Brevet FR2045947A1 — publié le 19710305

-i- 2045947 La présente invention concerne des perfectionnements au procédé de synthèse desoC-aminoacides par hydrolyse des hydantoïnes correspondantes, suivant l'équation suivante : R - CR' - CO + 2H-0-4R - CR' - COOH + NH, + C00 j | 2 "7 | 3 2 NH NH NH2 \ / CO » où R et R' représentent chacun, soit un atome d'hydrogène, soit un 5 radical organique. Cette hydrolyse est généralement pratiquée en milieu alcalin» Oïi a ainsi utilisé de la baryte, de la chaux, de la soude : D'après le brevet américain 2.557=920 du 19 juin 1951, on traite l'hydantoîne par de la lessive de soude à raison de 3 moles 10 de NaOH pour une mole d'hydantoîne, en autoclavé entre 130° et 300°C et sous pression. Ce procédé donne d'excellents rendements, mais présente l'inconvénient de consommer beaucoup de soude, ainsi que la quantité correspondante d'acide fort pour la neutralisation; d'autre part, à partir du milieu très salé ainsi obtenu, il est 15 ... difficile d'obtenir, avec un bon rendement, un ananoacide suffisamment pur. Un des buts de la présente invention est de réaliser cette plus hydrolyse avec un rendement excellent tout en réduisant /de moitié la consommation de soude. 2o D'autres buts ressortiront de la description ci-après„ Lorsqu'on opère en autoclave fermé dans les conditions exposées dans le brevet américain précité, l'expérience confirme qu' il faut environ 3 moles de NaOH pour I d'hydantoïne pour avoir un rendement compris entre 92 et 98 %a Cela s'explique par le fait que, 25 dans les conditions d'opération, l'hydantoîne et l'aminoacide formé, d'une part, et l'acide carbonique libéré, d'autre part, sont fortement ionisés et équilibrent les ions Na+, alors que llammoniac libéré reste très peu ionisé„ Pour rester en milieu alcalin, il faut donc plus d'ion Na+ que d'iorî(aminoacide -) et CO3—„ La sou-30 de pouvant être considérée comme totalement ionisée, ce qui n'est pas le cas de l'aminoacide et de l'acide carbonique, il faut encore environ 2,5 moles de soude pour rester en milieu alcalin et 70 18457 -2- 2045947 poursuivre l'hydrolyse de l'hydantoîne jusqu'au bout. Cependant, si en cours d'opération on laisse échapper d' une manière appropriée l'ammoniac et le gaz carbonique rassemblés dans l'espace libre au-dessus du liquide dans l'autoclave, il y 5 a élimination à peu près complète de l'ammoniac dissous dans la s>-lution et d'une partie notable de l'acide carbonique. Dans ces conditions, la quantité de soude peut être réduite à environ 2 moles pour I d'hydantoïne. Ce processus a fait l'objet du brevet français 1.462.039, mais contrairement à ce qui est dit dans ce brevet, les 10 rendements obtenus sont inférieurs à ceux obtenus couramment avec le procédé du brevet américain précité. On note en particulier la formation d'0(- hydroxy-acide, de dipeptide et de dicéto pipérazi-ne, ce qui s'explique par la rupture d'équilibre en faveur de l'hydrolyse de la fonction aminé due à l'élimination de l'ammoniac en 15 cdurs d'opération et par le départ de vapeur d'eau en cours d'opération. Ainsi dans l'exemple 4 dudit brevet français, le rendement d'hydrolyse n'est que de 90,9 %, et il faut 2 moles de NaOH pour n'atteindre que 93,7 % dans l'exemple 5, alors qu'avec le procédé du brevet US on obtient couramment plus de 96 %. De plus, dans le 20 procédé du brevet français, il faut opérer en milieu beaucoup plus dilué, ce qui est confirmé par le brevet français 1.533.556 du même demandeur que le précédent, et qui précise que pour avoir un bon rendement, il faut au moins 1,5 1 et de préférence 2 1. de solution par mole d'hydantoïne mise en oeuvre, alors que dans le pro-25 cédé du brevet US, de meilleurs rendements sont obtenus pour 0,8 litre par molea Selon la présente invention, on a recherché et trouvé le moyen d'empêcher l'acide carbonique libéré au cours de l'hydrolyse de s'ioniser, tout en restant en milieu alcalin. Dans les condi-30 tions de l'invention, NH3 et C02 sont à l'état de gaz dissous ou émulsionné dans la solution sous l'effet de la pression et de l'agitation. Les gaz peuvent être libérés pendajat l'hydrolyse par détente partielle, continue ou discontinue, ce qui permet de travailler à pression plus basse, mais le rendement est légèrement plus 35faible que lorsqu'on opère en autoclave fermé. 