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Verfahren zur Herstellung von D-Ribose Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung von D-Ribose durch elektrolytische Reduktion von D-Ribolacton
in einer Elektrolysierzelle mit einem durch eine semipermeable Membran getrennten
Anoden- und Kathodenraum mit einer Quecksilber-oder oberflächlich mit Quecksilber
amalgierten Metallkathode, einem wäßrigen, nicht alkalischen Katholyt, der D-Ribolacton
und ein Alkalisalz enthält und dem während der Reduktion Säure zugesetzt wird, und
der wäßrigen Lösung einer starken anorganischen Säure, die gegenüber der Anode inert
ist, als Anolyt.
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Die Erfindung besteht darin, daß man die Reduktion mit einem Katholyt
durchführt, der an Stelle des Alkalisalzes ein mineralsaures Salz eines primären,
sekundären oder tertiären Amins enthält. Mit Hilfe dieser Maßnahme läßt sich eine
erhöhte Ausbeute an D-Ribose erzielen, da die Aufspaltung des D-Ribolactons im wesentlichen
verhindert werden kann.
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v-Ribose ist von großer Bedeutung für die Synthese des Vitamins B2.
Sie wird gewerbsmäßig durch Reduktion von D-Ribolacton hergestellt, wie die folgenden
Formeln zeigen:
Es wird bei dieser Reduktion nach chemischen oder elektrolytischen Verfahren gearbeitet.
Die chemische Reduktion wird z. B. in »Helvetica Chimica Acta«, Bd. 19, S. 189 (l936),
beschrieben; hier wird Natriumamalgam als Reduktionsmittel verwendet. Aber dieses
Verfahren erfordert eine recht beträchtliche Menge Quecksilber, und die Herstellung
des Amalgams ist mühsam. Außerdem ist die Einstellung des pH-Wertes in dem Reaktionsgemisch
schwierig.
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Die elektrolytische Reduktion ist vorteilhafter als die chemische
Reduktion. Bei dem bisher angewandten elektrolytischen Verfahren wird Quecksilber
als Kathode und ein Alkalisalz einer anorganischen Säure als Elektrolyt benutzt,
der mit Quecksilber ein Amalgam bilden kann (z. B. J. Chem. Soc., Japan, Bd.71,
S.310 [1950], Patentschrift 4359 [1950], Japan). Nach diesem Verfahren wird eine
höhere Ausbeute an D-Ribose erzielt als bei der chemischen Reduktion, während die
erforderliche Menge Quecksilber geringer ist (gewöhnlich ein Drittel bis ein Viertel
der bei der chemischen Reduktion benötigten). Da aber der Elektrolyt ein Alkalisalz
einer anorganischen Säure ist, bleibt noch folgender Nachteil bestehen Im Laufe
der Elektrolyse werden Alkalimetallionen auf der Oberfläche der Kathode entladen
:r.@ bilden mit dem Quecksilber kontinuierlich @m@lg@n. Das so gebildete Amalgam
reagiert sekundär mit Wasser und bildet Alkalihydroxyd auf der Oberfläche der Kathode.
Dadurch überzieht sich die Kathode während der Elektrolyse mit einer dünnen Schicht
Alkalilösung, was auch dann eintritt, wenn die Elektrolytlösung selbst durch Zusatz
von Borsäure schwach sauer gehalten wird. Andererseits ist D-Ribolacton in stark
alkalischem Medium unbeständig, und der Lactonring wird unter Bildung von Alkaliribonat
aufgespalten, welches dann nicht mehr reduziert werden kann. Infolgedessen geht
ein Teil des D-Ribolactons durch diese unerwünschte Nebenreaktion verloren, was
zu einer Verminderung der Ausbeute an D-Ribose führt. Diese Nachteile werden erfindungsgemäß
vermieden und die Ausbeute bei der elektrolytischen Reduktion wesentlich verbessert.
