СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФОРМЫ ЦИС-2,3-ЭПОКСИСУКЦИНАТА КАЛЬЦИЯ
METHOD FOR OBTAINING CRYSTALLINE FORM OF CALCIUM CIS-2,3-EPOXYSUCCINATE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области производства карбоксилатов металлов, а именно к способу получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Полученную кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината 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 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 L-(+)-винной кислоты.
Из документа GB 1423028 A (MITSUBISHI GAS CHEMICAL Company, INC., опубл. 28.01.1976) известен способ получения 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°C, цис-2,3-эпоксисукцинат кальция кристаллизуют и отфильтровывают от жидкой фазы. Недостатком данного способа является низкий выход соли, составляющий 64-75,9%.
Из документа GB 1534195 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), а вторую стадию кристаллизации цис-2,3-эпоксисукцината кальция пентагидрата проводят при температуре не выше 70°C. Однако данный способ характеризуется недостаточно крупными кристаллами, что может приводить к замедлению растворения соли из-за низкой площади поверхности, и, следовательно, увеличенному времени ферментации. Так же, 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 хорошо фильтрующихся кристаллических форм цис-2,3-эпоксисукцината кальция для повышения эффективности стадии эпоксидирования и последующей стадии ферментации.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка способа получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция позволяющего получить соль с оптимальным для дальнейших фильтрации и ферментации размером частиц и низким содержанием примесей.
Настоящее изобретение относится к способу получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, и параметры кристаллической решетки при 22°C составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°, включающий следующие стадии:
a) получение кислого малеата кальция неполной нейтрализацией малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция, причем соединение кальция подают в виде суспензии в воде;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
с) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция добавлением второй порции соединения кальция, причем соединение кальция подают в виде суспензии в воде;
d) выдерживание цис-2,3-эпоксисукцината кальция в течение от 24 до 240 ч с получением кристаллического цис-2,3-эпоксисукцината кальция, кристаллы которого принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°C составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1).
Технический результат заключается в получении кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция с содержанием D-тартрата кальция и D-винной кислоты (побочных продуктов) 3,2% и менее.
Данная техническая задача решается, и достижение технического результата обеспечивается за счет использования исходного соединения кальция в виде суспензии в воде и выдерживания нестабильной кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Здесь и далее под различными «кристаллическими формами вещества» понимают видоизменения кристаллической структуры, происходящие из-за способности одного вещества существовать в различных кристаллических формах, или структурах, называемых полиморфными модификациями.
Авторами настоящего изобретения было неожиданно обнаружено, что введение в реакцию эпоксидирования исходного соединения кальция в виде суспензии в воде не только упрощает технологический процесс (предварительное получение суспензии соединения кальция исключает необходимость в диспергировании соединения кальция в большом объеме раствора малеиновой кислоты или малеинового ангидрида), но обеспечивает при дальнейшем выдерживании первоначальной трудно фильтрующейся кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция снижение количества примесей, в частности, D-тартрата кальция и D-винной кислоты.
Настоящее изобретение также относится к способу получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающий следующие стадии:
a) получение кислого малеата кальция неполной нейтрализацией малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция, причем соединение кальция подают в виде суспензии в воде;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция пероксидом водорода в присутствии катализатора эпоксидирования с получением кислого эпоксисукцината кальция цис-2,3-эпоксисукцината кальция;
c) добавление от 0,1 до 20 мас. % затравки;
d) нейтрализация кислых солей, добавлением второй порции соединения кальция, причем соединение кальция подают в виде суспензии в воде;
отличающийся тем, что в качестве затравки используют кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцинат кальция, полученную способом, описанным выше.
Краткое описание фигур
На Фиг. 1 представлена хроматограмма смеси цис-2,3-эпоксисукцината кальция и D-винной кислоты, полученных 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.
В одном варианте осуществления изобретения раскрывается способ получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, где кристаллы принадлежат к пространственной группе P21/n, и параметры кристаллической решетки при 22°C составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°, включающий следующие стадии:
a) неполная нейтрализация малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция с получением кислого малеата кальция, где соединение кальция добавляют в виде суспензии в воде;
b) эпоксидирование кислого малеата кальция 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, где соединение кальция добавляют в виде суспензии в воде;
d) выдерживание суспензии цис-2,3-эпоксисукцината кальция в течение от 24 до 240 ч с получением кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Общая схема получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция представлена следующим образом:
Стадия а) получение кислого малеата кальция.
