monosaccharidreaktantenlösung zur Bildung einer getrennten und gesonderten vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase beim Mischen mit einem gegebenen Alkoholreaktanten (d.h. zur Phasentrennung darin) als Funktion der relativen Verträglichkeit oder Mischbarkeit der wäßrigen Monosaccharidlösung mit dem bestimmten in Frage stehenden Alkoholreaktanten. Allgemein gesagt, ist diese Neigung größer oder ausgeprägter im Falle solcher Alkoholreaktanten, die einen hydrophoberen Charakter haben. Kurz gesagt, je hydrophober der Alkoholreaktant ist, desto niedriger ist typischerweise sein Sättigungspunkt in bezug auf die wäßrige Monosaccharidlösung, mit dem Ergebnis, daß eine Phasentrennung unter Bildung einer getrennten oder gesonderten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase und einer getrennten ternären homogenen Phase mit der Zusammensetzung Saccharid+Wasser+Alkohol bei niedrigeren Wasser-(oderwäßrigeMonosaccharidlösung)-Alkohol-Verhältnissen auftreten wird.
- Mehrere alternative Techniken können geeignet verwendet werden, um den Kontakt einer getrennten vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase mit dem Säurekatalysator unter den interessierenden Reaktionsbedingungen zu vermeiden und dadurch die unerwünschte Bildung Reaktionsnebenprodukte in Form unsubstituierter Polysaccharide mit hohem Molekulargewicht zu vermeiden. Im allgemeinen jedoch verwendet jede der verschiedenen Alternativen typischerweise einen Überschuß des Alkoholreaktanten (d.h. zumindest an dem Punkt des Verfahrens, bei dem das interessierende Reaktionsgemisch zugleich dem eingesetzten Säurekatalysator und Reaktionsbedingungen, die zur Reaktion des Alkoholreaktanten mit dem Saccharidreaktanten führen, ausgesetzt ist), um zu gewährleisten, daß das resultierende Reaktionsgemisch den Sättigungspunkt (d.h. das Niveau der Phasentrennung) der wäßrigen Saccharidlösung in dem gewünschten wäßrigen Alkohol/Saccharid-Reaktionsgemisch nicht überschreitet (d.h. darauf oder unterhalb ist). Dies bedeutet typischerweise auch einen erheblichen stöchiometrischen Überschuß des Alkoholreaktanten gegenüber der Menge, die für den gewünschten Grad der Reaktion mit dem bzw. der Substitution des in Frage stehenden Saccharidreaktanten erforderlich ist.
- Im Hinblick auf das vorstehende wurde beobachtet, daß die Verträglichkeit oder Mischbarkeit der wäßrigen Monosaccharidlösung mit bestimmten Alkoholreaktanten durch Aufnahme wenigstens einer kleinen Menge (z.B. von 5 bis 80 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Reaktionsgemischs) Methanol in das wäßrige Monosaccharid/Alkohol-Reaktionsgemisch merklich verbessert werden kann. Entsprechend ist es in den Fällen, in denen der gewünschte Alkoholreaktant von 3 bis 8 Kohlenstoffatome enthält, häufig vorteilhaft und vorzuziehen, wenigstens eine kleine Menge (vorzugsweise von 25 bis 80, am bevorzugtesten von 50 bis 80, Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Reaktionsgemischs) Methanol in das wäßrige Alkohol/Monosaccharid-Reaktionsgemisch aufzunehmen, um die Mischbarkeit zwischen der wäßrigen Monosaccharidlösung und dem interessierenden, etwas hydrophoberen (z.B. C&sub3;- oder mehr) Alkoholreaktanten zu erhöhen. Wenn die oben genannte Technik angewandt wird, wird das zunächst resultierende Glycosidprodukt natürlich dazu neigen, ein Gemisch aus Methylglycosid und einem höheren (z.B. C&sub3;- oder mehr) Alkylglycosid zu sein, das von dem entsprechenden eingesetzten höheren Alkoholreaktanten abgeleitet ist. In einem solchen Fall, kann das Gemisch das gewünschte Reaktionsprodukt darstellen (und als solches gewonnen und verwendet werden). Alternativ dazu kann das zunächst resultierende Glycosidproduktgemisch vorwiegend zu dem höheren Alkylglycosidprodukt umgesetzt werden (z.B. in situ), indem man die säurekatalysierte Reaktion in Gegenwart von überschüssigem, nicht umgesetztem höherem Alkoholreaktanten fortsetzt (z.B. durch allmähliches Hinzufügen weiterer Mengen desselben nach Bedarf oder nach Wunsch), während Methanol aus dem Reaktionsgemisch entfernt wird. In diesem letzteren Fall bildet die spätere Phase des Gesamtreaktionsvorgangs natürlich im wesentlichen eine Austauschreaktion Methanol/höherer Alkohol, wobei zunächst erzeugtes Methylglycosid zu dem gewünschten höheren Alkylglycosidprodukt umgesetzt wird unter gleichzeitiger Rückbildung von Methanol, welches dann geeigneterweise durch Destillation oder andere zweckmäßige Methanolabtrennungstechniken aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden kann.