70 18457 -3- 2045947 Le procédé de la présente invention consiste donc essentiellement à dissoudre l'hydantoîne dans une solution de soude, dans une proportion allant de 0,3 à 1,6 mole deNaOH, et de préférence 0,5 à I>3 mole, pour I mole d'hydantoïne, puis à neutraliser 5 partiellement par un acide ayant une constante de dissociation K comprise entre I.IO-^ et I.IO-1^ et susceptible, en raison de sa plus grande solubilité, de déplacer les ions carboniques de la solution. Parmi les acides utilisables figurent les acides formique, O acétique, oxalique, phosphorique et sulfureux. L'acide sulfurique dont la deuxième constante K est 2oI0~2 est également utilisable. Il faut ajouter à la solution sodique d'hydantoïne, une quantité d'acide telle que le pH de la solution ainsi préparée soit 5 compris entre 8,5 et II et de préférence entre 9 et 10.; ceci conduit pour les acides cités ci-dessus entre 0,5 et 0,9 moles équivalent-acide pour I mole de NaOH. Pour l'application du présent procédé on peut partir, entre autre, d'une solution d'hydantoïne obtenue en faisant réagir O une aldéhyde ou une cétone, en présence d'ammoniac et de gaz carbonique ou de bicarbonate d'ammoniom afc d'acide cyanhydrique ou de cyanure de sodium. Dans ce dernier cas, la solution contient déjà I à 1,1 mole de NaOH par mole d'hydantoïne formée, il suffira donc d'ajouter la quantité d'acide nécessaire. 5- Dans les autres cas, on pourra utiliser en proportion con venable un mélange de soude et de sel sodique de l'acide choisi, par exemple de formiate, acétate ou oxalate de sodium, phosphate trisodique, métabisulfite, ou sulfate de sodium. L'hydrolyse de la solution préparée comme ci-dessus est O obtenue en la chauffant dans un autoclave entre 120° et 180°C et de préférence entre 135 et 170°C avec . une durée de réaction comprise entre 10 et 90 minutes et de préférencè entre 10 et 45 minutes. Le temps de réaction est d'autant plus court que la température est élevée. Mais on a constaté, et c'est là un deuxième 5 avantage de l'invention, comparativement aux procédés cités ci- 70 18457 -4- 2045947 dessus, qu'à température égale, le temps de réaction nécessaire pour une hydrolyse selon l'invention est plus court ou qu'à durée de réaction égale, la température nécessaire est plus basse. Quand la réaction d'hydrolyse est terminée, les gaz conte-5 nus dans l'autoclave sont libérés, ce qui fait tember la température à 100° et la pression à O bars ; on récupère en même temps I mole d'ammoniac et I mole de gaz carbonique par mole d'hydantoïne mise en oeuvre, qui peuvent être réutilisés pour la synthèse de 1' hydantoîne elle-même. Cette dernière opération est particulièremait 10 simple et avantageuse si on opère dans un autoclave tubulaire avec introduction et évacuation'continues des produits. C'est un troisième avantage de l'invention qu'en présence de l'acide tel que défini plus haut, l'acide carbonique soit désionisé et transformé en gaz carbonique insoluble ou très peu soluble aux pressions et 15 températures préconisées pour la saponification dans ce brevet, ce qui permet de l'extraire et de le récupérer, soit en fin, soit en cours même de la saponification. La solution, après détente, est neutralisée, soit par un acide fort tel que les acides chlorhydrique et sulfurique, ou con-20 formément à l'invention, par le même acide qui a servi à neutraliser partiellement la soude pour l'hydr.olyse ; puis elle est refroidie pour faire cristalliser l'aminoacide,, Les substituants JR et R' de l'hydantoîne peuvent être quelconques