СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ЦИС-2,3-ЭПОКСИСУКЦИНАТА КАЛЬЦИЯ
METHOD OF PRODUCING CRYSTALLINE FORM OF CIS-2,3-EPOXY SUCCINATE CALCIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области производства карбоксилатов металлов, в частности, к способу получения к кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Полученную кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцинат кальция используют в производстве винной кислоты, поликарбоксилатов и т.д.
Уровень техники
L-(+)-винная кислота широко применяется в пищевой промышленности, медицине и фармакологии, аналитической химии, производстве гипсовых изделий и сухих строительных смесей и т.д.
Одним из способов получения L-(+)-винной кислоты является многостадийный процесс, включающий следующие стадии:
- получение малеата щелочного или щелочно-земельного металла;
- эпоксидирование малеата пероксидом водорода в присутствии катализаторов эпоксидирования - молибдатов или вольфраматов щелочных или щелочно-земельных металлов с получением эпоксисукцинатов щелочного или щелочно-земельного металла. Для облегчения выделения эпоксисукцинатов из реакционной массы в качестве щелочного и щелочно-земельного металла, как правило, используют кальций или барий, соли которых малорастворимы или нерастворимы. Предпочтительно используют нетоксичные соли, т.е. соли кальция;
- ферментативный гидролиз эпоксисукцинатов с получением солей L-(+)-винной кислоты;
- выделение винной кислоты из солей.
Из документа GB1423028 A (MITSUBISHI GAS CHEMICAL Company, INC., опубл. 28.01.1976) известен способ получения кислого дигидрата цис-2,3-эпоксисукцината кальция, заключающийся во взаимодействии кислого малеата кальция и перекиси водорода в присутствии водорастворимого катализатора эпоксидирования - одной или нескольких солей вольфрамовой и/или молибденовой кислоты. По окончании процесса эпоксидирования реакционную массу охлаждают до 25°С, цис-2,3-эпоксисукцинат кальция кристаллизуют и отфильтровывают от жидкой фазы. Недостатком данного способа является низкий выход соли, составляющий 64-75,9% и высокое содержание (более 4 мас.%). побочного продукта - D-тартрата кальция, который в ходе реакции может гидролизоваться до D-винной кислоты.
Из документа GB1534195 A (Takeda Chemical Industries, опубл. 29.11.1978) известен способ получения кристаллов эпоксисукцината кальция размером 100 мкм и менее, предпочтительно 70 мкм и менее, выбранный в качестве прототипа. Цис-2,3-эпоксисукцинат кальция получают в две стадии - первую стадию эпоксидирования с вольфраматом натрия проводят, используя кислый малеат кальция (при нейтрализации малеиновой кислоты 0,4-0,6 эквивалентами карбоната кальция, при этом отмечается, что желательно, чтобы рН был не выше 4), а вторую стадию кристаллизации цис-2,3-эпоксисукцината кальция проводят при температуре не выше 70°С. Однако данный способ характеризуется недостаточно крупными кристаллами, что замедляет растворение соли из-за низкой площади поверхности, и, как следствие, увеличивает временя ферментации. Также, как будет далее проиллюстрировано в примерах, заявленный способ характеризуется образованием большого количества мелких кристаллов и гелеобразованием реакционной массы, что в конечном итоге приводит к сложному и долгому процессу фильтрации кристаллов цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Таким образом, существует необходимость в разработке улучшенных способов получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, в частности, хорошо фильтрующихся суспензий цис-2,3-эпоксисукцината кальция для повышения эффективности эпоксидирования и последующей ферментации.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения
является разработка способа получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, позволяющего получить винную кислоту с низким содержанием побочных продуктов, в частности изомера D-винной кислоты.
Настоящее изобретение относится к способу получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающему следующие стадии:
a) неполная нейтрализация малеиновой кислоты или малеинового ангидрида первой порцией соединения кальция с получением кислого малеата кальция;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция при значении рН не выше 3 пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
c) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция добавлением второй порции соединения кальция;
1
a
b
c
d) выдерживание суспензии цис-2,3-эпоксисукцината кальция в течение от 24 до 240 ч с получением кристаллической формы цис-2,3-эпоксукцината кальция, кристаллы которого принадлежат к пространственной группе P2/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют =15.1916(2) Å, =8.9121(1) Å, =7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°.
Технический результат
заключается в получении кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция с содержанием D-винной кислоты (побочного продукта) 1,2% и менее при рН среды стадии эпоксидирования не выше 3.