- Bei der Durchführung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist es nicht wesentlich, daß eine Phasentrennung zwischen einer getrennten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase und der Phase des gewünschten homogenen wäßrigen Alkohol/Monosaccharid- Reaktionsgemischs (oder die Existenz einer getrennten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase) zu jeder Zeit während jedes einzelnen Schrittes oder Aspekts des Gesamtvorgangs oder -betriebs vermieden wird, solange die gleichzeitige Existenz einer solchen getrennten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase zusammen mit einer Kombination von (a) der Gegenwart des erforderlichen Säurekatalysators und (b) Reaktionsbedingungen (z.B. Temperaturen, Drücke usw.), die zu der unerwünschten Polymerisation des Monosaccharidreaktanten mit sich selbst führen, vermieden wird.
- Als erster Schritt zur Herstellung des gewünschten einphasigen homogenen wäßrigen Alkohol/Monosaccharid-Reaktionsgemischs (d. h. in dem der Alkoholreaktant mit der interessierenden wäßrigen Monosaccharidlösung teilweise oder ganz gesättigt ist) vor dem tatsächlichen säurekatalysierten Reaktionsschritt selbst kann es also zum Beispiel wünschenswert und vorteilhaft sein (insbesondere im Zusammenhang mit einem kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Gesamtreaktionsvorgang oder -betrieb), das homogene Reaktionsgemisch mit Hilfe einer zweiphasigen (d.h. im Gegenstrom) Flüssig-Flüssig-Massentransportoperation zu bilden, bei der eine kontinuierliche Alkoholphase oder ein Fließstrom (a) mit einem Überschuß (oder weniger) einer diskontinuierlichen, dispergierten wäßrigen Monosaccharidlösung in Kontakt gebracht wird (d.h. so daß dieselbe wenigstens zum Teil damit gesättigt wird) und (b) vor dem tatsächlichen anschließenden oder stromabwärts erfolgenden säurekatalysierten Reaktionsschritt als solchem von jeder verbleibenden überschüssigen oder restlichen getrennten oder unterscheidbaren vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase abgetrennt wird. In solchem Fall kann der anschließende oder stromabwärts erfolgende Reaktionsschritt geeigneterweise einen getrennten Schritt zum Erwärmen des resultierenden Reaktionsgemischs zur Folge haben, worauf das in-Kontakt- Bringen desselben mit dem gewünschten Säurekatalysator folgt, oder der erfordeliche Erwärmungsschritt kann in Verbindung mit der Operation des in-Kontakt-Bringens mit dem Säurekatalysator erfolgen. Als weitere Alternative können eine oder beide wäßrigen Monosaccharidlösungen und/oder die Alkoholreaktantenzufuhrströme ausreichend vorgewärmt werden, um das Erreichen der gewünschten Reaktionstemperatur stromabwärts sowohl vor der oben erwähnten Flüssig-Flüssig-Kontaktoperation als auch der anschließenden Operation des in-Kontakt-Bringens mit dem Säurekatalysator zu erleichtern.
- Im Zusammenhang mit dem oben erwähnten Typ eines kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Reaktionsverfahrens ist die Wahl des besonderen Typs des sauren Katalysators zur Verwendung im eigentlichen Reaktionsschritt des Verfahrens nicht besonders entscheidend. Zum Beispiel kann der saure Katalysator also geeigneterweise (1) gasförmig sein (und kann zum Beispiel durch das interessierende homogene, einphasige, teilweise oder vollständig wäßrige, mit Monosaccharidlösung gesättigte Alkoholreaktionsgemisch hindurchgeperlt oder darin absorbiert oder gelöst werden); (2) ein flüssiger saurer Katalysator sein, der mit dem interessierenden homogenen wäßrigen Alkohol/Monosaccharid-Reaktionsgemisch entweder mischbar oder nicht mischbar sein kann (und der also zu Zwecken der Reaktionskatalyse in dem Reaktionsgemisch entweder gelöst oder dispergiert wird); oder (3) ein fester saurer Katalysator sein, der in dem wäßrigen Alkohol/Monosaccharid-Reaktionsgemisch entweder löslich oder unlöslich sein kann und der, wenn er unlöslich ist, entweder in dem Reaktionsgemisch dispergiert oder darin verteilt werden kann oder in Form eines fixierten oder eingeschränkten, gepackten Katalysatorbetts, durch das das Reaktionsgemisch zweckmäßigerweise hindurchgeleitet werden kann, verwendet werden kann oder der, wenn er löslich ist, geeigneterweise in dem Reaktionsgemisch gelöst werden kann.