et touté hydantoîne donnant un -aminoacide utile peut êtis 25 employée. Parmi les hydantoînes auxquelles s'applique l'invention, figurent : l'hydantoîne, la 5 methyl-hydantoïne, la 5-5- dimethyl-hydantoîne, la 5 propylhydantoïne, la 5 isopropylhydantoïne, la 5-isobutylhydantoîne, la 5-secondaibutylhydantoîne, la 5- benzylhydan 30 toïne, la 5-(2-methylthioethyl)hydantoîne, la 5-(2-hydroxyethyl) hydantoîne, la 5-(4-aminobutyl)hydantoîne, la 5-(3-indolylmethyl) hydantoîne la 5-(2 carboxyethyl)hydantoîne, la 5-(3carboxypropyl) hydantoîne On va maintenant illustrer l'invention par quelques exem-35 pies de mise en oeuvre : •• 70 18457 -5- 2045947 Exemple I Pour chacun des essais réunis dans cet exemple, il a été ajouté une solution provenant de la synthèse de 5-( 2-méthylmer-captoethyl) -hydantoîne et contenant une molécule de soude, puis 5 de l'anhydride sulfureux jusqu'à un pH final de 9,25 à 20°, ce qui correspond à 0,27 + 0,03 moles S02/mole de soude ou d'hydantoîne„ Chacune des solutions ainsi complétées et ajustée à I30Ûg avec de l'eau a été saponifiée en autoclave fermé et agité à des températures et dans des temps qtL figurent au tableau I, la pres-10 sion s'établissant naturellement. A la fin du temps de réaction , la pression dans l'autoclave est libérée et l'ammoniac et le gaz carbonique formés par la saponification s'échappent avec de la vapeur d'eau ramenant la température à 100°. 15 Le contenu chaud de l'autoclave est transvasé dans un bê cher et neutralisé à pH 6,8 par de l'anhydride sulfureux, ce qui correspond à 0,3 + 0,03 moles de SO^o Par refroidissement vers 10°, 85 % environ de la méthionine présente cristallisent„ La méthioni-ne est filtrée, lavée à l'eau glacée et séchée ; elle est très 20 blanche et à plus de 98 % de pureté„ Le reste de la méthionine contenue est précipitée sas. forme de sel cuivrique, filtrée, lavée et séchée. Le rendement est calculé sur la somme de la méthionine dosée dans les deux précipités ainsi obtenus. TABLEAU I 25 Essai n° Température Durée Méthionine Rendement {%) (°C) (min„) (3) 1 120 120 131 88 2 135 60 137 92 3 .150 35 141,5 95 4 165 25 143 96 5 180 10 140 94 Exemple 2 Autant de solutions préparées comme à l'exemple I et contenant, pour une mole d'hydantoïne, une mole de soude et 0,27 + 0,03 mole d'anhydride sulfureux pour pH de 9,5 à 20°, sont saponi-30 f:L£es dans un autoclave agité à des températures et pour des durées 70 18457 -6- 2045947 qui figurent au tableau 2, tout en réglant par un robinet à pointeau, la pression régnant dans l'autoclave aux valeurs indiquées dans le Tableau 2. La plus grande partie de 1' ammoniac et du gaz carbonique formés dans la saponification est ainsi libérée. 5 TABLEAU 2 Essai Température Durée Pression Methionine Rendement n° (°c) minc bars (q) I 120 90' 2,2 129 86,5 2 135 60' -3,4 135 90,5 3 . 150 30' 5,5 141 94,5 4 165 15' 7,5 140 94 Exemple 3 Plusieurs litres de solution préparée comme à l'exemple I 10 et.contenant, pour I litre d'eau, environ I mole d'hydantoïne, I mole d'hydroxyde de sodium et 0,27. mole d'anhydride sulfureux sont saponifiés en continu dans un autoclave tubulaire constitué par un tube en acier inoxydable de longueur 3 m et de 18,1 mm de diamètre enroulé en serpentin dans un bain d'huile chauffé électriquement. 15 La solution d'hydantoïne est introduite à une extrémité par une pompe doseuse ; à l'autre extrémité la solution saponifiée s'échappe par un purgeur à flotteur fermé dans un réservoir où elle se détend et se refroidit à 100° Cc Pour chaque essai, le débit de la pompe a été réglé pour 20 obtenir des temps de séjour comparables à ceux de l'exemple I pour chaque température0 Quand le régime est atteint, on prélève la solution saponifiée pendant 10 minutes exactement puis par dosage on calcule le rendement en moles de méthionine obtenus par mole d' hydantoîne introduite dans le même temps. Les résultats sont donnés 25 dans le tableau III„ TABLEAU 3 Essai n° Alimentation Température Rendement i/h (°C) Mole/Mole 1 0,350 ' 120 85 % 2 0,700 135 89 3 1,200 150 92 70 18457 2045947 Essai n° Alimentation Température Rendement 9 i/h (°C) mole/mole 4 1,600 165 95 5 3,000 180 95 Exemple 4 A autant de solutions préparées comme pour l'exemple I et contenant I mole d'hydantoïne et I mole d'hydroxyde de sodium, on 5 ajoute 0,33 mole d'acide phosphorique. Chacune des solutions ainsi complétée a été saponifiée en autoclave fermé et agité, à des températures et dans des temps qui figurent au Tableau 4, la pression s'établissant naturellement „■ A la fin des temps de réaction, la pression dans l'autocla-10 ve est libérée en laissant échapper de l'ammoniac, du gaz carbonique et de la vapeur d'eau, ramenant la température à 100 Le contenu de l'autoclave est transvasé dans un bêcher, où on lui ajoute 37 g de chaux hydratée. Il se forme un précipité de tricalcium phosphate qui est filtré à chaud après quelques minutes 15 d'ébullition. La solution claire est neutralisée à pH 6,8 par de l'acide sulfurique concentrée A neutralité et par refroidissement on obtient un premier jet de méthionine à 98-99 % de pureté ; on obtient un deuxième jet sous forme de sel cuivrique par. acidification et addition de sulfate cuivrique. 20 Les rendements sont calculés sur la somme de la méthionine contenue dans les deux jets. TABLEAU 4 Essai n° Température Durée Méthionine Rendement °C min. (g) 1 150 40' 129 86,6 % 2 160 25 135 90,6 3 170 15 143 . 96 4 180 10 141 94,7 Exemple 5 25 De la 5-( 4 amino-butyl)hydantoîne a été préparée à partir de 5-nitrilbutyraldehyde. Dans autant de solutions à une, mole de cette hydantoîne, on a' ajouté 0,33 mole de phosphate trisodique et 18457 -8- 2045947 on a procédé à la saponification dans un autoclave fermé et agité aux températures et dans les temps qui figurent aux tableau 5, la pression s'établissant naturellement. Après détente et transvasement l'ion phosphorique est éliminé par la chaux, puis la solution est neutralisée par de l'acide chlorhydrique à pH 7 et partiellement concentrée. Par refroidissement, de la lysine à 98 % cristallise. Après reconcentration on obtient un deuxième jet moins pur. Les rendements sont calculés sur la somme de la lysine contenue dans ces deux jets et de la lysine dosée dans les eaux rési-duaires. Essai n° Température °C TABLEAU 5 Durée min. Lysine g Rendement I 135 60 ' 126 86,3 % 2 150 . 30' 132 90,4 3 165 20' 135 92,5 Exemple 6 De la 5-( 4 aminobutyl)hydantoîne préparée comme ci-dessus a été séparée en ses deux isomères optiques L et D. Deux solutions contenant chacune un des isomères ont été saponifiées à I50° pen-dans 30' et traitées comme dans l'exemple 5. Les rendements en lysine ont été de 131 et 132 g soit 89,7 et 90,4 %„ On a obtenu les L et D lysines correspondantes avec un faible taux de racemiaation. Exemple 7 Pour chacun des essais de cet exemple, on a préparé une solution contenant environ une mole de l'hydantoîne étudiée et environ 0,33 mole de trisodium phosphate. Chacune des solutions ainsi préparée a été saponifiée en autoclave fermé et agité eh chauffant rapidement jusqu'à 165° et en maintenant à cette température pendant 20 minutes , la pression s 1 établissant naturellement. A la fin du temps de réaction, l'opération est refroidie jusque vers 100° par détente rapide de la pression. Le contenu de l'autoclave est ensuite transvasé dans un bêcher, où on lui ajoute 70 18457 -9- 2045947 à légère ébullit^Lon 0,5 mole de chaux hydratée „ Le calcium phosphate précipité est filtré à chaud et lavé par de l'eau chaude. La solution filtrée est partiellement concentrée puis neutralisée par de l'acide concentré au point isoélectrique de l'aminoacide corres-5 pondant. Par redroidissement cristallise un premier jet d'aminoaci-de qui est filtré lavé et séché. Le reste de l'aminoacide qui n'a pas cristallisé est dosé dans les eaux mères„ Les hydantoïnes