Данная техническая задача решается, и достижение технического результата обеспечивается
за счет добавления соединения кальция к раствору малеиновой кислоты или малеинового ангидрида в количестве не более 0,4 моль соединения кальция на 1 моль кислоты (для обеспечения рН).
Авторами настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что проведение реакции эпоксидирования при рН среды не выше 3 не только упрощает технологический процесс (сокращает время дозирования соединения кальция в раствор малеиновой кислоты или малеинового ангидрида), но и позволяет снизить содержание примеси - D-винной кислоты в цис-2,3-эпоксисукцинате кальция 4,5 до 1,2 мас.% и менее.
Настоящее изобретение также относится к способу получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающему следующие стадии:
a) неполная нейтрализация малеиновой кислоты или малеинового ангидрида первой порцией соединения кальция с получением кислого малеата кальция;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
c) добавление от 0,1 до 20 мас.% затравки;
d) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция второй порцией соединения кальция с одновременной кристаллизацией цис-2,3-эпоксисукцината кальция,
где затравка представляет собой кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцинат кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°,
и где стадию эпоксидирования b) проводят при рН не выше 3.
Краткое описание фигур
На Фиг. 1 представлена ВЭЖХ хроматограмма цис-2,3-эпоксисукцината, полученного кальция по изобретению.
На Фиг. 2 представлена дифрактограмма цис-2,3-эпоксисукцината кальция, полученного по прототипу.
На Фиг. 3 представлена дифрактограмма цис-2,3-эпоксисукцината кальция, полученного по изобретению.
На Фиг. 4 приведены результаты полнопрофильного уточнения дифрактограммы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, полученного по изобретению, по методу ЛеБеля.
На Фиг. 5 приведена проекция координационных полиэдров ионов кальция в кристаллической структуре цис-2,3-эпоксисукцината кальция, полученного по изобретению.
Подробное описание изобретения
Далее приводится описание различных аспектов реализации настоящего изобретения.
Одним из аспектов реализации настоящего изобретения является способ получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающий следующие стадии:
a) неполная нейтрализация малеиновой кислоты или малеинового ангидрида первой порцией соединения кальция с получением кислого малеата кальция;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция при значении рН не выше 3 пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
c) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция добавлением второй порции соединения кальция;
a
b
c
d) выдерживание суспензии цис-2,3-эпоксисукцината кальция в течение от 24 до 240 ч с получением кристаллической формы цис-2,3-эпоксукцината кальция, кристаллы которого принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют =15.1916(2) Å, =8.9121(1) Å, =7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°.
Общая схема получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция представлена следующим образом:
Стадия а) получение кислого малеата кальция
Кислый малеат кальция получают неполной нейтрализацией малеинового ангидрида или малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция.
В качестве соединения кальция используют карбонат, гидрокарбонат, оксид или гидроксид кальция, предпочтительно карбонат кальция. В качестве источника соединений кальция возможно использование различных природных минералов: кальцита, арагонита, ватерита, известняка, мрамора, мела, доломита, травертина и прочих. Дополнительным источником карбоната кальция может быть карбонат кальция, получающийся в качестве побочного продукта синтеза цис-эпоксисукцината натрия из цис-эпоксисукцината кальция обработкой раствором карбоната натрия или другими методами.
Вводить соединение кальция можно в любом удобном виде, в т.ч. в виде сухого порошка, в виде суспензии в воде.
В случае использования суспензии соединения кальция, мольное соотношение соединения кальция и воды в суспензии составляет от 0,01:100 до 100:0,01, предпочтительно от 2:1 до 1:2, наиболее предпочтительно 1:1.
Мольное соотношение малеиновой кислоты или малеинового ангидрида и соединения кальция меньше эквимолярного (т.е. менее 1:1) и составляет предпочтительно 1:0,4 и менее, наиболее предпочтительно 1:0,3. Данное соотношение обеспечивает оптимальный (не выше 3) рН для последующей стадии эпоксидирования. Предпочтительно количество добавляемого соединения кальция должно обеспечивать рН 2.
Предпочтительно используют исходные вещества с чистотой не менее 90%, предпочтительно не менее 95%, наиболее предпочтительно не менее 98% и выше. Реакцию можно проводить при перемешивании для упрощения отведения диоксида углерода и ускорения растворения соединения кальция в малеиновой кислоте. Реакцию проводят в течение от 10 мин до 10 ч, предпочтительно от 20 мин до 3 ч, наиболее предпочтительно от 30 мин до 2 ч.