- Im Falle eines kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Verfahrens wie dem oben dargelegten ist die Verwendung eines teilchenförmigen, unlöslichen festen sauren Katalysators im Reaktionsschritt des Verfahrens (und insbesondere die Verwendung eines porösen teilchenförmigen, unlöslichen festen sauren Katalysators in Form eines fixierten oder eingeschränkten, gepackten Bettes daraus) besonders zweckmäßig und wird bevorzugt.
- Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann, falls gewünscht, zweckmäßig und geeigneterweise auch im Chargenbetrieb in einem oder mehreren gerührten Tanks oder ähnlichen Reaktionsgefäßen durchgeführt werden. Die Abfolge der Schritte bei einem solchen Chargenbetrieb kann geeigneterweise dieselbe sein wie die oben im Zusammenhang mit einem kontinuierlichen oder halbkontinuierlichen Verfahren oder Betrieb skizzierte; nämlich (1) gründliches Mischen der wäßrigen Monosaccharidlösung und des Alkoholreaktanten, so daß sie ein teilweise oder vollständig wäßriges, mit Monosaccharidlösung gesättigtes, einphasiges, homogenes wäßriges Alkohol/Monosaccharid-Reaktionsgemisch bilden; (2) Abtrennen jeder verbleibenden nicht aufgelösten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase von dem Reaktionsgemisch; und danach (3) in-Kontakt-Bringen des Reaktionsgemischs mit einem sauren Katalysator bei der gewünschten Reaktionstemperatur.
- Unlösliche teilchenförmige (vorzugsweise poröse unlösliche teilchenförmige) feste saure Katalysatormaterialien, die sich für die Verwendung hierbei eignen, umfassen makroporöse saure Ionenaustauscherharze (z.B. makroporöse Sulfonsäure-Ionenaustauscherharze, perfluorierte Sulfonsäureharze usw.) und ähnliche.
- Geeignete saure Katalysatoren in flüssiger Form zur Verwendung hierbei umfassen starke Mineralsäuren, wie Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Phosphorsäure, Hypophosphorsäure usw.; starke organische Säuren, wie para-Toluolsulfonsäure, Methansulfonsäure, Trifluormethansulfonsäure, Dodecylbenzolsulfonsäure usw.; und ähnliche.
- Geeignete gasförmige saure Katalysatorstoffe zur Verwendung hierbei umfassen gasförmiges HCl, Bortrifluorid und ähnliche.
- Die Temperatur, bei der die oben diskutierte Alkohol-Saccharid- Reaktion durchgeführt wird, ist nicht besonders entscheidend, wird aber gewöhnlich eine höhere Temperatur sein als die normale Raumtemperatur von 20-25ºC. Vorzugsweise wird die Reaktion normalerweise bei einer Temperatur von 60 bis 200ºC (und insbesondere im Bereich von 80 bis 150ºC) durchgeführt werden.
- Die eigentliche Reaktion des Monosaccharidreaktanten und des Alkoholreaktanten gemäß der vorliegenden Erfindung ist im wesentlichen eine Kondensationsreaktion, bei der jedesmal, wenn ein Alkoholmolekül mit einem Monosaccharidmolekül reagiert, ein Molekül Wasser freigesetzt oder erzeugt wird. Da eine solche Reaktion reversibel ist, ist es typischerweise wunschenswert, im Verlauf der Reaktion Wasser aus dem Reaktionsgemisch zu entfernen, um das Gleichgewicht zugunsten des gewünschten Glycosidprodukts zu verschieben und dadurch die Reaktion zu Ende zu führen. Darüber hinaus ist eine solche Entfernung des Wassers auch typischerweise wünschenswert, um zu verhindern, daß angesammeltes Kondensationswasser im Verlauf der Reaktion eine unerwünschte Phasentrennung bewirkt (d.h. die Bildung einer getrennten und unterscheidbaren vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase). Diese letztere Betrachtung ist natürlich von besonderer Bedeutung oder Wichtigkeit in solchen Fällen, bei denen die Einzelphase, die homogene wäßrige Alkohol/Saccharid-Reaktantenlösung, wie sie zunächst vor dem Reaktionsschritt gebildet wird, bereits an ihrem Sättigungspunkt oder relativ nahe daran ist.