saponifiées et les résultats figurent au tableau 6. Les rendements indiqués sont les rendements molaires en 10 aminoacide isolé et dosé plus l'aminoacide dosé dans les eaux-mères par rapport à l'hydantoîne mise en oeuvre0 TABLEAU 6 Hydantoïnes Aminoacides Rendement Hydantoîne Glycine 76 % 15 5-methylhydantoîne Alanine 80 % 5-5 diméthylhydantoïne Acide Amino-methyl-propanoique78% 5-Propylhydantoïne 82 % 5-Isopropylhydantoïne Valine 82 % 5-Isobutyl hydantoîne Leucine 79 % 20 5-Secondaire butylhydantoîne Isoleucine 81 % 5-Benzylhydantoîne Phenylalanine 74 % 5- ( 2-Hydroxyethyl)hydantoîne Threonine 64 % 5- (3-indolyl-methylhydantoïne Triptophane 62 % 5- (2-carboxy methyl) hydantoîne Acide Adpartique 77 % 25 5-(3-carboxy ethyl)hydantoîne Acide Glutamique 81 % 70 18457 -10- 2045947 REVENDICATIONS 1- Procédé de préparation des acides alpha-amino carboxyliques par saponification des hydantoïnes correspondantes au moyen d'une base forte, caractérisé en ce que ladite saponification est conduite en 5 présence d'un acide ayant une constante de dissociation comprise entre I.IO~2 et 1.10-12 et susceptible, grâce à sa plus grande solubilité, de déplacer les ions carboniques de la solution. 2- Procédé selonl, caractérisé enœ que la quantité de base utilisée pour la saponification est de 0,3 à 1,6, et de préférence 0,5 10 à 1,3 cation-mole-équivalent de base par mole d'hydantoïne. 3- Procédé selon I et 2, caractérisé en ce que, avant la saponification, on neutralise partiellement la solution jusqu'à un pH de 8, 5 et II et de préférence de 9 à 10 0 4- Procédé selon I à 3, caractérisé en ce que la réaction de sapo-15 nification est conduite à une température de 120 à 180°C et de pré férence de 135 à 170°, pendant une durée comprise respectivement entre 90 et 10 minutes et de préférence entre 45 et 10 minutes, 5- Procédé selon les revendications I à 4, caractérisé en ce que 20 l'on conduit l'opération en autoclave fermé, à la pression se développant d'elle-même0 6- Procédé selon les revendications I à 4, caractérisé en ce que l'on conduit l'opération à pression maintenue constante par libéra tion d'ammoniac, d'anhydride carbonique et de vapeur d'eau. 25 7- Procédé selon les revendications I à 4, caractérisé en ce que l'on opère en continu dans un autoclave tubulaire, une solution réactionnelle comprenant l'hydantoîne, la base et l'acide étant introduite à une extrémité de cet autoclave à une température de IOO à 180°C, de préférence de 135 à 170°C, traversant ledit auto-30 clave pendant un temps de parcours de 90 à 10 minutes, et de préférence de 45 à 10 minutes, et étant détendue à pression atmosphérique à la sortie dudit autoclave, avec libération de l'ammoniac et du gaz carbonique formés au cours de la réaction. 8- Procédé selon I à 7, caractérisé en ce que, la réaction étant 70 18457 -ii- 2045947 achevée, on sépare l'acide aminocarboxilique formé par neutralisation à son point isoélectrique. 9- Procédé selon 8, caractérisé en ce qu'après ladite séparation, on recueille une quantité supplémentaire dudit acide aminocarboxy- 5 lique par concentration des eaux mères ou précipitation d'un sel insoluble... 10- Procédé selon I à 9, caractérisé en ce que l'hydantoîne est choisie entre l'hydantoîne elle-même, la 5 methyl-hydantoîne, la 5-5- dimethylhydantoîne, la 5 propylhydantoîne, la 5 isopropylhy- 10 dantoîne, la 5-isobutylhydantoîne, la 5-secondaibutylhydantoîne, la 5- benzylhydantoîne, la 5-(2-methylthioethyX)hydantoîne, la 5-(2 hydroxyethy1)hydantoîne, la 5-(4-aminobutyl)hydantoîne, la 5-(3-indolylmethyl) hydanto îne, la 5-(2 carboxyethyl) hydantoîne, la 5-(3-carboxyptopyl) hydantoîne. 15 II- Procédé selon I à 9, caractérisé en ce que la base utilisée pour la saponification est la soude. 12 - Procédé selon I à 9 caractérisé en ce que l'acide utilisé pour la neutralisation est choisi entre les acides formique, acétique, oxalique, phosphorique, sulfureux et sulfurique0