Температура реакции предпочтительно составляет от 0 до 100°С, предпочтительно от 15 до 70°С, наиболее предпочтительно от 20 до 60°С.
По окончании стадии получения кислого малеата кальция реакционная масса содержит, по существу, раствор кислого малеата кальция в воде или суспензию кислого малеата кальция в водном растворе.
Стадия b) получение кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция
Кислый цис-2,3-эпоксисукцинат кальция получают взаимодействием в водном растворе кислого малеата кальция, полученного на стадии а), с пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования.
Массовая концентрация раствора или массовая доля суспензии кислого малеата кальция в воде может составлять от 1 до 99%, предпочтительно от 10 до 30%, наиболее предпочтительно от 15 до 25%.
В качестве катализатора используют любой известный из уровня техники водорастворимый катализатор эпоксидирования. В частности, используют вольфрамовую и/или молибденовую кислоты, гетерополикислоты вольфрама и молибдена, соли вольфрамовой и молибденовой кислот, например: вольфрамат натрия, вольфрамат калия, молибдат натрия, фосфорвольфрамовую кислоту, фосфомолибденовую кислоту и кремнийвольфрамовую кислоту. Предпочтительно используют вольфрамат натрия и вольфрамат калия. Катализатор можно вносить в реакционную массу в растворенном виде, сухим или в виде суспензии. Катализатор можно вносить в систему одномоментно или порционно, скорость дозирования может быть от 0,01 до 5 г/мин.
Массовая концентрация катализатора составляет от 0,001 до 10% от массы малеинового ангидрида или малеиновой кислоты, наиболее предпочтительно от 0,05 до 0,5%.
Пероксид водорода вводят в реакционную смесь в виде раствора в воде. Концентрация раствора может составлять любую удобную концентрацию от 1 до 100%. Наиболее предпочтительно использовать товарные формы пероксида водорода с концентрацией от 20 до 40%. Пероксид водорода можно добавлять единовременно или порционно. Наиболее предпочтительно, с целью контроля температуры реакционной среды, добавлять пероксид водорода постепенно в течение от 5 мин до 3 ч.
В одном из вариантов осуществления изобретения реакцию проводят в течение от 0,5 до 24 ч, предпочтительно от 1 до 6 ч, наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
В одном из вариантов осуществления изобретения температура реакции составляет от 40 до 100°С, предпочтительно от 50 до 80°С, наиболее предпочтительно от 55 до 65°С. Температура выше верхнего предела приводит к образованию побочной D-винной кислоты, тогда как температура ниже нижнего предела не обеспечивает достаточной скорости реакции.
Стадия с) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция
По окончании стадии эпоксидирования b) проводят нейтрализацию кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция путем добавления соединения кальция в количестве 0,6 экв. и доведения значения pH до 5-8.
Вводить соединение кальция можно в любом удобном виде, например, в виде сухого порошка, в виде суспензии в воде.
В случае использования суспензии соединения кальция, мольное соотношение соединения кальция и воды в суспензии составляет от 0,01:100 до 100:0,01, предпочтительно от 2:1 до 1:2, наиболее предпочтительно 1:1.
Стадия d) выдерживание цис-2,3-эпоксисукцината кальция
с получением кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°.
Для получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция суспензию, полученную на стадии с), выдерживают в течение от 24 до 240 ч, предпочтительно от 32 до 120 ч, наиболее предпочтительно от 48 до 96 ч.
В одном из вариантов осуществления изобретения выдерживание проводят при температуре от 10 до 60°С, предпочтительно от 20 до 40°С.
Образовавшиеся кристаллы цис-2,3-эпоксисукцината кальция отделяют от маточного раствора любым способом, например, декантированием, фильтрованием или центрифугированием. Полученные кристаллы цис-2,3-эпоксисукцината кальция по изобретению могут быть использованы как в качестве исходного компонента в органическом синтезе, так и в качестве затравки в способе получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция, как описано ниже.
Еще одним из аспектов реализации настоящего изобретения является способ получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающий следующие стадии:
a) неполная нейтрализация малеиновой кислоты или малеинового ангидрида первой порцией соединения кальция с получением кислого малеата кальция;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
c) добавление от 0,1 до 20 мас.% затравки;
d) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция второй порцией соединения кальция с одновременной кристаллизацией цис-2,3-эпоксисукцината кальция,
где затравка представляет собой кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцинат кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°,
и где стадию эпоксидирования b) проводят при рН не выше 3.
