DK153782B - Fremgangsmaade til fremstilling af beta-hydroxysmoersyre. - Google Patents

Description

DK 153782 B

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde til fremstilling af β-hydroxysmørsyre ud fra polykonden-sater deraf. Sådanne polykondensater kan være opnået ved biosyntese.

5

Talrige mikroorganismer er i stand til at syntetisere polykondensater af β-hydroxysmørsyre (poly-Ø-hydroxybu-tyrater), og man kender forskellige metoder, såsom ekstraktion, til fraseparering af poly-B-hydroxybutyraterne 10 fra biomasserne.

Eftersom β-hydroxysmørsyre er et mellemprodukt af betydelig interesse for den industrielle fremstilling af rene kemikalier, har man gennemført forskellige forsøg med 15 henblik på at syntetisere denne forbindelse ud fra de tilsvarende polykondensater opnået gennem biosyntese.

Alle hidtil omtalte fremgangsmåder til gennemførelse heraf udviser imidlertid den alvorlige ulempe, at de ikke fører til selve syren, men til derivater deraf. Så-20 danne kendte fremgangsmåder nødvendiggør således til sidst omdannelsen af sådanne derivater til syren, hvilket gør dem særdeles komplicerede og meget kostbare ved industriel anvendelse.

25 En første af disse metoder består således i, at man forsæber poly-B-hydroxybutyraterne ved hjælp af en alkalisk opløsning, således at der dannes alkalimetalsalte af β-hydroxysmørsyre. Denne metode indebærer den yderligere ulempe, at den medfører dannelsen af uønskede biproduk-30 ter såsom saltet af crotonsyre i betydelige mængder. En anden allerede foreslået fremgangsmåde består i, at man behandler poly-B-hydroxybutyraterne med vandfrit hydrazin, hvorved man opnår krystaller af D(-)-B~hydroxysmør-syrehydrazid, hvilken forbindelse kun kan omdannes til 35 2

DK 153782B

syren under medvirkning af støkiometriske mængder af syrer, såsom svovlsyre eller saltsyre, idet de konstaterede udbytter iøvrigt er meget små. Ifølge en tredje, kendt fremgangsmåde arbejder man ved methanolyse, og man 5 opnår oligokondensater i form af methylestere såvel som syrens methylester.

Et eksempel på en sådan fremgangsmåde, der involverer methanolyse, er omtalt af B. Hauttecoeur et al. i C.R.

10 Acad. Sc. Paris, 280 (30. jumni 1975) side 2899-2902.

Ifølge denne fremgangsmåde gennemfører man en partiel depolymerisation af poly-B-hydroxybutyrat til oligomere deraf i form af methylestere ved indvirkning af en blanding bestående af bortrifluorid og methanol.

15 *

Et andet eksempel på denne teknik, der involverer methanolyse, er omtalt af S. Akita et al. i Macromolecules, bind 9, nr. 5, 1976, side 774-780 inden for rammerne af en bestemmelse af visse egenskaber af poly-(D-8-hydroxy-20 butyrat) i fortyndet opløsning. Her omtales især en fremgangsmåde til opnåelse af oligomere afledt af poly-(D-B-hydroxybutyrat) i form af methylestere ved tilsætning af en opløsning af methanol indeholdende para-tolu-ensulfonsyre til poly-(D-B-hydroxybutyrat), der er eks-25 traheret fra en biomasse opløst i dichlormethan.

Den foreliggende opfindelse angår en fremgangsmåde, som direkte fører til β-hydroxysmørsyre.

30 Opfindelsen angår nærmere bestemt en fremgangsmåde til fremstilling af β-hydroxysmørsyre ud fra polykondensater deraf, og fremgangsmåden er ejendommelig ved, at man underkaster polykondensaterne en hydrolyse i en væskeformig, homogen reaktionsblanding, som indeholder et opløs-35 3

DK 153782B

ningsmiddel, polykondensaterne, en syrekatalysator og vand.