- Bei der Durchführung der Alkohol-Monosaccharid-Reaktion gemäß der vorliegenden Erfindung ist es im allgemeinen wünschenswert, dieselbe bei einem Druck durchzuführen, der die Entfernung des Wassers erleichtert, während gleichzeitig die gewünschte Reaktionstemperatur beibehalten wird. Zum Beispiel wird also im Falle von Alkoholreaktanten mit 4 oder mehr Kohlenstoffatomen im allgemeinen subatmosphärischer Druck (z.B. im Bereich von 1 bis 25 inch Quecksilber, 3,39 bis 84,66 kPa, unter normalem Atmosphärendruck) bevorzugt, und atmosphärischer oder überatmosphärischer Druck (z.B. von 1 bis 400 inch Quecksilber, 3,39 bis 1354,55 kPa, über normalem Atmosphärendruck) wird typischerweise bevorzugt, wenn C&sub1;- oder C&sub2;-Alkohole wie Methanol oder Ethanol den betreffenden Alkoholreaktanten darstellen. Im Falle von C&sub3;-Alkoholen, wie n-Propanol, Isopropanol und Allylalkohol, kann die betreffende Alkohol-Monosaccharid-Reaktion zweckmäßigerweise entweder, je nach Wunsch, bei Atmosphären-, subatmosphärischem oder überatmosphärischem Druck durchgeführt werden, was im allgemeinen von der in einem gegebenen Fall erwünschten Reaktionstemperatur abhängt. In manchen Fällen kann Wasser ein azeotropes Gemisch mit dem eingesetzten Alkoholreaktanten bilden, und in dem angegebenen Destillationsschritt wird also sowohl Wasser als auch ein Teil des Alkoholreaktanten in Form eines Alkohol/Wasser-Azeotrops entfernt. In einem solchen Fall ist es gewöhnlich wünschenswert und vorzuziehen, im Verlauf der Reaktion allmählich oder portionsweise zusätzlichen Alkoholreaktanten zum Reaktionsgemisch hinzuzufügen, um diesen Teil, der die Reaktion infolge der angegebenen azeotropen Alkohol/Wasser-Destillation verläßt, zu ersetzen.
- Wenn die Entfernung des Wassers aus dem Reaktionsgemisch geeignet durchgeführt wird, kann die Bildung einer getrennten, vorwiegend wäßrigen Monosaccharidlösungsphase in dem Reaktionsgemisch vermieden werden.
- Nach Beendigung der oben beschriebenen Alkohol-Monosaccharid- Reaktion kann das resultierende Glycosidprodukt geeigneterweise in jeder zweckmäßigen Weise aus dem Reaktionsgemisch gewonnen werden, wie zum Beispiel durch Fällung oder Kristallisation und anschließend entweder Filtration oder Zentrifugation; Destillation oder Verdampfen von überschüssigem Alkoholreaktanten; Flüssig-Flüssig-Extraktion; usw.
- Alternativ dazu kann der saure Katalysator neutralisiert und/oder aus dem Reaktionsgemisch entfernt werden, wie es geeignet erscheint, und die resultierende Glycosid/Alkohol-Lösung kann in dieser Form ohne weitere Reinigungs- oder Produktgewinnungsbehandlungen in den Handel gebracht, verwendet oder weiteren Verarbeitungsoperationen unterworfen werden.
- Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung werden nun anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben, in denen:
- Figur 1 bis 4 und 6 partielle Dreiecksgraph- oder -phasendiagramme sind, die die Grenzlinie zwischen dem homogenen einzelphasenbildenden Bereich und dem heterogenen oder zwei Phasen bildenden Bereich für Zusammensetzungen zeigt, die wäßrige Monosaccharidsirups, Alkohole und Glycosid-Reaktionsprodukte umfassen; und
- Figur 5 ein Dreiecksgraph- oder -phasendiagramm ist, das die Grenzlinie zwischen dem einzelphasenbildenden und dem zwei Phasen bildenden Bereich für Zusammensetzungen zeigt, die Methanol, n- Butanol und ein Dextrosesirup umfassen.
- Figur 1 ist ein partielles Dreiecksgraph- oder -phasendiagramm, das die Grenzlinie zwischen dem homogenen einzelphasenbildenden Bereich und dem heterogenen oder zwei Phasen bildenden Bereich für bestimmte Zusammensetzungen zeigt, die sich zusammensetzen aus verschiedenen Anteilen von n-Propanol, Propylglucosid und einem wäßrigen Dextrosesirup, das ungefähr 71,5 Gew.-% gelöste Dextrosefeststoffe und etwa 28,5 Gew.-% Wasser enthält, bezogen auf das Gesamtgewicht des Sirups. Figur 2 ist ein ähnliches partielles Dreiecksphasendiagramm für Zusammensetzungen, die sich aus n-Butanol, Butylglucosid und demselben wäßrigen Dextrosesirup zusammensetzen.