Кислый малеат кальция получают путем неполной нейтрализации малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция, где соединение кальция добавляют в виде суспензии в воде.
В качестве соединения кальция используют карбонат кальция или гидроксид кальция. Массовое 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. В качестве исходного соединения можно использовать не только малеиновую кислоту, но и малеиновый ангидрид, который при взаимодействии с водой превращается в малеиновую кислоту.
Соотношение малеиновой кислоты или малеинового ангидрида к соединению кальция меньше эквимолярного, т.е менее 1:1, предпочтительно 1:0,5.
Предпочтительно используют исходные вещества со степенью очистки не менее 90%, предпочтительно не менее 95%, наиболее предпочтительно не менее 98% и выше.
В одном из вариантов осуществления изобретения реакцию проводят при перемешивании для упрощения отведения диоксида углерода и ускорения растворения соединения кальция.
Реакцию предпочтительно проводят в течение от 10 мин до 10 ч, более предпочтительно от 20 мин до 3 ч, наиболее предпочтительно от 30 мин до 2 ч.
Температура реакции предпочтительно составляет от 0 до 100°C, более предпочтительно от 15 до 70°C, наиболее предпочтительно от 20 до 60°C.
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 эпоксидированием 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 5 до 50%, 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.
Массовая концентрация катализатора составляет от 0,001 до 5%, наиболее предпочтительно от 0,1 до 0,5%.
Пероксид водорода вводят в реакционную смесь в виде раствора в воде. Концентрация раствора может составлять любую удобную концентрацию от 5 до 100%. Наиболее предпочтительно использовать товарные формы пероксида водорода с концентрацией от 20 до 40%. Пероксид водорода можно добавлять единовременно или по частям. Наиболее предпочтительно, с целью контроля температуры реакционной среды, добавлять пероксид водорода постепенно в течение от 5 мин до 3 ч.
Реакцию предпочтительно проводят в течение от 0,5 до 24 ч, более предпочтительно от 1 до 6 ч, наиболее предпочтительно от 2 до 4 ч.
Температура реакции предпочтительно составляет от 40 до 100°C, наиболее предпочтительно от 50 до 80°C, наиболее предпочтительно от 55 до 65°C. При более высокой температуре возможен гидролиз эпоксисукцината в D-тартрат, тогда как при более низкой температуре реакция может идти слишком медленно.
Стадия с) нейтрализация кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
По окончании реакции эпоксидирования проводят нейтрализацию кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция путем добавления соединения кальция в количестве 0,4-0,6 экв. для нейтрализации кислых солей и доведения значения pH до 5-8. Соединение кальция добавляют в виде суспензии в воде, массовое 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.
Для выделения цис-2,3-эпоксисукцината кальция суспензию выдерживают в течение от 24 до 240 ч, предпочтительно от 32 до 120 ч, наиболее предпочтительно от 48 до 96 ч.
Выдерживание проводят при температуре от 10 до 60°C, предпочтительно от 20 до 40°C.
По окончании выдерживания визуально заметно образование двух кристаллических форм цис-2,3-эпоксисукцината кальция: мелких кристаллов, соответствующих по своей структуре кристаллам цис-2,3-эпоксисукцината кальция, известным из уровня техники, и крупных кристаллов, представляющих собой кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция по изобретению. Разделение кристаллических форм проводят, например, путем просеивания.
После разделения крупные кристаллы цис-2,3-эпоксисукцината кальция по изобретению размалываются и 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 будет описано ниже.
В другом варианте осуществления изобретения раскрывается способ получения кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция, включающий следующие стадии:
a) получение кислого малеата кальция неполной нейтрализацией малеиновой кислоты первой порцией соединения кальция, причем соединение кальция подают в виде суспензии в воде;
b) эпоксидирование кислого малеата 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 кислых солей второй порцией соединения кальция, где соединение кальция подают в виде суспензии в воде с одновременной кристаллизацией цис-2,3-эпоксисукцината кальция,
где в качестве затравки используют кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция, кристаллы которого принадлежат к пространственной группе P21/n, причем параметры кристаллической решетки при 22°C составляют a=15.1916(2) Å, b=8.9121(1) Å, c=7.4724(1) Å, beta=103.309(1)°.