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Das Verfahren der Erfindung wird in einer Standard-Elektrolysierzelle
ausgeführt, die z. B. aus einem Becherglas besteht, welches einen kleinen
porösen
Becher, eine blattförmige Anode in dem porösen Becher und Quecksilber oder eine
amalgamierte Metallkathode auf dem Boden der Zelle enthält. Die Elektroden sind
in einen Gleichstromkreis geschaltet, der mit Amperemeter und veränderbarem Widerstand
versehen ist, und das Becherglas steht in einem Kühlbad. Die Reduktion wird unter
Rühren und Kühlen durchgeführt, bis die Umsetzung im wesentlichen beendet ist, was
sich z. B. an der erhöhten Wasserstoffentwicklung zu erkennen gibt.
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Die semipermeable Membran gestattet den Übertritt von Wasserstoffionen
vom Anodenraum in den Kathodenraum und den Übertritt von Anionen (z. B. Sulfat oder
Chlorid) vom Kathodenraum in den Anodenraum; sie verhindert aber die Diffusion des
zu reduzierenden D-Ribolactons aus dem Katholyt in den Anodenraum. Als semipermeable
Membran eignen sich verschiedene Materialien, unter anderem unglasiertes Porzellan,
Filtermaterial und besonders aus geschmolzenem Aluminiumoxyd hergestellte Werkstoffe.
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Die Anode kann aus einem Material bestehen, wie es gewöhnlich bei
der elektrolytischen Reduktion benutzt wird. Sie kann aus Blei, aus mit Bleidioxid
überzogenem Blei, aus Platin oder Graphit bestehen. Die Kathode besteht aus Quecksilber
oder oberflächlich mit Quecksilber amalgamiertem Metall, beispielsweise amalgamiertem
Blei, amalgamiertem Silber oder amalgamiertem Zink, die etwa die gleiche Wasserstoff
Überspannung besitzen wie Quecksilber.
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Der Anolyt ist eine wäßrige Lösung einer starken anorganischen Säure,
die gegenüber der Anode inert ist, wie Schwefelsäure, Salzsäure oder Phosphorsäure.
Es können verschiedene Konzentrationen verwendet werden. Vorzugsweise wird als Anolyt
Schwefelsäure mit einer Konzentration von etwa 0,5 bis etwa 800/0, insbesondere
von etwa 10% verwendet.
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Der Katholyt ist eine nichtalkalische wäßrige Lösung von D-Ribolacton,
der während der Reduktion Säure zugesetzt wird und die erfindungsgemäß ein mineralsaures
Salz eines primären, sekundären oder tertiären Amins enthält. Bevorzugt wird der
Katholyt auf einem pH-Wert von 3 bis 5 gehalten. Als Säurezusatz eignen sich vorzugsweise
verdünnte Salzsäure, verdünnte Schwefelsäure, Borsäure, Phosphorsäure. Borsäure
und Phosphorsäure sind besonders geeignet.
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Beispiele für geeignete mineralsaure Salze von Aminen sind die Sulfate,
Nitrate, Hydrochloride oder Phosphate der folgenden primären, sekundären oder tertiären
Amine: Monoalkylamine wie Methylamin. Äthylamin, Propylamin, Butylamin, Amylamin,
Hexylamin. Heptylamin, Octylamin; u)-Hydroxymonoalkylamine wie Äthanolamin, Propanolamin
; Di- oder Trialkylamine wie Dimethylamin, Diäthylamin, Trimethylamin; Cycloalkylamine
wie Cyclohexylamin; niedere Phenylalkylamine wie Benzylamin und Phenyläthylamin.
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Bei der Elektrolyse verhalten sich die Salze der Amine (I). wie unten
erläutert, wie protonisierte Aminoionen (II), die Amalgame protonisierter Amine
(III) mit Quecksilber auf der Oberfläche der Kathode bilden können; sie verhalten
sich damit ähnlich wie die Ionen der Alkalimetalle. Die so gebildeten Amalgame sind
sogar bei Zimmertemperatur unbeständig und zersetzen sich schnell unter Entwicklung
von naszierendem Wasserstoff; der zur Reduktion des D-Ribolactons ausgenutzt wird
(Journ. Chem. Soc., 1954, S. 760).