- Figur 3 ist ein partielles Dreiecksphasendiagramm für ähnliche n-Propanol/Propylglucosid/(wäßrigesDextrosesirup)-Zusammensetzungen wie in Figur 1, außer daß das eingesetzte wäßrige Dextrosesirup 85,8 Gew.-% gelöste Dextrosefeststoffe und 14,2 Gew.-% Wasser umfaßt.
- Figur 4 ist ein partielles Dreiecksphasendiagramm für ähnliche n-Butanol/Butylglucosid/(wäßrigesDextrosesirup)-Zusammensetzungen wie in Figur 2, außer daß das dabei eingesetzte wäßrige Dextrosesirup 85,8 Gew.-% gelöste Dextrose und 14,2 Gew.-% Wasser umfaßt.
- In den Figuren 1-4 stellen die verschiedenen binären (Alkohol + wäßriges Dextrosesirup) oder ternären (d.h. Alkohol + wäßriges Dextrosesirup + Alkylglucosid) Zusammensetzungen, die in den sogenannten "einphasigen Bereich" fallen bzw. von diesem angesprochen werden, Zusammensetzungen dar, die homogene einphasige Lösungen bilden, welche den Alkohol, Dextrose, Wasser und, falls vorhanden, das Alkylglucosidprodukt umfassen und die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet mit saurem Katalysator in Kontakt gebracht werden. Zusammensetzungen, die in den sogenannten "zweiphasigen Bereich" der Figuren fallen, sind Beispiele für solche, die sich in zwei unterscheidbare Phasen (d.h. eine getrennte, vorwiegend wäßrige Sirupphase und die gewünschte homogene Reaktionsphase, die in dem Alkoholreaktanten gelöstes wäßriges Dextrosesirup umfaßt) trennen und die gemäß der vorliegenden Erfindung daran gehindert werden, unter Bedingungen, die zur Homopolymerisation von Dextrose führen, mit dem sauren Katalysator in Kontakt zu geraten. Die in den Figuren 1-4 abgebildeten Phasendiagramme sind repräsentativ für die über einen Temperaturbereich von 110 bis 150ºC angegebenen Systeme.
- Die in den verschiedenen Figuren abgebildeten Phasendiagramme wurden erzeugt, indem man bekannte Anteile des angegebenen Dextrosesirups in einem Glasdruckkolben mit bekannten Mengen des genannten Alkohols und des entsprechenden Alkylglucosidprodukts mischte und selbige in einem Ölbad rührte, das auf der interessierenden Temperatur gehalten wurde. Der Inhalt des Kolbens wurde alle 15 Minuten visuell inspiziert. Zusammensetzungen, die bei der visuellen Inspektion homogen und klar erschienen, wurden als "einphasig" klassifiziert. Zusammensetzungen, die nach einer Stunde Rühren bei der Testtemperatur heterogen blieben, wurden als "zweiphasige" Systeme klassifiziert. In den Figuren 1-4 und 6 wurden die Daten des Phasendiagramms bei einer Temperatur im Bereich von 110-150ºC erzeugt, und in diesem besonderen Temperaturbereich wurde kein signifikanter Unterschied in Löslichkeitsoder Phasentrennungseigenschaften nachgewiesen. Das Phasendiagramm von Figur 5 wurde bei 40ºC erzeugt.
- Die in den Figuren 1-4 abgebildeten Phasendiagramme sind "partiell" in dem Sinn, daß diejenigen Teile der Phasendiagramme, die sich auf Zusammensetzungen, die mehr als 35 Gew.-% Alkylglucosidprodukt enthalten, und Zusammensetzungen, die mehr als 35 Gew.-% Dextrosesirup enthalten, beziehen, nicht dargestellt sind. Die Beschränkung der Phasendiagramme auf den angegebenen Zusammensetzungsbereich erfolgte nur aus Zweckmäßigkeitsgründen und sollte sich in erster Linie auf solche Zusammensetzungen konzentrieren, die Sirup-, Alkohol- und Alkylglucosidanteile enthalten, von denen man im allgemeinen annehmen würde, daß sie die vorteilhaftesten oder wünschenswertesten Bereiche darstellen, in denen man aus praktisch-ökonomischer Sicht arbeiten würde. Eine Vervollständigung oder Weiterentwicklung der Phasendiagramme für Komponentenanteile außerhalb der dargestellten Bereiche (oder für andere Alkoholreaktanten, Alkylglycosidprodukte und/oder wäßrige Monosaccharidlösungen als die dargestellten) läge durchaus in den Möglichkeiten des normalen Fachmanns und kann zur Erweiterung der breiten Anwendbarkeit und Praxis der vorliegend offenbarten Erfindung zweckmäßigerweise im Einklang mit dem oben dargelegten Verfahren durchgeführt werden.