Стадии получения а) малеата кальция и b) кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция идентичны описанным выше стадиям а) и b).
Стадия с) добавление затравки.
Затравку, представляющую собой кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция, вносят 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 кислых солей.
После введения в реакционную массу затравки, проводят нейтрализацию кислого цис-2,3-эпоксисукцината кальция путем добавления соединения кальция в количестве 0,4-0,6 экв. для нейтрализации кислых солей и доведения значения pH до 5-8.
Соединение кальция добавляют в виде суспензии в воде, соотношение соединения кальция и воды в суспензии составляет от 3:1 до 0,5:1, предпочтительно от 2:1 до 1:1, наиболее предпочтительно 1:1,5. Наблюдается выпадение в осадок кристаллической формы цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Полученную кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция используют в биотехнологической стадии раскрытия эпоксидного цикла при получении винной кислоты. Также, кристаллическую форму цис-2,3-эпоксисукцината кальция используют в получении (со)полимерных карбоксилатов: натрия 2,3-полиэпоксисукцината (PESA), используемых в синтетических моющих средствах, а также в качестве ингибиторов солеотложения в технике.
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).
В дальнейшем, регистрацию прецизионной дифрактограммы порошка цис-2,3-эпоксисукцината кальция выполняли на дифрактометре STOE STADI-P (управляющее ПО WinXPow), излучение Co (кобальт) Kα1, с первичным Ge (111) монохроматором, изогнутым по Иогансону, в геометрии Брегга-Брентано в режиме «на просвет» (симметричное сканирование ω - 2θ) 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 кальций 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 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°C. 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°C 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°C и постепенно добавляли 49 г карбоната кальция, после чего реакционную массу охлаждали до 15-20°C. 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). Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция добавлением сухого карбоната 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.
Затем в полученную массу, добавляли 4,4 г (0,013 моль) катализатора - дигидрата вольфрамата натрия. Полученную реакционную массу нагревали до 60°C, 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 осуществлялся контроль температуры реакционной массы, не допуская перегрева смеси выше 65°C. После окончания дозирования всей перекиси водорода реакционную массу оставляли при нагревании 60°C и перемешивании на 1 час для прохождения реакции эпоксидирования до конца.
После окончания реакции реакционную смесь, содержащую кислый эпоксималеат кальция, охлаждали до 40°C и постепенно добавляли 4,9 г сухого карбоната кальция, 2,5 г затравки и, затем, оставшиеся 44,1 г карбоната кальция. Контроль окончания реакции осуществляли по окончанию газообразования. Далее полученную массу еще охлаждали до 15-20°C, кристаллическую фазу от водной отделяли с использованием вакуум-фильтрования на фильтре с размером пор 3-5 мкм с разрежением в приемнике 100 мбар. Полученный осадок промывали 500 мл воды. Фильтрование занимало в среднем 5 минут, осушка на воздухе - 24 часа. Продукт представлял собой мелкодисперсные белые кристаллы (гранулометрический состав представлен в Таблице 1). Масса после осушки составила 241,0 г (93%). Конечный продукт переводили в кислотную форму и анализировали на содержание D-винной кислоты (данные представлены в Таблице 2).
Пример 2. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Добавление суспензии карбоната кальция.
Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция проводили аналогично Примеру 1, за исключением того, что карбонат кальция подавали в раствор малеиновой кислоты в виде суспензии, состоящей из 50 г карбоната кальция и 75 г воды.
Масса кальция цис-2,3-эпоксисукцината после осушки составила 240,1 г (92%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 2, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученном по Примеру 2 продукте, представлено в Таблице 2.
Пример 3. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Добавление суспензии карбоната кальция. Уменьшение скорости дозирования перекиси водорода.
Способ получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция отличается от приведенного в Примере 2 тем, что дозирование перекиси водорода осуществляли в течение 4 ч. Масса цис-2,3-эпоксисукцината кальция после осушки составила 239,3 г (92%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 3, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученном по Примеру 3 продукте, представлено в Таблице 2.
Пример 4. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Добавление суспензии карбоната кальция. Увеличение скорости дозирования перекиси водорода.