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Die .elektrolytische Reduktion läßt sich an Hand der folgenden Gleichungen
erläutern, in denen R, Wasserstoff, Alkyl, co-Hydroxyalkyl, ein niederes Phenylalkyl
oder ein Cycloalkylradikal bedeutet, R2 und R3 Wasserstoff oder Alkylradikale sind
und X ein Mineralsäurerest ist:
Das protonisierte Amin auf der Oberfläche der Kathode beeinflußt wegen seiner schwachen
Alkalität das Ribolacton nicht so sehr wie ein Alkalihydroxyd. Daher wird D-Ribolacton
besser zur Bildung von D-Ribose ausgenutzt.
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Die geeignete Konzentration des Aminsalzes in der Kathodenflüssigkeit
liegt nicht so hoch, weil das Aminsalz als Quelle für protonisierte Aminionen verwendet
wird, um die Lösung elektrolytisch leitfähig zu machen. Gewöhnlich werden mit einer
Konzentration von etwa 50% die besten Ergebnisse erzielt.
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Die Elektrolyse kann bei verschiedenen Stromstärken ausgeführt werden,
z. B. bei 0,5 Ampere und bei 15 Ampere. Vorzugsweise wird mit 1 bis 4 Ampere,'dm2
der Kathode bei verschiedenen Temperaturen gearbeitet, bei denen sich D-Ribolacton
im Katholyt nur geringfügig zersetzt (z. B. zwischen etwa 10 und etwa 40°C). Bei
höheren Stromstärken ist eine wirksamere Kühlung der Elektrolysierzelle erforderlich.
Die obengenannte Temperatur, Spannung, Stromstärke und Stromdichte sind bei dem
erfindungsgemäßen Verfahren nicht kritisch.
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Obwohl amalgamierte Metalle bei den früheren Verfahren nicht besonders
gut zu gebrauchen waren, eignen sie sich aber als Kathode bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren. Hier beträgt die zur Durchführung der elektrolytischen Reduktion des
D-Ribolactons erforderliche Menge Quecksilber nur ein Hundertstel der bei der Quecksilberkathode
benötigten Menge. Das Amin wird während der Elektrolyse nicht in ungünstiger Weise
verändert und läßt sich nach Abtrennung der D-Ribosekristalle und Einstellung auf
einen stark alkalischen pH-Wert leicht durch Destillation aus dem Reaktionsgemisch
zurückgewinnen.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung
der Erfindung.
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Beispiel 1 20m1 durch Destillation gereinigtes Quecksilber wurden
als Kathode auf den Boden einer 300-ml-Glas-Elektrolysierzelle gebracht, die eine
Grundfläche von 36 cm2 hatte. Ein Platinblech von 10 cm2 dient als Anode und befindet
sich in einer Membran aus unglasiertem Porzellan. 30 ml 10%ige Schwefelsäure wurden
als Anolyt verwendet. Eine Lösung mit 3,3 g D-Ribolacton, 4 g Methylaminsulfat und
3 g Borsäure in 80 ml destilliertem Wasser diente als Katholyt. Die Zelle war mit
Rühre/ und Thermometer versehen und wurde von außen mit Eiswasser gekühlt. Dann
wurde die Elektrolyse unter lebhaftem Rühren mit einem Strom von 1 Ampere und einer
Stromdichte an der Kathode von 2,8 Ampere/dm2 durchgeführt, wobei die Temperatur
des Katholyts bei 10 bis 30°C gehalten wurde. Nachdem der Gehalt an D-Ribose (bestimmt
als reduzierender Zucker) im Katholyt nach etwa 3 Stunden den Höchstwert erreicht
hatte, wurde die Elektrolyse beendet. Der Katholyt wurde abgetrennt, mit 10%igem
Natriumhydroxyd gegen Lackmus alkalisch gemacht, dann mit 10%iger Schwefelsäure
neutralisiert und bei einer Temperatur unter 40°C bei vermindertem Druck konzentriert.