- Figur 5 veranschaulicht einen weiter oben diskutierten speziellen oder bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung, bei dem die Verträglichkeit zwischen einer wäßrigen Monosaccharidlösung und einem relativ hydrophoben Alkohol (z .B. n-Butanol) durch Aufnahme von Methanol in deren Gemisch wesentlich verbessert werden kann.
- Figur 6 veranschaulicht, daß die Auswahl einer Methanol/Butanol/Dextrosesirup-Zusammensetzung innerhalb des einphasigen Bereichs von Figur 5 eine Phasentrennung im Verlauf des gewünschten Alkylglucosidherstellungsverfahrens durch wesentliche Erweiterung des einphasigen Bereichs verhindert. (Vergleiche in dieser Hinsicht Figur 2 mit Figur 6.)
- Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele weiter erläutert, in denen, wenn nichts anderes angegeben ist, alle Teile und Prozentangaben gewichtsbezogen sind und alle Temperaturen in ºC angegeben sind.
- Ein Liter n-Propanol und 50 Gramm eines makroporösen Sulfonsäure-Ionenaustauscherharzes werden in einen 2-Liter-Rundkolben eingefüllt, der mit einem Buchler-Rotationsverdampfer verbunden ist und sich in einem heißen Ölbad befindet. Das n-Propanol/Sulfonsäureharz-Gemisch wird auf eine Temperatur von etwa 107 bis 109ºC erwärmt, und 200 Gramm eines wäßrigen Dextrosesirups, das 50 Gew.-% Dextrosefeststoffe und 50 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht des Sirups, enthält, werden im Verlaufe von 2 Stunden allmählich hinzugegeben. Während der Zugabe des Dextrosesirups wird das Reaktionsgemisch unter einem Vakuum von 5 inch Quecksilber (16,93 kPa) unter Atmosphärendruck gehalten, und eine langsame (etwa 60 cm³/h) Propanol/Wasser-Codestillation wird aufrechterhalten. Nachdem ungefähr 250 cm³ eines Propanol-Wasser- Gemischs durch die Codestillation entfernt wurde, wird die Zugabe von Sirup unterbrochen, und 250 cm³ frisches Propanol werden über 5 bis 10 Minuten langsam zu dem Reaktionsgemisch gegeben, um eine drastische Reduktion der Reaktionstemperatur zu vermeiden.
- Nachdem das ganze Dextrosesirup hinzugegeben wurde, zeigt eine visuelle Untersuchung des Kolbens keine merkliche Agglomeration des Katalysators und kein Material, das an der Wand oder am Boden des Kolbens klebt.
- Dann wird der Katalysator durch Filtration entfernt, und das resultierende Filtrat wird durch Vakuumdestillation unter Verwendung eines Rotationsverdampfers konzentriert (bei etwa 90ºC und 27 inch Hg, 91,43 kPa, Vakuum), um überschüssiges Propanol zu entfernen, bis kein weiteres Destillat beobachtet wird. Nach Beendigung der Destillation bleibt ungefähr 115,5 Gramm Restmaterial zurück. Bei diesem Material handelt es sich vorwiegend um das gewünschte Propylglucosidreaktionsprodukt, und es enthält etwa 11,65 Gew.-% nicht umgesetzte Dextrose, bezogen auf das Gewicht der Trockensubstanz.
- Ein wäßriges Dextrosesirup, das etwa 128,5 Gramm Dextrose und etwa 129 Gramm Wasser enthält, wird im Verlaufe von 1,25 Stunden allmählich zu einem Gemisch von 1000 ml n-Propanol und 62 Gramm eines sauren Ionenaustauscherharzes, die in einer Reaktionsapparatur wie in Beispiel 1 oben beschrieben enthalten sind, gegeben. Die Reaktion wird bei 110ºC und bei einem Vakuum von 5 bis 6 inch Hg (16,93 bis 20,32 kPa) unter Atmosphärendruck durchgeführt, wobei währenddessen ein Propanol-Wasser-Gemisch abdestilliert wird. Nachdem ungefähr 250 ml eines Propanol-Wasser-Gemischs abdestilliert ist, wird die Zugabe von Sirup unterbrochen, und 250 ml frisches Propanol wird zu dem Reaktionsgemisch gegeben.