Poly-f3-hydroxybutyraterne, der ligeledes kaldes poly-fl-5 hydroxysmørsyre, som anvendes ifølge den foreliggende opfindelse, kan være råprodukter eller rensede produkter opnået ud fra en biomasse ved en hvilken som helst kendt separeringsmetode. Den pågældende biomasses oprindelse er uden betydning i henseende til fremgangsmåden ifølge 10 opfindelsen. Biomassen kan således stamme fra forskellige mikroorganismer og især fra bakterier, således som de er omtalt i Angewandte Chemie, 1962, 74. årgang, nr. 10, side 342-346, af Schlegel og Gottschalk.

15 Man anvender som udgangsmateriale fortrinsvis poly-O-hy-droxybutyrater, der er frasepareret fra biomassen ved ekstraktion ved hjælp af opløsningsmidler, som er anvendelige ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, og som skal omtales i det følgende. Dette tillader at gennemfø-20 re fremgangsmåden ifølge opfindelsen direkte efter ekstraktionen i det samme opløsningsmiddel uden diskontinuitet mellem behandlingstrinnene.

De anvendte poly-g-hydroxybutyrater har i almindelighed 25 en vægtmiddelmolekylvægt (Mw) større end 100 000. Denne molekylvægt er sædvanligvis mellem 500 000 og 3 000 000, hyppigst mellem 700 000 og 1 500 000. Den kan variere i afhængighed af oprindelsen af det indgående poly-B-hy-droxybutyrat.

30

Reaktionsblandingen kan ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen bestå af én fase eller af flere forskellige faser. Man foretrækker dog at arbejde med en reaktionsblanding, hvori opløsningsmidlet, poly-B-hydroxybutyra-35 4

DK 153782B

terne og vandet kun udgør én homogen væskefase. Når den indgående syrekatalysator er flydende, vælges den fortrinsvis således, at den befinder sig i fuldstændig opløst tilstand i denne flydende fase. Man arbejder såle-5 des fortrinsvis uden tilstedeværelsen af en anden væskefase eller af en fast fase indeholdende ikke-opløste po-ly-B-hydroxybutyrater. De ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendte opløsningsmidler kan være valgt blandt samtlige organiske opløsningsmidler, der er i 10 stand til at solubilisere poly-g-hydroxybutyraterne, og som samtidig er kemisk inert over for disse forbindelser, vand og den anvendte syrekatalysator. Opløsningsmidlerne kan bestå af en enkelt forbindelse, ren eller af teknisk kvalitet, eller af en blanding af flere for-15 bindeiser.

Man vælger fortrinsvis opløsningsmidlerne blandt sådanne, som er anvendelige til ekstraktion af poly-f5-hydro-xybutyrater fra biomasser, og man vælger dem især blandt 20 de halogenerede opløsningsmidler, som kan være substituerede eller, fortrinsvis, ikke-substiturerede. Blandt disse egner sig særlig godt chlorethanerne og chlorpro-panerne, som er omtalt i FR patentskrift nr. 2 446 859, indleveret d. 22. januar 1979 og tilhørende SOLVAY & 25 Cie., såvel som methylenchlorid og chloroform. Man har opnået gode resultater med methylenchlorid, chloroform, 1,2-dichlorethan, 1,1,2-trichlorethan, 1,1,2,2-tetra-chlorethan samt 1,2,3-trichlorpropan. Man har opnået de bedste resultater med chloroform og især med 1,2-di-30 chlorethan.

De mængder opløsningsmiddel, der skal anvendes i forhold til mængden af poly-8-hydroxybutyrater, kan variere inden for brede grænser, og de er ikke kritiske, idet dog 35

DK 153782 B

5 hydrolysehastigheden er en funktion af koncentrationen af polymer-forbindelse, foretrækker man at arbejde med koncentrationer, der er så høje som muligt.

5 Eftersom poly-8-hydroxybutyraterne er desto mere opløselige i opløsningsmidler, jo lavere deres molekylvægt er, er det fordelagtigt at opkoncentrere reaktionsblandingen, efterhånden som hydrolysen skrider frem. Til dette formål kan man med fordel efterhånden afdestillere op-10 løsningsmidlet, således at man mere og mere opkoncentre-rer reaktionsblandingen.