Способ получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция отличается от приведенного в Примере 2 тем, что дозирование перекиси водорода осуществляли в течение 20 минут. Масса после осушки составила 242,6 г (93%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 4, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученном по Примеру 4 продукте, представлено в Таблице 2.
Пример 5. Получение цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Добавление суспензии карбоната кальция. Уменьшение концентрации перекиси водорода.
Способ получения цис-2,3-эпоксисукцината кальция отличается от приведенного в Примере 2 тем, что осуществляли дозирование 232,4 г 17,5 мас. % перекиси водорода. Масса после осушки составила 239,0 г (92%).
Гранулометрический состав продукта, полученного по Примеру 4, представлен в Таблице 1.
Содержание D-винной кислоты в полученном по Примеру 4 продукте, представлено в Таблице 2.
Пример (сравнительный по прототипу). Получение кристаллов цис-эпоксисукцината кальция.
98 г малеинового ангидрида растворяли в 400 г воды в трехгорлой колбе. Затем добавляли 50 г карбоната кальция (0,5 моль карбоната кальция на 1 моль малеинового ангидрида). Перемешивали верхнеприводной мешалкой со скоростью 400 об/мин. После того как весь карбонат кальция прореагировал, добавляли 6,6 г вольфрамата натрия. Нагревали реакционную массу до 60°C и дозировали 102 г 35 мас. % раствора перекиси водорода через капельную воронку в течение 1 часа. По окончании дозирования всей перекиси водорода перемешивание продолжали в течение 7 часов. После этого охлаждали реакционную массу до 30°C и постепенно добавляли 49 г карбоната кальция. После реакционную массу охлаждали до 15-20°C. Полученные кристаллы цис-2,3-эпоксисукцината кальция образовывали плотную массу, не отделяющуюся от водной фазы. К реакционной массе добавляли 500 мл промывочной воды, при добавлении промывочной воды, 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. Получившийся осадок представлял собой кристаллы с широким распределением по размеру от около 10 до 100 мкм. Кристаллы сушили в течение 72 ч на воздухе, масса составила 88 г (выход 36%). Рентгенограмма полученных кристаллов представлена на Фиг. 2.
Таблица 1 - Гранулометрический состав цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
Размер сита, мм
Пример 1
Пример 2
Пример 3
Пример 4
Пример 5
0,7
1,08
1,72
0
0
0
0,6
0,29
0,21
0
0
0
0,5
0,26
0,36
0
0,44
0,19
0,4
1,98
0,72
0,87
0,6
0,42
0,3
3,95
1,62
1,31
1,63
1,91
0,2
4,48
1,96
2,2
7,29
9,68
0,1
38,16
57,53
40,23
59,22
54,14
0,063
40,50
31,54
39,57
24,28
26,68
0,038
9,25
4,34
13,04
5,32
6,36
Дно
0,05
0
2,78
1,22
0,62
Сумма фракции меньше 100 мкм
87,96
93,41
95,62
90,04
87,8
Таблица 2 - Состав продуктов
Номер примера
Содержание D- винной кислоты, мас. %
Содержание цис-2,3-эпоксисукцината кальция, мас. %
Пример 1
4,16
95,84
Пример 2
3,12
96,88
Пример 3
5,16
94,84
Пример 4
2,31
97,69
Пример 5
4,18
95,82
Как иллюстрирует Таблица 2 для Примеров 1 и 2, введение карбоната кальция в виде суспензии при всех прочих условиях неожиданно приводит к увеличению селективности процесса по целевому продукту - цис-2,3-эпоксисукцината кальция. Также при сравнении распределения частиц для Примеров 1 и 2 наблюдается увеличение фракции меньше 100 мкм для Примера 2. Такое распределение фракции способствует в дальнейшем при ферментативном гидролизе контролировать процесс.
Определение строения цис-2,3-эпоксисукцината кальция.
По данным анализа рентгенограммы продуктов, полученных при получении затравки, и повторных рентгенограмм (порошка по Примеру 2) проводили Рентгенофазовый и рентгеноструктурный анализ.