Стадия а) и стадия b идентичны описанным выше стадиям а) и b).
Стадия с) добавление затравки
Затравку, представляющую собой кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°С составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°, вносят в реакционную массу, полученную на стадии b) в количестве от 0,1 до 20 мас.%, предпочтительно от 0,2 до 5 мас.%, наиболее предпочтительно от 0,5 до 2% от массы выпадающего цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
При введении затравки в кристаллизатор, предпочтительно проводить интенсивное перемешивание для обеспечения образования достаточного количества зародышей новой кристаллической фазы. При использовании кристаллизатора с перемешивающим устройством, необходимо обеспечить достаточную скорость вращения, предпочтительно от 100 до 500 об/мин.
Стадия d) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция
После введения в реакционную массу затравки (стадия с)) проводят нейтрализацию кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция путем добавления соединения кальция в количестве 0,6 экв. и доведения значения pH до 5-8.
Вводить соединение кальция можно в любом удобном виде, например, в виде сухого порошка, в виде суспензии в воде.
В случае использования суспензии соединения кальция, мольное соотношение соединения кальция и воды в суспензии составляет от 0,01:100 до 100:0,01, предпочтительно от 2:1 до 1:2, наиболее предпочтительно 1:1. Наблюдается выпадение в осадок кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция по изобретению.
Полученную кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция используют в биотехнологической стадии раскрытия эпоксидного цикла при получении винной кислоты. Кроме того, кристаллическая форма цис-2,3-эпоксисукцината кальция может быть использована в получении (со)полимерных карбоксилатов, в частности, 2,3-полиэпоксисукцината натрия (PESA), используемых в синтетических моющих средствах, а также в качестве ингибиторов солеотложения в технике.
В полученный продукт может быть добавлен любой антислеживающий агент в количестве от 0,01 до 10 мас.%.
Частным примером использования кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция по изобретению служит, но не ограничивается: получение L-(+)-винной кислоты, как описано, например, в GB1534195 A (Takeda Chemical Industries, опубл. 29.11.1978), получение поликарбокислатов, как описано, например, в US5770711 А (KIMBERLY CLARK CO, 23.06.1998).
Осуществление изобретения
Методы исследования цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Элементный анализ
проводили при помощи анализатора элементного состава «Elementar Vario MACRO CHNS».
Порошковая рентгенография
Первичный рентгенофазовый анализ образцов проводили на рентгеновском дифрактометре XRD-7000S (Shimadzu, Япония), излучение CuKα (λ=1,5418 Ǻ).
K
ω
θ
В дальнейшем, регистрацию прецизионной дифрактограммы порошка цис-2,3-эпоксисукцината кальция выполняли на дифрактометре STOE STADI-P (управляющее ПО WinXPow), излучение Co (кобальт) α1, с первичным Ge (111) монохроматором, изогнутым по Иогансону, в геометрии Брегга-Брентано в режиме «на просвет» (симметричное сканирование  - 2) с использованием линейного газонаполненного позиционно-чувствительного детектора.
Для регистрации дифрактограммы образец перетирали в агатовой ступке и наносили на рентгенаморфную PET-пленку, заранее смазанную тонким слоем вакуумной смазки. Толщину слоя образца подбирали эмпирически по интенсивности сигнала и соотношению «сигнал/фон». Сверху образец закрывали аналогичной майларовой пленкой и помещали в кольцевой держатель.
Инфракрасная спектроскопия (ИК)
-1
ИК спектры регистрировали на ИК-Фурье спектрометре Varian Excalibur HE 3600 (Австралия) на приставке НПВО с кристаллом ZnSe/алмаз в области частот 400-4000 см.
Гранулометрический состав кристаллов
Гранулометрический состав кристаллов цис-2,3-эпоксисукцината кальция определяли на аппарате для рассева частиц HAVER EML digital plus. Для рассева использовали набор сит с диаметром ячеек: 0,7; 0,6; 0,5; 0,4; 0,3; 0,2; 0,1; 0,063; 0,038 мм. Время рассева - 15 минут. Массу порошка на ситах определяли гравиметрическим методом.