De syrekatalysatorer, som man tager i anvendelse ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen, kan være valgt blandt 15 alle Brønsted-syrerne og Lewis-syrerne. Man foretrækker sædvanligvis at anvende sådanne Brønsted-syrer, hvis pKA er mindre end 4, fortrinsvis mindre end 2,5. Blandt sådanne foretrækker man at anvende svovlsyre, saltsyre, phosphorsyre og derivater deraf, såsom sulfonsyrerne.

20 Sulfonerede harpikser egner sig ligeledes godt. De katalysatorer, som har ført til de bedste resultater, er alkyl-, aryl-, alkylaryl- og arylalkylsulfonsyrerne, samt svovlsyre. Særligt foretrukne er svovlsyre og paratolu-ensulfonsyre.

25

Den mængde syrekatalysator, der skal anvendes i reaktionsblandingen, er i sig selv ikke kritisk. De relative katalysator-koncentrationer i forhold til monomerenheder i de anvendte poly-3-hydroxybutyrater, kan nå op på vær-30 dier på 100 molprocent. Dette forhold er dog sædvanligvis mellem 0,1 og 40 procent, fortrinsvis mellem 0,5 og 10 procent.

35

DK 153782B

e

Det indgående vand kan tilføres reaktionsblandingen på et hvilket som helst tidspunkt før eller under hydrolysen. Fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse tillader således, at man arbejder med rå poly-B-hydroxy-5 butyrater, der ikke befinder sig i vandfri form, samt med ikke-vandfrie opløsningsmidler og katalysatorer af teknisk kvalitet.

Den mængde vand, der skal anvendes i reaktionsblandin-10 gen, vælges fortrinsvis på en sådan måde, at der ikke på noget som helst tidspunkt foreligger heterogenitet i den væskeformige reaktionsblanding ved fremkomsten af to klart adskilte flydende faser, dvs. en organisk fase og en vandfase. Heraf følger i sådanne tilfælde, at den 15 mængde vand, der anvendes, vælges afhængigt af opløsningsmidlets art, temperaturen, trykket og det i betragtning kommende poly-B-hydroxybutyrats molekylvægt.

Eftersom vand i almindelighed kun er ganske lidt blandbart med de opløsningsmidler, som fortrinsvis anvendes 20 ifølge opfindelsen, sker tilsætningen af vand således mest fordelagtigt i adskillige trin eller kontinuerligt samtidig med hydrolysens forløb, idet man drager omsorg for ikke at overskride grænsen for vands opløselighed i reaktionsblandingen.

25

Man har iøvrigt konstateret, at vands opløselighed i reaktionsblandingen stiger efterhånden som hydrolysen skrider frem, og molekylvægten for poly-fi-hydroxybutyraterne formindskes. Når hydrolysen er gået så vidt frem, 30 at polymerisationsgraden har nået en værdi på fra ca. 2 til 10, og man således befinder sig i nærvær af oligo-kondensater, er derudover opløseligheden af disse forbindelser i vand tilstrækkelig stor til, at man kan fortsætte hydrolysen i en vandig væskefase. Til opnåelse 35

DK 153782 B

7 heraf kan man fjerne opløsningsmidlet ved en simpel af-destillation, og man kan eventuelt tilsætte vand. Man kan på den måde fortsætte hydrolysen i homogen vandig flydende fase og opnå β-hydroxysmørsyre med høje udbyt-5 ter uden dannelsen af biprodukter i større mængder.

Reaktionsblandingen kan udover opløsningsmidlet, poly-$-hydroxybutyraterne, vandet og syrekatalysatoren indeholde forskellige andre bestanddele. Man kan blandt disse 10 nævnte blegemidler, såsom peroxiderede forbindelser af typen hydrogenperoxid, hvilket tillader opnåelsen af de-polymeriserede reaktionsprodukter med forøget hvidhed.

Dette har vist sig særlig interessant, dersom man fra begyndelsen arbejder med poly-B-hydroxybutyrater, der 15 ikke forinden er oprensede. Koncentrationen af sådanne blegemidler bør reguleres således, at man ikke fremkalder kemiske ændringer i de indgående produkter.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan gennemføres ved 20 lav temperatur; men man arbejder sædvanligvis ved temperaturer over 25 °C. Af bekvemmelighedsgrunde arbejder man i almindelighed ikke ved temperaturer over 150 °C, men fortrinsvis ved temperaturer mellem 50 og 125 °C.