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 pseudo-Voigt с постоянным по всему угловому диапазону значением параметра η. Профильный анализ проводили в диапазоне 8-52 °2θ. Для моделирования зависимости полуширин рефлексов от угла использовали функцию Кальотти с варьируемым параметром W (V и U 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
P
a, Å
15.197(4)
b, Å
8.912(2)
c, Å
7.472(2)
β, °
103.31(2)
V, Å<sup>3</sup>
984.8(6)
F<sub>52</sub>
41.8
Рассчитанный сдвиг нуля, °2θ
-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/n (№ 14)
a, Å
15.1916(2)
b, Å
8.9121(1)
c, Å
7.4724(1)
β, °
103.309(1)
V, Å3
984.52(2)
Z
4
ρ<sub>calc</sub>, г/см<sup>3</sup>
1.756
T
22°C
Излучение
CoK<sub>α1</sub>; 1.78892 Å
Диапазон 2θ
8°- 100°
Количество точек
9200
Количество параметров
101
Количество параметров описания профиля
26
Весовая схема
1/σ<sup>2</sup>
wRp
7.08
χ<sup>2</sup>
2.02
R<sub>F</sub>
4.92
4
12
10
По данным элементного анализа, кристаллы второй кристаллической формы содержат С - 17,69% Н - 4,62%. По формуле пентагидрата цис-эпоксисукцината кальция CHOCa теоретически С 18,46%, H - 4,62%.
Пример 6. Получение поликарбоксилата - полимера цис-эпокси-1,4-бутандиовой кислоты (PESA).
2
2
2
Кристаллы кальция цис-2,3-эпокисукцината из примера 4 (200 г, 0,826 моль), суспендированные в 500 мл HO, смешивали с водным раствором сульфата натрия (118 г, 0,831 моль, в 500 мл HO) при 30°C. Смесь интенсивно перемешивали в течение 2 ч. Затем отфильтровывали осадок сульфата кальция дигидрата, осадок промывали 100 мл воды. Фильтрат представлял собой водный раствор динатрия цис-2,3-эпоксисукцината. К фильтрату добавляли 25 г (0,103 моль) кальция цис-2,3-эпокисукцината, полученного по Примеру 4, и 16,5 г (0,206 моль) 50% раствора NaOH. Смесь нагревали при перемешивании до 100°C и выдерживали 2 ч с обратным холодильником. Затем раствор подкисляли до pH 2 соляной кислотой и отфильтровывали осадок полимера. Полимер суспендировали в 200 мл HO и подщелачивали 50% раствором NaOH до значения pH равного 6. Молекулярная масса поликарбоксилата Mw по данным ГПХ составляла 1083 г/моль.
Пример 7. Получение L-тартрата кальция и L-(+)-винной кислоты.
Штамм Acinetobacter tartarogenes KB-111 вносили в ферментер емкостью 2 л, содержащий 500 мл жидкой культуральной среды, состоящей из цис-2,3-эпоксисукцината кальция (0,6%), сульфата аммония (0,5%), дикалийфосфата (0,1%), сульфата магния (0,05%), с pH 7,0. Вышеуказанную смесь подвергали культивированию с возвратно-поступательным движением при 30°C в течение 24 часов и получали 500 мл культурального бульона. Этот культуральный бульон переносили в резервуар емкостью 50 л, который содержал 30 л жидкой культуральной среды, состоящей из пептона (0,1%), сульфата аммония (0,5%), дикалийфосфата (0,1%), сульфата магния (0,05%), сульфата железа (0,001%), глюкозы (0,2%), с pH 7.0; в то же время добавляли в резервуар 180 г цис-2,3-эпоксисукцината кальция по Примеру 4. Полученный продукт культивировали при 30°C с перемешиванием и аэрацией, при этом добавляли в культуру 20 г Terravis K1-2 (торговая марка Sasol) в качестве пеногасителя. По истечении 24 часов после начала культивирования добавляют 6 кг цис-2,3-эпоксисукцината кальция пентагидрата с последующей культивацией в течение 24 часов. Примерно 30 л полученного культурального бульона фильтровали с помощью фильтровального пресса и полученный осадок промывали водой. Продукт суспендировали в 10 л воды, центрифугировали, осадок вновь отделяли и промывали водой. Получали кристаллы L-тартрата кальция тетрагидрата массой 5,8 кг, выход 94%.
L-(+)-винную кислоту получали гидролизом L-тартрата кальция тетрагидрата путем пропускания полученных кристаллов L-тартрата кальция тетрагидрата через ионообменную колонку.