Высокоэффективная жидкостная хроматография
Цис-2,3-эпоксисукцинат кальция представляет собой практически нерастворимую соль (растворимость в воде составляет 1 мас.%), поэтому анализ его чистоты вызывает затруднения.
Для определения чистоты продукта были подобраны условия для перевода цис-2,3-эпоксисукцината кальция в кислую форму обработкой серной кислотой в течение 4 ч при температуре 10-20°С. Анализ методом ВЭЖХ проводился с использованием хиральной колонки SUMICHIRAL OA-5000, размер пор 5 µm, размеры колонки 4,6 мм × 50 мм, производства SCAS (Sumika Chemical Analysis Service).
Получение затравки
98 г (1 моль) малеинового ангидрида растворяли в 400 г воды в трехгорлой колбе. Затем добавляли 50 г (0,5 моль) карбоната кальция. Общее время добавления карбоната кальция составляло 10 минут. После окончания реакции в колбу добавляли 4,4 г дигидрата вольфрамата натрия, нагревали реакционную массу до 60°С и дозировали 116,2 г 35 мас.% раствора перекиси водорода через капельную воронку в течение 1 часа. По окончании дозирования всей перекиси водорода реакцию проводили в течение 1 часа. После этого охлаждали реакционную массу до 30°С и постепенно добавляли 49 г карбоната кальция, после чего реакционную массу охлаждали до 15-20°С. Полученную суспензию цис-2,3-эпоксисукцината кальция выдерживали в течение 72 ч. При этом происходило образование крупных сростков кристаллов (до 5 мм) в смеси с первоначальными мелкодисперсными кристаллами, из которой хорошо отделялась водная фаза. Смесь фильтровали и сушили на воздухе. Далее смесь кристаллов просеивали и отделяли крупные кристаллы (более 0,5 мм). Получали 100 г (41% от теоретического выхода) крупных кристаллов и 30 г (12% от теоретического выхода) мелких кристаллов. Крупные кристаллы размалывали в агатовой ступке. В дальнейшем полученную соль использовали в качестве затравки для получения новых порций соли.
Пример 1 (Сравнительный по прототипу)
Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция
.
В круглодонной трехгорлой колбе, объемом 1 л растворяли 98 г (1 моль) малеинового ангидрида в 400 г воды. К полученному раствору малеиновой кислоты порционно добавляли 50 г (0,5 моль) сухого карбоната кальция. Контроль окончания реакции осуществляли по окончанию газообразования. рН раствора кислого малеата кальция при проведении реакции эпоксидирования равен 3.
Затем в полученную массу, добавляли 4,4 г (0,013 моль) катализатора - дигидрата вольфрамата натрия. Полученную реакционную массу нагревали до 60°С, затем, в течение 1 часа через капельную воронку дозировали 116,2 г 35 мас.% (1,2 моль) раствора перекиси водорода. Во время добавления перекиси водорода осуществляли контроль температуры реакционной массы, не допуская перегрева смеси выше 65°С. После окончания дозирования всей перекиси водорода реакционную массу оставляли при температуре 60°С и перемешивании на 1 час для прохождения реакции эпоксидирования до завершения.
После окончания реакции реакционную смесь, содержащую кислый эпоксисукцинат кальция, охлаждали до 20°С и постепенно добавляли еще 50 г сухого карбоната кальция. Контроль окончания реакции осуществляли по окончании газообразования. Далее полученную массу дополнительно охлаждали до 15-20ºС. Полученный продукт цис-2,3-эпоксисукцинат кальция образовывал плотную массу, не отделяющуюся от водной фазы. К реакционной массе добавляли 500 мл промывочной воды, при этом кристаллы равномерно распределялись по объему водной фазы. Затем отделяли кристаллическую фазу от водной при помощи вакуум-фильтрования на фильтре с размером пор 3-5 мкм с разрежением 100 мбар. Фильтрование проводили в течение не менее 60 минут из-за медленного разделения жидкой и твердой фаз. Масса после осушки составила 226,6 г (86,5%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 1, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученном по Примеру 1 цис-2,3-эпоксисукцинате кальция, представлено в Таблице 2.
Пример 2 (Сравнительный)
Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Проведение реакции эпоксидирования при рН 4
.
Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция проводили аналогично Примеру 1, за исключением того, что на стадии нейтрализации кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция в реакционную массу подавали затравку в количестве 1% (2,6 г) от массы продукта. Масса кальция цис-2,3-эпоксисукцината после осушки составила 242,0 г (92,2%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 2 представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученной по Примеру 2 кристаллической модификации цис-2,3-эпоксисукцината кальция, представлено в Таблице 2.