Det er iøvrigt særlig fordelagtigt at arbejde ved tilba-25 gesvalingstemperaturen for mediet ved det pågældende tryk således, at man efterhånden kan fjerne opløsningsmidlet ved destillation, som det er blevet forklaret ovenfor.

30 Det i løbet af fremgangsmåden påførte tryk er ikke i sig selv kritisk, og det er i almindelighed mindre end 10 bar. Man arbejder fortrinsvis med tryk på mellem 0,05 og 5 bar. Man foretrækker især at arbejde ved atmosfæretryk.

35

DK 153782B

s

Med hensyn til hydrolysens varighed er det klart, at denne vælges i afhængighed af det produkt, som man ønsker at opnå. Især i det tilfælde, hvor man ønsker at opnå oligokondensater, bør denne varighed fastlægges fra 5 tilfælde til tilfælde i afhængighed af polymerisationsgraden for de oligokondensater, som man ønsker at opnå. Fremgangsmåden tillader således, at man let opnår oligokondensater, hvis vægtmiddelmolekylvægt er mindre end 50 000, og især mindre end 10 000.

10

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen kan gennemføres kontinuert eller diskontinuert i et hvilket som helst apparatur, som tillader implementeringen af de ovenfor beskrevne omsætningsbetingelser.

15

Den ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen opnåede β-hy-droxysmørsyre kan frasepareres fra reaktionsblandingen ved et hvilket som helst kendt middel. Denne behandling udføres sædvanligvis ved hjælp af en eller flere destil-20 lationer og filtreringer, som kan være efterfulgt af vask med vand eller med organiske opløsningsmidler.

Oligokondensaterne af β-hydroxysmørsyre kan anvendes på grund af deres hydroxylgrupper eller carboxylgrupper, og 25 især som energetisk reservestof til dyrefodring.

Af de efterfølgende eksempler belyser eksempel 5 opfindelsen.

30 EKSEMPEL 1 (sammenligningseksempel) I en kolbe på 250 cm3, der er udstyret med en omrører, et termometer, en indhældningstragt og en vandkølet til-35 9

DK 153782B

bagesvaler, anbringer man 4,3 g poly-|S-hydroxybutyrat med en vægtmiddelmolekylvægt (Mw) lig med 963 000, som er dispergeret i 100 cm3 demineraliseret vand. Til mediet sættes 2,9 cm3 35 N svovlsyre, og man opvarmer til 5 kogning under mekanisk omrøring i 6 timer. Reaktionsblandingen opsamles ved filtrering på en glasfilterdigel af typen G4 og vaskes med rigeligt demineraliseret vand.

Efter tørring under trykket 2,5 kPa ved 50 °C indtil konstant vægt indvinder man 4,22 g poly-|3-hydroxybutyrat 10 med vægtmiddelmolekylvægt Mw lig med 233 000.

EKSEMPEL 2 I en kolbe på 500 cm3, der er forsynet med omrører, ter-15 mometer, indhældningstragt og en vandkølet tilbagesvaler, anbringer man 4,3 g poly-B-hydroxybutyrat med vægtmiddelmolekylvægt (Mw) lig med 1,3 x 106, som man opløser i 250 cm3 1,2-dichlorethan ved opvarmning af opløsningsmidlet til tilbagesvaling. Efter den fuldstændige 20 opløsning af den polymere tilsætter man 0,43 g para-to-luensulfonsyremonohydrat og 4,5 g vand. Derpå opvarmer man igen blandingen, som er blevet heterogen ved fremkomsten af to flydende faser, til tilbagesvaling igennem 5 timer, og man udfører prøvetagninger hver på 5 cm3 af 25 reaktionsblandingen i løbet af denne behandling. Man opnår i hvert enkelt tilfælde et poly-B-hydroxybutyrat, hvis molekylvægt er anført i nedenstående tabel I.