- Nach Beendigung der Sirupzugabe läßt man die Reaktion weitere 2 Stunden weiterlaufen. Am Ende der Reaktionszeit wird der Katalysator durch Filtration entfernt. Die resultierende Filtratlösung hat eine Dichte von 0,85 g/cm³ und enthält 26,4 Gew.-% Feststoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht, wovon über 70 Gew.-% (bezogen auf das Trockengewicht der Feststoffe) das gewünschte Propylmonoglucosidprodukt sind und 1,02 Gew.-% (bezogen auf das Trockengewicht der Feststoffe) nicht umgesetzter Dextroseausgangsstoff sind.
- In diesem Beispiel wird Butylglucosid durch Reaktion von n-Butanol mit einem wäßrigen Dextrosesirup hergestellt.
- Bei der Durchführung der Reaktion wird ein Gemisch, das 800 g n-Butanol und 55 g makroporöses Sulfonsäure-Ionenaustauscherharz enthält, in die in Beispiel 1 oben beschriebene Reaktionsapparatur eingefüllt. Die Temperatur wird auf etwa 112ºC eingestellt, und ein Vakuum von 12,5 inch Hg (42,33 kPa) unter Atmosphärendruck wird angelegt. Danach werden 400 g eines wäßrigen Dextrosesirups, das 50 Gew.-% Dextrose, bezogen auf das Gesamtgewicht des Sirups, enthält, im Verlaufe von 2,25 Stunden allmählich zu dem Butanol/Katalysator-Gemisch gegeben. Ein Butanol-Wasser-Gemisch wird während des Reaktionsvorgangs abdestilliert, und 250 ml ergänzendes Butanol werden an dem Punkt des Reaktionsvorgangs, bei dem ungefähr diese Menge Butanol das Reaktionsgemisch durch Codestillation verlassen hat, zu dem Reaktionsgemisch gegeben. Die Reaktion wird nach Beendigung der Zugabe von Dextrosesirup eine weitere Stunde fortgesetzt.
- Nach Entfernung des Ionenaustauscherharz-Katalysators durch Filtration fand man, daß das resultierende Reaktionsgemisch eine n-Butanollösung ist, die 31,7 Gew.-% Feststoffe (bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung) enthält, wovon über 70 Gew.-% (bezogen auf das Trockengewicht der Feststoffe) das gewünschte Butylmonoglucosidprodukt sind. Das Reaktionsgemisch enthält auch 0,4 Gew.-% (bezogen auf das Trockengewicht der Feststoffe) nicht umgesetzte Dextrose und 0,5 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung.
- Der aus Beispiel 3 oben zurückgewonnene Ionenaustauscherharz- Katalysator wird wiederverwendet, um die Reaktion von 800 g n-Butanol mit einem Dextrosesirup, das etwa 206,5 g Dextrose und 188,5 g Wasser enthält, zu katalysieren. Die Reaktionsapparatur, das Reaktionsverfahren und die Reaktionsbedingungen, die in Beispiel 3 oben dargelegt wurden, werden in dieser Reaktion wieder verwendet.
- Das resultierende Reaktionsprodukt ist eine n-Butanollösung, die 27 Gew.-% Feststoffe und 1,4 Gew.-% Wasser, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, enthält. Etwa 59 Gew.-% der Feststoffe in der Lösung sind das gewünschte Butylmonoglucosid und etwa 5 Gew.-% der Feststoffe sind nicht umgesetzter Dextroseausgangsstoff.
- Beispiel 2 wird unter Verwendung einer wäßrigen D-Xyloselösung anstelle des wäßrigen Dextrosereaktantenmaterials wiederholt. Die Xyloselösung enthält 400 g D-Xylose und 200 g Wasser. Das resultierende Reaktionsprodukt ist eine n-Propanollösung, die 40,5 Gew.-% Feststoffe (bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung) enthält, wovon etwa 57 Gew.-% (bezogen auf das Trockengewicht der Feststoffe) das gewünschte Propylmonoxylosidprodukt sind.
- In diesem Beispiel werden 168 g n-Butanol, 672 g Methanol, 360 g einer wäßrigen Dextroselösung, die etwa 70 Gew.-% Dextrosefeststoffe, bezogen auf das Gesamtgewicht der Lösung, enthält, und 51,5 g eines kommerziell erhältlichen makroporösen Sulfonsäure- Ionenaustauscherharzes in einen Glasglockenreaktor eingefüllt. Der Reaktor wird geschlossen, und sein Inhalt wird unter Rühren etwa eine Stunde auf 115ºC erwärmt. Wenn 115ºC erreicht sind, wird das Reaktionsgemisch unter fortgesetztem Rühren etwa eine weitere 1 1/2 Stunde bei dieser Temperatur gehalten. Nach Beendigung der Reaktionszeit von 1 1/2 Stunde, wird ein n-Butanol- Zufuhrstrom mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 12 ml/Minute in den Reaktor geleitet, und Destillat wird aus dem Reaktor entweichen lassen und wird aufgefangen.