Пример 3. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Проведение реакции эпоксидирования при рН 2
Способ получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция отличается от приведенного в Примере 2 тем, что реакция эпоксидирования кислого малеата кальция проводилась при рН 2, при этом отношение количества малеиновой кислоты в растворе при получении кислого малеата кальция к количеству карбоната кальция было 1:0,4 соответственно. Масса цис-2,3-эпоксисукцината кальция после осушки составила 245,5 г (93,5%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 3, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоте в полученной по Примеру 3 кристаллической модификации цис-2,3-эпоксисукцината кальция представлено в Таблице 2.
Пример 4. (Сравнительный) Получение кальция цис-2,3-эпоксисукцината. Проведение реакции эпоксидирования при рН 5
Способ получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция отличается от приведенного в Примере 2 тем, что реакция эпоксидирования кислого малеата кальция проводилась при рН 5, при этом отношение количества малеиновой кислоты в растворе при получении кислого малеата кальция к количеству карбоната кальция было 1:0,6 соответственно. Масса цис-2,3-эпоксисукцината кальция после осушки составила 246,3 г (93,8%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 4, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученной по Примеру 4 кристаллической модификации цис-2,3-эпоксисукцината кальция представлено в Таблице 2.
Пример 5. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Проведение реакции эпоксидирования при рН 2 (
масштабировании процесса)
В 50 л стеклянном реакторе, растворяли 3500,74 г (35,7 моль) малеинового ангидрида в 7142,86 г воды, в полученный раствор малеиновой кислоты добавили 69,62 г затравки. К полученной реакционной массе добавляли суспензию карбоната кальция, причем отношение количества малеиновой кислоты в растворе при получении кислого малеата кальция к количеству карбоната кальция было 1:0,4 соответственно. Затем в полученную массу, добавляли 157,31 г (0,54 моль) катализатора - дигидрата вольфрамата натрия. В полученную реакционную массу, нагретую до 60°С, в течение 3 часов через капельную воронку дозировали 4161,97 г (42,83 моль) 35 мас.% раствора перекиси водорода. Во время добавления перекиси водорода осуществлялся контроль температуры реакционной массы, не допуская перегрева смеси выше 65°С. После окончания дозирования всей перекиси водорода реакционную массу оставляли при нагревании 60°С и перемешивании на 1 час для прохождения реакции эпоксидирования до конца.
После этого при перемешивании порционно добавляли оставшуюся суспензию карбоната кальция. Контроль окончания реакции осуществляли по окончанию газообразования, выдержка при перемешивании и нагреве до 60° полученной реакционной массы составляла 30 мин.
Осушка на воздухе заняла 48 часов. Масса после осушки составила 8229,08 г (92,0%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 5, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученной по Примеру 5 кристаллической модификации цис-2,3-эпоксисукцината кальция представлено в Таблице 2.
-
Таблица 1Гранулометрический состав цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Размер сита, мм
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
0,7
1,00
0,00
0,40
5,73
0,70
0,6
0,19
0,00
0,05
1,12
0,15
0,5
0,55
0,54
0,38
3,46
0,15
0,4
0,76
1,19
0,51
2,68
0,26
0,3
3,71
1,90
1,00
18,32
0,59
0,2
12,64
2,80
4,48
22,34
4,41
0,1
65,95
8,89
41,79
25,91
28,25
0,063
13,99
27,69
33,48
18,65
47,87
0,038
1,21
36,38
15,28
1,68
13,80
Дно
0,00
20,61
2,62
0,11
3,82
Сумма фракции меньше 100 мкм
81,15
84,68
93,17
46,35
93,74
Таблица 2 - Содержание D-винной кислоты, полученное методом ВЭЖХ-анализа.
Номер примера
Содержание D-винной кислоты, мас.%
Пример 1
4,16
Пример 2
3,12
Пример 3
1,09
Пример 4
2,67
Пример 5
1,06
Как иллюстрирует Таблица 2 для Примеров 3 и 5 проведение реакции эпоксидирования при рН 2 и при мольном соотношении количества малеиновой кислоты к количеству карбоната кальция равном 1:0,4 соответственно при всех прочих условиях неожиданно приводит к снижению содержания D-винной кислоты в целевом продукте - кристаллической модификации цис-2,3-эпоксисукцинате кальция. Также при сравнении распределения частиц для Примеров 3 и 5 наблюдается увеличение фракции меньше 100 мкм. Такое распределение фракции способствует ускорению реакции ферментативного гидролиза цис-2,3-эпоксисукцината кальция в тартрат кальция.