30 35

DK 153782B

10

TABEL I

Prøve- Antalsmiddelmolekyl- Vægtmiddelmole- udtagning vægt (Mn) kylvægt 5 ----------- efter 2 h. 7 800 16 000 efter 3 h. 4 300 10 000 efter 4 h. 4 300 10 000 efter 5 h. 4 300 10 000 iO -- EKSEMPEL 3

Man går frem analogt med eks. 2, idet man dog i stedet 15 for at arbejde i heterogent medium arbejder i homogent medium, dvs« at man anvender et medium, som kun indeholder 0,81 g vand, hvilket ved kogepunktstemperaturen (ca.

80 °C) udgør en mængde, som er fuldstændig blandbar med 1,2-dichlorethan. De således opnåede resultater er an-20 ført i efterfølgende tabel II.

TABEL II

Prøve- Antalsmiddelmolekyl- Vægtmiddelmole- 25 udtagning vægt (Mn) kylvægt (Mw) efter 2 h. 1 890 4 000 efter 3 h. 1 320 2 800 efter 4 h. 1 140 2 300 3q efter 5 h. 970 2 000 35

DK 153782 B

11

En sammenligning mellem eks. 1, 2 og 3 viser, at hydrolysen af poly-6-hydroxybutyrater i heterogent, vandigt medium (eks. 1) er insignifikant. Sammenligning mellem eks. 2 og 3 viser, at denne hydrolyse i et heterogent, 5 blandet medium bestående af organisk opløsningsmiddel og vand (eks. 2) er mere effektiv; men ikke desto mindre langsommere end den hydrolyse, som man opnår i homogent opløsningsmiddelmedium (eks. 3). Den tillader ydermere opnåelsen af de laveste molekylvægte.

10 EKSEMPEL 4 I den i eks. 1 beskrevne reaktor anbringer man 125 cm3 af en opløsning indeholdende 40 g/1 poly-fi-hydroxybuty-15 rat i 1,2-dichlorethan og stammende fra en ekstraktion. Vægtmiddelmolekylvægten (Mw) er lig med 1,33 x 106.

Der tilsættes 1,06 cm3 35 N H2SO4. Denne blanding bringes til kogning ved atmosfæretryk. Opløsningen inddampes 20 ved afdestillation af opløsningsmidlet og kontinuerlig tilsætning af 635 cm3 af ekstraktions-opløsningen på en sådan måde, at man holder reaktionsrumfanget på 125 cm3.

Efter 3 timer og 30 minutters forløb opnår man et poly-β-hydroxybutyrat med antalsmiddelmolekylvægt (Mn) lig 25 med 4 000, og hvis koncentration er 2,83 mol/1.

Man placerer derpå den vandkølede svaler i lodret stilling over flasken således, at man kan opvarme opløsningen til tilbagesvaling uden bortfjernelse af opløsnings-30 midlet. Derpå sættes til opløsningen, der er blevet bragt til tilbagesvaling, 3,2 g vand i løbet af mindre end 1 minut. Efter 4,0 timers forløb tilsættes påny 1,6 g vand og efter 7,7 timers kogning på ny 1,6 g vand. Man opnåede efter 9 timers forløb efter rensning og tørring 35 12

DK 153782B

til konstant vægt oligokondensater med antalsmiddelmolekylvægt (Mn) lig med 650. Disse reaktionsprodukter havde en brunlig farve.

5 EKSEMPEL 5

Man går frem analogt med eks. 4, idet man dog i stedet for at tilsætte vand tilsætter de samme mængder af en 30%-ig hydrogenperoxidopløsning i vand.

10

Antalsmiddelmolekylvægten (Mn) af de således opnåede oligokondensater er stort set den samme, som man opnåede i eks. 4; men de oligomere forbindelser foreligger nu i form af et hvidt pulver.

15

Eks. 4 og 5 viser, at man kan gennemføre hydrolyse af rå poly-Ø-hydroxybutyrater, som stammer direkte fra biomassen, ved hjælp af en sur katalyse i et homogent miljø indeholdende organisk opløsningsmiddel og vand under an-20 vendelse af en opløsning, som er blevet opkoncentreret og delvis depolymeriseret (eks. 4 og 5), og at det er muligt under anvendelse af en vandig opløsning af en peroxidholdig forbindelse at opnå fuldstændigt hvide oligomere (eks. 5).