Der Rückstand wurde mit heißem Methanol extrahiert und der Extrakt zu einem D-Ribose
enthaltenden Sirup konzentriert. Eine kleine Menge D-Ribosekristalle wurden als
Impfkristalle dem Sirup zugesetzt; es schieden sich 2,8 g D-Ribose als weiße Kristalle,
F. 80 bis 83°C, ab. Der Mischschmelzpunkt mit einer authentischen Probe D-Ribose
zeigte keine Depression. Beispiel 2 Die Elektrolyse wurde unter den gleichen Bedingungen
wie im Beispiel 1 durchgeführt, aber die 4 g Methylaminsulfat wurden durch 5 g Äthylaminsulfat
ersetzt, der Elektrolysierstrom betrug 1,5 Ampere und die Stromdichte der Kathode
4,2 Ampere/dm2. Nach 2 Stunden erreichte der Gehalt an D-Ribose im Katholyt den
Höchstwert, und die Elektrolyse wurde beendet. Der Katholyt wurde wie im Beispiel
1 aufgearbeitet, und es wurden 2,9 g kristalline D-Ribose erhalten.
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Beispiele 3 bis 7 Die Elektrolyse wurde unter den gleichen Bedingungen
wie im Beispiel 1 durchgeführt, aber mit den in der Tabelle angegebenen Abänderungen.
Nachdem der Gehalt an D-Ribose im Katholyt den Höchstwert erreicht hatte, wurde
die Elektrolyse beendet und der Katholyt wie im Beispiel 1 aufgearbeitet. Die Ergebnisse
sind in der Tabelle wiedergegeben.
| Katholyt Elektrolyse Ausbeute |
| Beispiel Aminsalz Gehalt Temperatur Elektrolyse- an D-Ribose |
| an Borsäure des Katholyts daue/ |
| (°C) (Stunden) (g) |
| 3 Äthylaminsulfat (5) 3 10 bis 40 3 2,9 |
| 4 Benzylaminsulfat (5,9) 3 10 bis 40 3 3,1 |
| 5 Hexylaminsulfat (5) 2 20 bis 40 2 3,3 |
| 6 Heptylaminsulfat (5,5) 2 10 bis 40 2 3,3 |
| 7 Amylaminsulfat 1,5 10 bis 30 3 3,1 |
Beispiel 8 Als Kathode diente ein Silberblech von 30 cm2, das oberflächlich amalgamiert
wurde, indem es zunächst zur Freilegung der metallischen Oberfläche in verdünnte
Salpetersäure und anschließend in Quecksilber getaucht wurde. Die Elektrolyse wurde
sonst unter den gleichen Bedingungen wie im Beispiel 1 durchgeführt mit der Abänderung.
daß die 4 g Methylaminsulfat durch 5 g Äthylaminsulfat ersetzt wurden und die Stromdichte
der Kathode 3,3 Ampere/dm2 betrug. Nach 3 Stunden erreichte der Gehalt an D-Ribose
im Katholyt den Höchstwert, und die Elektrolyse wurde beendet. Der Katholyt wurde
wie im Beispiel 1 aufgearbeitet, und es wurden 2,7 g kristalline D-Ribose erhalten.
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Wie bereits hervorgehoben, werden beim Verfahren der Erfindung erheblich
höhere Ausbeuten erzielt als nach dem bekannten Verfahren unter Verwendung von Alkalisalzen
als Elektrolyt, wie die folgende Gegenüberstellung zeigt:
| Beispiel 1: 84% der Theorie, |
| Beispiel 2: 870,'o der Theorie, |
| Beispiel 3: 870,/o der Theorie, |
| Beispiel 4: 93% der Theorie, |
| Beispiel 5: 99% der Theorie, |
| Beispiel 6: 990% der Theorie, |
| Beispiel 7: 930% der Theorie, |
| Beispiel 8: 810% der Theorie. |
Die Ausbeuten nach der schweizerischen Patentschrift 258 581 (Molekulargewicht von
D-Ribosep-bromphenylhydrazon 314,16) sind hingegen: Beispiele 1 bis 4: 51% der-
Theorie, Beispiel 5: 38,80% der Theorie.