- Die angegebene Zugabe von n-Butanol und die Entfernung des Destillats werden etwa 3 Stunden fortgesetzt (während das Reaktionsgemisch auf etwa 115ºC gehalten und fortwährend gerührt wird), wobei der Volumendurchsatz der Entfernung des Destillats so gesteuert wird, daß er ungefähr dem Volumendurchsatz der Zugabe von n-Butanol zu dem Reaktionsgefäß entspricht. (Während der letzten 1 bis 1 1/4 Stunde der Reaktionszeit wird ein leichtes Vakuum im Reaktionsgefäß aufrechterhalten, um die Entfernung des Destillats mit der gewünschten Geschwindigkeit zu erleichtern). Nach Beendigung des soeben genannten wird das resultierende Reaktionsgemisch auf Raumtemperatur abkühlen gelassen und wird anschließend filtriert, um das Ionenaustauscherharz aus der resultierenden n-Butanol/Butylglucosid-Lösung zu entfernen.
- Insgesamt 846 g n-Butanol/Butylglucosid-Lösung werden aus der obigen Reaktion gewonnen, wovon ungefähr 30 Gew.-% gelöste Feststoffe sind. Die Analyse ergibt, daß ungefähr 70 Gew.-% der gelösten Feststoffe Butylmonoglucosid sind.
- Im Verlauf der oben beschriebenen Reaktion wird keine Phasentrennung beobachtet, und am Ende der angegebenen Reaktionszeit bleiben sehr wenig Methylglucosidprodukte zurück.
- Während der Gegenstand des vorliegenden Patents unter Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen und Beispiele beschrieben und erläutert wurde, soll dies nicht so interpretiert werden, als schränke es den Umfang der vorliegend beanspruchten Erfindung in irgendeiner Weise ein.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Glycosidprodukts durch
Umsetzen eines wasserlöslichen Monosaccharidreaktanten mit
einem einwertigen C&sub2;- bis C&sub6;-Alkanolreaktanten oder mit
einem Reaktantengemisch aus Methanol und einem einwertigen
Alkanol, der von 3 bis 8 Kohlenstoffatome enthält, mit 5
bis 80 Gew.-% Methanol, bezogen auf das Gesamtgewicht des
Reaktionsgemischs, umfassend:
a. Mischen einer wäßrigen Lösung, die, bezogen auf das
Gesamtgewicht der wäßrigen Saccharidlösung, von 20 bis
90 Gew.-% des Monosaccharidreaktanten enthält, mit dem
Alkoholreaktanten, um ein homogenes, einphasiges
wäßriges Reaktionsmedium zu erhalten, das die Reaktanten
Monosaccharid und Alkohol sowie Wasser enthält; und
b. Umsetzen des Monosaccharidreaktanten mit dem
Alkoholreaktanten durch in-Kontakt-Bringen des homogenen
wäßrigen Reaktionsmediums mit einem Säurekatalysator; und
c. Durchführen der Reaktion bei einer Temperatur von 60ºC
bis 200ºC, während man Wasser auf eine Weise aus dem
Reaktionsgemisch entfernt, daß die Bildung einer
getrennten und unterscheidbaren wäßrigen
Monosaccharidlösungsphase im Verlauf der Reaktion verhindert wird,
wobei im Verlauf der Reaktion, wenn das Wasser ein
azeotropes Gemisch mit dem verwendeten
Alkoholreaktanten bildet und ein Teil des Alkoholreaktanten in Form
eines Alkohol/Wasser-Azeotrops entfernt wird,
zusätzlicher
Alkohol allmählich oder portionsweise zu dem
Reaktionsgemisch gegeben wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die wäßrige Lösung des
Monosaccharidreaktanten ein wäßriger Glucosesirup ist.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Glucosesirup
von 5 bis 80 Gew.-% Glucose enthält, bezogen auf das
Gesamtgewicht des Sirups.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der
Säurekatalysator eine wasserlösliche Säure ist.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der
Säurekatalysator p-Toluolsulfonsäure ist.
6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der
Säurekatalysator ein stark saurer Feststoff ist, der in
Wasser und in dem Alkoholreaktanten unlöslich ist.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der
Säurekatalysator ein saures Ionenaustauscherharz ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die
Reaktion bei einer Temperatur von 80ºC bis 150ºC
durchgeführt wird.
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