Определение строения цис-2,3-эпоксисукцината кальция
.
Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ
По данным анализа рентгенограммы продуктов, полученных при получении затравки, и повторных рентгенограмм (порошка по Примеру 4) проводили .
pseudo-Voigt
η
θ
W
V
U
Качественный рентгенофазовый анализ проводили с использованием БД ICDD PDF-2 (2003 г.в.) и поисковой системы Crystallographica Search-Match 3.0. Полученные результаты не позволили провести отнесение рефлексов к известным кристаллическим фазам. Профильный анализ рефлексов выполняли в ПО WinXPow. Для моделирования рефлексов использовали функцию с постоянным по всему угловому диапазону значением параметра . Профильный анализ проводили в диапазоне 8-52 °2. Для моделирования зависимости полуширин рефлексов от угла использовали функцию Кальотти с варьируемым параметром (и принимали равными нулю в связи с работой в узком угловом диапазоне). Индицирование дифрактограммы проводили в ПО STOE WinXPow с использованием ПО DICVOL. Полученные параметры были дополнительно уточнены с учетом возможного сдвига нуля (линейное приближение). Полученные в результате индицирования параметры приведены в Таблице 3.
На основании полученных при индицировании данных дифрактограмма была уточнена методом ЛеБеля в ПО Jana2006. Исходное уточнение проводили для пространственной группы P2/m (максимальной симморфной для моноклинной сингонии), затем - для группы P21/n.
Таблица 3. Параметры элементарной ячейки и критерий качества индицирования
Параметр
Значение
Сингония
Моноклинная
Центрировка
<i>P </i>
a, <i>Å</i>
15.197(4)
b, <i>Å</i>
8.912(2)
c, <i>Å</i>
7.472(2)
β, °
103.31(2)
<i>V</i>, <i>Å</i><sup>3</sup>
984.8(6)
<i>F</i><sub>52</sub>
41.8
Рассчитанный сдвиг нуля, °2<i>θ</i>
-0.047(7)
Решение кристаллической структуры осуществляли методами прямого пространства в ПО FOX (Free Object for Xtallograhy). Решение проводили методом Монте-Карло в приближении постоянной заселенности позиций и штрафа за сближение атомов на расстояние менее 0.8Å. В результате решения и уточнения структуры получили результаты, приведенные в Таблице 4. Уточнение кристаллической структуры позволило достичь высококачественного соответствия между теоретической и экспериментальной дифрактограммами. Результаты полнопрофильного уточнения приведены на Фиг.4.
2
Координационные полиэдры кальция представлены на Фиг.5. Ионы кальция имеют восемь лигандов каждый, с двумя мостиковыми молекулами воды. Каждый эпоксисукцинат-анион является тридентатным лигандом и соединяется только с одним ионом кальция. Следует отметить наличие в кристаллической структуре не связанной с кальцием молекулы HO.
Таблица 4 - Результаты рентгеноструктурного анализа
Состав
C<sub>4</sub>H<sub>12</sub>O<sub>10</sub>Ca
Пространственная группа
P21/<i>n</i> (№ 14)
<i>a</i>, Å
15.1916(2)
<i>b</i>, Å
8.9121(1)
<i>c</i>, Å
7.4724(1)
<i>β</i>, °
103.309(1)
<i>V</i>, Å3
984.52(2)
<i>Z </i>
4
<i>ρ</i><sub><i>calc</i></sub>, г/см<sup>3</sup>
1.756
<i>T </i>
22°C
Излучение
CoK<sub>α1</sub>; 1.78892 Å
Диапазон 2<i>θ</i>
8°- 100°
Количество точек
9200
Количество параметров
101
Количество параметров описания профиля
26
Весовая схема
1/σ<sup>2</sup>
<i>wRp </i>
7.08
<i>χ</i><sup><i>2</i></sup><i></i>
2.02
<i>R</i><sub><i>F</i></sub>
4.92
4
12
10
По данным элементного анализа, кристаллы второй кристаллической модификации содержат С - 17,69% Н - 4,62%. По формуле пентагидрата цис-эпоксисукцината кальция CHOCa теоретически С 18,46%, H - 4,62%.