25 EKSEMPEL 6 I en kolbe på 500 cm3, der er forsynet med en mekanisk omrører, et termometer, en indhældningstragt og en vand-30 kølet tilbagesvaler, som tillader afdestillation af den flydende fase, anbringer man en opløsning indeholdende 40 g/1 i 1,2-dichlorethan af poly-B-hydroxybutyrat med vægtmiddelmolekylvægt (Mw) lig med 1,33 x 106, såvel som 7,0 g p-toluensulfonsyre, og man afdestillerer kontinu-35 13

DK 153782B

erligt opløsningsmidlet, således at man efter 4 timer opnår 250 cm3 af koncentreret opløsning indeholdende 256 g/1 poly-B-hydroxybutyrat med antalsmiddelmolekylvægt (Mn) lig med 9200.

5

Denne opløsning opvarmes derpå til tilbagesvaling i det samme apparatur, der er modificeret således, at den vandkølede svaler er placeret lodret og kan fungere som en tilbagesvaler. Når opløsningen har nået tilbagesva-10 lingstemperaturen, tilsætter man på en gang 6,7 cm3 vand, og efter 4 timers behandling tilsætter man yderligere 3,4 cm3 vand. Omsætningen afbrydes efter 6,5 timer, og de således opnåede oligokondensater har en antalsmiddelmolekylvægt (Mn) lig med 270.

15

Man modificerer derpå på ny apparaturet således, at det, som i begyndelsen, kan fungere som et destillationsapparat, og man fjerner 1,2-dichlorethanen kontinuerligt ved afdestillering i 2,5 timer, medens man efterhånden til-20 sætter vand ved hjælp af indhældningstragten. Man opvarmer derpå vandopløsningen til tilbagesvaling i 4 timer, og man opnår til sidst β-hydroxysmørsyren, som isoleres ved destillation under reduceret tryk, der er mindre end 15 Pa, efter neutralisation af p-toluensulfonsyren ved 25 hjælp af 2 N NaOH. Det molære udbytte af overdestilleret syre i forhold til det polymere udgangsmateriale er 62%.

Man har på intet tidspunkt konstateret dannelsen af kro-tonsyre under de forskellige behandlingstrin.

30 35

Claims (9)

1. Fremgangsmåde til fremstilling af β-hydroxysmørsyre 5 ud fra polykondensater af β-hydroxysmørsyre, kendetegnet ved, at man underkaster polykondensaterne en hydrolyse i en væskeformig homogen reaktionsblanding indeholdende et opløsningsmiddel, polykondensaterne, en syrekatalysator samt vand. 10

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at den omtalte homogene fase er en organisk fase.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 1 eller 2, kende- 15 tegnet ved, at man som opløsningsmiddel vælger et halogeneret opløsningsmiddel.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 3, kendetegnet ved, at man vælger det indgående opløsningsmiddel blandt 20 chlorpropaner, chlorethaner, methylchlorid og chloroform.

5. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-4, kendetegnet ved, at man anvender en syrekatalysator 25 valgt blandt svovlsyre og alkyl-, aryl-, alkylaryl- eller arylalkylsulfonsyrer.

6. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-5, kendetegnet ved, at man, efterhånden som hydrolysen 30 skrider frem, koncentrerer reaktionsblandingen ved afde-stillation af opløsningsmidlet.

7. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-6, kendetegnet ved, at man fjerner opløsningsmidlet, 35 DK 153782B når man har opnået vandopløselige oligokondensater, og at man fortsætter hydrolysen i væskeformig, vandig fase.

8. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-7, k e n -5 detegnet ved, at man holder reaktionsblandingen på 50-125 °C.

9. Fremgangsmåde ifølge ethvert af kravene 1-8, kendetegnet ved, at man til reaktionsblandingen sæt- 10 ter en peroxidholdig forbindelse. 20 25 30 35